ANÁLISE SISTEMÁTICA DE CÁTIONS GRUPO IV

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DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
LICENCIATURAPLENA EM QUÍMICA
PROFESSOR JANDYSON MACHADO SANTOS
QUÍMICA ANALITÍCA II
ANÁLISE SISTEMÁTICA DE CÁTIONS 
GRUPO IV (Fe3+, Bi3+, Cr3+ e Al3+) 
(Marcha Analítica do Na2CO3)
ALEX SANDRO NASCIMENTO DA SILVA FILHO 
ALICE MARIANA SOUZA DE ALMEIDA
FABRICIO RAMOS DA SILVA
HAYANNE PETRUSKA FERREIRA DA SILVA
JOBSON ALBUQUERQUE DA SILVA
JOSÉ PAULINO DA SILVA NETO 
MARCUS VINÍCIUS FRANCO
THAYANE CRISTINA DA SILVA MOREIRA
RECIFE, 2018.
INTRODUÇÃO:
Na química analítica o processo de análise qualitativa de uma substância é a base para a determinação das suas propriedades e característica. Para ocorrer a sua identificação é usado aspectos físico-químicos, onde a forma mais elementar de reconhecer a presença da matéria é através do uso dos sentidos organolépticas. Com essas peculiaridades do material pode-se desenvolver maneiras eficazes de identificação desta substância por diferentes vias.
	Os metais são elementos químicos encontrados em sua maioria no solo terrestre, possuindo como uma de suas propriedades mais notáveis a capacidade de conduzir corrente elétrica e calor forma bastante eficaz se comparados com outros materiais, alguns deles possuem uma grande reatividade. Essa reatividade está relacionada com a eletropositividade dos metais, e quanto maior for à tendência de perder elétrons, mais elevada é a probabilidade de formação de cátions metálicos.
Sabe-se que a presença de íons metálicos em alta concentração em mananciais pode alterar a característica da água e acarretar problemas na natureza e no organismo humano. Com isso a utilização de métodos que separem e identifiquem esses cátions em via úmida é de suma importância para química. A marcha analítica é uma forma amplamente utilizada em laboratório para separação e identificação de cátions metálicos por via úmida, pois utilizando de reagentes de grupo e específicos pode-se reconhecer a presença desses íons.
Essa técnica de analise divide os cátions metálicos em 5 grupos, esses grupos são organizados pelas características comuns que os cátions possuem. Dentro desse método de analise destacam-se a Marcha Analítica Clássica (MAC) e a Marcha Analítica do Carbonato de sódio (Na2CO3), a mais amplamente utilizada em analise qualitativa em laboratório é a do carbonato, pois apresenta uma serie de vantagens em relação a MAC; como por exemplo, não fazer uso de reagentes tóxicos, não há a formação de coloides e é mais rápida.
Os grupos variam na MAC em relação a Marcha Analítica do carbonato, de autor para autor também. Cada grupo possui um reagente especifico, ele é chamado de reagente de grupo, esse reagente explicita a característica principal de cada grupo. A tabela abaixo mostra os grupos da Marcha analítica do carbonato e seus respectivos reagentes de grupo:
	Tabela 1: Marcha Analítica do Carbonato (Na2Co3)
	Grupos
	Cátions
	Reagente de grupo
	Produtos formados
	1°
	Sb2+, Sb3+, Ti4+, Sn4+
	HNO3
	Sb2O3, H2TiO3, H2SnO3
	2°
	Pb2+, Ag+, Hg22+
	NH4Cl
	Cloretos insolúveis
	3°
	Ca3+, Pb3+, Sr3+, Ba2+
	(NH4)2SO4
	Sulfatos insolúveis
	4°
	Bi3+, Fe3+, Cr3+, Al3+
	NH4OH 
	Hidróxidos insolúveis
	5°
	Mn2+, Cu2+, Co2+, Ni3+, Hg2+, Cd3+, Zn3+, Ca2+, Mg2+
	-----
	Soluções complexadas
O grupo IV composto pelos seguintes cátions: Bi3+, Fe3+, Cr3+ e Al3+, é também conhecido como grupo dos hidróxidos insolúveis, pois todos os cátions formam hidróxidos extremamente insolúveis, portanto o seu reagente de grupo é o NH4OH. Todos os cátions desse grupo também possuem a característica de serem hidrolisados em agua, além de formarem complexos estáveis com alguns reagentes, com exceção do Bi3+ que possui dificuldade em formar complexos.
Na análise sistemática (separação e identificação) do grupo IV, é interessante o pH básico, pois assim são evitadas as precipitações de cátions pertencentes a outros grupos, por exemplo: Mn2+, que pertence ao grupo V. Esse fato também impede a formação de complexos amoniacais de Cr3+ e de íons aluminatos permitindo assim que uma maior quantidade desses cátions seja precipitada na forma de hidróxidos.
OBJETIVO:
Realizar a análise sistemática a fim de identificar cátions pertencentes ao grupo IV da marcha analítica do Na2CO3 (Fe3+, Bi3+, Cr3+ e Al3+) de forma qualitativa por via úmida. Analisar e discutir as etapas, observando e identificando cada cátion. 
MATERIAIS E REAGENTES:
Tubos de ensaio;
Estante de tubos;
Chapa de aquecimento;
Béquer 500 mL;
Centrífuga;
Pinça de madeira;
Amostra contendo cátions do Grupo IV;
Solução de NH4OH concentrado;
Solução de NaOH 2,0 mol.L-1 
Solução de NaOH 6,0 mol.L-1;
Solução de HCl 2,0 mol.L-1;
Solução de K4[Fe(CN)6] 0,25 mol.L-1;
Solução de KSCN 0,5 mol.L-1;
Solução de SnCl2 0,25 mol.L-1;
Água destilada.
METODOLOGIA:
Separação e análise sistemática dos cátions do Grupo IV da Marcha Analítica do Na2CO3.
De forma sucinta as etapas realizadas neste procedimento podem ser verificadas e entendidas conforme fluxograma abaixo:
Solução
:
 
Fe
3+
 
+
 
Bi
3+
 
+
 
Cr
3+
 
+
 
Al
3+
NH
4
OH
 6M
 
+ C+ D
HCl
 2M
HCl
 6M
NH
4
OH
 6M
 +
 H
2
O
2
 
30
% 
+ ∆+ C+ D
NH
4
OH
conc.
 +
 ∆
+ 
C+ D
HCl
 2M
Solução
:
 
Al
3+
Identifica
ção
PPT.:
Al(
OH)
3
Identifica
ção
Solução
:
 
Cr
O
4
2-
Solução
:
 
Cr
O
4
2-
 +
 
Al
3+
PPT.:
Fe(
OH)
3
 
+
 
Bi(OH)
3
Solução
:
 
Cr
O
4
2-
 +
 
Al
O
2
-
Restante da solução do grupo
Identifica
ção
:
 
Fe
3+
 
+
 
Bi
3+
PPT.: G4
Fe(
OH)
3
 
+
 
Bi(OH)
3
 
+ Cr(OH)
3
 
+ Al(OH)
3
Solução:
G4
4.1. Separação dos cátions do grupo IV
Num tubo de ensaio contendo solução de cátions do grupo IV (Fe3+ + Bi3+ + Cr3+ + Al3+) foram adicionadas 5 gotas de NH4OH concentrado, homogeneizou com movimentos circulares e levou para aquecimento em banho-maria por 2 minutos. Houve agitação da solução durante todo o período de aquecimento. Logo depois a solução foi centrifugada, no qual se efetuou a separação do precipitado e do sobrenadante em dois tubos de ensaio.
Ao sobrenadante adicionaram-se 5 gotas de NH4OH concentrado, aqueceu em banho-maria por 2 minutos com constante agitação para garantir total precipitação e separou novamente as duas fases, porém o sobrenadante foi descartado.
Ao precipitado foram adicionados 1,0 mL de água quente e 1 gota de NH4OH concentrado, levou para centrifugar e separou o sobrenadante do precipitado, onde apenas este último é de interesse por conter os cátions em estudo.
4.2. Solubilização dos cátions do grupo IV
	Ao precipitado reservado na etapa anterior foram adicionados 5,0 mL de HCl 2,0 mol.L-1 e aqueceu em banho-maria até total dissolução do sólido. Com auxílio de uma pipeta, transferiu-se 5 gotas desta solução para um tubo de ensaio e outras 5 gotas para outro tubo de ensaio. Um terceiro tubo sem conteúdo inicial também foi utilizado. A quantidade restante desta solução foi reservada para posterior utilização.
Tubo I: Foram acrescentadas 2 gotas de K4[Fe(CN)6] 0,25 mol.L-1, onde ocorreu formação de precipitado azul.
Tubo II: Adicionaram-se 4 gotas de KSCN 0,5 mol.L-1 , quando se formou um precipitado vermelho.
Tubo III: Neste tubo vazio foram inseridas 10 gotas de SnCl2 0,25 mol.L-1 e 3 gotas de NaOH 2,0 mol.L-1, até completa dissolução do precipitado branco formado. Após a conclusão da etapa seguinte foram adicionadas 2 gotas da solução obtida neste tubo III, no qual produziu um precipitado preto.
4.3. Separação dos outros cátions
Ao tubo reservado na seção anterior incluiu 1,0mL de NaOH 6,0 mol.L-1 e mediu o pH com papel indicador, no qual indicou que o meio estava fortemente alcalino. Foram acrescidas 3 gotas de H2O2 30‰ levando para aquecimento em banho-maria, até a solução entrar em ebulição, durando cerca de 2 minutos. Logo após, a solução foi submetida à centrifugação e posteriorseparação das fases formadas, reservando o sobrenadante. 
RESULTADOS E DISCUSSÕES:
A análise sistemática, que tem por objetivo separar e identificar os cátions na solução, foi feita com o grupo IV de cátions. Isto é, os cátions Fe3+, Bi3+, Cr3+ e Al3+. 
 Separação dos Cátions do grupo IV
Inicialmente a amostra foi composta das soluções que continham os cátions presentes (1,5 mL de Bi(OH)2NO3 10 mg/mL + 1,5mL de Cr(NO3)3 10 mg/mL + 1,5 mL de FeCl3 10 mg/mL + 1,5 mL de Al(NO3)3 0,1 molL-1). Para a precipitação desses cátions, foi adicionado 20 gotas de NH4OH, que vai agir como reagente de grupo, precipitando os hidróxidos insolúveis, de coloração amarela amarronzada. Para uma melhor separação a solução é levada ao banho-maria e depois centrifugada, esse processo é repetido algumas vezes, garantindo a total distinção entre precipitado e sobrenadante. O sobrenadante foi descartado. O aspecto final da solução é visto na figura 1. 
 
Figura 
1
:
 
I - Amostra inicial 
/ 
II – Solução com adição de RG aquecida e centrifugada
 
A formação dos Hidróxidos insolúveis pode ser vista nas equações abaixo:
	Bi3+(aq) + NH4OH(aq) ⇄ Bi(OH)3 + NH4+(aq)
Fe3+ (aq.) + NH4OH (aq.) ⇄ Fe(OH)3 + NH4+ (aq.) 
	Kps = 3,2.10-10
Kps = 3,2.10-38
	Al3+ (aq.) + NH4OH (aq.) ⇄ Al(OH)3 + NH4+ (aq.) 
	Kps = 1,0.10-32
	Cr3+ (aq.) + NH4OH (aq.) ⇄ Cr(OH)3 + NH4+ (aq.) 
	Kps = 6,3.10-31
 Identificação do Fe3+ e Bi3+
Ao precipitado formado na etapa anterior é adicionado 5 mL de HCl 2,0 mol.L-1, que vai solubilizar o precipitado, evitando assim a precipitação de cátions do grupo IV (figura 2). O aquecimento também é realizado nessa etapa para facilitar a dissolução. São separadas para dois tubos de ensaio cerca de 10 gotas em cada. 
Figura 
2
:
 
Adição de
 
HCl
 ao precipitado
Ao primeiro tubo foram colocadas 2 gotas de K4[Fe(CN)6], onde é observada a formação do precipitado azul de hexacianoferrato de ferro (III), como mostra na figura 2. Sua equação é vista abaixo:
Fe3+(aq) + 3[Fe(CN)6]4-(aq) ⇄ Fe4[Fe(CN)6]3
No segundo tubo foi adicionadas 3 gotas de KSCN, agora foi observada a formação de um precipitado vermelho-escuro de tiocianato de ferro (III), como mostra na figura 3, indicando a presença do cátion Fe3+, como mostrado na reação abaixo:
Fe3+ + KSCN ⇄ Fe(SCN)3
Figura 
3
:
 
I 
–
 
Adição de
 
K
4
[Fe(CN)
6
] 
/
 
II 
 –
 
Adição de KSCN
Outra forma de identificação, que seria a identificação do cátion Bi3+, é feita através da adição a um tubo limpo de 5-10 gotas de SnCl2 em glicerina e 3 gotas de NaOH, onde é formado o Estanito de Sódio. Quando misturada gotas da solução solubilizada dos cátions do grupo haveria a formação de um precipitado de coloração preta, confirmando a presença de bismuto na solução. Entretanto, por falta da glicerina essa etapa não foi realizada na prática. A reação pode ser vista abaixo:
2 Bi(OH)3(s) + 3 Sn(OH)42-(aq) ⇄ Bi(s) + 3 Sn(OH)62-(aq)
 Separação do Fe3+ e Bi3+
Após a confirmação da presença de íons Fe3+ e Bi3+ é feita sua separação da solução. Essa etapa é realizada com a adição NaOH, onde o meio deve ficar fortemente alcalino, e uma posterior adição de H2O2 30%. Essa solução é aquecida em banho-maria e levada a centrífuga. Nessa solução, mostrada na figura 4, temos o Fe3+ e o Bi3+ na forma de precipitado alaranjado, e no sobrenadante tem-se os cátions CrO42- e AlO2-.
	
Figura 
4
:
 
I 
–
 
Após a adição de H
2
O
2
 
/ II
 – 
Após aquecimento da solução
As reações de precipitação do Fe3+ e do Bi3+ são:
Fe3+(aq) + NaOH(aq) ⇄ Fe(OH)3(s) + Na+(aq)
Bi3+(aq) + NaOH(aq) ⇄ Bi(OH)3(s) + Na+(aq)
 Separação do Al3+ e Cr3+
Na adição do H2O2 ocorre a formação do o CrO42- e AlO2-, pode ser compreendida nas reações abaixo:
 Cr3+(aq) + OH-(aq) + H2O2(aq) + ⇄ CrO42-(aq) + H2O(l)
Al3+(aq) + 2 OH-(aq) + H2O2(aq) ⇄ AlO2-(aq) + 2 H2O(l)
Agora trabalhando com ânions CrO42- e AlO2-, foi adicionado gotas de HCl na solução até a mesma ficar ácida. Com a reação entre o sobrenadante e o ácido clorídrico, o alumínio consegue voltar a Al3+, enquanto o CrO42- passe para Cr2O72-. Isso porque a adição de hidrônio reage com a hidroxila, consequentemente reduzindo a sua concentração, deslocando assim a reação para o alumínio. Enquanto o cromato consegue ter uma maior facilidade de reagir com seu semelhante formando o dicromato, isto aconteceu porque os íons CrO42- e Cr2O72-, quando estão em solução, estabelecem um equilíbrio químico. Uma diminuição de pH favorece a formação do Cr2O72-, por isso a adição do HCl tornou a solução alaranjada. As reações podem ser visualizadas abaixo:
2 H+ + 2 CrO42-(aq) ⇄ Cr2O72-(aq) + H2O(l)
AlO2-(aq) + 4H+ (aq) ⇄ Al3+(aq) + 2H2O(l)
Após a formação do Al3+ é adicionada gotas de NH4Cl para formar íons, se colocássemos o hidróxido de amônia antes as hidroxilas fariam com que o processo se repetisse. 
Al3+ + 3 NH4Cl ⇄ AlCl3(aq) + 3 NH3(g) + 3 H+(aq)
Posteriormente foram adicionadas gotas de NH4OH até a solução ficar levemente alcalina. Já era possível observar precipitado disperso na solução. Depois de centrifugada é possível observar bem a formação de Alumínio, como visto na figura 5. A separação é explicada pela seguinte reação:
Al3+(aq) + 3 NH4OH (aq) ⇄ Al(OH)3(s) + 3 NH4+(aq)
Figura 
5
:
 
Adição de NH
4
OH formando precipitado de Al(OH)
3
6. CONCLUSÃO:
A análise sistemática dos cátions do G4 (Grupo IV) da marcha analítica do carbonato se mostrou ser um processo de extrema importância para o entendimento de algumas características dos cátions desse grupo. A parti de uma análise macroscópica dos acontecimentos (formação de precipitado e mudança de coloração) foi possível determinar com uso da bibliografia quais reações possuíram a formação de complexos ou sais nas diferentes mudanças de pH.
Partindo do reagente de grupo, no caso o hidróxido de amônio, pode-se constatar o grande grau de insolubilidade dos hidróxidos formados pelos cátions desse grupo, uma vez que a precipitação ocorreu de forma rápida em grande quantidade. Em relação à formação de complexo pode-se confirmar a facilidade do Fe3+, Cr3+ e Al3+ em formar complexos estáveis, visto que para identificação dos mesmos houve a formação de precipitados com cores características.
Já em relação ao Bi3+, apesar de não ter sido realizada sua identificação por falta de reagente, conseguiu-se concluir a parti do roteiro a sua pouca capacidade de formação de complexo devido ao seu grande raio iônico, haja vista que um sal de coloração preta seria formado para sua identificação na prática.
 Por fim pode-se verificar a influência do pH no processo afim de evitar a formação de complexos indesejáveis e garantir a formação dos precipitados requeridos.
7. REFERÊNCIA:
ATKINS, P.; JONES, L. Princípios de Química: Questionando a vida moderna e o meio ambiente, 3° Edição. Porto Alegre: Bookman, 2006.
NASCIMENTO, VALBERES B. Química Geral Experimental, 3° Edição. Recife: EDUFRPE, 2014.
RUSSELL, JOHN B. Química Geral, 2º Edição. São Paulo: Pearson Makron Books, 1994.
VOGUEL, A.I. Química Analítica Qualitativa, 5° Edição. São Paulo: Mestre Jou, 1981.