Relatorio de Elementos (experimento 10)

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QUIMICA DOS ELEMENTOS EXPERIMENTAL – INQ0339
RELATÓRIO EXPERIMENTO 10:
Eletrodeposição do cobre e aluminotermia
Professora: Patrícia Pomme Confessori Sartoratto
Felipe Gonçalves Honorato Silva
Matheus Vieira de Amorim
Pedro Henrique Barbosa Sousa
2024/2
1. Introdução
Os metais são elementos minerais que geralmente se apresentam no estado sólido em condições normais de temperatura, com exceção do mercúrio. Eles têm a capacidade de transmitir eletricidade e calor e são reconhecidos por propriedades como brilho distintivo, resistência, não transparência e maleabilidade. Na natureza, os metais frequentemente se encontram combinados em várias formas, predominando como óxidos e sulfetos, além de estarem presentes em compostos como sulfatos, silicatos, carbonatos e cloretos. Metais como platina, ouro e prata são, em algumas ocasiões, achados em seu estado puro (Cotton, 1999).
Neste estudo específico, foram empregadas diferentes técnicas de óxido-redução para extrair metais, incluindo a eletrólise e a aluminotermia, com o objetivo de examinar a reatividade dos metais. A técnica eletrolítica de redução utiliza uma corrente elétrica para induzir uma reação química que não ocorreria espontaneamente. Esse processo é realizado conectando uma fonte de corrente contínua a eletrodos dentro de uma célula, forçando o movimento dos elétrons e causando a oxidação do metal no eletrodo positivo (ânodo) e a redução no eletrodo negativo (cátodo) (Fernandes, 2015).
Outro procedimento de redução, a aluminotermia, envolve uma reação conhecida como termite ou thermite, que utiliza a elevada capacidade oxidante do alumínio para reduzir óxidos metálicos como FeO e Fe2O3. Esta reação libera uma grande quantidade de calor, alcançando temperaturas acima de 3000℃. Desenvolvido no final do século XIX por Johann Wilhelm Goldschmidt, inicialmente para produzir metais de alta pureza, hoje é mais comumente empregado na soldagem de metais (Wang, Munir, Maximov, 1993).
2. Materiais e métodos ou experimental
2.1 	Eletrodeposição do cobre
Figura 1 – Eletrolisador
2.1.1	Materiais utilizados na eletrodeposição do cobre
- Fonte (10V) - Béquer
- Chave (cobre) - eletrodo de cobre
2.1.2	Procedimento experimental (Eletrodeposição do cobre)
Uma mistura foi preparada em um béquer de 100 mL, contendo 70 mL de uma solução ácida de sulfato de cobre (feita com 50 mL de água destilada, 10 mL de solução de ácido sulfúrico 6 mol/L e 10 mL de solução de sulfato de cobre a 30%).
Antes do processo de cobreamento, uma chave e um clipe foram preparadas por meio de lixamento, limpeza com acetona e secagem com papel toalha. Depois, esses itens foram imersos por 5 minutos em 20 mL de ácido sulfúrico 1 mol/L, contido em outro béquer, com o objetivo de remover quaisquer resíduos superficiais. Após serem lavadas com água destilada, as peças foram pesadas em uma balança semi-analítica.
Para o procedimento de eletrodeposição, um eletrodo de cobre foi acoplado aos terminais de energia e a peça foi suspensa em um fio de cobre e submersa na solução preparada. A corrente foi então ativada, aplicando-se uma voltagem de até 5 V durante 40 segundos. Finalizado o processo, a peça foi removida, seca e pesada novamente para determinar a eficiência do cobreamento.
2.2 	Reação de Aluminotermia (apenas demonstrativo) 
Imagem 1 – reação de aluminotermia
2.2.1	Materiais utilizados na reação de aluminotermia
- Cadinho de cerâmica - imã
- Tela de amianto - maçarico
	2.2.2	Processo experimental (Reação de aluminotermia)
	Em um ambiente ao ar livre, realizou-se a combinação de 3 gramas de óxido de ferro (Fe2O3) em forma de pó com 1,2 gramas de alumínio também em pó.
Para iniciar a reação, inseriu-se uma fita de magnésio na mistura, deixando uma ponta para fora. Antes de aquecer a mistura, um ímã foi aproximado dela para verificar a presença de magnetismo. Em seguida, a ponta da fita de magnésio foi aquecida com um maçarico até começar a queimar. 
Após a mistura ter esfriado, o ímã foi novamente aproximado para checar se houve alguma mudança nas propriedades magnéticas do material resultante.
3. Resultados e discussão
3.1	Eletrodeposição de Cobre
	
O procedimento de eletrodeposição do cobre foi realizado em duas peças, uma chave e um clipe de papel.
Durante o experimento, aplicou-se uma tensão de 4 V na chave por 80 segundos, gerando uma corrente de 0,125 A. Com isso, foi possível calcular a carga elétrica (Q) envolvida no processo usando a fórmula Q = it. Assim, Q = 0,125 A x 80 s, resultando em 10 C de carga.
Na reação de redução do cobre, onde íons Cu2+ são reduzidos a cobre metálico (Cu0), pode-se calcular a massa teórica de cobre depositada usando a relação entre a carga elétrica e a quantidade de substância. Sabendo que um Faraday (96500 C) é necessário para depositar 1 equivalente-grama de um metal, no caso do cobre, temos que:
Para 2 mols de elétrons (2 x 96500 C), 63,5 g de Cu são depositados. Portanto, para 10 C de carga, a massa de Cu depositada (x) seria:
x = (10 C / (2 x 96500 C)) x 63,5 g ≈ 0,0033 g de Cu.
No entanto, na prática, a massa real de cobre depositada na chave foi medida e encontrada como segue:
Massa de cobre (mcobre) = massa da chave após o processo (mchave após) - massa da chave antes do processo (mchave antes)
mcobre = 3,707 g - 3,704 g = 0,003 g
Com esses dados, o rendimento do processo foi calculado:
Rendimento = (massa real / massa teórica) x 100
Rendimento = (0,003 g / 0,0033 g) x 100 ≈ 91%
Para o clipe de papel, aplicou-se uma tensão de 5 V durante 60 segundos, e a corrente medida foi de 0,140 A. Isso possibilitou calcular a carga elétrica (Q) envolvida no processo através da fórmula Q = it, resultando em Q = 0,140 A x 60 s = 8,4 C.
Com base na reação de redução do cobre (Cu2+ + 2e- → Cu0), é possível calcular a massa teórica de cobre depositada. Considerando que 2 mols de elétrons (2 x 96500 C) são necessários para depositar 63,5 g de Cu, temos:
Para 8,4 C de carga, a massa teórica de Cu depositada (x) seria:
x = (8,4 C / (2 x 96500 C)) x 63,5 g ≈ 0,0028 g de Cu.
O rendimento do processo para o clipe pode ser calculado da seguinte forma:
Rendimento = (massa real do processo / massa teórica) x 100
Rendimento = (0,002 g / 0,0028 g) x 100 ≈ 71%
Durante o procedimento, observou-se a formação de bolhas, que são resultado da eletrólise da água presente na solução de CuSO4. Essas bolhas são formadas devido à produção de gás hidrogênio (H2) no polo negativo e gás oxigênio (O2) no polo positivo, conforme as reações:
No cátodo: 2 H2O (l) + 2 e- → H2 (g) + 2 OH- (aq)
No ânodo: 2 H2O (l) → O2 (g) + 4 H+(aq) + 4e-
Este fenômeno foi mais acentuado no processo com a chave, especialmente quando a tensão foi aumentada para 5 V, o que favoreceu a eletrólise da água.
3.2	Reação de Aluminotermia
	Durante a reação de aluminotermia, notou-se que ao aquecer a mistura de óxido de ferro (Fe2O3), alumínio em pó e a fita de magnésio, ocorreu uma reação exotérmica intensa, acompanhada de faíscas. Essa reação resultou numa mudança nas propriedades magnéticas do material: enquanto a mistura inicial não era atraída por um ímã, após a reação, a substância formada passou a ser magneticamente atraente. Isso ocorre porque a reação transforma o óxido de ferro em ferro metálico, que é atraído por ímãs. A equação química que representa este processo é:
Fe2O3 (s) + 2 Al (s) + calor → Al2O3 (s) + 2 Fe (s)
	O ferro metálico possui propriedades magnéticas devido à presença de elétrons desemparelhados em sua estrutura atômica. No caso do ferro, são quatro elétrons desemparelhados que conferem essa característica magnética, tornando-o atraente para ímãs.
4. Conclusão
Os experimentos realizados proporcionaram uma compreensão aprofundada sobre as propriedades e reatividades dos elementos químicos, destacando-se a aplicação prática de conceitoscomo óxido-redução, eletroquímica e termodinâmica. As atividades experimentais abordaram dois aspectos centrais: a deposição eletroquímica de cobre e a reação de aluminotermia.
No processo de cobreamento, observou-se a eficácia da eletrólise na deposição de cobre metálico sobre superfícies de uma chave e um clipe de papel. A metodologia adotada permitiu o cálculo preciso das massas teóricas de cobre que deveriam ser depositadas e comparou-as com as massas efetivamente obtidas, resultando em rendimentos de 91% para a chave e 71% para a aliança. A diferença entre as massas teóricas e reais pode ser atribuída a fatores como a eficiência da célula eletrolítica e a pureza das soluções utilizadas. Além disso, o fenômeno da eletrólise da água foi claramente observado, especialmente no procedimento com a chave, onde o aumento da tensão promoveu a formação de bolhas de gás hidrogênio e oxigênio.
Por outro lado, a reação de aluminotermia, que envolveu a mistura de óxido de ferro e alumínio em pó, demonstrou a potência de reações exotérmicas. Através da ignição com uma fita de magnésio, a reação ocorreu de forma vigorosa, produzindo faíscas e calor intenso, e resultando na formação de ferro metálico e óxido de alumínio. A mudança nas propriedades magnéticas do material após a reação foi um indicativo claro da formação de ferro metálico, um resultado direto da redução do Fe2O3 pelo alumínio.
Esses experimentos são exemplares na demonstração de conceitos fundamentais em química, como a transferência de elétrons em reações redox e a utilização de reações exotérmicas para a obtenção de metais. Além de reforçar teorias básicas da química, os procedimentos também oferecem insights sobre aplicações industriais e práticas, como a eletrólise na obtenção e revestimento de metais e o uso da aluminotermia em processos que requerem altas temperaturas, como a soldagem.
5. Referências
COTTON, F. Albert et al. Advanced inorganic chemistry. John Wiley & Sons, 1999. 
FAN, Run-Hua et al. Kinetics of thermite reaction in Al-Fe2O3 system. Thermochimica Acta, v. 440, n. 2, p. 129-131, 2006. 
FERNANDES, Ricardo Ferreira. Eletrólise. Revista de Ciência Elementar, v. 3, n. 1, 2015. 
SARTORATTO, P. P. C. Manual de Laboratório: Química dos Elementos. Apostila. UFG. 2023. 
WANG, L. L; MUNIR, Z. A.; MAXIMOV, Yu M. Thermite reactions: their utilization in the synthesis and processing of materials. Journal of Materials Science, v. 28, p. 3693-3708, 1993.
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