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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA INSTITUTO DE QUÍMICA LICENCIATURA EM QUÍMICA EAD EXPERIMENTO II – REATIVIDADE QUÍMICA DOS METAIS DIÊGO RODRIGUES FERREIRA - JANICE LIMA DE ALENCAR - CAICÓ - RN MAIO/2022 DIÊGO RODRIGUES FERREIRA - 2021000647 JANICE LIMA DE ALENCAR - 20170158820 Relatório de prática experimental apresentado à disciplina de Química Inorgânica Experimental, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como requisito parcial para a obtenção da nota avaliativa. Professor: Francisco Ordelei Nascimento da Silva CAICÓ - RN MAIO/2022 1. INTRODUÇÃO Os metais têm grande relevância na vida e nos processos que circundam a história da humanidade, muitos deles são essenciais para a manutenção da vida humana, sem os quais ela não poderia existir. Tais como o crômio, manganês, cobalto, níquel, ferro, cobre, entre outros, que estão intrinsecamente inseridos nos processos de metabolismo, regulando a produção de energia e funcionamento do corpo humano. Além disso, muitos fazem parte do processo de evolução das sociedades. O cobre foi o primeiro metal a ser utilizado pelas sociedades pré-históricas, sendo sucedido pelo bronze e ferro, que passaram a ser utilizados como objetos e ferramentas (CRAVEIRO, 2015). Nesse sentido, a utilização dos metais permitiu a melhora na qualidade de vida e crescimento das populações. Logo, é de suma importância entender o envolvimento dos metais nas nossas vidas, bem como compreender os processos que os envolvem . Os metais são capazes de reagir quimicamente com alguns elementos formando vários compostos, tal propriedade é chamada de reatividade. Ela está diretamente relacionada com a eletropositividade, ou seja, com a capacidade que o átomo tem de perder elétrons; quanto maior a eletropositividade, maior a capacidade de reação do metal. A figura abaixo elenca uma fileira de metais distribuídos conforme suas e reatividades e eletropositividades, tendo como referencial o hidrogênio. Figura 01- Ordem de reatividade em ordem decrescente para os metais e alguns não-metais. Fonte: Amorim e Coelho, 2019 Em termos de nobreza, pode-se dizer que metais mais reativos são menos nobres se comparados aos menos reativos, que são considerados metais de alta nobreza, como prata e ouro. Isso porque os menos nobres sofrem maiores corrosões e se oxidam mais facilmente ao reagir com outros compostos. A química classifica as reações envolvendo os metais, dentre outras, como sendo reações do tipo redox, onde os termos redução e oxidação são usados para caracterizar o ganho e a perda de elétrons, respectivamente, por uma espécie química. Quando o metal perde elétrons é dito que ele se oxida, quando recebe diz-se que ele reduziu. A oxidação e redução de um metal pode ser representada de forma genérica por: Men+ + ne- ⇌ Me0 , onde o sentido direto representa a redução e o inverso a oxidação. À medida que se tem o aumento da reatividade nos metais, os mesmos também são considerados melhores agentes redutores, pois têm maior facilidade em se oxidarem. A priori, todos os metais podem ser considerados agentes redutores, sendo uns mais reativos que outros, ou seja, sendo oxidados com maior ou menor facilidade quando expostos a agentes oxidantes. Assim, a reatividade dos metais depende dos seus potenciais de oxidação (E0 ox) e redução (E0 red), que são inversos. Sendo assim, um metal com alto potencial de oxidação tem baixo potencial de redução; ambos são medidos em volts (BROWN, LEMAY & BURSTEN, 2005). Os metais tem uma faixa para E0red com diferentes valores, onde os mais reativos, isto é, os com valores próximos a -3,0 volts, como césio, lítio, potássio e cálcio, entre outros, reagem espontaneamente com água. A figura 02 apresenta a série de atividade química dos metais, na qual pode-se observar os diferentes potenciais de redução em volts. Para compreensão dos potenciais de oxidação, basta trocar o sinal dos valores do potencial de redução. Figura 02- Serie de atividade química dos metais Fonte: Oliveira e Silva, 2006. Os metais com E0red entre -3,02 volts e -0,13 volts são considerados metais não nobres, já os que possuem E0red entre +0,32 volts e +1,20 volts são considerados metais nobres, conforme conceitos já apresentados. Ao colocar para reagir um metal (substância simples) com uma substância composta, a reação pode ainda ser denominada de reação simples troca ou deslocamento. Onde o metal (mais reativo) provoca a transferência de elétrons entre as espécies causando o deslocamento do elemento menos reativo da substância composta. Assim serão formados nova substância simples e nova substância composta (formada agora pelo metal e o ânion da substância composta) ( AMORIM e COELHO, 2014),. A figura 03 ilustra uma reação redox e de deslocamento envolvendo zinco metálico (Zn) (agente redutor) e ácido clorídrico (HCl), na qual pode-se observar a transferência de elétrons, causando a redução e o deslocamento do hidrogênio (menos reativo que o Zn). Figura 03-Reações redox, de simples troca ou deslocamento Fonte: Manual da Química Assim, para saber se uma reação é do tipo simples troca, é necessário, portanto, consultar a reatividade do metal em questão. Ademais, compreender a reatividade dos metais nos auxilia a entender vários fenômenos e fazer ajustes para o seu uso no cotidiano. 2. OBJETIVOS Observar de forma prática o conceito de reatividade dos metais, analisando as reações de redox, bem como a ocorrência ou não de deslocamento entre os metais nas respectivas reações. 3. PARTE EXPERIMENTAL 3.1. ETAPA I: REAÇÕES DE METAIS COM SAIS 3.1.1 REAGENTES E MATERIAIS - Tubos de ensaio; - Estante para tubos de ensaio; - Caneta marcador; - Cronômetro - Pipetas; - Peras de sucção; - Béquer 25 mL; - Lâminas de zinco; - Solução de sulfato de cobre (0,5 mol/L); - Solução de cloreto de sódio (0,5 mol/L); - Solução de nitrato de prata (0,5 mol/L) 3.1.2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Nesta etapa, inicialmente foi colocado uma lâmina de zinco em três tubos de ensaio numerados de 1 a 3. Com o auxílio de pipetas, no primeiro foi adicionado 2 mL de solução de sulfato de cobre (0,5 mol/L), ao segundo foi adicionado 2 mL de solução de cloreto de sódio (),5 mol/L) e ao terceiro foi adicionado 2 mL de solução de nitrato de prata (0,5 mol/L), aguardou-se dez minutos e em seguida os tubos foram agitados, observando as reações ocorridas e registrando as respostas das perguntas do roteiro. 3.2. ETAPA II: REAÇÕES DE METAIS COM ÁCIDOS 3.2.1 REAGENTES E MATERIAIS - Tubos de ensaio; - Estante para tubos de ensaio; - Caneta marcador; - Cronômetro - Pipeta; - Pera de sucção; - Béquer 25 mL; - Capela de exaustão - Aparas de Mg, Al e Zn - Palha de aço - Cobre em pó - Ácido nítrico concentrado (1:1) – HNO3 3.2.2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Nesta etapa foram enumerados 5 tubos de ensaio e com o auxílio de uma pipeta graduada foram adicionados 2mL de ácido clorídrico (HCl) 6M em cada tubo. Em seguida, foram adicionadas aparas de Mg, Al e Zn, palha de aço e cobre em pó aos respectivos tubos e cronometrados o tempo aproximado de cada reação, sendo registrados na tabela do roteiro de práticas, bem como as devidas observações. Após realizada a primeira etapa, foi colocado uma pequena quantidade de cobre em um tubo de ensaio e levado à capela para ser adicionado 2mL de ácido nítrico (HNO3) concentrado. Foram feitas as devidas observações e anotadas em seguida. 3.3. ETAPA III: REAÇÕES DE METAIS COM ÁGUA 3.3.1 REAGENTES E MATERIAIS - Tubos de ensaio; - Estante para tubos de ensaio; - Caneta marcador; - Pinça de madeira - Lamparina a álcool; - Caixa de fósforo; - Pipeta;- Pera de sucção; - Béquer 25 mL; - Água destilada - Aparas de alumínio - Palha de aço - Cobre em pó 3.3.2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Foram colocados 4 mL de água destilada em três tubos de ensaio previamente enumerados. Ao primeiro foi adicionado um pedaço de alumínio, ao segundo, pó de cobre e ao terceiro um pequeno pedaço de palha de aço. Observou-se cada um e em seguida foram levados à chama da lamparina para que fossem aquecidos. Durante o aquecimento foram realizadas novas observações e anotações. 3.4. ETAPA IV: REAÇÕES DE METAIS COM BASES OU HIDRÓXIDOS 3.4.1 REAGENTES E MATERIAIS - Tubos de ensaio; - Estante para tubos de ensaio; - Caneta marcador; - Pinça de madeira; - Lamparina a álcool; - Caixa de fósforo; - Pipeta; - Pera de sucção; - Béquer 25 mL; - Solução de hidróxido de sódio 0,5M- NaOH; -Aparas de Al e Zn; - Cobre em pó; - Palha de aço. 3.4.2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Na quarta e última etapa, com o auxílio de uma pipeta, foram adicionados 3 mL de solução de hidróxido de sódio (NaOH) 0,5M em quatro tubos de ensaio numerados de 1 a 4. Ao primeiro tubo foi adicionado uma pequena amostra de alumínio metálico e levado à lamparina para ser aquecido. O mesmo procedimento foi repetido para o pó de cobre, palha de aço e um pequeno pedaço de zinco, respectivamente. As observações realizadas foram registradas no roteiro. 4. RESULTADO E DISCUSSÃO 4.1. ETAPA I: REAÇÕES DE METAIS COM SAIS Ao analisar o ocorrido no tubo de ensaio 1, pode-se perceber que houve reação entre o zinco metálico e a solução de sulfato de cobre. Tal resultado já poderia ser previsto, tendo em vista que a reatividade do zinco é maior que a do cobre, conforme pode ser observado na figura 01 acima. Outrossim, tal resultado ainda pode ser explicado tendo em vista que o potencial de oxidação do Zn é de aproximadamente + 0,76 volt, enquanto do cobre é de -0,34 volt, o que faz com que o Zn oxide, causando a redução do cobre. Tal reação pode ser entendida como sendo de oxirredução, ou ainda, de simples troca, já que ao transferir elétrons para o cobre, o zinco (mais reativo) causa o deslocamento deste formando assim o sulfato de zinco aquoso e cobre no estado sólido. A reação ocorrida está representada na tabela 01 abaixo. No tubo 2 não ocorreu reação, o que pode ser explicado devido ao alto potencial de oxidação do sódio de aproximadamente + 2,71 volt, frente ao E0 ox do Zn de +0,76 volt. Além disso, o potencial de redução do cloro é de +1,36 volt enquanto do cobre é de +0,34 volt. Sendo assim, o zinco não consegue deslocar o sódio, levando à inocorrência da reação. Por fim, no terceiro tubo de ensaio também foi possível observar a ocorrência de reação ao adicionar a solução de nitrato de prata ao zinco. Conforme pode ser observado nas figuras 01 e 02 acima, a reatividade e o potencial de oxidação do Zn são maiores que da prata (metal nobre, de baixa reatividade), assim o zinco tende a transferir espontaneamente elétrons para a prata, provocando o seu deslocamento e formando assim uma nova substância composta, o nitrato de zinco ( Zn(NO3)2 ), e a prata sólida, que se precipita no fundo do tubo de ensaio. A reação ocorrida está representada na tabela 01. Tabela 01: Representação das reações químicas da etapa I. TUBO 1 Zn(s) + CuSO4(aq) → Cu (s) + ZnSO4(aq) TUBO 2 Zn(s) +NaCl(aq) → Não ocorre reação. TUBO 3 Zn(s) + 2AgNO3(aq) → Zn(NO3)2(aq) + 2Ag(s) Fonte: Autores, 2022 4.2. ETAPA II: REAÇÕES DE METAIS COM ÁCIDOS Ao observar as reações ocorridas na etapa II e levando em consideração a reatividade dos metais envolvidos frente a reatividade do hidrogênio presente no HCl, conclui-se que: ocorre reação nos tubos 1, 2, 3 e 4. No tubo 1, a reação ocorre de forma instantânea, tendo duração de aproximadamente 10 segundos, o que pode ser justificado pela grande diferença de potencial de oxidação entre o Mg e o H. A reação pode ser classificada como sendo de simples troca, já que o Mg com E0 ox de +2,36 volt, desloca o H (E0 ox 0,00 volt) presente no HCl, tendo como produtos da reação o cloreto de magnésio ( MgCl2) em solução e o hidrogênio gasoso. A reação ocorrida neste tubo segue representada na tabela 02 abaixo. No segundo tubo, também se observa a ocorrência de reação. Entretanto, de forma mais lenta, com tempo de reação total de aproximadamente 05 minutos, pois a superfície do metal está coberta por uma fina película de óxido de alumínio, a qual é primeiramente destruída pelo HCl para depois reagir diretamente com o alumínio. Observou-se que após aproximadamente 2 min de reação (tempo gasto para consumir a película de óxido), ela passou a ser mais violenta, indicando o consumo direto do alumínio. Pode-se concluir ainda que a reação é de caráter exotérmico, pois houve a liberação de energia na forma de calor. A reação entre o Al metálico e o HCl é justificada, dentre outros, pelas diferenças de eletropositividade, pois o alumínio sendo mais eletropositivo (mais reativo) acaba deslocando o hidrogênio ligado ao cloreto, formando novas substâncias simples e composta, respectivamente, o H2 gasoso liberado na reação e o AlCl3 em solução. A reação entre o alumínio e o ácido clorídrico está representada abaixo, na tabela 02. No terceiro tubo há reação devido a diferença de reatividade entre o zinco e o hidrogênio. Ou seja, o Zn tem um maior potencial oxidativo e assim transfere elétrons espontaneamente para o hidrogênio, causando a sua redução. Logo a reação pode ser entendida como uma simples troca assim como as demais, pois o zinco se liga ao cloro produzindo cloreto de zinco e liberando o hidrogênio na forma gasosa. O tempo de reação neste experimento foi de aproximadamente 3 min, sendo iniciada imediatamente a partir do contato entre os reagentes; pode-se perceber que trata-se de uma reação exotérmica, pois houve a liberação de calor. A equação balanceada que representa a reação pode ser vista na tabela referente às reações químicas da etapa II, abaixo. No tubo 4 os reagentes formam produtos, contudo a reação acontece de forma muito lenta, pois os valores dos potenciais de oxidação do Fe e do H são relativamente próximos. Mesmo assim, o ferro tem maior caráter redutor, o que faz o mesmo transferir elétrons para o hidrogênio causando sua redução e deslocamento. Logo, o Fe se liga ao Cl, formando o cloreto de ferro(III) em solução, e hidrogênio gasoso, que é liberado durante a reação. Neste experimento o tempo de reação foi cronometrado por mais de 12 min, porém a reação continuou ocorrendo lentamente. Observou-se ainda a mudança de coloração da solução para um pouco amarelada, devido a formação do cloreto de ferro(III). Conforme pode ser visto na figura 04 abaixo. Figura 04: Mudança de coloração Fonte: Autores, 2022 No tubo de ensaio de número 5 não houve reação entre o cobre e o ácido clorídrico. Pelo fato de o cobre ser um metal nobre, sendo assim, de baixa reatividade, e por isso não consegue arrastar o H que está ligado ao Cl para iniciar um processo de reação. Os metais utilizados no experimento foram ordenados, a seguir, em ordem decrescente de reatividade, de acordo com o menor tempo gasto na reação. Sendo a seguinte ordem: Mg > Al (desconsiderando o tempo da película de óxido)> Zn > Fe > Cu Tabela 02: Representação das reações químicas da etapa II. TUBO 1 Mg(s) + 2 HCl(aq) → MgCl2(aq) + H2(g) TUBO 2 2 Al(s) + 6 HCl(aq) → 2 AlCl3(aq) + 3 H2(g) TUBO 3 Zn(s) + 2 HCl(aq)v→ ZnCl2(aq) +H2(g) TUBO 4 2Fe(s) + 6HCl(aq) → 2FeCl3(aq) + 3H2(g) TUBO 5 Cu(s) + HCl(aq) → Não reage Fonte: Autores, 2022 Na segunda parte da etapa II, quando o cobre é colocado em contato com o ácido nítrico concentrado, pode-se perceber uma reação exotérmica com liberação de vapores, uma vez que o ácido é um forte agente oxidante e apresenta elevado grau deionização. O cobre doa elétrons para o nitrogênio do ácido. Sendo assim, o Cu é oxidado, produzindo íons Cu+2, já alguns átomos de nitrogênio são reduzidos a N+2 para formar óxido de nitrogênio. Ou seja, o cobre reage com o ácido nítrico formando nitrato de cobre(II) (de coloração verde), monóxido de nitrogênio gasoso e água. O gás NO (incolor) reage com o O2 do ar, formando NO2 de coloração castanho-avermelhada. A cor verde da solução é produzida pela combinação da cor azul do íon Cu2+ aquoso com a cor castanha do dióxido de nitrogênio dissolvido. As etapas da reação podem ser observadas na figura 05. Equação química balanceada que representa a reação: 3Cu(s) + 8HNO3(aq) → 3Cu(NO3)2 (aq) + 4H2O(l) + 2NO(g ) } 1ª reação 2NO(g ) + O2(g) → 2NO2(g) } 2ª reação Figura 05: Reação do Cobre com o ácido nítrico Fonte: Autores, 2022 4.3. ETAPA III: REAÇÕES DE METAIS COM ÁGUA Ao serem colocados em contato com a água, não se observou reações dos metais, mesmo sabendo que alguns poderiam sofrer a ação da água. Já outros não têm essa interação devido à camada protetora, a exemplo do zinco que sobrevive à exposição ao ar e à água na superfície coberta porque, como o alumínio, ele é passivado pelo óxido protetor. Em geral, o óxido de qualquer metal que ocupa mais espaço do que o metal que ele substitui age como um óxido protetor, um óxido que impede que a oxidação do metal prossiga (ATKINS, 2018). Ao serem aquecidos, pode-se perceber que em cada tubo a agitação das moléculas se deu de forma peculiar. 4.4. ETAPA IV: REAÇÕES DE METAIS COM BASES OU HIDRÓXIDOS Nessa etapa pode-se perceber reações, em dois tubos de ensaio, o 1 e o 4. No tubo 1 ocorreu reação entre o alumínio e o hidróxido de sódio, podendo ser observado desprendimento de gases, conforme figura 06. Observou-se que a reação iniciou de forma lenta, porém ao ser aquecida ela potencializou aumentando a sua velocidade, pois o aumento da temperatura eleva o grau de agitação das partículas favorecendo a reação. Foi formado um sal, o aluminato de sódio e gás hidrogênio, podendo ser observada a representação da reação na Tabela 03. Figura 06: Desprendimento de gases Fonte: Autores, 2022 Nos tubos 2, Cu (cobre), e 3 Fe (ferro), não se observou reações entre os metais e o hidróxido de sódio (NaOH). Tal fato pode ser explicado pelos baixos potenciais de oxidação dos mesmos em relação ao sódio, assim o Cu e Fe são menos reativos que o Na. No tubo 4, observou-se reação ocorrendo entre o zinco (Zn) e o hidróxido de sódio. Porém essa reação não se deu de imediato, nem espontaneamente, uma vez que o potencial do zinco (Zn) é menor que o potencial de oxidação do sódio, desta forma, em condições normais de temperatura, o zinco não consegue arrastar o sódio do hidróxido. Mas ao ser aquecido, percebe-se a reação, com liberação de gás hidrogênio e a formação do NaZnO2 (zincato de sódio), conforme as imagens apresentadas na figura 07. Figura 07: Liberação de gás a partir da reação entre o zinco e o hidróxido de sódio Fonte: Autores, 2022 Na tabela 03 podem ser visualizadas as reações ocorridas entre os metais e o hidróxido de sódio (0,5 molar), etapa IV do experimento. Tabela 03: Representação das reações químicas da etapa IV. TUBO 1 2 Al(s) + 2 NaOH(aq) + H2O → 2 NaAlO2(aq) + 3 H2(g) TUBO 2 Cu(s) + NaOH(aq) → Não reage TUBO 3 Fe(s) + HCl(aq) → Não reage TUBO 4 Zn(s) + 2 NaOH(aq) → Na2ZnO2(aq) + H2(g) Fonte: Autores, 2022 5. CONCLUSÃO O estudo em questão permitiu observar a reatividade de metais de alta e baixa nobreza, sendo possível identificar fatores como tempo de reatividade, reações espontâneas e não espontâneas, liberação de energia nas reações, deslocamento de elementos, etc. Pode-se concluir que, dependendo da reatividade de alguns metais, eles podem reagir com soluções salinas, ácidas ou básicas, e que o tempo gasto na reação serve de indicativo para compreender a ordem de reatividade de metais utilizados no experimento. Pode-se compreender ainda que, metais alcalinos são altamente reativos, tendo alto potencial de oxidação, o que explica a inocorrência de algumas reações ao ser colocado para reagir metais e soluções alcalinas. Ademais, conclui-se que metais de alta reatividade ao reagem com ácido forte liberam gás hidrogênio como produto da reação. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AMORIM, Antonia Fádia Valentim de; COELHO, Augusto Leite. Introdução a química, 3.ed. Fortaleza, CE : EdUECE, 2014 ATKINS, P. W.; JONES, L.; LAVERMAN, L. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. Tradutor: Félix José Nonnenmacher; revisão técnica: Ricardo Bicca de Alencastro. – 7. ed. –Porto Alegre: Bookman, 2018. BROWN, LEMAY & BURSTEN, QUÍMICA A CIÊNCIA CENTRAL - 9.ed. Pearson Prentice Hall ed. 2005 CRAVEIRO, Alexandre Cabral. Química geral e orgânica, 2. ed. – Fortaleza : EdUECE, 2015. FOGAÇA, Jennifer Rocha Vargas. Reatividade dos metais. Disponível em: <https://www.manualdaquimica.com/fisico-quimica/reatividade-dos-metais.htm> Acesso em: 07 de maio de 2022. Idade dos metais. Disponível em: <https://www.todamateria.com.br/idade-dos- metais/> Acesso em: 05 de maio de 2022. Manual da química. Reações de simples troca ou deslocamento. Disponível em: < https://www.manualdaquimica.com/quimica-inorganica/reacoes-simples-troca-ou- deslocamento.htm> Acesso em: 07 de maio de 2022. MASSABNI, Antonio Carlos. Os metais e a saúde humana. Disponível em: <https://www.crq4.org.br/quimica_viva__os_metais_e_a_saude_humana> Acesso em: 05 de maio de 2022. SILVA, Ademir Oliveira da; OLIVEIRA, Otom Anselmo de. Diversidade química do ambiente. Natal, RN, : EDUFRN, 2006. https://www.manualdaquimica.com/fisico-quimica/reatividade-dos-metais.htm https://www.todamateria.com.br/idade-dos-metais/ https://www.todamateria.com.br/idade-dos-metais/ https://www.manualdaquimica.com/quimica-inorganica/reacoes-simples-troca-ou-deslocamento.htm https://www.manualdaquimica.com/quimica-inorganica/reacoes-simples-troca-ou-deslocamento.htm https://www.manualdaquimica.com/quimica-inorganica/reacoes-simples-troca-ou-deslocamento.htm https://www.crq4.org.br/quimica_viva__os_metais_e_a_saude_humana