Metal nobre

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Metais nobres da tabela periódica
  Elementos categorizados como tal [1]
  Também reconhecido por (Arb) Brooks [2]
  Arb Ahmad [3]
  Poços de Arb [4]
  Arb Hämäläinen et al. [5]
  Elementos comumente reconhecidos como metalóides
  gases nobres
Gráfico de dispersão dos valores de eletronegatividade e pontos de fusão para metais (até férmio, elemento 100) e alguns elementos limítrofes (Ge, As, Sb). Aqueles reconhecidos pela maioria dos químicos como metais nobres têm eletronegatividade relativamente alta, [6] enquanto seus pontos de fusão mostram uma distinção entre prata e ouro em torno de 1000 ° C (~ 1275 K) em comparação com cerca de 1500 ° C (~ 1775 K) para o paládio , o mais volátil dos metais do grupo da platina. [7] Enquanto o tungstênio tem uma alta eletronegatividade e um alto ponto de fusão, ele é oxidado acima de 350°C e atacado pelo flúor à temperatura ambiente. [ citação necessária ]
A geografia do enredo corresponde amplamente à da tabela periódica. Começando do canto inferior esquerdo e seguindo no sentido horário, os metais alcalinos são seguidos pelos metais alcalino -terrosos mais pesados ; as terras raras e actinídeos (Sc, Y e os lantanídeos sendo aqui tratados como terras raras ); metais de transição com valores de eletronegatividade e pontos de fusão intermediários; os metais refratários ; os metais do grupo da platina ; e os metais de cunhagem que conduzem e fazem parte dos metais de pós-transição .

Em química , metais nobres são elementos metálicos que apresentam excelente resistência ao ataque químico mesmo em altas temperaturas. [8] Eles são bem conhecidos por suas propriedades catalíticas e capacidade associada de facilitar ou controlar as taxas de reações químicas. [8] O conjunto de metais nobres na maioria das vezes consiste em rutênio (Ru), ródio (Rh), paládio (Pd), ósmio (Os), irídio (Ir), platina (Pt), ouro (Au) e prata (Ag ). ). [9]Em termos de tabela periódica, pode-se fazer uma analogia entre os metais nobres e os gases nobres , que são principalmente não reativos. [10]

Listas mais abrangentes incluem um ou mais de cobre (Cu), rênio (Re) e mercúrio (Hg) como metais nobres.

Significado e história

Embora as listas de metais nobres possam diferir, elas tendem a se agrupar em torno dos seis metais do grupo da platina — rutênio, ródio, paládio, ósmio, irídio e platina.

Além da função deste termo como substantivo composto , há circunstâncias em que nobre é usado como adjetivo para o substantivo metal . Uma série galvânica é uma hierarquia de metais (ou outros materiais eletricamente condutores, incluindo compósitos e semimetais ) que vai de nobre a ativo e permite prever como os materiais irão interagir no ambiente usado para gerar a série. Nesse sentido da palavra, o grafite é mais nobre que a prata e a nobreza relativa de muitos materiais é altamente dependente do contexto, como o alumínio e o aço inoxidável em condições de pH variável .[11]

O termo metal nobre remonta pelo menos ao final do século XIV [12] e tem significados ligeiramente diferentes em diferentes campos de estudo e aplicação.

Antes da publicação de Mendeleev em 1869 da primeira tabela periódica (eventualmente) amplamente aceita, Odling publicou uma tabela em 1864, na qual os "metais nobres" ródio, rutênio, paládio; e platina, irídio e ósmio foram agrupados, [13] e adjacentes à prata e ao ouro.

Propriedades

Abundância dos elementos químicos na crosta terrestre em função do número atômico. Os elementos mais raros (mostrados em amarelo, incluindo os metais nobres) não são os mais pesados, mas sim os elementos siderófilos (amantes de ferro) na classificação de elementos de Goldschmidt . Estes foram esgotados ao serem realocados mais profundamente no núcleo da Terra . Sua abundância em materiais meteoróides é relativamente maior. Telúrio e selênio foram esgotados da crosta devido à formação de hidretos voláteis.

Geoquímica

Os metais nobres são os siderófilos (amantes do ferro). Eles tendem a afundar no núcleo da Terra porque se dissolvem facilmente no ferro como soluções sólidas ou no estado fundido. A maioria dos elementos siderófilos praticamente não tem afinidade alguma com o oxigênio: de fato, os óxidos de ouro são termodinamicamente instáveis ​​em relação aos elementos.

Cobre, prata, ouro e os seis metais do grupo da platina são os únicos metais nativos que ocorrem naturalmente em quantidades relativamente grandes. [ citação necessária ]

Resistência à corrosão

O cobre é dissolvido por ácido nítrico e cianeto de potássio aquoso .

O rutênio pode ser dissolvido em água régia , uma mistura altamente concentrada de ácido clorídrico e ácido nítrico , somente quando na presença de oxigênio, enquanto o ródio deve estar em uma forma finamente pulverizada. O paládio e a prata são solúveis em ácido nítrico , sendo a solubilidade da prata limitada pela formação de precipitado de cloreto de prata . [14]

O rênio reage com ácidos oxidantes e peróxido de hidrogênio , e diz-se que é manchado pelo ar úmido. Ósmio e irídio são quimicamente inertes em condições ambientais. [15] Platina e ouro podem ser dissolvidos em água régia. [10] O mercúrio reage com ácidos oxidantes. [15]

Em 2010, pesquisadores norte-americanos descobriram que uma "aqua régia" orgânica na forma de uma mistura de cloreto de tionila SOCl 2 e o solvente orgânico piridina C 5 H 5 N atingiu "altas taxas de dissolução de metais nobres sob condições suaves, com o benefício adicional de ser sintonizável para um metal específico", por exemplo, ouro, mas não paládio ou platina. [16]

Eletrônico

Na física, a expressão "metal nobre" às ​​vezes é confinada ao cobre, prata e ouro, [n 1] já que suas subcamadas d completas contribuem para o caráter nobre que possuem. Em contraste, os outros metais nobres, especialmente os metais do grupo da platina, possuem notáveis ​​aplicações catalíticas, decorrentes de suas subcamadas d parcialmente preenchidas. Este é o caso do paládio que tem uma subcamada d completa no estado atômico, mas na forma condensada tem uma banda sp parcialmente preenchida à custa da ocupação da banda d. [17]

A diferença na reatividade pode ser vista durante a preparação de superfícies metálicas limpas em ultra-alto vácuo : superfícies de metais nobres "fisicamente definidos" (por exemplo, ouro) são fáceis de limpar e mantêm-se limpas por muito tempo, enquanto as de platina ou paládio, por exemplo, são cobertos pelo monóxido de carbono muito rapidamente. [18]

Eletroquímica

Os potenciais de redução padrão em solução aquosa também são uma maneira útil de prever a química não aquosa dos metais envolvidos. Assim, metais com altos potenciais negativos, como sódio ou potássio, irão inflamar no ar, formando os respectivos óxidos. Esses incêndios não podem ser extintos com água, que também reage com os metais envolvidos para dar hidrogênio, que é explosivo. Os metais nobres, ao contrário, não são propensos a reagir com o oxigênio e, por essa razão (assim como sua escassez) são valorizados há milênios e usados ​​em joias e moedas. [19]

Propriedades eletroquímicas de alguns metais e metalóides
Elemento Z G P Reação SRP(V) PT EA
Ouro 79 11 6 Au3+
+ 3 e → Au
1,5 2,54 223
Platina 78 10 6 PT2+
+ 2 e → Pt
1.2 2,28 205
Irídio 77 9 6 Ir3+
+ 3 e → Ir
1,16 2.2 151
Paládio 46 10 5 Pd2+
+ 2 e → Pd
0,915 2.2 54
Ósmio 76 8 6 OsO
2
4H+
+ 4 e → Os + 2  H
2
O
0,85 2.2 104
Mercúrio 80 12 6 Hg2+
+ 2 e → Hg
0,85 2,0 −50
Ródio 45 9 5 Rh3+
+ 3 e → Rh
0,8 2,28 110
Prata 47 11 5 Ag+
+ e → Ag
0,7993 1,93 126
Rutênio 44 8 5 Ru3+
+ 3 e → Ru
0,6 2.2 101
Polônio 84 16 6 Po2+
+ 2 e → Po
0,6 2,0 136
Telúrio MD 52 16 5 TeO
2
4H+
+ 4 e → Te + 2  H
2
O
0,53 2.1 190
Rênio 75 7 6 3+
+ 3 e → Re
0,5 1,9 6
Água H
2
O
+ 4 e + O
2
4OH-
0,4
Cobre 29 11 4 Cu2+
+ 2 e → Cu
0,339 2,0 119
Bismuto 83 15 6 Bi3+
+ 3 e → Bi
0,308 2,02 91
MD Arsênico 33 15 4 Como
4
O
6
+ 12  horas+
+ 12 e → 4 As + 6  H
2
O
0,24 2.18 78
MD de antimônio 51 15 5 Sb
2
O
3
6H+
+ 6 e → 2 Sb + 3  H
2
O
0,147 2,05 101
número atômico Z ; grupo G ; período P ; Potencial de redução do padrão SRP ; eletronegatividade EN ; EA afinidade eletrônica

A tabela ao lado lista o potencial de redução padrão em volts; [20] eletronegatividade (Pauling revisado); e valores de afinidade eletrônica (kJ/mol), para alguns metais e metalóides. Metais comumente reconhecidos como metais nobres são sinalizados com o símbolo ✣; e metalóides são denotados MD .

As entradas simplificadas na coluna de reação podem ser lidas em detalhes nos diagramas de Pourbaix do elemento considerado na água. Os metais nobres têm grandes potenciais positivos; [3] os elementos que não estão nesta tabela têm um potencial padrão negativo ou não são metais.

A eletronegatividade está incluída, pois é considerada "um grande impulsionador da nobreza e reatividade do metal". [6]

Devido aos seus altos valores de afinidade eletrônica, [21] a incorporação de um metal nobre no processo de fotólise eletroquímica , como platina e ouro, entre outros, pode aumentar a fotoatividade. [22]

Arsênio, antimônio e telúrio são considerados metalóides em vez de metais nobres.

A mancha preta comumente vista na prata surge de sua sensibilidade ao sulfeto de hidrogênio : 2Ag + H 2 S +1/2O 2 → Ag 2 S + H 2 O. Rayner-Canham [23] afirma que "a prata é muito mais reativa quimicamente e tem uma química tão diferente, que não deve ser considerada um 'metal nobre'." Na odontologia , a prata não é considerada um metal nobre devido à sua tendência à corrosão no meio bucal. [24]

A relevância da entrada para água é abordada por Li et al. [25] no contexto da corrosão galvânica. Tal processo só ocorrerá quando:

"(1) dois metais que têm diferentes potenciais eletroquímicos estão... conectados, (2) existe uma fase aquosa com eletrólito, e (3) um dos dois metais tem... potencial menor que o potencial da reação ( H
2
O
+ 4e + O
2
= 4 OH ) que é 0,4 V...O...metal com...um potencial menor que 0,4V atua como um ânodo...perde elétrons...e se dissolve no meio aquoso. O metal nobre (com maior potencial eletroquímico) atua como cátodo e, sob muitas condições, a reação neste eletrodo é geralmente H
2
O
− 4 e O
2
= 4 OH )."

Espera -se que os elementos superpesados ​​do hássio (elemento 108) ao fígado (116) inclusive sejam "metais parcialmente muito nobres"; investigações químicas de hassium estabeleceram que ele se comporta como seu congênere ósmio mais leve, e investigações preliminares de nihonium e fleróvio sugeriram, mas não estabeleceram definitivamente um comportamento nobre. [26] O comportamento de Copernicium parece em parte assemelhar-se tanto ao seu congênere mais leve, o mercúrio, quanto ao gás nobre radônio . [27]

Óxidos

Pontos de fusão do óxido, °C
Elemento eu II III 4 VI VII
Cobre 1326
Rutênio d1300 d75
+
Ródio d1100
?
Paládio d750 [n 2]
Prata d200
Rênio 360
Ósmio d500
Irídio d1100
?
Platina 450
d100
Ouro d150
Mercúrio d500
Estrôncio‡ 2430
Molibdênio‡ 801
d70
MD de antimônio 655
Lantânio‡ 2320
Bismuto‡ 817
d = decompõe; se houver duas figuras, a 2ª é para
a forma hidratada; ‡ = não é um metal nobre; MD = metalóide

Já em 1890, Hiorns observou o seguinte:

" Metais Nobres. Ouro, Platina, Prata e alguns metais raros. Os membros desta classe têm pouca ou nenhuma tendência a se unir com o oxigênio no estado livre, e quando colocados em água a um calor vermelho não alteram sua composição. Os óxidos são prontamente decompostos pelo calor em consequência da fraca afinidade entre o metal e o oxigênio." [28]

Smith, escrevendo em 1946, continuou o tema:

"Não há uma linha divisória nítida [entre 'metais nobres' e 'metais básicos'], mas talvez a melhor definição de um metal nobre seja um metal cujo óxido é facilmente decomposto a uma temperatura abaixo de um calor vermelho." [n 3] [30]
"Decorre disso que os metais nobres... têm pouca atração pelo oxigênio e, consequentemente, não são oxidados ou descoloridos em temperaturas moderadas."

Essa nobreza está principalmente associada aos valores de eletronegatividade relativamente altos dos metais nobres, resultando em ligações covalentes apenas fracamente polares com o oxigênio. [6] A tabela lista os pontos de fusão dos óxidos dos metais nobres, e para alguns dos metais não nobres, para os elementos em seus estados de oxidação mais estáveis.

Propriedades Catalíticas

Muitos dos metais nobres podem atuar como catalisadores. Por exemplo, a platina é usada em conversores catalíticos , dispositivos que convertem gases tóxicos produzidos em motores de automóveis, como os óxidos de nitrogênio, em substâncias não poluentes.

O ouro tem muitas aplicações industriais; é usado como um catalisador na hidrogenação e na reação de deslocamento água-gás .

Veja também

Notas

  1. ^ Veja, por exemplo: Harrison WA 1989, Estrutura eletrônica e as propriedades dos sólidos: A física da ligação química, Dover Publications, p. 520
  2. ^ Óxido de paládio PdO pode ser reduzido a metal de paládio, expondo-o ao hidrogênio em condições ambientais [10]
  3. ^ O calor vermelho incipiente corresponde a 525 ° C [29]

Referências

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Leitura adicional

  • Balshaw L 2020, " Metais nobres dissolvidos sem água régia ", Chemistry World, 1 de setembro
  • Beamish FE 2012, A química analítica dos metais nobres, Elsevier Science, Burlington
  • Brasser R, Mojzsis SJ 2017, "Um impacto colossal enriqueceu o manto de Marte com metais nobres", Geophys. Res. Lett., vol. 44, pp. 5978–5985, doi : 10.1002/2017GL074002
  • Brooks RR (ed.) 1992, metais nobres e sistemas biológicos: seu papel na medicina, exploração mineral e meio ambiente, CRC Press, Boca Raton
  • Brubaker PE, Moran JP, Bridbord K, Hueter FG 1975, "Metais nobres: uma avaliação toxicológica de potenciais novos contaminantes ambientais", Perspectivas de Saúde Ambiental, vol. 10, pp. 39–56, doi : 10.1289/ehp.751039
  • Du R et ai. 2019, " Aerogéis de metal nobre emergentes: estado da arte e um olhar para o futuro ", Matter, vol. 1, págs. 39–56
  • Hämäläinen J, Ritala M, Leskelä M 2013, "Deposição de camada atômica de metais nobres e seus óxidos", Química de Materiais, vol. 26, não. 1, pp. 786–801, doi : 10,1021/cm402221
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  • St. John J et ai. 1984, Metais nobres, Livros Time-Life, Alexandria, VA
  • Wang H 2017, "Capítulo 9 - Metais Nobres", em LY Jiang, N Li (eds.), Separações baseadas em membranas em metalurgia, Elsevier, pp. 249–272, doi : 10.1016/B978-0-12-803410- 1.00009-8

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