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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS – CAMPUS A.C. SIMÕES INSTITUTO DE QUÍMICA E BIOTECNOLOGIA Av. Lourival de Melo Mota, s/n, Maceió – AL, 57072-970, Brasil Área: Quìmica Inorgânica Cursos: Química Licenciatura Química Bacharelado Química Tecnológica e Industrial Número: 1 Disciplinas (códigos): QUIB022 - QUIMICA INORGÂNICA EXPERIMENTAL QUIL102 - SABERES E PRÁTICAS EM QUÍMICA INORGÂNICA QUIT028 - LABORATÓRIO DE QUÍMICA INORGÂNICA 1 – ASSUNTO Química descritiva dos grupos do bloco s da Tabela Periódica 2 – TÍTULO DO EXPERIMENTO Hidrogênio 2 – INTRODUÇÃO O hidrogênio é o elemento químico cujos átomos apresentam a estrutura mais simples. Existem três isótopos deste elemento, com números de massa 1, 2 e 3, denominados, respectivamente, de hidrogênio (ocasionalmente, prótio, H), deutério (D) e trítio (T). O hidrogênio é um gás incolor, inodoro e insípido, 14,38 vezes mais leve que o ar. O hidrogênio é pouco solúvel em água, mas dissolve-se consideravelmente bem em certos metais como o paládio (Pd) e a platina (Pt). Um volume de paládio é capaz de dissolver cerca de 900 volumes de hidrogênio. O átomo de hidrogênio possui apenas um próton em seu núcleo e um único elétron. Na forma elementar, o hidrogênio se apresenta como moléculas diatômicas apolares (H2). A estrutura eletrônica da molécula de hidrogênio é semelhante àquela do átomo de hélio, razão pela qual o hidrogênio molecular é relativamente inerte a temperaturas ordinárias. Em altas temperaturas, entretanto, a ligação entre os átomos é rompida e o hidrogênio torna-se ativo. A união de dois átomos de hidrogênio para formar uma molécula desprende uma considerável quantidade de energia: 2𝐻 ⇌ 𝐻2 H = −103 kcal / mol A energia dos átomos de hidrogênio é maior que a de uma molécula deste elemento e por isso o hidrogênio atômico é muito mais reativo que o hidrogênio molecular. Na prática, o hidrogênio atômico é usado em reações de redução (hidrogênio nascente). O hidrogênio molecular só toma parte em reações que ocorrem a temperaturas elevadas. As propriedades químicas do hidrogênio estão ligadas à habilidade dos seus átomos em perderem seu elétron, tornando- se íons positivamente carregados. Entretanto, esta perda de elétron nunca é completa e o hidrogênio liga-se covalentemente mesmo aos elementos mais eletronegativos como flúor, oxigênio e cloro. Estas ligações covalentes são, entretanto, polares, sendo o hidrogênio o pólo positivo (δ+). Em alguns casos, o átomo de hidrogênio recebe um elétron formando o ânion hidreto, H-. Isto ocorre quando o hidrogênio se liga aos metais mais eletropositivos – sódio (Na), potássio (K), césio (Cs), etc. – formando os chamados hidretos iônicos ou salinos, sólidos iônicos cristalinos. O hidrogênio reage com o oxigênio formando água. A reação libera grande quantidade de energia: 𝐻2(𝑔) + 𝑂2(𝑔) ⟶ 𝐻2𝑂(𝑙) H = −136,8 kcal / mol Devido à liberação desta grande quantidade de calor durante a combustão do hidrogênio, sua chama apresenta alta temperatura – aproximadamente 1000 °C. Porém, a temperatura pode ser aumentada ainda mais – 2500 a 3000 °C – por introdução de um excesso de oxigênio na chama de hidrogênio. A altas temperaturas, o hidrogênio pode retirar oxigênio de muitos compostos, inclusive de grande parte dos óxidos metálicos. Por exemplo, se hidrogênio é passado sobre óxido de cobre aquecido, ocorre a seguinte reação: 𝐶𝑢𝑂(𝑠) + 𝐻2(𝑔) ⟶ 𝐶𝑢(𝑠) + 𝐻2𝑂(𝑙) Em laboratório, o hidrogênio é obtido (a) pela ação de água sobre metais, (b) pela ação de soluções ácidas diluídas sobre metais e (c) pela ação de soluções alcalinas sobre metais. Obviamente, estes são processos de oxirredução e, por isso, é necessário que o metal utilizado tenha potencial padrão de redução menor que o hidrogênio. Exemplos das reações citadas para a produção de hidrogênio são: a) 𝑁𝑎(𝑠) + 𝐻2𝑂(𝑙) → 𝑁𝑎𝑂𝐻(𝑎𝑞) + 1 2 𝐻2(𝑔) b) 𝑍𝑛(𝑠) + 𝐻𝐶𝑙(𝑙) → 𝑍𝑛𝐶𝑙2(𝑎𝑞) + 𝐻2(𝑔) c) 𝐴𝑙(𝑠) + 𝑁𝑎𝑂𝐻(𝑎𝑞) + 𝐻2𝑂(𝑙) → 𝑁𝑎𝐴𝑙𝑂2(𝑎𝑞) + 3 2 𝐻2(𝑔) Quando se dispõe de energia elétrica barata, a decomposição eletrolítica da água pode ser empregada na produção de hidrogênio: 2𝐻2𝑂(𝑙) → 2𝐻2(𝑔) + 𝑂2(𝑔) O hidrogênio eletrolítico é muito puro e é utilizado na hidrogenação de óleos vegetais e processos semelhantes. Vários outros métodos podem ser usados para a produção industrial de hidrogênio. 3 – OBJETIVO(S) ✓ Obtenção de hidrogênio mediante reação de metais com ácidos e bases ✓ Identificação da formação de hidrogênio por meio da sua combustão ✓ Comparação da reatividade de alguns metais diante de ácidos 4 – MATERIAIS E REAGENTES Materiais Tubo de ensaio normal Pinça de madeira Tubo de ensaio pequeno Caixa de fósforos Estante para tubos de ensaio Reagentes Zn (s) H2SO4 (6M) CuSO4 (1M) Mg (s) Fe(s) NaOH (6M) Al (s) 5 – PROCEDIMENTOS a) Obtenção de Hidrogênio e comparação entre as reatividades de metais aos ácidos - Coloque, em um tubo de ensaio (1), 3 grânulos de zinco. - Adicione em seguida 2 mL de solução 6M de H2SO4 (se a evolução do gás for lenta, adicione gotas de CuSO4 1M). - Quando se iniciar o desprendimento de gás, coloque sobre a boca do tubo (1), o tubo de ensaio pequeno (2), limpo e seco, fixo por uma pinça de madeira (3). - Depois de 3 minutos de recolhimento de gás, afaste o tubo 2 do tubo 1 (mantendo o tubo 2 com a boca para baixo!) e aproxime uma chama (4) sob a boca do tubo 2, onde ocorrerá uma pequena explosão. - Coloque em três tubos de ensaio 1 mL de solução 6N de H2SO4, 2 mL de água destilada e agite. - A um dos tubos adicione uma pequena quantidade de Mg, ao outro tubo adicione uma pequena quantidade de Fe e ao outro uma pequena quantidade de Al. - Observe a evolução de H2 nos dois tubos e a diferença de reatividade entre os quatro metais (Zn, Mg, Fe, Al). - Equacione todas as reações que ocorrem. b) Obtenção de Hidrogênio através da reação entre metais e bases - Coloque em um tubo de ensaio 1 mL de solução 6N de NaOH e 2 mL de água destilada e agite. - Acrescente um pequeno pedaço de alumínio em fio. - Observe a evolução de H2. - Equacione a reação. . 6 – DISCUSSÃO/QUESTIONÁRIO (opcional) 1) Represente as reações químicas ocorridas nos experimentos. 2) Menciones três forma de obtenção de hidrogênio industrialmente 7 – GERENCIAMENTO DE RESÍDUOS QUADRO DE RESÍDUOS DO EXPERIMENTO Experimento: Data: Prof.(ª) responsável: Identificação dos Resíduos Espécies presentes: Estado físico: Quantidade (m ou V): ( ) Orgânico ( ) Inorgânico Tratamento dos Resíduos da aula É tratável? ( ) SIM ( ) NÃO Se SIM, como? É reutilizável? ( ) SIM ( ) NÃO Se SIM, como? Condições para acondicionamento (recipiente e local) Classificação para disposição final ( ) Matéria-prima p/ reciclagem ( ) Solvente orgânico passível de purificação ( ) Sólido ( ) Elemento(s)- traço: ( ) Solvente orgânico halogenado ( ) Solvente orgânico não halogenado 8 – REFERÊNCIAS • COTTON, F. A. E WILKINSON, G., Advanced Inorganic Chemistry, Ed. 6ª, Interscience, 2006. • SHRIVER, D. F., ATKINS P. W., Química Inorgânica, Porto Alegre: Editora Bookman, 4º Ed., 2008. • HOUSECROFT, C.E., SHARPE, A.G., Inorganic Chemistry, Prentice Hall, 4 Ed. 2012. • MIESSLER, G. L., FISCHER, P. J., TARR, D. A., Química Inorgânica. 5ª Edição. Pearson, 2014. • JONES, C.J. A Química dos Elementos dos Blocos D E F. Porto Alegre, Artmed, 2002. • BROWN, T.L., LEMAY, H.E., BURSTEN, B.E., BURDGE, J.R. Química: A Ciência Central, 9ª Ed., Pearson Prentice Hall, São Paulo, 2005. •Artigos de Revistas Científicas: Inorg. Chem. Acta; J. Chem. Ed.; Inorg.Chem.; Química Nova, etc. UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS – CAMPUS A.C. SIMÕES INSTITUTO DEQUÍMICA E BIOTECNOLOGIA Av. Lourival de Melo Mota, s/n, Maceió – AL, 57072-970, Brasil Área: Quìmica Inorgânica Cursos: Química Licenciatura Química Bacharelado Química Tecnológica e Industrial Número: 2 Disciplinas (códigos): QUIB022 - QUIMICA INORGÂNICA EXPERIMENTAL QUIL102 - SABERES E PRÁTICAS EM QUÍMICA INORGÂNICA QUIT028 - LABORATÓRIO DE QUÍMICA INORGÂNICA 1 – ASSUNTO Química descritiva dos grupos do bloco s da Tabela Periódica 2 – TÍTULO DO EXPERIMENTO Grupo 1: Lítio, Sódio, Potássio, Rubídio, Césio e Frâncio 2 – INTRODUÇÃO 2.1. Introdução O Grupo 1 contém os elementos lítio (Li), sódio (Na), potássio (K), rubídio (Rb), césio (Cs) e frâncio (Fr), chamados de metais alcalinos. As configurações eletrônicas dos metais alcalinos proporcionam uma maneira sistemática de compreender as propriedades químicas destes elementos, assim como as tendências observadas nos compostos deste grupo. A configuração eletrônica dos átomos de metais alcalinos, no estado fundamental, consiste de uma estrutura interna de gás nobre (“caroço” de gás nobre) com apenas um elétron de valência em um orbital s. Os primeiros potenciais de ionização destes elementos são os mais baixos da tabela periódica, indicando uma relativa facilidade para a remoção do elétron de valência. Porém, o segundo potencial de ionização de cada átomo – envolvido na retirada de um elétron do caroço de gás nobre – é sempre muito maior que o respectivo primeiro potencial de ionização, como esperado. Assim, os metais alcalinos facilmente formam cátions monovalentes segundo a semi- reação de oxidação: 𝑀 → 𝑀+ + 𝑒− Por este motivo, os metais alcalinos são fortes agentes redutores. Com o aumento do número atômico, que envolve a entrada de elétrons em níveis de energia cada vez mais elevados, verifica-se um regular e notável aumento dos raios atômicos, e neste mesmo sentido diminui o potencial de ionização e, assim aumenta a capacidade redutora. Os metais alcalinos são guardados em querosene, uma vez que ao ar oxidam-se rapidamente. Reagem, também, rapidamente com água e ácidos, segundo as equações: 𝑀(𝑠) + 𝐻2𝑂(𝑙) → 𝑀𝑂𝐻(𝑎𝑞) + 1 2 𝐻2(𝑔) 𝑀(𝑠) + 𝐻+(𝑎𝑞) → 𝑀+(𝑎𝑞) + 1 2 𝐻2(𝑔) 2.2. Propriedades dos Metais Alcalinos Os metais alcalinos, quando recentemente cortados, apresentam brilho metálico. Todos esses metais são extremamente moles, e sua dureza diminui com o aumento do número atômico do metal. São bons condutores de calor e de eletricidade e possuem retículo cristalino cúbico de corpo centrado. Propriedades como baixa dureza, condutividade elétrica e térmica,ru e brilho podem ser explicadas pela grande mobilidade eletrônica que apresentam esses metais. Os metais alcalinos são os mais reativos dentre todos os metais conhecidos. Praticamente qualquer agente oxidante – por mais fraco que seja – pode ser reduzido pelos metais alcalinos. Quantitativamente, a capacidade redutora deles pode ser medida pelo potencial de oxidação, pelo menos em solução aquosa (o potencial de oxidação de uma substância mede a sua tendência a perder elétrons, ou seja, a sua tendência a se comportar como agente redutor). O potencial padrão de oxidação dos metais alcalinos é característico da reação: 𝑀(𝑠) → 𝑀+(𝑎𝑞) + 𝑒− 2.3. Ocorrência e Preparação Os metais alcalinos são encontrados na natureza somente na forma de cátions monovalentes. Os mais abundantes são o sódio e o potássio. Como todos os seus isótopos são radiativos, o frâncio existe apenas em quantidades muitíssimo pequenas e, por isso, não pôde ser devidamente estudado. A obtenção dos metais alcalinos é feita a partir dos íons positivos por redução. Métodos puramente químicos são dificilmente utilizados, visto que requerem um agente redutor mais forte que os metais alcalinos. 2.4. Compostos Os óxidos simples M2O não são facilmente formados. Na reação direta com o oxigênio somente o lítio forma óxido (Li2O), mas com um pequeno teor de peróxido (Li2O2). O sódio forma o peróxido (Na2O2) com algo de superóxido (NaO2) e o potássio, o rubídio e o césio formam os superóxidos KO2, RbO2 e CsO2. Estas diferenças na estabilidade de óxidos, peróxidos e superóxidos estão relacionadas aos tamanhos relativos de cátions e ânions. Os peróxidos dos metais alcalinos, assim como os demais peróxidos metálicos, reagem com água formando os respectivos hidróxidos e peróxido de hidrogênio. Por exemplo, a reação entre peróxido de sódio e água é a seguinte: 𝑁𝑎2𝑂2(𝑠) + 2𝐻2𝑂(𝑙) → 2𝑁𝑎𝑂𝐻(𝑎𝑞) + 𝐻2𝑂2(𝑎𝑞) Entretanto, o peróxido de hidrogênio (H2O2) é desestabilizado e sofre desproporcionamento (auto-oxirredução) em H2O e O2: 𝐻2𝑂2(𝑎𝑞) → 𝐻2𝑂(𝑙) + 1 2 𝑂2(𝑔) Para se obter óxidos simples dos metais alcalinos, realiza-se uma redução de seus peróxidos pela ação de um excesso de metal, segundo a equação: 2𝑁𝑎(𝑠) + 𝑁𝑎2𝑂2(𝑠) → 2𝑁𝑎2𝑂(𝑠) Os óxidos de metais alcalinos são substâncias sólidas muito higroscópicas capazes de se combinar facilmente com a água formando hidróxidos. Os hidróxidos são, também, substâncias sólidas, muito solúveis em água. As soluções aquosas dos hidróxidos são pronunciadamente básicas devido à dissociação: 𝑀𝑂𝐻(𝑠) → 𝑀+(𝑎𝑞) + 𝑂𝐻−(𝑎𝑞) Os sais dos metais alcalinos são, com raras exceções, solúveis e pertencem ao grupo dos eletrólitos fortes. Os íons alcalinos não participam de reações de hidrólise nem formam íons complexos em grau apreciável; porém, os ânions a eles associados, se forem derivados de ácidos fracos, sofrem hidrólise em solução aquosa e por isso as suas soluções apresentam pH básico (pH > 7 a 25°C). Por exemplo, o acetato de sódio dissolve-se em água segundo a equação: 𝑁𝑎𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂(𝑠) → 𝑁𝑎 +(𝑎𝑞) + 𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂 −(𝑎𝑞) Como o íon acetato deriva de um ácido fraco (o ácido acético), ele é uma base (no sentido de Brönsted-Lowry) e reage com á água capturando um próton: 𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂 −(𝑎𝑞) + 𝐻2𝑂(𝑙) → 𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝐻(𝑎𝑞) + 𝑂𝐻 −(𝑎𝑞) 2.5. Espectros A absorção de energia pelos elétrons nos átomos leva à promoção dos mesmos para níveis de maior energia. O retorno desses elétrons para níveis energéticos mais baixos é seguido da liberação do excesso de energia para o ambiente. Sendo a energia emitida na forma de radiação eletromagnética (luz), esta será composta de vários comprimentos de onda. A energia emitida E relaciona-se ao comprimento de onda da radiação λ pela fórmula 𝐸 = ℎ𝑐 𝜆 em que c é a velocidade da luz ( c = 3 x108 m / s ) e h é a constante de Planck ( h = 6,626 x10-34 J·s ). Cada comprimento de onda emitido corresponde a um salto energético do elétron no átomo. A distribuição dos comprimentos de onda emitidos é o espectro de emissão do átomo em questão, espectro o qual é característico de cada tipo de átomo. Por este motivo, os sais voláteis dos metais alcalinos dão à chama do bico de Bünsen colorações características, de acordo com a tabela abaixo. Metal alcalino Coloração da chama Li Carmin Na Amarela K Violeta Rb Violeta-avermelhado Cs Azul 3 – OBJETIVO(S) ✓ Estudar e comparar a reatividade dos metais alcalinos com água ✓ Verififcar a hidrólise de diferentes sais de metais alcalinos ✓ Observar o fenômeno da emissão através do teste da chama 4 – MATERIAIS E REAGENTES Materiais Béquer (100 mL) Espátula Tubo de ensaio Proveta 5 mL Alça de Pt Bico de Bunsen Piesseta Água destilada Estante para tubos de ensaio Reagentes Na (s) Fenolftaleína NaNO3 (s) Na2S (s) KCl (s) K2CO3 (s) HCl (aq) LiCl NaCl KCl 5 – PROCEDIMENTOS a) Reatividade - Coloque, em um béquer, 50 mL de água destilada. - Em seguida, adicione cuidadosamente um pequeno pedaço de sódio. - Adicione, após o encerramento da reação, gotas de solução de fenolftaleína e observe. - Equacione as reações ocorridas. b) Hidrólise dos sais dos metais alcalinos - Coloque,em quatro tubos de ensaio, cristais dos seguintes sais: Tubo 1: nitrato de sódio (NaNO3) Tubo 2: sulfeto de sódio (Na2S) Tubo 3: cloreto de potássio (KCl) Tubo 4: carbonato de potássio (K2CO3) - Adicione 3 mL de água deionizada a cada um dos tubos e agite. - Teste o caráter ácido-base das soluções com o indicador fenolftaleína. - Equacione todos os processos que ocorrem (dissolução e hidrólise). Em quais tubos ocorre hidrólise? Por quê? c) Teste de Chama - Introduza uma alça de Platina, previamente limpa com HCl, em uma solução saturada de LiCl. - Leve a alça de platina à chama não luminosa do bico de Bünsen. - Observe e anote a cor da chama. - Repita o procedimento usando soluções saturadas de NaCl e KCl. - Limpe a alça após cada experiência, introduzindo-a em ácido clorídrico e levando-a, em seguida, à chama. . 6 – DISCUSSÃO/QUESTIONÁRIO (opcional) 1) Represente as reações químicas ocorridas nos experimentos. 2) Como você espera que seja a reatividade dos metais alcalinos K e Rb frente à reação com água, em comparação com a do Na. Serão mais reativos ou menos reativos? 7 – GERENCIAMENTO DE RESÍDUOS QUADRO DE RESÍDUOS DO EXPERIMENTO Experimento: Data: Prof.(ª) responsável: Identificação dos Resíduos Espécies presentes: Estado físico: Quantidade (m ou V): ( ) Orgânico ( ) Inorgânico Tratamento dos Resíduos da aula É tratável? ( ) SIM ( ) NÃO Se SIM, como? É reutilizável? ( ) SIM ( ) NÃO Se SIM, como? Condições para acondicionamento (recipiente e local) Classificação para disposição final ( ) Matéria-prima p/ reciclagem ( ) Solvente orgânico passível de purificação ( ) Sólido ( ) Elemento(s)- traço: ( ) Solvente orgânico halogenado ( ) Solvente orgânico não halogenado 8 – REFERÊNCIAS • COTTON, F. A. E WILKINSON, G., Advanced Inorganic Chemistry, Ed. 6ª, Interscience, 2006. • SHRIVER, D. F., ATKINS P. W., Química Inorgânica, Porto Alegre: Editora Bookman, 4º Ed., 2008. • HOUSECROFT, C.E., SHARPE, A.G., Inorganic Chemistry, Prentice Hall, 4 Ed. 2012. • MIESSLER, G. L., FISCHER, P. J., TARR, D. A., Química Inorgânica. 5ª Edição. Pearson, 2014. • JONES, C.J. A Química dos Elementos dos Blocos D E F. Porto Alegre, Artmed, 2002. • BROWN, T.L., LEMAY, H.E., BURSTEN, B.E., BURDGE, J.R. Química: A Ciência Central, 9ª Ed., Pearson Prentice Hall, São Paulo, 2005. •Artigos de Revistas Científicas: Inorg. Chem. Acta; J. Chem. Ed.; Inorg.Chem.; Química Nova, etc. UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS – CAMPUS A.C. SIMÕES INSTITUTO DE QUÍMICA E BIOTECNOLOGIA Av. Lourival de Melo Mota, s/n, Maceió – AL, 57072-970, Brasil Área: Quìmica Inorgânica Cursos: Química Licenciatura Química Bacharelado Química Tecnológica e Industrial Número: 3 Disciplinas (códigos): QUIB022 - QUIMICA INORGÂNICA EXPERIMENTAL QUIL102 - SABERES E PRÁTICAS EM QUÍMICA INORGÂNICA QUIT028 - LABORATÓRIO DE QUÍMICA INORGÂNICA 1 – ASSUNTO Química descritiva dos grupos do bloco s da Tabela Periódica 2 – TÍTULO DO EXPERIMENTO Grupo 2: Berílio, Magnésio, Cálcio, Estrôncio, Bário e Rádio 2 – INTRODUÇÃO 3.1. Introdução O Grupo 2 da tabela periódica compreende o berílio (Be), o magnésio (Mg), o cálcio (Ca), o estrôncio (Sr), o bário (Ba) e o rádio (Ra). A configuração eletrônica dos chamados metais alcalino-terrosos em seu estado fundamental consiste em uma estrutura de gás nobre com dois elétrons no orbital s seguinte. Os metais alcalino-terrosos se assemelham aos metais alcalinos em muitas de suas propriedades. Não obstante, existem muitas diferenças entre os dois grupos devido ao distinto número de elétrons de valência de cada um. Os átomos dos elementos do Grupo 2 são menores que os átomos do metais alcalinos vizinhos em virtude do incremento da carga nuclear. Em conseqüência disso, os elementos do Grupo 2 são mais densos, possuem potenciais de ionização maiores, apresentam pontos de fusão e de ebulição mais elevados e são mais duros. Os dois elétrons de valência dos átomos dos elementos do Grupo 2 são facilmente perdidos por ação de agentes oxidantes. O processo desenvolve-se de acordo com a equação química geral: 𝑀 → 𝑀2+ + 2 𝑒− A atividade redutora aumenta à medida que cresce o número atômico. Como conseqüência, o estrôncio e o bário devem ser conservados em querozene, ou, como o rádio, em tubos de vidro soldados, enquanto que os outros metais deste grupo (Be, Mg e Ca), por serem redutores mais fracos, podem ser guardados simplesmente em frascos fechados. 3.2. Propriedades dos Metais Alcalino-Terrosos As propriedades metálicas dos metais alcalino-terrosos como, por exemplo, as condutividades térmica e elétrica, são menos acentuadas que as dos respectivos metais alcalinos vizinhos. Este fato deve-se a uma maior interação entre os elétrons de valência e o núcleo atômico dos átomos dos elementos do Grupo 2. Logo, a mobilidade eletrônica é menor. O berílio e o magnésio possuem retículo cristalino do tipo hexagonal compacto; o cálcio e o estrôncio, cúbico de face centrada; e o bário, cúbico de corpo centrado. A capacidade redutora é menos pronunciada em comparação à dos elementos do Grupo 1. Isto se deve ao fato de os metais alcalino-terrosos apresentarem maior carga nuclear e conseqüentemente menor raio que os metais alcalinos. Na série eletroquímica, todos estes metais estão acima do hidrogênio. 3.3. Compostos e Espectros Os metais alcalino-terrosos, quando aquecidos ao ar ou em atmosfera de oxigênio, queimam com chama brilhante formando os seus respectivos óxidos: 𝑀(𝑠) + 1 2 𝑂2(𝑔) → 𝑀𝑂(𝑠) Na prática, os óxidos destes metais são obtidos por decomposição térmica do carbonatos (Mg e Ca) ou nitratos (Sr e Ba) de acordo com as seguintes reações: 𝐶𝑎𝐶𝑂3(𝑠) ∆ →𝐶𝑎𝑂(𝑠) + 𝐶𝑂2(𝑔) 2𝐵𝑎(𝑁𝑂3)2(𝑠) ∆ → 2𝐵𝑎𝑂(𝑠) + 4𝑁𝑂2(𝑔) + 𝑂2(𝑔) Os metais alcalino-terrosos são facilmente oxidados em soluções ácidas, por exemplo: 𝑀(𝑠) + 2𝐻+(𝑎𝑞) → 𝑀2+(𝑎𝑞) + 𝐻2(𝑔) Com a água, o cálcio, o estrôncio e o bário reagem a frio, enquanto que o berílio e o magnésio reagem a quente. Como produtos das reações, formam-se os respectivos hidróxidos, segundo a equação: 𝑀(𝑠) + 2𝐻2𝑂(𝑙) → 𝑀(𝑂𝐻)2(𝑎𝑞) + 𝐻2(𝑔) (Devido à sua natureza anfótera, o berílio dissolve-se também em soluções alcalinas, formando o íon hidroxiberilato: [Be(OH)4]2-). Os hidróxidos dos metais alcalino-terrosos também são obtidos pela reação de seus óxidos com água; os hidróxidos de berílio e magnésio são obtidos por reação dos sais com os álcalis, uma vez que os óxidos e hidróxidos são pouco solúveis em água. Em laboratório emprega-se com freqüência a solução de hidróxido de cálcio (água de cal) ou a suspensão de hidróxido de cálcio sólido em solução saturada (leite de cal) assim como a solução de hidróxido de bário (água de barita). Entre os sais insolúveis distinguem-se os carbonatos e ortofosfatos. A solubilidade dos sulfatos diminui do berílio ao rádio: os sulfatos de berílio e magnésio são muito solúveis; o CaSO4 é parcialmente solúvel, e os sulfatos de estrôncio, de bário e de rádio são praticamente insolúveis. Os carbonatos dissolvem-se pela ação do CO2 em solução aquosa, formando bicarbonatos de acordo com a seguinte reação: 𝐶𝑎𝐶𝑂3(𝑠) + 𝐶𝑂2(𝑔) + 𝐻2𝑂(𝑙) → 𝐶𝑎(𝐻𝐶𝑂3)2(𝑎𝑞) A água natural que contém alto teor de sais de cálcio e magnésio dissolvidos denomina-se água dura. A dureza da água, segundo normas russas, é expressa em miliequivalentes-grama (meq-g) de íons Ca2+ e Mg2+ por litro de água. A água cuja dureza é inferior a 4 meq-g/litro denomina-se mole; de 4 a 8, média; de 8 a 12, dura; e superior a 12, muito dura. A presença, na água, de Ca(HCO3)2 e Mg(HCO3)2 dá origem à dureza temporária (ou removível). Estes compostos podem ser removidos com a fervura da água dura (segundo a reação abaixo) seguida da filtração para se remover o precipitadode carbonato de cálcio. 𝐶𝑎(𝐻𝐶𝑂3)2(𝑎𝑞) ∆ →𝐶𝑎𝐶𝑂3(𝑠) + 𝐶𝑂2(𝑔) + 𝐻2𝑂(𝑙) Os cloretos e sulfatos de cálcio e de magnésio causam a dureza permanente e podem se removidos quimicamente através de uma reação de dupla troca com um carbonato solúvel (por exemplo, Na2CO3) formando um precipitado de carbonato de cálcio e carbonato de magnésio, ambos insolúveis. Com ralação aos espectros, observa-se que sais voláteis de cálcio, estrôncio e bário dão à chama não luminosa do bico de Bünsen uma colração vermelho-tijolo, carmim e amarelo- esverdeado, respectivamente. 3 – OBJETIVO(S) ✓ Estudar as propriedades e formação de compostos de elementos do Grupo 2 ✓ Observar a formação de óxidos e hidróxidos de elementos do Grupo 2 através de diferentes reações ✓ Utilizar as propriedades físico-químicas dos óxidos hidróxidos e sais de metais do Grupo 2 para sua identificação 4 – MATERIAIS E REAGENTES Materiais Bico de Bunsen Tubo de ensaio Pinça de madeira Papel de filtro Cadinho Placa de aquecimento Pinça metálica para cadinho Placa de amianto Tubo de ensaio Funil de separação Kitasato Becker (100 ml) Rolha Furada (para funil) Proveta 25 mL Papel de filtro Mangueira + pipeta pasteur Erlenmeyer (250 mL) Funil Bastão de vidro Proveta 50 mL Papel de filtro Suporte universal Garra Reagentes Fita de Mg Fenolftaleína Mármore (CaCO3) Ca(OH)2 (aq) HCl (6N) CaCO3 (s) Sabão CaCl2 (s) Na2CO3 (0,2M) 5 – PROCEDIMENTOS a) Formação de Óxido e de Hidróxido de Magnésio - Aqueça, com o auxílio de uma pinça metálica, um pedaço pequeno de magnésio metálico em fita (Importante: a luz emitida na combustão do magnésio é rica em radiação fotoquimicamente ativa. Por isso, não fixe o olhar na luz que se desprende). O que se forma nesta reação? - Coloque o resíduo da reação em um tubo de ensaio contendo 3 mL de água destilada. Agite e goteje o indicador fenolftaleína. - Explique as suas observações e escreva as reações envolvidas. b) Formação de Óxido e de Hidróxido de Cálcio - Aqueça em um cadinho uma porção de mármore (contém CaCO3) em pó. - Após 5 minutos de aquecimento direto deixe o cadinho esfriar e teste a formação de óxido de cálcio – cal virgem – pela adição de água ao cadinho e posterior gotejamento de indicador fenolftaleína. - Anote as observações feitas e escreva as equações das reações envolvidas. c) Geração de CO2 e Formação de CaHCO3 - O dióxido de carbono (CO2) pode ser preparado pela reação de um ácido forte com um carbonato. O carbonato de cálcio, que ocorre abundantemente na natureza, é comumente usado. - Prepare um tubo de ensaio com 4 mL de água de cal, Ca(OH)2(aq). - Use a aprelhagem (gerador de CO2) segundo o esquema a seguir: - Coloque 25 g de mármore e 10 mL de água no Kitasato (1). Adicione 25 mL de HCl 6N no funil de separação (2). Abra a torneira até conseguir o fluxo desejado de CO2 (você deverá observar as bolhas de CO2 sobre o mármore). - Borbulhe o CO2 formado no tubo de ensaio preparado previamente. Forma-se um precipitado que se dissolve em excesso de CO2. - Escreva as equações das reações envolvidas. d) Dureza da Água d-1) - Dureza temporária. Coloque 1 g de carbonato de cálcio em um erlenmeyer contendo 100 mL de água destilada. Soprando com um canudo, borbulhe CO2 no erlenmeyer durante 5 minutos. Filtre. - Escreva a equação química da reação que ocorre. - Retire 40 mL do filtrado para um erlenmeyer (I) e 40 mL para outro erlenmeyer (II) (Numere os erlenmeyers). - Aqueça o conteúdo do erlenmeyer I até a fervura e filtre. Escreva o que se observa e a reação que ocorre. - Coloque um pequeno pedaço de sabão no filtrado do erlenmeyer I e no erlenmeyer II e agite vigorosamente. Explique o que se observa e escreva a reação química que o corre entre bicarbonato de cálcio e sabão (pesquise!). d-2) - Dureza permanente. Coloque 1 g de cloreto de cálcio em 100 mL de água destilada. Agite até a completa dissolução. - Retire 20 mL desta solução para um erlenmeyer (I) e 20 mL para outro (II). Acrescente 10 mL de carbonato de sódio 0,2M ao erlenmeyer I sob agitação. - O que se observa? Equacione a reação química que ocorre. - Filtre o conteúdo do erlenmeyer I. - Coloque um pequeno pedaço de sabão no filtrado do erlenmeyer I e no erlenmeyer II e agite vigorosamente. Explique o que se observa e escreva a reação química que o corre entre cloreto de cálcio e sabão (pesquise!). 7 – DISCUSSÃO/QUESTIONÁRIO (opcional) 1) Represente as reações químicas ocorridas nos experimentos. 2) De que maneira se pode separar o precipitado de carbonato de cálcio (CaCO3) do bicarbonato (Ca(HCO3)2) formado na solução do experimento c? 3) Quais os equilíbrios que ocorrem ao se dissolver CO2 em água? Equacione 7 – GERENCIAMENTO DE RESÍDUOS QUADRO DE RESÍDUOS DO EXPERIMENTO Experimento: Data: Prof.(ª) responsável: Identificação dos Resíduos Espécies presentes: Estado físico: Quantidade (m ou V): ( ) Orgânico ( ) Inorgânico Tratamento dos Resíduos da aula É tratável? ( ) SIM ( ) NÃO Se SIM, como? É reutilizável? ( ) SIM ( ) NÃO Se SIM, como? Condições para acondicionamento (recipiente e local) Classificação para disposição final ( ) Matéria-prima p/ reciclagem ( ) Solvente orgânico passível de purificação ( ) Sólido ( ) Elemento(s)- traço: ( ) Solvente orgânico halogenado ( ) Solvente orgânico não halogenado 8 – REFERÊNCIAS • COTTON, F. A. E WILKINSON, G., Advanced Inorganic Chemistry, Ed. 6ª, Interscience, 2006. • SHRIVER, D. F., ATKINS P. W., Química Inorgânica, Porto Alegre: Editora Bookman, 4º Ed., 2008. • HOUSECROFT, C.E., SHARPE, A.G., Inorganic Chemistry, Prentice Hall, 4 Ed. 2012. • MIESSLER, G. L., FISCHER, P. J., TARR, D. A., Química Inorgânica. 5ª Edição. Pearson, 2014. • JONES, C.J. A Química dos Elementos dos Blocos D E F. Porto Alegre, Artmed, 2002. • BROWN, T.L., LEMAY, H.E., BURSTEN, B.E., BURDGE, J.R. Química: A Ciência Central, 9ª Ed., Pearson Prentice Hall, São Paulo, 2005. •Artigos de Revistas Científicas: Inorg. Chem. Acta; J. Chem. Ed.; Inorg.Chem.; Química Nova, etc. UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS – CAMPUS A.C. SIMÕES INSTITUTO DE QUÍMICA E BIOTECNOLOGIA Av. Lourival de Melo Mota, s/n, Maceió – AL, 57072-970, Brasil Área: Quìmica Inorgânica Cursos: Química Licenciatura Química Bacharelado Química Tecnológica e Industrial Número: 4 Disciplinas (códigos): QUIB022 - QUIMICA INORGÂNICA EXPERIMENTAL QUIL102 - SABERES E PRÁTICAS EM QUÍMICA INORGÂNICA QUIT028 - LABORATÓRIO DE QUÍMICA INORGÂNICA 1 – ASSUNTO Química descritiva dos grupos do bloco p da Tabela Periódica 2 – TÍTULO DO EXPERIMENTO Grupo 13: Boro, Alumínio, Gálio, Índio e Tálio 2 – INTRODUÇÃO O grupo 13 é composto pelos seguintes elementos: boro (B), alumínio (Al), gálio (Ga), índio (In) e tálio (Tl). Estes elementos apresentam configuração eletrônica externa ns2np1 e podem assumir o estado trivalente. Para atingir a trivalência, é necessário que um elétrons s seja promovido para um orbital p vazio e subseqüente formação de orbitais híbridos sp2. Átomos mais pesados do grupo, em especial o tálio, podem assumir estado de oxidação I e III. Reações e Compostos dos Elementos do Grupo 13 O boro, pelo seu pequeno volume e elevada densidade de carga, apresenta forte caráter covalente. A maioria das ligações que realiza são do tipo covalente e, por este motivo, o boro é considerado um semi-metal. Os demais elementos do grupo apresentam propriedades metálicas acentuadas. Os dois primeiros elementos do grupo 13, boro e alumínio, queimam em oxigênio produzindo os óxidos B2O3 e Al2O3. O caráter ácido-base dos hidróxidos dos elementos do grupo 13 varia de acordo com o caráter iônico/covalente de cada hidróxido: hidróxidos iônicos comportam-se como bases e hidróxidos covalentes comportam-secomo ácidos. Hidróxido H3BO3 Al(OH)3 Ga(OH)3 In(OH)3 Tl(OH)3 Caráter Ácido Anfótero Anfótero Básico Básico O anidrido bórico (óxido de boro) forma uma série de ácidos bóricos: o ortobórico (H3BO3), comumente chamado de ácido bórico), o metabórico (HBO2) e os polibóricos de fórmula geral (B2O3)∙(H2O)y. Todos os ácidos bóricos são eletrólitos fracos, sendo o ortobórico o mais estável em solução aquosa; todos os demais ácidos bóricos combinam-se com a água formando o ácido ortobórico: O sal mais estável do boro é o tretraborato de sódio (bórax), de fórmula Na2B4O7, encontrado na forma decahidratada: Tetraborato de sódio decahidratado O bórax fundido dissolve óxidos metálicos formando metaboratos os quais são sais que apresentam, em geral, grande estabilidade térmica. Por exemplo, o óxido de cobalto(II) reage com bórax formando o metaborato de sódio e o metaborato de cobalto: Muitos metaboratos são coloridos. Esta propriedade é usada na obtenção de vidros coloridos, ou as chamadas “pérolas de bórax”, que são aplicadas em química analítica qualitativa. Uma vez que o bórax é um sal de ácido fraco, ele sofre hidrólise: Por este motivo, o bórax é empregado como álcali para titular ácidos. A semi-reação Al → Al3+ + 3e− apresenta um potencial padrão de 1,67 V. O alumínio se oxida na presença dos íons H+ da água, mas a reação cessa rapidamente devido à formação de uma fina camada de óxido sobre o metal, impedindo a continuidade da reação. A reação entre alumínio e ácido é a seguinte: e a sua reação com água é: Uma vez que o alumínio apresenta anfoterismo, reage também com soluções alcalinas formando o ânion aluminato e desprendendo hidrogênio: Em soluções alcalinas o hidróxido de alumínio converte-se em hidroxialuminato, um íon complexo de fórmula [Al(OH)4]- Por exemplo, a adição de NaOH sobre um precipitado de Al(OH)3 causa a dissolução do hidróxido de alumínio na forma de hidroxialuminato de sódio, Na[Al(OH)4]: Entre os sais solúveis de alumínio, encontram aplicação o sulfato, o cloreto, o nitrato e o sulfato duplo de alumínio e potássio (alúmem de potássio, KAl(SO4)2∙12H2O). Já que o Al3+ provém de base fraca, esses sais hidrolizam-se em soluções aquosas (hidrólise de cátion) produzindo H+: Alguns dos sais de alumínio hidrolisam-se completamente (hidrólise de cátion e de ânion) em soluções aquosas. Por exemplo, o sulfeto de alumínio: Portanto, esses sais não podem ser obtidos em soluções aquosas. 3 – OBJETIVO(S) ✓ Observar a reatividade dos compostos formados por elementos desse grupo ✓ Verificar as propriedades anfóteras do alumínio ✓ Observar as reações de hídrolise do tetraborato de sódio e de sais de alumínio ✓ Avaliar as reações do alumínio em meio ácido e básico 4 – MATERIAIS E REAGENTES Materiais Béquer Bastão de vidro Papel tornassol Papel Alumínio Tubos de ensaio Papel de filtro Espátula Reagentes Bórax anidro (tetraborato de sódio) Solução 1 N de Nitrato de mercúrio (Hg(NO3)2) Solução 6N de HCl Solução 6N de NaOH 5 – PROCEDIMENTOS a) Hidrólise do Tetraborato de Sódio Coloque em um béquer 2 g de bórax anidro (tetraborato de sódio) e 20 mL de água destilada. Com um bastão de vidro, agite a solução até a completa dissolução do bórax (se necessário, aqueça o béquer suavemente). Teste o caráter ácido-base da solução com papel tornassol e explique o resultado obtido através de reações químicas. b) Reatividade do Alumínio à Água e ao Ar b-1) Remova a camada oxidada de um fio ou um pedaço de alumínio com o auxílio de uma lixa. Dobre o alumínio e introduza o pedaço em um béquer com água. Ocorre desprendimento de hidrogênio? b-2) Mergulhe, durante dois minutos, o pedaço de alumínio usado anteriormente e novamente lixado em uma solução 1N 3 4 Al(OH) (s) + NaOH( aq) → Na Al(OH) (aq) . de Hg(NO3)2 (nitrato de mercúrio). Em seguida, limpe o alumínio com um pedaço de papel de filtro e introduza-o novamente no béquer com água. Observe o desprendimento de hidrogênio e, em seguida, exponha o alumínio ao ar. Verifique a oxidação da superfície do metal. Escreva os equações das reações envolvidas e explique qual é a finalidade de se mergulhar o alumínio na solução de nitrato de mercúrio. c) Reação do Alumínio com Ácidos e com Bases c-1) Em dois tubos de ensaio coloque 2 mL de solução 6N de HCl. Em seguida e ao mesmo tempo adicione a um dos tubos um pedaço de alumínio previamente lixado (bem lixado!) e ao outro tubo um pedaço de alumínio com a superfície apassivada (não lixe!). O que você observa? c-2) Ponha um pedaço de alumínio previamente lixado em um béquer contendo solução de NaOH 6N. Verifique o que ocorre e escreva a equação da reação. d) Caráter Anfótero do Hidróxido de Alumínio Em dois tubos de ensaio distintos, obtenha o hidróxido de alumínio através da reação entre 1 mL das soluções 1N de AlCl3 (cloreto de alumínio) e 1N de NH4OH (hidróxido de amônio). - A um dos tubos adicione, aos poucos, solução de HCl e, ao outro, solução de NaOH. - O precipitado reage com o ácido? E com a base? Escreva as equações das reações envolvidas. e) Hidrólise de Sais de Alumínio Coloque sobre uma placa de amianto 0,5 g de alumínio metálico em pó misturados com 1 g de enxofre. Forme um montinho com a mistura e introduza na mesma uma fita de magnésio. Em seguida, leve o conjunto para a capela. Na capela, acenda a fita de magnésio com um fósforo. Após a reação deixe e esfriar o produto e, em seguida, transfira-o para um béquer pequeno ao qual são adicionados 3 mL de água deionizada. Sinta o odor do gás que se desprende do béquer. O odor é carcterístico de qual composto? Escreva a equação da reação de formação do sulfeto de alumínio e de sua hidrólise. 6 – DISCUSSÃO/QUESTIONÁRIO (opcional) 4) Represente as reações químicas ocorridas nos experimentos a, b, c, d e e. 5) O que é uma substância anfótera? 6) Qual o princípio fundamental de uma reação de hidrólise? 7 – GERENCIAMENTO DE RESÍDUOS QUADRO DE RESÍDUOS DO EXPERIMENTO Experimento: Data: Prof.(ª) responsável: Identificação dos Resíduos Espécies presentes: Estado físico: Quantidade (m ou V): ( ) Orgânico ( ) Inorgânico Tratamento dos Resíduos da aula É tratável? ( ) SIM ( ) NÃO Se SIM, como? É reutilizável? ( ) SIM ( ) NÃO Se SIM, como? Condições para acondicionamento (recipiente e local) Classificação para disposição final ( ) Matéria-prima p/ reciclagem ( ) Solvente orgânico passível de purificação ( ) Sólido ( ) Elemento(s)- traço: ( ) Solvente orgânico halogenado ( ) Solvente orgânico não halogenado 8 – REFERÊNCIAS • COTTON, F. A. E WILKINSON, G., Advanced Inorganic Chemistry, Ed. 6ª, Interscience, 2006. • SHRIVER, D. F., ATKINS P. W., Química Inorgânica, Porto Alegre: Editora Bookman, 4º Ed., 2008. • HOUSECROFT, C.E., SHARPE, A.G., Inorganic Chemistry, Prentice Hall, 4 Ed. 2012. • MIESSLER, G. L., FISCHER, P. J., TARR, D. A., Química Inorgânica. 5ª Edição. Pearson, 2014. • JONES, C.J. A Química dos Elementos dos Blocos D E F. Porto Alegre, Artmed, 2002. • BROWN, T.L., LEMAY, H.E., BURSTEN, B.E., BURDGE, J.R. Química: A Ciência Central, 9ª Ed., Pearson Prentice Hall, São Paulo, 2005. •Artigos de Revistas Científicas: Inorg. Chem. Acta; J. Chem. Ed.; Inorg.Chem.; Química Nova, etc. UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS – CAMPUS A.C. SIMÕES INSTITUTO DE QUÍMICA E BIOTECNOLOGIA Av. Lourival de Melo Mota, s/n, Maceió – AL, 57072-970, Brasil Área: Química Inorgânica Cursos: Química Licenciatura Química Bacharelado Química Tecnológica e Industrial Número: 5 Disciplinas (códigos): QUIB022 - QUIMICA INORGÂNICA EXPERIMENTAL QUIL102 - SABERES E PRÁTICAS EMQUÍMICA INORGÂNICA QUIT028 - LABORATÓRIO DE QUÍMICA INORGÂNICA 1 – ASSUNTO Química descritiva dos grupos do bloco p da Tabela Periódica 2 – TÍTULO DO EXPERIMENTO Grupo 14: Carbono, Silício, Germânio, Estanho e Chumbo 2 – INTRODUÇÃO Pertencem ao grupo periódico 14 o carbono (C), o silício (Si), o germânio (Ge), o estanho (Sn) e o chumbo (Pb). O carbono e o silício são elementos tipicamente não-metálicos; o membro seguinte da família, o germânio, apresenta comportamento mais metálico do que não-metálico; finalmente o estanho e o chumbo são tipicamente metálicos em suas propriedades físicas. Os átomos dos elementos do grupo 14 têm quatro elétrons em sua camada de valência. Apresentam propriedades redutoras nas reações com oxidantes e propriedades oxidantes nas reações com agentes redutores. À temperatura normal, o oxigênio não reage com carbono ou com o silício. Porém, à temperaturas elevadas, ocorre uma oxidação relativamente energética dos elementos, com formação de óxidos de fórmula EO2 e EO (E = C ou Si). Submetido ao aquecimento com ácido nítrico ou com ácido sulfúrico concentrado, o carbono se oxida formando dióxido de carbono (CO2, gás carbônico). Os ácidos, exceto o fluorídrico (HF), não têm qualquer efeito sobre o silício. Em presença de bases o silício desloca o hidrogênio da água formando silicato: Os compostos de carbono com metais denominam-se carbetos (por exemplo, o carbeto de cálcio, CaC2) e os de silício, silicetos (por exemplo, o siliceto de magnésio, Mg2Si). Alguns destes compostos são obtidos por síntese direta: Os carbetos e silicetos dos metais alcalinos, alcalino-terrosos e de alumínio são decompostos facilmente pela água (hidrólise) e pelos ácidos, formando compostos hidrogenados gasosos: Os compostos hidrogenados mais simples, nos quais o número de átomos de hidrogênio corresponde à valência máxima dos elementos do grupo 14, têm a fórmula geral EH4. Estes compostos têm seus átomos unidos por fortes ligações covalentes e se apresentam na forma gasosa. São compostos apolares e não apresentam propriedade redutora. A combustão do metano se processa segundo a equação química: Os compostos hidrogenados de silício – os silanos SiH4, Si2H6 e outros – são auto- inflamáveis ao ar. O dióxido de carbono (CO2) é obtido por combustão do carbono ou de matéria orgânica, ou pela decomposição de carbonatos por aquecimento ou pelo ataque de ácidos. Em condições normais, 1,7 volumes de CO2 se dissolvem em 1 volume de água. O ácido carbônico (H2CO3) que se forma é um ácido fraco e solução resultante é um sistema em equlíbrio: Ao aquecimento da solução, o equilíbrio se desloca no sentido do desprendimento do CO2. Entre os ácidos silícicos convém destacar os seguintes: o metasilícico (H2SiO3) e o ortosilícico (H4SiO4), os quais são obtidos, em forma gelatinosa, nas reações de dupla-troca dos sais de ácido silícicos com ácidos minerais. O ácido carbônico forma duas séries de sais: os carbonatos (contendo o ânion CO32-) e os hidrogenocarbonatos (contendo o ânion HCO3-, mais conhecidos como bicarbonatos). Os carbonatos dos metais alcalinos (exceto do lítio) e de amônio são solúveis em água. Os sais dos ácidos silícicos são denominados silicatos e somente os silicatos de metais alcalinos e de amônio são solúveis em água. Os sais solúveis do ácido carbônico e dos ácidos silícicos – todos ácidos fracos – se hidrolisam conferindo pH alcalino às suas soluções. Exemplos: NaHCO3(aq), K2CO3(aq) e Na2SiO3(aq). Os elementos germânio, estanho e chumbo apresentam caráter químico análogo ao carbono e ao silício e número de oxidação +2 e +4 em seus compostos. A existência de números de oxidação que difere em duas unidades é devido ao efeito do par inerte. À temperatura ambiente, a água praticamente não ataca o estanho e o chumbo devido à formação, na superfície dos metais, de uma camada protetora de óxido que impede o desenvolvimento da reação. Este fenômeno é chamado de apassivação do metal e a camada protetora é chamada de camada de passivação. O ácido clorídrico age sobre o estanho e o chumbo convertendo-os em íons com carga +2: A reação com chumbo somente tem continuidade com aquecimento devido ao fato de que o cloreto de chumbo formado ser pouco solúvel em água fria. Os hidróxidos Sn(OH)2 e Pb(OH)2 são obtidos pala reação de dupla-troca entre um sal e uma base. São pouco solúveis em água, porém dissolvem-se em ácidos: o Pb(OH)2 reage com HNO3, H2SO4 e HCl formando, respectivamente, Pb(NO3)2, solúvel, PbSO4 e PbCl2, ambos insolúveis. Em meio básico, são formados estanatos ([Sn(OH)]2-) e plumbatos ([Pb(OH)]2-), solúveis. Os hidróxidos de germânio, estanho e chumbo, quando tetravalentes, apresentam também propriedades anfóteras. Dois ácidos se formam quando o óxido de estanho(IV) reage com a água: o ácido metaestânico (H2SnO3) e o ácido ortoestânico (H4SnO4); reações análogas ocorrem com o óxido de chumbo (IV). O carvão ativado é um material que possui a capacidade de adsorver seletivamente gases, líquidos ou impurezas no interior dos seus poros, e dessa forma exibe poder de clarificação, desodorização e purificação. É utilizado amplamente em diversos setores das indústrias química, alimentícia e farmacêutica, da medicina e em sistemas de filtragem, bem como no tratamento de efluentes e gases tóxicos. Essa propriedade se dar dentre outros fatores a alta área superficial. Fonte: https://tratamentodeagua.com.br/artigo/ultrassom-residuo-biossorvente-paracetamol/ 3 – OBJETIVO(S) ✓ Verificar a Capacidade de Adsorção do Carvão Ativado. ✓ Avaliar as Propriedades Redutoras do Carbono ✓ Obter Silício Metálico ✓ Realizar Reações De Hidrólise Do Silicato e do Carbonato de Sódio ✓ Veriicar Algumas Reações Com os Hidróxidos de Estanho e de Chumbo 4 – MATERIAIS E REAGENTES Materiais Tubo de Ensaio Almofariz e pistilo Suporte Universal Pinças Bico de Bunsen Papel filtro Funil de vidro para filtração Espátula Proveta Papel indicador de pH Papel tornassol Reagentes Carvão Ativo Azul de Metileno Óxido de Cobre Fita de magnésio Carbonato de sódio Silicato de sódio cloreto de Estanho Nitrato de Chumbo Hidróxido de Amônio Ácido Nítrico Ácido Sulfúrico Ácído Clorídrico https://tratamentodeagua.com.br/artigo/ultrassom-residuo-biossorvente-paracetamol/ Hidrxido de Sódio 5 – PROCEDIMENTOS a) Adsorção do Carvão Ativado - Em dois tubos de ensaio, adicionar 10 mL de uma solução do corante azul de metileno na concentração 10 mol/L. - A seguir, em um dos tubos de ensaio, adicionar uma pequena quantidade de carvão ativado (uma espátula) e agitar manualmente até todo carvão entrar em contato com a solução homogeneamente. - Aguardar dez minutos e posteriormente filtrar a solução. - Observar alguma alteração na solução filtrada e comparar com o tubo de ensaio que não teve contato com o carvão ativado. O que você observou após adição do carvão ativado à solução de azul de metileno? b) Propriedades Redutoras do Carbono - Em um almofariz adicionar uma espátula de carvão ativado e duas espátulas de oxido de cobre. - Com auxílio do pistilo homogenizar os pós - Transferir o pó para um tubo de ensaio e submeter ao aquecimento com o auxílio de um bico de bunsen e suporte universal como no esquema abaixo até observar a formação do cobre metálico. O que você observou no pó submetido ao aquecimneto que caracteriza a formação do cobre metálico? - Esperar esfriar e verter sobre papel filtro ou papel toalha e fazer observações do pó formado. Esquema de aquecimento da mistura carvão ativado e óxido de cobre c) Obtenção de silicio metálico - Pesar 0,75 g de silíca - Adicionar a um almofariz a sílica e magnésio (uma espátula) e com auxílio do pistilo homogenizar as substâncias - Transferir o pó para um tubo de ensaio e submeter ao aquecimento com o auxílio de um bico de bunsen e suporte universal como no esquemamencionado no item b até observar a formação do silício metálico. que você observou no pó submetido ao aquecimneto que caracteriza a formação do silício metálico? d) Hidrólise do Silicato e do Carbonato de Sódio - Teste as soluções de carbonato de sódio e de silicato de sódio com papel tornassol. Qual dos dois sais se hidrolisa mais facilmente? Comprove sua resposta utilizando papel indicador de pH. - Escreva as equações das equações envolvidas e justifique as suas observações com base no conceito ácido-base de Brönsted-Lowry. e) Anfoterismo dos Hidróxidos de Estanho e de Chumbo - Adicione gota a gota cerca de 3 mL de NH4OH 6M a 7 mL de soluções contendo os íons Sn2+ e Pb2+ (cloreto e nitrato, respectivamente), separadamente, a fim de obter os precipitados de hidróxido de estanho e de hidróxido de chumbo. - Divida cada uma das soluções (de hidróxido de estanho e de hidróxido de chumbo) em quatro tubos de ensaio. - Verifique o caráter anfótero destes hidróxidos utilizando as soluções 6M designadas na tabela abaixo. Equação Química da Reação Reagente Sn(OH)2 Pb(OH)2 HNO3 H2SO4 HCl NaOH - Por que o hidróxido de chumbo(II) “dissolve-se” em ácido nítrico e não de dissolve em ácido clorídrico e ácido sulfúrico? 6 – DISCUSSÃO/QUESTIONÁRIO (opcional) 1) Represente as reações químicas ocorridas nos experimentos b, c, d e e. 2) O que é adsorção? 3) Consulte, na literatura, as propriedades do carvão ativado e algumas de suas aplicações. 7 – GERENCIAMENTO DE RESÍDUOS QUADRO DE RESÍDUOS DO EXPERIMENTO Experimento: Data: Prof.(ª) responsável: Identificação dos Resíduos Espécies presentes: Estado físico: Quantidade (m ou V): ( ) Orgânico ( ) Inorgânico Tratamento dos Resíduos da aula É tratável? ( ) SIM ( ) NÃO Se SIM, como? É reutilizável? ( ) SIM ( ) NÃO Se SIM, como? Condições para acondicionamento (recipiente e local) Classificação para disposição final ( ) Matéria-prima p/ reciclagem ( ) Solvente orgânico passível de purificação ( ) Sólido ( ) Elemento(s)- traço: ( ) Solvente orgânico halogenado ( ) Solvente orgânico não halogenado 8 – REFERÊNCIAS • COTTON, F. A. E WILKINSON, G., Advanced Inorganic Chemistry, Ed. 6ª, Interscience, 2006. • SHRIVER, D. F., ATKINS P. W., Química Inorgânica, Porto Alegre: Editora Bookman, 4º Ed., 2008. • HOUSECROFT, C.E., SHARPE, A.G., Inorganic Chemistry, Prentice Hall, 4 Ed. 2012. • MIESSLER, G. L., FISCHER, P. J., TARR, D. A., Química Inorgânica. 5ª Edição. Pearson, 2014. • JONES, C.J. A Química dos Elementos dos Blocos D E F. Porto Alegre, Artmed, 2002. • BROWN, T.L., LEMAY, H.E., BURSTEN, B.E., BURDGE, J.R. Química: A Ciência Central, 9ª Ed., Pearson Prentice Hall, São Paulo, 2005. •Artigos de Revistas Científicas: Inorg. Chem. Acta; J. Chem. Ed.; Inorg.Chem.; Química Nova, etc. UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS – CAMPUS A.C. SIMÕES INSTITUTO DE QUÍMICA E BIOTECNOLOGIA Av. Lourival de Melo Mota, s/n, Maceió – AL, 57072-970, Brasil Área: Química Inorgânica Cursos: Química Licenciatura Química Bacharelado Química Tecnológica e Industrial Número: 6 Disciplinas (códigos): QUIB022 - QUIMICA INORGÂNICA EXPERIMENTAL QUIL102 - SABERES E PRÁTICAS EM QUÍMICA INORGÂNICA QUIT028 - LABORATÓRIO DE QUÍMICA INORGÂNICA 1 – ASSUNTO Química descritiva dos grupos do bloco p da Tabela Periódica 2 – TÍTULO DO EXPERIMENTO Grupo 15: Nitrogênio, Fósforo, Arsênio, Antimônio e Bismuto 2 – INTRODUÇÃO O grupo periódico 15 compreende o nitrogênio (N), o fósforo (P), o arsênio (As), o antimônio (Sb) e o bismuto (Bi). Os átomos desses elementos apresentam configuração eletrônica externa do tipo ns2np3. Entre os elementos do grupo 15 observa-se uma gradação regular, que vai de um verdadeiro não-metal, o nitrogênio até um metal quase típico, o bismuto. Assim, os elementos mais leves, nitrogênio e fósforo, são não metais típicos, formando óxidos ácidos. Os elementos intermediários, arsênio e antimônio, são semi-metais, formando óxidos anfóteros. Já o bismuto apresenta características metálicas, formando óxidos básicos. O nitrogênio, com configuração 1s22s22p3, é apenas trivalente em seus compostos, pois o orbital vazio, 3s, é demasiadamente energético para que ocorra a promoção de um dos elétrons da camada L. Os demais elementos do grupo, entretanto, podem assumir estado pentavalente pela promoção de um dos seus elétrons de valência para um orbital d de relativamente baixa energia. O gás nitrogênio (N2) é incolor, inodoro e insípido, mais leve que o ar e pouquíssimo solúvel em água. Suas moléculas são diatômicas e a presença de três pares eletrônicos de ligação entre os átomos de nitrogênio faz com que o nitrogênio seja, até certo ponto, inerte à temperatura ambiente. A atividade química do nitrogênio aumenta, entretanto, com a elevação da temperatura, a ponto de se combinar com muitos metais formando nitretos (por exemplo, o nitreto de magnésio, Mg3N2). O gás nitrogênio pode ser obtido em laboratório pelo aquecimento de uma solução contendo cátion amônio ( NH3) e ânion nitrito ( NO2-): 𝑁𝐻4 +(𝑎𝑞) + 𝑁𝑂2 −(𝑎𝑞) → 𝑁2(𝑔)+ 2𝐻2𝑂(𝑙) Os compostos hidrogenados mais simples da família do nitrogênio apresentam fórmula geral EH3 (por exemplo, a amônia, NH3) e possuem uma polaridade pequena, que diminui do NH3 até o BiH3. Eles são pouco solúveis em água com exceção da amônia: um volume de água dissolve 702 volumes do gás NH3 a 20°C. A amônia é obtida na indústria preferencialmente por síntese: 𝑁2(𝑔) + 3𝐻2(𝑔) ⇌ 2𝑁𝐻3(𝑔) ΔH = -22,1 kcal / mol No laboratório, a amônia é obtida por decomposição dos seus sais quando aquecidos junto com bases, como por exemplo: 𝑁𝐻4𝐶𝑙(𝑎𝑞) + 𝑁𝑎𝑂𝐻(𝑎𝑞) → 𝑁𝐻3(𝑔)+ 𝐻2𝑂(𝑙) + 𝑁𝑎𝐶𝑙(𝑎𝑞) Durante a dissolução do NH3 em água, ele reage como base de Brønsted segundo a equação: 𝑁𝐻3(𝑔)+ 𝐻2𝑂(𝑙) ⇌ 𝑁𝐻4 +(𝑎𝑞) + 𝑂𝐻−(𝑎𝑞) A solução aquosa de amônia comporta-se como uma solução de base fraca contendo, supostamente, NH4OH, que é conhecido por hidróxido de amônio. Quando neutralizada com ácidos, formam-se sais ditos de amônio. Estes sais são todos voláteis e, se submetidos ao aquecimento, sofrem decomposição térmica. Por exemplo: a) 𝑁𝐻4𝐶𝑙(𝑠) ⇌ 𝑁𝐻3(𝑔)+ 𝐻𝐶𝑙(𝑔) b) (𝑁𝐻4)2𝑆𝑂4(𝑠) → 𝑁𝐻3(𝑔) + 𝐻𝐶𝑙(𝑔) c) 𝑁𝐻4𝑁𝑂2(𝑎𝑞) → 𝑁2(𝑔) + 2𝐻2𝑂(𝑔) A formação da amônia como produto de uma reação de decomposição de um sal está intimamente relacionada às características não oxidantes do ânion associado ao cátion amônio no sal. O fósforo existe na forma de moléculas P4, nas quais cada átomo de fósforo se encontra unido aos demais por meio de ligações covalentes simples. O fósforo apresenta variedades alotrópicas quanto ao arranjo cristalino: o fósforo branco, ao contrário das outras formas alotrópicas (vermelho, violeta e negro), é bastante reativo e dissolve-se em sulfeto de carbono (CS2). A queima do fósforo branco ou vermelho em atmosfera rica em oxigênio gera como produto o composto P4O10, usualmente chamado de pentóxido de fósforo, pois sua fórmula mínima é P2O5. A maioria dos oxidantes transforma o fósforo elementar em pentavalente (NOX 5+). A sua oxidação a fósforo(III) observa-se com menor freqüência. A fosfina (fosfano ou fosfeto de hidrogênio, PH3) é obtida hidrolisando-se os fosfetos metálicos ou fazendo-se reagir, a quente, fósforo branco com soluções alcalinas: 𝐴𝑙𝑃(𝑠) + 3𝐻2𝑂(𝑙) ⇌ 𝑃𝐻3(𝑔)+ 𝐴𝑙(𝑂𝐻)3(𝑠) 𝑃(𝑠) + 3𝐻2𝑂(𝑙) + 3𝑂𝐻 −(𝑎𝑞) → 𝑃𝐻3(𝑔) + 3𝐻2𝑃𝑂2 −(𝑎𝑞) Na última reação, além de PH3, produz-se íon hipofosfito (H2PO2-). Em laboratório, preparam-se oxiácidos do fósforo pela reação entre P4O10 com quantidades variáveis de água: 𝑃4𝑂10 + 2𝐻2𝑂 → 4𝐻𝑃𝑂3 (ácido metafosfórico) 𝑃4𝑂10 + 4𝐻2𝑂 → 2𝐻3𝑃2𝑂7 (ácido pirofosfórico)𝑃4𝑂10 + 6𝐻2𝑂 → 4𝐻3𝑃𝑂4 (ácido ortofosfórico) O ácido ortofosfórico (ou simplesmente ácido fosfórico), H3PO4, sendo um triácido, forma três espécies de ânions: dihidrogenofosfato ( H2PO4-), hidrogenofosfato ( HPO42-) e fosfato ( PO43-). Ao serem aquecidos, o arsênio, o antimônio e o bismuto são facilmente oxidados pelo oxigênio formando óxidos do tipo E2O3. As tendências à hidrólise dos cloretos de arsênio, antimônio e bismuto decrescem à medida que se passa do As ao Bi: a hidrólise do AsCl3 é quase completa, enquanto que SbCl3 e BiCl3 se hidrolisam apenas parcialmente. 3 – OBJETIVO(S) ✓ Obtenção de N2 por decomposição de dicromato de amônio. ✓ Verificar a obtenção de amônia por diferentes reações ✓ Estudar a decomposição do NI3 4 – MATERIAIS E REAGENTES Reagentes (NH4)2Cr2O7 (s) Acetona NaOH (s) NH4Cl (s) HCl (6N) NH4OH (concentrado) Iodo (s) Materiais Capsula de porcelana Pipeta conta-gotas Fósforos Erlenmeyer Papel tornassol Tubo de ensaio Pinça de madeira Bastão de vidro Becker (50mL) Funil Papel de filtro Suporte universal Anel para funil 5 – PROCEDIMENTOS a) Obtenção de N2 em Laboratório: Decomposição Térmica de Dicromato de Amônio, (NH4)2Cr2O7 - Esta reação química é conhecida como “vulcão químico” e é bastante usada em demonstrações de química. - Coloque cerca de 1 g de dicromato de amônio em uma cápsula de porcelana, formando um pequeno monte. - Coloque 2 gotas de acetona no pico do monte e atear fogo com um fósforo. - Descreva a reação que ocorre e escreva a equação química da reação. b) Obtenção de Amônia - Dissolva 2 g de NaOH em 15 mL de água destilada em um erlenmeyer e acrescente cerca de 2 g de cloreto de amônio. - Aqueça o erlenmeyer, cuidando para que o conteúdo não entre em ebulição. - Verifique o pH do vapor na saída do erlenmeyer com ajuda de um pedaço de papel tornassol umedecido com água. - Qual a coloração adquirida pelo papel de pH? Equaciones as reações que acontecem no erlenmeyer e no papel de pH. c) Obtenção e Decomposição de Cloreto de Amônio 1- Molhe um bastão de vidro com HCl concentrado e aproxime-o da boca de um tubo de ensaio contendo hidróxido de amônio concentrado. - Explique o que acontece equacionando a reação. 2 - Coloque aproximadamente 1 g de cloreto de amônio em um tubo de ensaio seco e aqueça. Observe o que acontece. - Explique as suas observações equacionando as reações que ocorrem d) Obtenção e Decomposição de NI3 - Importante: Os trihaletos de nitrogênio (NX3) são compostos instáveis. O NBr3 e o NI3 são conhecidos apenas na forma de amoniatos instáveis. O NI3 amoniacal (NI3∙NH3) detona se não estiver em presença de excesso de amônia. - Misture 0,5 g de iodo finamente dividido com 5 mL de solução concentrada de hidróxido de amônio até obter um precipitado preto. - Filtre e lave o precipitado preto com água e deixe secar sobre o papel filtro. - Descreva o que ocorre após alguns minutos. - Equacione as reações químicas envolvidas nesta prática. 7 – DISCUSSÃO/QUESTIONÁRIO (opcional) 1) Represente as reações químicas ocorridas em todos os experimentos. 2) Consulte, na literatura, as principais rotas de obtenção de N2 e NH3 a nível industrial. 7 – GERENCIAMENTO DE RESÍDUOS QUADRO DE RESÍDUOS DO EXPERIMENTO Experimento: Data: Prof.(ª) responsável: Identificação dos Resíduos Espécies presentes: Estado físico: Quantidade (m ou V): ( ) Orgânico ( ) Inorgânico Tratamento dos Resíduos da aula É tratável? ( ) SIM ( ) NÃO Se SIM, como? É reutilizável? ( ) SIM ( ) NÃO Se SIM, como? Condições para acondicionamento (recipiente e local) Classificação para disposição final ( ) Matéria-prima p/ reciclagem ( ) Solvente orgânico passível de purificação ( ) Sólido ( ) Elemento(s)- traço: ( ) Solvente orgânico halogenado ( ) Solvente orgânico não halogenado 8 – REFERÊNCIAS • COTTON, F. A. E WILKINSON, G., Advanced Inorganic Chemistry, Ed. 6ª, Interscience, 2006. • SHRIVER, D. F., ATKINS P. W., Química Inorgânica, Porto Alegre: Editora Bookman, 4º Ed., 2008. • HOUSECROFT, C.E., SHARPE, A.G., Inorganic Chemistry, Prentice Hall, 4 Ed. 2012. • MIESSLER, G. L., FISCHER, P. J., TARR, D. A., Química Inorgânica. 5ª Edição. Pearson, 2014. • JONES, C.J. A Química dos Elementos dos Blocos D E F. Porto Alegre, Artmed, 2002. • BROWN, T.L., LEMAY, H.E., BURSTEN, B.E., BURDGE, J.R. Química: A Ciência Central, 9ª Ed., Pearson Prentice Hall, São Paulo, 2005. •Artigos de Revistas Científicas: Inorg. Chem. Acta; J. Chem. Ed.; Inorg.Chem.; Química Nova, etc. UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS – CAMPUS A.C. SIMÕES INSTITUTO DE QUÍMICA E BIOTECNOLOGIA Av. Lourival de Melo Mota, s/n, Maceió – AL, 57072-970, Brasil Área: Química Inorgânica Cursos: Química Licenciatura Química Bacharelado Química Tecnológica e Industrial Número: 7 Disciplinas (códigos): QUIB022 - QUIMICA INORGÂNICA EXPERIMENTAL QUIL102 - SABERES E PRÁTICAS EM QUÍMICA INORGÂNICA QUIT028 - LABORATÓRIO DE QUÍMICA INORGÂNICA 1 – ASSUNTO Química descritiva dos grupos do bloco p da Tabela Periódica 2 – TÍTULO DO EXPERIMENTO Grupo 16: Oxigênio, Enxofre, Selênio, Telúrio e Polônio 2 – INTRODUÇÃO O grupo periódico 16 compreende o oxigênio (O), o enxofre (S), o selênio (Se), o telúrio (Te) e o polônio. Os átomos destes elementos possuem configuração eletrônica externa ns2np4, o que explica a divalência dos elementos deste grupo. Os elementos do grupo 16 apresentam potenciais de ionização caracteristicamente elevados, não apresentando propriedades metálicas (com exceção dos elementos mais pesados do grupo, os quais possuem maiores raios atômicos e, consequentemente, maiores potenciais de ionização). O oxigênio difere dos outros elementos do grupo por se tratar de um gás à temperatura ambiente, constituído de moléculas diatômicas, O2. Os demais elementos do grupo são sólidos, com unidades estruturais maiores do que moléculas diatômicas. Todos os elementos do grupo 16 apresentam alotropia; por exemplo, o oxigênio pode existir como O2 ou como O3 (ozônio). Os outros elementos do grupo podem também existir em duas ou mais formas, diferindo no número de átomos na molécula ou na disposição das moléculas no sólido. a. Propriedades e Compostos do Oxigênio O oxigênio elementar apresenta-se na forma de moléculas diatômicas, sendo em condições normais um gás incolor, inodoro, pouco solúvel em água (a molécula de O2 é apolar) e paramagnético (é atraído por um campo magnético). Seu paramagnetismo não pode ser explicado nem pela VSEPR nem pela TLV, pois nenhuma destas teorias explica ou prevê a presença de elétrons desemparelhados na molécula. A teoria dos orbitais moleculares (TOM), por outro lado, oferece uma descrição completa do paramagnetismo do oxigênio, prevendo a existência de dois elétrons desemparelhados na molécula de O2. O oxigênio é capaz de combinar-se com a maior pare dos elementos produzindo calor e luz em reações comumente chamadas de combustões. Em atmosfera de oxigênio puro as combustões são mais violentas do que ao ar. Embora o mesmo calor esteja envolvido em ambos os processos, a combustão em atmosfera de O2 puro ocorre mais rapidamente, já que nenhuma energia é gasta para o aquecimento do nitrogênio como ocorre nas combustões ao ar. No laboratório prepara-se o O2 por decomposição térmica do perclorato de potássio. Em escala industrial, prepara-se o O2 por liquefação e destilação fracionada do ar. Em seus compostos o oxigênio pode apresentar três diferentes números de oxidação. Nos óxidos, compostos muito comuns contendo oxigênio, este elemento apresenta número de oxidação -2. Nos peróxidos, o número de oxidação é -1 e nos superóxidos é -1/2. Os peróxidos são caracterizados por uma ligação simples oxigênio-oxigênio que usualmente se rompe coma absorção de energia relativamente alta. O2- O22- O2- Os ânions óxido, peróxido e superóxido, respectivamente Os elementos mais pesados do grupo 1 (K, Rb e Cs) reagem com o oxigênio formando principalmente superóxidos (KO2, RbO2 e CsO2), sólidos iônicos. Sódio, estrôncio e bário formam peróxidos (sólidos iônicos) os quais regem com ácidos produzindo peróxido de hidrogênio, H2O2. Por exemplo: 𝐵𝑎𝑂2(𝑠) + 𝐻 +(𝑎𝑞) → 𝐵𝑎2+(𝑎𝑞) + 𝐻2𝑂2(𝑎𝑞) O peróxido de hidrogênio se decompõe espontaneamente segundo a equação química 2𝐻2𝑂2 → 2𝐻2𝑂 + 𝑂2 ΔH = - 46,9 kcal / mol Entretanto, o peróxido de hidrogênio e suas soluções aquosas, na ausência completa de catalisadores podem permanecer inalterados por longo tempo devido à velocidade virtualmente nula da reação de decomposição à temperatura ambiente. A decomposição do peróxido de hidrogênio é acelerada por enzimas presentes no sangue, chamadas catalases. Por outro lado, há certas substâncias que retardam a sua decomposição com, por exemplo, o ácido fosfórico e o ácido úrico. As soluções comerciais de peróxido de hidrogênio costumam conter substâncias estabilizadoras. A propriedade química mais característica do peróxido de hidrogênio é sua forte capacidade oxidante, como se observa na seguinte reação: 2𝐾𝐼 + 𝐻2𝑂2 → 𝐼2 + 2𝐾𝑂𝐻 Em menor escala, somente em reações com oxidantes muito fortes, o peróxido de hidrogênio pode manifestar propriedades redutoras, como na reação a seguir: 𝐶𝑙2 + 𝐻2𝑂2 → 2𝐻𝐶𝑙 + 𝑂2 Todos os elementos – com exceção do flúor e dos gases nobres – formam óxidos. Os óxidos metálicos geralmente apresentam forte caráter iônico, principalmente quando o metal se localiza mais à esquerda da tabela periódica (Ex: CaO, K2O). Estes óxidos são todos sólidos à temperatura ambiente e geralmente são óxidos básicos. Os óxidos não-metálicos são covalentes (P2O5, SO2, etc), sendo geralmente gasosos à temperatura ambiente e apresentando caráter ácido. Os óxidos covalentes são, desta forma, comumente chamados de anidridos de ácidos. Por exemplo, o CO2 é o anidrido (produto da desidratação) do ácido carbônico, H2CO3. Não é possível classificar rigidamente todos os óxidos como ácidos ou básicos. Alguns óxidos, especialmente aqueles formados pelos elementos mais ao centro da tabela periódica, reagem tanto com ácidos como com bases e, por isso, são chamados de óxidos anfóteros. Por exemplo, observe as seguintes reações envolvendo o óxido de zinco, anfótero: 𝑍𝑛𝑂(𝑠) + 2𝐻+(𝑎𝑞) → 𝑍𝑛2+(𝑎𝑞) + 𝐻2𝑂(𝑙) 𝑍𝑛𝑂(𝑠) + 2𝑂𝐻−(𝑎𝑞) + 𝐻2𝑂(𝑙) → [𝑍𝑛(𝑂𝐻)4] 2−(𝑎𝑞) b. Propriedades do Enxofre O enxofre apresenta-se comumente como um sólido amarelo com uma temperatura de fusão de 119°C e é notável pela variedade de formas alotrópicas. A variedade destas formas e o comportamento peculiar das fases líquida e gasosa devem- se principalmente à existência de moléculas de enxofre com diferentes graus de complexidade. O enxofre estável à temperatura ambiente é constituído de cristais ortorrômbicos e por isso é conhecido como enxofre rômbico (ou ortorrômbico) e é solúvel em solventes apolares como CS2 e CCl4. Nessa variedade, a molécula é cíclica: um anel S8 enrugado. Quando o enxofre rômbico é aquecido lentamente, os cristais tornam-se opacos em virtude de sua transformação em agregados de cristais monoclínicos, uma forma alotrópica chamada de enxofre monoclínico. O enxofre sofre outras variações interessantes quando é lentamente aquecido até o ponto de ebulição. A 119°C ele funde e transforma-se em um líquido amarelo e, continuando o aquecimento, passa por uma série de outras variedades alotrópicas, inclusive na forma vapor. Todas essas formas são instáveis e transformam-se, à temperatura ambiente, rapidamente em enxofre rômbico. Esta é a razão pela qual o enxofre ocorre na natureza somente na forma rômbica. 3 – OBJETIVO(S) ✓ Obtenção e estudo das propriedades do O2 ✓ Estudo das propriedades do peróxido de hidrogênio ✓ Obtenção e estudo das propriedades do enxofre elementar 4 – MATERIAIS E REAGENTES Reagentes KMnO4 (s) Fita de Mg Fenolftaleína Enxofre (s) H2SO4 (6M) H2O2 (3%) KI (1N) KMnO4 (1N) MnO2 (s) Na2S2O3 (1N) Materiais Tubo de ensaio Pinça de madeira Cadinho Papel de pH Conta-gotas Becker (50mL) Becker (250mL) Bastão de vidro Gelo (aprox. 250mL) Funil Suporte universal Papel de filtro Anel para funil Fósforos 5 – PROCEDIMENTOS a) Preparação de Oxigênio - Coloque uma espátula de KMnO4 em um tubo de ensaio seco. Segure o tubo com o auxílio de uma garra e aqueça na chama do bico de Bünsen. - Introduza um palito de fósforo em brasa na boca do tubo durante 1 minuto para verificar a produção de oxigênio. - Escreva a equação química da reação. b) Propriedades Oxidantes do Oxigênio: Formação de Óxidos, Hidróxidos e Ácidos 1. Segure um pequeno pedaço de fita de magnésio com o auxilio de uma pinça e aqueça na chama do bico de Bünsen até a combustão completa. (Não olhe diretamente para o magnésio em combustão). - Coloque o resíduo da combustão em um tubo de ensaio e adicione um pouco de água destilada (aproximadamente 3 mL) e duas gotas de fenolftaleína. - Escreva as equações das reações envolvidas. 2. Coloque uma pequena porção de enxofre em um cadinho de porcelana e aqueça ao rubro em um bico de Bünsen. Com o auxílio de uma pinça limpa, aproxime um pedaço de papel tornassol azul molhado dos vapores que se desprendem do enxofre sob aquecimento. O que você observa? - Escreva as equações das reações envolvidas. c) Propriedades Químicas do Peróxido de Hidrogênio - Em dois tubos de ensaio adicione 1 mL de água destilada, duas gotas de solução de H2SO4 6N e 4 gotas de H2O2 a 3%. Numere os tubos. 1. Propriedade oxidante do peróxido de hidrogênio. Adicione 1 mL de solução de KI 1N ao tubo 1. Observe o aparecimento de uma coloração castanha, característica do iodo em solventes oxigenados. - Escreva a equação da reação envolvida e explique a ação oxidante da H2O2. 2. Propriedade redutora do peróxido de hidrogênio. Adicione duas gotas de solução de KMnO4 1N ao tubo 2. Observe o descoramento da solução. - Escreva a equação da reação envolvida e explique a ação redutora da H2O2. d) Decomposição Catalítica do Peróxido de Hidrogênio - Coloque em um tubo de ensaio 1 mL de solução de H2O2 a 3% e, em seguida, adicione pequena quantidade de MnO2(s). - Observe o desprendimento de gás. Esta é uma reação de auto-oxirredução ou desproporcionamento. - Escreva as equações das reações envolvidas. e) Obtenção de Enxofre Elementar - Em um tubo de ensaio coloque 1 mL de solução 1N de tiossulfato de sódio (Na2S2O3), 2 mL de água deionizada e 1 mL de solução 6N de H2SO4. - Agite e aqueça levemente o tubo de enaio. - Observe a formação de enxofre livre e sinta o odor do gás que se desprende. - Escreva as equações das reações envolvidas e explique as suas observações. f) Solubilidade do Enxofre - O enxofre não é solúvel em água mas é bastante solúvel em etanol e, quando finamente dividido, forma com a água uma suspensão coloidal. - Coloque 0,1 g de enxofre em pó em um béquer. Adicione cerca de 15 mL de etanol e agite até que se forme uma solução. - Adicione, aos poucos, cerca de 8 mL de água destilada. - Observe e anote o que acontece. g) Comportamento do Enxofre Sob Aquecimento e Formação de Enxofre Plástico - Pode-se obter enxofre plástico provocando o resfriamento rápido do enxofre líquido por emersão em água gelada. - Coloque 3 g de enxofre em um tubo de ensaio e aqueça cuidadosamente até a formação de um líquido escuro e vapores amarelos. - Verta lentamente o enxofre líquido obtido para dentro de um béquer contendo cerca de 200 mL de água gelada. 6 – DISCUSSÃO/QUESTIONÁRIO (opcional) 1) Represente as reações químicas ocorridas em todos os experimentos. 2)Mencione um composto de enxofre usado no dia a dia. 7 – GERENCIAMENTO DE RESÍDUOS QUADRO DE RESÍDUOS DO EXPERIMENTO Experimento: Data: Prof.(ª) responsável: Identificação dos Resíduos Espécies presentes: Estado físico: Quantidade (m ou V): ( ) Orgânico ( ) Inorgânico Tratamento dos Resíduos da aula É tratável? ( ) SIM ( ) NÃO Se SIM, como? É reutilizável? ( ) SIM ( ) NÃO Se SIM, como? Condições para acondicionamento (recipiente e local) Classificação para disposição final ( ) Matéria-prima p/ reciclagem ( ) Solvente orgânico passível de purificação ( ) Sólido ( ) Elemento(s)- traço: ( ) Solvente orgânico halogenado ( ) Solvente orgânico não halogenado 8 – REFERÊNCIAS • COTTON, F. A. E WILKINSON, G., Advanced Inorganic Chemistry, Ed. 6ª, Interscience, 2006. • SHRIVER, D. F., ATKINS P. W., Química Inorgânica, Porto Alegre: Editora Bookman, 4º Ed., 2008. • HOUSECROFT, C.E., SHARPE, A.G., Inorganic Chemistry, Prentice Hall, 4 Ed. 2012. • MIESSLER, G. L., FISCHER, P. J., TARR, D. A., Química Inorgânica. 5ª Edição. Pearson, 2014. • JONES, C.J. A Química dos Elementos dos Blocos D E F. Porto Alegre, Artmed, 2002. • BROWN, T.L., LEMAY, H.E., BURSTEN, B.E., BURDGE, J.R. Química: A Ciência Central, 9ª Ed., Pearson Prentice Hall, São Paulo, 2005. •Artigos de Revistas Científicas: Inorg. Chem. Acta; J. Chem. Ed.; Inorg.Chem.; Química Nova, etc. UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS – CAMPUS A.C. SIMÕES INSTITUTO DE QUÍMICA E BIOTECNOLOGIA Av. Lourival de Melo Mota, s/n, Maceió – AL, 57072-970, Brasil Área: Química Inorgânica Cursos: Química Licenciatura Química Bacharelado Química Tecnológica e Industrial Número: 8 Disciplinas (códigos): QUIB022 - QUIMICA INORGÂNICA EXPERIMENTAL QUIL102 - SABERES E PRÁTICAS EM QUÍMICA INORGÂNICA QUIT028 - LABORATÓRIO DE QUÍMICA INORGÂNICA 1 – ASSUNTO Química descritiva dos grupos do bloco p da Tabela Periódica 2 – TÍTULO DO EXPERIMENTO Grupo 17: Flúor, Cloro, Bromo, Iodo e Astato 2 – INTRODUÇÃO O grupo periódico 17 compreende os halogênios: flúor (F), cloro (Cl), bromo (Br), iodo (I) e astato (At). Estes elementos possuem configuração eletrônica externa ns2np5. São monovalentes em seu estado fundamental, mas, com exceção do flúor, podem sofrer expansão de sua camada de valência. O flúor, com a configuração 1s22s22p5, forma apenas uma ligação covalente, pois a promoção de um dos elétrons de valência para a camada M requer muita energia. No entanto, os demais halogênios podem usar orbitais d em suas ligações com outros átomos e, assim, exibem também valência 3, 5 e 7. Todos os halogênios formam moléculas diatômicas apolares. Embora a ligação entre os átomos de um mesmo halogênio seja forte, a atração entre as suas moléculas é bastante fraca e se deve apenas à forças de Van der Waals do tipo dipolo instantâneo-dipolo induzido (forças de London ou de dispersão). À medida que as dimensões dos átomos dos halogênios aumentam, as nuvens eletrônicas das moléculas se tornam maiores e mais polarizáveis, isto é, mais facilmente deformáveis, e, consequentemente aumentam as forças de dispersão. Portanto, é de se esperar que os pontos de fusão e de ebulição do halogênios cresçam do flúor para o astato. De fato, observa-se que, em condições normais de temperatura e pressão, o flúor é um gás de coloração amarelo-pálida; o cloro é um gás de coloração amarelo-esverdeada que se liquefaz facilmente sob pressão; o bromo é um líquido castanho-avermelhado volátil; e o iodo é um sólido de cor púrpura-escura. O flúor e o cloro existem como gases à temperatura ambiente porque as interações intermoleculares são fracas demais, sendo facilmente superadas pela agitação térmica (energia cinética) molecular. Os halogênios são, como um grupo, os mais eletronegativos de todos os elementos. É bastante difícil remover um elétron de um átomo de halogênio, o que está de acordo com os valores relativamente altos dos seus potenciais de ionização: quanto menor é o átomo de halogênio, maior será o seu potencial de ionização, pois mais fortemente atraídos pelo núcleo estão os elétrons externos. É notável o decréscimo do poder oxidante do halogênio livre com o aumento do número atômico. O resultado disso é o deslocamento do ânion de um halogênio (haleto ou halogeneto) mais pesado por um haleto mais leve, como por exemplo: 2𝑁𝑎𝐵𝑟 + 𝐶𝑙2 → 2𝑁𝑎𝐶𝑙 + 𝐵𝑟2 A preparação dos halogênios envolve, em geral, a oxidação de um íon haleto X− a halogênio livre, X2 (lembre que os compostos naturais ricos em halogênios são sais em que estes elementos estão presentes na forma de ânions). Esta oxidação pode ser efetuada por métodos eletrolíticos para a obtenção de todos os halogênios; outros métodos, baseados na utilização de oxidantes apropriados, são aplicáveis a todos os halogênios com exceção do flúor, devido a alta energia envolvida na oxidação do íon fluoreto. 8.2 Propriedades dos Halogênios 8.2.1 Flúor O lúor é um gás fracamente amarelado, de odor picante e mais denso que o ar. Quimicamente, o flúor é um elemento extremamente reativo e combina-se diretamente com quase todos os elementos. Ele é o mais eletronegativo de todos os elementos. O potencial padrão de redução do flúor é tão elevado (𝐹2 + 2𝑒 − → 2𝐹−, E0 = +2,87V) que ele oxida a água, formando oxigênio e fluoreto de hidrogênio, HF. A maior parte dos minerais que contém fluoretos é insolúvel: CaF2 (fluorita), Na3[AlF6] (criolita) e CaF2∙3Ca3(PO4)2 (flourapatita). 8.2.2 Cloro O cloro é um gás amarelo esverdeado de odor caracteristicamente sufocante. Ele é um gás solúvel em água: um volume de água dissolve 2,3 volumes de gás Cl2, a 20°C. A solução aquosa é conhecida como “água de cloro” e apresenta um leve caráter ácido devido ao equilíbrio: 𝐶𝑙2(𝑔) + 𝐻2𝑂(𝑙) ⇌ 𝐻𝐶𝑙(𝑎𝑞) + 𝐻𝐶𝑙𝑂(𝑎𝑞) Os ácidos formados no equilíbrio são o ácido clorídrico (HCl, forte) e o ácido hipocloroso (HClO, fraco). O valor da constante de equilíbrio é muito pequeno, indicando que apenas uma pequena quantidade dos ácidos está presente no equilíbrio. Entretanto, a adição de uma base à solução (tomamos como exemplo o hidróxido de sódio, NaOH) neutralizará os ácidos formando cloreto de sódio e hipoclorito de sódio e deslocando o equilíbrio para a direita. 𝐶𝑙2(𝑔) + 2𝑁𝑎𝑂𝐻(𝑎𝑞) → 𝑁𝑎𝐶𝑙(𝑎𝑞) + 𝑁𝑎𝐶𝑙𝑂(𝑎𝑞) + 𝐻2𝑂(𝑙) Tanto o ácido hipocloroso quanto o íon hipoclorito são fortes agentes oxidantes. A maior parte do cloro do cloro é preparada, industrialmente, por eletrólise do cloreto de sódio fundido (este processo fornece sódio como subproduto) ou por eletrólise da solução aquosa de NaCl, pela qual se produz, além do cloro gasoso, hidrogênio gasoso e solução de hidróxido de sódio: 2𝑁𝑎𝐶𝑙(𝑎𝑞) + 2𝐻2𝑂(𝑙) → 𝐻2(𝑔) + 𝐶𝑙2(𝑔) + 2𝑁𝑎𝑂𝐻(𝑎𝑞); passagem de corrente elétrica. No laboratório o cloro é facilmente produzido pela oxidação das soluções de ácido clorídrico. Para isso, o dióxido de manganês é geralmente empregado: 𝑀𝑛𝑂2(𝑠) + 4𝐻𝐶𝑙(𝑎𝑞) → 𝐶𝑙2(𝑔)+ 𝑀𝑛𝐶𝑙2(𝑎𝑞) + 2𝐻2𝑂(𝑙) Os minerais que contém cloretos são extremamente solúveis, como por exemplo, o sal- gema (NaCl), que é encontrado em grandes depósitos subterrâneos. 8.2.3 Bromo No estado livre o bromo é um líquido castanho-avermelhado com alta pressão de vapor, à temperatura ambiente, e seus vapores possuem odor irritante. Ele é o mais solúvel do halogênios, sendo a sua solução aquosa denominada “água de bromo”: 𝐵𝑟2(𝑙) + 𝐻2𝑂(𝑙) → 𝐻𝐵𝑟(𝑎𝑞) + 𝐻𝐵𝑟𝑂(𝑎𝑞) Os ácidos formado no equilíbrio são o ácido bromídrico (HBr, forte) e o ácido hipobromoso (HBrO, fraco). Pela adição de base, o equilíbrio se desloca para a direita, a exemplo do que ocorre no caso do cloro em meio aquoso. Para a obtenção de bromo livre emprega-se com freqüência reações de deslocamento entre cloro
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