Reações de precipitação Para entender as reações de precipitação 1- Eu já vi um precipitado? O que é precipitação e o que é um precipitado? 3- A precipitação pode ser um fenômeno físico ou é somente químico? 4- Por que a solubilidade é importante? Quando e por que acontecem as reações químicas de precipitação? 5- Quais os exemplos mais interessantes de precipitação? 6- Como realizar cálculos químicos envolvendo precipitação? Introdução As reações de precipitação são muito importantes na química, em diversos aspectos. Esperamos que você goste do assunto, pois é um dos mais interessantes desta disciplina. Alguns tipos de precipitação já foram usados até mesmo como tinta invisível, desde a I Guerra Mundial, para envio de mensagens secretas por espiões, muito antes da criação da Central de Inteligência Americana (CIA). A precipitação está relacionada também com as colunas calcárias em cavernas, chamadas estalactites e estalagmites. E, se alguma vez, você já sofreu com as dores renais devido à presença de pedras nos rins, saiba que essas pedras também se formam por precipitação. Mas vamos por partes. Primeiro vamos entender o que significam as palavras precipitação e precipitado. Não se precipite! Toda vez que aparece um sólido dentro de um líquido ou mistura de líquidos diferentes - geralmente em meio aquoso -, dizemos que esse sólido é um precipitado. Esse surgimento do sólido ou precipitação, às vezes, pode parecer uma mágica, causando-nos surpresa, pois algumas dessas reações são muito rápidas, dando origem a sólidos coloridos, mesmo a partir da mistura de líquidos incolores! Certamente esse fenômeno tem explicação científica, não se tratando de mágica... Mas que parece mágica, parece. Veja a foto abaixo. Ela capta o exato momento em que o iodeto de chumbo se formou com a reação entre nitrato de chumbo e iodeto de potássio.
Iodeto de chumbo II ou iodeto plumboso: precipitado amarelo, a partir da reação entre soluções incolores. Disponível em: http://educador.brasilescola.com/estrategias-ensino/reacoesentre-ions-solucoes.htm - Acesso em 13/9/2013. EXPERIMENTO: Essa mesma reação da foto pode ser utilizada como tinta invisível : Basta escrever uma mensagem com um cotonete embebido em uma solução de nitrato de chumbo II, deixar o papel secar e depois enviar ao destinatário. Depois de recebida a mensagem, o destinatário deverá passar um algodão embebido em uma solução de iodeto de potássio na superfície do papel e a mensagem aparecerá imediatamente, escrita em tinta amarela. Fenômeno físico ou químico? Existem precipitações que podem ser classificadas como fenômeno físico e outras que são fenômenos químicos. Lembrando: fenômeno físico não origina novas substâncias, ou seja, não deixa de ser uma transformação, mas as substâncias originais e finais são as mesmas. Já o fenômeno químico envolve a transformação de reagentes em produtos, sendo que os produtos são substâncias novas no sistema, que acabaram de ser geradas. O exemplo da foto é uma precipitação química, pois o iodeto de chumbo não existia antes da reação. Agora, vejamos um caso específico de fenômeno físico de precipitação. Se você aquecer ao fogo uma mistura de água com sal em uma panela, a água vai ferver e vai vaporizando, correto? Mesmo antes de a água vaporizar totalmente, aparecerão cristais de sal (cloreto de sódio) no fundo da panela. Esses cristais são o precipitado. Ele se formou porque a quantidade de água líquida na panela foi diminuindo, até que não foi mais suficiente para manter todo o sal dissolvido. Ou seja, antes, a quantidade de água era suficiente para dissolver todo o sal; mas, a partir da evaporação da água, essa quantidade se tornou insuficiente. Como não houve surgimento de nova substância, esse é um exemplo de fenômeno físico, causado apenas porque a concentração do soluto (sal) no solvente (água) variou. Essa variação da proporção soluto/solvente está relacionada com uma importante propriedade da matéria: a solubilidade! A solubilidade é a chave! A solubilidade está relacionada a praticamente todos os fenômenos de precipitação, sejam físicos ou químicos. E grande parte desses fenômenos acontecem em meio aquoso e envolvem substâncias iônicas, como sais e hidróxidos.
LEMBRETE: substâncias iônicas são aquelas formadas pela atração entre cátions (íons positivos) e ânions (íons negativos). Quando uma substância iônica se dissolve, esses íons se separam, envolvidos por moléculas de água. Sal de cozinha dissolvendo em água (solvatação): Cátions sódio (Na + ) e ânions cloreto (Cl - ) são envolvidos por moléculas de água. Disponível em: http://universoqui.blogspot.com.br/2011/06/entendendo-propriedades-solvatacao_06.html - Acesso em 15/9/2013. Como acontece a dissolução de uma substância iônica em água? Quando a atração entre as moléculas de água e os íons são mais fortes do que a atração entre os próprios íons, o sal é solúvel. Mas, se a atração entre os cátions e ânions ainda for maior do que as interações com a água, o sal permanece insolúvel. Por exemplo, se o sal de cozinha dissolve em água é porque as moléculas de água conseguem atrair os íons cloreto (Cl - ) e os íons sódio (Na + ), mais do que atração que já existe entre os íons sódio e cloreto (Na + Cl - ). Já no caso de outros sais, como o carbonato de cálcio, por exemplo, a atração entre os íons cálcio (Ca 2+ ) e carbonato (CO 3 ) é maior do que a atração entre eles e as moléculas de água. Por isso, o carbonato de cálcio é um sal considerado pouco solúvel em água. Mas, não pode faltar água No caso do sal de cozinha dissolvido em água, se fervermos a mistura, a vaporização da água reduzirá o número de moléculas de água líquida no sistema, até superar um limite chamado coeficiente de solubilidade do cloreto de sódio em água. Em outras palavras, em 100g de água, só é possível dissolver até 36g de sal, na temperatura ambiente. Se a quantidade de água for diminuindo por vaporização, por exemplo, a proporção de sal aumenta, precipitando o sal em excesso. E no caso de uma reação química? Mesmo no caso de uma reação química, a precipitação só acontece quando é superado o limite de solubilidade de um dos sais formados. Se os sais originais são mais solúveis em água do que um dos produtos, haverá precipitação apenas do produto menos solúvel.
Voltando ao caso da tinta invisível, por exemplo, os sais originais - iodeto de potássio e nitrato de chumbo - são bastantes solúveis. Mas, ao misturar as duas soluções desses sais num mesmo frasco, os ânions iodeto (I - ) e os cátions chumbo (Pb 2+ ) vão entrar em contato. Acontece que o iodeto de chumbo é muito pouco solúvel em água, porque a atração entre os cátions chumbo (Pb 2+ ) e os ânions iodeto (I - ) é maior do que as suas interações individuais com a água. Por isso, surge um sólido no sistema, que é o precipitado de iodeto de chumbo II ou iodeto plumboso (PbI 2 ), de cor amarela. O outro produto possível, o nitrato de potássio (KNO 3 ), é muito solúvel em água e, por isso, não precipita, permanecendo na solução final totalmente dissolvido. Apenas se vaporizarmos a água, é que o nitrato de potássio irá precipitar. Repare que os iodetos, em geral, são solúveis, menos os de prata Tabela disponível em: http://educador.brasilescola.com/estrategiasensino/reacoes-entre-ions-solucoes.htm - Acesso em 15/09/2013. (Ag+), chumbo II (Pb 2+ ) e cobre I (Cu + ). E os nitratos (NO 3 - ) são todos solúveis, sem exceções, o que, logicamente, inclui o de chumbo II. Podemos representar o fenômeno da precipitação de duas formas: 1) Usando as fórmulas das substâncias iônicas envolvidas, de forma condensada: Pb(NO 3 ) 2 (aq) + 2 KI (aq) PbI 2 (s) + 2 KNO 3 (aq) Nitrato de chumbo II Iodeto de potássio Iodeto de chumbo (precipitado) Nitrato de potássio 2) Ou, mais corretamente, representando os íons presentes na solução aquosa, pois, na verdade, se encontram separados por solvatação, envolvidos por moléculas de água:
Pb 2+ (aq) + 2 NO 3 - (aq) + 2 K + (aq) + 2 I - (aq) PbI 2 (s) + 2 NO 3 - Íons nitrato, chumbo II, iodeto e potássio (aquosos) (aq) + 2 K + (aq) Iodeto de chumbo (precipitado) Íons nitrato e potássio (aquosos) Outro exemplo pedra nos rins Observe na tabela de solubilidade que os oxalatos (C 2 O 4 ), em geral, são insolúveis. Mas que os oxalatos de metais alcalinos (Li +, Na +, K +, Rb + etc) e de amônio (NH 4 + ) são solúveis. Um dos problemas renais mais comuns, conhecido como pedra nos rins, é causado pela precipitação de oxalato de cálcio, que é insolúvel. Isto acontece porque os alimentos vegetais, em geral, contêm ácido oxálico, que é muito solúvel em água, e entra facilmente na corrente sanguínea. O ácido oxálico dissolvido libera o ânion oxalato (C 2 O 4 ) no organismo. Por sua vez, outros alimentos ricos em cálcio podem por uma série de processos bioquímicos no nosso corpo, associados à digestão e à filtragem do sangue pelos rins - associar cátions cálcio (Ca 2+ ) aos ânions oxalato (C 2 O 4 ), formando as famosas pedras nos rins. Essas pedras podem causar dores fortíssimas, principalmente quando são expelidas em fragmentos de vários tamanhos através do sistema urinário, causando cortes internos e sangramentos. Oxalato de cálcio: um sal orgânico que pode se precipitar nos rins. A força de atração entre íons de carga dupla é maior do que suas interações individuais com água, tornando-os insolúveis. 1) Usando as fórmulas das substâncias iônicas envolvidas, de forma condensada: H 2 C 2 O 4 (aq) + Ca 2+ (aq) CaC 2 O 4 (s) + 2 H + (aq) Ácido oxálico 2) Representando os íons: Íon cálcio Oxalato de cálcio (precipitado) íons hidrogênio 2 H + (aq) + C 2 O 4 (aq) + Ca 2+ (aq) CaC 2 O 4 (s) + 2 H + (aq)
Outro exemplo estalactites e estalagmites Vamos considerar o exemplo das interessantes formações rochosas nas cavernas calcárias, chamadas de estalactites e estalagmites. Essas formações são depósitos de carbonato de cálcio. Simplificadamente, a reação é representada como: Ca 2+ (aq) + CO 3 (aq) CaCO 3 (s) Mas, para que haja íons carbonato (CO 3 ), é preciso que estejam presentes nas águas subterrâneas os íons bicarbonato (HCO 3 - ), que são mais solúveis. Em outras palavras, a água das chuvas (rica em gás carbônico dissolvido) penetra no solo calcário (rico em carbonato de cálcio), e converte o carbonato em bicarbonato de cálcio, que, por sua vez, se dissolve. CaCO 3 (s) + H 2 O + CO 2 Ca 2+ (aq) + 2 HCO 3 - (aq) No entanto a água que umedece o teto das cavernas (rica em bicarbonato de cálcio dissolvido) evapora lentamente e libera gás carbônico, realizando a mesma reação acima, mas em sentido inverso, precipitando novamente o carbonato de cálcio e aumentando a coluna de estalactite. Ca 2+ (aq) + 2 HCO 3 - (aq) H 2 O + CO 2 + CaCO 3 (s) Obs.: Repare que, em todas as reações acima, não apenas os átomos, mas as cargas gerais dos reagentes e dos produtos estão balanceadas. Quando goteja, essa água cai no chão da caverna e realiza essa mesma reação, precipitando novamente o carbonato de sódio insolúvel e aumentando as estalagmites. Isso faz com que a arquitetura natural das colunas esteja em constante mutação, dissolvendo a rocha em alguns pontos e cristalizando-a em outros, num processo contínuo em que o carbonato de cálcio se cristaliza de 0,5cm a 2,5cm por século! Formação de estalactites por depósitos de carbonato de cálcio. A água está saturada de bicarbonato de cálcio. Disponível em: http://umaquimicairresistivel.blogspot.com.br/2011/12/estalactites-e-estalagmites.html - Acesso em 15/09/2013.
Como são os cálculos envolvendo os fenômenos de precipitação? Como todo fenômeno químico, sabemos que a massa dos reagentes é igual à massa dos produtos (Lei de Lavoisier). E sabemos também, desde o modelo atômico de Dalton (1808), que essa conservação de massa se dá porque os átomos, antes da reação, são os mesmos que nas substâncias formadas no processo. Portanto, a quantidade de átomos, antes e depois, é igual, embora formando novas substâncias. Consideremos a seguinte situação problema: Um exame clínico determinou que um paciente, que estava sentindo fortes dores, apresentava uma pedra nos rins de aproximadamente 8mm de diâmetro, de forma esférica. Sabendo que o oxalato de cálcio tem densidade aproximada de 2g/cm³, CALCULE quanto de ácido oxálico em massa foi convertido em oxalato de cálcio para formar esse cálculo renal. RESOLUÇÃO Uma esfera qualquer tem o volume definido pela fórmula: V = 4/3πr³ O raio da esfera é de 0,8cm dividido por 2 = 0,4cm Assim, o volume do cálculo renal é: 4/3 x 3,14 x 0,4³ = 4,1867 x 0,064 = 0,2679cm³ Se a densidade é de 2g/cm³, significa que cada cm³ tem aproximadamente 2g. Sendo o volume aproximadamente de 0,268cm³, temos que 0,268cm³ x 2g/cm³ corresponde a 0,5358g de pedra de oxalato de cálcio. H 2 C 2 O 4 (aq) + Ca 2+ (aq) CaC 2 O 4 (s) + 2 H + (aq) Ácido oxálico Íon cálcio Oxalato de cálcio (precipitado) íons hidrogênio (Obs.: repare que não só os átomos, mas também as cargas estão balanceadas) As relações molares, a partir da equação balanceada acima, são: H 2 C 2 O 4 (aq) CaC 2 O 4 (s) 1 mol de ácido oxálico 1 mol de oxalato de cálcio As massas molares das substâncias envolvidas são: H = 1g/mol x 2 = 02g Ca = 40g/mol x1 = 40g C = 12g/mol x 2 = 24g O = 16g/mol x 4 = 64g C = 12g/mol x 2 = 24g O = 16g/mol x 4 = 64g totalizando = 90g/mol de ácido oxálico totalizando = de cálcio 128g/mol de oxalato Assim, se 90g de ácido oxálico geram 128g de oxalato de cálcio, qual é a massa de ácido oxálico que gerou 4g de pedra no rim do paciente? 90g 128g X 0,5358g Resposta: X = 1,7222g ou, aproximadamente 1,7g de ácido oxálico.
Questão adicional - Caro aluno, faça você mesmo a seguinte questão: Considerando que o cálcio convertido em pedra foi obtido totalmente de fontes alimentares, quanto de íons cálcio, em massa, o paciente da questão acima ingeriu e, posteriormente, precipitou na forma de cálculo renal?