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SUMÁRIO INTRODUÇÃO ____________________________________________________________ 4 OBJETIVOS _______________________________________________________________ 8 PARTE EXPERIMENTAL ___________________________________________________ 8 RESULTADOS E DISCUSSÃO ______________________________________________ 20 CONCLUSÕES ___________________________________________________________ 29 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS __________________________________________ 30 4 INTRODUÇÃO O Grupo 13/III (grupo do boro) é constituído pelos elementos boro (B), alumínio (Al), gálio (Ga), índio (In) e tálio (Tl). Os membros desse grupo possuem hibridização sp² e são encontrados na natureza em combinação com o oxigênio. Elementos do bloco p vão desde não-metais, passando pelos metalóides, até os metais, resultando em uma diversidade de propriedades químicas. Algumas características e aplicações destes elementos: O alumínio é o metal mais abundante, em peso, e tem uma grande importância econômica e sua obtenção é realizada através da bauxita. Utiliza-se o alumínio em forma de ligas com outros metais, pois o metal alumínio puro é relativamente mole e tem pouca resistência mecânica. A diversidade de aplicações é enorme, vai de um papel alumínio utilizado no dia-a-dia até em estruturas de aviões e navios. O boro é um elemento bem conhecido, porem raro, possui uma baixa abundancia, e também possui diversas aplicações como na fabricação de barras de controle para reatores nucleares (captura de nêutrons) e aços resistentes ao impacto. Já o bórax, o ácido ortobórico (H3BO3) e o sesquióxido de boro (B2O3), há diversas aplicações como produção de fibra de vidro para revestimento e tecidos, fabricação de esmalte cerâmico, detergentes e sabões em pó, isolantes térmicos, dentre outros. Gálio é mais abundante que o boro, já o índio e tálio são muito menos abundantes. Não há muita demanda para eles, algumas aplicações são na fabricação de semicondutores, “dopagem” de cristais de transistores, ou seja, uma área bem restrita. Tabela 1: Energias de ionização do grupo do boro. Energias de ionização (kJ mol -1 ) 1ª 2ª 3ª total B 801 2.427 3.659 6.887 Al 577 1.816 2.744 5.137 Ga 579 1.979 2.962 5.520 In 558 1.820 2.704 5.082 Tl 589 1.971 2.877 5.437 Informações disponíveis livro LEE, John David. Química Inorgânica não tão concisa. 5. ed. São Paulo. Através da Tabela 1, é possível ver que o boro possui uma energia de ionização maior que os demais elementos do grupo, isso se da devido ao boro ser consideravelmente menor. Todos os elementos do grupo apresentam uma energia de ionização total (somatória das três primeiras energias) muito alta sempre com tendência a formar ligações covalentes.¹ 5 Para a obtenção dos membros do grupo 13, boratos de sódio hidratados como o mineral bórax são as fontes primárias para o boro, já o alumínio possui como minério primário a bauxita como já dito e consiste de vários hidratos de óxido de alumínio. A dificuldade de reduzir o alumínio pelo carbono é evidente a partir do diagrama de Ellingham. Figura 1: Diagrama de Ellingham para redução de óxidos metálicos. (Fonte: Duward Shriver e Peter Atkins, Qúmica Inorgânica – 3ed, p.207) Diagrama mostra que o óxido de alumínio possui uma energia de Gibbs de formação mais negativa do que seus congêneres mais pesados.² Quando expostos a alguns meios corrosivos, os materiais metálicos tendem a corroer. Em alguns casos a oxidação é benéfica. Trata-se da oxidação do cromo e do alumínio, fenômeno conhecido como passivação, que ocorre na presença de oxigênio, permitindo com isso a formação de óxido de cromo e de alumínio. Forma-se um filme de óxido de excelente resistência a alguns meios corrosivos. O processo de passivação é um fenômeno superficial e é bastante complexo. Essa reação de passivação pode ocorrer à temperatura ambiente e formar produtos de oxidação, que agem na proteção do metal, tornando esta superfície mais estável ao meio. As superfícies de alumínio possuem uma elevada afinidade com o oxigênio, logo o metal é recoberto sempre com uma fina camada de óxido, fato este que identifica basicamente sua estabilidade química. Isto o torna um dos materiais mais utilizados para proteção contra a corrosão em diversos meios, entre eles o mais agressivo que é o meio salino. O processo de passivação do alumínio é espontâneo como ânodo de sacrifício. 3 6 No grupo 14, estão presentes os elementos carbono (C), silício (Si), germânio (Ge), estanho (Sn) e chumbo (Pb), apresentam configuração eletrônica com quatro elétrons na camada de valência e propriedades físicas e químicas diversas. Um dos elementos mais importantes de toda a tabela periódica é o carbono, isso se dá devido a ele ser indispensável na existência da vida, ele esta presente em diversos lugares, como no corpo humano e natureza. Muitos compostos derivados do carbono são utilizados para tratamentos e por indústrias. Um destes compostos é o carvão ativado, que possui fórmula molecular: C, e apresenta uma propriedade adsorvente, o carvão é usado, por exemplo, em remédios, adsorção de gases, filtros e tratamento de água, além de ajudar em certos fatores da saúde humana. Mas como funciona a propriedade adsorvente do carvão ativado? Geralmente as impurezas são encontradas em pequenas proporções nos produtos, porém causam odor, cor, gosto e outras substancias indesejáveis. O mecanismo de remoção das impurezas consiste – se na sua adsorção física pelo Carvão, ou seja, as moléculas das impurezas são atraídas pela porosidade existente no carvão ativado e lá retidas por forças físicas. Assim, após o tratamento os produtos encontram – se purificados e isentos das referidas impurezas. No caso de uma substituição completa da carga de carvão Ativado, ora utilizado no tratamento, todas as impurezas retidas pelo carvão serão removidas junto com o mesmo. De modo geral o carvão ativado, que é uma forma de carbono puro de grande porosidade, apresenta notáveis propriedades atribuídas à sua área superficial. Estas forças físicas que o carbono puro exerce sobre as impurezas, são do tipo WANDER WALLS, sem modificação química do produto absorvido. 4 Figura 2: Porosidade do carvão ativado comparado ao carvão normal (Fonte: http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/filtracao-por-carvao-ativado.htm) 7 O carvão ativado possui uma grande porosidade, contendo muitos poros em sua superfície de contato, aumentando a área efetiva, e é esta característica que o permite reter partículas em seu interior, fazendo com que ele seja um bom purificador, entretanto existe um limite, ele deixa de ser eficiente quando todos os seus poros estão preenchidos. Outro elemento que apresenta características parecidas com a do carbono, como a capacidade de formar polímeros, é o silício que também é muito utilizado em indústrias na produção de diversos produtos, o Silício Metálico é empregado basicamente na fabricação de ligas de alumínio para fundição, utilizadas nas indústrias automobilísticas, aeronáuticas, etc. 5 Como o silício tem essa capacidade de formar polímeros, outra aplicação desse elemento é em silicones, que são polímeros de cadeia longa muito estável, e sua matéria prima são clorossilanos alquil ou aril substituídos. Inicialmente foram desenvolvidos para substituir polímeros orgânicos, pois são mais resistentes a calor e sua finalidade era ser isolante elétrico e outra vantagem é que quando se decompõe não formam materiais condutores como acontece com compostos de carbono. (J.D LEE)¹ O germânio foi inicialmente muito usado na fabricação de transistores porque ele era mais fácil de purificar que o silício, tendo uma menor separação de energia entre as bandas do que o mesmo, sendo um melhor semicondutor intrínseco. O estanho é resistente à corrosão e usado para recobrir o aço usado nas latasde folha-de-flandes. O bronze é uma liga de estanho e cobre. A solda é uma liga de estanhochumbo. Compostos trialquilestanho e triarilestanho são muito usados como fungicidas e biocidas. A maciez e a maleabilidade do chumbo levaram ao seu uso em encanamentos, porém, esta aplicação não é permitida atualmente devido à preocupação com envenenamento por chumbo. O seu baixo ponto de fusão permite que seja utilizado em soldas, e sua alta densidade o seu uso em munições e blindagem. 1,6 . 8 OBJETIVOS Observar a reatividade dos compostos formados por elementos do grupo 13 (grupo do boro) e comparar a reatividade desses com os dos grupos 1 e 2 e o caráter anfótero de alguns de seus óxidos. Estudar as propriedades dos elementos Carbono, Silício e Estanho pertencentes ao Grupo 14 da tabela periódica. PARTE EXPERIMENTAL Materiais 1 Almofariz; Balança analítica; Banho de gelo; Banho-Maria; 2 Bastão de vidro; 3 Béqueres de 100 mL; Bico de Bunsen; Chapa de aquecimento; 1 Espátula; Filme plástico (PVC); 2 Papéis de filtro; Papéis de tornassol (azul e vermelho); Pedaço de lixa; 1 Pipeta Pasteur; 1 Pinça metálica; 1 Pisseta; 1 Pistilo; 1 Suporte universal; 1 Tubo de ensaio grande Pyrex; 16 Tubos de ensaio médios; 6 Tubos de ensaio pequenos. 9 Reagentes Água destilada; Ácido clorídrico 2 mol.L-1; Ácido clorídrico concentrado; Ácido nítrico 2 mol.L-1; Ácido nítrico concentrado; Ácido sulfúrico 2 mol.L-1; Ácido sulfúrico concentrado; Alumínio (pedaços); Azul de metileno (indicador); Bórax (Na2B4O7.10H2O); Carvão ativado em pó; Cloreto de alumínio (AlCl3); Cola branca (PVA); Corantes alimentícios; Estanho puro; Estanho liga (60% Sn e 40%Pb) Etanol; Hidróxido de sódio 2 mol.L-1; Hidróxido de amônio 6 mol.L-1; Magnésio em pó; Óxido de cobre em pó; Sílica seca; Silicato de sódio 40%. Toxicidade dos Reagentes Ácido clorídrico Inalação: Irritante para os olhos, nariz e garganta. Se inalado, causará tosse ou dificuldade respiratória. Ingestão: Prejudicial, se ingerido. Contato com a pele: queimará a pele. Queimará os olhos. Remover roupas e sapatos contaminados e enxaguar com muita água. Manter as pálpebras abertas e enxaguar com muita água. Não provocar o vômito. 10 Ácido nítrico Inalação: Corrosivo! Inalação de vapores pode causar dificuldades viventes e pode conduzir a pneumonia e edema pulmonar que pode ser fatal. Outros sintomas podem incluir tosse, irritação do nariz, garganta e área respiratória. Ingestão: Corrosivo! Pode causar dor imediata e pode queimar a boca, garganta, esôfago e área de gastrointestinal. Contato com a pele: Queimará a pele. Queimará os olhos. Ácido sulfúrico Inalação: Causa irritação ao trato respiratório e mucosas das membranas. Sintomas incluem irritação do nariz e garganta e fadiga respiratória. Pode causar edema pulmonar. Ingestão: Pode causar severas queimaduras na boca, garganta e estômago, levando à morte. Dor de garganta, vomito, diarreia, colapso circulatório, pulsação fraca e rápida, baixa respiração e pouca urina se o ácido for ingerido. O choque circulatório causa a morte. Contato com a pele: Os sintomas mais frequentes são vermelhidão, dor e severas queimaduras. Pulsação fraca e rápida, baixa respiração e pouca urina se o ácido for posto em contato com a pessoa. Bórax (Na2B4O7.10H2O) Inalação: Procurar ar fresco. Se não houver respiração, aplicar respiração artificial. Se necessário, consultar o médico. Efeitos de irritação na garganta e narinas podem ocorrer se for inalado uma quantidade maior que 10 mg/m 3 . Ingestão: Se ingerido o nível de toxidade é considerado como substância que possui perigo. Contato com a pele: O bórax é nocivo quando em contato por muito tempo com a pele. Carvão ativado em pó Inalação: Se uma pessoa aspirar uma grande quantidade de material particulado, transfira a pessoa para uma área de ar fresco, abra a roupa e se for necessário coloque máscara de oxigênio. Providenciar cuidados médicos. 11 Ingestão: Se ingerido pequenas quantidades, não faz mal algum à saúde. Se engolido em excesso, deve-se dar grandes volumes de água e induzir ao vômito. Providenciar cuidados médicos. Contato com a pele: Não há perigo, devendo apenas lavar com água e sabão. Cloreto de alumínio Inalação: Irritante para os olhos, nariz e garganta. Ingestão: Prejudicial, se ingerido. Contato com a pele: Queimará os olhos. Queimará a pele. Cola branca (PVA) Inalação: Não são conhecidos casos de irritação nas vias respiratórias. Ingestão: Pode causar irritação na mucosa. Contato com a pele: Não são conhecidos casos de irritação da pele. Etanol Inalação: Causa irritação às vias respiratórias. Em altas concentrações, causa problemas no sistema nervoso central, dor de cabeça, inconsciência e coma. Pode causar efeitos narcóticos. Ingestão: Causa irritações gástricas, vômito e diarreia. Pode causar inconsciência, coma e morte. Contato com a pele: Causa dermatoses e irritações moderadas. Hidróxido de sódio Inalação: Causa severa irritação. A inalação do pó causa sérios prejuízos ao trato respiratório. Os sintomas podem incluir dores de garganta e espirros. Severa pneumonia pode ocorrer. Ingestão: Este reagente é corrosivo. Pode causar severas queimaduras na boca, garganta e estômago. Pode causar danos aos tecidos e morte. Podem incluir sangramento, vômito, diarreia e queda de pressão. Contato com a pele: Causa severas irritações e queimaduras na pele. Hidróxido de amônio 12 Inalação: Causa irritação ao trato respiratório. Concentrações mais altas podem causar queima, edema pulmonar e morte. Exposição breve para 5000 ppm podem ser fatais. Ingestão: Tóxico! Pode causar corrosão do esôfago e pode haver peritonite. Sintomas podem incluir dor na boca, tórax, e abdômen, tosse, vômito e desmaio. Ingestão tão pequenas quanto 3-4 mL podem ser fatais. Contato com a pele: Pode causar dor, vermelhidão, irritação severa ou queimaduras. Indicador azul de metileno Inalação: Pode causar dor, vermelhidão, irritação severa ou queimaduras. Ingestão: Pode causar dor, vermelhidão, irritação severa ou queimaduras. Contato com a pele: Pode causar dor, vermelhidão, irritação severa ou queimaduras. Magnésio em pó Inalação: Remova a pessoa exposta para local aberto e ventilado. Caso haja dificuldades respiratórias, forneça respiração artificial. Procure assistência médica Ingestão: O produto é de baixa toxicidade, porém, se ingerido poderá causar irritações nas mucosas. Contato com a pele: O produto poderá causar irritações e ardência. Remova o excesso do material da pele e lave o local por no mínimo 15 minutos. Remova roupas e sapatos contaminados. Óxido de cobre em pó Inalação: Causa irritação no trato respiratório. Os sintomas podem incluir soluço, dor de garganta e dificuldade respiratória. Ingestão: Os sintomas por envenenamento por cobre incluem danos capilares, dor de cabeça, calafrios, pulso fraco, danos no rim, fígado, sistema nervoso central. Contato com a pele: Causa irritação com vermelhidão e dor. Sílica seca Inalação: Irritante para o sistema respiratório. Ingestão: Causa desidratação. Contato com a pele: Desidratante para a pele, membranas mucosas e olhos, podendo causar irritação local. 13 Silicato de sódio Inalação: Queimaduras no sistema respiratório e membranas mucosas. Distúrbios respiratórios e cardíacos podendo levar à morte. Causa tosse e irritação. Ingestão: Queimaduras nas membranas mucosas. Pode causar danos gastrointestinais. Contato com a pele: Queimaduras na pele. O perigo de queimaduras por contato comsilicato de sódio frio é muito pequeno, entretanto, o silicato de sódio quando quente pode causar queimaduras. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Experimento 1 – Obtenção do ácido bórico Colocou-se em um béquer, 5,0 g de bórax e 20 mL de água destilada. Em seguida, aqueceu-se suavemente o béquer até a dissolução do bórax. Testou-se o caráter ácido-base da solução com papel tornassol e anotou-se o resultado da coloração do papel. Adicionou-se a mesma, lentamente 2,0 mL de solução de HCl 2 mol.L -1 . Em seguida, resfriou-se o béquer em um banho de gelo e observou a formação dos cristais de ácido bórico no fundo do béquer. Experimento 2 – Propriedades do Alumínio: 2.1 – Passivação do alumínio (realizada na capela) Em um tubo de ensaio, adicionou-se 1,0 mL de ácido nítrico concentrado com dois pedaços de alumínio (previamente lixado) e deixou reagir por 3 min. Com o uso de uma pinça, retirou-se o metal do tubo e o lavou, cuidadosamente, com água destilada. 2.2 – Comportamento do alumínio com ácidos Em dois tubos de ensaio, adicionou-se 1,0 mL de HCl 2 mol L -1 cada e após um pedaço de alumínio previamente lixado no primeiro tubo e no segundo tubo adicionou-se o alumínio passivado obtido no item 2.1. Aqueceu-se no banho Maria, para observar supostas mudanças. Anotou-se o que ocorreu. 2.3 – Comportamento do alumínio com álcalis: Verificar a ação de NaOH 2 mol/L sobre um pedaço de alumínio (previamente lixado) 14 Em outros dois tubos de ensaio, adicionaram-se um pedaço de alumínio lixado e outro passivado no item 2.1. Em seguida, adicionou-se 1,0 ml de NaOH 2 mol L -1 . Aqueceu-se os tubos no banho Maria para observação. E anotou-se os resultado. Experimento 3 – Caráter anfótero do Al(OH)3 Primeiramente foi preparado o Al(OH)3, a partir de 0,5g de AlCl3 e 8 gotas de NH4OH (6 mol L -1 ) e aqueceu-se. Em seguida, adicionou-se 1,0 mL do hidróxido de alumínio em dois tubos de ensaio. No primeiro tubo, foi adicionado, gota a gota, de HCl 2 mol L -1 até observar alterações no precipitado. No segundo tubo, adicionou-se, também gota a gota, a solução de NaOH 2 mol L -1 e observou-se o resultado. Experimento 4 – Propriedades redutoras do Carbono. Inicialmente, montou-se o suporte universal, de modo para que o tubo de ensaio ficasse inclinado. Misturou-se o óxido de cobre com carvão ativado em pó (relação 1:2) em um almofariz, transferiu-se para um tubo de ensaio a mistura e o fixou no suporte com a inclinação adequada para o aquecimento seguro. Após 13 minutos de aquecimento no Bico de Bunsen, deixou-se esfriar e o verteu-se sobre o papel filtro. Experimento 5 – Propriedades adsortivas do Carbono Colocou-se em um tubo de ensaio médio, metade do seu volume de água destilada, 02 gotas de solução azul de metileno 1% e uma ponta de espátula de carvão ativado em pó, tampou-se o tubo com a rolha e agitou vigorosamente por 3 minutos. A solução permaneceu em repouso por 5 minutos, filtrou-se por gravidade e observou-se o descoramento da solução. Experimento 6 – Obtenção do Silício metálico: demonstração na capela pela professora e técnico. A mistura de magnésio e sílica seca foi adicionado dentro do tubo de ensaio grande, fixado no suporte com a inclinação adequada para o aquecimento e aqueceu-se com o Bico de Bunsen. Observou-se a reação, deixou-se o tubo para esfriar, verteu-se em uma placa de Petri e observou-se o fundo do tubo de ensaio. Experimento 7 – Reação do estanho com ácidos Utilizou-se seis tubos de ensaios pequenos, colocou-se um pedaço pequeno de estanho metálico em três tubos e um pedaço de liga (60% Sn e 40% Pb) nos demais tubos. Depois, 15 adicionou-se 05 gotas de solução 2,0 mol L -1 de ácido clorídrico em um tubo com estanho puro e também em um tubo com a liga, repetiu-se a adição com 05 gotas de ácido sulfúrico e com ácido nítrico; observou-se a reação a frio e após aqueceu-se cuidadosamente os tubos em Banho Maria. Repetiu-se todo o procedimento com os mesmos ácidos concentrados. Experimento 8 – Formação de polímero com o íon B(OH)4 promovendo ligações cruzadas. Colocou-se em um béquer de 100 mL cerca de 20 mL de cola branca (PVA). Adicionou-se corante em gel diluído e homogeneizou-se. Após, foi adicionado aos poucos e sob muita agitação uma solução de bórax preparada como descrito no Experimento 1. Homogeneizou-se até consistência viscosa. O produto obtido foi armazenado em filme plástico. Experimento 9 – Preparação de um polímero inorgânico: silicone. Em um béquer, adicionou-se 20 mL de uma solução aquosa a 40% de silicato de sódio, algumas gotas de corante alimentício em gel diluído e 20 mL de etanol. Homogeneizou-se até a formação do silicone no fundo do béquer (que foi percebido pela separação de fases e pela coloração das diferentes fases). FLUXOGRAMAS Experimento 1 – Obtenção do ácido bórico 2 mL de HCl 2 mol.L -1 (lentamente) 20 mL de H2O destilada 5 g boráx Béquer Testou-se o caráter ácido-base com papel de tornassol Aqueceu-se suavemente até dissolução do bórax Resfriou-se em banho de gelo Cristais de ácido bórico 16 Experimento 2 – Propriedades do Alumínio: 2.1 – Passivação do alumínio (realizada na capela) 2.2 – Comportamento do alumínio com ácidos 2.3 – Comportamento do alumínio com álcalis: Verificar a ação de NaOH 2 mol/L sobre um pedaço de alumínio (previamente lixado) 2 pedaços de alumínio (lixados) 1 mL de HNO3 concentrado Tubo de ensaio Retirou-se o metal com uma pinça metálica Deixou-se reagir por 3 minutos Lavou-se com água destilada Alumínio passivado Pedaço de alumínio passivado Pedaço de alumínio 1 mL de HCl 2 mol.L -1 Tubo 1 Tubo 2 1 mL de HCl 2 mol.L -1 Aqueceu-se no Banho Maria Anotou-se as observações Aqueceu-se no Banho Maria Anotou-se as observações Pedaço de alumínio passivado Pedaço de alumínio 1 mL de NaOH 2 mol.L -1 Tubo 1 Tubo 2 1 mL de NaOH 2 mol.L -1 Aqueceu-se no Banho Maria Anotou-se as observações Aqueceu-se no Banho Maria Anotou-se as observações 17 Experimento 3 – Caráter anfótero do Al(OH)3 Experimento 4 – Propriedades redutoras do Carbono. 0,5 g de AlCl3 Tubo 1 Al(OH)3 8 gotas de NH4OH (6 mol.L -1 ) Aqueceu-se no Banho Maria gota a gota HCl (2 mol.L -1 ) 0,5 g de AlCl3 Observou-se Tubo 2 Al(OH)3 8 gotas de NH4OH (6 mol.L -1 ) Aqueceu-se no Banho Maria gota a gota NaOH (2 mol.L -1 ) Observou-se 2 pontas de espátula de carvão em pó Almofariz Transferiu-se para um tubo de ensaio Misturou-se Fixou-se no suporte universal com a inclinação adequada Cu elementar Aqueceu-se por 13 minutos 1 ponta de espátula de CuO Tubo de ensaio com a mistura Deixou-se esfriar Verteu-se sobre o papel filtro 18 Experimento 5 – Propriedades adsortivas do Carbono Experimento 6 – Obtenção do Silício metálico: demonstração na capela pela professora e técnico. Água destilada Tubo de ensaio Agitou-se vigorosamente por 3 minutos Tampou-se com a rolha Deixou-se a solução em repouso por 5 minutos Filtrou-se por gravidade Carvão ativado (ponta de espátula) Observou-se o descoramento da solução Obs: Adicionou-se até a metade do tubo de ensaio 2 gotas de solução de azul de metileno 1% Almofariz Fixou-se no suporte com ligeira inclinação Formação de um espelho cinza brilhante e MgO branco abaixo do espelho Aqueceu-se até a incandescência 0,5 g de magnésio em pó 0,75g de sílica seca Triturou-se e transferiu-se para um tubo de ensaio Retirou-se do aquecimento Deixou-se o tubo esfriar e verteu-se sobre o papel filtro Tubo de ensaio Pyrex com a mistura 19 Experimento 7 – Reação do estanho com ácidos Experimento 8 – Formação de polímero com o íon B(OH)4 promovendo ligações cruzadas. Solução de bórax (aos poucos) 5 gotas HNO3 (2 mol.L -1 ) 5 gotas H2SO4 (2 mol.L -1 ) Pedaço pequeno de estanho puro ou liga Tubo 2 Tubo 3 Tubo 1 Tubo 2 Tubo 3 Tubo 1 5 gotas HCl (2 mol.L -1 ) Observou-se a reação a frio Aqueceu-se em Banho-Maria Observou-se Lavar os pedaços de estanho com água destilada Repetiu-se todo o procedimento com ácidos concentrados a frio e a quente Corante em gel diluído 20 mL de cola branca (PVA) Agitou-se vigorosamente Homogeneizou-se até a consistência viscosa Béquer 100 mL Produto 20 Experimento 9 – Preparação de um polímero inorgânico: silicone. RESULTADOS E DISCUSSÃO Experimento 1: Obtenção do ácido bórico Um mol de bórax reage com dois mols de ácido. Isso ocorre porque, ao se dissolver em água, o bórax forma tanto B(OH)3 como [B(OH)] -, mas somente o [B(OH)]- reage com o HCl. (J. D. Lee) O bórax geralmente é representado como Na2[B4O7]∙10 H2O, mas é na realidade constituído pela união de duas unidades tetraédricas e duas triangulares, de modo que deveria ser representado pela fórmula Na2[B4O5(OH)4 ∙8 H2O. Figura 3 - Fórmula estrutural do bórax A solubilidade do bórax aumenta em função da temperatura exemplificada na reação 1. Mesmo sendo um composto solúvel, na realização da prática a temperatura ambiente houve a formação de um corpo de fundo que somente se dissolveu por completo após aquecimento, a solução não ficou turva com isso não foi necessário a filtragem a quente. 20 mL de etanol Corante em gel diluído 20 mL de silicato de sódio 40% Homogeneização até consistência viscosa Silicone Béquer 21 [B4O5(OH)4] -2 (s) + 5H2O(l) ↔ 2B(OH)3(aq) +2[B(OH)4] - (aq) (1) Após a completa solubilidade, foi verificado o pH em papel de tornassol da solução e houve a mudança da coloração de vermelho para azul, indicando uma solução básica. Observando a reação 1 pode-se observar que o caráter básico é proveniente do [B(OH)4] - que possui elétrons livre como uma base de Lewis. 2[B(OH)4] - (aq) + 2H3O + (aq) → 2B(OH)3(s) + 4 H2O(l) (2) Após a adição do HCl 2 mol.L-1 e o banho de gelo houve a formação de cristais brancos conforme a reação 2. Usou o banho de gelo para que a maior quantidade de ácido bórico fosse precipitada com isso deslocava o equilíbrio para a formação de precipitado conforme o princípio de Le Chatelier, mesmo que o pKa favoreça a formação do precipitado, mas a solubilidade do composto aumenta com a temperatura. O ácido bórico forma um pó muito fino por conta de suas camadas da estrutura lamelar muito distante, se quebrando facilmente. Se um excesso de ácido clorídrico fosse utilizado garantiria a formação de mais ácido bórico. (Na2[B4O5(OH)4]∙8H2O) + 2HCl → 2NaCl + 4H3BO3 + 5H2O (3) Experimento 2: Propriedades do Alumínio A passivação do metal é a formação de uma camada de óxido que o protege contra o processo de oxidação com o ar que ocorre espontaneamente e esse processo aumenta a durabilidade do metal. O alumínio não passivado possui maior reatividade que o passivado. Durante o processo de passivação foi lixada a superfície do alumínio, para a retirada de qualquer produto ou oxido que poderia haver na superfície, e então colocado em ácido nítrico concentrado. Durante o contato entre o alumínio e o ácido nítrico não houve observação de mudança da coloração mas poderíamos ter observado uma volatilização de um gás levemente marrom, que é decorrente da reação do alumínio conforme a reação 4. 2 Al(s) + 6 HNO3(aq) → Al2O3(s) + 6 NO2(g) + 3 H2O(l) (4) O alumínio obteve uma aparência opaca no qual é característico do Al2O3 formado. O comportamento do alumínio passivado e não passivado foi diferente na presença de ácido e base. Tabela 2: Diferenças entre o Alumínio passivado e o não passivado Alumínio HCl(2 mol/L) NaOH(2 mol/L) Passivado Pouca liberação de gás Liberação de gás e solução turva Não passivado Liberação de gás e aquecimento Muita liberação de gás, precipitado branco 22 Assim como mostrado na tabela contato do alumínio não passivado com a solução de HCl 2 mol/L observou-se formação de gás hidrogênio e aquecimento do tubo, indicando uma reação exotérmica. Com o alumínio passivado não foi perceptível ao toque o aquecimento do tubo como também a significativa diminuição da formação de gases, a pequena observação da formação de gases é proveniente a uma pequena parcela de alumínios que entrou em contato com o ácido. As observações realizadas na prática podem ser explicadas através da reação 5 e 6. 2Al(s) + 6H + (aq) → 2Al +3 (s) + 3H2(g) (5) Al2O3 (s) + 6HCl(aq) → 2 AlCl3 (s) + 3H2O(g) (6) O alumínio quando em contato com o NaOH 2 mol/L se dissolve para a formação de aluminato de sódio e, assim como em contato com o ácido, o metal passivado sofreu uma reação mais branda com o aparecimento de uma solução turva proveniente de uma pequena parcela de aluminato de sódio formado, mostrando uma resistência ao ataque. O não passivado se dissolveu formando um precipitado branco e formação de gás hidrogênio. 2 Al(s) + 2 NaOH(aq) + 4 H2O(l) → 2 NaAlO2∙2H2O + 3 H2(g) (7) Experimento 3: Caráter anfótero do Al(OH)3 Um composto anfótero é que apresenta características ácidas e básicas dependendo do meio em que se encontra, quando na presença de um ácido se comporta como uma base e na presença de uma base se comporta como um ácido. O Al(OH)3 é um composto que reage principalmente como uma base, isto é, reage com ácidos para formar sais que contêm o íon [Al(H2O)6] 3+. Contudo, o Al(OH)3 mostra algum caráter ácido quando se dissolve em NaOH, formando aluminato de sódio. (J. D. Lee) Foi preparado o Al(OH)3 assim como na reação 8. O hidróxido de alumínio formado foi um composto branco e gelatinoso. AlCl3(s) + 3 NH4OH(aq) → Al(OH)3(s) + 3 NH4Cl(aq) (8) Na adição de ácido clorídrico o precipitado se dissolveu conforme a reação 9. Al(OH)3(s) + HCl(aq) + 3 H2O(l) ↔ [Al(H2O)6] 3+ (aq) + 3 Cl - (aq) (9) Na adição de hidróxido de sódio o precipitado também se dissolveu mas com uma maior quantidade de hidróxido conforme a reação 10. Al(OH)3(s) + NaOH(aq) ↔ [Al(OH)4] - (aq) + Na + (aq) (10) 23 O caráter anfótero do composto pode ser observado nas duas reações realizadas conforme pode ser observado. Podemos observar que o Al(OH)3 reage principalmente como uma base, pois tivemos que usar o NaOH em excesso para ele se dissociar e pouco HCl. Experimento 4 : Propriedades redutoras do Carbono Foi macerada a mistura de óxido de cobre em pó com carvão ativado e foi aquecida em bico de Bunsen por aproximadamente 15 minutos com uma leve inclinação. Durante o aquecimento foi observada a incandescência, emissão de radiação eletromagnética por um corpo a uma alta temperatura, da mistura. Na reação 11 há o desprendimento de gás, mas esse não pode ser observado pois trata-se de um gás incolor. 2 CuO(s) + C(s) → CO2(g) + 2 Cu(s) (11) Após a mistura estar em temperatura ambiente observamos que a mesma apresentou uma coloração de pó preto e uma pequena porção alaranjada metálica(Cu metálico) demonstrando que não foi todo carvão presente que sofreu o processo de oxidação. A parede do tubo também apresentou uma coloração alaranjada metálica mostrando houve deposição do cobre metálicoalém do presente na mistura sólida. Conforme a reação 11 é possível observar que ocorreu uma reação de óxido redução onde o cobre é reduzido de Cu(II) para Cu0 e o carbono é oxidado. Experimento 5: Propriedades adsortivas do Carbono O contato da solução de azul de metileno, diluída 1:2 em água com o carvão ativado teve um resultado de descoloração da solução observada após a filtração, a solução que obtinha uma coloração azul, passou para uma solução incolor. Vemos que o carvão ativado apresenta características químicas e físicas que permitem uma importante propriedade denominada adsorção. Através destas propriedades, o carvão ativado tem capacidade de coletar seletivamente gases, líquidos ou impurezas no interior de seus poros. Figura 4: Representação da adsorção do carvão ativo. 24 Há dois tipos de adsorção, uma na onde as interações ocorrem por forças intermoleculares do tipo Van der Waals, e são denominadas adsorção de fisissorção, estas normalmente são facilmente reversíveis, com temperatura de remoção a vácuo. A quimissorção, onde as interações são dadas através de ligações químicas covalentes, é na grande maioria das vezes irreversível, quando não ocorre com temperatura muito acima da adsorção. Na maioria das vezes a adsorção que ocorre é resultado da mistura desses dois tipos. O azul de metileno é um corante de caráter básico, orgânico, aromático, heterocíclico e solúvel em água ou álcool. Figura 5: Molécula do azul de metileno. A adsorção de compostos orgânicos de soluções aquosas sobre o carvão ativado depende intrinsecamente das propriedades hidrofóbicas dessas substâncias e da alta afinidade com o carvão. Entretanto, esse fenômeno não é totalmente explicado. Tem-se na literatura, que compostos aromáticos são adsorvidos sobre carvão ativado por meio de um mecanismo que envolve grupos carbonílicos existentes na superfície do carvão, que agem com as bases de Lewis, doadores de elétrons, e anéis aromáticos presentes nos corantes, como pode ser visto na molécula de azul de metileno a qual tem 2 anéis aromáticos que agem como ácidos de Lewis, receptores de elétrons. Através dessa interação eletrônica há a formação de ligações fortes capazes de separar o corante da solução aquosa tornando então a solução que era inicialmente azul em uma solução incolor. Experimento 6 :Obtenção do Silício metálico Ao aquecer a mistura sólida(na capela) de óxido de silício, SiO2, com magnésio metálico foi observado uma incandescência, uma coloração branca da chama foi observada no início da reação. Após aproximadamente 6 minutos de aquecimento foi ouvido um estampido, indicando o término da reação. Isto ocorreu devido a liberação de calor, pois a reação é extremamente exotérmica . SiO2(s)+ 2Mg(s) ∆ → 2MgO(s) + 2Si(s) (12) Analisando os potencias de redução das semi-reações, é possível entender o que ocorreu: 𝑆𝑖2+ + 2𝑒− → 𝑆𝑖0 E= - 0,909 V (13) 𝑀𝑔2+ + 2𝑒− → 𝑀𝑔0 E= - 2,356 V (14) 25 Ocorre a formação de óxido de Magnésio pelo fato do potencial de redução do Magnésio ser muito menor que o do Silício, favorecendo assim a oxidação do Magnésio e formando silício metálico. Observamos que havia um pó branco após a reação no tubo de ensaio, característico do óxido de magnésio, e no fundo do mesmo havia um material cinza com brilho, que no caso era o silício. Experimento 7: Reação do estanho com ácidos Neste experimento, o estanho metálico foi colocado para reagir com três diferentes ácidos: ácido clorídrico; ácido sulfúrico e ácido nítrico, tanto concentrados, como diluídos (2 mol/L), além de ambos também terem que se testados a quente e a frio. Tabela 3: Estanho puro e em liga em contato com ácidos. HCl concentrad o HCl 2mol/L H2SO4 concentrado H2SO4 2mol/L HNO3 concentrado HNO3 2mol/L Liga em temperatura ambiente Nada Nada Nada Nada Pouca liberação de gás Nada Puro em temperatura ambiente Nada Nada Liberação de gás Alteração da cor do metal para Prata Muita liberação de gás e mudança de cor para amarelada Liberação de gás Liga sob aquecimento Pouca liberação de gás (lenta) Coloração do metal fosca Liberação de gás e solução amarelada Nada Solução esbranquiça da com precipitado Solução branca amarelada Puro sob aquecimento Pouca liberação de gás (rápida) Alteração da cor do metal para Prata Liberação de gás Nada Solução esbranquiça da com precipitado amarelado Solução amarela esbranquiçada As reações ocorridas com o Sn no HCl percebemos que em temperatura ambiente tanto concentrado quanto diluído não obteve diferença, mas que sob aquecimento teve a diferença da velocidade de reação, em que reações à quente foram mais rápidas do as reações a frio. Para este ácido, as características químicas se mantiveram iguais, ou seja, nas reações com HCl foi produzido gás hidrogênio. Há também a possibilidade de nas reações com HCl concentrado ter sido produzido SnCl2 e nas reações de ácidos diluídos ter sido produzido [SnCl3] -. Nas outras reações, com os outros ácidos algumas variações foram observadas de um modo geral nas soluções diluídas a frio, o gás liberado foi H2. Nas reações com os ácidos diluídos 26 à quente observou-se uma sutil mudança de coloração, passando de incolor para levemente amarelada, nas soluções das reações com HNO3 e H2SO4, isto representa que houve uma mínima liberação dos gases NO2 e SO2, respectivamente. Estes gases foram observados com muita clareza nas reações realizadas com os ácidos concentrados tanto a frio como a quente, principalmente o NO2, que na verdade é um subproduto da reação do Sn com o HNO3, o qual se formou da oxidação do NO formado, como mostrado nas equações a seguir. Reações com ácidos concentrados Sn(s) + 2HCl (aq) → SnCl2 (aq) + H2 (g) (15) Sn(s) + 4H2SO4 (aq) → SnSO4 (aq) + SO2 (g) + 2H3O + (aq) + 2HSO4 - (aq) (16) Sn(s) + 2HNO3 (aq) → Sn(NO3)2 (aq) + NO(g) + H2O (l) (17) 2 NO (g) + O2 (g) → NO2 (g) (18) Reações com ácidos diluídos Sn(s) + 2HCl(aq) + H2O(l) → [SnCl3] - (aq) + H2(g) + H2O(l) (18) Sn(s) + H2SO4 (aq) + H2O(l) → SnSO4 (aq) + H2(g) + H2O(l) (19) Sn(s) + 2HNO3(aq) + H2O(l) → SnNO3 (aq) + H2(g) + H2O(l) (20) Através dos resultados destes testes foi possível concluir que a temperatura e a concentração influenciam no poder oxidativo dos ácidos, de forma a aumentar esta propriedade para os ácidos a quente, e concentrados, quando comparados com os mesmos ácidos a frio e diluídos. Experimento 8 : Formação de polímero com o íon B(OH)4 - promovendo ligações cruzadas. Para a formação do polímero foram utilizados, cola branca, corante alimentício, apenas para colorir e acetato de polivinila (PVA), aos poucos, enquanto era homogeneizada constantemente, a cada quantidade a mais de PVA que se adicionada notava-se um aumento da viscosidade até que se atingiu o ponto de uma massa macia. O objetivo experimental era a observação do aumento da viscosidade da massa produzida. A figura a seguir mostra a estrutura da molécula de acetato de polivinila, sendo o polímero o conjunto de várias dessas estruturas. 27 Figura 6: Representação das moléculas de acetato de polivinila. O aumento da viscosidade da mistura deve-se ao fato das interações entre as moléculas do PVA com o bórax adicionado na mistura. O acetato de polivinila apresenta grupos acetatos, que formam ligações cruzadas com os íons B(OH)4-. Essas ligações cruzadas ligam as grandes cadeias poliméricas do PVA diminuindo a tendência de estas deslizarem umas sobre as outras na forma de camadas, este é o motivo pelo qual há o grande aumento da viscosidade. Paralelamente a este experimento podia-se ter produzido a mesma massamas com outro reagente, o álcool polivinílico, o qual no lugar dos grupos acetatos, apresenta grupos OH, os quais se ligam também ao ácido bórico fazendo com que as camadas das longas cadeias poliméricas fixem-se, com a diferença que a massa resultante apresentaria uma maior viscosidade, isto por que os grupos OH são muito menores do que os acetatos, desta forma a mobilidade entre as cadeias se tornaria ainda mais difícil, e por isto o produto obtido seria muito mais viscoso. Figura 7: Representação das moléculas e da estrutura formada entre álcool de polivinílico e Boráx. Experimento 9 : Preparação de um polímero inorgânico: silicone Neste experimento usamos silicato de sódio e etanol para obtenção do silicone. Embora os polímeros sejam comumente orgânicos, o silicone pode ser classificado como um polímero inorgânico, os polímeros são macromoléculas de grande massa molecular formado pela repetição de unidades fundamentais (os monômeros). No caso do silicone o átomo central silício pertence ao mesmo grupo que o carbono possuindo propriedades semelhantes. 28 No silicato de sódio, as unidades “silicatos” não estão ligados formando cadeias. Com a adição do etanol, os grupos “etil” substituem os átomos de oxigênio no silicato, formando assim as ligações em cadeia. Figura 8: Estrutura de uma cadeia de silicone. Na2SiO3(aq) + 2 C2H5OH(aq) → [−(CH2)2SiO −] + 2 NaOH(aq) + O2(g) (21) Para a obtenção do silicone a reação é lenta e necessita que constante agitação, pois há remoção de água, dessa forma no procedimento conforme houve a formação do silicone, foi removido o sobrenadante da reação, para assim não interferir na formação de mais produto na adição de mais etanol. A viscosidade (deslizamento entre as cadeias) do silicone é muito baixa e menos dependente da temperatura do que seus correspondentes polímeros hidrocarbonetos, assim à temperatura mais elevada observa-se uma queda na viscosidade. A interações entre as cadeias do silicone é pequena, assim podemos afirmar que apesar de a coluna dos silicones ser muito polar, seu caráter hidrofóbico é comparável às parafinas, famosas para sua baixa tensão de superfície. Suas propriedades hidrofóbicas decorrem do fato da cadeia de silicone ser rodeada por grupos substituintes orgânicos, que tornam sua parte exterior muito semelhante aos dos alcanos.( J.D. Lee) 29 CONCLUSÃO A partir dos resultados dos experimentos, pode-se concluir que os todos estiverem resultados satisfatórios e que pôde mostrar o que eram proposto pelas praticas, sendo que no primeiro experimento, pôde-se observar a reação de passivação do alumínio e a diferença que ela faz com o metal, já que serve para proteção contra ataques e corrosão. No segundo experimento, a produção do Hidróxido de Alumínio a partir de Cloreto de Alumínio e Hidróxido de Amônio foi satisfatória, e também a comprovação do caráter anfótero do Al(OH)3, já que reagiu tanto com o Ácido Clorídrico e com o Hidróxido de Sódio, mostrando também que por mais anfótero que ele seja há uma maior reatividade com bases, pela mudança de hibridização do Alumínio na molécula, resultando também na mudança da geometria que passou de trigonal planar para tetraédrica. No experimento 3, pôde-se observar e compreender a propriedade redutora do Carbono, já que ao aquecer o carvão em pó com óxido de cobre, o carvão reduziu o Cobre e formou Cu 0 , sendo visível pela cor acobreada no tubo de ensaio e também no filtro de papel, quando foi vertida o produto. E outra característica do Carbono foi observada no experimento 4, a de adsorção, do carvão, já que a solução após filtrada a solução estava sem a coloração do corante, isso foi feito através da adsorção do corante pelo carvão. Por mais que foi em pouca quantidade que teve a produção do Silício metálico, através do aquecimento de Magnésio em pó e de sílica seca, conseguiu-se observar a formação de um espelho no tubo de ensaio. O experimento 6, foi satisfatório já que observou-se a reatividade do estanho com os ácidos HNO3, HCl e H2SO4, sendo o Nítrico o mais reativo entre eles, já que foi possível observar que houve reação com os dois tipos de estanho e tanto o acido diluído ou concentrado, a temperatura ambiente e em aquecimento. 30 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1 - LEE, J. D. Química inorgânica não tão concisa. Editora Edgar Blucher. Ed. 5. São Paulo, 1999. 2 - ATKINS, Peter; SHRIVER, Duward. Química inorgânica. Editora Bookman. Ed. 3. Porto Alegre, 2003. 6 - Miessler, Gary L., Fischer, Paul J., Tarr, Donald A. Química Inorgânica - 5. Ed. – SP; Pearson Education do Brasil, 2014. Sites 3 - <http://www.pipe.ufpr.br/portal/defesas/tese/005.pdf> Acessado em 20/08/2018. 4 - <http://www.guaramex.com.br/index.php/o-que-e-carvao-ativado/> Acessado em 20/08/2018. 5 - <http://www.minasligas.com.br/produtos_abre.asp?area=3&secao=3&tp=1&site=1&id=3> Acessado em 20/08/2018. Ácido Clorídrico. Disponível em <http://www.usiquimica.com.br/adm_img/fispq-27.pdf>. Acesso em 21/08/2018. Ácido nítrico. Disponível em <http://www.qca.ibilce.unesp.br/prevencao/produtos/acido_nitrico.html>. Acesso em 21/08/2018. Ácido sulfúrico. Disponível em <http://www.qca.ibilce.unesp.br/prevencao/produtos/acido_sulfurico.html>. Acesso em 21/08/2018. Azul de metileno. Disponível em <http://www.fca.unicamp.br/portal/images/Docum entos/FISPQs/FISPQ-%20Azul%20de%20Metileno.pdf>. Acesso em 21/08/2018. Bórax com cola branca. Disponível em <http://www.acrilex.com.br/admin/produtos/FISP20COLA%20BRANCA%20n%C2%B0014. pdf>. Acesso em 21/08/2018. Carvão Ativado. Disponível em <http://cloud.cnpgc.embrapa.br/wpcontent/igu/fispq/laboratorios/Carv%C3%A3o%20ativado. pdf>. Acesso em 21/08/2018. Cloreto de alumínio. Disponível em <http://www.qeelquimica.com.br/fispqs/FISPQ- %20Cloreto%20de%20Aluminio.pdf>. Acesso em 21/08/2018. Etanol. Disponível em <http://www.qca.ibilce.unesp.br/prevencao/produtos/etanol.html>. Acesso em 21/08/2018. 31 Hidróxido de sódio. Disponível em <http://www.qca.ibilce.unesp.br/prevencao/produtos/hidroxido_sodio.html>. Acesso em 21/08/2018. Hidróxido de amônio. Disponível em <http://www.qca.ibilce.unesp.br/prevencao/produtos/hidroxido_amonio.html>. Acesso em 21/08/2018. Óxido de cobre. Disponível em <http://www.qeelquimica.com.br/fispqs/FISPQ- %20Oxido%20de%20Cobre%20%28ico%29.pdf>. Acesso em 21/08/2018. Sílica seca. Disponível em <http://www.basilequimica.com.br/wp- content/uploads/2015/07/056-FICHA-QUIMICA-SILICA-Rev.-01.pdf>. Acesso em 21/08/2018.
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