Experimento 5: Compostos de Oxigênio e Enxofre

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1 Experimento 5: Compostos de Oxigênio e Enxofre Objetivos Preparar o gás oxigênio, por método laboratorial e estudar algumas de suas propriedades. Estudar o enxofre nas suas variações alotrópicas e algumas de suas reações. Aspectos teóricos O oxigênio é o elemento mais abundante na superfície da Terra; como elemento livre ele constitui cerca de 23% da atmosfera, em massa, e 46% da litosfera, e mais do que 85% da hidrosfera. Paradoxalmente, ele é o elemento mais abundante da superfície da Lua onde, em média, 3 em cada 5 átomos são de oxigênio (44,6% em massa). O oxigênio sólido, ou líquido, é azul-claro. É importante notar que esta cor azul do sólido deve-se a uma transição eletrônica (entre o estado fundamental triplete e estados excitados singletes). Por outro lado, a cor azul do céu deve-se ao espalhamento do tipo Rayleigh da luz solar pelas moléculas de oxigênio do ar. Cerca de 70% do oxigênio usado comercialmente é para remover o excesso de carbono dos aços. Na medicina o seu uso mais comum é na produção de ar enriquecido de O 2 para uso médico. Grande parte do O 2 é usado em soldas de metais com os maçaricos de oxihidrogênio e oxiacetileno. No entanto, cerca de 3/4 do oxigênio puro produzido é para o preparo de outras substâncias. Industrialmente, o oxigênio puro é preparado pela destilação fracionada do ar liquefeito, e assim o é também no Brasil. O enxofre é um sólido amarelo pálido, inodoro, sem sabor, insolúvel em água, quebradiço e mau condutor de eletricidade. Existe em diferentes formas, sendo a ortorrômbica (às vezes chamada de rômbica) e a monoclínica as duas formas cristalinas mais importantes. A forma ortorrômbica (enxofre α), estável à temperatura ambiente, inclui o enxofre comum e as flores de enxofre (uma forma finamente dividida obtida por sublimação e resfriamento). A forma monoclínica ou prismática (enxofre β), S8, é obtida quando o enxofre líquido é esfriado lentamente, formando cristais longos e finos como agulhas. É estável entre 96 C e 119 C. No entanto, à temperatura ambiente (~25 C), a forma monoclínica transforma-se lentamente na ortorrômbica. Curiosamente, quando o enxofre fundido é resfriado bruscamente (por exemplo, despejando-o em água fria), transforma-se numa forma mole, grudenta, elástica, nãocristalina, chamada de enxofre amorfo ou plástico. As formas ortorrômbica e monoclínica são facilmente solúveis em dissulfeto de carbono (CS 2 ); no entanto, a forma amorfa é insolúvel nesse mesmo solvente. As variedades alotrópicas do enxofre surgem pelas diferentes formas de ligação entre os átomos e também pela arrumação das moléculas poliatômicas de enxofre. Há relatos de cerca de 30 alótropos, porém muitos parecem ser misturas. Oito parecem ser realmente formas distintas, das quais cinco contêm anéis de enxofre e três outras possuem cadeias abertas. Assim, existem S 12, S 10, S 8, S 6, todas cíclicas, S 2 e mesmo S, forma monoatômica que predomina a temperaturas acima de C. Estima-se que o enxofre seja o nono elemento mais 1

2 abundante no universo. Constitui cerca de 0,03% da crosta terrestre. Geralmente, pode ser encontrado como sulfetos, sulfatos e mesmo como enxofre elementar. Depois do oxigênio e do silício, é o constituinte mais abundante dos minerais. Como enxofre livre na natureza, ocorre principalmente em depósitos vulcânicos ou sedimentares. Como não há vulcões no Brasil, também nunca foi encontrado enxofre em escala industrial e, talvez, nem mesmo procurado em regiões de vulcões extintos. Encontra-se também nos carvões, petróleos e gás natural, sob a forma de compostos orgânicos. Entre os principais minérios contendo enxofre temos a pirita (um dissulfeto de ferro), a galena (sulfeto de chumbo), o cinábrio (sulfeto de mercúrio), a esfalerita (sulfeto de zinco), assim como, sob a forma de sulfato, a gipsita (sulfato de cálcio), a barita (sulfato de bário) etc. No Golfo do México, existem grandes depósitos de enxofre, de onde se consegue obtê-lo em larga escala com 99,9 % de pureza. Esse fato parece ter ajudado a transformar o enxofre num dos quatro mais importantes produtos químicos. Nesses poços, ele é extraído com a injeção de água superaquecida e, em seguida, já liquefeito, é bombeado sob pressão para fora do poço no fundo do mar. Só nos EUA, cerca de 4 milhões de toneladas são produzidas anualmente, a partir do gás natural, de piritas, em refinarias de petróleo e indústrias produtoras de zinco, cobre e chumbo. Em muitos casos, o enxofre é separado de um gás; por exemplo, ele é obtido a partir de H 2 S, pelo processo de Claus: queima parcial do H 2 S, transformando-o em SO 2 e, em seguida, fazendo esses dois gases reagirem num processo de óxido-redução, dando enxofre. A grande importância do enxofre nas nossas vidas pode ser exemplificada facilmente. O processo de vulcanização da borracha sintética ou natural, descoberto pelo inventor Charles Goodyear, em 1839, melhora drasticamente a qualidade das borrachas e não só teve como ainda tem uma enorme importância na indústria em geral, especialmente na automobilística, com relação à resistência dos pneus. A forma mais simples de fazer uma vulcanização da borracha é aquecê-la misturada com enxofre. O ácido sulfúrico, H 2 SO 4, chega a ter tal importância na indústria que até hoje se pode avaliar o grau de desenvolvimento industrial de um país pelo consumo deste ácido. Em 1999, sua produção mundial chegou a 45 milhões de toneladas, cerca de 44% a mais do que a produção de nitrogênio, que vem em segundo lugar. Como dióxido ou sob a forma de sulfitos, é usado para preservar certos sucos de frutas e vinhos. No organismo humano, certos compostos de enxofre são fundamentais, como alguns aminoácidos etc. Na indústria farmacêutica, os compostos de enxofre têm enorme importância, como bactericidas, antibióticos etc. Até mesmo o Viagra, produto recente usado para o tratamento de disfunção erétil, é um composto de enxofre. Na agroindústria, é importante na fabricação de adubos, defensivos etc. No Brasil, há uma produção quase incipiente de enxofre. Dependemos fortemente dessa matéria-prima estratégica. Os governos, até hoje, pouco ou nenhum esforço dedicaram a essa importante matéria-prima que há séculos espera pela nossa atuação. Quanto vale o enxofre para nós? Onde está o nosso enxofre? Somente como poluente na nossa atmosfera? 2

3 Materiais e reagentes 07 Tubos de ensaio Enxofre em pó 01 béquer 50 ml Espátula 01 pinça de madeira Estante para tubos Acetato de chumbo Fita de magnésio Ácido nítrico Fósforos Ácido sulfúrico 2 mol L -1 Funil de vidro e papel de filtro qualitativo Água Oxigenada (20 volumes) HCl 0,1 mol L -1 Bico de Bunsen NaOH 2 mol L -1 BaCl 2 0,1 mol L -1 Permanganato de potássio 0,2 mol L -1 Clorofórmio Solução de Dicromato de potássio 0,2 mol L -1 Conta-gotas Tela de amianto e tripé Parte 1: Preparação do oxigênio Procedimento Experimental a) Oxidação e decomposição da água oxigenada Coloque em 3 tubos de ensaio 1 ml de água oxigenada "20 volumes" e adicione, separadamente, com agitação: algumas gotas de NaOH 2 mol L -1 e, em seguida, gotas de solução de permanganato de potássio 0,2 mol L -1 em um dos tubos. uma ponta de espátula de dióxido de manganês no segundo tubo. algumas gotas de ácido sulfúrico 2 mol L -1 e em seguida, algumas gotas de solução de dicromato de potássio no terceiro tubo. Parte 2. Reações e propriedades do enxofre a) Reação de enxofre com ácido nítrico Introduza uma ponta de espátula de enxofre em pó em um tubo de ensaio limpo e seco. Adicione cerca de 2 ml de ácido nítrico concentrado e aqueça até a ebulição (trabalhe na capela) utilizando uma pinça de madeira apropriada. Deixe esfriar, coloque cerca de 5 ml de água destilada e filtre em funil de vidro com papel adequado. Ao filtrado, recolhido em outro tubo de ensaio, junte algumas gotas de solução de cloreto de bário. Observe e interprete. 3

4 Em outro tubo de ensaio, coloque uma ponta de espátula de enxofre e adicione 2 ml de ácido clorídrico diluído. Agite, observe e interprete. b) Verificação do comportamento do enxofre quando aquecido. Coloque enxofre em pó (~2 g) num tubo de ensaio limpo e seco e aqueça-o, na capela, usando a chama fraca do bico de Bunsen. Não deixe o enxofre entrar em combustão. Observe a fusão e as mudanças subsequentes de cor e viscosidade do enxofre. c) Preparação do enxofre plástico. Aqueça o enxofre do ensaio anterior até a sua fervura. Em seguida, despejeo, lentamente, na forma de um fio fino em um béquer contendo água fria. Retire o sólido formado da água e seque-o entre folhas de papel de absorvente. Teste a ductilidade do enxofre e a sua solubilidade em clorofórmio. Compare estas propriedades com as do enxofre original. Descarte de Material: Verifique se há frasco rotulado para guardar o resíduo na capela ou ao lado da pia. Questões Com base em suas anotações e com o auxílio da bibliografia, interprete o experimento realizado e escreva as equações químicas devidamente balanceadas. Procure "enriquecer" essa parte do relatório, discutindo, por exemplo, as questões a seguir. Escrevas as equações químicas que representam os processos observados nos ensaios da parte 1. Justifique utilizando as suas observações. Quais diferenças podem ser observadas quando se utiliza o iodeto de potássio ao invés de dióxido de manganês como catalisador? Explique. Como podemos confirmar que o gás formado é realmente o oxigênio? Explique. Escreva as equações químicas que representam os processos observados no ensaio a da parte 2. Justifique utilizando as suas observações. Explique todas as alterações observadas durante o experimento de aquecimento do enxofre (parte 2 b e c). Relacione suas observações com as mudanças na estrutura molecular do enxofre. 4

5 Compare as propriedades do enxofre plástico com as do enxofre original. As propriedades do enxofre plástico se conservam? Explique. Referências 1. Livros de Química Inorgânica indicados para esta disciplina. 2. Russell, J. B. Química geral. 2 ed. São Paulo: Makron Books, 1994, v Farias, R.F., Práticas de Química Inorgânica. 1 ed. Campinas: Editora Átomo,