Metais Alcalinos e Alcalinos Terrosos - Apostilas - Quimica, Notas de estudo de Química. Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)
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Maraca1 de Março de 2013

Metais Alcalinos e Alcalinos Terrosos - Apostilas - Quimica, Notas de estudo de Química. Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)

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Apostilas sobre o estudo das propriedades físicas e químicas dos elementos e comportamento em solução e reaçao abrangendo fatores como reatividade, hidrolise e comportamento acido-base. Conceitos sobre identificação e ab...
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Faculdade de Engenharia

Departamento de Engenharia Química

Relatório:

Grupos I e II ( metais alcalinos e metais alcalinos terrosos)

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1. Introdução

O Grupo 1 da Tabela Periódica é composto pelos metais alcalinos, constituindo uma família ou uma série química. Formada pelos seguintes metais: lítio (Li), sódio (Na), potássio (K), rubídio (Rb), césio (Cs) e frâncio (Fr).

Os metais alcalinos apresentam um único elétron nos seus níveis de energia mais externos (configuração eletrônica sempre termina em ns¹, com n variando de 1 a 7), tendendo a perdê-lo, transformando-se em íons monopositivos: M+. Devido a essa grande tendência em reagir e perder tais elétrons, diz-se que os elementos do grupo 1 são altamente reativos.

A reatividade destes elementos tende a crescer de cima para baixo, pois quanto maior o elemento menor a influencia do nucleo que os eletrons da camada de valência sofrem. Assim com os eletrons mais afastados interagindo pouco com o nucleo, é necessario uma menor energia para o atomo se ionizar. Por esse fato, os elementos do primeiro grupo nao se encontram livres na natureza.

Uma prova da alta reatividade dos metais alcalinos pode-se dar pela sua reação com a água. Tais reações acontecem tão violentamente (como na do rubídio) que podem ocasionar a combustão espontânea do hidrogênio liberado; assim, devem ser acondicionados em atmosferas de baixa umidade e protegidos contra o oxigênio (com uma camada plástica impermeável, por exemplo).

Em geral, os alcalinos são moles, pouco densos, com pontos de fusão e ebulição também menores em relação aos outros metais (em função do modo como os seus átomos se ligam). Além disso, possuem brilho rapidamente fosco (principalmente pela ação do oxigênio do ar), e quando pulverizados, aparentam a cor branca.

Os alcalino-terrosos são os elementos químicos do grupo 2 da tabela periódica, formando uma família ou uma série química, apresentam configuração eletrônica terminada em ns2, ou seja, possuem dois elétrons na camada de valência, e são formados pelos seguintes metais: berílio ( Be ), magnésio (Mg), cálcio (Ca), estrôncio (Sr), bário (Ba) e radio (Ra).

Como possuem dois elétrons na camada de valência, os metais alcalino-terrosos são comumente encontrados na natureza sob estado de oxidação +2 (pois também são altamente reativos, e, nos casos do cálcio, estrôncio e bário, são tanto quanto os elementos da família 1A).

Em contato com oxigênio, formam óxidos de caráter básico (o bário também pode dar origem ao peróxido de bário, caso sejam mantidas altas pressões e temperaturas); haletos e nitretos (MX2, M3N2); e especialmente o bário, cálcio e estrôncio, também tendem a formar hidretos metálicos do tipo MH2. Em particular o magnésio,quando exposto ao ar, oxida-se facilmente e, em estado finamente dividido, queima no ar com uma chama intensa, rica em raios ultravioleta.

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Os metais deste grupo, quando em contato com água, tendem a formar hidróxidos . Entretanto, a reação do magnésio com água é bastante lenta, pois há formação de película passivante de oxidação do metal (MgO) que dificulta o processo, ou até mesmo a reação com outras substâncias à temperatura ambiente.

Alguns sais de metais alcalinos são poucos solúveis como o carbonato de cálcio (CaCO3). Em geral, as energias de hidratação dos íons do grupo 2 são cerca de quatro vezes maior que as dos íons do grupo 1. Isso se deve ao poder polarizante dos cátions deste grupo que distorcem a nuvem eletrônica do ânion (principalmente um anion grande) aumentando o caráter covalente da ligação e assim afetando a sua solubilidade.

Esses elementos, principalmente cálcio e magnésio, podem ser encontrados em pequenas quantidades dissolvidos em água, juntamente com carbonatos e sulfatos. Esta água é chamada de água dura . Este termo foi originado em razão da dificuldade de lavagem de roupas, com águas contendo elevada concentração de certos íons minerais. Esses íons reagem com sabões formando precipitados e evitam a formação de espuma.

Todos os elementos deste grupo apresentam carácter metálico acentuado, embora menos que os do grupo I. São metais de baixa densidade, coloridos e moles; a dureza, decresce ao longo do grupo, à medida que o número atómico cresce. São sólidos à temperatura ambiente, bons condutores do calor e da electricidade.

2. Objetivo

Constatar de forma pratica propriedades físicas e químicas dos elementos do grupo 1 e 2 e comportamento em solução e reaçao abrangendo fatores como reatividade, hidrolise e comportamento acido-base. Constatar também conceitos sobre identificação e abrandamento de agua dura.

3. Procedimento Experimental

Grupo 1

Experimento 1: Reatividade

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Colocaram-se 50 ml de água em dois diferentes béqueres. Em seguida, adicionou-se cuidadosamente são seus respectivos béqueres pedaços pequenos de sódio (Na) e Potássio (K).

Experimento 2: Hidrólise dos sais de metais alcalinos

Foram colocados, respectivamente, em três diferentes tubos de ensaio aproximadamente 0,1g de cloreto de sódio (NaCl), sulfeto de sódio (Na2S) e nitrato de potássio (KNO3). Adicionou-se então cerca de 2 mL de água destilada e fervida (para eliminar CO2 dissolvido) em cada um dos tubos, os quais foram agitados. O teste do caráter acido-basico de cada solução foi feito com papel de tornassol.

Grupo 2

Experimento 1: Formação de óxido e hidróxido de magnésio

Com o auxílio de uma pinça, segurou-se um pequeno pedaço de fita de magnésio que foi aquecido na chama do bico de Bunsen até a combustão completa (um cuidado especial aos olhos foram tomados pois a luz emitida é rica em radiação fotoquimicamente ativa). Após a combustão total do magnésio, deixou-se o resíduo que se encontrava na pinça cair em um tubo de ensaio. Em seguida, adicionou-se cerca de 2 mL de água destilada ao tubo e uma gota do indicador ácido-base alaranjado de metila.

Experimento 2: Carbonato e hidrogenocarbonato de cálcio

Em um kitasato conectado a uma mangueira de silicone, foram colocados aproximadamente 10g de carbonato de cálcio (CaCO3) e mL de água. Um funil de separação foi então acoplado ao kitasato e adicionado 25 mL de HCl 2M ao mesmo. O gás carbônica (CO2) originado da reação do carbonato de cálcio com o acido clorídrico foi então borbulhado lentamente em um tubo de ensaio contendo 1 mL de sobrenadante de cal (suspensão aquosa de hidróxido de cálcio (Ca(OH)2), recém preparada, até a formação de um precipitado branco. O CO2 continuou a ser borbulhado até a solução ficar límpida. Adicionou-se uma gota de NaOH 2M e o precipitado reapareceu.

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Experimento 3: Identificação e abrandamento de uma água dura

Identificação

Colocou-se cerca de 1 mL de solução 0,1M contendo os íons Ca2+ e SO42- em quatro tubos de ensaio:

• Ao primeiro tubo, adicionaram-se algumas gotas de solução contendo íons Ba2+, a fim de se identificar o ânion sulfato

• Ao segundo tubo, adicionaram-se algumas gotas de solução contendo íons fosfatos (PO43-), a fim de se identificar o cátion Ca2+

• A terceiro tubo de ensaio, foi adicionado três gotas de solução de sabão comum (um componente típico do sabão é o estereato de sódio: NaC18H35O2). O tubo foi agitado e observou-se se houve a formação de espuma

• Ao último tubo de ensaio, colocaram-se três gotas de detergente. O tubo foi agitado e comparado com o terceiro.

Troca iônica

Colocou-se em um béquer aproximadamente 1,5g de resina catiônica fortemente ácida (FA), 5 mL de água destilada e 2,0 mL de “água dura”. Misturou-se e aqueceu a solução por 5 minutos e depois a resina foi filtrada. Com o auxilio de uma placa de toque, repetiu-se o teste de identificação do Ca2+ no filtrado.

Colocou-se em um béquer aproximadamente 1,5g de resina catiônica fortemente básica (FB), 5 mL de água destilada e 2,0 mL de “água dura”. Misturou-se e aqueceu a solução por 5 minutos e depois a resina foi filtrada. Com o auxilio de uma placa de toque, repetiu-se o teste de identificação do SO42- no filtrado.

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4. Discussao e Resultados

Grupo 1

1 Reatividade

Ao se colocar pequenos pedaços de sódio metálico em água observou-se a ocorrência de combustão pela liberação de energia da reação entre os mesmos. Ao se repetir o procedimento com potássio metálico observou-se também a liberação de energia, porém em maior quantidade. A explicação para os fatos observados envolve a reatividade das substâncias. Observando a tabela periódica, vemos que o sódio possui um tamanho menor que o potássio, pois este possui seus elétrons de valência em uma camada mais externa. Sendo o sódio menor que o potássio, seus elétrons mais externos estão mais atraídos pelo núcleo e, portanto é necessária uma maior energia para a saída do elétron de valência. Assim o potássio é mais reativo (menos estável) que o sódio, sendo a observação da combustão do hidrogênio liberado pela reaçao justificada pelo baixo ponto de fusão desses metais (Na0=97,5°C e K°=63,5°C). Com o decorrer da reação, a superfície do metal vai ficando mais “limpa” possibilitando uma reação mais rápida. A maior combustao do potássio deve-se a junção dos fatores menor ponto de fusão e maior reatividade.

Para evidenciar ainda mais a maior reatividade do potássio podemos comparar os potenciais de redução dos compostos. O potássio possui um potencial de redução menor que o do sódio, ou seja, um maior potencial de oxidação, tendo assim uma maior facilidade para perder elétrons devido a sua estrutura atômica conforme explicado no parágrafo anterior.

Para comprovação do produto formado pode-se utilizar o indicador fenolftaleína que tem zona de viragem entre 8-10 devido a formação de base como produto e conseqüente aumento no pH. A coloração rosa obtida no tubo está de acordo com a teoria, pois a estrutura do indicador em meio básico é rósea.

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K= -2,92 V

Na=-2,71 V

Reações química

2Na° 2Na++2e-

2H2O+2e-H2 + 2OH-

2Na°+2H2O H2 + 2OH- +2Na+

2K° 2K++2e-

2H2O+2e-H2 + 2OH-

2K°+2H2O H2 + 2OH- +2K+

Estrutura da fenolftaleína:

2 Hidrólise de sais de metais alcalinos

Ao se formar os sistemas e verificar os pHs foi observada uma mudança de pH somente no tubo com Na2S. Devido a baixa densidade de carga dos cátions potássio e sódio estes não possuem poder suficiente para polarizar a nuvem eletrônica da água e realizar, assim, a hidrólise, descartando a possibilidade de hidrólise ácida. Também pode-se justificar a ausência de hidrólise ácida devido a estes cátions serem derivados de bases fortes. Sendo os anions nitrato e cloreto derivados de ácidos fortes, estes não podem realizar hidrólise, diferentemente do sulfeto que é derivado de ácido fraco e realiza hidrólise. A hidrólise também pode ser justificada por este ser o único dos anions com polarizabilidade suficiente para permitir a distorção de sua nuvem eletrônica em direção a água. Assim o pH básico obtido no tubo com sulfeto está de acordo com a teoria.

NaCl Na++Cl-

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KNO3 K++NO3-

Na2S Na++2S-2

S-2+2H2O H2S+2OH-

Grupo 2

1 Formaçao do oxido e hidroxido de magnésio

Ao se expor a fita de magnésio a chama do bico de Bunsen observou-se uma emissão de luz muito grande. Colocando-se então o produto da reação em um tubo com água houve completa dissolução do mesmo e após adicionar-se alaranjado de metila o tubo manteve a tonalidade.

A emissão de luz no ensaio é explicada pela excitação dos elétrons do magnésio pela chama e seu posterior retorno ao estado fundamental. O elétron ao retornar a camada ocupada antes da excitação emite energia que no caso do magnésio é na região do ultravioleta.

Com a energia proveniente do aquecimento, ocorre uma reação do magnésio com o oxigênio do ar formando óxido de magnésio. A energia de ionização para passagem do magnésio metálico a +2 é 3 vezes maior que para +1 e a formação do O-2 é endotérmica enquanto a do O- é exotérmica; porém a formação do óxido MgO é favorecida devido a estabilização do composto através da formação do reticulo cristalino. Mesmo com a energia potencial do sistema aumentando para a formação das devidas cargas nos ions, ela é extremamente minimizada através da contribuição da entalpia de rede sendo constatado o fato pelo ciclo de Born-Haber.

Com a dissolução do composto em um tubo com água houve formação de hidróxido de magnésio (Mg(OH)2), produto constatado através do indicador alaranjado de metila que se manteve na tonalidade alaranjada, cor característica em meio básico. Vale mencionar que devido à ocorrência da reação do magnésio com o ar ela é termodinamicamente favorecida.

Mg + ½ O2 MgO

MgO + H2O Mg(OH)2

Ciclo de Born – Haber

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Mg0(s) Mg0(g) entalpia de sublimação=148

Mg0(g) Mg+1(g)+e- 1ª Energia de ionização=737,6 kJ/mol

Mg+1(g) Mg+2(g)+e- 2ª Energia de ionização = 1450 kJ/mol

O2(g) 2O(g) Entalpia de dissociação =494 kJ/mol

O(g)+e- O-(g) 1ª Afinidade eletrônica=141 kJ/mol

O-(g)+e- O-2(g) 2ª Afinidade eletrônica=-780 kJ/mol

Mg+2(g)+ O-2(g) MgO(s) entalpia de rede=-3837 kJ/mol

---------------------------------------------------------------------------------------

Mg0(s)+O2(g)  MgO(s) 148+737,6+1450+(494/2)+141-780-3837=-1893,4 kJ/mol

2 Carbonato e Hidrogenocarbonato de Calcio

Ao se formar o sistema com carbonato, água e ácido clorídrico verificou-se a formação de bolhas no funil de separação. Ao se abrir a torneira do funil e borbulhar o gás em água de cal observou- se a formação de um precipitado branco e com a saturação de gás no sistema o precipitado foi ressolubilizado e a solução se tornou límpida. Por fim, ao se adicionar base observou-se novamente um precipitado branco.

A formação de bolhas no funil de separação se deve a reação do carbonato com o ácido clorídrico, tendo como um dos produtos acido carbônico que se decompõe em CO2 e água. O precipitado formado pelo borbulhamento do gás em água de cal se deve a formação de carbonato de cálcio que é pouco solúvel em água (a pouca solubilidade do sal em água pode ser explicada utilizando-se as regras de Fajans, pois o cátion em questão é pequeno e com alta carga tendo um alto poder polarizante e o ânion em questão é grande, sendo muito polarizável, assim a nuvem eletrônica é altamente distorcida havendo um aumento no caráter covalente da ligação). Com a saturação de gás na solução, o equilíbrio da reação é deslocado de forma a ressolubilizar o precipitado. O precipitado branco proveniente da adição de base é Ca(OH)2 que é formado da reação da base com o ion cálcio.

CaCO3(s)  Ca+2 (aq)+ CO3-2(aq)

HCl(aq) H+(aq)+Cl-(aq)

2H+(aq)+CO3-2(aq)  H2CO3 (aq)

H2CO3(aq) CO2(g) + H2O(l)

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Ca+2(aq)+ CO2(g) +H2O(l) CaCO3(s)+2H+

NaOH(aq) Na+(aq)+OH-(aq)

Ca+2(aq)+ 2OH-(aq) Ca(OH)2(s)

3 Identificação e abrandamento de uma agua dura

a) Identificação de água dura

Ao se formar um sistema com sabão e água dura não houve observação de espuma. Ao se formar o sistema de detergente com água dura houve formação de espuma. As observações são explicadas pelas estruturas do sabão e do detergente. Ambas são substancias surfactantes e agem como ferramenta de limpeza, formando uma ponte entre a sujeira (apolar) e água (polar) devido a sua estrutura com uma cadeia apolar e uma parte polar, porém o sabão, com cadeia menos ramificada e maior, é mais apolar e menos solúvel em água e quando se associa com os íons da água dura precipita impedindo a formação de espuma enquanto o detergente com cadeia mais ramificada e menor cadeia carbônica (parte apolar) se mantém solubilizado mesmo se associando aos íons, podendo assim ser utilizados na água dura.

Os testes iniciais para identificação dos íons Ca+2 e SO4-2 foram realizados com PO4-3 e Ba+2, respectivamente, ocorrendo a formação de um precitado branco nos dois casos devido as reações terem como produto fosfato de cálcio (Ca3(PO4)2) e sulfato de bário (BaSO4).

Ca+2+ PO4-3 Ca3(PO4)2(s)

SO4-2+ Ba+2 BaSO4(s)

b) Troca iônica

Ao se adicionar fosfato para constatação da efetividade da troca iônica ácida não se obteve precipitado. Isso confirma o sucesso da troca iônica, uma vez que a ausência de precipitado indica que todo o cálcio da solução se ligou a resina.

Ao se adicionar íons bário para constatação de sulfato no meio obteve-se precipitação. O precipitado tinha cor branca e seu surgimento pode ser explicado por duas hipóteses: a troca iônica não ocorreu em 100% resultando na precipitação de sulfato de bário; ou o precipitado pode ser hidróxido de bário (Ba(OH)2), já que íons hidróxido foram adicionados ao meio no procedimento da troca iônica acida.

Vale mencionar que a troca iônica é um processo reversível por ser uma reação de dupla troca e que esta característica é utilizada para recuperação da resina inclusive em processos industriais.

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5. Conclusão

Com os ensaios podemos concluir a alta reatividade dos grupos 1 e 2 da tabela periódica. Podemos também concluir sobre o poder polarizante dos cátions como fator influenciador em varias reações como, por exemplo, hidrólise e formação de precipitado. Pode-se também observar o comportamento acida-base dos compostos dos grupos 1 e 2. Com os ensaios, concluímos a efetividade dos procedimentos utilizados para identificação e abrandamento da água dura. Todos os experimentos foram realizados com sucesso evidenciando conhecimentos teóricos obtidos.

6. Referências Bibliográficas

• ATKINS, P.W.; JONES, Loretta. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 3.ed. Porto Alegre: Bookman, 2006. 965 p.

• DA SILVA, J.C.G.; Química Inorgânica Experimental III – Niterói/2011, p.3-6

• SHRIVER, D. F.; ATKINS, P. W. Química Inorgânica. 3. ed. Porto Alegre: Bookman, 2003.

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