CQ136 Química Experimental I. Obtenção de metais a partir de seus óxidos Diagrama de Ellingham

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1 1 CQ136 Química Experimental I Obtenção de metais a partir de seus óxidos Diagrama de Ellingham Introdução: As civilizações antigas aprenderam a transformar minérios como óxidos e sulfetos metálicos em metais através de reações de oxirredução. Um exemplo muito importante para a sociedade moderna é a produção de ferro na siderurgia a partir da redução de minérios de ferro em alto-fornos. Metais podem ser obtidos dos seus óxidos e sulfetos pela redução com H 2, CO, C e pela reação termita. Nessa última, proposta inicialmente pelo químico alemão Dr. Hans Goldschmidt, em 1895, alumínio metálico é utilizado como agente redutor. A reação de termita é tão exotérmica que a temperatura pode ultrapassar 3500 C, podendo levar a fusão de metais como tungstênio. O diagrama de Ellingham é um gráfico de energia livre vs temperatura e é bastante útil para predizer as condições de reações comumente empregadas na metalurgia. Nesse experimento, alguns processos metalúrgicos serão simulados e o aluno utilizará diagramas de Ellingham para interpretar os experimentos realizados. Objetivos: Simular reações de oxidorredução empregados na metalurgia. Utilizar o diagrama de Ellingham para interpretar os experimentos. Atividades pré-laboratório: Consulte a referência 1) e estude sobre os diagramas de Ellingham. Consulte a referência 1 sobre a interpretação do diagrama de Ellingham. Acesse o site e utilizando o Ellingham Diagram Web Tool gere diagramas de Ellingham para os pares de reações envolvendo

2 2 os óxidos: i) zinco; ii) hidrogênio e cobre; iii) alumínio e ferro. A ferramenta da internet não é completa e para algumas espécies estudadas não há dados. Para isso, um diagrama de Ellingham contendo a reação de CO a CO 2 está disponível em ou Traga-os impressos na aula. Responda: 1. No experimento I.1. serão realizados experimentos com HgO e ZnO. No diagrama de Ellingham gerado online não há dados para HgO. Na referência 2 encontre os dados termodinâmicos referentes ao HgO, como H f e S. A partir destes dados faça uma previsão da curva do HgO no diagrama de Ellingham e estime qual a temperatura mínima necessária para causar a decomposição do HgO. 2. Com base nos dados do diagrama de Ellingham responda se pode haver decomposição do ZnO na temperatura da chama do bico de bunsen, aproximadamente 1300 o C. 3. Escreva a equação química da reação envolvida no experimento I.3. A temperatura ambiente, a reação de redução de CuO por H 2 é termodinamicamente favorável? Utilize o diagrama de Ellingham. 4. Escreva a equação química da reação envolvida no experimento I.4. A temperatura ambiente, a reação de redução de CuO por CO é termodinamicamente favorável? 5. Qual é a reação de termita? Quais os produtos formados. Escreva as equações químicas pertinentes. Por que no procedimento utiliza-se um fio de magnésio como pavio para dar início a reação?

3 3 Procedimentos: I. Obtenção de Metais I.1. Decomposição térmica de óxidos. (ensaio demonstrativo) CUIDADO: Compostos de mercúrio e os vapores de mercúrio metálico são tóxicos. Manipule-os na capela. a) Coloque alguns cristais (~5-10 mg) de óxido de mercúrio HgO em uma cápsula de porcelana e leve à chama azul do bico de Bunsen. Observe e anote. b) Coloque um pouco de óxido de zinco (10 mg) numa barquinha de porcelana ou tampa de cadinho e aqueça, direcionando a chama azul do bico de Bunsen para o óxido. Verifique o seu comportamento durante e após o aquecimento. I.2. Redução de óxidos com carvão Misture numa cápsula de porcelana uma ponta de espátula de PbO 2 e o dobro em massa de carvão vegetal em pó. Aqueça a mistura com a chama do bico de Bunsen diretamente sobre a mistura. Em tempos em tempos retire a cama e observe. I.3. Redução de CuO por H 2 (ensaio demonstrativo) CUIDADO: Gás hidrogênio é altamente inflamável e explosivo. Com auxílio do professor ou do técnico monte um sistema gerador de hidrogênio como ilustrado na figura 1.

4 4 Fig. 1. Sistema gerador de hidrogênio para redução de CuO. Sobre um balão de duas bocas de 250 ml contendo raspas de zinco, monte um funil de adição de 125 ml contendo ácido clorídrico concentrado. Na saída do balão conecte um frasco lavador contendo água e após o frasco lavador uma saída livre. Abra a torneira do funil de adição de modo a manter um fluxo seguro. Deixe por uns 2 minutos a reação proceder para eliminar o ar do sistema. Com um tubo de ensaio recolha um pouco de gás. Tampe com o polegar a saída do tudo e aproxime a saída do tubo à chama do bico de Bunsen. Abra o sistema e verifique se ocorre o grito do hidrogênio. Comprovada a expulsão do ar, passe o hidrogênio em um tubo de ensaio contendo óxido de cobre, mantendo o tubo na posição horizontal e de tal forma que fique saturado com hidrogênio (cerca de 5 minutos). Aqueça, com chama fraca, a região do tubo de ensaio que contém o óxido de cobre, por 10 segundos. Caso não ocorra alteração perceptível no óxido, repita o aquecimento. Cuidado: não aproxime a chama do tubo de saída do hidrogênio! I.4. Redução de CuO por CO. (ensaio demonstrativo) CUIDADO: O CO é extremamente tóxico! O ácido fórmico é irritante (evite respirar os vapores). O ácido sulfúrico concentrado é desidratante e poderoso oxidante! Peça auxílio ao professor ou técnico para montar a aparelhagem ilustrada na Fig. 2 e iniciar a reação.

5 5 Fig. 2. Esquema de sistema gerador de CO para redução de CuO. O monóxido de carbono é gerado através da reação de desidratação do ácido fórmico, HCOOH por ácido sulfúrico concentrado. Monte a linha de redução pela junção das seguintes partes, nessa ordem: Tome um balão de duas bocas (A) contendo H 2 SO 4 conc., provido de um funil de adição (B), onde é colocado o ácido fórmico; Conecte à saída do balão um frasco lavador vazio (C). Ao frasco lavador conecte um tubo de vidro Pyrex, no interior do qual é colocada uma barquinha de porcelana contendo cerca de 0,5 g de CuO; Na saída do tubo é conectado um kitassato ou frasco lavador contendo solução saturada de hidróxido de cálcio, o qual tem a função de absorver o CO 2 gerado na reação de redução do CuO. Após esse frasco conecte mais um frasco lavador (não mostrado na Fig. 2 contendo solução de cloreto de cobre (I) que tem a função de absorver o CO. Deixe gotejar lentamente o ácido fórmico sobre o ácido sulfúrico. Após expulsar o ar do sistema, comece a aquecer, com chama baixa, a região do tubo onde está a barquinha, observando todas as modificações que ocorrerem no sistema. Se nada ocorrer, aumente gradualmente a intensidade da chama.

6 6 I.5. Reação termita - Redução de óxidos com alumínio. (ensaio demonstrativo) CUIDADO: A REAÇÃO DE TERMITA É EXTREMANETE EXOTÉRMICA, UM ACIDENTE PODE PROVOCAR QUEIMADURAS GRAVES! Na capela, monte um arranjo similar ao interior de uma mufla com tijolos refratários. No centro do arranjo, misture cerca de 2,4 g de Fe 2 O 3 com cerca de 1,5 g de alumínio em pó. Verifique o comportamento dos sólidos (nos frascos de origem) usando um imã. Coloque um pavio de fita de magnésio (em forma de S) no centro. Inicie a queima de magnésio e mantenha-se a uma distância segura e observe. Após esfriar, transfira o sólido para um folha de papel e teste novamente com o imã as propriedades da mistura resultante. Bibliografia 1. Shriver, D.F., Atkins, P.W., Química Inorgânica, trad. 4 a ed. Inglesa, Bookman, São Paulo, 2006, p Lide, D.R., Handbook of Chemistry and Physics, 84a ed., CRC Press,