Relatório 4 - QA - Separação de cátions do grupo IIIA

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Universidade Federal de São João Del-Rei
Campus Alto Paraopeba
Engenharia Química
Separação de cátions do grupo IIIA
Relatório apresentado como parte das exigências
da disciplina Química Analítica Experimental sob
responsabilidade da Profª. Ana Maria de Oliveira.
Camila Magalhães Garcia – 124500039
Gabriel Renault de Mendonça – 124500024
Marcos Antônio Ramos – 124500023
Rafael Oliveira Paes de Lima – 124500029
Ouro Branco – MG
Outubro/2013
Separação de cátions do grupo IIIA
Resumo
	O grupo IIIA é também chamado de grupo do sulfeto de amônio, pois os íons desses metais se precipitam como sulfetos ou hidróxidos em uma solução tamponada com NH4OH/NH4Cl. Dentre os cátions deste grupo são: Fe3+, Al3+ e Cr3+. O ferro e o cromo são elementos de transição, e por esta razão pode-se esperar que suas propriedades sejam aquelas de elementos que tem uma camada interna de elétrons incompleta, isto é, valência variada, íons coloridos e forte tendência para formar íons complexos 2. O alumínio não é um metal de transição, mas o íon Al3+ tem muitas propriedades semelhantes as dos íons Cr3+ e Fe3+, dentre elas tender a formar complexos, o que pode ser explicado pelo fato destes íons terem as mesmas cargas e raios aproximadamente iguais. No presente experimento, preparou-se uma amostra inicial contendo soluções de Cr(NO3)3, Fe(NO3)3 e Al(NO3)3 com a adição de 266 mg de NH4Cl e NH4OH. Assim, ferveu-se e filtrou-se a amostra para obter o precipitado com os hidróxidos dos respectivos cátions do grupo IIIA citados, com a formação de um precipitado e um sobrenadante. Ao precipitado, foi adicionado uma solução de NaOH e H2O2. Ferveu-se e filtrou-se novamente, a fim de coletar o precipitado resultante da adição da base e peróxido. Logo após, com a adição de HCl e KSCN, a solução tornou-se da cor vermelho sangue, evidenciando a presença do cátion Fe3+. Ao sobrenadante, retiraram-se duas alíquotas para analisar a presença de cátions alumínio e cromo. Para o primeiro, adicionou-se HCl e NH4OH, aferindo o pH depois de cada adição, sendo possível perceber um precipitado branco gelatinoso nas paredes da vidraria, que se refere ao Al(OH)3. E na segunda alíquota, acidificou-se o meio com ácido acético e gotejou-se acetato de chumbo até observar a formação de um precipitado amarelo claro (cromato de chumbo). Com isso, neste estudo procurou-se separar qualitativamente o Al3+, Fe3+ e Cr3+ em uma amostra por precipitação com NH4OH/NH4Cl sob a forma de hidróxidos e identificá-los.
Resultados e discussões
	Para a identificação dos cátions Al3+, Fe3+ e Cr3+ foram realizados testes nas soluções iniciais de Cr(NO3)3, Fe(NO3)3 e Al(NO3)3, sendo todas de concentração 5 mol L-1. A partir das propriedades dos metais de transição ferro e cromo, que possuem valência variada e que tendem a formar íons complexos coloridos, e das características semelhantes do alumínio a esses elementos mesmo não sendo um metal de transição, foi possível identificá-los por meio da mudança de coloração da solução (VOGEL, 1981).
	As etapas realizadas no experimento são descritas no fluxograma da Figura 1:
FLUXOGRAMA
Uma solução original foi preparada com todos os cátions, denominada solução mãe. Quando o precipitado foi obtido e separado por filtração da solução, obteve-se uma solução denominada sobrenadante, sendo esta descartada, devido a ausência dos íons de interesse.
Para o preparo da solução mãe, foi medido e misturado em um béquer soluções de concentração 5 mol L-1 de Cr(NO3)3, Fe(NO3)3 e Al(NO3)3 com a posterior adição de 266 mg de NH4Cl, sendo a solução aquecida até a ebulição. Adicionou-se, então, uma solução de NH4OH 5 mol L-1 e com o auxílio do tornassol, verificou-se a alcalinidade do meio. Com o meio básico, gotejou-se cinco gotas de NH4OH 5 mol L-1 e, após isso, ferveu-se e filtrou-se o precipitado, separando-o do sobrenadante formado.
A utilização do tampão NH4OH/NH4Cl para a obtenção dos hidróxidos desejados é de suma importância, pois auxilia na manutenção do pH reacional, consumindo os íons hidroxilas adicionados da base NH4OH. Assim, evita-se a produção de hidróxidos não desejados na prática, como o Al(OH)4 e Cr(OH)4, provenientes das reações 1 e 2 respectivamente. Nesse caso, o tampão funciona como um consumidor do excesso de OH- que possa ser adicionado até o limite da capacidade tamponante da solução (HARRIS,2005).
Reação 1: Al3+(aq.) + 3 OH-(aq.)    Al(OH)3(s) + OH- Al(OH)4(aq.)
Reação 2: Cr3+(aq.) + 3 OH-(aq.) Cr(OH)3(s) + OH- Cr(OH)4(aq.)
Além disso, a dissociação dos nitratos adicionados na solução tampão favorece as seguintes reações (VOGEL,1981):
Reação 3: Cr3+(aq.) + 3NH3(g) + 3H2O(l)→ Cr(OH)3(s)↓ + 3 NH4+(aq.)
Reação 4: Al3+(aq.) + 3NH3(g) + 3H2O(l)→ Al(OH)3(s)↓ + 3 NH4+(aq.)
Reação 5: Fe3+(aq.) + 3NH3(g) + 3H2O(l)→ Fe(OH)3(s)↓ + 3 NH4+(aq.)
As reações 3,4 e 5 mostram a produção dos hidróxidos desejados no experimento e presentes no precipitado formado, sendo este de coloração marrom escuro, separado por filtração com auxílio de um papel de filtro da solução sobrenadante isenta de cátions IIIA.
O precipitado composto pelos hidróxidos Cr(OH)3, Al(OH)3 e Fe(OH)3 foi lavado com solução de NH4Cl 1% m/v e adicionou-se 1 mL de solução de NaOH 5 mol L-1 e 1 mL de solução de H2O2 3% para a oxidação do CrO2- a CrO42-. Após ferver e filtrar a solução obtida, teve-se um novo precipitado podendo conter o hidróxido de ferro e uma solução sobrenadante contendo CrO42- e Al(OH)4-. A adição da base forte NaOH fez-se necessária, a fim de solubilizar os íons cromito e aluminato na solução, pois cromo e alumínio possuem caráter anfótero, diferentemente do ferro que por sua vez precipitou.
Para a análise do precipitado, dissolveu-o em solução de HCl 5 mol L-1, para acelerar a dissociação do hidróxido de ferro na solução, e adicionou-se KSCN para reagir com Fe3+ dissociado. Após a adição desses reagentes, percebeu-se uma alteração na tonalidade de marrom para vermelho sangue, devido a formação do complexo não dissociado de tiocianato de ferro (III), confirmando a presença de ferro. A Reação 6 ilustra isto:
Reação 6: Fe3+(aq.) + 3 SCN-(aq.) → Fe(SCN)3(aq.) 
A continuação do experimento envolveu a identificação dos outros cátions por meio da solução sobrenadante produzida após a adição de hidróxido de sódio e peróxido de hidrogênio, para verificar a existência de cromo e alumínio. Para isso, separou-se em duas alíquotas para a análise, sendo cada uma direcionada para identificação de um elemento.
Em uma das alíquotas, o meio foi acidificado com gotas de solução de ácido acético 5 mol L-1 com o uso do papel tornassol para verificar a mudança no pH. Posteriormente, gotejou-se solução de acetato de chumbo 1% m/v até haver a formação de precipitado amarelo, observado no final da adição deste reagente, evidenciando a presença de cromo na alíquota analisada.
A utilização de ácido acético serviu para acidificar o meio, fazendo com que a dissociação do hidróxido crômico fosse catalisada. Além disso, a adição do Pb(C2H3O2)2 promoveu a formação de um precipitado amarelo, denominado cromato de chumbo. Sua formação se dá através das reações 7 e 8:
Reação 7: Pb(C2H3O2)2(s) Pb2+(aq.) + C2H3O2-(aq.)
Reação 8: Pb2+(aq.) + (CrO4)2- PbCrO4(s)↓
Para a segunda alíquota de sobrenadante, adicionaram-se gotas de ácido clorídrico 5 mol L-1 até o meio se tornar ácido, avaliando sempre com papel tornassol o pH. Logo depois, gotejou-se NH4OH, confirmando com a evidência de presença de alumínio com a aparição de pequenos precipitados brancos nas paredes da vidraria. Nesse caso, a utilização do ácido se deu para deslocar o equilíbrio da reação 9 para a direita, formando Al(OH)3 precipitado, mas excedendo um pouco pode-se observar a sua forma solúvel Al3+. Sendo assim, é importante adicionar pequenas quantidades de base a fim de deslocar o equilíbrio no sentido de consumir os íons hidroxila para predominar a forma precipitada (hidróxido de alumínio).
Reação 9: Al3+(aq.)+ OH-(aq.) Al(OH)3(s) + OH-(aq.) AlO2-(aq.) + 2 H2O(l) 
Referências bibliográficas
RETIREI MUITA COISA DAQUI http://www.passeidireto.com/arquivo/1814753/quimica-analitica-teorica/6
HARRIS, D.C. Análise Química Quantitativa. 6ª edição, Rio de Janeiro: LTC. 2005. 876p.
SKOOG, D. A; WEST, D.M; HOLLER, F.J; CROUCH, S.R. Fundamento de Química Analítica. 8 edição, São Paulo: Cengage Learning, 2011. 1124p.