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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS – UFAL INSTITUTO DE QUÍMICA E BIOTECNOLOGIA – IQB CURSO: QUÍMICA TECNOLÓGICA E INDUSTRIAL NICOLAS MONTEIRO DE ARAUJO WESKLEY RAYKONNE DE ARAUJO SILVA Experimento 4 – Reações Químicas I - Envolvendo as Funções Inorgânicas Maceió – AL Abril de 2023 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS – UFAL INSTITUTO DE QUÍMICA E BIOTECNOLOGIA – IQB CURSO: QUÍMICA TECNOLÓGICA E INDUSTRIAL WESKLEY RAYKONNE DE ARAUJO SILVA NICOLAS MONTEIRO DE ARAÚJO Relatório – Reações Químicas I - Envolvendo as Funções Inorgânicas Maceió – AL Abril de 2023 Relatório apresentado como requisito para obtenção de pontuação relativa a AB1 na disciplina de química geral experimental, no Curso de Química Tecnológica e Industrial, na Universidade Federal de Alagoas. Prof. Dr. Carmen Lucia de Paiva e Silva Zanta RESUMO Este relatório apresenta os resultados obtidos a partir da realização de algumas reações químicas envolvendo as principais funções inorgânicas (ácido, base, sais e óxidos). O objetivo foi observar aspectos qualitativos relacionados aos reagentes e produtos, tais como formação de precipitado, gás, eletrólito fraco ou transferência de elétrons. O estudo ressalta a importância da conservação da massa e do número de espécies químicas microscópicas (átomos) presentes antes e depois da ocorrência da reação, que se manifestam macroscopicamente sob a forma das leis de Lavoisier, de Proust e de Dalton. Sumário 1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 4 2. OBJETIVOS ............................................................................................................. 4 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ........................................................................ 4 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO .............................................................................. 18 5. CONCLUSÃO ......................................................................................................... 26 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................... 27 4 1. INTRODUÇÃO O estudo das propriedades físicas de líquidos, como densidade, miscibilidade e viscosidade, é de grande importância na química e em diversas áreas da engenharia. Essas propriedades estão relacionadas à estrutura molecular dos líquidos e podem ser afetadas por diversos fatores, como temperatura, pressão e composição química. Dentre as propriedades físicas de líquidos, a densidade é uma das mais estudadas, pois está diretamente relacionada com a massa molecular dos componentes e com a interação entre as moléculas. A miscibilidade, por sua vez, é uma propriedade que descreve a capacidade de dois líquidos se misturarem em qualquer proporção, sendo importante em processos de separação e purificação de substâncias. Já a viscosidade está relacionada à resistência do líquido ao fluxo, sendo influenciada pela temperatura, pressão e composição química. Diversos estudos têm sido realizados na área de propriedades físicas de líquidos, buscando entender melhor os fenômenos envolvidos e suas aplicações em diferentes áreas. Entre esses estudos, destacam-se os trabalhos de Wang et al. (2019) e de Silva et al. (2020), que investigaram as propriedades físicas de diferentes líquidos e suas relações com a composição química e a temperatura. De acordo com Wang et al. (2019), a densidade, a viscosidade e o índice de refração de misturas contendo líquidos iônicos podem ser correlacionados com a temperatura e a composição química. Além disso, Silva et al. (2020) investigaram as propriedades físicas e o comportamento de fases de misturas de polietilenoglicol e água, evidenciando a influência da temperatura e da composição na miscibilidade desses líquidos. 2. OBJETIVOS • Reações químicas envolvendo funções inorgânicas: Realização de reações químicas que envolvam as principais funções inorgânicas: ácidos, bases, sais e óxidos. • Observação de aspectos qualitativos: Realização da observação de aspectos qualitativos relacionados às reações químicas realizadas, incluindo as características dos reagentes e produtos obtidos. 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Vidrarias, equipamentos e reagentes utilizados nos procedimentos: 1. Fenolftaleína 2. Solução de hidróxido de sódio 0,1 mol/L 5 3. Solução de ácido clorídrico 0,1 mol/ 4. Solução de hidróxido de bário 0,01 mol/L 5. Solução de ácido sulfúrico 0,1 mol/L 6. Carbonato de cálcio 7. Solução de ácido clorídrico 1,0 mol/L 8. Solução de nitrato de zinco 0,1 mol/L 9. Solução de nitrato de prata 0,1 mol/L 10. Solução de cloreto de sódio 0,1 mol/L 11. Óxido de cálcio 12. Água destilada 13. Magnésio 14. Cobre 15. Sódio 16. Ácido nítrico concentrado 17. Grade para tubos de ensaio 18. Tubos de ensaio 19. Conta-gotas 20. Proveta de 10,0 mL 21. Béquer de 50,0 mL 22. Espátula 23. Pipeta graduada de 5,0 mL 24. Pêra 25. Piceta 26. Placa de petri 27. Fita indicadora de pH Segue abaixo as figuras ilustrativas dos elementos 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26 e 27 respectivamente. Figura 1 – Fenolftaleína Fonte: Google imagens 6 Figura 2 – Solução de hidróxido de sódio 0,1 mol/L Fonte: Google imagens Figura 3 – Solução de ácido clorídrico 0,1 mol/ Fonte: Google imagens 7 Figura 4 - Solução de hidróxido de bário 0,01 mol/L Fonte: Google imagens Figura 5 - Solução de ácido sulfúrico 0,1 mol/L Fonte: Google imagens 8 Figura 6 - Carbonato de cálcio Fonte: Google imagens Figura 7 - Solução de ácido clorídrico 1,0 mol/L Fonte: Google imagens 9 Figura 8 - Solução de nitrato de zinco 0,1 mol/L Fonte: Google imagens Figura 9 - Solução de nitrato de prata 0,1 mol/L Fonte: Google imagens 10 Figura 10 - Solução de cloreto de sódio 0,1 mol/L Fonte: Google imagens Figura 11 – Óxido de cálcio Fonte: Google imagens 11 Figura 12 – Água destilada Fonte: Google imagens Figura 13 – Magnésio Fonte: Google imagens 12 Figura 14 – Cobre Fonte: Google imagens Figura 15 – Sódio Fonte: Google imagens Figura 16 - Ácido nítrico concentrado Fonte: Google imagens 13 Figura 17 – Grade para tubos de ensaio Fonte: Google imagens Figura 18 – Tubos de ensaio Fonte: Google imagens 14 Figura 19 – Conta-gotas Fonte: Google imagens Figura 20 – Proveta de 10,0 mL Fonte: Google imagens Figura 21 – Béquer de 50,0 mL Fonte: Google imagens 15 Figura 22 - Espátula Fonte: Google imagens Figura 23 - Pipeta graduada de 5,0 mL Fonte: Google Imagens Figura 24 – Pêra Fonte: Google imagens Figura 25 – Piceta 16 Fonte: Google imagens Figura 26 - Placa de petri Fonte: Google imagens Figura 27 - Fita indicadora de pH Fonte: Google imagens 17 I - Reação entre ácido e base. a) Ácido clorídrico e hidróxido de sódio. Foram colocados 2,0 mL de hidróxido de sódio (NaOH) 0,1 mol/L em um tubo de ensaio e, em seguida, acrescentou-se uma gota de fenolftaleína. Depois, foram adicionados 2,0 mL de ácido clorídrico (HCl) 0,1 mol/L e a mudança de coloração e a reação ocorrida foram observadas. Em seguida, foi colocada uma gota da base, observada e adicionada mais uma gota do ácido, repetindo-se a operação e observando. b)Ácido sulfúrico e hidróxido de bário. Foram medidos 5,0 mL de solução 0,01 mol/L de hidróxido de bário (Ba(OH)2) em uma proveta e transferidos para um béquer de 50,0 mL, adicionando-se uma gota de fenolftaleína. Depois, foram adicionadas aproximadamente 40 gotas da solução 0,1 mol/L de ácido sulfúrico (H2SO4) até o alcance do ponto de equivalência (ponto de viragem) e a reação ocorrida foi observada e escrita. II - Reação entre ácido e sal. Em um tubo de ensaio, foram colocados cerca de 0,1g de carbonato de cálcio (CaCO3) e, com o auxílio de uma pipeta graduada, foram adicionados 3,0 mL de ácido clorídrico (HCl) 1,0 mol/L. A reação ocorrida foi observada e escrita. III - Reação entre base e sal. Em um tubo de ensaio, foram colocados 2,0 mL de uma solução de nitrato de zinco (Zn(NO3)2) 0,1 mol/L e adicionados 2,0 mL da solução de hidróxido de sódio (NaOH) 0,1 mol/L. A reação ocorrida foi observada e escrita. IV - Reação entre dois sais. Com auxílio de uma pipeta graduada de 5,0 mL, foram colocados 2,0 mL de uma solução de nitrato de prata (AgNO3) 0,1 mol/L em um tubo de ensaio e adicionados 1,0 mL de cloreto de sódio (NaCl) 0,1 mol/L. A equação ocorrida foi observada e escrita. V - Reação entre óxido básico e água. 18 Em um tubo de ensaio, foram colocados cerca de 0,1g de óxido de cálcio (CaO) e, com o auxílio de uma proveta de 15,0 mL, foram adicionados 10,0 mL de água destilada. A mistura foi agitada e, com o auxílio de uma fita indicadora de pH, o pH da solução resultante foi medido. Em seguida, foram adicionadas algumas gotas de fenolftaleína e a equação ocorrida foi observada e escrita. VI – Reação entre óxido ácido e base. Colocou-se 2,0 mL da solução formada no item anterior (V) em um tubo de ensaio. Dióxido de carbono (CO2) foi borbulhado com auxílio de uma pipeta até a observação da mudança de cor. Foi adicionado 1,0 mL de ácido clorídrico (HCl) 1,0 mol/L e observou-se a equação ocorrida. VII – Reação entre metal e ácido. Foram colocados 5,0 mL de ácido clorídrico (HCl) 1,0 mol/L e um pedaço de magnésio em um tubo de ensaio com auxílio de uma proveta de 10,0 mL. Foi observado e escrita a equação ocorrida. Em outro tubo de ensaio, foram colocados 2,0 mL de ácido nítrico concentrado (esse procedimento foi feito na capela) e um pedaço de cobre com auxílio de uma proveta de 10,0 mL. Foi observado e escrita a equação ocorrida. VIII – Reação entre metal alcalino e água. Foram colocados 10,0 mL de água destilada em uma placa de petri e, em seguida, adicionado um pedacinho de sódio. Foi observado e escrita a equação ocorrida. À solução formada foram adicionadas duas gotas de fenolftaleína. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 1. Reação entre ácido e base a) Ácido clorídrico (HCl) e Hidróxido de sódio (NaOH) Após numerar os tubos de ensaio em sua respectiva estante, procedeu- se à primeira reação entre um ácido e uma base. Inicialmente, a solução de NaOH 0,1 mol/L que continha uma gota de fenolftaleína, apresentou uma cor rosa carmim, conforme figura 28 abaixo. 19 Figura 28 - Fenolftaleína em meio básico Fonte: própria Posteriormente, com a adição do ácido HCl 0,1 mol/L, houve a mudança de coloração para o incolor, o que é normal da fenolftaleína em meio ácido. A reação entre o ácido e a base está descrita a seguir: HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(l) Na reação acima, temos uma reação ácido-base, em que a proporção entre os reagentes é de 1:1. Logo, compreende-se que uma certa quantidade de moles do ácido neutraliza a mesma quantidade de mols da base. b) Ácido sulfúrico e hidróxido de bário. Após observar a coloração rosa carmim do sistema hidróxido de bário e fenolftaleína - que indica um meio básico -, a adição do ácido sulfúrico, gota a gota, até um total de 40 gotas, permitiu que fosse alcançado o ponto de equivalência do sistema, sendo isso perceptível pelo clareamento da cor rosa. A reação balanceada envolvida no procedimento está´descrita abaixo. H2SO4(aq) + Ba(OH)2 → BaSO4(s) + 2H2O Nessa reação, percebe-se mais uma vez a proporção de 1:1 entre os reagentes. A solubilidade do sal formado, BaSO4, é baixa em água, sendo da ordem de 0.000285 g/100 mL (30 °C). Logo, o sal formado constitui um precipitado sólido que se depositou no fundo do tubo e turvou a solução, conforme figura 29 abaixo. 20 Figura 29 - Solução turva na presença de BaSO4 Fonte: própria 2. Reação entre ácido e sal Nessa reação, formam-se um novo sal e um ácido instável, que rapidamente se decompõe em outras duas espécies químicas. Os reagentes são o carbonato de cálcio e o ácido clorídrico 1 mol/L, conforme mostrado abaixo. CaCO3(s) + 2HCl(aq) → CaCl2(aq) + H2CO3(aq) → CaCl2(aq) + CO2(g) + H2O(l) Obteve-se como produto um sal totalmente solúvel, o CaCl2. Além disso, formou-se o ácido carbônico que se decompôs em CO2 e H2O. Foi possível verificar, assim, a formação de pequenas bolhas de gás no corpo do tubo de ensaio, sinal este indicativo da formação do gás CO2. 3. Reação entre base e sal Após a adição de ambos os líquidos no tubo - uma solução de nitrato de zinco (Zn(NO3)2) 0,1 mol/L e uma solução de hidróxido de sódio (NaOH) 0.1 mol/ L -, observou-se a formação de um precipitado branco que turvou um pouco o sistema. Ao analisar a reação, percebeu-se que se forma nitrato de sódio e hidróxido de zinco. Sabe-se que todos os nitratos são solúveis enquanto que o hidróxido de zinco, com uma constante de solubilidade aproximada de 3 x 10^- 17, é pouco solúvel em água. Logo, o precipitado branco que se formou foi o hidróxido de zinco. A reação abaixo sintetiza o que foi discutido acima. 21 Zn(NO3)2(aq) + 2NaOH(aq) → 2NaNO3(aq) + Zn(OH)2(s) A figura 30 abaixo mostra a turbidez da solução em decorrência da formação do precipitado. Figura 30 – Formação do Zn(OH)2 Fonte: própria 4. Reação entre dois sais A reação ocorrida foi entre nitrato de prata e cloreto de sódio, conforme indicado abaixo. AgNO3(aq) + NaCl(aq) → AgCl(s) + NaNO3(aq) Nesse caso, têm-se a formação de um sal solúvel, o NaNO3, tendo em vista que todos os nitratos são solúveis. Já o AgCl, tem uma baixa solubilidade em água, em torno de 1,9 X 10-4 g a 25° C. Logo, o AgCl precipitou e o sistema adquiriu um aspecto branco leitoso, conforme imagem da figura 31 abaixo. 22 Figura 31 - Precipitado formado Fonte: própria 5. Reação entre óxido básico e água Sabe-se que a reação entre um óxido básico e água resulta numa base referente ao óxido. Além disso, além da reação principal são estabelecidos outros equilíbrios químicos, como se verifica abaixo. CaO(s) + H2O(l) → Ca(OH)2(aq) Ca(OH)2(aq) ⇌ Ca2+(aq) + OH-(aq) O hidróxido de cálcio é um sal pouco solúvel, em torno de 0,141g a 40°C. Obtêm-se como produto um precipitado branco, que turvou a solução, como se observa a seguir na figura 32. Figura 32 - Ca(OH)2 precipitado Fonte: própria Utilizou-se um pedaço de fita de pH e, após o contato com a solução, adquiriu uma coloração azul escuro, como é visto na figura 33 abaixo. 23 Figura 33 – pH em torno de 12 Fonte: própria Após consulta em uma tabela padronizada, verificou-se que para a referida cor o pH da solução foi de 12, ou seja, o meio era básico. Posteriormente, adicionaram-se algumas gotas de fenolftaleína à solução, que ficou rosa carmim, comprovando, assim, que o meio de fato era básico. 6. Reação entre óxido ácido e base A solução utilizada foi a mesma da reação anterior, com coloração rosa carmim. A reação entre um óxido ácido e uma base origina sal e água, de forma análoga a uma reação de neutralização. A solução foi borbulhada com CO2 atmosférico, por meio de ar expelido por um dos integrantes da dupla. Utilizou- se para issoum canudo longo de plástico, conforme se verifica abaixo na figura 34. Figura 34 – Sistema solução-canudo Fonte: própria À medida que o CO2 entrava no sistema, a solução ia clareando, de um rosa carmim a um rosa claro. Isso é explicado pela formação do equilíbrio, que retira Ca(OH)2 do meio e torna o sistema menos alcalino. 24 O sal formado foi o CaCO3, conforme equilíbrio abaixo. Ca(OH)2(aq) + CO2 (g) ⇌ CaCO3(s) + H2O(l) Simultaneamente, formam-se outros equilíbrios, conforme apresentado abaixo: CO2(g) + 2OH-(aq) ⇌ CO3-(aq) + H2O(l) Ca2+(aq) + CO32-(aq) ⇌CaCO3(s) CaCO3(s) + CO2(g) + H2O(l) ⇌Ca2+(aq) + 2HCO3-(aq) 7. Reação entre metal e ácido Essa etapa do experimento foi dividida em duas partes. Ambas as reações são de óxido-redução, ou seja, uma espécie química perde elétrons enquanto outra recebe esses elétrons. Na primeira, adicionou-se um pedaço de magnésio metálico em solução ácida. O magnésio, no caso, é a espécie que perde elétrons, e pode ser chamado também de agente redutor; já o cátion H + recebe esses elétrons, e pode ser chamada de agente oxidante. Percebeu-se a formação do gás hidrogênio, por meio do efeito efervescente ocasionado pelas bolhas formadas, conforme reação balanceada abaixo. 2HCl(aq) + Mg(s) ⇌MgCl2(aq) + H2(g) Além disso, produziu-se também o sal MgCl2, que é bastante solúvel em água. Na segunda parte, adicionou-se a um volume de ácido nítrico concentrado um pedaço de cobre metálico. O cobre metálico perde eletrons, ou seja, se oxida e reduz o cation H+, formando H2. Na presença do metal, houve uma mudança de coloração do incolor para um verde claro. Além da formação do gás hidrogênio, formou-se também o dióxido de nitrogênio (NO2), o que se constata na reação abaixo. 2HNO3(aq) + Cu(s) ⇌Cu(NO3)2(aq) + H2(g) + NO2(g) O NO2 tem uma coloração castanha que impregnou a parte interna do tubo. Na figura 35 abaixo, é possível observar o metal no fundo do tubo, a 25 coloração esverdeada da solução no tubo e a coloração castanha nas paredes do tubo. Figura 35 - Formação do gás NO2 Fonte: própria Porém, o NO2, em contato com o ar atmosférico, lentamente se converte em tetróxido de nitrogênio (N2O4); e nessa conversão se observou que a coloração castanha foi desaparecendo e dando lugar ao incolor. O equilíbrio abaixo resume o fenômeno. NO2(g) ⇌N2O4(g) 8. Reação entre metal alcalino e água Essa última etapa do experimento foi conduzida pela professora, em decorrência da reatividade do sódio metálico em contato com a água. A reação é verificada abaixo: Na(s) + H2O(l) ⇌ NaOH(aq) + 1/2H2(g) O sódio quando reage com água produz hidróxido de sódio, alcalinizando o meio no qual ocorre a reação, o que se constatou com a mudança de cor pro rosa carmim devido à presença de fenolftaleína na água. Sabe-se que os metais alcalinos são extremamente reativos, tanto com a água quanto até mesmo com o oxigênio do ar. Por isso, nos foi explicado o porquê do Na metálico ser guardado submerso num solvente orgânico, para manter a estabilidade e reduzir o contato do sólido com água e o ar. 26 A reatividade desses metais, em especial do Na, existe porque eles possuem uma grande tendência a perder elétrons, ou seja, possuem baixa energia de ionização, oxidando-se e atuando como agentes redutores fortes. Além disso, o gás hidrogênio é produzido durante a reação. Nesta situação, frequentemente ocorre a queima do hidrogênio, com o oxigênio do ar, favorecida pelo calor produzido na reação do sódio, conforme reação abaixo. 2H2(g) + O2(g)⇌2H2O(l) Foram realizadas três demonstrações. Variou-se a quantidade de sódio metálico adicionado, em ordem crescente. Percebeu-se uma maior reatividade na presença de água na primeira demonstração, com a menor quantidade de sódio metálico. Devido a avidez em que ocorre a perda de elétrons, o material se desloca na água enquanto se decompõe e produz H2 que rapidamente reage com o oxigênio de forma violenta, liberando bastante energia, característica de uma reação de combustão. A figura 36 abaixo mostra o momento da combustão ocorrida. Figura 36 - Sódio metálico em água Fonte: própria Vale ressaltar que, teoricamente, quanto maior a quantidade de sódio que se coloca, maior seria a reatividade observada, porque o hidrogênio liberado entra em combustão ao entrar em contato com o oxigênio presente no ar. No entanto, isso não foi verificado na prática. Possíveis explicações são a má qualidade do sódio metálico utilizado ou a presença do solvente orgânico no momento da adição do metal no sistema. 5. CONCLUSÃO A realização das reações químicas envolvendo as principais funções inorgânicas permitiu observar e compreender aspectos qualitativos relacionados à transformação da matéria. Verificou-se que as mudanças na composição 27 química das substâncias reagentes resultam em um ou mais produtos, que podem ser identificados por meio de características específicas, tais como formação de precipitado, gás, eletrólito fraco ou transferência de elétrons. Além disso, foi possível constatar a importância das leis de conservação da massa e do número de espécies químicas microscópicas (átomos) presentes antes e depois da ocorrência da reação, as quais se manifestam macroscopicamente sob a forma das leis de Lavoisier, de Proust e de Dalton. Dessa forma, conclui- se que as reações químicas são fundamentais para a compreensão das transformações da matéria e suas aplicações em diferentes áreas da ciência e da tecnologia. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ATKINS, P.; JONES, L Princípios de Química: questionando a vida moderna e o meio ambiente, Ed.5. Bookman, 2011; 2. BRADY, J. E; HUMISTON, G. E. Química Geral. Volumes 1 e 2, Rio de Janeiro : LTC, 1996; 3. KOTZ, J. C.; TREICHEL, P. M.; WEAVER, G. C.; Química Geral e reações químicas. Ed. 6, Volumes 1 e 2, CENGAGE Learning, Ano 2010. 4. SILVA, R. L.; SOUZA, A. M. A.; SANTOS, D. A.; LIMA, A. S.; SILVA, L. M.; MACEDO, E. A. Physical properties and phase behavior of poly(ethylene glycol) and water mixtures. Journal of Molecular Liquids, v. 315, p. 113-740, 2020. 5. WANG, J.; ZHANG, J.; YANG, X.; WANG, L. Density, viscosity, and refractive index of ionic liquid mixtures containing [BMIM][HSO4] and their correlation with temperature and composition. Journal of Chemical & Engineering Data, v. 64, n. 5, p. 2153-2160, 2019.
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