Relatório Determinação da Resistência do Vidro

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS - CCE
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA - UEM
QUÍMICA EXPERIMENTAL - 207 - Turma 03
DETERMINAÇÃO DA RESISTÊNCIA DO VIDRO
Acadêmicos: Gustavo Junqueira Valias Meira Filho RA: 117480
Milena Neves de Sousa RA: 119313
Pedro Henrique Viana Pichitelli RA: 118919
Docente: Prof. Dr. Marcos Roberto Mauricio
Maringá - PR
Novembro de 2021
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO 1
1.1. Propriedades do Grupo 14 1
1.1.1. Especificidades do Carbono 1
1.1.2. Especificidades dos Óxidos de Silício 2
1.2. Vidros 3
1.2.1. Vidros e o Grupo 14 3
2. OBJETIVOS 4
3. PARTE EXPERIMENTAL 4
3.1. Materiais 4
3.2. Reagentes 4
3.3. Procedimento Experimental 4
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES 5
5. CONCLUSÃO 6
REFERÊNCIAS 7
1. INTRODUÇÃO
1.1. Propriedades do Grupo 14
O grupo 14 da tabela periódica é extremamente conhecido, principalmente
pelo seu primeiro representante, o carbono. O carbono (C) é onipresente na
natureza, sendo também um elemento químico fundamental para a vida e para a
ciência, com abundância relativa de 17% na crosta terrestre. O segundo
representante do grupo é o silício (Si), o segundo elemento mais abundante na
crosta terrestre, muito conhecido pela sílica (SiO2) e sua importância nos mais
diversos ramos da tecnologia moderna e histórica. [1]
Os outros três elementos são, respectivamente: germânio (Ge), estanho (Sn)
e chumbo (Pb). O germânio é o menos conhecido do grupo, todavia os outros dois
estão presentes como metais importantes desde os primórdios das civilizações. [1]
Algumas das propriedades químicas mais relevantes do grupo estão
presentes na tabela abaixo:
Tabela 1 - Configurações eletrônicas e Estados de Oxidação do Grupo 14 [1]
Elemento Configuração Eletrônica Estados de Oxidação
Carbono (C) [He] 2𝑠22𝑝2 IV
Silício (Si) [Ne] 3𝑠23𝑝2 (II) IV
Germânio (Ge) [Ar] 3𝑑104𝑠24𝑝2 II IV
Estanho (Sn) [Kr] 4𝑑105𝑠25𝑝2 II IV
Chumbo (Pb) [Xe] 4𝑓145𝑑106𝑠26𝑝2 II IV
1.1.1. Especificidades do Carbono
O carbono, como mencionado anteriormente, é o principal constituinte do
grupo 14 da tabela periódica. Ele está presente sob diversas formas no mundo
cotidiano e industrial. O negro de fumo e o coque são dois exemplos produzidos em
grandes quantidades e altamente empregados nas indústrias. [1]
É importante ressaltar também outras formas do carbono conhecidas como: o
grafite – utilizado na fabricação de eletrodos, indústria de aço e fundição de metais,
1
lápis e até mesmo como moderador de nêutrons em reatores nucleares; o carvão
ativado – muito aplicado em tratamento de efluentes e como absorvedor de gases
venenosos; e o diamante. [1]
Por causa do seu tamanho menor e grande eletronegatividade, o carbono
apresenta maior energia de ionização, logo, é muito covalente e pouco metálico. O
elemento forma majoritariamente quatro ligações químicas e apresenta a
capacidade única no grupo de formar múltiplas ligações pπ-pπ, como C=C e C≡C.
Por fim, sua acentuada capacidade de catenação (formar cadeias) é notória e ocorre
devido ao fato das ligações C-C serem muito mais fortes quando comparadas às do
resto do grupo (como representado abaixo). [1]
Tabela 2 - Energias de Ligação [1]
Ligação Energias de ligação(kJ⋅mol-1) Tendência a formar cadeias
C - C 348 Grande
Si - Si 297 Forma poucas cadeias
Ge - Ge 260 Forma poucas cadeias
Sn - Sn 240 Não forma, com exceção do Sn2H6
1.1.2. Especificidades dos Óxidos de Silício
O silício apresenta relevância tecnológica incomensurável, visto que são
produzidas anualmente mais de um milhão de toneladas do mesmo. A maior parte é
adicionada ao aço para remover o oxigênio presente. [1]
O dióxido de silício (SiO2) é chamado de sílica e está muito presente na areia
e no quartzo. A sílica é uma estrutura tridimensional infinita que pode assumir
diversas formas diferentes (existem pelo menos 12 delas) sendo as principais o
quartzo, a tridimita e a cristobalita. É, sob qualquer forma, muito pouco reativa e não
reage com ácidos, já que é um óxido ácido. [1]
2
1.2. Vidros
Há muito tempo se discute na ciência qual a melhor definição de vidro, já que
é um tipo de composto que vem intrigando estudiosos em anos de análises e
hipóteses. Zachariasen, em 1932, publicou seu artigo The Atomic Arrangement in
Glass (O Arranjo Atômico em Vidros) e nele chegou a seguinte afirmação: [2]
Vidro é um produto inorgânico fundido, baseado princi- palmente em sílica,
o qual foi resfriado para uma condição rígida sem cristali- zação, formando
uma rede tridimensional estendida aleatória, isto é, com ausência de
simetria e periodicidade.
Contudo, com estudos foi possível perceber que: I) a sílica não é necessária
para formação de vidros; II) vidros não são obtidos somente a partir de compostos
inorgânicos; e III) a fusão dos componentes não é necessária para a formação de
um vidro. [2]
Nas definições modernas, portanto, chega-se à conclusão de que um vidro é
um sólido não-cristalino (que, por definição, não apresenta simetria nem
periodicidade translacional) que apresenta o fenômeno de transição vítrea. Ademais,
pode ser obtido a partir de qualquer material inorgânico, orgânico ou metálico
formado a partir de qualquer método de preparação. [2]
1.2.1. Vidros e o Grupo 14
Os vidros se apresentam sob diversas formas e propriedades como óptica,
condutoras ou não, resistência mecânica, dilatação, entre outras. Borosilicatos,
aluminosilicatos, alta sílica, laminados e temperados são algumas das possibilidades
de vidros na atualidade. [2]
Os elementos do grupo 14 são marcantes na preparação de vidros. A sílica é
o principal deles, sendo, muitas vezes, indispensável para sua produção. Mas não
só o silício como também o germânio, que produz lentes para equipamentos
científicos e o estanho que fabrica vidros resistentes ao risco e, no caso de aviões,
opera como resistor para aquecer o vidro e evitar a sobreposição de gelo na
superfície. [1]
3
2. OBJETIVOS
● Estudar os elementos do Grupo IV-A.
● Determinar a resistência do vidro pela ação da água.
3. PARTE EXPERIMENTAL
3.1. Materiais
Os materiais utilizados no experimento foram:
- Balão de fundo redondo;
- Béquer;
- Bureta;
- Condensador;
- Garra com dupla fixação para buretas;
- Suporte universal.
3.2. Reagentes
Os reagentes utilizados no experimento foram:
- Ácido clorídrico;
- Água destilada;
- Fenolftaleína;
- Vidro em pó.
3.3. Procedimento Experimental
Para dar início ao experimento, primeiro foi transferida 1 g de uma amostra de
vidro em pó para um balão de fundo redondo e, ao mesmo, foram adicionados 25
mL de água destilada.
Após isso, o balão foi adaptado ao condensador, e em seguida foram fixados
no suporte universal. A mistura foi aquecida sob refluxo por cerca de 40 minutos.
Depois do aquecimento, foi esperado até que o sistema esfriasse, para que a
titulação pudesse ser feita, e então, o conteúdo do balão foi transferido para um
béquer de 100 mL e o volume foi reduzido à metade do inicial por evaporação.
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Na sequência, para realizar a titulação, foram adicionadas duas gotas de
fenolftaleína ao balão, o que acabou por garantir uma coloração rosa ao conteúdo
do frasco. Em seguida, a mistura foi titulada, liberando gotas da solução de HCl
0,010 M lentamente dentro do balão, parando somente quando o aspecto rosa
tivesse desaparecido.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
A primeira etapa do experimento consiste em garantir que o vidro seja
diluído. Primeiro, 1 g de vidro é triturado para uma maior superfície de contato com a
água, depois a mistura foi aquecida, o que garante uma maior e mais rápida
solubilização do pó de vidro.
O objetivo do experimento é determinar a quantidade de vidro (Na2SiO3) que
foi diluído e sofreu hidrólise, assim formando H2SiO3 e NaOH de acordo com a
equação abaixo:
Na2SiO3 + 2 H2O → H2SiO3 + 2 NaOH
Para descobrir a quantidade de vidro em mol (retículo de vidro) que foram
solubilizados, primeiro encontrasse o número de mols de Hidróxido de Sódio
presentena solução. Para isso realizou-se a titulação da mistura. Primeiro foi
adicionado o indicador, em seguida foi titulado 15 mL de solução de ácido clorídrico
0,01 molar. No entanto apenas 6,75 mL foram gastos na neutralização com o
hidróxido de sódio, para encontrar o número de mols de HCl que reagiram
multiplica-se a molaridade pelo volume utilizado em litros:
0, 01 · 0, 00675 = 0, 0000675 𝑚𝑜𝑙𝑠
Como cada mol de HCl reage com um mol de NaOH, tem-se que o número
encontrado também corresponde a o número em mol de NaOH presentes na
solução antes da titulação. Com o número de mols de hidróxido de sódio, o próximo
passo foi encontrar o número Na2SiO3 que foram solubilizados e hidrolisados, para
tal bastou checar a proporção entre este composto e o hidróxido de sódio na relação
estequiométrica já citada, tal relação é um Na2SiO3 para cada dois NaOH:
0,0000672
2 = 0, 00003375
5
Encontrado o valor de 3,375⋅10-5 para o vidro hidrolisado. O próximo passo foi
descobrir o quanto isso representa em relação ao total de vidro adicionado no início,
ou seja 1 grama. Considerando cada retículo de vidro como Na2SiO3 pode-se
calcular o número total de mols destes ao dividir sua massa molar pela massa total
presente. Tendo o sódio uma MM de 22,9, o silício 28 e o oxigênio de 16 pode-se
concluir:
(2 · 22, 9) + 28 + (3 · 16) = 121, 8
A cada mol do composto são 121,8 gramas, como foi utilizado 1 grama de
vidro no experimento tem-se
1
121,8 = 0, 00821018 𝑚𝑜𝑙
O próximo passo, foi dividir o total de mols pela quantidade de mols
hidrolisado encontrado anteriormente:
0,00003375
0,00821018 = 0, 00411047 𝑜𝑢 0, 41% 𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥
Com isso, chega-se à conclusão que aproximadamente 0,41% do vidro
triturado foi hidrolisado.
5. CONCLUSÃO
Observou-se que cerca de 0,41% do vidro total foi hidrolisado ao final da
prática. A porcentagem baixa, somando ao fato da mistura ter sido aquecida por um
longo período, mostram que o vidro tem uma alta resistência química à água. Tal
resistência pode ser atribuída à força das ligações e à geometria da molécula.
Por fim, considerando tudo, é possível dizer que a prática foi bem executada.
Isso porque a quantidade de hidróxido de sódio produzida durante o experimento foi
significativa e considerável, sendo que a cada dois mols de vidro, tinha-se dois mols
de hidróxido de sódio, o que pode ter sido suficiente para elevar o pH da solução.
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REFERÊNCIAS
[1] LEE, J. D. Química Inorgânica Não Tão Concisa. 5. ed. São Paulo: Blucher,
1999.
[2] ALVES, O. L.; GIMENEZ, L. F.; MAZALI, I, O. Vidros. Cadernos Temáticos de
Química Nova na Escola. Edição Especial, maio 2001.
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