Relatório Ino Experimental - Prepação e propriedades do carbonato de sódio e do bicarbonato de sódio

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ
DQI – INORGÂNICA EXPERIMENTAL I
QUÍMICA - BACHARELADO
PREPARAÇÃO E PROPRIEDADE DO CARBONATO DE SÓDIO E DO BICARBNATO DE SÓDIO
Novembro
2015
Introdução:
Demonstraremos o processo de Calcinação do Na2CO3(s) e do NaHCO3 com a intenção de retirar a humidade e o gás formados no tubo. Adicionar ácido clorídrico sobre o carbonato de sódio, observar se houve mudança de cor e presença de efervescência. Adicionar carbonato de sódio no tubo contendo solução de Sulfato de Alumínio para formar precipitado branco e determinar o que é esse precipitado branco. E, por último e não menos importante a determinação da pureza da soda cáustica comercial. A determinação da pureza de uma substância consiste em determinar a quantidade de cada elemento que está presente na amostra, seja por técnicas simples como aquecimento para evaporar a água, medir volume de gás em uma coluna de água ou até mesmo processo de Solvay, que consiste basicamente na insolubilidade do bicarbonato de sódio em meios alcalinos, utilizando para isso colunas de saturação gasosa, que foi no caso da determinação da pureza do Na2CO3 comercial. 
Objetivo:
Analisar as características do experimento (mudança de coloração, precipitado, evolução de gás) durante a calcinação de Na2CO3 e NaHCO3, desses dois sólidos em meio ácido (solução de HCl). Analisar o comportamento da hidrólise do Na2CO3. Determinar qual a pureza do Na2CO3. 
Materiais:
Tubos de ensaio; Rolha de borracha; Tubo de vidro em U; Béquer de 500 mL; Proveta de 200 mL; Garras; Suporte universal; Balão volumétrico. 
Procedimento:
Calcinação do Na2CO3(s) e do NaHCO3 
Pesou-se 1,0 g de Na2CO3 e 1,0 g de NaHCO3 e colocou-se em dois tubos de ensaio. Tampou-se os tubos com uma rolha de borracha contendo um tudo de vidro na forma “U” e verificou-se se não havia vazamento . Em outros dois tubos de ensaio, adicionou-se 5 mL de uma solução de Ca(OH)2, tomou-se o cuidado de não agitar a solução para evitar que a solução ficasse turva. Introduziu-se a outra ponta do tubo em U nessas soluções e aqueceu-se o tubo de ensaio que continha o Na2CO3(s) e o NaHCO3(s). Iniciou-se o experimento com o NaHCO3, o gás liberado, borbulhou-se nas soluções. 
Comportamento do Na2CO3 e o NaHCO3 
Pesou-se 0,5 g de Na2CO3 e de NaHCO3 e colocou-os em dois tubos de ensaio, em seguida adicionou-se 5 mL de HCl (2mol/L) em cada tubo. Anotou-se o que aconteceu e escreveu as reações.
Hidrólise do Na2CO3: 
Em um tubo de ensaio previamente limpo, foi adicionado 2,0 mL de uma solução de Sulfato de alumínio 0,25 mol/L. Em seguida, adiciona-se ao mesmo tubo 2,0 mL da solução de Carbonato de sódio 10%. Observou-se e anotou-se o que ocorreu na reação.
Determinação da pureza do Na2CO3 comercial 
Adicionou-se uma solução de NaCl 10% em uma quantidade correspondente a aproximadamente 1/3 do béquer de 500 mL. Uma proveta de 250 foi cheia com NaCl 10%, a parte superior da proveta foi coberta com papel insulfilme, virou-a de boca para baixo dentro do béquer, retirando em seguida o papel. Fixou-se a proveta com uma garra, com o auxílio de um suporte universal.
Colocou-se uma quantidade adequada (30 a 40 mL) de uma solução de HCl 3,0 mol/L em um balão volumétrico. Com o auxílio de outro suporte universal, este balão foi fixado em uma posição horizontal.
Pesou-se 1,2 g de Na2CO3, e foi colocado no gargalo do balão volumétrico. O sistema foi fechado com mangueiras. O menisco da solução de NaCl na proveta foi anotado. 
Para dar início a reação, o balão volumétrico foi colocado em posição vertical. Ao terminar a reação, anotou-se o novo valor do menisco.
Resultados:
Calcinação do Na2CO3 e do NaHCO3
Quando aqueceu o bicarbonato de sódio notou-se uma mudança no sólido, além de a formação de gotículas dentro do tubo em aquecimento, ocorrendo a seguinte reação:
2NaHCO3(s) Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(g)
A reação borbulhou dentro da solução de água de cal, formando:
Ca(OH)2(l) + CO2(g)  CaCO3(aq) + H2O(l)
Ao aquecer o carbonato de sódio notou-se a formação de um gás na solução de Ca(OH)2, semelhante ao experimento anterior, porém, sem a formação de gotículas.
Na2CO3(s) Na2O(s) + CO2(g)
Ca(OH)2(l) + CO2(g)  CaCO3(aq) + H2O(l)
Nos dois casos a solução de água de cal ficou turva na cor branca.
Comportamento do Na2CO3 e o NaHCO3:
Ao adicionar o ácido clorídrico sobre o carbonato de sódio, a reação não apresentou coloração, foi possível notar um aborbulhamento no tubo de ensaio por um período, em seguida parou.
Na2CO3(s) + HCl(l) NaCl(aq) + H2O(l) + CO2(g)
Quando adicionado ácido clorídrico sobre o bicarbonato de sódio, ocorreu o mesmo que na reação anterior, permanecendo incolor e apresentando uma efervescência, após um período cessou.
NaHCO3(s) + HC(l) NaCl(aq) + H2O(l) + CO2(g)
Hidrólise do Na2CO3
Ao adicionar o Carbonato de Sódio no tubo que continha a solução de Sulfato de Alumínio, observa-se a formação de um sólido branco, que precipita.
A equação que estabelece a reação pode ser escrita como:
Na2CO3 + 2 H2O → H2CO3 + 2 NaOH
A base forte formada por essa reação irá reagir com o sulfato de alumínio:
Al2(SO4)3 + 6 NaOH → 2 Al(OH)3 + 3 Na2SO4
Determinação da pureza do Na2CO3 comercial: 
Quando o balão volumétrico é colocado na posição vertical, o Na2CO3 entra em contato com a solução de HCl, promovendo então a formação de gás carbônico. A proveta encontrava-se com o menisco em 250 mL, após borbulhar gás o menisco foi para o volume de 231 mL. 
A reação que ocorreu no meio pode ser descrita da seguinte forma:
Na2CO3 + 2 HCl 2 NaCl + CO2 + H2O
Antes do menisco se deslocar: P atm = PH2O(l) + PH2O(g)
Após o menisco levantar: P atm = PH2O(l) + PH2O(g) + PCO2
Dessa forma, a pressão do gás será: PCO2 = P atm – PH2O(l) – PH2O(g)
Temos que Patm = 760 mmHg, PH2O(l) = 18,75 mmHg e PH2O(g) tabela na temperatura ambiente (28 ºC) = 21,4 mmHg.
Teremos então que a pressão de gás carbônico será: PCO2 = 760 – 18,75 – 21,4 = 719,85 mmHg. 
Considera-se então que o CO2(g) comporta-se como um gás ideal, aplica-se a Lei dos Gases Ideais, onde temos que:
P gás = 719,85 mmHg
Temperatura (K) = 300,15 K
R = 62,3 mmHg L K /mol
V = 19 mL = 0,019 L
Aplicando a Lei dos Gases Ideias, o número de mol formado será: n = 7,2899.10-4 mol.
Foi utilizado 1,2 g de Na2CO3 no experimento:
1 mol Na2CO3 ----- 1 mol CO2
 106 g ------ 44,01 g
 1,2 g --------- x
X = 0,4982 g de CO2 formado = 0,0113 mol (Valor teórico do Na2CO3 caso ele fosse 100% puro).
Calculando então a pureza do Na2CO3, teremos:
0,0113 -------- 100 %
7,289910-4 ------ x
X = 6,451%
Dessa forma, conclui-se que o Na2CO3 utilizado, possui pureza de 6,451%.
Discussão:
Calcinação do Na2CO3 e do NaHCO3
Por consequência do aquecimento do bicarbonato de sódio, houve a formação de gotículas na superfície do tubo, sendo ela provenientes da formação de água na reação, houve também mudança na cor do reagente aquecido, pois sua decomposição resultou na formação de carbonato de sódio, e também o desprendimento de gás carbônico, que ao entra em contato com a solução de água de cal, alterou sua cor para branco, ficando turva pela formação de carbonato de cálcio.
No caso do carbonato de sódio a diferença esta que o tubo sob aquecimento não apresenta a formação de gotículas como no caso anterior, ocorre também a formação de oxido de sódio a partir da decomposição do carbonato de sódio, mas como no caso anterior, há a formação de carbonato de cálcio, quando a água de cal entra em contato com o CO2, fazendo com que a solução também fique turva.
Comportamento do Na2CO3 e o NaHCO3:
Após adicionar o ácido clorídrico sobre o carbonato de sódio notou-se a efervescência no tubo de ensaio, sendo provocada pela formação e liberação do gás de dióxido de carbono. Ocorrendo o mesmo com o bicarbonato de sódio. Sua cor permanece incolor por se tratar apenas de cloreto de sódio, água e o dióxido de carbono que escapa pelo ar.
Hidrólise do Na2CO3
Na etapa dehidrólise do carbonato de sódio, observa-se a formação de um precipitado branco no fundo do tubo de ensaio. Esse precipitado formado é o hidróxido de alumínio. O hidróxido de alumínio foi formado através da reação do carbonato de sódio com a água, originando então hidróxido de sódio aquoso. O hidróxido de sódio aquoso reage com o sulfato de alumínio, que é solúvel, formando o hidróxido de alumínio, insolúvel em água. A reação também forma sulfato de sódio, que é um sal solúvel no meio aquoso. A reação de formação do hidróxido confirma a hidrólise do carbonato.
Determinação da pureza do Na2CO3 comercial: 
Ao reagir HCl com Na2CO3, pode-se comprovar que esta reação estava promovendo a evolução de gás, já que houve formação de grandes bolhas no recipiente conectado com mangueira no balão volumétrico (meio onde estava ocorrendo a reação). A partir da evolução de gás, houve a diminuição no menisco, que antes estava indicando 250 mL, e após o processo 231 mL. Teve-se um total de 19 mL de gás adicionado à solução salina, que correspondia a 7,2899.10-4 mol de gás CO2.
A partir do cálculo teórico da pressão do sistema (proveta), considerando que a pressão do meio era composta pela pressão atmosférica, da água no estado líquido, da água no estado gasoso e a pressão causada pelo volume de gás adicionado ao meio, pode-se determinar o quão puro estava o Na2CO3. Obtendo uma pureza de apenas 6,451%.
Essa baixa pureza pode ser justificada por fatores como: inserção de impurezas no recipiente pelo uso inadequado da espátula (inserir a espátula dentro do recipiente, após deixa-la em contato com a bancada, sem suporte adequado embaixo), quantidade de tempo que o sólido fica exposta na atmosfera (em contato com o ar), podendo absorver água, entre outros erros cometidos durante o seu uso nas práticas laboratoriais. 
Conclusão: 
Com a realização do experimento, pode-se aferir que de fato, ocorreu a decomposição térmica do carbonato e bicarbonato de sódio, resultando em gás carbônico e água. A reação com o hidróxido de cálcio resultou na formação de carbonato de cálcio e oxido de cálcio. A reação com o carbonato e o bicarbonato em meio ácido foi de acordo com o esperado teoricamente, produzindo gás carbônico e água. A reação de hidrólise é confirmada através da formação do hidróxido de alumínio. O carbonato de sódio comercial apresentou uma pureza significativamente boa, obtida pelo volume de gás liberado.
Questões:
1 - Descreva o processo Solvay e o processo Leblanc de produção do Na2CO3.
Em 1791, Nicolas Leblanc obteve sucesso na produção de carbonato de sódio a partir do sal num processo de duas etapas. Na primeira etapa, o cloreto de sódio é misturado com uma solução concentrada de ácido sulfúrico em temperaturas 800-900 °C; o gás (ácido clorídrico) se liberta, deixando sulfato de sódio sólido. Na segunda etapa, o sulfato de sódio é esmagado, misturado com carvão e calcário e novamente aquecido numa fornalha. 
O Processo Solvay utiliza como insumos salmoura e carbonato de cálcio, também há a utilização de amônia, mas esta é reciclada durante o processo. Na primeira etapa a salmoura é saturada de NH3, de forma a, além dos íons sódio e cloreto, gerar em solução amônio e hidroxila. Em seguida, injeta-se CO2 na solução, de forma que ocorram as seguintes reações, resultando em NaHCO3, que, nas condições do processo, precipita. De início é necessário purificar a salmoura, fim de retirar os contaminantes que acompanham o NaCl, como MgCl2, CaCl2, CaSO4 e outros, isso se dá por precipitação e subsequente filtragem.
Uma vez purificada, a solução é conduzida então a uma torre de saturação de amônia, onde a solução entra pelo topo e recebe a amônia em baixas temperaturas por contra-corrente, sendo esta injetada na base da coluna de forma que suba, borbulhando através da solução de NaCl, podendo então ser absorvida.
Em seguida, a solução, ainda resfriada pela ação da amônia, é conduzida a uma torre semelhante, onde ao invés de amônia é injetado CO2, produzindo uma solução com um precipitado suspenso de NaHCO3. Essa solução é levada então a um filtro tambor, onde os cristais de NaHCO3 são filtrados e lavados, a fim de livrá-los completamente do cloreto de amônio, que comprometeria a continuidade do processo.
Por fim, os cristais de NaHCO3 são levados a um forno rotativo onde ficam até a calcinação, que produz Na2CO3 com um bom grau de pureza. Observe que o CO2 obtido nesta etapa é retornado ao processo.
2 - Cite 3 usos industriais do Na2CO3.
O Na2CO3 é usado industrialmente para tostar (esquentar baixo uma rajada de ar) o cromo e outros extratos, além de diminuir o conteúdo de enxofre e fósforo de fundição de aço, pode ser utilizado para baixar o ponto de fusão do silício, na fabricação de detergentes, entre outras utilidades.
3 - Cite 3 usos industriais do NaHCO3.
A indústria o utiliza como um aditivo na preparação de alimentos embalados. A presença dele nos alimentos é identificável na embalagem devido à sigla E500.
Empregado para facilitar a fermentação de massas, durante o cozimento, pois ajuda a liberar o dióxido de carbono.
Tem um leve poder abrasivo e clareador, o que induz sua utilização na formulação industrial de cremes dentais.
4 - Nos extintores de incêndio utiliza-se o NaHCO3 ao invés de Na2CO3. Por quê?
Nos extintores há NaHCO3 e H2SO4 que quando acionado reagem produzindo uma espuma com liberação de CO2, não é utilizado o carbonato de sódio pois a produção de dióxido de carbono é lenta em relação a do bicarbonato,ou seja, pode acabar o ácido e ainda sobrar carbonato de sódio.
5 - Escreva a reação de hidrólise do carbonato de sódio. Porque se usa sulfato de alumínio no procedimento usado no laboratório?
As reações de hidrólise do carbonato de sódio podem ser escritas como:
Na2CO3 + 2 H2O → H2CO3 + 2 NaOH
A base formada irá reagir com o sulfato de alumínio.
Al2(SO4)3 + 6 NaOH → 2 Al(OH)3 + 3 Na2SO4
Utiliza-se sulfato de alumínio em laboratório, pois quando o hidróxido de sódio em meio aquoso reage com o sulfato, produz hidróxido de alumínio, que é insolúvel em meio aquoso, confirmando a presença de íons hidróxido e confirmando a hidrólise.
6 - Calcule a pureza do CaC2(s) sabendo-se que 1,5 g desse composto foi capaz de deslocar o menisco da proveta (Pw) em 35,5 cm (ou 355 mm). Obs: o experimento foi feito a uma temperatura ambiente de 25 oC. Volume gás liberado = 78 cm3
A reação que se processa é: CaC2 + 2 H2O Ca(OH)2 + C2H2(g)
Sabe-se que a pressão antes da inserção do gás era de:
P atm = PH2O(l) + PH2O(g)
Após a inserção do gás, a pressão é:
P atm = PH2O(l) + PH2O(g) + P(C2H2)(s)
A pressão de H2O(l) é: Pw/PHg, onde Pw é referente a altura de deslocamento do menisco, e PHg é a densidade do mercúrio (13,6 g/cm³)
P H2O(l) = 355/13,6 = 26,103 mmHg
A pressão de H2O(g) na temperatura de 25ºC é de: 17,9 mmHg, enquanto que a pressão atmosférica é 760 mmHg.
Com essas informações, é possível calcular a pressão do C2H2(g), que será:
PC2H2 = P atm – PH2O(l) – PH2O(g)
PC2H2 = 760 – 26,103 – 17,9 = 715,997 mmHg
O volume de gás adicionado foi de: 0,078 dm³ = 0,078 L.
Considerando que C2H2 comporta-se como um gás ideal e aplicando a Lei dos Gases ideiais, temos que:
PV = nRT
715,997.0,078 = n 62,3. 298,15
N = 3,01.10-3 mol
Sabendo que foi usado 1,5 g de CaC2 no experimento:
64 g CaC2 --------- 26 g C2H2
 1,5 g ---------- x
X = 0,609 g de C2H2 = 0,023 mol formado
Calculando a pureza do CaC2 utilizado:
0,023 ------------- 100%
3,01.10-3 --------- x
X = 13,087% de pureza.
7 - Cite 4 métodos de determinação da pureza de uma substância.
Medindo a densidade, aquecendo para evaporar a água se a substância for higroscópica, volume de gás liberado dentro de uma coluna com solução aquosa e através de cálculos através de grau de pureza dos reagentes que é a relação entre a massa da substância pura e a massa total da amostra.