I - CICLO DO COBRE

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Instituto federal de educação, ciência e tecnologia de são paulo
LICENCIATURA EM QUÍMICA
 
 
 
 
 
 
Química Inorgânica II
 
 
 
 
 
 
Instituto federal de educação, ciência e tecnologia de são paulo
LICENCIATURA EM QUÍMICA
 
Ciclo do Cobre
Relatório realizado para a Avaliação Parcial na Disciplina de Química Inorgânica 
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Resumo
O cobre possui diversas propriedades importantes e nos traz benefícios inigualáveis, como a condução de energia elétrica. Ele pode propagar calor e energia facilmente. Além disso, aproveitando suas propriedades, a construção civil utiliza amplamente este metal em diversas áreas, seja para aquecimentos de água e também refrigeração, produção de máquinas industriais e até os famosos aparelhos eletrônicos. Para entender melhor o que é este metal e a sua importância no dia a dia, bem como sua principal utilização, é interessante conhecer suas propriedades, pois ele é um ótimo condutor, molda-se facilmente e é um anti-bactericida. Contudo isso, foi realizado no laboratório químico do IFSP-SPO, um estudo sobre a diversas reações e obtenção dos compostos de cobre. Adiante, foram feitas durante todo o experimento, cálculos e equações químicas que envolveram todo o processo, descritos em todo o relatório experimental.
Objetivo
Estudar os diferentes tipos de reações inorgânicas, equacionar corretamente as reações químicas envolvidas. Aplicar cálculos estequiométricos e analisar as variáveis que afetam o rendimento e a pureza de uma preparação.
Introdução
O elemento de transição cobre é um metal de coloração vermelha discretamente amarelada, com um brilho levemente opaco de aspecto agradável, está localizado no grupo I-B da tabela periódica, possui número atômico 29, massa atômica 63,55 g mol-, ponto de fusão de 1038°C, ponto de ebulição 2927ºC, é um metal macio, maleável e dúctil. O símbolo químico do metal é Cu, originado do latim “cuprum”, em alusão ilha do Chipre onde se acredita ter sido encontrado pela primeira vez. [1]
O cobre é obtido em larga escala, tendo sido utilizadas 11 milhões de toneladas em 1992, principalmente como metal puro e em ligas. O cobre é biologicamente importante, sendo encontrado em diversas enzimas do grupo das oxidases, nos transportadores de oxigênio em certos invertebrados no sistema fotossintético. Ele é moderadamente abundante, sendo o vigésimo-quinto elemento mais abundante da crosta terrestre. Ocorre na proporção de 68 ppm em peso. Pepitas de cobre naturais eram antigamente encontradas, mas essa fonte está agora praticamente esgotada. O minério mais comum é a calco pirita, CuFeS2. O metal é utilizado na indústria elétrica, por causa da sua elevada condutividade, e em tubulações de água, por causa de sua inercia química. Existem mais de 1.000 ligas diferentes de cobre. Podem ser citados o bronze (Cu/Zn, com 20-50% de Zn) a liga é conhecida como “prata alemã”. O sulfato de cobre é produzido em quantidades apreciáveis (123.956 toneladas em 1991). Diversos compostos de cobre são utilizados na agricultura. Por exemplo, a mistura de Bordeaux, é o hidróxido de cobre, obtido a partir de CuSO4 e Ca(OH)2.[2] 
O cobre é facilmente - e indefinidamente - reciclado, sem perda de qualidade ou de desempenho, sem diferença entre o material reciclado e obtido da mineradora. No mundo, 35% das necessidades de cobre são obtidas por meio de lixo reciclado (computadores, equipamentos eletrônicos, válvulas e eletrodomésticos). O cobre é, portanto, um metal importantíssimo, pois permite aplicações diversas: conservação de recursos, redução de resíduos, diminuição dos efeitos nas mudanças climáticas, reciclagem e aumento dos ciclos de vida de diversos produtos. Todas estas qualidades fazem do cobre um metal fundamental para o desenvolvimento econômico da humanidade. [3]
Materiais e Reagentes
Balança semi-analítica		Raspas de cobre – 0,3g
Proveta 100 mL			Ácido nítrico - 4 mL 1:1 (8,0 mol/L)
Espátula de inox			Hidróxido de sódio - 20 mL 3 mol/L. 
Bagueta				Ácido sulfúrico - 2 mol/L 
Pipeta Pasteur 5 mL		Zinco em pó
Cápsula de porcelana 		Ácido clorídrico - 6 mol/L 
Bico de Bunsen 			Água destilada 
Tela de amianto			Etanol 
Tripé
Vidro de relógio 
Capela
Estufa
Béquer de 250 mL; 100 mL; 50 mL
Diamantes de Hommel dos reagentes utilizados
Procedimento experimental
Com o auxílio de uma balança semi-analítica pesou-se 0,3 g de raspas de cobre pelo técnico do laboratório. Transferiu-se as raspas para um béquer de 250 mL e na capela adicionou 4 mL de ácido nítrico 1:1, (8,0 mol/L). Em um béquer de 250 mL transferiu-se uma alíquota de 4 mL da solução feita pelo Técnico e adicionou-se 150 mL de água destilada com o auxílio de uma proveta de 100 mL e agitou-se bem a solução. Em seguida foi adicionado 20 mL de hidróxido de sódio 3 mol/L e aqueceu a solução com auxílio do bico de Bunsen, tripé e tela de amianto até chegar a ebulição agitando sempre com a bagueta de vidro. Ao chegar ao ponto de ebulição, retirou-se o bico de Bunsen e agitou por mais alguns minutos, logo após deixou a solução em repouso para o sólido sedimentar e decantar, separando o líquido sobrenadante com o auxílio da pipeta de Pasteur. Após retirar o líquido sobrenadante, foram adicionados 200 mL de água quente destilada e deixou-se o sólido sedimentar retirando novamente o líquido sobrenadante. 
Logo após, foi adicionado aos poucos e agitando, cerca de 3 mL de ácido sulfúrico 2 mol/L, calculado a partir da massa de raspas de cobre obtida pelo técnico. Adicionou-se, pouco a pouco, zinco em pó agitando, aqueceu um pouco a solução para acelerar a reação, até que ficasse incolor e retirou-se o líquido sobrenadante.
Adicionou-se, pouco a pouco, ao sólido formado, ácido clorídrico 6 mol/L e aqueceu sem chegar ao ponto de ebulição, até que não houvesse mais desprendimento de gás, esperou decantar e em seguida o líquido foi descartado e o sólido transferido para cápsula de porcelana, previamente pesada.
O sólido foi lavado com 5 ml de água destilada e descartou-se o líquido sobrenadante, foi repetida a lavagem. Depois o sólido foi lavado com 5 ml de etanol e descartou o sobrenadante. A cápsula foi levada a estufa a 100 ºC a fim de secar o sólido, e depois levado ao dessecador por algumas horas. Pesou-se a massa de cobre obtida no cadinho e calculou-se a massa final obtida.
Fluxograma
Resultados e Discussões
Os resultados podem ser simplificados em um esquema apresentado a seguir:
Figura 1: Esquema do ciclo de cobre
Etapa A e B: (Realizada pelo Técnico de Laboratório)
Equação 1: Reação de Oxirredução do Cobre metálico utilizando ácido nítrico
 Cu(s) Cu2+(aq) + (2e-) (x3) 	E°red = 0,34 V
(3e-) + 4H+ (aq) + NO3(aq)  NO(g) + 2H2O (x2)
 3Cu(s) 3Cu2+ + (6e-)
(6e-) + 8H+ (aq)+ 2NO3(aq)  2NO(g) + 4H2O(l) 
NO+ ½ O2  NO2 (x2)
2NO + O2  2NO2 
8H+ (aq) + 2(NO3-) (aq) + 3 Cu(s) + O2  2NO2 (g) + 4H2O (l) + 3Cu2+ (aq)
8HNO3(aq) + 3CuO2(s)  3Cu(NO3)2 (aq)+ 4 H2O + 2 NO2(g)
 Ag. Oxidante Ag. Redutor
 
Massa do cobre pesada = 0,30 g 
Volume ácido Nítrico = 4 mL (8,0 mol/L)
	Pela equação podemos observar que o nitrato é o agente oxidante, ou seja, ele reduz a dióxido de nitrogênio (NO2), enquanto o cobre é o agente redutor, o qual oxida a esp Cu+2. Como o potencial padrão de oxidação do cobre metálico Cu2+ é 0,34 V e, o da redução do nitrato a NO2 é 0,80 V, essa diferença de potencial é positiva garantindo a energia de Gibbs negativa, ou seja, a reação é espontânea.
ΔE0 = E0 redução – E0 oxidação = 0,80 V – 0,34 V = + 0,46 V
	A solução presente no béquer 250 mL apresentava-se com coloração azul, devido a presença de íons de Cobre (Cu2+), obtido através do Nitrato de Cobre II Cu (NO3)2. O estado de oxidação 2+ é o mais estável para o cobre, sendo que o Cu2+ possui configuração eletrônica d9 possuindo assim um elétron desemparelhado, e como consequência a cor azul parte da transição d-d, e paramagnéticos. [2]
	Os compostos de cobre IIsão azuis tanto no estado sólido hidratado quanto em soluções aquosas diluídas devido a formação dos íons tetraaquocuprato (II) [Cu(H2O)4]2+. [4]
Figura 2: Inicio do experimento 
Etapa C:
Equação 2: Reação de permuta iônica entre Nitrato de cobre e Hidróxido de Sódio.
Cu(NO3)2 (aq) + 2NaOH(aq)  Cu(OH)2(s) + 2NaNO3(aq)
Após a adição da base (NaOH), a solução de nitrato de cobre II continuou com sua cor azul, formando nitrato de sódio e hidróxido de cobre II
Figura 3: Formação de hidróxido de cobre II
Equação 3: Decomposição térmica do Hidróxido de Cobre
Cu(OH)2(s)  CuO(s) + H2O(l) - Aquecimento
	Ao aquecer a solução de hidróxido de cobre (II), notou-se uma coloração verde escura no início do aquecimento, e depois uma coloração mais cinza resultante da formação de óxido de cobre observado na equação 3, o qual decantou durante o aquecimento sendo observado visualmente pela formação de duas fases, a fase líquida contendo água e a fase sólida contendo o óxido. 
 
Figura 4: Á esquerda – Cu(OH)2 aquecendo – e a direita- CuO – precipitado.
Etapa D: Formação do sal sulfato de cobre a partir da reação entre o óxido de cobre em uma solução de ácido sulfúrico.
CuO(s) + H2SO4(aq)  CuSO4(aq) + H2O(l)
Dados:
Concentração de H2SO4 = 2 mol/ L
Massa de cobre = 0,30 g
Massa Molar do cobre = 63,5 g/mol 
Cálculo da quantidade de ácido sulfúrico a ser adicionado para reagir completamente com o cobre:
0,30 g x L x 1000mL = 2,38 mL
63,5 g/mol 2mol	1 L 	 	
 
	Foi calculado a quantidade de ácido sulfúrico a ser adicionado na solução, resultando em 2,38 mL, porém saturou-se o sistema adicionando 3 mL do ácido. Ao adicionar o ácido sulfúrico na solução de óxido de cobre, retornou-se a cor da solução para o azul, devido a presença de íons cobre obtidos através do sal sulfato de cobre, formando assim, juntamente com a água, o íon complexo de tetraaquacuprato (II).
Figura 5: Solução após adicionar ácido sulfúrico.
Etapa E: Reação de oxirredução do Zinco metálico 
Zn+(s)  Zn2+ + 2e- - Semi reação de oxidação Eº= 0,76 V
Cu2+ + 2e-  Cu - Semi reação de redução Eº= 0,34 V
 
Zn(s) + CuSO4(aq)  Cu(s) + ZnSO4(aq)
Zn(s) + HCl (aq)  ZnCl(aq) + H2 (g)
ΔE0 = E0 redução – E0 oxidação = 0,34 V – 0,76 V = 1,10 V
	Ao adicionar o zinco na solução, a coloração da mesma se tornou escura devido ao sulfato de zinco formado, e após agitar e aquecer para acelerar a reação, a solução foi clareando aos poucos e o cobre foi se precipitando, devido a formação do cobre metálico (reciclagem), de cor avermelhada, e pelo zinco oxidado.
	O ácido clorídrico (6 mol/L) ao ser adicionado no precipitado, serviu para retirar o excesso de zinco, pois o cobre não reage com o HCl e sim o zinco. Nesta etapa percebeu-se uma efervescência da solução, demonstrando uma reação exotérmica. 
 
Figura 6: Solução com zinco à direita e a esquerda o cobre embebido com água destilada.
Etapa H: Rendimento da massa de cobre final a partir da inicial.
Massa de cobre inicial = 0,30 g 
Massa cadinho vazio = 35,3442 g
Massa cadinho com cobre = 35,5599 g
Massa final – Massa inicial = Massa total
35,5599 g – 35,3442 g = 0,2157 g de cobre
0,30g (x) X = 0,2157 g (x) 100% 
X = 71,90 % de rendimento de cobre.
	Esta variação pode ter ocorrido devido a perdas nos processos de decantação, bem como por reações incompletas, como na etapa de adição de zinco em pó e até mesmo na incrustação do material em questão nas paredes internas das vidrarias utilizadas evidenciando erro do analista durante a agitação das soluções, por exemplo. 
Conclusão
O cobre é um metal importante para diversas áreas, e a partir do experimento foi possível obtê-lo em diferentes substâncias, e observar as diferentes características que possui devido sua coloração, conforme mostra o esquema do ciclo do cobre, começando na forma metálica, passando por nitrato de cobre II, hidróxido de cobre II, óxido de cobre, sulfato de cobre II e, por fim, voltando ao estado de cobre metálico, permitindo analisar o seu rendimento, o qual foi de 68,15%. Contudo isso a prática laboratorial teve bastante sucesso nos mostrando a diversidade do ciclo do cobre.
Referências Bibliográficas
[1] COBRE Disponível em: http://www.infoescola.com/elementos-quimicos/cobre/ Acesso em:16/08/2016
[2] Lee.J.D; Química Inorgânica não tão Concisa; tradução da 5º ed. Inglesa/ São Paulo; Blucher, 1999.
[3] QUIMICA DO COBRE Disponível em: http://educacao.uol.com.br/disciplinas/ quimica/cobre-ocorrencia-obtencao-industrial-propriedades-e-utilizacao.htm. Acesso em:16/08/2016
Questionário
1) A dissolução do cobre poderia ser feita com ácido clorídrico? Justifique. 
R: Não, pois o cobre faz parte dos metais nobres, os quais são aqueles que aparecem na fila de reatividade dos metais à direita do Hidrogênio, não reagindo de forma espontânea [2]. Dessa forma, cobre não pode ser oxidado pelo HCl para tornar-se Cu+, pois a reatividade do cobre é menor do que o do hidrogênio.
2) Calcule o volume de NaOH 3 mol . L-1 necessário para reagir com: 
a) o volume de HNO3 utilizado. 
NaOH(aq) + HNO3 NaNO3(aq) + H2O(l) 
8,0 mol.L-1 HNO3 x 4,0x10-3 L HNO3 = 0,032 mol de HNO3
Como a proporção estequiométrica é de 1 mol de hidróxido de sódio para um mol de ácido nítrico, teremos, então, 0,032 mol de NaOH. Dessa forma: 
0,032 mol NaOH x 1L x 103 mL = 10,66 mL de NaOH
 3 mol 1L
b) os íons Cu (II) formados. 
Cu+2 (aq) + 2NaOH(aq)  Cu(OH)2(s) + 2Na+(aq)
	 
0,2157 g Cu x 1 mol Cu x 1 L NaOH X 103 mL = 1,14 mL 
 63,2 g Cu 3 mol NaOH 1 L
c) Compare com o volume utilizado na experiência e justifique o procedimento usado.
No procedimento experimental utilizou-se uma quantidade muito superior à que realmente reagiria com o cobre tendo em vista que a solução aquosa de nitrato de cobre poderia conter ainda ácido em excesso e também para garantir que todo o cobre se transformasse em hidróxido para posterior precipitação a partir dessa reação.
3) O que aconteceria se fosse adicionado zinco metálico à solução de íons cobre (II) que foi obtida pelo tratamento do metal com ácido nítrico e diluída com água destilada?
R: O cobre não reagiria com o ácido nítrico, e sim o zinco reagiria, pois, analisando a Energia Livre de Gibbs de ambas as reações, a reação do zinco com ácido nítrico tem um ΔG menor que a reação do cobre com ácido nítrico, por isso que ocorre mais facilmente. O ΔG da reação de zinco com ácido nítrico é -1,56 V, e a da reação de cobre com ácido nítrico é -1,10 V.
4) Calcule o rendimento do processo e justifique o valor encontrado considerando o ciclo.
R: Massa inicial do cobre = 0,30g 
0,30g --- 100%
0,2157g --- X% 
X= 71,90%
A massa de cobre final foi menor do que a inicial que pode ser explicada pelas várias etapas realizadas pelas possíveis perdas no descarte de sobrenadante. 
5) Descreva a importância biológica do cobre.
R: O cobre é um elemento essencial para a vida, juntamente com o zinco e o ferro. Pode ser encontrado em uma pessoa adulta até cerca de 100 mg de cobre. [2]
O cobre funciona como enzima no organismo, assim ajuda nas sínteses de proteínas, principalmente como oxidante, como exemplo é responsável pela oxidação de amidas, ácido ascórbico, álcoois e aldeídos. Atua em outras importantes funções como a dopamina hidroxilase, que trabalha nas funções cerebrais [2].
O cobre em grande quantidade no organismo, é tóxico e prejudicial aos seres vivos, como a Doença de Wilson, que é causada pelo acúmulo de cobre no fígado, rins e cérebro. Ela é tratada através de um agente quelante como o EDTA, pois assim o cobre é excretado através de um complexo [2].
As proteínas contendo cobre, são chamadas de proteínas azuis, e atuam como transportadora de elétrons, pois mudam seu estado de oxidação de Cu2+ para Cu1+, e vice-versa. Isso ocorre principalmente com as trocas de carga entre o Cu e o S, sendo um exemplo a plastocianina, que é uma importante transportadorade elétrons na fotossíntese [2].