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Metais, ambiente e vida

Estudam-se os elementos de transição e as suas propriedades, os compostos de coordenação (complexos) — átomo central, ligandos, número de coordenação e carga —, a origem da cor e as aplicações dos complexos, e o papel dos metais na vida (oligoelementos essenciais) e no ambiente (toxicidade dos metais pesados). Matéria da Unidade 1 da Química do 12.º ano (Ciências e Tecnologias), disciplina de opção sem Exame Final Nacional — avaliada por avaliação interna.

4 secções~12 min de leitura4 competênciasNível Padrão 3 · Aprofundamento 1

T·0333 / 7

Perfil de exame

Caracterizar os elementos de transição e justificar as suas propriedadesIdentificar os constituintes de um composto de coordenação e determinar número de coordenação e cargaRelacionar os metais de transição e os complexos com aplicações na vida e na tecnologiaDiscutir o papel biológico e a toxicidade dos metais e o respetivo impacto ambiental

Operadores:caracterizaidentificadeterminarelacionadiscuteinterpreta

nível básico

Reconhecer os metais de transição e o conceito de complexo (metal central + ligandos).

nível avançado

Determinar número de coordenação e carga de um ião complexo e discutir aplicações e toxicidade dos metais.

Profundidade

Texto

Conteúdo · 4 secções

Metais, ambiente e vida

Os elementos de transição e as suas propriedades#

PadrãoAE-quimica-12-u1-metais-ambiente-vida

Os elementos de transição ocupam o bloco d da Tabela Periódica (grupos 3 a 12) e caracterizam-se por terem a subcamada d parcialmente preenchida nos seus átomos ou iões. Incluem metais tão importantes como o ferro, o cobre, o zinco, o crómio, o manganês, a prata, a platina e o ouro. É precisamente o preenchimento dos orbitais d, energeticamente próximos dos orbitais s da camada seguinte, que está na origem do conjunto de propriedades que os distingue dos restantes metais (ver Fig. 1).

Propriedades características dos metais de transição

Fig. 1Fig. 1 — As propriedades que distinguem os metais de transição decorrem do preenchimento dos orbitais d.

A propriedade mais marcante é a existência de estados de oxidação variáveis: o mesmo elemento apresenta vários números de oxidação estáveis, porque pode ceder um número variável de eletrões d e s de energia semelhante. O ferro forma Fe²⁺ e Fe³⁺; o cobre, Cu⁺ e Cu²⁺; o manganês varia de +2 (Mn²⁺) a +7 (no ião permanganato, MnO₄⁻). Esta versatilidade redox torna-os essenciais em reações de oxidação-redução e em catálise.

Uma segunda propriedade típica é a formação de iões e compostos coloridos: as soluções de Cu²⁺ são azuis, as de Ni²⁺ verdes, as de Cr₂O₇²⁻ alaranjadas, as de MnO₄⁻ violeta. A cor resulta de transições eletrónicas entre orbitais d de energias ligeiramente diferentes (transições d–d), que absorvem parte da luz visível — assunto retomado na secção 3. Muitos são também paramagnéticos, por possuírem eletrões d desemparelhados.

A estas juntam-se a elevada atividade catalítica (o ferro cataliza a síntese do amoníaco; a platina e o paládio, os catalisadores dos automóveis; o dióxido de manganês, a decomposição da água oxigenada) e as propriedades físicas de « bons metais »: densidades, durezas e pontos de fusão em geral elevados (o tungsténio funde a mais de 3400 °C). Este conjunto de características, resumido na Fig. 1, explica a enorme utilidade tecnológica dos metais de transição.

Exemplo resolvido

Número de oxidação do manganês no permanganato

Determina o número de oxidação do manganês no ião permanganato, MnO₄⁻, e comenta o que ilustra sobre os metais de transição.

Oxigénios
Cada oxigénio tem número de oxidação −2; 4 × (−2) = −8.
Equação da soma
A soma dos números de oxidação é igual à carga do ião: n.o.(Mn) + (−8) = −1.
Resolver
n.o.(Mn) = −1 + 8 = +7.
Comentário
O manganês atinge aqui o seu número de oxidação máximo (+7), ilustrando os estados de oxidação variáveis dos metais de transição.

Resultado: O manganês tem número de oxidação +7 no permanganato — um exemplo dos estados de oxidação elevados e variáveis dos metais de transição.

Erros frequentes

Afirmar que um elemento de transição tem sempre um único número de oxidação — os estados de oxidação variáveis são uma das suas características centrais.
Confundir a cor dos compostos (transições d–d) com a cor das chamas (ensaio de chama), que tem outra origem.

Revisão ativa

Indica dois números de oxidação do ferro e do cobre e dá um exemplo de aplicação em que a atividade catalítica de um metal de transição seja aproveitada.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Química — 12.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

Compostos de coordenação (complexos)#

AprofundamentoAE-quimica-12-u1-metais-ambiente-vida

Um composto de coordenação, ou complexo, forma-se quando um átomo ou ião central — quase sempre um metal de transição — se rodeia de um conjunto de espécies chamadas ligandos. Cada ligando é um ião ou uma molécula que possui pelo menos um par de eletrões não-ligante e o cede ao metal, estabelecendo uma ligação covalente dativa (ou de coordenação). O conjunto central + ligandos escreve-se entre parênteses retos, [ ], a esfera de coordenação (ver Fig. 2).

Ião complexo hexaaquacobre(II)

Fig. 2Fig. 2 — [Cu(H₂O)₆]²⁺: ião central Cu²⁺ com número de coordenação 6 (seis ligandos H₂O).

Ligandos comuns são a água (H₂O), o amoníaco (NH₃), o ião cianeto (CN⁻) e os iões haleto (Cl⁻). O número de coordenação é o número de ligações que o átomo central estabelece com os ligandos — não confundir com o número de ligandos quando algum é polidentado. Os valores mais frequentes são 6 (geometria octaédrica, como em [Cu(H₂O)₆]²⁺) e 4 (tetraédrica ou quadrangular plana, como em [CoCl₄]²⁻ ou na cisplatina).

A carga do ião complexo é a soma algébrica da carga do ião central com as cargas de todos os ligandos. Por exemplo, em [Fe(CN)₆]³⁻: o ferro é Fe³⁺ (+3) e há seis CN⁻ (6 × −1 = −6), pelo que a carga total é +3 − 6 = −3, coerente com a notação. Inversamente, conhecida a carga do complexo e dos ligandos, deduz-se o número de oxidação do metal central — um cálculo muito pedido.

A ligação covalente dativa que une ligando e metal é apenas um caso particular de ligação covalente, em que ambos os eletrões do par partilhado provêm do mesmo átomo (o ligando). A capacidade dos metais de transição para formar complexos estáveis, com geometrias bem definidas e cores vivas, está na base de inúmeras aplicações — desde a análise química à medicina — exploradas na secção seguinte.

Exemplo resolvido

Número de coordenação e número de oxidação num complexo

Considera o ião complexo [Fe(CN)₆]³⁻. Identifica os ligandos, indica o número de coordenação e determina o número de oxidação do ferro.

Ligandos
Os ligandos são seis iões cianeto, CN⁻ (cada um com carga −1).
Número de coordenação
O ferro liga-se a seis ligandos: número de coordenação 6 (geometria octaédrica).
Carga do central
Carga do complexo = n.o.(Fe) + 6 × (−1) = −3 ⇒ n.o.(Fe) = −3 + 6 = +3.

Resultado: Ligandos: 6 CN⁻; número de coordenação 6; o ferro está no estado de oxidação +3 (ião hexacianoferrato(III)).

Erros frequentes

Confundir número de coordenação com número de ligandos, ou com o número de oxidação do metal central.
Errar o sinal ao somar as cargas: a carga do complexo é a carga do central mais a soma das cargas dos ligandos.

Revisão ativa

No ião complexo [Ag(NH₃)₂]⁺, identifica o átomo central e os ligandos, indica o número de coordenação e determina o número de oxidação da prata.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Química — 12.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

Cor e aplicações dos metais de transição e complexos#

PadrãoAE-quimica-12-u1-metais-ambiente-vida

A cor dos complexos dos metais de transição tem origem nas transições eletrónicas d–d: na presença dos ligandos, os cinco orbitais d do metal deixam de ter a mesma energia e desdobram-se em níveis ligeiramente diferentes. Um eletrão pode absorver um fotão da luz visível para saltar entre esses níveis; a luz que fica por absorver, que os nossos olhos captam, tem a cor complementar da absorvida. É por isso que uma solução de Cu²⁺ hidratado surge azul.

A cor de um complexo depende, então, de três fatores: o metal e o seu estado de oxidação, e a natureza dos ligandos, que determinam o desdobramento dos orbitais d. Trocar os ligandos altera a cor — o Cu²⁺ passa de azul-pálido em água a azul-intenso ao formar-se [Cu(NH₃)₄]²⁺ com amoníaco. Esta sensibilidade torna os complexos úteis como indicadores e em análise química.

As aplicações dos metais de transição e dos seus complexos são vastíssimas (ver Fig. 3 e Fig. 4). Em catálise, aceleram processos industriais e ambientais (ferro na síntese do amoníaco, platina e ródio nos catalisadores dos automóveis). Como pigmentos, dão cor a tintas e vidros (o azul da Prússia, os óxidos de crómio e de cobalto). Em medicina, destacam-se os complexos de platina — a cisplatina, cis-[PtCl₂(NH₃)₂], é um dos mais usados fármacos antitumorais (ver Fig. 3).

Cisplatina, cis-[PtCl₂(NH₃)₂]

Fig. 3Fig. 3 — Cisplatina: complexo quadrangular plano de platina(II), com dois NH₃ e dois Cl em posição cis; fármaco antitumoral.

Aplicações dos metais de transição e complexos

Fig. 4Fig. 4 — Domínios de aplicação dos metais de transição e dos seus complexos.

Particularmente notável é o papel dos complexos na própria vida. A hemoglobina do sangue transporta o oxigénio graças a um complexo de ferro; a clorofila, que capta a luz na fotossíntese, é um complexo de magnésio; a vitamina B₁₂ contém cobalto. A natureza « inventou » a química de coordenação muito antes de nós, e compreendê-la é compreender processos biológicos essenciais.

Exemplo resolvido

Interpretar uma mudança de cor por troca de ligandos

Explica por que a adição de amoníaco a uma solução de Cu²⁺ intensifica a cor azul, formando [Cu(NH₃)₄]²⁺.

Situação inicial
Em água, o cobre existe como [Cu(H₂O)₄]²⁺ (ou hidratado), de cor azul-pálida.
Troca de ligandos
O amoníaco (NH₃) é um ligando que substitui a água na esfera de coordenação, formando [Cu(NH₃)₄]²⁺.
Efeito na cor
Ligandos diferentes provocam desdobramentos d–d diferentes; o [Cu(NH₃)₄]²⁺ absorve a luz de forma diferente e apresenta um azul mais intenso.

Resultado: A troca do ligando água pelo amoníaco altera as transições d–d e, com elas, a cor: de azul-pálido para azul-intenso.

Erros frequentes

Dizer que vemos a cor da luz absorvida — vemos a cor complementar (a luz que não é absorvida).
Ignorar que a cor depende dos ligandos: o mesmo ião metálico pode dar complexos de cores diferentes conforme o ligando.

Revisão ativa

Uma solução azul-pálida de sulfato de cobre(II) torna-se azul-intensa ao adicionar-se amoníaco, por formação de [Cu(NH₃)₄]²⁺. Explica a mudança de cor em termos de complexos e ligandos.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Química — 12.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

Metais na vida e no ambiente: essencialidade e toxicidade#

PadrãoAE-quimica-12-u1-metais-ambiente-vida

Muitos metais são indispensáveis à vida em quantidades ínfimas — são os oligoelementos (ou microminerais) essenciais. O ferro integra a hemoglobina, responsável pelo transporte de oxigénio; o cobre e o zinco entram na constituição de numerosas enzimas; o cobalto é o centro da vitamina B₁₂; o manganês e o molibdénio participam em processos metabólicos. A sua falta causa doenças de carência (por exemplo, a anemia por falta de ferro).

A relação dose–efeito é, contudo, subtil: um metal essencial em pequenas quantidades pode tornar-se tóxico em excesso. Existe, para cada oligoelemento, uma janela ótima de concentração — abaixo dela há carência, acima dela há toxicidade. Esta ideia de « nem de menos, nem de mais » é central para compreender o papel biológico dos metais e o modo como o organismo regula os seus níveis.

Outros metais são tóxicos mesmo em quantidades muito pequenas — os chamados metais pesados, como o chumbo (Pb), o mercúrio (Hg) e o cádmio (Cd) (ver Fig. 5). Não têm função biológica e interferem com o funcionamento de enzimas e do sistema nervoso. O chumbo provoca o saturnismo; o mercúrio, que se bioacumula na cadeia alimentar, esteve na origem da doença de Minamata; o cádmio afeta os rins e os ossos.

Metais essenciais e metais tóxicos

Fig. 5Fig. 5 — Metais essenciais (em pequenas quantidades) e metais tóxicos (metais pesados).

Do ponto de vista ambiental, o problema agrava-se pela bioacumulação e pela biomagnificação: os metais pesados não são degradados e concentram-se ao longo da cadeia alimentar, atingindo níveis perigosos nos predadores de topo — e no ser humano. A prevenção passa pelo tratamento de efluentes industriais, pela reciclagem de metais e pelo controlo das emissões, temas em que a Química presta um serviço direto à sustentabilidade e à saúde pública.

Exemplo resolvido

Essencial ou tóxico? A importância da dose

O zinco é um oligoelemento essencial, mas suplementos com doses elevadas podem causar intoxicação. Explica esta aparente contradição.

Papel essencial
Em pequenas quantidades, o zinco integra enzimas e é necessário ao metabolismo: a sua falta causa problemas de saúde.
Janela ótima
Existe uma janela ótima de concentração: abaixo dela há carência, acima dela há toxicidade.
Excesso
Doses muito acima do necessário ultrapassam a capacidade de regulação do organismo e tornam-se tóxicas.

Resultado: Não há contradição: o zinco é essencial na dose certa e tóxico em excesso — a diferença entre benefício e dano está na dose.

Erros frequentes

Pensar que todos os metais são tóxicos, ou que os essenciais nunca fazem mal — em excesso, mesmo os essenciais são nocivos.
Ignorar a bioacumulação, supondo que uma concentração baixa no ambiente é sempre inofensiva ao longo da cadeia alimentar.

Revisão ativa

Explica por que o ferro é considerado essencial mas o chumbo é considerado tóxico, e descreve o que significa a bioacumulação do mercúrio na cadeia alimentar.

Evocação ativa

Recorda os pontos-chave — depois revela.

Fontes: Aprendizagens Essenciais de Química — 12.º ano (DGE) (Direção-Geral da Educação (DGE))

Referências e fontes

Fontes

Direção-Geral da Educação (DGE)

Aprendizagens Essenciais de Química — 12.º ano (DGE)

Metais, ambiente e vida

4 secções~12 min de leitura4 competênciasNível Padrão 3 · Aprofundamento 1

Metais, ambiente e vida

Pontos-chave

Número de oxidação do manganês no permanganato

Pontos-chave

Número de coordenação e número de oxidação num complexo

Pontos-chave

Interpretar uma mudança de cor por troca de ligandos

Pontos-chave

Essencial ou tóxico? A importância da dose

Fontes

Metais, ambiente e vida

Pontos-chave

Número de oxidação do manganês no permanganato

Pontos-chave

Número de coordenação e número de oxidação num complexo

Pontos-chave

Interpretar uma mudança de cor por troca de ligandos

Pontos-chave

Essencial ou tóxico? A importância da dose

Fontes