relatório 7 Metais Alcalinos e Alcalinos Terrosos

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Universidade Federal do Ceará
Centro de Ciências
Departamento de Química Orgânica e Inorgânica
Bacharelado em Farmácia
 Química Geral e Inorgânica
Prática Nº 7
Metais Alcalinos e Alcalinos Terrosos
Aluno: Darlan Brasileiro de Araújo
Matrícula: 375496
Professora: Maria Elenir Nobre Pinho Ribeiro
Data de realização: 20 de Maio de 2015.
Data de entrega: 03 de Junho de 2015
Sumário
Fundamentação Teórica	3
Objetivos	8
Parte Experimental	8
Materiais Utilizados	8
Reagentes Utilizados	8
Metodologia	9
Resultados e Discussão	11
Considerações Finais	15
Referências	16
Fundamentação Teórica
A tabela periódica é arranjada de forma a deixar o mais próximo possível os elementos que apresentam reatividades semelhantes, logo, há blocos em que se encontram gases e outros que se encontram materiais com uma tendência bem maior a perder ou ganhar elétrons em reação.
Metais Alcalinos
Os metais alcalinos constituem o grupo 1A da tabela periódica. Portanto, sua configuração eletrônica sempre termina em ns¹, com n variando de 1 a 7. Apesar do hidrogênio satisfazer a regra s¹, ele não é considerado um metal alcalino, pois não possui praticamente nenhuma outra característica físico-química semelhante com os outros elementos.
Os constituintes da família 1A são:
Lítio, Li (z = 3);
Sódio, Na (z = 11);
Potássio, K (z = 19);
Rubídio, Rb (z = 37);
Césio, Cs (z = 55);
Frâncio, Fr (z = 87)
Todos os metais alcalinos são extremamente reativos quando expostos ao oxigênio ou à água, assim como a qualquer ânion. Uma vez que as energias de ionização dos mesmos são as mais baixas da tabela, a perda do último elétron da camada se faz sem o desprendimento de muita energia.
Seguem alguns exemplos:
a) 2Li(s) + 2H2O(l) → 2LiOH(aq) + H2(g)
b) 4K(s) + O2(g) → 2K2O(s)
c) 2Rb(s) + 2H2O → 2Rb(OH)(aq) + H2(g)
As reações entre os metais alcalinos e a água acontecem tão violentamente (como na do rubídio) que podem ocasionar a combustão espontânea do hidrogênio liberado; assim, devem ser acondicionados em atmosferas de baixa umidade e protegidos contra o oxigênio (com uma camada plástica impermeável, por exemplo).
Os metais desse grupo apresentam baixa eletronegatividade (decrescente com o número de camadas, assim o frâncio é o menos eletronegativo), e baixa energia de ionização (sendo, então, mais uma diferença entre o átomo de hidrogênio e o átomo de qualquer metal alcalino; uma vez que a retirada do único elétron do hidrogênio requer energia muito maior).
Apenas os três últimos elementos são essencialmente radioativos (embora todos os outros possuam radioisótopos, os isótopos mais frequentes não são) : são conhecidos do rubídio os isótopos naturais 85Rb, o único estável, e o 87Rb, ligeiramente radioativo e representando quase 28% das formas do rubídio; o césio apresenta o 133Cs como único estável e também único natural, sendo o césio-137 o causador da contaminação radioativa envolvendo a cidade de Goiânia em 1987; apenas o frâncio é totalmente radioativo (seja através da formação natural a partir do urânio-235 ou pela síntese em laboratório), assim como o mais instável e o segundo elemento mais raro da tabela (atrás do astato).
Em geral, os alcalinos são moles, pouco densos, com pontos de fusão e ebulição também menores em relação aos outros metais (o frâncio possui o menor ponto de fusão, cerca de 27°C). Além disso, possuem brilho rapidamente fosco (principalmente pela ação do oxigênio do ar), e quando pulverizados, aparentam a cor branca.
 
Metais Alcalinos Terrosos
Os metais alcalino-terrosos representam os elementos do grupo 2A da tabela periódica, com configuração eletrônica terminando em ns², onde n representa o número correspondente à última camada (variando de 1 a 7).
Constituem essa família os elementos: 
Berílio, Be (z = 4);
Magnésio, Mg (12);
Cálcio, Ca (z = 20);
Estrôncio, Sr (z = 38);
Bário, Ba (z = 56);
Rádio, Ra (z = 88).
Como possuem dois elétrons na camada de valência, os metais alcalino-terrosos são comumente encontrados na natureza sob estado de oxidação +2 (pois também são altamente reativos, e, nos casos do cálcio, estrôncio e bário, são tanto quanto os elementos da família 1A).
O berílio e o magnésio, por causa das suas respectivas energias de ionização, apresentam os valores mais altos de potenciais de redução (assim, os menores potencias de oxidação) do grupo 2A. Ao passo que os potenciais dos outros metais, são equiparáveis com os alcalinos.
A exceção do berílio, quando em contato com água, os metais tendem a formar hidróxidos com consequente liberação de hidrogênio gasoso. Entretanto, a reação do magnésio com água é bastante lenta, pois há formação de película passivante de oxidação do metal (MgO) que dificulta o processo, ou até mesmo a reação com outras substâncias à temperatura ambiente.
Em contato com oxigênio, formam óxidos de caráter básico (o bário também pode dar origem ao peróxido de bário, caso sejam mantidas altas pressões e temperaturas); haletos e nitretos (MX2, M3N2); e especialmente o bário, cálcio e estrôncio, também tendem a formar hidretos metálicos do tipo MH2.
Assim como os metais alcalinos, os alcalino-terrosos possuem baixos valores de eletronegatividade crescentes com a diminuição do número de camadas (de baixo para cima), e baixos valores de energia de ionização (também crescente de baixo para cima).
O estrôncio, bário e rádio são os metais que apresentam mais radioisótopos (isótopos radioativos): o estrôncio tem 4 isótopos naturais estáveis (com o Sr-88 o mais abundante, cerca de 83%) e 16 radioativos (com o Sr-90); o bário possui 7 isótopos naturais estáveis e 15 radioativos (o mais duradouro, Ba-133); o rádio é o único que não possui isótopos naturais estáveis, apenas radioisótopos.
Todos são sólidos à temperatura ambiente e formam retículos cristalinos hexagonais de empacotamento denso (berílio e magnésio), estruturas cúbicas de faces centradas (cálcio e estrôncio) e corpo centrado (bário).
	Solubilidade de cloretos, carbonatos e hidróxidos de metais alcalinos e alcalinos terrosos
Para analisar a solubilidade desses compostos, deve-se verificar quais deles dissociam mais, ou seja, aqueles com maior caráter iônico, que se dissociarão mais facilmente, e portanto se solubilizarão com mais facilidade. Como a diferença de eletronegatividade nos cloretos será maior nos alcalinos em relação aos cloretos de alcalinos terrosos, o NaCl é mais solúvel que o CaCl2. Fazendo-se isso com os hidróxidos e carbonatos, também verifica-se o mesmo, os compostos de sódio são mais solúveis. Agora é necessário determinar quais aqueles mais iônicos, que agora só depende do ânion: aquele mais eletronegativo será o de maior diferença de eletronegatividade, portanto mais iônico, mais dissociável e mais solúvel. Nesse sentido, os mais eletronegativos são os cloretos, seguidos pelos hidróxidos e pelos carbonatos. Então a ordem será, primeiro os cloretos: NaCl, CaCl2, NaOH, Ca(OH)2, Na2CO3 e CaCO3.
Teste da chama na identificação dos metais alcalinos e alcalinos terrosos em compostos
Um teste usado para identificar os metais alcalinos presentes nos compostos colocando-se um cloreto de um metal alcalino sob a ação de uma chama, onde cada metal emite uma chama de cor diferente. A coloração diferente da chama deve-se a excitação dos elétrons, que passam de um subnível a outro mais alto por causa da energia (E) fornecida pela chama. Ao retornar ao seu nível inicial, o elétron emite energia na forma de uma onda de luz de determinado comprimento, que corresponde a uma certa cor do espectro. Essa energia se relaciona com o número de onda ν através da relação de Einstein:
E = hν
Abaixo estão os elementos listados com as cores correspondentes:
	
	Cor
	Li
	Vermelho-Carmim
	Na
	Amarelo
	K
	Violeta
	Rb
	Vermelho-violeta
	Cs
	Azul
	Ca
	Vermelho-tijolo
	Ba
	Amarelo-esverdeado
Objetivos
Comparar o comportamento dos metaisalcalinos e alcalinos terrosos quanto a reatividade em ar, água e sulfato de cobre;
Observar algumas propriedades químicas e físicas dos compostos de metais alcalinos e alcalino terrosos;
Comparar a solubilidade de hidróxidos, cloretos e carbonatos dos metais alcalinos com a dos alcalinos terrosos; 
Identificar cátions de metais alcalinos e alcalinos terrosos através do teste de chama;
Parte Experimental
Materiais Utilizados
Tubos de ensaio
Papel Filtro
Placa de Petri
Vidro de relógio
Cápsula de porcelana
Faca
Alça metálica
Bico de Bunsen
Reagentes Utilizados
Sódio metálico (Na(m))
Água destilada (H2O(l))
Sulfato de Cobre (CuSO4(aq))
Magnésio metálico (Mg(m))
Hidróxido de sódio (NaOH(s))
Hidróxido de cálcio (Ca(OH)2(s))
Óxido de cálcio (CaO(s))
Cloreto de sódio (NaCl(s))
Cloreto de cálcio (CaCl2(s))
Carbonato de sódio (Na2CO3(s))
Carbonato de Cálcio (CaCO3(s))
Substâncias A, B, C e D.
Fenolftaleína (indicador)
Metodologia
Parte 1 – REAÇÃO COM AR, ÁGUA E SULFATO DE COBRE
1.1. Com uma pinça foi retirado um pedaço de sódio metálico (Na(m)) de um frasco com querosene (que conservava o mesmo) e colocado sobre um papel filtro e cortado em três pedaços do tamanho de um grão de arroz cada. Foi observada a reação do ar sobre um dos pedaços. As observações foram anotadas.
1.2. O outro pedaço foi usado para reagir com água destilada na cápsula de porcelana com três gotas de fenolftaleína, coberto com o vidro de relógio. As observações foram anotadas.
1.3. O último pedaço foi utilizado para reagir num tubo de ensaio com 3,0 mL de CuSO4 a 1 mol/L. As observações foram anotadas.
1.4. As etapas 2 e 3 foram repetidas, dessa vez utilizando o magnésio metálico (Mg(m)). Porém a etapa 2 com água foi aquecida no bico Bunsen até o ponto de ebulição e depois deixada em repouso na estante. As observações foram anotadas.
Parte 2 – PROPRIEDADES FÍSICAS E QUÍMICAS DOS COMPOSTOS
2.1. Uma pequena quantidade hidróxido de sódio (NaOH) e de hidróxido de cálcio (Ca(OH)2) foram colocadas separadamente sobre o vidro de relógio. As observações foram anotadas.
2.2. Uma pequena quantidade de Óxido de cálcio (CaO) foi adicionada a 2,0 mL de água destilada em um tubo de ensaio. As observações foram anotadas.
Parte 3 – SOLUBILIDADE DOS HIDRÓXIDOS, CLORETOS E CARBONATOS
3.1. Em tubos de ensaio foi colocado 5,0 mL de água destilada e aproximadamente 0,1 g de cada uma das seguintes substâncias: NaOH, Ca(OH)2, NaCl, CaCl2, Na2CO3, CaCO3. As observações das solubilidades das misturas foram anotadas.
3.2. Por fim foi feito o teste da chama para a identificação de cátions dos elementos presentes nas substâncias A, B, C e D. Para isso foi utilizada uma alça metálica de Ni/Cr mergulhando-a em cada um dos recipientes que continham as soluções das substâncias, tendo o cuidado de, entre os intervalos dos testes, realizar um procedimento de limpeza da alça metálica, mergulhando-a em uma solução de HCl a 6 m/L e queimando-a até que não houvesse mais mudança na cor da chama. As observações foram anotadas.
Resultados e Discussão
Parte 1 – REAÇÃO COM AR, ÁGUA E SULFATO DE COBRE
Na reação do sódio metálico com o ar percebeu-se algum tempo depois que houve a formação de uma crosta esbranquiçada sobre o pedaço do mesmo, isso pode ser explicado porque o sódio, por fazer parte do grupo dos metais alcalinos, apresenta alta reatividade devido a sua distribuição eletrônica eles possuem um único elétron na sua última camada eletrônica, que faz com que eles tenham forte tendência a se oxidar, perdendo esse elétron e adquirindo uma configuração eletrônica de um gás nobre, ou seja instável. Essa crosta representa a efervescência da camada superficial do metal com o oxigênio.
4Na(s) + O2(g) → 2Na2O(s)
Reagindo com a água destilada o sódio mal tocou a superfície da água e já reagiu rápida e energicamente até seu consumo completo. Quando metais alcalinos reagem com água formam seus respectivos hidróxidos, o que é comprovado pela mudança de cor da solução para um tom róseo, na presença de fenolftaleína, a reação é exotérmica. Assim temos:
2Na(s) + 2H2O(l) → 2NaOH(aq) + H2(g)
Já a reação do sódio com o CuSO4, como o esperado, aconteceu violentamente a ponto de a reação exotérmica emitir certa chama antes de fazer com que se formasse uma crosta escura no tubo de ensaio e uma coloração azulada no líquido a baixo. O motivo e que os metais alcalinos tem alto poder oxidante, e na reação com o sulfato de cobre ele reduz o cobre, deslocando-o. Temos a seguinte equação química:
2Na(s) + CuSO4(aq) → Na2SO4(aq) + Cu(s)
O magnésio metálico, que é do grupo dos metais alcalino terrosos, não possuem um poder oxidante tão alto quanto o dos metais alcalinos, o que é justificado pelas suas configurações eletrônicas, os metais alcalinos terrosos possuem dois elétrons na última camada de valência.
	Na reação do magnésio metálico com o oxigênio nota-se a formação de um oxido que deixa o metal menos brilhante, mas não chega a efervescer com no sódio, esse processo descreve-se pela seguinte equação:
 Mg(s) + O2(g) → MgO(s)
Quando adicionamos as rapas de magnésio metálico no tubo de ensaio com água e fenolftaleína, nota-se que a reação não ocorre com tanta veracidade, se comparada a do sódio, necessitando de aquecimento para que a reação aconteça, assim podemos observar a presença de pequenas bolhas que se desprendiam da camada superficial do magnésio, a solução adquiriu um tom de rosa, o que comprovou a formação de uma base como descreve a equação da reação abaixo:
Mg(s) + 2H20(l) → Mg(OH)2 + H2(g)
	Na reação com o sulfato de cobre como o potencial de oxidação do magnésio e menor que o do sódio, ele reduz o cobre do sulfato com menos intensidade o que torna a reação lenta e quase imperceptível, mas nota-se a formação de bolhas e de minúsculas partículas no fundo do tubo de ensaio, que é o cobre metálico. A reação:
Mg(s) + CuSO4(aq) + Cu(s)
Parte 2 – PROPRIEDADES FÍSICAS E QUÍMICAS DOS COMPOSTOS
Na comparação lado a lado entre os dois hidróxidos, foi analisada a higroscopicidade de ambos, ou seja, a capacidade de absorver umidade pelo ar, nesse caso, ao observar-se os compostos sobre o vidro de relógio, percebe-se após alguns instantes que a porção de NaOH fica com uma aparência de molhada, como se estivesse derretendo, mas não percebe-se visualmente alguma mudança no Ca(OH)2, levando em conta esses fatos pode-se dizer que: o NaOH possui maior facilidade de absorver água da atmosfera, ou seja, é mais higroscópico.
No segundo experimento, com o CaO em água e fenolftaleína foi observado que a coloração se tornou imediatamente rósea, logo, foi detectada basicidade pelo indicador. Isso se explica pela equação:
CaO(s) + H2O(l) → Ca(OH)2
Pois há a formação de uma base.
Parte 3 – SOLUBILIDADE DOS HIDRÓXIDOS, CLORETOS E CARBONATOS
	Os resultados para os testes foram:
	Composto
	Solubilidade
	NaOH
	Dissolução total
	Ca(OH)2
	Suspensão
	NaCl
	Dissolução total
	CaCl2
	Dissolução quase total
	Na2CO3
	Dissolução quase total
	CaCO3
	Suspensão
	A solubilidade dos compostos explica que, quanto mais iônico é um composto, mais solúvel ele será, pois se dissociará com mais facilidade. Assim, os cloretos, foram realmente os mais solúveis, por apresentarem o mais acentuado caráter iônico. 
NaCl(s) + H2O(l) → não há reação
CaCl2(s) + 2H2O(l) → Ca(OH)2(aq) + 2HCl(aq)
Os hidróxidos estão na fase intermediária, já que se dissociam menos.
NaOH(s) + H2O(l) → Na+(aq) + OH-(aq) + H2O(l)
Ca(OH)2(s) + H2O(l) → Ca2+(aq) + H2O(l) + 2OH-(aq)
E os carbonatos, por serem os menos iônicos, quase não dissociam e são praticamente insolúveis.
	Na2CO3(s) + 2H2O(l) → H2CO3(aq) + 2NaOH(aq)
CaCO3(s) + H2O(l) → CO2(g) + Ca(OH)2(aq)
	
Em seguida, o teste da chama demonstrou a identificação de determinados cátions pela mudança da cor da chama. Essa variação da tonalidade se dá através do efeito fotoelétrico. Quando o elétron excitado retorna ao seu estado fundamental, ele libera umaquantidade de energia que foi alcançada pelo sistema para que fosse possível que o elétron passasse para uma camada mais externa, essa luz é denominada fóton.
	Substância
	Cor da Chama
	A
	Amarelo-esverdeado
	B
	Vermelho-tijolo
	C
	Violeta
	D
	Vermelho-carmim
Pela constatação das cores e com base na tabela da identificação de elementos pelo teste chama (deste relatório) tem-se:
	Substância
	Cor da Chama
	Elemento
	A
	Amarelo-esverdeado
	Bário (Ba)
	B
	Vermelho-tijolo
	Cálcio (Ca)
	C
	Violeta
	Potássio (K)
	D
	Vermelho-carmim
	Lítio (Li)
Considerações Finais
Os metais alcalinos são bem mais reativos que os metais alcalino-terrosos, efeito da eletropositividade desses metais alcalinos, a maior da tabela periódica, ou seja possuem forte tendência de se oxidar perdem elétrons com muita facilidade para adquirirem a configuração de um gás nobre.
Uma grande polarização determina que uma grande quantidade de moléculas de água irão se prender no retículo desses compostos polarizados, ou seja, quanto mais polarização mais higroscopicidade. No caso, o NaOH apresentou essa característica ao se mostrar mais reativo com as moléculas de água em estado gasoso presentes no ar.
Os carbonatos de metais alcalino-terrosos são aquecidos e se transformam em óxidos, que podem reagir violentamente com água para formar uma base do metal.
Os compostos de metais alcalinos são sempre mais solúveis que os de mesmos ânion de alcalino-terrosos, porque quanto maior o caráter iônico maior sua solubilidade.
É possível identificar cátions de alcalinos submetendo-os a excitação por uma chama pela cor da luz que emitem quando liberam energia ao voltar de um nível para o qual saltaram ao absorverem e energia transmitida pela chama.
Por fim, constrói-se a seguinte tabela com as principais características de cada grupo químico.
	
	Metais Alcalinos
	Metais Alcalinos Terrosos
	Reatividade com o ar
	+
	-
	Reatividade com água
	+
	-
	Solubilidade
	+
	-
	Capacidade redutora
	+
	-
	Higroscopicidade (hidróxidos)
	+
	-
Referências
Manual de Laboratório, Química Geral e Inorgânica, Fortaleza: UFC, 2015.
ATKINS, P; JONES. L. Princípios de Química – Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente. 5ª edição. Bookman, 2012.
Professor Cesar Mauricio Gomes dos Santos, Hidróxido de Cálcio, <http://cesarmauriciosantos.blogspot.com.br/2008/11/hidrxido-de-clcio.html>
Características Químicas do Hidróxido de Cálcio, < http://www.forp.usp.br/restauradora/calcio/quimica.htm>
Metais Alcalinos, Júlio César Lima Lira, < http://www.infoescola.com/quimica/metais-alcalinos/>
Metais Alcalinos Terrosos, Júlio César Lima Lira < http://www.infoescola.com/quimica/metais-alcalino-terrosos/>.