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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” BACHARELADO EM QUÍMICA ALAN JOSÉ BATISTA - 181020114 BEATRIZ BIRELO - 181021871 CHARLES MÜLLER P.P.B. LOPES - 181020238 GIOVANNA DE PAULA - 181024047 EXPERIMENTO 2: METAIS ALCALINOS TERROSOS – GRUPO 2 DATA: 27/03/2019 BAURU 2019 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ................................................................................ 3 2. OBJETIVO ...................................................................................... 5 3. MATERIAIS E REAGENTES .......................................................... 5 3.1. Materiais............................................................................................ 5 3.2. Reagentes ......................................................................................... 5 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL .............................................. 7 4.1 . Teste de reatividade dos metais alcalino-terrosos: ............................ 7 4.2. Teste de solubilidade dos compostos alcalino-terrosos: ................... 7 4.3. Teste de precipitação: ....................................................................... 8 4.4. Ensaios na chama do bico de Bunsen .............................................. 8 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES .................................................... 9 5.1. Teste de reatividade dos metais alcalino-terrosos. ........................... 9 5.2. Teste de solubilidade dos compostos alcalino-terrosos. ................. 10 5.3. Testes de precipitação. ................................................................... 12 5.4. Ensaios na chama do bico de Bunsen para os metais alcalino- terrosos. 16 6. CONCLUSÃO ............................................................................... 18 7. REFERÊNCIAS ............................................................................ 19 1. INTRODUÇÃO Os metais alcalinos terrosos, assim chamados pelo fato de anteriormente seus óxidos serem chamados de terra, representam o Grupo 2 da tabela periódica (Figura 1 ) composta pelos metais: Berílio (Be), Magnésio (Mg), Cálcio (Ca), Estrôncio (Sr), Bário (Ba) e Rádio (Ra). Este grupo apresenta semelhança nas tendências das propriedades do Grupo 1 ( metais alcalinos ) (Lee, 1999). Figura 1 – Tabela periódica evidenciando o Grupo 2 Fonte: Tabela periódica completa (https://www.tabelaperiodicacompleta.com/metais-alcalino-terrosos/) Os elementos do grupo 2 são sólidos em condições ambientes, tem baixa densidade, possuem coloração branco prateada e com boa maleabilidade. Ao reagir com a água formam hidróxidos fortemente básicos. Possuem baixos valores de eletronegatividade e de energia de ionização. Todos possuem 2 elétrons na última camada, assim são comumente encontrados sob estado de oxidação pois são altamente reativos. Para tanto, o Berílio não segue o padrão das propriedades citadas para o Grupo 2, pois os átomos de Berílio são extremamente pequenos, possui algumas semelhanças com o alumínio do Grupo 13 e seus compostos são muito tóxicos. Este átomo se difere dos outros do grupo também por possuir eletronegatividade relativamente elevada, favorecendo a formação de compostos covalentes. Os elementos do grupo dos metais alcalino terrosos estão presentes em grande parte do nosso corpo, como o Cálcio que representa cerca de 90% dos nossos ossos e dentes e o Magnésio que favorece ação dos músculos, enzimas e na coordenação motora. O magnésio também é utilizado muitas vezes como metal de sacrifício e em fogos de artifício. Assim também o Ba, que também foi utilizado neste experimento possui uma série de aplicações como: em velas de ignição, tubos de vácuo, lâmpadas fluorescentes, entre outros. 2. OBJETIVO Verificar as propriedades de solubilidade, reatividade, precipitação e liberação de energia dos metais alcalinos. 3. MATERIAIS E REAGENTES 3.1. Materiais Tubos de ensaio; Béqueres; Vidro de relógio; Estante para tubo de ensaio; Espátula; Bico de Bunsen; Pipeta Pasteur; Fitinhas de pH; Tela de amianto; Tripé; Caixa de fósforos; Alça de platina. 3.2. Reagentes Mg(OH)2 (s); Ca(OH)2 (s); Ba(OH)2 . 8 H2O (s); MgCl2 (s); CaCl2 (s); BaCl2 (s); Ca(NO3)2 . 6 H2O (s); Ba(NO3)2 (s); Mg(NO3)2 . 6 H2O (s); BaSO4 (s); MgSO4 . H2O (s); CaSO4 (s); Magnésio sólido; Cálcio sólido; Indicador fenolftaleína; Álcool etílico; MgCl2 -1 mol L -1 ; CaCl2 - 1 mol L -1; BaCl2 - 1 mol L -1; Na3PO4 - 0,1 mol L -1; H2SO4 - 6 mol L -1; Na2SO4 - 0,1 mol L -1; K2CrO4 - 3 mol L -1. 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 4.1 . Teste de reatividade dos metais alcalino-terrosos: a) No primeiro procedimento, com um pedacinho já cortado de Mg em formato de raspas, colocou-se em copo de béquer contendo 50 mL de água destilada; a mistura foi aquecida até a ebulição através de um bico de Bunsen sob tela de amianto durante alguns minutos. Assim, mediu-se o pH da solução com papel indicador, e por último se adicionou algumas gotas de fenolftaleína. b) O segundo procedimento se assemelha ao item (a), porém utilizando um pedacinho de Ca (s) no lugar de Mg (s). c) No terceiro procedimento foi colocado um pedacinho de Ca (s) em um tubo de ensaio contendo aproximadamente 5 mL de álcool etílico P.A. 4.2. Teste de solubilidade dos compostos alcalino-terrosos: a) Solubilidade das bases: Usou-se a ponta da espátula como aproximação de 0,1 g das seguintes bases: Mg(OH)2, Ca(OH)2, Ba(OH)2 em tubos de ensaio diferentes e adicionou 2 gotas de H2O destilada. Agitou bem e acrescentou mais algumas gotas de água. b) Solubilidade dos cloretos: Foi realizado o mesmo procedimento do item (a), porém tendo como sais: o MgCl2, CaCl2 e BaCl2. c) Solubilidade dos nitratos: Repetiu-se o procedimento anterior com os nitratos dos metais alcalino- terrosos: MgNO3, CaNO3 e BaNO3. d) Solubilidade dos sulfatos: Repetiu também o procedimento anterior com os sulfatos dos metais alcalino- terrosos. 4.3. Teste de precipitação: a) Colocou-se em 3 tubos de ensaio diferentes 2 gotas das soluções aquosas de MgCl2, CaCl2 e BaCl2, todas 1 mol L -1, em cada tubo adicionou-se logo em seguida 2 gotas de Na3PO4 0,1 mol L -1 . Agitou-se as soluções e observou o caráter de solubilidade de cada um. b) Repetiu o mesmo procedimento do item (a), porém tendo o H2SO4 6 mol L-1 no lugar do Na3PO4 0,1 mol L -1 (fosfato trissódico). c) Repetiu o mesmo procedimento do item (a), porém tendo o Na2SO4 0,1 mol L-1 no lugar do fosfato trissódico. d) Repetiu o mesmo procedimento do item (a), porém tendo o K2CrO4 3 mol L-1 no lugar do fosfato trissódico. 4.4. Ensaios na chama do bico de Bunsen Colocou-se uma ponta de espátula de sal de cada um dos elementos alcalino- terrosos. Os sais usados foram o MgCl2, CaCl2 e BaCl2. A solução de HCl foi usada para lavar a espátula de platina antes de cada ensaio na chama. 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES 5.1. Teste de reatividade dos metais alcalino-terrosos. a) Teste com oMagnésio Antes da ebulição a solução que continha apenas H2O apresentou o pH 7, após a mistura com as raspas de Mg (s) e ebulição da solução, o pH da mistura apresentou pH 8. Para tanto foram adicionadas gotas de indicador fenolftaleína, que mudou a coloração da mistura de transparente para a cor rosa claro. A reação ocorrida foi: Mg (s) + 2 H2O (l) Mg(OH)2 (aq) + H2 (g) Portanto podemos observar que em contato com a água o magnésio forma o hidróxido de magnésio e o gás hidrogênio. O hidróxido de magnésio ( Mg(OH)2) que por apresentar uma hidroxila (OH- ) em meio aquoso é caracterizado como base segundo a definição de Arrhenius para ácidos e bases, ainda assim é uma base fraca apontado pelo pH 8 e a fraca coloração rosa quando adicionado a fenolftaleína. b) Teste com o Cálcio Antes da ebulição a solução que continha apenas H2O apresentou o pH 7, após a mistura com pedacinhos de Ca (s) foi esperado alguns minutos e então ao medir o pH da mistura, esta apresentou pH 13. Para tanto foram adicionadas gotas de indicador fenolftaleína, que mudou a coloração da mistura de transparente para a cor rosa forte. A reação ocorrida foi: Ca (s) + 2 H2O (l) Ca(OH)2 (aq) + H2 (g) Contudo podemos concluir que com a reação do Cálcio com a água foram formados o hidróxido de cálcio e gás hidrogênio. Assim por apresentar em meio aquoso uma hidroxila (OH-), o hidróxido de cálcio (Ca(OH)2 ) é caracterizado como base por Arrhenius, ainda assim é apontado como uma base forte, devido ao seu pH 13 e a forte coloração rosa da mistura após a adição do indicador fenolftaleína. c) Teste com o Cálcio e álcool etílico Em tubo de ensaio com cerca de 5mL de álcool etílico foi adicionado pedaços de Ca (s). Após agitação da mistura e aguardar um tempo, foi notado que nada havia mudado na mesma, não havia evidências de liberação nem absorção de calor, a mesma não mudou de cor, não houver liberação de gás, e nenhuma outra evidência de reação química, portanto concluímos que não houve reação no sistema. Não ocorreu reação devido a carga nuclear efetiva do átomo de Cálcio, este tem uma atração muito forte com o núcleo o que dificulta liberação dos elétrons para a reação química, assim o Cálcio não reagiu quando em contato com o álcool etílico. 5.2. Teste de solubilidade dos compostos alcalino-terrosos. a) Solubilidade das bases. Os resultados foram dispostos na Tabela 1, abaixo: Tabela 1 – Resultado do procedimento de solubilidade de bases dos metais alcalinos terrosos Composto Solubilidade em água Mg(OH)2 Pouco solúvel Ca(OH)2 Pouco solúvel Ba(OH)2 . 8 H2O Pouco solúvel No teste de solubilidade das bases dos compostos alcalinos terrosos, fica evidenciado que os compostos são poucos solúveis em água. Segundo (Shriver e Atkins, 2008), a solubilidade em água dos hidróxidos aumenta do Mg(OH)2 para o Ba(OH)2 . 8 H2O. Porém no teste acima não foi possível verificar que o composto Ba(OH)2 . 8 H2O é solúvel conforme a literatura. b) Solubilidade dos cloretos. Os resultados foram dispostos na Tabela 2, abaixo: Tabela 2 – Resultado do procedimento de solubilidade de cloretos dos metais alcalinos terrosos Composto Solubilidade em água MgCl2 . 6 H2O Solúvel CaCl2 . 2 H2O Solúvel BaCl2 . 2 H2O Solúvel Utilizando a água como solvente tivemos que todos os compostos (MgCl2 . 6 H2O , CaCl2 . 2 H2O , BaCl2 . 2 H2O) se apresentaram solúveis, partindo do ponto que todos os sais simples se dissolvem em água formando íons (LEE, 1999) ainda assim as soluções formadas são condutoras elétricas devido ao íon formado. c) Solubilidade dos nitratos. Os resultados foram dispostos na Tabela 3, abaixo: Tabela 3 – Resultado do procedimento de solubilidade de nitratos dos metais alcalinos terrosos Composto Solubilidade em água Mg(NO3)2 . 6 H2O Solúvel Ca(NO3)2 . 6 H2O Solúvel Ba(NO3)2 Pouco solúvel A solubilidade dos compostos Mg(NO3)2 . 6 H2O; Ca(NO3)2 . 6 H2O; Ba(NO3)2 é vista pelas propriedades do ânion nitrato, que é um íon poliatômico que apresenta carga pequena, – 1, e raio iônico de 165 pm, essas características lhe conferem uma baixa entalpia de hidratação (DhidHº = -295 kJ mol-1) e entropia relativamente elevada em água (Sº = 146,7 J K-1 mol-1) o que favorece a dissolução. d) Solubilidade dos sulfatos. Os resultados foram dispostos na Tabela 4, abaixo: Tabela 4 – Resultado do procedimento de solubilidade de sulfatos dos metais alcalinos terrosos Composto Solubilidade em água Mg(SO4) . H2O Solúvel CaSO4 Pouco solúvel BaSO4 Pouco solúvel A solubilidade dos sulfatos diminui ao descer no grupo dos alcalinos terrosos, decorrentes das baixas entalpias de solvatação dos íons. No teste realizado foi possível verificar que somente o composto Mg(SO4) . H2O solubilizou em água. 5.3. Testes de precipitação. a) Soluções aquosas de MgCl2, CaCl2 e BaCl2 0,1 mol L -1 + Na3PO4. Os resultados foram dispostos na Tabela 5, abaixo: Tabela 5 – Resultado do teste de precipitação com sais dos metais alcalino terrosos Sal + Na3PO4 0,1 mol L-1 Caráter de Solubilidade Coloração Final MgCl2 Insolúvel Branca CaCl2 Insolúvel Branca BaCl2 Insolúvel Branca I) Na3PO4 (aq) + 3 MgCl2 (aq) → Mg3(PO4)2 (s) + 6 NaCl (aq) II) 3 CaCl2 (aq) + 2 Na3Po4 (aq) → Ca3(Po4)2 (s) + 6 NaCl(aq) III) 3 BaCl2 (aq) + 2 Na3PO4 (aq) → Ba3(PO4)2 (s) + 6 NaCl2 (aq) Tabela 6 – Solubilidade de compostos “a” Compostos Kps à 25ºC (precipitado) Mg3(PO4)2 9,9x10 -25 Ca3(PO4)2 1,3×10 -32 Ba3(PO4)2 6,0x10 -39 Observa-se que o Kps deles é muito pequeno, ou seja, houve presença de precipitado, por mais que pequena, e não houve liberação de calor. b) Soluções aquosas de MgCl2, CaCl2 e BaCl2 0,1 mol L -1 + H2SO4. Tabela 7 – Solubilidade das soluções aquosas de cloretos dos metais alcalinos terrosos com H2SO4 Sal + H2SO4 6 mol L -1 Caráter de Solubilidade Coloração Final MgCl2 Solúvel Transparente CaCl2 Insolúvel Branca BaCl2 Insolúvel Branca I) MgCl2 (aq) + H2SO4 (aq) → MgSO4 (aq) + 2 HCl (aq) II) CaCl2(aq) + H2SO4(aq) → CaSO4(s) + 2 HCl(aq) III) BaCl2(aq) + H2SO4(aq) → BaSO4(s) + 2 HCl(aq) Tabela 8 – Solubilidade de compostos “b” Compostos Kps à 25ºC (precipitado) MgSO4 CaSO4 7,1x10 -5 BaSO4 8,7x10 -11 O Kps do Mg3(PO4)2 mostrado na tabela, é maior que os demais, e isso fica claro que ele é solúvel em relação aos demais, e não houve liberação de calor. O Kps do MgSO4 por mais que desconhecido, apresenta ser alto já que foi solúvel. c) Soluções aquosas de MgCl2, CaCl2 e BaCl2 0,1 mol L -1 + Na2SO4. Tabela 9 – Solubilidade das soluções aquosas de cloretos dos metais alcalinos terrosos com Na2SO4 Sal + Na2SO4 0,1 mol L -1 Caráter de Solubilidade Coloração Final MgCl2 Solúvel Transparente CaCl2 Solúvel Transparente BaCl2 Insolúvel Branca I) MgCl2 (aq) + Na2SO4 (aq) → MgSO4 (aq) + 2 NaCl (aq) II) Na2SO4 (aq) + CaCl2 (l) → CaSO4 (aq) + 2 NaCl (aq) III) BaCl2 (aq) + Na2SO4 (aq) → BaSO4 (aq) + 2 NaCl (aq) Tabela 10 – Solubilidade de compostos “c” Compostos Kps à 25ºC (precipitado) MgSO4 - CaSO4 7,1x10 -5 BaSO4 8,7x10 -11 Como os sais que formaram são os mesmos do item anterior, o Kps é o mesmo também. E não houve liberação de calor. O Kps do MgSO4 por mais que não encontrado na literatura, apresenta ser alto já que foi solúvel.d) Soluções aquosas de MgCl2, CaCl2 e BaCl2 0,1 mol L -1 + K2CrO4. Tabela 11 – Solubilidade das soluções aquosas de cloretos dos metais alcalinos terrosos com K2CrO4 Sal + K2CrO4 3 mol L -1 Caráter de Solubilidade Coloração Final MgCl2 Solúvel Amarelo CaCl2 Solúvel Laranja BaCl2 Insolúvel Amarelo I) MgCl2 (aq) + K2CrO4 (aq) → MgCrO4 (aq) + 2 KCl (aq) II) K2CrO4 (aq) + CaCl2 (aq) → CaCrO4 (aq) + 2 KCl (aq) III) BaCl2 (aq) + K2CrO4 (aq) → BaCrO4 (s) + 2 KCl (aq) Tabela 12 – Solubilidade de compostos “d” Compostos Kps à 25ºC (precipitado) MgCrO4 - CaCrO4 7,1x10 -4 BaCrO4 1,17x10 -10 O Kps do MgCrO4 por mais que não encontrado na literatura, apresenta ser alto já que foi solúvel. Em relação ao cromato de bário, ele mostrou-se bastante insolúvel, e vale ressaltar também que nenhum sal de bário se mostrou solúvel durante o experimento. Isso se deve ao fato de o Bário ter, dentre os 3, maior átomo, e quanto mais se decresce os metais alcalinos terrosos, em relação a tabela periódica, menor sua solubilidade, menor o Kps. Os Kps não constados não foi possível de calculá-los e achar na literatura. 5.4. Ensaios na chama do bico de Bunsen para os metais alcalino-terrosos. O experimento foi realizado utilizando os sais MgCl2, CaCl2 e BaCl2 e as cores observadas foram registradas na tabela 13. Tabela 13 – Resultados do teste de chama Solução Cor da chama obtida Cor da chama esperada Comprimento de onda (nm) Imagem MgCl2 Laranja intenso Branco brilhante Várias faixas Figura 2 CaCl2 Vermelho- alaranjado Vermelho-tijolo ~625-700 Figura 3 BaCl2 Inicialmente uma chama verde, que se tornou laranja clara. Verde amarelado ~500-565 Figura 4 Figura 2 – Chama do MgCl2 Figura 3 – Chama do CaCl2 Figura 4 – Chama do BaCl2 O teste de chama é um procedimento simples, utilizado na Química, para detectar a presença de determinados elementos a partir do espectro de emissão. Quando o átomo de um elemento é exposto a uma quantidade de calor, os elétrons mais externos (da camada de valência) adquirem energia e passam para o estado excitado, ou seja, passam para um nível de energia mais elevado. Para voltar ao seu estado fundamental, o elétron precisa liberar a energia absorvida de alguma forma, nesse caso em forma de radiação. Essa radiação liberada possui um comprimento de onda característico, dentro do espectro visível (nem todos os elementos possuem comprimento de onda nessa faixa). Assim, ao ser liberta, nossos olhos são capazes de enxergá-las através cores. Já que cada elemento libera a radiação num comprimento de onda diferente (porque cada elemento precisa de uma quantidade diferente de energia para excitar um elétron), é possível ver variadas cores e dessa maneira identificar a presença de certos elementos devido à cor característica que eles emitem quando liberam energia. 6. CONCLUSÃO Podemos concluir que, os metais alcalino-terrosos (MAT) não reagem com água tão rapidamente como os metais alcalinos. Conforme se decresce os alcalinos terrosos, em relação a tabela periódica, há um aumento no raio atómico dos elementos e uma diminuição nas energias de hidratação (EH) e reticular (ER). Quando se tem uma energia reticular baixa, a solubilidade é favorecida, porém a baixa energia de hidratação não favorece a dissolução, são fatores que variam em sentidos opostos, para termos uma substância solúvel é necessário que sua EH seja maior que a ER. Sintetizamos que à medida que o raio atómico aumenta, a solubilidade dos metais alcalino-terrosos diminui, assim como o Kps e isso pode ser verificado a partir dos resultados obtidos, onde a maior parte dos sais de metais do grupo 2 são classificados como insolúveis e pouco solúveis. Também nota-se que a solubilidade dos sais de MAT depende do íon a que ele se liga, afetando a solubilidade de modo a favorecê-la ou não. Já em relação à reatividade vemos que as reações entre os metais alcalinos do grupo 1 e água são tão “violentas” (como a do Na metálico com água) que podem ocasionar combustão. No grupo 2, observam-se propriedades tendenciosas do grupo 1, porém eles são menos reativos. 7. REFERÊNCIAS “Química Inorgânica” , Shriver & Atkins. 4ed, 2008 “Química Inorgânica não tão concisa” , J.D. Lee. 5ed. 1999 “Solubility Product Constants, Ksp” em Wired Chemist. Disponível em: http://www.wiredchemist.com/chemistry/data/solubility-product-constants Acessado em 31/03/219. “Metais alcalino-terrosos” em Química UFPR. Disponível em: http://www.quimica.ufpr.br/fsnunes/cq133/Grupo%202.pdf. Acessado em 03/04/2019 “TABELA DE CONSTANTES DE PRODUTO DE SOLUBILIDADE” em eDisciplinas USP. Disponível em: https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/2029915/mod_resource/content/1/tab ela_solubilidade_portugu%C3%AAs.pdf. Acessado em 31/03/2019 “Teste da Chama” em Ciência Mão. Disponível em: http://www.cienciamao.usp.br/tudo/exibir.php?midia=epc&cod=_testedachama . Acessado em 31/03/2019. “Metais Alcalino-Terrosos” Disponível em: http://www.quimica.ufpr.br/fsnunes/cq133/Grupo%202.pdf “EXPERIMENTO 02: REATIVIDADE DOS GRUPOS 01 E 02” em UDESC. Disponível em: http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/frxavier/materiais/Experimento _02_Reatividade_Grupos_01_e_02.pdf. Acessado em 03/04/2019. FOGAÇA, Jennifer Rocha Vargas. "Metais alcalinoterrosos"; Brasil Escola. Disponível em :https://brasilescola.uol.com.br/quimica/metais- alcalinoterrosos.htm. Acessado em 03/04/2019. “Hidróxido de Cálcio” , Infoescola. Disponível em: https://www.infoescola.com/quimica/hidroxido-de-calcio/. Acessado em: 03/04/19. “Hidróxido de Magnésio”, Infoescola. Disponível em: https://www.infoescola.com/compostos-quimicos/hidroxido-de-magnesio/. Acessado em: 03/04/19 “Metais Alcalinos-Terrosos”, Tabela periódica completa. Disponível em: https://www.tabelaperiodicacompleta.com/metais-alcalino-terrosos/. Acessado em: 03/04/2019.
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