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UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS DEPARTAMENTO DE QUÍMICA METAIS ALCALINOS E ALCALINO-TERROSOS Discente: Hygor Fabricio do Nascimento Santos Docente: Prof. Marlon de Souza Silva Manaus- AM Março/2022 HYGOR FABRICIO DO NASCIMENTO SANTOS METAIS ALCALINOS E ALCALINO-TERROSOS Trabalho submetido ao Prof. Marlon de Souza Silva que ministra a disciplina: Química inorgânica experimental para o curso de Química noturno. Como requisito parcial à obtenção de nota. Prof. Marlon de Souza Silva Manaus- Am Março/2022 Introdução A química dos metais alcalinos é, essencialmente, a química do íon 1+; a perda de um só elétron é um processo relativamente fácil e por este motivo apresentam propriedades redutoras muito pronunciadas. Os metais alcalino-terrosos são, do mesmo modo, fortes agentes redutores, uma vez que liberam elétrons com facilidade. Objetivos • Verificar as propriedades metálicas dos elementos dos Grupos IA e IIA. • Observar a reatividade do magnésio. • Constatar a formação de óxidos e hidróxidos. • Verificar a solubilidade de compostos dos elementos dos grupos IA e IIA. • Identificar íons dos metais alcalinos e alcalino-terrosos em soluções de sais. Materiais e reagentes · Vela; · Ácido Sulfúrico 0,1 mol L-1; · Cadinho de porcelana; · Ácido Clorídrico concentrado e 0,5 mol L-1; · Espátula; · Potássio metálico; · Estante para tubos de · ensaio; · Carbonato de Cálcio em pó, pedaço de giz; · Pinça Metálica; · Cloreto de estrôncio e cloreto de bário; · Tubos de ensaio; · Hidróxidos, cloretos, nitratos e carbonatos de Li, Na, · K, Ca e Mg; · Vidro relógio; · Indicador fenolftaleína; · Pipeta; · Magnésio; · Becker; · Soluções saturadas de, NaCI, KCI, MgCl2, e CaCl2; · Água destilada; · Sulfato de cobre 0,1 mol L-1; · Pera; · Procedimento experimental parte 1: Reatividade A. Retirar com uma pinça um pequeno pedaço de potássio e colocar sobre um vidro de relógio (ou papel de filtro). Logo após, cortá-lo com uma lâmina. Deixar exposto ao ar durante 15 minutos. Observar o que ocorre. B. Retirar algumas limalhas do magnésio e verificar sua reação com o ar. C. Colocar em dois tubos de ensaio 5 mL de álcool etílico P.A. e em seguida adicionar um pedaço pequeno de potássio metálico em um dos tubos e no outro, magnésio. Observar o tipo de reação que ocorre. D. Colocar em um tubo de ensaio contendo 5 mL de solução de sulfato de cobre 0,1 mol L-1 um pedacinho de potássio metálico. Repetir a experiência utilizando limalhas de magnésio. Observar o que ocorre no início e fim da experiência. Parte 2: Propriedades físicas e químicas dos compostos A. Com uma pinça, segure um pedaço de giz (CaCO3). Calcinar o giz na chama do bico de Bunsen. Colocar algumas gotas de água sobre o giz calcinado, até completa dissolução. Adicionar algumas gotas de indicador fenolftaleína. Observar. Parte 3: Propriedades Redutoras do Magnésio A. Colocar pequenos pedaços de magnésio em dois tubos de ensaio. Ao primeiro tubo adicionar 2 mL de água. Ao segundo adicionar 2 mL de HCl 0,5 mol L-1. Observar. B. Aquecer, com o auxílio de uma pinça metálica, um pequeno pedaço de magnésio metálico em fita e colocar o resíduo da queima em um cadinho de porcelana. Guardar o produto. Não fixar o olhar na luz que se desprende já que a luz que é emitida é rica em radiação fotoquimicamente ativa. C. Testar a formação de óxido de magnésio, adicionando o resíduo da combustão em um tubo de ensaio contendo 3 mL de água destilada. Agitar e gotejar fenolftaleína. Observar a coloração da solução. parte 4: Teste da Chama A. Pegar uma pequena quantidade dos sais de NaCl, KCl, MgCl2 e CaCl2 numa ponta de espátula e umedecer com algumas gotas de água. B. Em seguida aquecer na chama do bico de Bunsen. Repetir para todos os sais e observar a cor característica de cada um. Não se esqueça de limpar a espátula antes da próxima análise. C. Monte uma tabela com as observações e identifique os cátions existentes nas soluções. parte 6: Solubilidades dos compostos: hidróxidos, cloretos, carbonatos e nitratos A. Separe 8 tubos de ensaio e em cada um coloque 5 ml de água destilada. Colocar uma pequena quantidade de cada um dos compostos abaixo. Fazer observações sobre a solubilidade desses compostos. - Hidróxido de sódio e cálcio; - Cloreto de sódio e cálcio; - Carbonato de sódio e cálcio - Nitratos de sódio e cálcio. Repetir para os outros sais disponíveis. B. Colocar em quatro tubos de ensaio, respectivamente, 2 mL de solução 0,1 mol L-1 de Cloreto de magnésio, cloreto de cálcio, cloreto de estrôncio e cloreto de bário. Adicionar a cada um deles 1 mL de solução de ácido sulfúrico 0,1 mol L-1. Observar quais sais formam precipitados. Resultados e discussões parte 1: Reatividade Foi coletado um bloco de potássio metálico e cortou-se uma pequena parte do mesmo utilizando duas espátulas, e uma pequena porção de magnésio em pó e foram colocados sobre o vidro relógio. foi observado durante 15 minutos. O potássio reagiu com o O2 presente no ar. 4 K(s) + O2(g) → 2 K2O(s) Esta é uma reação de oxidação-redução (redox): 4 K - 4 e- → 4 K (oxidação) 2 O + 4 e- → 2 O (redução) K é um agente redutor, O2 é um agente oxidante. O magnésio já estava oxidado e por isso não foi possível observar a reação do magnésio com o oxigênio. 2 Mg(s) + O2(g) → 2 MgO(s) Esta é uma reação de oxidação-redução (redox): 2 Mg - 4 e- → 2 Mg (oxidação) 2 O + 4 e- → 2 O (redução) Mg é um agente redutor, O2 é um agente oxidante. imagem 1: potássio metálico cortado imagem 2: magnésio em pó Passados 15 minutos o potássio metálico perdeu sua cor metálica e ficou opaco e esbranquiçado e o magnésio continuou do mesmo jeito, pois já estava oxidado. imagem 3: observação 15 minutos após a exposição dos compostos Foi adicionado 5ml de álcool etílico P.A em dois tubos de ensaios, no primeiro foi colocado um pedaço de potássio metálico e ele reagiu formando uma reação exotérmica e a liberação do gás hidrogênio. 2 K(s) + 2 CH3CH2OH(aq) → H2(g) + 2 CH3CH2OK(aq) imagem 4: reação do potássio com álcool etílico No segundo tubo de ensaio foi adicionado magnésio, é não ocorre reação nessa mistura. o magnésio apenas fica no fundo do tubo de ensaio. imagem 5: mistura do magnésio com álcool etílico Foi adicionado 5ml de solução de sulfato de cobre 0,1 mol-1 a dois tubos de ensaios e foi repetida a experiência, iniciou-se com o potássio que teve uma reação exotérmica e formou uma chama de cor rosa, a reação também formou um precipitado azul da cor dos compostos de cobre. 2 K(s) + CuSO4(aq) → K2SO4(aq) + Cu(s) Esta é uma reação de oxidação-redução (redox): Cu + 2 e- → Cu (redução) 2 K - 2 e- → 2 K (oxidação) CuSO4 é um agente oxidante, K é um agente redutor. imagem 6: reação do potássio com o sulfato de cobre Foi adicionado magnésio no tubo contendo sulfato de cobre e o magnésio não reagiu, mas era para ter acontecido a reação de redox com a formação de Cu e sulfato de magnésio. Mg(s) + CuSO4(aq) → Cu(s) + MgSO4(aq) Esta é uma reação de oxidação-redução (redox): Cu + 2 e- → Cu (redução) Mg - 2 e- → Mg (oxidação) CuSO4 é um agente oxidante, Mg é um agente redutor. imagem 7: magnésio e sulfato de cobre Parte 2: Propriedades físicas e químicas dos compostos Com o auxílio de uma pinça foi colocado na chama de uma vela um pedaço de giz (CaCO3), como não tinha o bico de Bunsen não foi possível realizar o experimento, pois não tem como controlar a chama da vela e deixar a chama redutora ou oxidante, a parte do giz que entrou em contato com o fogo acabou formando uma fuligem em volta. A reação que era para ocorrer seria: CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g) imagem 8: queima do giz O óxido funcionaria como uma base que quando fosse esmagado e fosse adicionado fenolftaleína ele iria mudar de cor ficando rosa,mas como a vela acabou formando uma camada de fuligem preta, não mudou a coloração. imagem 9: adicionando fenolftaleína na água com o giz esmagado Parte 3: Propriedades Redutoras do Magnésio Foi adicionado magnésio em dois tubos de ensaios no primeiro foi adicionado 2mL de água e o magnésio não reagiu, mas era para ter uma reação redox com a liberação do gás hidrogênio. Mg(s) + H2O(aq) → H2(g) + MgO(aq) Esta é uma reação de oxidação-redução (redox): 2 H + 2 e- → 2 H (redução) Mg - 2 e- → Mg (oxidação) H2O é um agente oxidante, Mg é um agente redutor. imagem 10: magnésio adicionada no tubo de ensaio com água No segundo tubo de ensaio foi adicionado 2mL de HCl 0,5 mol L-1 e o magnésio reagiu formando o gás hidrogênio e mudando a coloração. Mg(s) + 2 HCl(aq) → H2(g) + MgCl2(aq) Esta é uma reação de oxidação-redução (redox): 2 H + 2 e- → 2 H (redução) Mg - 2 e- → Mg (oxidação) HCl é um agente oxidante, Mg é um agente redutor. imagem 11: reação do magnésio com ácido clorídrico Foi adicionado sobre o vidro relógio uma porção de magnésio em pó e com o auxílio de um isqueiro e de palitos de fósforos foi ateado fogo, mas não teve a luz fotoquímica, pois o magnésio estava oxidado. A reação que era para ter acontecido seria: Mg(s) + O2 → MgO(s) gerando uma luz fotoquímica. imagem 12: queima do magnésio com isqueiro imagem 13: queima do magnésio com palitos de fósforo Para fazer a reação do hidróxido de magnésio com a fenolftaleína foi utilizado o experimento anterior que não reagiu do magnésio com a água, logo quando foi adicionada a fenolftaleína dessa vez reagiu ficando com a cor rosa. MgO(s) + H2O(aq) → Mg(OH)2 imagem 14: reação do hidróxido de magnésio com fenolftaleína parte 4: Teste da Chama Durante o experimento no laboratório não foi possível observar as mudanças de coloração da chama, pelo fato de não ter o bico de bunsen, mas de acordo com as pesquisas realizadas foram obtidos os resultados: imagem 15: bico de bunsen A energia produzida na zona oxidante é suficiente para excitar os elétrons de determinados cátions, fazendo-os saltar para níveis mais energéticos. O teste da chama é um importante método de identificação, principalmente de cátions metálicos, utilizado na análise química. o postulado de Bohr explica que: I. Enquanto o elétron está numa determinada órbita, sua energia é constante. II. Se o elétron receber energia suficiente, ele saltará a uma órbita com energia superior. III. Ao retornar a sua órbita de origem, o elétron emite, na forma de ondas eletromagnéticas, a mesma quantidade de energia absorvida. imagem 16: espectro visível da luz Espectro visível é a porção do espectro eletromagnético cuja radiação é composta por fótons capazes de sensibilizar o olho humano de uma pessoa normal. Podemos dizer então que para cada cor temos uma determinada frequência e comprimento de onda que a distingue das demais. Ex: a luz vermelha que é uma luz de menor frequência e consequentemente menor energia, já o violeta é uma luz de maior frequência e nos submete a maior energia. Cloreto de Lítio (LiCl) - espectro de luz vermelho reação 2 LiCl(aq) + O2(g) Li2O(g) + 2HCl(aq) 2 LiCl(aq) + H2O(l) imagem 17: queima do cloreto de lítio Cloreto de Sódio (NaCl)- espectro de luz amarelo reação NaCl (aq) + O2(g) Na2O(g) + 2HCl(aq) 2 NaC(aq)l + H2O(l) imagem 18: queima do cloreto de sódio Cloreto de Potássio (KCl)- espectro de luz violeta reação 2 KCl(aq) + O2(g) K2O(g) + 2 HCl (aq) 2KCl(aq) + H2O(l) imagem 19: queima do cloreto de potássio cloreto de magnésio (MgCl)- espectro de luz branca reação MgCl2(aq) + O2(g) Mg(ClO3)2(aq) imagem 20: queima do cloreto de magnésio Cloreto de Cálcio (CaCl2)- espectro de luz laranja reação CaCl2(aq) + O2(g) CaO(g)+ 2 HCl(aq) 2 CaCl(aq) + H2O(l) imagem 21: queima do cloreto de cálcio COMPRIMENTO DE ONDA (NM) SAL 400 450 500 550 600 650 700 750 LiCl X NaCl X KCl X MgCl2 X CaCl2 X - UV VIOLETA AZUL VERDE AMARELO LARANJA VERMELHO IV tabela 1: tabela do comprimento de onda dos elementos parte 6: Solubilidades dos compostos: hidróxidos, cloretos, carbonatos e nitratos foi separado dois tubos de ensaios com hidróxido de sódio e cloreto de cálcio, foi adicionado 5mL de água destilada e foi observado a solubilidade dos compostos: No primeiro tubo com hidróxido de sódio ao adicionar água ele se dissolveu e formou uma reação exotérmica. NaOH(aq) + H2O(l) NaOH2(aq) + OH(s) Esta é uma reação de oxidação-redução (redox): O - 1 e- → O (oxidação) O + e- → O (redução) imagem 22: reação do hidróxido de sódio com água No segundo tubo de ensaio contendo cloreto de cálcio se diluiu muito rápido e formou uma mistura homogênea. CaCl2(aq) + 2 H2O(l) → 2 HCl (aq) + Ca (OH)2(s) imagem 23: mistura do cloreto de cálcio com água Foi separado quatro tubos de ensaios com 2mL de solução 0,1 mol L-1 de cloreto de magnésio, cloreto de cálcio, cloreto de estrôncio e cloreto de bário. Foi adicionado 1mL de solução de ácido sulfúrico 0,1 mol l-1 e observou-se a formação de precipitado. No primeiro não ocorreu nenhuma reação virou só uma mistura homogênea imagem 24: mistura do cloreto de magnésio com ácido sulfúrico No segundo experimento também não ocorreu nada além da mistura homogénea imagem 25: mistura do cloreto de cálcio com ácido sulfúrico No terceiro experimento não ocorreu nada somente a mistura homogênea. imagem 26: mistura do cloreto de estrôncio com ácido sulfúrico o quarto experimento reagiu mudando a coloração formando BaCl2(aq) + SO4(aq) → 2 Cl(aq) + BaSO4(aq) imagem 27: reação do cloreto de bário com ácido sulfúrico PÓS-LABORATÓRIO: 1. Explique por que os metais do grupo I são armazenados em querosene ou óleo mineral. Os metais do grupo 1, que são os metais alcalinos, são extremamente reativos, tanto com a água quanto até mesmo com o oxigênio do ar. Por esse motivo, geralmente são guardados submersos em querosene ou óleo mineral. Isso acontece porque eles têm uma grande tendência de perder elétrons, oxidando-se e atuando como agentes redutores fortes.Quando em contato com a água eles formam como produtos uma base e o gás hidrogênio. 2. Justifique as cores das chamas dos metais alcalinos e alcalino-terrosos observados. As cores observadas em cada chama são as cores características de cada metal. isso acontece porque cada elemento possui camadas eletrônicas com valores de energia bem definidos e segundo o postulado de Bohr, quanto mais distante do núcleo, maior será a energia do nível eletrônico. Quando ocorre o experimento o elétron absorve energia e salta para um nível mais externo, de maior energia, mas ele fica instável e logo retorna para sua órbita e quando o elétron salta de um nível a outro que seja mais próximo do núcleo ele acaba liberando energia na forma de luz visível. As cores são ondas magnéticas e cada uma tem um comprimento diferente, logo os átomos de cada elemento possuem órbitas com níveis de energia diferentes um do outro e a luz liberada em cada caso terá um comprimento de onda que resultará em uma cor específica. 3. Por que o lítio tende a comportar-se como o magnésio ao invés de comportar-se como seus congêneres? A que se atribui este comportamento? Porque os íons Li + são pequenos, logo suas soluções de sais de Li + são melhores condutoras de corrente elétrica do que as soluções de mesma concentração de sais de Na, K, Rb e Cs. Os íons que são menores devem migrar mais facilmente o catodo e conduzir melhor a corrente elétrica que íons que são maiores. a condutividade iônica cresce do Li + Cs + Li + < Na + < k + < Rb + < Cs + A condutividade iônica está relacionada à hidratação dos íons em solução aquosa. Li + muito pequeno e muito hidratado. 4. Mencione as fontes utilizadas para a obtenção dos elementos dos grupos I e II, e descreva detalhadamente os métodos utilizados para a obtenção dos mesmos. A abundância desses metaisé muito variada na crosta terrestre desde o cálcio (5º metal mais abundante), seguido pelo sódio, magnésio até os metais mais raros como Césio e Berílio. são obtidos a partir de seus minérios com o uso de um agente redutor, normalmente o carbono, a altas temperaturas: MgO(s) + C(s) Mg(l) + CO(g) Berilo: Be3Al2[Si6O18], Dolomita:CaMg(CO3)2, Calcário: CaCO3 Ca e Sr são obtidos industrialmente pela eletrólise de seus cloretos: No cátodo: Ca²+(l) + 2e- 2 Ca(l) No ânodo: 2 Cl-(l) Cl2(g) + 2e- Reação global: Ca²+(l) + 2 Cl-(l) 2 Ca(l) + Cl2(g) processo semelhante é utilizado na obtenção do sódio usando NaCl 5. Por que se diz que o Berílio é um metal anfótero? Explique mediante equações. Por que sua química difere do resto dos elementos do grupo? O que ocorre com ele frente ao ar? Porque o hidróxido de berílio pode se comportar como ácido ou base, a depender das condições da reação, enquanto os hidróxidos dos demais elementos do grupo 2 são básicos. Óxido anfótero com base – o óxido atua como um ácido; Óxido anfótero com um ácido – o óxido atua como uma base. São reações de neutralização, que formam obrigatoriamente um sal e água: Reação de óxido anfótero com ácido. Quando um óxido anfótero reage com um ácido, o cátion metálico (Y+) do óxido interage com o ânion (X-) do ácido para formar o sal (YX), e o cátion hidrônio (H+) do ácido interage com o ânion do óxido (O-2): YO + HX → YX + H2O Reação de óxido anfótero com base Quando um óxido anfótero reage com uma base, o cátion metálico (Y+) da base interage com o ânion (YO-) formado a partir do metal presente no óxido para formar o sal (WYO), e o hidrônio (H+), que sobra do hidróxido (OH-) da base, interage com o ânion do óxido (O-2), formando a molécula de água. O ânion formado a partir do metal presente no óxido resulta da interação com o oxigênio da hidroxila da base: YO + WOH → WYO + H2O Outra característica que difere o berílio do restante do grupo é que ele se estabiliza apenas com quatro elétrons na camada de valência, em um caso de contração do octeto, mais um caso e que em relação aos demais metais do grupo é que os haletos de berílio, como BeF2 e BeCl2, são covalentes. Já os haletos dos demais metais alcalino-terrosos são todos iônicos. Quando exposto ao ar ele não reage em temperatura ambiente, a presença do oxigênio cria somente uma camada de óxido de berílio. 2 Be (s) + O2 (g) → 2 BeO (s) 6. A maioria dos sais comuns do grupo I são solúveis em água, enquanto que muitos dos sais do grupo II são insolúveis. Utilizando o ciclo de energia do processo de dissolução explique como varia a solubilidade dos halogenetos de metais alcalinos e alcalino-terrosos. Por que os carbonatos e os fosfatos de cátions do grupo II são insolúveis? A solubilidade desses sais do grupo II diminui à medida que o número atômico do metal aumenta, e esse comportamento é oposto ao observado nos hidróxidos. À medida que avançamos na sequência do MgSO 4 até BaSO4, a entalpia de hidratação do íon positivo torna-se menor (menos negativa ). Isso tende a tornar os sais dos íons metálicos em estados menos solúveis que os dos íons mais leves. Os carbonatos e fosfatos do grupo II não são solúveis devido a sua constante de solubilidade ser muito baixa Os metais alcalinos terrosos possuem afinidade eletrônica positiva (é necessário fornecer energia para que o elétron possa ocupar o subnível de maior energia), ou muito pouco negativa.Devido ao subnível ns2 completo, o elétron extra deve entrar na subnível np vazio: Be: 1s2 2s2 2p0 + e- → Be-: 1s2 2s2 2p1 As eletronegatividades dos metais alcalinos terrosos são baixas, mas maiores do que dos metais alcalinos vizinhos. Quando Mg, Ca, Sr e Ba reagem com halogênios e oxigênio, a diferença de eletronegatividade será grande e os compostos formados serão iônicos. Quando o Be reage com outros átomos a diferença de eletronegatividade é geralmente pequena → compostos covalentes, entretanto, mesmo quando reage com halogênios, forma compostos covalentes. O cátion Be2 + muito pequeno possui uma densidade de carga tão alta que polariza qualquer ânion que se aproxime, ocorrendo sobreposição de densidade eletrônica (covalência) F = 4,0 Cl = 3,0 Be = 1,6 7. Comente brevemente os usos mais importantes do magnésio. Por que o hidróxido de magnésio é utilizado como antiácido estomacal? Explique brevemente as funções biológicas para os elementos essenciais dos grupos I e II. Mencione efeitos farmacológicos de compostos de lítio. O Magnésio é usado na fabricação de peças de avião e motores de automóveis, Fins militares (sinalizadores e bombas incendiárias), indústria química de compostos orgânicos (reagentes de Grignard,RMgX), Mg(OH)2 usado em dentifrícios. Por ser alcalino, o leite de magnésio é utilizado como antiácido, neutralizando lizando oexcesso de acidez estomacal. Quantidade de metai s dos grupos I e II são necessários, para os organismos vivos, principalmente para equilibrar as cargas elétricas associadas com macromoléculas orgânicas de carga negativa existentes na célula, e também para conservar a pressão osmótica dentro da célula, mantê-la dilatada e impedindo o seu colapso. Dentro da célula ocorre o transporte de íons, chamado de " bomba de sód io", que envolve a expulsão do Na + como a entrada do K +. Entre outras inúmeras finalidades. O lítio é uma medicação muito útil para tratar o transtorno bi polar, principalmente os sintomas maníacos. Ele também é usado para prevenir outros episódios do transtorno bi polar. Pode ser utilizado em depressões unipolares que não respondem aos antidepressivos convencionais. Referência http://www.mundovestibular.co.m.br/articles/1085/1/TABELA-PERIODICA/Paacutegina1.html, Tabela Periodica, acesso 27 de julho de 2022. http//www.grupoescolar.com/pesquisa/metais-alcalinos.html,Metais Alcainos, acesso 27 de julho de 2022. http://brasilescola.uol.com.br/quimica/Oxidos-anfotero.htm Oxidos Anfoteros, acesso 27 de julho de 2022. http://www.infoescola.com/elementos-quimicos/itio/,Elementos Quimicos, acesso 27 de julho de 2022. http://www.infoescola.com/compostos-quimicos/hidroxido-de-magnesio/, Hidroxido de Magnesio, acesso 28 de julho de 2022.
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