Experimento 4 - Elementos

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
CENTRO DE CIÊNCIAS NATURAIS E HUMANAS
BACHARELADO EM QUÍMICA
 
 
RELATÓRIO QUÍMICA DOS ELEMENTOS
 
 
 
EXPERIMENTO 04:Compostos de Carbono e Silício e Suas Propriedades. 
 
	COMPONENTES DO GRUPO
	RA
	 Alexander Garreta Gonçalves
	 11023614
	Daniel Oliveira
	 11044516
	 Leonardo H. M. da Silva
	 11089815
	Raquel Machado Silva
	 11047911
 Santo André, 02 de Julho de 2018
1.	 OBJETIVOS
Compreender o mecanismo de obtenção do gás carbônico por meio de reações ácido-base com carbonato, e refletir seu papel no meio ambiente, além de comparar o comportamento de carbonatos e silicatos.
2. MATERIAIS E REAGENTES 
2.1 Materiais 
● 1 Kitassato 500 mL com rolha
● Mangueira com pipeta Pasteur
● Espátula
● 5 Tubos de Ensaio
● 2 Béqueres 50 mL 
● Canudo
● Bico de Bunsen 
● Pinça de Madeira
● Palitos de Fósforo 
● Conta Gotas
 ● Papel Indicador de pH
 ● Proveta 10 mL 
● Béquer 250 mL
 2.2 Reagentes
● Água de Cal
● HCl 1 mol.L-1 
● HCl 2 mol.L-1
● Na2CO3(s) 
● Metilorange
● Solução de Silicato de Sódio (10%) 
● Etanol
3.	PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
	3.1 - Geração de CO2
	Separou-se dois tubos de tubos de ensaio, no tubo um, adicionou-se “água de cal” (solução de Ca(OH)2) até a metade, e no dois, adicionou-se água destilada
	Colocou-se uma mangueira de borracha na saída de um kitassato (Figura 1), adicionou-se uma espátula cheia de Carbonato de cálcio ao kitassato, e em seguida, adicionou-se 25 mL de HCl 1 mol.L-1 no mesmo e fechou-se o sistema com uma rolha. Colocou-se a saída da mangueira no tubo dois, e após este, no tubo um.
Fig. 1: Montagem de um sistema para geração de gás a partir de CaCO3
	No tubo dois, adicionou-se metilorange, e o aqueceu-se o tubo um.
	Por fim, adicionou-se em um béquer, aproximadamente 50 mL de água cal, em seguida, com auxílio de um canudo, assoprou-se na solução.
	3.2: Comparação Entre Silicato e Carbonato
	Numerou-se tubos de ensaio de 1 à 7, no tubo 1, adicionou-se solução de carbonato de sódio, e no 2, Silicato de sódio, em ambos mediu-se pH e adicionou-se, lentamente, HCl 2 mol.L-1. Nos tubos de 3 a 7, adicionou-se 0,5 mL de solução de silicato de sódio, e adicionou-se em cada um deles soluções de Cu(II), Co(II), Cr(III), Al(III) e Fe(III).
3.3: Jardim de Silicatos 
	Em um béquer de 50 mL adicionou-se 15 mL da solução de silicato de sódio, e, separadamente, no béquer, adicionou-se os seguintes sais:
Sulfato de Cobre
Cloreto de Cobalto
Cloreto de Crômio
Cloreto de Alumínio
Cloreto de Ferro
	3.4 Polímero Inorgânico
Colocou-se 3,5 mL de solução 10% de silicato de sódio em um béquer e adicionou-se 5 mL de álcool etílico, após dois dias, observou-se as propriedades.
4. RESULTADOS / DISCUSSÃO
4.1: Geração de CO2
Para gerar dióxido de carbono foi adicionado 25mL de HCl 1M a uma espátula cheia de carbonato de cálcio em um kitassato. A reação é descrita por:
2 HCl(aq)+ CaCO3(s) → CO2(g)+ Ca2+(aq) + 2 Cl-(aq) + H2O(l) 
O sistema foi fechado e então borbulhado em um tubo de ensaio com água destilada.
CO2 (g)+ H2O(l) ⇋ H2CO3 (aq) 
Foi adicionado metilorange (indicador ácido-base) no tubo, resultando em uma cor alaranjada, o que indica a presença de um meio ácido.
H2CO3 (aq)⇋ H+(aq) + HCO3-(aq)
Fig. 2 - Comparação entre carbonato e silicato
A outra parte de CO2 produzida foi borbulhada em outro tubo de ensaio com água de cal. Com isto, ocorreu a precipitação de CaCO3 e a turbidez da solução conforme a reação:
CO2 (g) + Ca2+(aq) + 2 OH-(aq) → CaCO3 (s) + H2O(l) 
Com o aquecimento o aspecto turvo é atenuado, pois há liberação de CO2 novamente e reduzindo a quantidade de precipitado insolúvel no meio:
 CaCO3 (s) → CaO(s) + CO2 (g) 
Paralelamente foi realizado um teste assoprando um tubo de ensaio com água de cal. Com isto, houve a presença de um precipitado e a turbidez da solução. Ocorre a mesma reação do tubo de ensaio anterior:
Ca(OH)2 (aq) + CO2 (g) → CaCO3 (s) + H2O (l)
Mediu-se o pH da solução de silicato e carbonato de sódio, sendo encontrado os valores 14 e 12, respectivamente.
Adicionou-se ácido clorídrico na solução de silicato de sódio formando um precipitado gelatinoso de ácido metassilícico.
SiO32-(l) + 2 H+(aq) → H2SiO3(aq) 
Adicionou-se ácido clorídrico na solução de carbonato de sódio formando bolhas, devido à liberação de CO2:
 Na2CO3(s)+ 2H+(aq) →CO2(g)+H2O(l)+ 2Na+(aq)
A diferença da reação entre o carbonato e silicato com ácido, deve-se a diferença na energia de ligação entre o C=O e entre o Si-O.
O silicato possui uma estrutura iônica infinita mantida por fortes ligações Si-O p𝞂-p𝞂, formando uma estrutura tetraédrica polimérica. Assim, ao reagi-lo com ácido clorídrico, o H+ não consegue quebrar a ligação simples entre o Si e O, mas é acoplado à estrutura cristalina, formando um composto viscoso H2SiO3(aq) .
No caso do íon CO2-3 a hibridização do carbono é sp2, formando três ligações 𝞂 e uma ligação 𝛑 , portanto, a molécula é trigonal planar. Tal energia de ligação não é tão elevada, então o H+ consegue quebrar a ligação dupla entre o C e O, formando o CO2 (g ). 
Observou-se que ao adicionar as soluções de sulfato de cobre, cloreto de cobalto, cloreto de crômio, cloreto de ferro e cloreto de alumínio à solução de silicato de sódio há mudança na coloração em todos os tubos de ensaio. Os silicatos são incolores, porém a partir da adição de íons metálicos aos silicatos, estes podem adquirir uma grande variedade de cores.
	4.2 - Comparação entre Silicato e Carbonato
Mediu-se o pH da solução de silicato e carbonato de sódio, sendo encontrado os valores 14 e 12, respectivamente. 
Adicionou-se ácido clorídrico na solução de silicato de sódio formando um precipitado gelatinoso de ácido metassilícico :
 SiO32-(l) + 2 H+(aq) → H2SiO3(aq) 
Adicionou-se ácido clorídrico à solução de carbonato de sódio formando bolhas, devido à liberação de dióxido de carbono:
 CaCO3(s)+ 2H+(aq) →CO2(g)+H2O(l)+ Ca2+(aq)
A diferença da reação entre o carbonato e silicato com ácido, deve-se a diferença na energia de ligação entre o C=O e entre o Si-O. 
O silicato possui uma estrutura iônica infinita mantida por fortes ligações Si-O p𝞂-p𝞂, formando uma estrutura tetraédrica polimérica. Assim, ao reagi-lo com ácido clorídrico, o H+ não consegue quebrar a ligação simples entre o Si e O, mas é acoplado à estrutura cristalina, formando um composto viscoso ,H2SiO3(aq) .
No caso do íon CO2-3 a hibridização do carbono é sp2, formando três ligações 𝞂 e uma ligação 𝛑 , portanto, a molécula é trigonal planar. Tal energia de ligação não é tão elevada, então o H+ consegue quebrar a ligação dupla entre o C e O, formando o CO2 (g ).
Fig 3 - Silicato de sódio e íons Cu2+,Co2+,Cr3+,Al3+ e Fe3+
Os silicatos são incolores, porém a partir da adição de íons metálicos aos silicatos, estes podem adquirir uma grande variedade de cores.
Dito isto, a variação na composição dos minerais pode ocorrer de maneira isomórfica, quando o tamanho de um íon é muito próximo a outro, com uma diferença menor ou igual a 15%, a substituição do íon de silício pelo do metal, pode ocorrer.
No quarto tubo contendo silicato de sódio e cloreto de alumínio, devido ao tamanho próximo de Al3+ e Si4+, o Silício é substituído pelo Alumínio, obtendo o feldspato (NaAlSi3O8), que é formado pelo compartilhamento de todos os vértices dos tetraedros de SiO4 ou de AlO4. As cavidades, nessas redes tridimensionais, acomodam o íon Na+, este sendo necessário para manter a neutralidade da molécula.
O mesmo ocorre com o ferro, podendo formar a mesma estrutura do Alumínio, devido a formação desta estrutura octaédrica, ambos formam precipitado.
Nas soluções de Cu(III), Co(II) e Cr(III), os íons também são responsáveis pela coloração observadas nos tubos de ensaio, porém como são menores não substituem o silício, formando piroxênios. Estes sãoformados pelo compartilhamento dos átomos de oxigênio de dois vértices de cada tetraedro.
A solução de CoCl2, era rosa e tornou-se azul, sendo a cor azul obtida apenas em soluções anidras, isto sendo possível pela formação de um complexo do cobalto com o silicato.
Conclui-se então que nas soluções citadas, houve a formação de estruturas octaédricas dos silicatos com os metais (NaCu(SiO3)3 , NaCr(SiO3)3 e CoSiO3.
	Parte 3 - Jardim de Silicatos
	De primeiro momento, o sal não solubilizou na solução de silicato de sódio, decantando ao fundo do béquer, e ao passar de três dias, o sal foi “erguido” na solução, formando linhas de precipitado do fundo até o topo da solução, mostrando a interação do silicato com o cátion, formando um polímero insolúvel e com cor diferente, dependendo do cátion reagindo.
Fig 4 - Jardim de silicatos.
4.4 -Polímero Inorgânico
	Não foi possível observar um bom desenvolvimento do polímero nos dias disponíveis.
Fig 5 - Polímero Inorgânico
5. Questões
1.O que ocorre com a “água de cal” após ser borbulhada? E após aquecimento? Apresente as
reações ocorridas e explique.Qual a relação com o que vocês observaram no item e da Parte 1?
R: Ao borbulhamos o CO2 na água de cal,observou-se a reação segundo se descreve: 
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3(precipitado branco) + H2O
ou seja, ocorre a formação de carbonato de cálcio. Após aquecimento (calcinação), o carbonato de cálcio é convertido em óxido de cálcio (cal viva) de acordo com a reação: 
CaCO3(s) → CaO + CO2(g)
2. Qual o gás é formado na Parte 1? Esse gás é um óxido ácido ou básico? Explique utilizando suas observações. Descreva as reações que ocorrem quando este é dissolvido em água.
R: O gás formado é o gás carbônico (CO2) que é formado segundo a equação :
CaCO3(s) + 2HCl (aq) → CaCl2(aq) + CO2(g) + H2O(l) 
CO2(g) + H2O(l) → H2CO3(aq)
Trata-se de um óxido ácido que respeita a característica e forma um ácido ao reagir com água, ao adicionarmos o indicador metilorange, ( em meio ácido se torna vermelho e amarelo em meio básico) pudemos comprovar que o meio estava levemente ácido próximo ao meio básico, pois após a adição do indicador no tubo 1 a solução ficou em um tom alaranjado escuro.Isso ocorreu porque o ácido carbônico é instável.
3. Cite outras formas de produção desse gás.
R: Outras métodos de obtenção envolve a utilização do CO2 da composição de óleos combustíveis e gás natural através do processo de absorção onde o CO2 liberado tem cerca de 99% de pureza,como subproduto do processo de obtenção do hidrogênio ,recuperação de processos de fermentação em cervejarias, dos gases liberados na calcinação do calcário em fornos de cal e dos gases efluentes de usinas termelétricas entre outros. 
4. Existe alguma relação entre a quantidade de gás que pode ser dissolvido em água e a pressão exercida sobre o sistema? Porque é liberado gás quando abrimos uma garrafa de refrigerante?
R: Sim existe. A solubilidade dos gases, como o oxigênio é diretamente proporcional a pressão sobre os quais é exercida, ou seja, quanto maior a pressão, maior será a solubilidade dos gases na água. Isso nos mostra que a altitude irá interferir na concentração de gás dissolvido.
Quando abrimos uma garrafa de refrigerante, ocorre uma diminuição da pressão no interior do sistema (garrafa de refrigerante), ocorrendo um deslocamento do equilíbrio para o lado de maior número de mols gasosos, ou seja, o lado dos produtos. Isto é mostrado pelo princípio de Le Chatelier.
5. Porque o CO2 é capaz de apagar uma chama? É possível empregar o extintor de CO2 em qualquer tipo de fogo? Por quê?
R: O fogo é uma reação química de combustão, que para ocorrer precisa da combinação de três componentes: combustível, comburente e uma fonte de calor, sem um desses componentes não pode haver fogo. O gás carbônico inibe por abafamento o comburente (Oxigênio).
O extintor de CO2 não pode ser aplicado a qualquer tipo de fogo, não deve ser usado em combustíveis leves´pois seu conteúdo sai com alta pressão e pode espalhar o material em chamas, fazendo com que seja mais fácil alastrar o incêndio. Também não deve ser usado em metais inflamáveis como titânio. 
6. Explique por que o CO2 é um gás e o SiO2 é um sólido.
R: O carbono pode formar ligações p𝜋 - p𝜋,de modo que o CO2 é um gás constituído por moléculas discretas. O silício não pode formar ligações duplas da mesma maneira. O SiO2 forma, portanto uma estrutura tridimensional infinita, sendo o SiO2 um sólido de elevado ponto de fusão. 
7. O que vocês podem concluir sobre as diferenças entre carbonato e silicato. Explique (utilize suas observações).
R: Carbonatos são sais inorgânicos formados pelo ânion trióxido de carbono. A principal característica desse grupo de compostos é a insolubilidade em água já que todos são insolúveis, com exceção do carbonato de amônio (NH4 )2CO3 e dos de metais alcalinos. Os carbonatos podem ser formados a partir da reação de ácido carbônico com óxidos básicos. A reação de carbonatos com ácidos tem como produto o dióxido de carbono.Isso ocorre porque o contato com o íon H+ torna o carbono mais instável e sujeito à decomposição, que produz o CO2. Esse processo consiste numa efervescência, observada na reação do carbonato de sódio com o HCl. No experimento 2, comparamos algumas características do carbonato / silicato de sódio, com a ajuda do papel indicador verificamos os pH’s do carbonato 11 e do silicato 13. A adição do ácido HCl 2 mol.L-1 alterou o meio básico para ácido e observamos que no carbonato ocorreu a formação de produtos como:cloreto de sódio (solúvel) e dióxido de carbono. No silicato ocorreu a formação de cloreto de sódio (solúvel) e de ácido metassilícico formando o sólido observado no tubo. Em suma observamos que, apesar de estarem no mesmo grupo, Si e C apresentam características diversas quanto a pH e reação com ácidos.
8. Estabeleça as diferenças, em termos de propriedades, entre os reagentes e o produto formado na Parte 3. Escreva a estrutura do polímero preparado.
Reagente: líquido, incolor, pouco viscoso.
Produto: gelatinoso, muito viscoso, esbranquiçado.
As soluções de silicato possuem tendência de formar filmes finos e uniformes dependendo das condições de secagem impostas a elas. Durante a secagem ocorre a polimerização do silicato envolvendo a condensação de grupos silanol (Si-OH) na forma de grupo siloxane (Si-O-Si) e a consequente perda de água. [11]
Tem-se então a formação de um polímero inorgânico: o silicone.
9. O que você poderia fazer para obter um polímero de silício mais consistente (mais viscoso)? Justifique.
R: Poderia adicionar mais álcool de forma que a remoção de água seja mais efetiva, ou outro agente desidratante. Assim, o polímero ficaria mais fluido.
10. O polímero conservou as suas propriedades depois de dois dias? Explique
utilizando suas observações.
R: Não foi possível realizar esta observação pois não houve a formação do polímero, visto que o tempo de secagem foi insuficiente para a evaporação da água.
11.Comente sucintamente as aplicações industriais do polímero de silício.
R: Os silicones possuem diversas aplicações que envolvem alta resistência à temperatura como em isolamento de cabos elétricos e fluidos de bombas. Também são usados na construção civil para dar acabamento na forma de película resistente a intempéries. Pode ser utilizado como adesivo, como o papel contact e também em forma de próteses por ser é biocompatível.
 
6. CONCLUSÃO
	Com o experimento, foi possível observar um método prático de produção de gás carbônico, e com ele, testar em dois ambientes diferente, primeiro em solução de hidróxido de cálcio, gerando carbonato de cálcio, e em água pura, alterando o pH pela formação de ácido carbônico.
	Também observou-se uma propriedade muito importante do grupo 4 da tabela periódica, principalmente dos composto de carbono e silício, a formação de cadeias, com a parte 3 doexperimento foi possível observar bem essa propriedade, sendo essas cadeias muito importantes para a manutenção da vida, o carbono em sistemas orgânicos e o silício nos solos.
7. BIBLIOGRAFIA
1. P. Atkins e L. Jones. Princípios de Química – questionando a vida moderna e o meio ambiente. Bookman, 2001. 
2. J. C. Kotz, P. M. Treichel e G. C. Weaver. Química Geral e reações químicas, 6ª. ed. Cengage Learning, 2010.
3. Alexander, Douglas. Concepts and models of inorganic chemistry. Páginas 239-248.
4. VOGEL, Química analítica - 5ª edição, páginas 287, 328, 382 - 383.