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QFL-3102
Química Inorgânica
GASES NOBRES
Vimos na aula passada
Abundância dos elementos
no planeta Terra
7%
3%
3%
5%7%
26%
49%
Outros
NaCaFe
Al
Silício
49,5 %
Oxigênio
Crosta terrestre
0,7% da massa da Terra
É todo o nosso suprimento disponível de matérias primas
Planeta TerraProfundidade
em km
36
2900
Manto
NúcleoMais de 3000 km até o centro geométrico
Parte externa líquida
Parte interna sólida extremamente densa
Metálico (Ferro e níquel)
68% da massa da Terra
83% do volume da Terra
Silicatos densos de Fe e Mg
Crosta
continental
Fonte: Fine & Beall, Chemistry for Engineer and Scientists, 1990, p. 111
3%
13%
37%
16%
31%
Outros
Mg
FeSilício
Oxigênio
Crosta terrestre
Fina camada exterior 5 a 65 km de espessura
Litosfera: parte sólida (silicatos, carbonatos, óxidos, sulfetos...)
Espessura média~ 35 km sob os continentes
~ 10 km sob os oceanos
Hidrosfera: oceanos, mares, lagos, rios
(água, NaCl, NaBr, NaI, MgCl2, ...)
Atmosfera: ar (Nitrogênio, oxigênio, gases nobres)
Biosfera: carvão, petróleo, gás natural, enxofre,
rocha fosfática, produtos naturais orgânicos
menos de 0,03%
da massa total
da Terra.
(v/v)
Aula de hoje
Significado dos nomes
Hélio do grego helios, significa Sol
Neônio do grego neos, significa novo
Argônio do grego argos, significa inativo, indiferente
Kriptônio do grego kriptos, significa oculto, escondido
Xenônio do grego xenos, significa estranho
Radônio batizado em função do elemento rádio,
do qual deriva por decaimento radioativo
Linhas escuras no espectro solardesconhecida na terra,
observada em 1868 pelos
astrônomos P. J. C.
Janssen (1824-1907) e J.
N. Lockyer (1836-1920)
5876 nm (linha D3)
GASES NOBRES
2
He10
Ne18
Ar36
Kr54
Xe86
Rn
Configurações eletrônicas de camada completa:
• baixa reatividade
• monoatômicos
1962: Neil Bartlett sintetizou o primeiro
composto de gás nobre:Xe + PtF6 XePtF6
GRUPO 18
ns2 np6
He: 1s2
Já foram chamados de
gases raros
gases inertes
gases nobres
Argônio é mais abundante
que Ag, Hg, CO2
XX
Descoberta dos gases nobres
1785 – Henry Cavendish Primeiros indícios da existência
Ar atmosférico NO2 + O2
Removeu NO2 com solução básica (NaOH ou KOH).
Converteu excesso de O2 em SO2 (queima de enxofre).
Removeu SO2 com solução de NaOH.
Sobrava resíduo gasoso não reativo.
Pequena quantidade de ar residual, "não maior do que 1/120 do total“.
faísca
elétrica
Sem explicação durante um século !!!
Não havia lugar na Tabela Periódica para ele !!!
Ramsay propôs a existência de um grupo inteiro.
1892 – O físico John William Strutt, Lord Rayleigh (1842-1919)
separou os gases conhecidos do ar (O2, CO2, H2O) e obteve
"nitrogênio" com densidade ~0,5% maior do que a do nitrogênio
preparado a partir de compostos nitrogenados, ex:
NH4NO2(s) N2(g) + 2 H2O(l)
Solicitou ajuda dos químicos no que foi atendido por William Ramsay
(1852-1916) repetiram o experimento de Cavendish:
Ar atmosférico + O2 NO2 + excesso de O2
e removeram o oxigênio por reação com cobre aquecido:
2 Cu + O2 2 CuO
Restou pequena quantidade de um gás com espectro de emissão
desconhecido elemento novo = argônio.
1894 - Rayleigh e Ramsay prepararam quantidade razoável de
argônio e tentaram sua combinação com H2, Na, Cl2, S, etc, sem êxito.
1898 - Descobertos o criptônio, o neônio e o xenônio, por Ramsay
e seu assistente Morris Travers (1872-1961), por meio da destilação
fracionada do ar líquido.
1900 - O último dos elementos da família foi isolado, como uma
emanação gasosa do elemento rádio, por Lord Rutherford (1871-
1937) e por Frederick Soddy (1877-1956) = radônio.
1895 – Ramsay repetiu experimentos de W. F. Hillebrand (1853-
1925), aquecendo minerais de urânio e comprovou que o gás inerte
liberado não era nitrogênio, nem argônio.
Exame espectroscópico linha espectral idêntica à observada,
em 1868, no espectro solar novo elemento = hélio.
NOVO GRUPO
Ponte entreHalogênios – fortemente eletronegativos
Alcalinos – fortemente eletropositivos
Permitiu interpretação da tabela periódica
Papel chave nas teorias eletrônicas de
valência (estabelecimento de “octeto estável”)
1916 – G. N. Lewis (1875-1946)
William Ramsay e
os gases nobres
Ocorrência dos gases nobres
Hélio
2o elemento mais abundante no Universo (23% em massa) e no Sol
é raro na Terra (tende a escapar da força gravitacional)
componente de gases naturais sob formações rochosas (resultado da
emissão de partículas alfa por elementos radioativos).
Abundância na atmosfera
(% em volume)
5,2 x 10-4
1,5 x 10-3
0,93
1,1 x 10-4
8,7 x 10-6
He
Ne
Ar
Kr
Xe
Rn
Gás
radioativo (1/2 vida = 3,8 dias) 4
2
218
84
222
86 PoRn
4He2+2
4 =24He2
hélio
4 2 e- 2
Argônio é o mais abundante,
origina-se do 40K por captura β
0e-1
40K +19
40Ar18
Fontes e produção dos gases nobres
HeNe
Ar
Kr
Xe
Rn
Depósitos de gás natural
Ar atmosférico
Liquefação dos
hidrocarbonetos
Destilação fracionada
do ar liquefeito
100 g de rádio fornecem cerca de 2 mL de radônio por dia.
4
2
222
86
226
88 RnRa
Decaimento radioativo de
minerais de rádio e tório
Propriedades atômicas
configuração eletrônica camada completa
HeNe
Ar
Kr
Xe
Rn
1a EI
(kJ/mol)
23702080
1520
1350
1170
1040
Raio
(pm)
99160
192
197
217
Energia de ionização alta Zef é alta no fim do período
Afinidade eletrônica baixa (elétron adicionado vai para nova camada)
Número atômico
EI
(kJ/mol)
Espectro de emissão atômica
λ (nm)
400 500 600 700
Hg
Ne
H
Identificação de gases nobres
métodos químicos não dão reações características
métodos espectroscópicos espectros característicos
X
Espectro de emissão do hidrogênio atômico
Recordando
Propriedades físicas e químicas
Gases monoatômicos, incolores e inodoros
PE
(oC)
-269-246
-186
-153
-108
- 62
PF
(oC)
-249
-189
-157
-112
- 71
Densidade
em CNTP
(g dm-3)
0,180,90
1,78
3,75
5,89
9,73
Solubilidade em água a 20oC
(cm3 kg-1)
8,610,5
33,6
59,4
108
230
HeNe
Ar
Kr
Xe
Rn
Gás
Forças de dispersão de London
• Forças de atração que operam a distâncias extremamente curtas
• São maiores para átomos maiores (mais polarizáveis)
• Hélio é o único líquido que não se solidifica apenas diminuindo a
temperatura (requer P acima de 25 atm)
Molécula
monoatômica
(esférica,
apolar)
Aparecimento
de dipolo
instantâneo
Atração intermolecular
Líquefação
Solidificação
Resfriamento
Resfriamento
Hélio-II superfluido, viscosidade nula, extremamente móvel, pode fluir
para cima subindo pelas paredes do recipiente, alta condutividade térmica
Diagrama de fases do hélio 4He
configuração eletrônica dos gases nobres:
Octeto completo, todos elétrons emparelhados
desemparelhar elétrons
romper nível completamente preenchido
promover elétron para outro nível
Reatividade
Quantidade de energia muito grande
Só reagem com elementos muito eletronegativos (F, O)
Facilidade de reação cresce com o no atômico (< EI)
Xe > Kr > Ar > Ne > He
XeF2, XeF4, XeF6, XeO3, ... Não se conhecem compostosKrF2
Aplicações dos gases nobres
HÉLIO
• em dirigíveis
Não inflamável
dHe = 0,18 g dm-3
dar = 1,29 g dm-3
• como fluido de refrigeração
< PE de todos os líquidos
Ímas supercondutores, 2-5 K
• em foguetes
para pressurizar o combustível
• em lasers de hélio-neônio
• como atmosfera artificial para
mergulhadores (80% He, 20% O2)
baixa solubilidade no sangue
(menor que do N2)
• para tratamento de asma
Alta velocidade de difusão,
reduz esforço respiratório
Aplicações dos gases nobres
ARGÔNIO
• Atmosfera inerte para
Processos metalúrgicos
Solda de arco voltaico
Crescimento de cristais de Si e Ge (transistors)
Laboratório (preparações em ausência de O2)
mais abundante
e mais barato• Enchimento de
Lâmpadas elétricas incandescentes
Lâmpadas fluorescentes
Contadores Geiger-Müller
88% Ar +
12% N2
W
Aplicações dos gases nobres
NEÔNIO
KRIPTÔNIO
XENÔNIO
• Xe e Kr – flash para fotografia
• em lasers de hélio - neônio
• em tubos de descarga elétrica
Lâmpadas de neon para anúncios
luminosos (cor depende da mistura
de gases)
Kr - iluminação de pistas de aeroportos
Xe – anestésico (solúvel no sangue)
Toxicidade He, Ne, Ar, Kr e Xe Atóxicos
Radônio Gás prejudicial à saúde, emite radiação nuclear ionizante
222Rn 218Po 214Pb 214Bi 214Po
210Pb210Bi210Po206Pb
α α β β
ββα αestável
Rn se dissolve nos tecidos dos pulmões
Compostos dos gases nobres
CLATRATOS
Compostos de inclusão
Hospedeiro: Água (gelo),
hidroquinona, zeólitas Convidado:
Ar, Kr, Xe
Não se forma ligação química
Aplicação:
Armazenamento
de gases nobres
Existem sob pressão do gás
Compostos dos gases nobres
Número atômico
EI (eV)
1933 – previstos por Linus Pauling
1962 – Neil Bartlett preparou um poderoso oxidante, PtF6, que
conseguiu oxidar O2 a O2+. Como o Xe que tem EI próxima à do O2,
testou também a reação com Xe.
Sintetizou assim o primeiro
composto de gás nobre e
depois outros foram obtidos.
O2 + PtF6 O2+ PtF6
-
EI do O2 = 12,2 eV
EI do Xe = 12,13 EV
não existem compostos de He, Ne ou Ar.
Rn: reage com flúor, mas sua radioatividade torna difícil
o estudo de seus compostos.
Kr: forma apenas uma molécula neutra estável
conhecida, KrF2.
Xe: Energia de ionização suficientemente baixa: seus
elétrons mais externos podem ser perdidos para elementos
com alta eletronegatividade.
A química dos gases nobres
Xe + F2
Mistura
2:1XeF2
XeF4
XeF6
1:5
1:20
Xe reage diretamente apenas com F2.
Compostos com O podem ser obtidos
a partir dos fluoretos.
Recordando
Teoria RPECV (repulsão de pares
eletrônicos da camada de valência)
Linear
Trigonal planar
Tetraedro
Bipirâmide trigonal
Octaedro
No de
pares de
elétrons
2
3
4
5
6
Repulsão: par isolado-par isolado > par isolado-par
compartilhado > par compartilhado-par compartilhado
Geometrias com
repulsão mínima
Recordando aula do Prof. Hermi QFL-3100
Requisitos:
1) Os pares eletrônicos da camada de valência do átomo central tendem
a se orientar de forma que sua energia total seja mínima
- Minimizar as repulsões intereletrônicas
Recordando aula do Prof. Hermi QFL-3100
2) A magnitude da repulsão entre os pares eletrônicos depende de
estarem compartilhados ou isolados
3) Forças repulsivas decrescem bruscamente com o aumento do ângulo
entre os pares eletrônicos:
são fortes a 90o, mais fracas a 120o e extremamente fracas a 180o
a) Par compartilhado
Par compartilhado
b) Par isolado -Par compartilhado
c) Par isolado -Par isolado
Repulsão entre os pares eletrônicos crescente
dd
d
XeF2
Xe 8 elétrons
2 F 2 elétrons
Total = 10 elétrons
ou 5 pares
Molécula linear
Molécula
linearMoléculas angulares
Xe 8 elétrons
4 F 4 elétrons
Total = 12 elétrons
ou 6 pares
XeF4
XeF6 Xe 8 elétrons
6 F 6 elétrons
Total = 14 elétrons
ou 7 pares 6 ligações Xe-F
1 par isolado
- a presença do par de
e- não compartilhado
distorce o octaedro
• poderosos agentes oxidantes e fluorantes
2 XeF2 + 2 H2O 2 Xe + 4 HF + O2
• precursores para obter óxidos e oxiácidos de xenônio
XeFn
XeF6 + 3 H2O XeO3 + 6 HF
Vários outros compostos já são conhecidos:
XeOF2, XeOF4, XeO3F2, XeO4, Ba2[XeO6], etc.
Trióxido de xenônio, XeO3 = anidrido do ácido xênico, H2XeO4
Bibliografia
1. D. F. Shriver, P. W. Atkins e outros; Química Inorgânica, 4a ed.,
Bookman, Porto Alegre, 2008, cap. 17, p. 447 ou edições anteriores
2. J. D. Lee, Química Inorgânica não tão concisa, Ed. Edgard Blücher,
1999, cap. 17, p. 319
3. N. N. Greenwood e A. Earnshaw, Chemistry of the elements,
Pergamon Press, Oxford, 1984, cap. 18, p. 1042
4. L. W. Fine e H. Beall, Chemistry for Engineers and Scientists,
Saunders, Philadelphia, 1990, p. 221
5. J. Zimmernan, O estranho mundo do hélio, Revista Iberoamericana
de Educación Química, vol. 4, no 3, p. 76-79, 1973
Próximas aulas
Sexta feira, 08/08 – Orientação sobre o LAB
Sala 774 do bloco 7 superior. Não é necessário trazer avental
Segunda feira, 11/08 – Teoria: Hidrogênio
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