EXPERIÊNCIA Nº 10. Tratamento de resíduos de Cr(VI)

Transcrição

1 1 EXPERIÊNCIA Nº 10 Tratamento de resíduos de Cr(VI) O objetivo desta prática é o tratamento dos resíduos de Cr(VI), que se acumulam em diversos experimentos realizados nos laboratórios do Departamento de Química, bem como reforçar os princípios de equilíbrio ácido-base envolvendo os íons cromato/dicromato em solução aquosa. Além do mais, o tratamento para a eliminação e a destinação dos resíduos gerados em cada experimento, também tem o propósito de se enfatizar a importância e a responsabilidade de cada um de nós em relação à preservação do meio ambiente. 1. Introdução O tratamento e a reciclagem de resíduos industriais, ou até mesmo aqueles gerados em laboratórios de ensino e pesquisa tem contribuído para a redução da contaminação ambiental. Entretanto, técnicas de tratamento em geral apresentam alto custo e a necessidade de pessoal treinado, tornando-se desvantajosas em relação às técnicas de redução na fonte. A Química Verde é definida pela IUPAC como: "A invenção, desenvolvimento e aplicação de produtos e processos químicos para reduzir ou eliminar o uso e a geração de substâncias perigosas". Logo, a Química Verde se utiliza de técnicas químicas e metodológicas que reduzem ou eliminam o uso de solventes, reagentes, produtos e subprodutos que são nocivos à saúde humana ou ao meio ambiente. A USEPA e a American Chemical Society propuseram 12 princípios para orientar a pesquisa em Química Verde. Os doze pontos que precisam ser considerados quando se pretende implementar a química verde em uma indústria ou instituição de ensino e/ou pesquisa na área de química são os seguintes: 1. Prevenção. É mais barato evitar a formação de resíduos tóxicos do que tratá-los depois que eles são produzidos; 2. Eficiência Atômica. As metodologias sintéticas devem ser desenvolvidas de modo a incorporar o maior número possível de átomos dos reagentes no produto final; 3. Síntese Segura. Deve-se desenvolver metodologias sintéticas que utilizam e geram substâncias com pouca ou nenhuma toxicidade à saúde humana e ao ambiente; 4. Desenvolvimento de Produtos Seguros. Deve-se buscar o desenvolvimento de produtos que após realizarem a função desejada, não causem danos ao ambiente; 5. Uso de Solventes e Auxiliares Seguros; A utilização de substâncias auxiliares como solventes, agentes de purificação e secantes precisa se evitada ao máximo; quando inevitável a sua utilização, estas substâncias devem ser inócuas ou facilmente reutilizadas;

2 6. Busca pela Eficiência de Energia. Os impactos ambientais e econômicos causados pela geração da energia utilizada em um processo químico precisam ser considerados. É necessário o desenvolvimento de processos que ocorram à temperatura e pressão ambientes; 7. Uso de Fontes de matéria-prima Renováveis. O uso de biomassa como matéria-prima deve ser priorizado no desenvolvimento de novas tecnologias e processos; 8. Evitar a Formação de Derivados. Processos que envolvem intermediários com grupos bloqueadores, proteção/desproteção, ou qualquer modificação temporária da molécula por processos físicos e/ou químicos devem ser evitados; 9. Catálise. O uso de catalisadores (tão seletivos quanto possível) deve ser escolhido em substituição aos reagentes estequiométricos; 10. Produtos Degradáveis. Os produtos químicos precisam ser projetados para a biocompatibilidade. Após sua utilização não deve permanecer no ambiente, degradando-se em produtos inócuos; 11. Análise em Tempo Real para a Prevenção da Poluição. O monitoramento e controle em tempo real, dentro do processo, deverão ser viabilizados. A possibilidade de formação de substâncias tóxicas deverá ser detectada antes de sua geração; 12. Química Intrinsecamente Segura para a Prevenção de Acidentes. A escolha das substâncias, bem como sua utilização em um processo químico, devem procurar a minimização do risco de acidentes, como vazamentos, incêndios e explosões. Desta maneira, ao se procurar tecnologias que empregam a Química Verde, deve-se estar atento a três pontos principais: O Cromo i) O uso de rotas sintéticas alternativas. ii) O uso de condições reacionais alternativas. iii) O desenvolvimento de produtos químicos menos tóxicos que as alternativas atuais e mais seguras. O Cromo é um elemento químico, que silenciosamente faz parte de nossas vidas. Tem uma relação importante com nossa saúde, parte de nossa economia e o meio ambiente. O cromo é um elemento traço essencial (mas também tóxico) para o ser humano. O cromo(iii) tem ocorrência natural no meio ambiente, enquanto cromo(vi) e cromo(0) são geralmente produzidos por processos industriais. Cromo(III) faz parte do centro de biomoléculas que se encontram em pequeníssimas quantidades em nosso organismo. Sua principal função está relacionada ao metabolismo da glicose, do colesterol e de ácidos graxos. 2

3 Na indústria, o elemento químico cromo é empregado principalmente para fazer aços inoxidáveis e outras ligas metálicas. Na forma do mineral cromita, é empregado na indústria de refratários para fazer tijolos de fornos metalúrgicos. Compostos de cromo produzidos pela indústria química são usados na indústria de tratamentos superficiais (por exemplo, a eletrodeposição de cromo, conhecida na indústria de galvanoplastia e o processo por cromado), manufatura de pigmentos, curtume de couro, tratamento de madeira e tratamento de água (podendo ser usado como inibidor da corrosão na água usada em torres de resfriamento). Cuidados especiais são necessários tanto na manipulação durante o processo industrial como no tratamento dos resíduos. Os resíduos possuem alto poder de contaminação, quando não são convenientemente tratados e simplesmente abandonados em corpos d água, aterros industriais ou mesmo lixeiras clandestinas. Com facilidade, o cromo atinge o lençol freático ou mesmo reservatórios ou rios que são as fontes de abastecimento de água das cidades. Se o resíduo é degradado no solo, o cromo permanece e pode ser absorvido por plantas que posteriormente servirão de alimento diretamente ao homem ou a animais, podendo por este caminho também atingir o ser humano. Cromo(VI) é um carcinógeno humano reconhecido e muitos trabalhadores são expostos a este composto químico. A fumaça contendo este elemento químico causa uma variedade de doenças respiratórias, incluindo câncer. composto químico possa afetar o sistema imunológico de seres humanos. O contato da pele com compostos de cromo causa dermatite alérgica e, mais raramente, pode provocar ulcerações na pele formando cicatrizes e até perfurações do septo nasal. O filme Erin Brockovich - Uma Mulher de Talento, além da beleza e a interpretação de Julia Roberts (que ganhou um Oscar por sua atuação), conta a história dos trágicos efeitos da contaminação por cromo da população de uma cidade americana. A história é baseada em fato verídico. A personagem, ao organizar arquivos de uma ação judicial, depara-se com alguns registros médicos que a intrigam. Decide investigar e acaba descobrindo que uma indústria vinha contaminando as águas de uma pequena cidade e, por este motivo, muitas pessoas haviam contraído câncer. Como resultado, a empresa foi condenada a pagar uma indenização milionária. A história contada no filme não está longe de nossa realidade. As quantidades de cromo que são liberadas no meio ambiente por nossas indústrias são preocupantes. 3 Tratamento do Cr (VI) Este experimento é uma seqüência da prática Equilíbrio-químico, onde se evidenciou o equilíbrio cromato-dicromato através da adição de espécies ácidas e básicas: 2CrO 4 (aq) + 2H + (aq) Amarelo Cr 2 O 7 (aq) + H 2 O (l) Laranja Representação da fórmula estrutural do íon dicromato O dicromato de potássio é sólido alaranjado de massa molar 294,2 g mol -1 é solúvel em água e insolúvel em etanol, e possui empregabilidade como corante, em indústrias de cola, vidro, fotografia, curtimento do couro, entre outras aplicações. O Cr +6 possui toxidade, podendo penetrar atraves da membrana celular e interagir com os constituintes da célula, inclusive com o material genético.

4 4 O Cr +6 é um forte agente oxidante, com um potencial de redução em meio ácido: 6 e + 14H + + Cr 2 O 7 2Cr H 2 O E = +1,33 ev O agente redutor deste experimento será o etanol, onde na reação sofre oxidação sucessiva formando as espécies acetaldeído e ácido acético. Uma parte do acetaldeído se perde por evaporação enquanto o restante sofre oxidação, Representação da molécula de etanol Oxidação do etanol OH CH 3 CH 2 O CH 3 C H O CH 3 C OH etanol etanal ácido acético O número de oxidação de cada átomo de carbono está indicado na representação da fórmula estrutural a seguir: A equação iônica geral da reação é: 2 Cr 2 O 7 (aq) + 3 C 2 H 5 OH (l) + 16 H + (aq) 4 Cr +3 (aq) + 3 CH 3 COOH (aq) + 11 H 2 O (l) Após a reação se completar a solução é neutralizada, e um excesso de base gera a precipitação do hidróxido de cromo (III) Cr OH - [Cr(OH) 3 ] Como o hidróxido de cromo (III) é pouco solúvel em água (Ks = 6, ), o precipitado é filtrado em funil de Büchner e colocado na estufa a 100 C por aproximadamente 1 h. Curiosidade: Há um tipo de bafômetro que se fundamenta na reação que é utilizada para a detecção de álcool etílico (etanol): 3 CH 3 CH 2 OH (l) + 2 K 2 Cr 2 O 7(aq) + 8 H 2 SO 4(aq) 3 CH 3 COOH (aq) + 2 Cr 2 (SO 4 ) 3(aq) + 2 K 2 SO 4(aq) + 11 H 2 O (l)

5 5 2. Procedimento experimental Nesta experiência serão utilizados 50 ml de uma solução aquosa 0,2 mol L -1 de dicromato de potássio (K 2 Cr 2 O 7 ) com 3,0 ml de etanol (álcool etílico 95%). Acidifique aos poucos 7,5 ml de uma solução aquosa de ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) 9,0 mol L -1 à mistura. Deixe a mistura reagindo na capela química, com o exaustor ligado por cerca de 30 min, até fixar a cor azul. Adicione carbonato de sódio (Na 2 CO 3(s) ) aos poucos (8,1 g) e filtre os cristais e em seguida seque na estufa. Comentários sobre o procedimento: Parte A Etapa Redox i) A temperatura da solução não deve ultrapassar 60 C, devido à formação de subprodutos a alta temperatura, como complexos de crômio solúveis. ii) Mantenha a mistura reacional numa capela química e até que a reação complete. Poderá ocorrer a formação de cristais laranja escuro do alúmen de crômio e potássio - K[Cr(OH 2 ) 6 ](SO 4 ) 2 6H 2 O. Caso ocorra a formação destes cristais, filtre a solução. Parte B Neutralização e precipitação de hidróxido de cromo (III) i) Nas soluções aquosas ácidas contendo resíduos de cromo (III), adicione lentamente carbonato de sódio até que não se observe a liberação de bolhas de gás carbônico e espere pela completa precipitação do hidróxido de cromo(iii) triidrato (ph 8). Filtre o precipitado em funil de Büchner, lavando-o bem com água e seque na estufa a 120 C por aproximadamente 1 h, identificando-o (fórmula molecular, nome da equipe, turma, data). Descarte a solução aquosa na pia com bastante água corrente. No dia seguinte retorne ao laboratório, retire a amostra da estufa (cuidado com o recipiente que está quente), deixe a temperatura ambiente e pese. ii) O hidróxido de cromo (III) triidrato (Cr(OH) 3.3H 2 O), pó azul esverdeado é insolúvel em água. 4 Cr +3 (aq) + 6 Na 2 CO 3(aq) + 18 H 2 O (l) 4 Cr(OH) 3 3H 2 O (s) + 6 CO 2(g) + 12 Na + (aq) 3. Questionário 1- Qual é a relação entre a experiência desenvolvida e os conceitos de Química Verde? 2- Apresente os dados experimentais e o rendimento da reação. Mostre os cálculos. 3- Qual a função do álcool etílico e do ácido sulfúrico nas reações realizadas neste experimento?