CQ136 Química Experimental I. Carbono, Silício e seus compostos

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1 CQ136 Química Experimental I Carbono, lício e seus compostos Introdução Nanomateriais à base de grafeno têm recebido muita atenção nos últimos anos. Grafeno é uma monocamada de átomos de carbono em hibridização sp 2 e arranjados em um retículo hexagonal. Óxido de grafeno (G) é uma camada de grafeno decorada com grupos funcionais oxigenados que pode ser sintetizado por oxidação da grafite e sua subsequente esfoliação com ultrassom por meio do método de ummers. Durante a oxidação da grafite, é sabido que grupos carboxílicos ocupam as bordas das folhas de G, enquanto grupos epóxidos e hidróxidos são introduzidos no plano basal. Esses grupos polares permitem ao G uma fácil dispersão em solventes polares. A presença dos grupos funcionais pode ser estudada por meio de técnicas espectroscópicas como as absorções de radiação no ultravioleta-visível (UV-vis) e no infravermelho (FTIR). silício ocorre na natureza combinado com o oxigênio, formando uma grande variedade de silicatos cujas propriedades estão intimamente relacionadas com o arranjo espacial dos átomos e correspondem a 95% da composição da crosta terrestre. Sílica ( 2 ) é um polímero inorgânico, contendo grupos siloxanos (--) em seu interior e grupos silanóis (-) em sua superfície. processo sol-gel é uma importante rota de preparação de sílica porque permite a síntese de óxidos com alta pureza, em condições brandas de reação. No processo sol-gel ocorre a transição do sistema sol para um sistema gel. termo sol refere-se a dispersões de partículas coloidais em um líquido com diâmetros de 1 a 100 nm, enquanto o termo gel diz respeito a um sistema formado por uma estrutura rígida de partículas coloidais ou de cadeias poliméricas que imobiliza a fase líquida nos seus interstícios. método de Stöber (1968) é o mais conhecido para preparar nanopartículas de sílica. É um processo sol-gel iniciado pela hidrólise de tetraetilortossilicato (TES) em um solvente orgânico com a adição controlada de água e catalisador, ácido ou base, como mostra os Esquemas 1 e 2. Após a hidrólise, o composto sofre condensação em duas etapas e leva a produtos com morfologias diferentes dependendo do catalisador utilizado. bjetivos: Introduzir à química de materiais, nanoquímica e conceitos fundamentais como funcionalização por reações de oxirredução, dispersões. Usar materiais com grafite e G, que são foco atual em pesquisa científica. Introduzir métodos físicos de análise (espectroscopias UV-vis e FTIR). Ilustrar propriedades ácido-base dos silicatos Preparar nanopartículas de sílica pelo método de Stöber Atividades pré-laboratório Leia a referências 1-4.

2 idrólise via catálise ácida R R R R Condensação via catálise ácida 3 Esquema 1. Mecanismo de hidrólise e condensação ácida para o preparo de nanopartículas de sílica pelo Método sol-gel de Stöber.

3 idrólise via catálise básica - - Condensação via catálise básica Esquema 1. Mecanismo de hidrólise e condensação básica para o preparo de nanopartículas de sílica pelo Método sol-gel de Stöber.

4 Parte Experimental PARTE A) Preparação de óxido de grafeno Material necessário Grafite, permaganato de potássio, ácidos concentrados ( 2 S 4 (95%), 3 P 4 (85%)), 2 2 (3%), Sonicador, centrífuga, agitador magnético, espectrofotômetro de UV-vis e de FTIR. Procedimento 1) Misture 0,2 g de grafite e 1,2 g de permanganato de potássio (KMn 4 ) em béquer de 50 ml. 2) Coloque o béquer em um banho de gelo e adicione mente a mistura de ácidos 2 S 4 / 3 P 4 9:1 (24 ml / 2,7 ml). Mantenha a temperatura abaixo de 5 o C. 3) Deixe a suspensão formada por 24 h sob agitação magnética. 4) Após o período de descanso, adicione peróxido de hidrogênio 3% em pequenas porções até a mudança de cor da suspensão para marrom amarelada, o que indica a formação de grafite oxidado (Gr). 5) Centrifugue a suspensão por 10 min., remova o sobrenadante com o auxílio de uma pipeta Pasteur e lave o sólido resultante três vezes com água destilada até p neutro. 6) Deixe o sólido resultante secar a temperatura ambiente. 7) Para obter as folhas de grafeno (G), suspenda o pó seco de Gr (1mg/mL) em água e coloque a suspensão no sonicador por 3 h. 8) Após isso, o sólido resultante deve ser separado por filtração ou por centrifugação (aguarde instruções do do professor) e em seguida seco ao ar. 9) Em um tubo de ensaio suspenda uma pequena massa de grafite em água. Faça o mesmo em outro tubo de ensaio para uma pequena massa de G. Compare as duas suspensões. Caracterização do grafeno oxidado (G) por absorção do infravermelho (FTIR) e no ultravioleta-visível (UV-vis) 1- Pese 0,25 g de G e suspenda em 3 ml de água. 2- Registre o espectro de absorção na região do UV-vis e compare com a literatura. 3- Registre o espectro de absorção na região do infravermelho do G conforme a orientação do professor. Compare com a literatura. PARTE B) Compostos de silício Soluções e reagentes necessários: - licato de sódio (Na 2 3 ) 25% m/v - Cloreto de estrôncio (SrCl 2 ): 5 g dissolvidas em 50 ml de água - Ácido clorídrico 10% v/v - Ácido clorídrico concentrado - Sólidos de sais de metais diversos - Soluções de carbonato de sódio (10% m/v) - Solução saturada de cloreto de amônio - Solução de Fenolftaleina - Etanol - Tetraetilortosssilicato (TES)

5 Procedimentos I. Crescimento de silicatos insolúveis (Jardim smótico Químico) 1) Coloque solução de silicato de sódio de densidade 1,06 g/ml em uma cuba de vidro. 2) Coloque, a seguir, cuidadosamente, alguns cristais de sais de cobalto, cobre, manganês, cálcio, etc. bserve atentamente o crescimento dos silicatos com o tempo. II. Propriedades ácido-base a) Meça o p das soluções de carbonato de sódio (10% m/v) e de silicato de sódio (25% m/v). b) Misturar 20 gotas de solução de silicato de sódio (Na 2 3 ) com 40 gotas de solução saturada de cloreto de amônio e aqueça brevemente em banho-maria. Identifique o produto liberado por meio do seu odor característico. odor é bem leve, aproxime o máximo possível o tubo da narina seguindo as instruções do professor. c) Adicione 20 gotas de solução de silicato de sódio em um tubo de ensaio. A seguir adicione, gota a gota, solução de cloreto de estrôncio. bserve. Reserve o tubo para o ensaio d). d) Adicione 20 gotas de solução de cloreto de estrôncio em um tubo de ensaio. Em seguida, coloque 4 gotas de fenolftaleína. Adicione, gota a gota, esta solução sobre a solução resultante do ensaio c). bserve. III. Formação do gel de ácido silícico Em um tubo de ensaio, adicione 20 gotas da solução de silicato de sódio (25-30%) e um volume igual de ácido clorídrico concentrado. Aqueça o tubo em banho-maria por cerca de 1 h e observe. IV. Síntese de nanopartículas de sílica pelo método Stöber - rota ácida Transfira 100 ml de etanol absoluto para um balão de fundo redondo e adicione 5 ml de tetraetilortosssilicato (TES), mantendo o sistema sob agitação moderada. A seguir, adicione 1 ml de Cl 10% e 3 ml de água destilada. Mantenha a agitação por 1 h para a formação das nanopartículas de 2. Ao término da reação, transfira uma pequena alíquota da suspensão para um tubo de ensaio e verifique a formação de nanopartículas pelo feito Tyndall. Leitura Recomendada 1. I. Kondratowicz; K. Zelechowska, J. Chem. Ed., 94 (6), 2017, W. Stöber, A. Fink, E. Bohn, J. Coll. and Int.Sci., 26 (1968) A.M. Buckley, M. Greenblatt, J. Chem. Ed.,71 (1994) E. Toma, D. G. da lva, U. Condomitti, Nanotecnologia Experimental, 2016, Blucher, São Paulo.