EXP 8. Síntese e Determinação da Composição do Oxalato de Cobalto Hidratado TAREFA PRÉ-LABORATÓRIO Leia com atenção o procedimento experimental Resolva os exercícios pré-laboratório que estão no final do roteiro. Serão conferidas no início da aula. Faça um planejamento do experimento por meio de um fluxograma. Será conferido no início da aula. Escreva as equações que representam as reações químicas envolvidas nas diversas etapas do procedimento. Sempre que possível, use equações iônicas simplificadas. 1. Objetivos Sintetizar um composto, trabalhar com compostos hidratados e pesar massas específicas com rapidez e precisão. Utilizar técnicas de análise gravimétrica e titulação redox para determinar a composição do material sintetizado. 2. Introdução: Sais Hidratados Compostos que contém água a possuem em proporção definida ou variável. Se a quantidade de água é variável, a substância pode estar simplesmente úmida, ou a água pode estar localizada em canais, como nas zeólitas, ou em poros, como nas sílicas mesoestruturadas. É possível ainda que se tenha uma mistura de hidratos. Se a substância possui uma quantidade definida, invariável, de água, ela é denominada hidrato, e a água ocupa sítios bem definidos na estrutura cristalina. Alguns hidratos comuns são: bórax (Na 2 B 4 O 7 10H 2 O), sal de Epsom (MgSO 4 7H 2 O) e sulfato de cobre (CuSO 4 5H 2 O). Sob condições apropriadas, a maioria dos sais hidratados pode ser desidratada, formando um sal hidratado com menor quantidade de água ou um sal anidro. Por exemplo, quando o mineral gipsita é aquecido acima de 160 C, ocorre a desidratação para formar o gesso de Paris: CaSO 4 2H 2 O CaSO 4 1/2H 2 O + 3/2H 2 O Esta reação é reversível, e o endurecimento do gesso pode ser atribuído à sua reidratação com a formação de gipsita cristalina. O equilíbrio entre a forma hidratada e a forma anidra é influenciado pela temperatura do sistema, bem como pela umidade relativa. Sais capazes de sofrer hidratação reversível são frequentemente empregados no controle da quantidade de umidade no ar. Sais anidros usados como dessecantes (agentes de secagem) incluem CaSO 4, CaCl 2 e Mg(ClO 4 ) 2.
3. Procedimento 3.1. Síntese do Oxalato de Cobalto Hidratado. Em um béquer de 250 ou 500mL, dissolva 1,26 g de ácido oxálico di-hidratado (H 2 C 2 O 4 2H 2 O) em 100 ml de água. Adicione 1 ml de solução concentrada de amônia (NA CAPELA!!) e agite a mistura até a dissolução total do sólido. Em um erlenmeyer de 250 ml, dissolva 2,34 g de cloreto de cobalto hexa-hidratado (CoCl 2 6H 2 O) em 100 ml de água. Mantendo a solução de ácido oxálico sob agitação constante e em um banho de gelo, adicione lentamente a solução de cobalto. Um precipitado irá se formar lentamente. Aguarde a decantação do precipitado, separe-o por filtração a vácuo. Lave o precipitado com pequenas porções de água gelada. Coloque o papel de filtro contendo o precipitado em um vidro de relógio, e deixe-o secando em estufa a 80 C. Para a determinação de oxalato, será necessário preparar a solução de ácido sulfúrico aproximadamente 0,5 mol.l 1 3.2. Preparação da solução de ácido sulfúrico: Calcule o volume de ácido sulfúrico concentrado (CUIDADO!!! REAGENTE EXTREMAMENTE CORROSIVO!!) necessário para preparar uma solução 0,5 mol.l 1. Considere que o ácido sulfúrico concentrado é na verdade uma solução contendo 95% de ácido e 5% de água (em massa) cuja densidade é 1,84 g.ml -1. Transfira lentamente para um béquer de 500 ml contendo aproximadamente 250 ml de água e agite até a mistura completa. 3.3. Determinação da Composição do Oxalato de Cobalto Hidratado. Os ensaios para a determinação da composição do oxalato de cobalto serão realizados com o material previamente preparado e seco por outras turmas, de modo a garantir que se utilize o material mais seco possível. 3.3.1. Determinação de cobalto. Os sais hidratados geralmente podem ser total ou parcialmente desidratados quando aquecidos a temperaturas suficientemente elevadas. Assim, pode-se imaginar que a quantidade de água pode ser determinada através da pesagem simples do material antes e depois do aquecimento. Infelizmente, esta técnica não é possível quando a decomposição térmica resulta em compostos voláteis diferentes da água. Oxalatos metálicos, por exemplo, geralmente se decompõe sob aquecimento, produzindo CO ou CO 2 gasosos e o metal ou óxido metálico. Este é o caso do oxalato de cobalto, que se decompõe em Co 3 O 4 quando aquecido em um cadinho na chama de um bico de Bünsen. Conhecida a fórmula do óxido resultante, é possível determinar a massa de cobalto presente em uma amostra de Co 3 O 4. Você pode então usar a massa de cobalto e a massa da amostra original para calcular a porcentagem de Co no oxalato de cobalto hidratado.
Procedimento: Pese um cadinho em balança analítica, e coloque nele aproximadamente 0,3 g do oxalato (com a maior precisão possível), anotando o valor. Coloque o cadinho com a amostra sobre um triângulo de porcelana preso a um tripé de ferro, e aqueça ao rubro o cadinho contendo a amostra usando um bico de Bünsen até que observar a decomposição total a Co 3 O 4, que é um sólido preto estável. Deixe esfriar e determine a massa do cadinho com o resíduo da calcinação. Calcule a porcentagem em massa de cobalto na amostra original. Repita o procedimento. No relatório, você deverá especificar as massas obtidas nas duas determinações e a média dos valores obtidos. Para economizar tempo, inicie a análise do oxalato enquanto aguarda o resfriamento do cadinho. 3.3.2. Determinação de oxalato. A reação utilizada na determinação volumétrica de oxalato em meio ácido é (equação não balanceada): C 2 O 4 2- (aq) + MnO 4 - (aq) CO 2 (g) + Mn 2+ (aq) Não há necessidade de indicador, já que a presença de excesso de MnO 4 -, que possui forte coloração violeta, é facilmente visível. Assim, observa-se no ponto final uma mudança de coloração de incolor para violeta. Porém, a presença de íons Co 2+, que apresentam coloração rosa em solução, pode dificultar a detecção do ponto final. Nestes casos, o ponto final é indicado por uma mudança de cor de rosa para violeta. A reação entre íons permanganato e íons oxalato tende a ser bastante lenta, especialmente no início, e por este motivo a solução de oxalato é aquecida a 80 C antes da titulação. A solução não pode ser fervida, pois o oxalato poderia se decompor em temperaturas mais altas. A primeira adição de permanganato tornará a solução violeta por algum tempo, pois a reação com oxalato é lenta mesmo acima de 60 C. Seja paciente! Espere a solução descolorir após cada adição de permanganato antes de uma nova adição, para evitar a precipitação irreversível de óxido de manganês, um sólido marrom que torna a solução turva. À medida que a titulação prossegue, a solução irá sofrer descoloração cada vez mais rapidamente. No ponto final da reação, a adição de uma gota de solução de permanganato levará a uma mudança permanente da coloração rosa para violeta, pois não haverá mais oxalato disponível para reduzir o permanganato. Procedimento: Pese aproximadamente 0,2 g de oxalato de cobalto hidratado (com a máxima precisão possível) diretamente em um erlenmeyer de 250 ml. Adicione 100 ml de H 2 SO 4 0,5 M, e aqueça a 80 C até que o sólido esteja dissolvido. Não deixe a solução entrar em ebulição pois nesse caso ocorrerá a decomposição parcial do oxalato. Titule com a solução padronizada de permanganato de potássio 0,02 mol/l (anote a concentração real desta solução!) até observar o ponto final. Repita a titulação, e use o valor médio obtido para calcular a porcentagem em massa de oxalato na amostra. Caso a discrepância entre os valores calculados para a concentração de oxalato seja maior que 5%, repita a titulação.
3.3.3. Determinação da água. Como vimos acima, o aquecimento do oxalato de cobalto hidratado não leva à simples eliminação da água de hidratação. Porém, a porcentagem de água no composto pode ser calculada por diferença, ou seja, subtraindo-se a porcentagem de cobalto e oxalato de 100%. Conhecendo a porcentagem de cobalto e de oxalato no seu material, calcule, por diferença, a porcentagem de água presente no oxalato de cobalto hidratado que você sintetizou. Use estes valores para propor uma fórmula química para o produto sintetizado. Referências Bibliográficas [1] H. R. Hunt, T. F. Block, G. M. McKelvy, Laboratory Experiments for General Chemistry, 4 th Edition, Thomson Learning, USA, 2002, p. 119-121 e 137-140. [2] E. Giesbrecht et alii, PEQ, Experiências de Química - Técnicas e Conceitos Básicos, Ed. Moderna e EDUSP, 1982, exp. 13.5, p.106. [3] B.H. Mahan e R.J. Myers, Química, um curso universitário, tradução da 4a. edição americana, Ed. Edgard Blücher, 1993. [4] G. H. Jeffery, J Basset, J. Mendham, R. C. Denney; Vogel s Textbook Of Quantitative Chemical Analysis, 5th Edition, Longman Scientific & Technical, Avon, UK, 1989, Capítulo 10, pág. 368.
Exercícios Pré-Laboratório: Estes exercícios deverão ser feitos depois da leitura do roteiro e antes de vir ao laboratório. 1. A equação abaixo descreve a reação entre cloreto de amônio e hidróxido de bário octahidratado: 2NH 4 Cl(s) + Ba(OH) 2.8H 2 O(s) 2 NH 3 (g) + BaCl 2 (aq) + 10 H 2 O (l) Em um determinado experimento, 150,0 g de de cloreto de amônio reagiram com 290,0 g de hidróxido de bário octa-hidratado, produzindo 157,2 g de água. a) Determine qual é o reagente limitante. b) Calcule o rendimento teórico de água. c) Calcule o rendimento percentual de água. d) Que massa de hidróxido de bário anidro contém o mesmo número de mols de íons Ba 2+ que existem em 31,5 g de hidróxido de bário octa-hidratado? 2. Por que não se deve deixar a solução de oxalato de cobalto entrar em ebulição antes da titulação com permanganato? 3. Determinou-se que a composição de um certo composto de coordenação é 21,79% Co, 18,90% NH 3 e 39,32% Cl. Considere que o restante, se houver, corresponde a H 2 O. Determine a fórmula empírica deste composto. 4. Uma amostra de 0,3228g de um hidrocarboneto foi queimada no ar. A amostra foi completamente convertida a 1,0562 g de dióxido de carbono e 0,5046 g de água. Determine a fórmula empírica deste composto.