Grupo 13

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GRUPO 13
Outubro de 2019
RESUMO
Os elementos do grupo 13, ou como são mais conhecidos, a família do boro, contém características próprias do
grupo. Dessa forma, esta prática buscou observar tais características, com ênfase no boro e alumínio, a fim de
compreendê-las. Dessa forma, algumas reações foram reproduzidas, sendo estas, ligadas a esses elementos
buscando observá-las a fim de analisar suas características. Para que isso pudesse ser realizado, algumas
vidrarias foram utilizadas para esse fim. Assim sendo, as observações feitas serão discutidas neste relatório
científico.
1. INTRODUÇÃO
Em geral, a maneira como a química é abordada pode ter contribuído para a difusão de
concepções distorcidas dessa ciência, uma vez que os conceitos são apresentados de forma
puramente teórica, como algo que se deve memorizar e que não se aplica a diferentes aspectos
da vida cotidiana (Honório, et al, 2006). Essas palavras mostram que é preciso vencer essa
barreira aliando a teoria com a experimentação prática. Desse modo, esse relatório
técnico-científico irá abordar a experimentação prática de forma a demonstrar a teoria por trás
das propriedades dos elementos do grupo 13 da tabela periódica.
Os elementos presentes nesse grupo são geralmente conhecidos como família do boro,
são eles o próprio boro, o alumínio, gálio, índio, e telúrio cujos símbolos são,
respectivamente, B, Al, Ga, In e Tl. Esse grupo apresenta uma grande variação em suas
propriedades, visto que o boro é um não metal e o alumínio é um metal, mas apresenta
diversas características semelhantes ao boro. E para os demais membros da família, esses
apresentam propriedades puramente de metais, sendo que o tálio apresenta semelhanças com
os metais alcalinos Ag, Hg e Pb (HOUSECROFT, 2013).
Os elementos desse grupo tem tendência a formar tanto compostos monovalentes
como trivalentes, exceto o boro que não forma compostos monovalentes e também possui um
deficiência de par de elétrons nos compostos trivalentes o que possibilida a doação desse par
de elétrons por outro átomo. Outro aspecto desse grupo diz respeito raridade desses elementos
sendo que o boro é o mais raro entre eles seguido do índio, tálio e gálio sendo que o alumínio
é o terceiro elemento mais abundante, em peso (LEE, 2013).
Esse grupo apresenta três elétrons em seu nível mais externo os quais utilizam para
formar três ligações com outros elementos, no entanto isso não ocorre com o tálio, essas
ligações são do tipo covalente evidenciadas pelo tamanho de seus íons e sua carga 3+ além do
alto valor no somatório de suas três primeiras energias de ionização e sua alta
eletronegatividade. No entanto, em solução, o Al, Ga, Tl e In formam íons onde o tipo de
ligação vai estar direcionada aquela que estiver mais favorável energeticamente (LEE, 2013).
A informação inicial do parágrafo anterior nos leva a crer que esses elementos podem
apresentar apenas estados de oxidação 3+, contudo isso não é de toda verdade. Isso deve-se
uma característica singular desse grupo, mas que não é exclusiva dele, o efeito do par inerte.
Este efeito possibilita um estado de oxidação 1+ por conta da sua distribuição eletrônica,
figura 01, que possui terminação s2p1 onde o subnível s2 permanece emparelhado. O efeito do
par inerte acontece quando a energia necessária para desemparelhar o subnível s2 é
insuficiente e seus elétrons permanece emparelhados (LEE, 2013).
Figura 01: Distribuição eletrônicas dos elementos do grupo 13.
Fonte: Adaptado de LEE, 2013.
Por fim uma propriedade que deve ser discutida, mas que não seque sozinha, é a
energia de ionização, tabela 02, a qual não se comporta de maneira regular pois a primeira
energia de ionização do índio é menor que a do gálio. Isso se da ineficiência da blindagem
oferecida pelos elétrons do subnível d, e a irregularidade de sua estrutura cristalina que
influencia no raio do átomo (LEE, 2013).
Tabela 02: Energias de ionização do grupo 13.
Fonte: LEE, 2013.
2. OBJETIVOS
1. Geral:
● Observar a ocorrência das reações de compostos provenientes do boro e alumínio,
grupo 13.
2. Específicos:
● Analisar reações com ácido bórico.
● Compreender a síntese de compostos inorgânicos.
● Produzir alúmen.
● Aprender a efetuar cálculos de rendimentos de processos químicos.
3. METODOLOGIA
Para o desenvolvimento do experimento foram utilizados os seguintes materiais e
reagentes:
❖ Materiais:
Quadro 01: Materiais utilizados no experimento.
Aquecedor THELGA Erlenmeyer Pêra
Balança analitica Espátula pH-Fit
Bastão de vidro Funil de Buchner Pipeta graduada
Béquer Filtro de papel Pisseta
Bico de Bunsen Kitasato Suporte e tubos ensaio
Bomba de vácuo Prismatec Lata de alumínio Tela de amianto
Capela PH METER Tripé de ferro
Cápsula de porcelana Vidro de relógio
Fonte: O autor, 2019.
❖ Reagentes:
● Ácido bórico (H3BO3);
● Ácido sulfúrico (H3SO4);
● Água destilada;
● Álcool etílico absoluto;
● HNO3 6 mol/L;
● KOH 1,5 mol/L;
● NaOH 1 mol/L;
● NaOH 6 mol/L;
● Solução de HCl 6 mol/L;
Para a realização do experimento, o procedimento experimental foi realizado da
seguinte forma:
Parte 1: Boro.
Parte 1.0: Solubilidade do boro em água quente e fria.
utilizando dois tubos de ensaio recolheu-se duas pitadas de ácido bórico para cada
tubo. Em seguida foi preparado um sistema para aquecer água destilada por meio de um bico
de Bunsen que, logo depois de aquecida, foi colocado, com uma pipeta, cerca de 10 a 20 mL
da mesma em um dos tubos contendo o ácido bórico. No tubo restante adicionou-se o mesmo
volume de água, só desta vez foi adicionado água fria. Checou-se também o pH da solução de
ácido bórico e água fria.
Parte 1.1: Teste de chama
Foram Adicionadas três espátulas de ácido bórico a uma cápsula de porcelana. Em
seguida Acrescentou-se também 3 gotas de ácido sulfúrico concentrado, assim misturando
tudo com um bastão de vidro e em seguida foi adicionado 5 mL de etanol. O sistema foi
levado a capela e com um palito de fósforo iniciou-se a ignição da solução.
Parte 2: Alumínio.
Parte 2.1: Reatividade do alumínio.
Posicionou-se 3 tubos de ensaio no suporte e em cada um deles foi colocado uma
amostra de alumínio metálico, previamente cortado de uma lata. Em um dos tubos
adicionou-se 3 mL de HCl 6 M, no outro 3 mL de NaOH 6M e no terceiro tubo 3 mL de
HNO3 6M, Observando cada alteração.
Por conseguinte, em um quarto tubo de ensaio, colocou-se outra amostra de Alumínio
sólido, o qual foram adicionados 2 mL de NaOH 1M, o mesmo foi deixado em repouso
durante um minuto e acrescentou-se água destilada, o sobrenadante foi descartado o alumínio
lavado com água destilada no mínimo 6 vezes. Por fim, outra amostra de alumínio metálico
foi Colocada em outro tubo de ensaio e o alumínio que foi lavado foi colocado no tubo de
ensaio o qual já estava. Em seguida, em ambos os tubos foram acrescentados 3 mL de HCl
6M.
Parte 2.2: Síntese do sulfato de alumínio e potássio.
Primeiramente, foram pesados 1,0084 g de alumínio sólido proveniente da lata trazida
pelo grupo. Após pesado, o pedaço de alumínio foi cortado em partes menores. O alumínio
cortado foi posto em um béquer de 80 mL e adicionados 50 mL de KOH 1,5 mol/L e, em
seguida, posto sobre uma chapa aquecedora dentro da capela onde permaneceu por 20
minutos. Após o passar do tempo, o sistema foi levado para ser filtrado em um funil de
Buchner com um filtro de papel e onde o filtrado foi recolhido em um kitasato, sendo que o
processo de filtração ocorreu a vácuo com um bomba de vácuo ligada ao kitasato.
Por conseguinte, o filtrado que deveria apresentar uma coloração neutra, ou seja,
incolor, foi transferido para um béquer onde foi adicionado H2SO4, à solução. O sistema foi
guardado para que a prática fosse retomada em um outro dia. Ao retomar a prática, o béquer
com a solução foi posto em um banho de gelo e agitado com um bastão para que ocorresse a
precipitação dos cristais de alúmen. A solução com os cristais precipitados foi filtrada em um
funil de buchner com um papel de filtro nofundo e o filtrado recolhido em um kitasato.
Em seguida, uma solução contendo 15 mL de etanol e 15 mL de água foi posta para
esfriar no banho de gelo. Essa solução foi utilizada para lavar os cristais retidos no papel de
filtro. Os cristais foram deixados sob sucção por alguns minutos para secar, enquanto isso um
béquer foi pesado para servir de recipiente de armazenamento. Por fim os cristais foram
transferidos para o béquer e depois pesado para que pudesse ser feito o cálculo de rendimento.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Para a solubilidade do ácido bórico em água fria e quente foram encontrados os
resultados descritos no quadro 01 e o pH encontrado no pH-Fit e PH METER foi de 5 e 5,53,
respectivamente. Esses resultado para o pH condiz com a literatura pois segundo LEE, 2013 o
ácido bórico pertence a categoria dos ácidos fracos.
Quadro 01: Solubilidade do ácido bórico.
Água fria Pouco solúvel
Água quente Solúvel
Fonte: O autor, 2019.
A pouca solubilidade do ácido bórico em água fria deve-se ao fato dele ser pouco
reativo com a água e no momento em que a temperatura de água é elevada essa solubilidade
aumenta pois o calor a favorece facilitando a formação do [B(OH)4]- assim como mostra a
reação abaixo.
B(OH)3 + H2O → H3O+ + [B(OH)4]- eq 1
Fonte: Adaptado de LEE, 2013.
Ao final da mistura dos reagentes obteve-se como produto o B(OCH2CH3)3. desta
forma, no teste da chama a cor esverdeada é proveniente da energia emitida nas transições
eletrônicas correspondentes aos comprimentos de onda na faixa visível da luz (LEE, 2013).
Isso ocorreu pois a energia fornecida pela chama excitou o elétron da camada mais exterior
que ao voltar para sua camada de origem liberou energia na forma de luz.
Partido para as reações com o alumínio sólido, teremos primeiramente a reação de Al
e HCl. Nesta reação, eq 2, houve a liberação de gás hidrogênio, evidenciado pela liberação de
bolhas na solução e liberação de calor caracterizando uma reação exotérmica.
2Al(s) + 6HCl(l) → 2AlCl3(l) + 3H2(g) eq 2
Fonte: O autor, 2019.
Com a adição de HNO3, a reação com o alumínio não demonstrou nenhuma reação
visível mas sabe-se que a mesma ocorreu pois o Al interage com o HNO3 formando
2Al(NO3)3 que pode ser visto na equação 3 logo abaixo.
2Al(s) + 6HNO3(l) → 2Al(NO3)3(l) + 3H2(g) eq 3
Fonte: O autor, 2019.
Já na adição de NaOH, a reação não demonstrou liberação de calor mas foi possível
observar a liberação de bolhas no sistema. Essas bolhas são indícios da formação de H2, gás
que é liberado durante a reação que é descrita na equação 3 logo abaixo.
2AL + 6NaOH → 2Na3ALO3 + 3H2
A produção do alúmen, o qual é obtido a partir do Al(OH)3 tem diminuído nos últimos
anos sendo produzido agora apenas para fins históricos. A produção desse composto nesta
prático se deu a partir do alumínio sólido reagindo com o KOH seguido da adição de ácido
sulfúrico e resfriamento do precipitado. No processo de obtenção do alúmen foram
observadas várias reações até a obtenção do produto final, essas reações estão descritas abaixo
(Constantino et al, 2002).
Resfriando a solução o alúmen:
Neste processo a adição de KOH foi necessária pois o metal alumínio tem baixa
reatividade com soluções ácidas diluídas, já que a superficie do aluminio é protegida pelo
óxido de alumínio (Al2O3), sendo necessário um solvente para dissolver a camada de óxido, e
atacar o metal. As equações acima foram disponibilizadas do roteiro de prática e evidenciadas
durante a prática. O alúmen obtido ao final teve uma massa de 8.9824 g a partir de apenas 1 g
de alumínio sólido.
5. CONCLUSÃO
A análise das características dos compostos do grupo 13 foi feita através da
observação de suas respectivas reações tendo em vista sua solubilidade e seu pH assim como
a síntese de compostos inorgânicos como o alúmen. Partindo disso, é inegável o sucesso da
prática com a certeza do ótimo procedimento aplicado para a realização das reações e o alto
rendimento na produção do alúmen. Em síntese, é inquestionável a necessidade da
experimentação prática para a internalização de conceitos tornando-os mais claros e
consequentemente deixando de lado a mera decoração.
REFERÊNCIAS
Constantino, V. R. L.; Araki, K.; Silva, D. O.; Oliveira, W. PREPARAÇÃO DE
COMPOSTOS DE ALUMÍNIO A PARTIR DA BAUXITA: CONSIDERAÇÕES SOBRE
ALGUNS ASPECTOS ENVOLVIDOS EM UM EXPERIMENTO DIDÁTICO. Química
Nova, Vol. 25, No. 3, 490-498, 2002.
Honório, M. K.; Weber, C. K.; Paula Homem-de-Mello.; Maria, T. P. G.; Silva, B. F.A. O
Show da Química: Motivando o interesse científico. Quim. Nova, Vol. 29, No. 1, 173-178,
2006.
Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. Química inorgânica. Tradução: Edilson Clemente, Carlos
Afonso e Oswaldo Esteves Barcia. 4. ed. V. 1. Rio de Janeiro: LTC, 2013.
Lee, J. D. Química inorgânica não tão concisa. Tradução da 5a ed. inglesa: Henrique E.
Toma, Koiti Araki, Reginaldo C. Rocha - São Paulo: Edgard Blücher, 1999.