Chemistry · Livro 2 · Bachelor Year 1

Química universitária — 1.º ano

Química universitária — 1.º ano · Bachelor Year 1

26O hidrogênio e o bloco s

Todo celular, notebook e carro elétrico leva uma bateria cujas cargas positivas são transportadas por íons lítio. Esse lítio vem sobretudo de dois lugares: minas de rocha dura na Austrália e os salares dos Andes, onde a salmoura bombeada de debaixo da crosta é deixada evaporar ao sol durante meses, até que sais de lítio possam ser precipitados dela. O lítio é o primeiro dos metais alcalinos, os metais mais reativos que existem, e seus vizinhos sódio, potássio, magnésio e cálcio fornecem os produtos químicos de base da indústria: soda cáustica, barrilha, cal. Este capítulo abre a química descritiva dos elementos com o hidrogênio e o bloco s, usando as ferramentas dos capítulos anteriores — energias de ionização, potenciais padrão, produtos de solubilidade — para explicar o que esses elementos fazem.

O que você já sabe

As energias de ionização e a eletronegatividade (Capítulo 2); os potenciais padrão (Capítulo 13); os produtos de solubilidade e a precipitação dos hidróxidos (Capítulo 11). O Livro 1 (ano 10) agrupou os elementos em famílias: metais alcalinos, metais alcalinoterrosos, halogênios, gases nobres.

Lagoas de evaporação de salmoura de lítio no Salar de Atacama, vistas da órbita (Landsat 8, 2018; NASA Earth Observatory, domínio público, Wikimedia Commons). A cor de cada lagoa muda à medida que a salmoura se concentra e os sais cristalizam.
Lagoas de evaporação de salmoura de lítio no Salar de Atacama, vistas da órbita (Landsat 8, 2018; NASA Earth Observatory, domínio público, Wikimedia Commons). A cor de cada lagoa muda à medida que a salmoura se concentra e os sais cristalizam.

26.1 O hidrogênio e os hidretos

O hidrogênio tem um elétron: pode perdê-lo (HX+\ce{H+}, transportado pela água como HX3OX+\ce{H3O+}), compartilhá-lo (ligações covalentes) ou ganhar um (HX−\ce{H-}, com a configuração eletrônica do hélio). O que ele faz depende de seu parceiro.

Definição 26.1 (Hidretos)

Um hidreto é um composto binário do hidrogênio com outro elemento. Os hidretos salinos, formados com os metais alcalinos e os alcalinoterrosos mais pesados (LiH\ce{LiH}, NaH\ce{NaH}, CaHX2\ce{CaH2}), são sólidos iônicos que contêm HX−\ce{H-}. Os hidretos covalentes, formados com os elementos do bloco p (CHX4\ce{CH4}, NHX3\ce{NH3}, HX2O\ce{H2O}, HCl\ce{HCl}), são moleculares. Os hidretos metálicos, formados com alguns metais de transição, são sólidos em que o hidrogênio ocupa sítios intersticiais do retículo do metal, muitas vezes com composição variável.

O íon hidreto é uma base e um redutor muito fortes: os hidretos salinos reagem com a água, NaH+HX2O→NaOH+HX2\ce{NaH + H2O -> NaOH + H2}, e servem como agentes secantes de solventes e como bases em síntese orgânica (Capítulo 22). Os hidretos covalentes do segundo período mostram a tendência da eletronegatividade ao longo dele: CHX4\ce{CH4} nem ácido nem básico, NHX3\ce{NH3} básico, HX2O\ce{H2O} anfótero, HF\ce{HF} ácido.

26.2 Os metais alcalinos

Definição 26.2 (Metais alcalinos e alcalinoterrosos)

Os metais alcalinos (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) formam o grupo 1, com um elétron de valência ns1^1; os metais alcalinoterrosos (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) formam o grupo 2, com ns2^2. Seus elementos constituem o bloco s.

Proposição 26.3 (Os metais alcalinos são redutores fortes)

Os metais alcalinos têm as menores primeiras energias de ionização de seus períodos (Li 5.39 eV5.39\,\mathrm{eV}, Na 5.14, K 4.34) e potenciais padrão muito negativos (LiX+\ce{Li+}/Li\ce{Li} −3.04-3.04 V, NaX+\ce{Na+}/Na\ce{Na} −2.71-2.71, KX+\ce{K+}/K\ce{K} −2.94-2.94): eles reduzem a água e só são encontrados na natureza como íons MX+\ce{M+}.

Demonstração. Um único elétron fora de um caroço de gás nobre, longe do núcleo e blindado pelas camadas internas (Capítulo 2), é facilmente removido. Em água, o pequeno íon MX+\ce{M+} é fortemente hidratado, o que torna o potencial do par ainda mais baixo. Com E∘E^\circ mais de 2.2 V2.2\,\mathrm{V} abaixo da reta da água a pH 7 (−0.41-0.41 V), a reação 2 M+2 HX2O→2 MX++2 OHX−+HX2\ce{2M + 2H2O -> 2M+ + 2OH- + H2} tem uma constante enorme (Proposição 13.12). ∎

À esquerda: o sódio é guardado sob óleo mineral, longe do ar e da umidade (fotografia de Justin Urgitis, CC BY-SA 2.5). À direita: cores de chama, da esquerda para a direita, de compostos de lítio, estrôncio, cálcio, sódio, bário, boro, cobre, césio e potássio: os elétrons excitados na chama voltam a níveis mais baixos emitindo luz em comprimentos de onda característicos de cada elemento () (fotografia de Hegelrast, CC BY-SA 4.0). Ambas da Wikimedia Commons. À esquerda: o sódio é guardado sob óleo mineral, longe do ar e da umidade (fotografia de Justin Urgitis, CC BY-SA 2.5). À direita: cores de chama, da esquerda para a direita, de compostos de lítio, estrôncio, cálcio, sódio, bário, boro, cobre, césio e potássio: os elétrons excitados na chama voltam a níveis mais baixos emitindo luz em comprimentos de onda característicos de cada elemento () (fotografia de Hegelrast, CC BY-SA 4.0). Ambas da Wikimedia Commons.
À esquerda: o sódio é guardado sob óleo mineral, longe do ar e da umidade (fotografia de Justin Urgitis, CC BY-SA 2.5). À direita: cores de chama, da esquerda para a direita, de compostos de lítio, estrôncio, cálcio, sódio, bário, boro, cobre, césio e potássio: os elétrons excitados na chama voltam a níveis mais baixos emitindo luz em comprimentos de onda característicos de cada elemento (Capítulo 1) (fotografia de Hegelrast, CC BY-SA 4.0). Ambas da Wikimedia Commons.

No laboratório — Uma demonstração, não um experimento

A reação do sódio com a água só é mostrada por um professor, atrás de uma tela de proteção, com um pedaço do tamanho de uma lentilha jogado em uma grande cuba de água contendo fenolftaleína: o metal funde em uma bolinha que corre, o hidrogênio chia, e o rastro rosa mostra o hidróxido formado. O potássio inflama o hidrogênio. Pedaços maiores explodem. O sódio é cortado sob óleo, manipulado com pinça, e seus resíduos são destruídos com etanol, nunca com água.

O lítio é a exceção do seu grupo: o menor íon, o mais fortemente hidratado, logo o potencial mais negativo, e no entanto o mais lento a reagir com a água. Seus compostos se parecem com os do magnésio (o carbonato e o fosfato de lítio são pouco solúveis, como os do magnésio), uma relação diagonal na tabela periódica. Os metais alcalinos são produzidos por eletrólise de seus cloretos fundidos, já que nenhum redutor químico é forte o bastante; as reações de eletrodo dessas células são estudadas no volume do 2.º ano.

26.3 Os compostos de sódio na indústria

Definição 26.4 (Caráter dos óxidos)

Um óxido básico reage com a água dando um hidróxido, ou com ácidos dando sais (NaX2O\ce{Na2O}, CaO\ce{CaO}); um óxido ácido reage com a água dando um ácido, ou com bases dando sais (COX2\ce{CO2}, SOX3\ce{SO3}, PX4OX10\ce{P4O10}); um óxido anfótero reage tanto com ácidos quanto com bases (AlX2OX3\ce{Al2O3}, ZnO\ce{ZnO}). Ao longo de um período, os óxidos passam de básicos (metais, à esquerda) a ácidos (não metais, à direita).

O hidróxido de sódio é produzido por eletrólise da salmoura (o processo cloro-álcali, que também fornece cloro e hidrogênio). O carbonato de sódio, ou barrilha, usado para vidro, detergentes e extração de lítio, é extraído como o mineral trona ou produzido a partir de sal e calcário: em 2025 o mundo produziu cerca de 71 milhões de toneladas, 19 milhões de jazidas naturais e 52 milhões sintéticos, a maior parte pelo processo Solvay.

Proposição 26.5 (O processo Solvay)

O processo Solvay converte cloreto de sódio e carbonato de cálcio em carbonato de sódio e cloreto de cálcio, 2 NaCl+CaCOX3→NaX2COX3+CaClX2\ce{2NaCl + CaCO3 -> Na2CO3 + CaCl2}, por etapas em que a amônia e o dióxido de carbono são reciclados.

Demonstração. As etapas são: (1) CaCOX3→CaO+COX2\ce{CaCO3 -> CaO + CO2} (forno); (2) NaCl+NHX3+COX2+HX2O→NaHCOX3+NHX4Cl\ce{NaCl + NH3 + CO2 + H2O -> NaHCO3 + NH4Cl} (carbonatação da salmoura amoniacal; o hidrogenocarbonato, o sal menos solúvel presente, precipita); (3) 2 NaHCOX3→NaX2COX3+COX2+HX2O\ce{2NaHCO3 -> Na2CO3 + CO2 + H2O} (calcinação); (4) CaO+HX2O→Ca(OH)X2\ce{CaO + H2O -> Ca(OH)2}; (5) Ca(OH)X2+2 NHX4Cl→CaClX2+2 NHX3+2 HX2O\ce{Ca(OH)2 + 2NH4Cl -> CaCl2 + 2NH3 + 2H2O} (recuperação da amônia). Somando (1)+2×(2)+(3)+(4)+(5)(1) + 2\times(2) + (3) + (4) + (5), NHX3\ce{NH3}, COX2\ce{CO2}, NHX4Cl\ce{NH4Cl}, NaHCOX3\ce{NaHCO3}, CaO\ce{CaO}, Ca(OH)X2\ce{Ca(OH)2} e a água se cancelam: 2 NaCl+CaCOX3→NaX2COX3+CaClX2\ce{2NaCl + CaCO3 -> Na2CO3 + CaCl2}. ∎

O processo Solvay. O dióxido de carbono e a amônia circulam em ciclos; entram sal e calcário, saem barrilha e cloreto de cálcio.
O processo Solvay. O dióxido de carbono e a amônia circulam em ciclos; entram sal e calcário, saem barrilha e cloreto de cálcio.
Uma fábrica de barrilha: fornos de cal, torres de carbonatação e pilhas de carbonato de sódio.
Uma fábrica de barrilha: fornos de cal, torres de carbonatação e pilhas de carbonato de sódio.

Método 26.6 (Balanço de massa em um fluxograma)

  1. Escreva a equação global (soma das etapas, com as espécies recicladas canceladas).
  2. A partir do produto desejado, calcule as quantidades de matérias-primas com a equação global e depois corrija pelo rendimento de cada etapa.
  3. Para uma espécie reciclada, calcule apenas a reposição necessária para compensar suas perdas.
  4. Verifique o balanço de cada elemento entre entradas e saídas.

26.4 Os metais alcalinoterrosos

O magnésio e o cálcio são menos reativos que os metais alcalinos (energias de ionização maiores: Mg 7.65 eV7.65\,\mathrm{eV}, Ca 6.11; dois elétrons a perder), mas continuam sendo redutores fortes (E∘E^\circ de MgX2+\ce{Mg^2+}/Mg\ce{Mg} −2.36-2.36 V). O magnésio queima no ar com uma luz branca ofuscante; sua película de óxido o protege à temperatura ambiente. O magnésio é recuperado da água do mar precipitando seu hidróxido com cal, pKs=11.25\mathrm{p}K_s = 11.25 (Capítulo 11).

Proposição 26.7 (O ciclo da cal)

Calcário, cal virgem, cal hidratada e de novo calcário formam um ciclo: CaCOX3→CaO+COX2\ce{CaCO3 -> CaO + CO2} (aquecido em um forno); CaO+HX2O→Ca(OH)X2\ce{CaO + H2O -> Ca(OH)2} (extinção, fortemente exotérmica); Ca(OH)X2+COX2→CaCOX3+HX2O\ce{Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 + H2O} (endurecimento da argamassa de cal ao ar). O ciclo como um todo nada muda quimicamente, mas armazena e libera energia e dióxido de carbono.

Demonstração. Somando as três equações, todas as espécies se cancelam. A decomposição do carbonato exige calor, liberado de novo nas duas outras etapas; o COX2\ce{CO2} desprendido no forno é reabsorvido, lentamente, pela argamassa. ∎

O ciclo da cal, do calcário à argamassa e de volta ao carbonato de cálcio.
O ciclo da cal, do calcário à argamassa e de volta ao carbonato de cálcio.

26.5 O lítio

Os maiores produtores de lítio em 2025 (estimativas; total mundial de cerca de 290\,000 toneladas de lítio). A Austrália explora rocha dura (espodumênio); o Chile e a Argentina bombeiam salmouras.
Os maiores produtores de lítio em 2025 (estimativas; total mundial de cerca de 290 000290\,000 toneladas de lítio). A Austrália explora rocha dura (espodumênio); o Chile e a Argentina bombeiam salmouras.

A salmoura é concentrada por evaporação, o magnésio é removido com cal, e o carbonato de lítio é precipitado com barrilha. O carbonato de lítio tem a propriedade incomum de ser menos solúvel a quente que a frio: 1.31 %1.31\,\% em massa a 20 ∘C20\,{}^{\circ}\mathrm{C}, 0.84 %0.84\,\% a 80 ∘C80\,{}^{\circ}\mathrm{C}, 0.71 %0.71\,\% a 100 ∘C100\,{}^{\circ}\mathrm{C}. Por isso ele é precipitado a partir de solução quente, como calcula o problema de fim de semana.

26.6 Exercícios

Exercício 26.1 ★

Classifique como hidreto salino, covalente ou metálico: KH\ce{KH}, SiHX4\ce{SiH4}, CaHX2\ce{CaH2}, HX2S\ce{H2S}, PdHX0.6\ce{PdH_{0.6}}. Escreva a reação de CaHX2\ce{CaH2} com a água.

Solução

Solução de Exercício 26.1.

KH\ce{KH} e CaHX2\ce{CaH2}: salinos; SiHX4\ce{SiH4} e HX2S\ce{H2S}: covalentes; PdHX0.6\ce{PdH_{0.6}}: metálico. CaHX2+2 HX2O→Ca(OH)X2+2 HX2\ce{CaH2 + 2H2O -> Ca(OH)2 + 2H2}.

Exercício 26.2 ★

Escreva as reações do lítio, do sódio e do potássio com a água, e do magnésio com ácido clorídrico diluído.

Solução

Solução de Exercício 26.2.

2 Li+2 HX2O→2 LiOH+HX2\ce{2Li + 2H2O -> 2LiOH + H2}, e o mesmo com Na e K; Mg+2 HCl→MgClX2+HX2\ce{Mg + 2HCl -> MgCl2 + H2}.

Exercício 26.3 ★

Classifique como básico, ácido ou anfótero: NaX2O\ce{Na2O}, MgO\ce{MgO}, AlX2OX3\ce{Al2O3}, SiOX2\ce{SiO2}, SOX3\ce{SO3}, ZnO\ce{ZnO}, COX2\ce{CO2}. Escreva uma reação para cada tipo.

Solução

Solução de Exercício 26.3.

Básicos: NaX2O\ce{Na2O}, MgO\ce{MgO} (MgO+2 HCl→MgClX2+HX2O\ce{MgO + 2HCl -> MgCl2 + H2O}). Ácidos: SiOX2\ce{SiO2}, SOX3\ce{SO3}, COX2\ce{CO2} (SOX3+HX2O→HX2SOX4\ce{SO3 + H2O -> H2SO4}). Anfóteros: AlX2OX3\ce{Al2O3}, ZnO\ce{ZnO} (ZnO+2 OHX−+HX2O→Zn(OH)X4X2−\ce{ZnO + 2OH- + H2O -> Zn(OH)4^2-}).

Exercício 26.4 ★

Calcule a constante de 2 Na+2 HX2O→2 NaX++2 OHX−+HX2\ce{2Na + 2H2O -> 2Na+ + 2OH- + H2} a pH 14 a partir dos potenciais padrão.

Solução

Solução de Exercício 26.4.

A pH 14, o par da água é 2 HX2O+2 eX−→HX2+2 OHX−\ce{2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-}, E=−0.83E = -0.83 V; log⁡K=2(−0.83+2.71)/0.059=64\log K = 2(-0.83 + 2.71)/0.059 = 64.

Exercício 26.5 ★★

Explique as cores de chama do lítio (vermelha) e do sódio (amarela) usando os níveis de energia dos átomos (Capítulo 1). Qual é a energia de um fóton amarelo a 589 nm589\,\mathrm{nm}?

Solução

Solução de Exercício 26.5.

Na chama, as colisões levam um elétron a um nível excitado; ao voltar ao estado fundamental, o átomo emite um fóton de energia igual ao intervalo, específica do elemento. E=hc/λ=6.626×10−34×3.00×108/(589×10−9)=3.375×10−19 J=2.11 eVE = hc/\lambda = 6.626 \times 10^{-34} \times 3.00 \times 10^8/(589 \times 10^{-9}) = 3.375 \times 10^{-19}\,\mathrm{J} = 2.11\,\mathrm{eV}.

Exercício 26.6 ★★

Calcule a massa de calcário (CaCOX3\ce{CaCO3} puro) e de cloreto de sódio necessária para uma tonelada de barrilha pelo processo Solvay, com um rendimento global de 90 %90\,\% em relação ao cloreto de sódio.

Solução

Solução de Exercício 26.6.

106/106.0=9.43×103 mol10^6/106.0 = 9.43 \times 10^{3}\,\mathrm{mol} de barrilha: 9.43×103 mol9.43 \times 10^{3}\,\mathrm{mol} de calcário, 0.944 t0.944\,\mathrm{t}, e 2×9.43×103/0.90=2.10×104 mol2 \times 9.43 \times 10^3/0.90 = 2.10 \times 10^{4}\,\mathrm{mol} de sal, 1.23 t1.23\,\mathrm{t}.

Exercício 26.7 ★★

A água do mar contém cerca de 1.3 g/L1.3\,\mathrm{g}/\mathrm{L} de magnésio (dado do exercício). A partir de que pH o hidróxido de magnésio começa a precipitar? Que massa de cal hidratada precipita o magnésio de 1.0 m31.0\,\mathrm{m}^{3}?

Solução

Solução de Exercício 26.7.

[MgX2+]=1.3/24.3=0.053 mol/L[\ce{Mg^2+}] = 1.3/24.3 = 0.053\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}; pH=14.00−12(11.25+log⁡0.053)=9.0\mathrm{pH} = 14.00 - \frac12(11.25 + \log 0.053) = 9.0. 53.5 mol53.5\,\mathrm{mol} de magnésio em 1.0 m31.0\,\mathrm{m}^{3} exigem 53.5 mol53.5\,\mathrm{mol} de Ca(OH)X2\ce{Ca(OH)2}: 4.0 kg4.0\,\mathrm{kg}.

Exercício 26.8 ★★

Por que o lítio reage mais lentamente com a água que o potássio, embora seu potencial padrão seja mais baixo? Distinga termodinâmica e cinética.

Solução

Solução de Exercício 26.8.

A constante de equilíbrio (termodinâmica) é enorme para ambos; a velocidade (cinética) não é decidida por E∘E^\circ. O lítio funde a uma temperatura mais alta, permanece sólido e é recoberto por uma camada de produto menos solúvel, e perde seu elétron menos facilmente que o potássio (energia de ionização maior): reage de modo regular, o potássio violentamente.

Exercício 26.9 ★★

Calcule a massa de cal virgem obtida a partir de uma tonelada de calcário e o volume de COX2\ce{CO2} liberado, a 25 ∘C25\,{}^{\circ}\mathrm{C} e 1 bar1\,\mathrm{bar}.

Solução

Solução de Exercício 26.9.

106/100.1=9.99×103 mol10^6/100.1 = 9.99 \times 10^{3}\,\mathrm{mol}: CaO 9.99×103×56.1=0.560 t9.99 \times 10^3 \times 56.1 = 0.560\,\mathrm{t}; COX2\ce{CO2} 9.99×103 mol9.99 \times 10^{3}\,\mathrm{mol}, V=nRT/p=9.99×103×8.314×298.15/105=248 m3V = nRT/p = 9.99 \times 10^3 \times 8.314 \times 298.15/10^5 = 248\,\mathrm{m}^{3}.

Exercício 26.10 ★★★

O mundo extraiu cerca de 290 000290\,000 toneladas de lítio em 2025. A que massa de carbonato de lítio isso corresponde? Se uma bateria de carro contém 8 kg8\,\mathrm{kg} de lítio (dado do exercício), quantas baterias isso poderia abastecer?

Solução

Solução de Exercício 26.10.

2.9×108/6.9=4.2×107 kmol2.9 \times 10^8/6.9 = 4.2 \times 10^{7}\,\mathrm{kmol} de Li (massa em kg), ×73.8/2=1.55×109 kg\times 73.8/2 = 1.55 \times 10^{9}\,\mathrm{kg}: cerca de 1.6 milhão de toneladas de carbonato de lítio. 2.9×108/8=3.6×1072.9 \times 10^8/8 = 3.6 \times 10^{7} baterias.

Exercício 26.11 ★★★

Mostre, a partir dos dados do capítulo, que a solubilidade do carbonato de lítio diminui com a temperatura, e explique por que precipitá-lo a quente melhora a recuperação a partir de uma salmoura.

Solução

Solução de Exercício 26.11.

1.31, 0.84, 0.71 por cento a 20, 80, 100 ∘C100\,{}^{\circ}\mathrm{C}: a solubilidade diminui. A quente, menos carbonato fica em solução: recupera-se mais.

Exercício 26.12 ★★★

Na etapa (2) do processo Solvay, a solução contém NaX+\ce{Na+}, NHX4X+\ce{NH4+}, ClX−\ce{Cl-} e HCOX3X−\ce{HCO3-}. Explique por que precipita o hidrogenocarbonato de sódio e não o cloreto de amônio, e por que o processo precisa de amônia e não de hidróxido de sódio.

Solução

Solução de Exercício 26.12.

NaHCOX3\ce{NaHCO3} é o menos solúvel dos sais que os íons podem formar, e a solução fica saturada nele primeiro. A amônia torna a solução básica o bastante para transformar COX2\ce{CO2} em HCOX3X−\ce{HCO3-} e ao mesmo tempo é recuperável (como NHX4Cl\ce{NH4Cl}, regenerado pela cal); o hidróxido de sódio seria consumido e custaria mais que o produto.

26.7 Problema: lítio a partir da salmoura

Problema 26.1

Problema de fim de semana — concentrar uma salmoura de lítio, remover o magnésio com cal, precipitar o carbonato de lítio com barrilha, e a massa de carbonato de lítio recuperada de um metro cúbico

Uma salmoura bombeada de debaixo de um salar contém 1.5 g/L1.5\,\mathrm{g}/\mathrm{L} de lítio e 0.60 g/L0.60\,\mathrm{g}/\mathrm{L} de magnésio (como íons, com muito cloreto de sódio). A evaporação em lagoas a concentra quatro vezes. Um metro cúbico da salmoura concentrada é então tratado: a cal remove o magnésio, a barrilha o cálcio, e a barrilha a quente precipita por fim o carbonato de lítio a 80 ∘C80\,{}^{\circ}\mathrm{C}. Dados: massas molares (g/mol\mathrm{g}/\mathrm{mol}) Li 6.9, Mg 24.3, Ca(OH)X2\ce{Ca(OH)2} 74.1, NaX2COX3\ce{Na2CO3} 106.0, LiX2COX3\ce{Li2CO3} 73.8; pKs\mathrm{p}K_s Mg(OH)X2\ce{Mg(OH)2} 11.25, CaCOX3\ce{CaCO3} 8.30; pKe=14.00\mathrm{p}K_e = 14.00; solubilidade do LiX2COX3\ce{Li2CO3} 0.84 %0.84\,\% em massa a 80 ∘C80\,{}^{\circ}\mathrm{C}; tome o licor final como 1.00 m31.00\,\mathrm{m}^{3} de massa específica 1.0 kg/L1.0\,\mathrm{kg}/\mathrm{L}.

Parte I — A concentração.

  1. Calcule as concentrações de lítio e de magnésio na salmoura concentrada.
  2. Que volume de água evapora por metro cúbico de salmoura concentrada?
  3. Por que se usa a evaporação solar e não o aquecimento?
  4. Que sal cristaliza primeiro nas lagoas, e por quê?
  5. Calcule as quantidades de matéria de lítio e de magnésio em um metro cúbico.
  6. Por que o magnésio precisa ser removido antes de o lítio ser precipitado?

Parte II — A remoção do magnésio e do cálcio.

  1. Escreva a reação dos íons magnésio com a cal hidratada.
  2. Calcule a massa de cal hidratada necessária (estequiométrica).
  3. A que pH 99.9 %99.9\,\% do magnésio está precipitado?
  4. Por que o lítio não é precipitado como hidróxido?
  5. Escreva a remoção do cálcio introduzido, com barrilha.
  6. Calcule a massa de barrilha necessária para essa etapa.

Parte III — O carbonato de lítio.

  1. Escreva a precipitação do carbonato de lítio.
  2. Calcule a massa de barrilha necessária para o lítio.
  3. Calcule a massa teórica de carbonato de lítio.
  4. Por que a precipitação é feita a 80 ∘C80\,{}^{\circ}\mathrm{C}?
  5. Que massa de carbonato de lítio fica dissolvida no licor?
  6. Como o precipitado é lavado sem perder muito dele?

Parte IV — Balanço.

  1. Calcule a massa de carbonato de lítio recuperada.
  2. Calcule a taxa de recuperação do lítio.
  3. Sugira o que se faz com o licor.
  4. Compare o lítio de um metro cúbico com a produção mundial de 2025: quantos metros cúbicos essa produção representaria?
  5. Indique a massa de carbonato de lítio recuperada por metro cúbico de salmoura concentrada.
Solução

Solução de Problema 26.1.

1. Li 6.0 g/L6.0\,\mathrm{g}/\mathrm{L}, Mg 2.4 g/L2.4\,\mathrm{g}/\mathrm{L}. 2. Quatro metros cúbicos de salmoura dão um: três metros cúbicos de água evaporam. 3. O sol e o clima seco fornecem a energia de graça. 4. O cloreto de sódio, de longe o sal mais abundante, satura primeiro. 5. Li 6000/6.9=870 mol6000/6.9 = 870\,\mathrm{mol}; Mg 2400/24.3=98.8 mol2400/24.3 = 98.8\,\mathrm{mol}. 6. O magnésio precipitaria com o carbonato e contaminaria o produto. 7. MgX2++Ca(OH)X2→Mg(OH)X2+CaX2+\ce{Mg^2+ + Ca(OH)2 -> Mg(OH)2 + Ca^2+}. 8. 98.8×74.1=7.32 kg98.8 \times 74.1 = 7.32\,\mathrm{kg}. 9. Restam [MgX2+]=9.88×10−5[\ce{Mg^2+}] = 9.88 \times 10^{-5} mol/L: pH=14.00−12(11.25−4.01)=10.38\mathrm{pH} = 14.00 - \frac12(11.25 - 4.01) = 10.38. 10. O hidróxido de lítio é solúvel: nenhum sólido se forma a esse pH. 11. CaX2++COX3X2−→CaCOX3\ce{Ca^2+ + CO3^2- -> CaCO3}. 12. 98.8×106.0=10.5 kg98.8 \times 106.0 = 10.5\,\mathrm{kg}. 13. 2 LiX++COX3X2−→LiX2COX3\ce{2Li+ + CO3^2- -> Li2CO3}. 14. 435×106.0=46.1 kg435 \times 106.0 = 46.1\,\mathrm{kg}. 15. 435×73.8=32.1 kg435 \times 73.8 = 32.1\,\mathrm{kg}. 16. O carbonato de lítio é menos solúvel a quente. 17. 0.0084×1000=8.4 kg0.0084 \times 1000 = 8.4\,\mathrm{kg}. 18. Com pequenos volumes de água quente, em que ele é menos solúvel. 19. 32.1−8.4=23.7 kg32.1 - 8.4 = 23.7\,\mathrm{kg}. 20. 23.7/32.1=74 %23.7/32.1 = 74\,\%. 21. Ele ainda contém lítio: é devolvido às lagoas. 22. 2.9×108/6.0=4.8×1072.9 \times 10^8/6.0 = 4.8 \times 10^{7} metros cúbicos. 23. 24 kg24\,\mathrm{kg} (23.7) de carbonato de lítio por metro cúbico.

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