Relatório Práticas Química Inorgânica

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relatórios de praticas
Química Inorgânica
Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)
11 pag.
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PRÁTICAS 1 E 2: PREPARAÇÃO DE TETRAFLUORBORATO DE AMÔNIO,
TETRAFLUORBORATO DE POTÁSSIO E DE ACETATO DE CROMO
Gabriel A. C. Ramos1 e Rebeca C. Nascimento1
1. Graduando em licenciatura em Química pela Universidade Federal do Espírito Santo.
Compostos de adição são formados quando há uma reação em quantidades estequiométricas
de dois ou mais compostos estáveis. Esses compostos são divididos em dois grupos: os que
perdem a sua identidade em solução (sais duplos) e aqueles que permanecem com sua
identidade quando em solução (complexos). Quando um átomo metálico ou íon estão ligados
a um ou mais ligantes que doam elétrons para o metal, se dá o nome de composto de
coordenação. Isto é, metais formam ligações covalentes determinadas pelo seu número de
coordenação com doadores de par de elétrons. Também pode ser denominado complexos ou,
quando estão carregados, íons complexos. Devido a variedade de números de coordenação, é
possível ser obtido diversos isômeros, isto é, moléculas com determinadas semelhanças entre
si. Os isômeros podem ser de: hidratação, ionização e coordenação. Apesar de terem a mesma
fórmula, possuem ligantes diferentes coordenados ao átomo central. Durante o procedimento
foi possível gerar os tetrafluorborato de amônio e de potássio e o acetato de cromo II, e
utilizando espectros para explicar a síntese obtida.
Keywords: Acetato de cromo, Tetrafluorborato de potássio, Tetrafluorborato de amônio,
Espectro.
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INTRODUÇÃO
Não metais, como o boro, são capazes de formar complexos de coordenação, também
conhecidos como compostos de hipervalente 1. De acordo com BESSLER et al, os compostos
moleculares de boro BX3 de geometria trigonal plana são ácidos de Lewis. A química desses
compostos é dominada pelas reações com bases de Lewis, nas quais são obtidos complexos
tetraedricamente coordenados, neutros BX3L ou aniônicos [BX4]- , como por exemplo o
tetrafluoroborato [BF4]-.
O boro possui dois isótopos estáveis, 11B e 10B, que respectivamente possuem uma
abundância de 80,22% e 19,78%. Essa elevada abundância e a considerável razão de massa
10B/11B que possibilitam a observação do efeito isotópico de massa nos espectros vibracionais
de compostos de boro. As frequências daqueles modos vibracionais, nas quais o átomo de
boro é deslocado geram consideráveis desdobramentos em dois componentes.2,3 As
frequências de vibração de estiramento anti simétrica (nas BF4 ) corresponden a 1034-1083
cm-1 para 11BF4- e 10BF4-, respectivamente.
Pode-se citar complexos metais de transição, como o cromo. A estrutura do crômio no estado
fundamental é [Ar] 4s1 3d5, uma configuração na qual os orbitais semi-preenchidos (d e s)
são estabilizados. Portanto, é de se esperar que ele forme compostos nos estados de oxidação
+I a +IV, além de formar compostos nos quais o íon encontra-se em estados de oxidação
inferiores 4.
Os estados mais importantes do cromo são: +II (redutor), +III (estável) e +IV (fortemente
oxidante). Embora seja um íon muito estável em soluções ácidas é facilmente oxidado em
Cr4+ em solução básica. Composto com este estado de oxidação são haletos anidros, CrX3. O
CrCl3 é um sólido fino, com estrutura em camadas, os íons cloreto são cúbicos de
empacotamento denso e um terço dos interstícios octaédricos estão ocupados por Cr3+ para
que ocorra a permanência da estequiometria.
O acetato de cromo (II) di-hidratado, Cr2(CH3COO)4.2H2O, é um dos compostos mais
estáveis de Cr (II). É um composto facilmente preparado, adicionando acetato de sódio a uma
solução contendo Cr2+ sobre uma atmosfera ou de N2 ou de H2. O produto dessa reação é um
reagente de partida para obtenção de outros sais de cromo.
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PARTE EXPERIMENTAL
Preparação do Tetrafluorborato de Amônio
Em um béquer de 100 mL adicionou-se 6,0 mL de ácido sulfúrico (H2SO4) concentrado e
10,0 mL de água destilada. O béquer foi colocado na chapa de aquecimento para atingir a
temperatura de 85ºC. Sobre agitação, foi adicionado 2,9234 g de ácido bórico (H3BO3), em
seguida, a temperatura da chapa foi alterada para que o líquido atingisse 110ºC para que a
diluição do ácido bórico fosse completa. Após a dissolução adicionou-se 6,0080 g de fluoreto
de amônia (NH4F). O produto foi colocado em banho de gelo até a completa cristalização. O
sólido foi lavado com 5 gotas de água destilada e 30 mL de Acetona (C3H6O), permaneceu no
ar de sucção por 30 minutos.
Preparação do Tetrafluorborato de Potássio
Em um béquer diluiu-se 2,0 g do produto gerado no processo anterior em água destilada. Em
um segundo béquer foi diluído 2,1974 g de KCl em 20 mL de água destilada. O produto
gerado neste processo passou pela sucção, onde foi lavado com 20 mL de acetona e
permaneceu por 30 minutos no ar de sucção.
Preparação do Acetato de Cromo (II)
Na figura 1 pode-se observar o sistema que foi montado para essa reação. No kitassato A foi
colocado 10,1350 g de zinco sólido, 7,5913 g de cloreto de cromo (III) (CrCl3.6H2O) e 50 mL
de água destilada (H2O). No funil B encontra-se 25 mL de ácido clorhídrico (HCl). No béquer
C foi preparada uma solução de 45,0003 g de acetato de sódio (CH3COONa) em 50 mL de
água destilada.
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Figura 1. Sistema utilizado para a reação
Por meio de gotejamento o HCl foi adicionado na solução do kitassato A, o tubo E foi
devidamente vedado para forçar a transferência da solução de cloreto de cromo (II) para a
solução de acetato de sódio, formando assim um precipitado vermelho. O béquer ficou em
banho de gelo por 30 minutos e após esse tempo passou por filtração a vácuo onde foi lavado
com 75 mL de água gelada sem ar, 20 mL de álcool etílico destilado e 20 mL de éter etílico
purificado. Em seguida, o precipitado permaneceu por mais 30 minutos em filtração a vácuo
com o objetivo de secar o precipitado. Pesou-se e calculou o rendimento.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Tetrafluorborato de Amônio
A equação desta reação é:
2H3BO3 (s) + 6NH4F (s) + 3H2SO4 (aq)→ 2NH4BF4 (s) + 2(NH4)2SO4 (aq) + 6H2O (l)
A partir das massas dos reagentes pode-se definir qual é o reagente limitante, reagente que
define a reação estequiométricamente, segundo o cálculo teórico, definirá a quantidade de
produto formado.
𝑛𝐵(𝑂𝐻)3 = 2,9234 𝑔61,8327 𝑔/𝑚𝑜𝑙 = 0, 0472 𝑚𝑜𝑙𝑛𝑁𝐻4𝐹 = 6,0080 𝑔37,0364 𝑔/𝑚𝑜𝑙 = 0, 1622 𝑚𝑜𝑙
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Nota-se que 1 mol de B(OH)3 equivale a 3 mol de NH4F, por meio disto, consegue-se
observar que o reagente limitante é o B(OH)3.
𝑥 = 0,0472 .31 = 0, 1416 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑁𝐻4𝐹
Como nota-se, tem-se 0,1622 mol de NH4F em solução, logo, o mesmo está em excesso.
Observa-se que a proporção entre B(OH)3 e NH4F4 é 1:1. Portanto, compartilham,
estequiometricamente, a mesma quantidade de matéria.
𝑛𝐵(𝑂𝐻)3 = 𝑛𝑁𝐻4𝐵𝐹4 = 0, 0472 𝑚𝑜𝑙
Após a secagem do produto, pesou-se obtendo a massa de 7,7728 g, portando a quantidade de
matéria obtida foi:
𝑛𝑁𝐻4𝐵𝐹4 = 7,7728 𝑔104,8426𝑔/𝑚𝑜𝑙 = 0, 0741 𝑚𝑜𝑙
Já o rendimento da reação foi de:
% = 𝑞𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑡é𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑜𝑏𝑡𝑖𝑑𝑜𝑞𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑡é𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑥100
156%% = 0,07410,0472 𝑥100 =
Esse alto rendimento pode ser por conta da presença H2O nos cristais, já que o papel de filtro
ainda não estava totalmente seco, logo, a massa calculada ao final pode ter sofrido
interferência.
Tetrafluorborato de Potássio
A equação desta reação é:
NH4BF4 (aq) + KCl(aq) → KBF4 (s) + NH4Cl(aq)
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A proporção entre NH4BF4 e o KCl é 1:1, por meio dos cálculos abaixo conclui-se que o
NH4BF4 é o reagente limitante, logo, o cálculo de rendimento do produto, KBF4, é realizado
por meio da quantidade de matéria do NH4BF4.
𝑛𝑁𝐻4𝐵𝐹4 = 2,0000 𝑔104,8426 𝑔/𝑚𝑜𝑙 = 0, 0191 𝑚𝑜𝑙𝑛𝐾𝐶𝑙 = 2,1974 𝑔74,5513 𝑔/𝑚𝑜𝑙 = 0, 0294 𝑚𝑜𝑙
A quantidade de matéria, teórica, de KBF4 é igual à de NH4BF4. A massa de KBF4 obtida foi
de 1,1128 g, logo:
𝑛𝐾𝐵𝐹4 = 1,1128 𝑔125,9029 𝑔/𝑚𝑜𝑙 = 8, 8385 𝑥 10−3 𝑚𝑜𝑙
O rendimento da reação foi de:
% = 8,8385 𝑥 10−30,0191 𝑥 100 = 46, 27%
O baixo rendimento pode está relacionado a menor estabilidade do composto de coordenação
tetrafluorborato de potássio comparado ao tetrafluorborato de amônio.
Espectro de infravermelho do H3BO3, NH4BF4, NH4F e KBF4
Os produtos obtidos das reações de complexação e os reagentes utilizados foram
caracterizados por espectroscopia no infravermelho e os espectrofotômetros obtidos estão
representados nas Figura 2.
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Figura 2. Espectro de infravermelho do H3BO3, NH4BF4, NH4F e KBF4
Na região de número de onda inferior a 1500 cm-1, os sinais representam a estrutura da
molécula e, portanto, é possível afirmar que moléculas diferentes não podem ter sinais
semelhantes na mesma região. O inverso também é verdadeiro, pois, moléculas semelhantes
geram sinais semelhantes. Dessa forma, o espectro de infravermelho fornece a identidade do
composto.3
Pode-se observar, a partir do espectrofotômetro, que as moléculas dos complexos NH4BF4 e
KBF4 geraram um sinal na região de número de onda entre 800-1000 cm-1, indicando que são
espécies idênticas quanto à sua composição, portanto pode-se afirmar que o sinal é
representativo do (BF4)-.
Já na região de número de onda entre 1300-1500 cm-1, é possível observar que o NH4BF4 e o
NH4F geraram dois sinais parecidos. Pode-se afirmar que o sinal é representativo do íon
amônio (NH4
+), e a mudança de posição no espectro deve-se à sua mudança de ligante após se
coordenar com o boro.3
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A mudança de polaridade também afeta a formação de picos no espectro. Moléculas mais
polares geram sinais mais intensos, como é possível observar a partir dos espectros do H3BO3
e do NH4F. Em comparação, os complexos geram sinais menos intensos, que pode ser
explicado pela baixa polaridade de suas moléculas.3
Acetato de Cromo (II)
Durante o processo o Cromo apresenta três colorações, sendo elas: verde, azul e vermelho.
Essas cores são explicadas pelo diagrama de energia, Figura 3.
Figura 3. Distribuição eletrônica do Cromo
Devido ao fato que todos os orbitais t2g do Cr(III) estarem semi-preenchidos, a espécie
apresenta energia de estabilização de campo cristalino (EECC) de 12Dq. O caso do Cr (II) é
mais sutil, pois há duas possibilidades: o elétron possui um spin baixo devido a um campo
forte (t2g
4 eg
0) ou spin alto (t2g
3eg
1), decorrente de um campo fraco. Em ambos casos há um
gasto de energia em relação ao Cr(III), seja ela de pareamento do quarto elétron ou devido a
sua manutenção do orbital mais energético (+6Dq)
O acetato de crômio (II) dihidratado, Cr2(CH3COO)4.2H2O, é um composto estável, tal
estabilidade é explicada pela distribuição eletrônica, Imagem 1, dos íons. O Cr3+ possui
orbital preenchido d3, enquanto o Cr2+ apresenta d4.
Analisando os potenciais de redução e de acordo com as reações de oxidação e redução
torna-se possível prever que a reação é termodinamicamente espontânea.
Oxidação do zinco:
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Zn(s) → Zn2+
(aq) + 2e- E0= +0,76 V
2H+
(aq) + 2e- → H2(g) E0= 0,00 V
Zn(s) + 2H+
(aq) → Zn2+
(aq) + H2(g) E0= +0,76 V
Semirreações:
Zn(s) → Zn2+
(aq) + 2e- E0= +0,76 V
2Cr3+
(aq) + 2e- → 2Cr2+
(aq) E0= -0,41 V
Zn(s) + 2Cr3+
(aq) → 2Cr2+
(aq) + Zn2+
(aq) E0= 0,35 V
2Cr2+
(aq) + 4CH3COO-
(aq) + 2H2O(l) → Cr2(CH3COO)4.2H2O(s)
O sólido obtido, de coloração vermelha, ao final do experimento foi filtrado a vácuo e
pesado, totalizando a massa de 0,1507 g. O cálculo de rendimento é feito pela seguinte
equação:
% = 𝑛𝑎𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜𝑛𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑥 100
Onde: nacetato filtrado é o número de mol de acetato de cromo (II) e total é o número de mol
correspondente a todos os reagentes no início. Logo:
𝑛𝑎𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜 = 0,1507 𝑔376,1980 𝑔/𝑚𝑜𝑙 = 4, 0058 𝑥 10−4 𝑚𝑜𝑙𝑛𝑎𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑠ó𝑑𝑖𝑜 = 45,0003 𝑔118,0635 𝑔/𝑚𝑜𝑙 = 0, 3811 𝑚𝑜𝑙𝑛𝐶𝑟𝐶𝑙3.2𝐻2𝑂 = 7,5193 𝑔194.3857 𝑔/𝑚𝑜𝑙 = 0, 0386 𝑚𝑜𝑙𝑛𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑛𝑎𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑠ó𝑑𝑖𝑜 + 𝑛𝐶𝑟𝐶𝑙3.2𝐻2𝑂 = 0, 4197 𝑚𝑜𝑙
Portanto, o rendimento deste procedimento foi igual há:
% = 4,0058 𝑥 10−40,4197 𝑥100 = 0, 0954%
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O baixo rendimento dessa reação está possivelmente atrelado à baixa conversão de Cr (III) a
Cr (II) além dos erros operacionais.
Os produtos obtidos das reações de complexação e os reagentes utilizados foram
caracterizados por espectroscopia no infravermelho e UV-Vis e os espectrofotômetros obtidos
estão representados nas Figuras 4 e 5.
Figura 4. Espectro de UV-Vis do CrCl3.6H2O e [Cr(CH3COO-)4(OH2)2] (GR e CJAD)
Figura 5. Espectro de infravermelho do CrCl3.6H2O e [Cr(CH3COO-)4(OH2)2] (GR)
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Analisando o espectro UV-Vis, é possível observar que formou-se um sinal no comprimento
de onda entre 800-900 nm que não existia na amostra de CrCl3.6H2O. Atribui-se então esse
pico à presença de acetato na estrutura da molécula, comprovando a formação do complexo.
O complexo GR não produziu um espectrofotômetro satisfatório, portanto, utilizou-se o
complexo CJAD para construção de uma nova curva para a comparação.
Já no espectro do infravermelho, é possível observar que um sinal semelhante aparece nas
duas espécies na região de número de onda entre 1400-1500 cm-1. O complexo de
[Cr(CH3COO-)4(OH2)2] tem coloração vermelha, porém, a amostra assumiu coloração preta
após determinado tempo. Supõe-se que, apesar do complexo ser o mais estável para o cromo
(II), o metal tenha sido oxidado para cromo (III) pelo ar, devido à presença desse sinal
semelhante na mesma região. Apesar disso, é possível afirmar que o complexo é menos polar
que o reagente CrCl3.6H2O, isso por que o produto não produziu picos intensos na região que
representa as ligações do composto,isto é, na região com número de onda maior que 1500
cm-1.
CONCLUSÃO
O procedimento para produção de complexos de NH4BF4, KBF4 e [Cr(CH3COO-)4(OH2)2] é
simples e com boa replicabilidade. A caracterização dos compostos demonstrou como é
possível identificar uma molécula a partir de uma análise instrumental, determinando sua
identidade experimentalmente e comparando com outro composto e, assim, comparar
similaridades e diferenças em suas estruturas.
REFERÊNCIAS
1. Emry, J.; Györi, B. Em Comprehensive Coordination Chemistry; Wilkinson, G., ed.;
Pergamon Press: Oxford, 1987, vol. 3, cap. 24
2. Nakamoto, K.; Infrared and Raman Spectra of Inorganic and Coordination Compounds,
5th ed., John Wiley & Sons, Inc.: New York, 1997.
3. Miessler, G. L., Fischer, P. J. Tarr, D. A. Química Inorgânica, 5a Ed., São Paulo, Pearson,
2014.
4. LEE, J. D. Química inorgânica não tão concisa. São Paulo; Edgard Blucher; 1999
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