PRÁTICA 5 GRUPO 15 (Pnictogênios)

PRÁTICA 5 GRUPO 15 (Pnictogênios) Departamento de Química Inorgânica, IQ-UFF Responsável: Prof. Dr. Fabio da Silva Miranda Revisores: Prof. Dra. Maria Domingues Vargas, Bsc. Eloisa Borges e Borges Última modificação: 21/09/2017 1. Introdução O presente procedimento experimental pretende abordar alguns aspectos básicos da química do grupo 15, em especial, a química do nitrogênio, fósforo e bismuto. Os experimentos são adaptações do livro Practical Inorganic Chemistry de V. I. Spitsyn. 1 2. Objetivos didáticos Teóricos: Discutir a hidrólise do ácido fosfórico, formação dos óxidos de nitrogênio, reatividade do ácido nítrico versus ácido nitroso, formação de fosfatos insolúveis, reatividade do fósforo elementar e reatividade do Bi 3+ e Bi 5+. 2-4 Gerais: Motivar discussões sobre os aspectos econômicos da química do grupo 15, compostos representativos, curiosidades, plantas industriais, usos e aplicações. 3. Parte experimental 3.1. Preparação de óxidos de nitrogênio (Demonstrativo) O objetivo desse procedimento é preparar os principais óxidos de nitrogênio, obtendo os compostos NO (óxido nítrico), N 2 O (óxido nitroso) e NO 2 (dióxido de nitrogênio), e inspecionar a reatividade de cada gás. Cobre metálico (Cu) Nitrato de amônio (NH 4 NO 3 ) Ácido nítrico 2 mol L -1 (HNO 3 ) Ácido nítrico concentrado (HNO 3 ) Solução de iodeto de potássio 0,1 mol.l -1 (KI) Bico de bunsen Tubo de ensaio com saída lateral Fita para medir ph Procedimento deverá ser realizado dentro de uma capela com a exaustão ligada! 1

Óxido nitroso: Coloque 200 mg de NH 4 NO 3 num tubo de ensaio e aqueça no bico de Bunsen. Observe o aspecto do gás desprendido. Óxido nítrico: Coloque 500 mg de cobre metálico num tubo com saída lateral conectado a uma mangueira de silicone. Adicione 3 ml de HNO 3 2 mol L -1 e feche rapidamente a saída do tubo com uma rolha de borracha. Aqueça o tubo e borbulhe o gás desprendido num tubo de ensaio contendo 2 ml de água destilada. Observe o aspecto do gás desprendido. Meça o ph da solução. Repita o procedimento borbulhando o gás num tubo de ensaio contendo 2 ml de água destilada e 10 gotas de KI 0,1 mol L -1. Dióxido de nitrogênio: Coloque 500 mg de cobre metálico num tubo com saída lateral conectado a uma mangueira de silicone. Adicione 1,5-3 ml de HNO 3 concentrado e coloque a rolha rapidamente. O desprendimento de gás é imediato. Borbulhe o gás desprendido num tubo de ensaio contendo 2 ml de água destilada. Observe o aspecto do gás desprendido. Meça o ph da solução. Repita o procedimento borbulhando o gás num tubo de ensaio contendo 2 ml de água destilada e 10 gotas de iodeto de potássio 0,1 mol L -1. Escreva a estrutura de Lewis de cada óxido. Calcule o estado de oxidação do nitrogênio em cada caso. Escreva as equações pertinentes a cada procedimento 3.2. Reatividade do nitrito e do nitrato e seus respectivos ácidos O objetivo desse procedimento é comparar a reatividade dos íons nitrato (NO 3 ) e nitrito (NO 2 ). Ácido sulfúrico concentrado (H 2 SO 4 ) Ácido sulfúrico 3 mol L -1 (H 2 SO 4 ) Nitrato de sódio (NaNO 3 ) Nitrito de sódio (NaNO 2 ) Solução de iodeto de potássio 0,1 mol L -1 (KI) Pegue dois béqueres de 50 ml e rotule de 1 e 2. Coloque em cada béquer 10 ml de água destilada, adicione 40 mg de NaNO 3 no frasco 1 e 40 mg de NaNO 2 no frasco 2. Acrescente 1 ml de H 2 SO 4 3 mol L -1. Simultaneamente, adicione 1 ml de KI em ambos os frascos. Observe e anote as mudanças. Escreva as equações químicas envolvidas nos frascos 1 e 2. Discuta a diferença nas cinéticas de reação dos íons nitrito e nitrato. Faça um paralelo com os potenciais de redução de cada espécie química. 3.3. Combustão do fósforo vermelho O objetivo desse procedimento é causar a combustão do fósforo vermelho e estudar o produto formado. 2

Fósforo vermelho (P) Solução de hidróxido de cálcio 0,1 mol L -1 (Ca(OH) 2 ) Espátula de porcelana Balão de fundo redondo de 250 ml e boca 24/40 Rolha para boca 24/40 Garra e mufa Suporte universal Bico de Bunsen Fita para medir ph O Procedimento deverá ser realizado dentro de uma capela com a exaustão ligada. Utilizando uma espátula de porcelana pegue cerca de 10-50 mg de fósforo vermelho (ponta de espátula). Em seguida, utilize o bico de bunsen para dar ignição na combustão. Colete o gás desprendido com o balão de fundo redondo, deixe o balão fixo no suporte universal, coloque o balão com a boca virada para baixo para facilitar a coleta do gás. Após coletar o gás, tampe o balão com a rolha e cuidadosamente acrescente água destilada até todo o gás ter dissolvido (cerca de 20-40 ml). Meça o ph resultante. Pegue uma alíquota de 1 ml e acrescente lentamente 1 ml de Ca(OH) 2 0,1 mol L -1. Escreva a equação de combustão do fósforo vermelho. Escreva a equação do produto de combustão com água. O que acontece quando o hidróxido de cálcio é adicionado? Mostre as equações. 3.4. Propriedades oxidantes da água régia (CUIDADO!) O objetivo desse procedimento é preparar água régia e testar a sua reatividade. Ácido clorídrico concentrado (HCl) Ácido nítrico concentrado (HNO 3 ) Estanho metálico (Sn) O Procedimento deverá ser realizado dentro de uma capela com a exaustão ligada, usar luva e óculos de proteção! Num frasco de 50 ml CUIDADOSAMENTE adicione 2 ml de HNO 3 concentrado e 6 ml de HCl concentrado. Coloque uma pequena peça de estanho metálico (cerca de 50 mg). Observe o que acontece com o estanho metálico. Após terminar o procedimento adicione cuidadosamente 20 ml de água à solução, descarte a solução no rejeito para estanho. Descreva as reações que ocorrem em todas as etapas do procedimento. 3.5. Equilíbrio químico amônio/amônia O objetivo desse procedimento é visualizar a sublimação do cloreto de amônio e verifique o equilíbrio químico NH 4+ /NH 3. 3

Cloreto de amônio (NH 4 Cl) Hidróxido de sódio 3 mol L -1 (NaOH) Reagente de Nessler (K 2 HgI 4 em meio básico) Bico de Bunsen Pinça de madeira Papel filtro Água destilada Fita para medir ph Papel tornassol O Procedimento deverá ser realizado dentro de uma capela com a exaustão ligada. Num tubo de ensaio coloque 50 mg de NH 4 Cl e aqueça no bico de bunsen. Observe se ocorre decomposição do sal e o que ocorre nas partes mais altas do tubo. Deixe o tubo esfriar, acrescente 2 ml de água destilada e meça o ph. Acrescente 1 ml de NaOH 3 mol L -1 e aqueça a solução, coloque na saída do tubo, um pedaço de papel filtro (2 x 4 cm) contendo algumas gotas do reagente de Nessler e verifique se ocorreu mudança de cor. Coloque um pedaço de papel tornassol e verifique se houve mudança de cor. Explique a sublimação do cloreto de amônio. Explique o ph observado quando foi adicionado água ao cloreto de amônio. Explique a liberação de amônia quando hidróxido de sódio foi adicionado à solução de cloreto de amônio. 3.6. Reatividade do Bi 3+ e Bi 5+ O objetivo desse procedimento é verificar o comportamento dos diferentes estados de oxidação do bismuto. Nitrato de bismuto (Bi(NO 3 ) 3 ) Bismutato de sódio (NaBiO 3 ) Sulfato de manganês 0,1 mol L -1 (MnSO 4 ) Ácido sulfúrico 6 mol L -1 (H 2 SO 4 ) Num tubo de ensaio, adicione 2 ml de água destilada e acrescente 5-10 mg de Bi(NO 3 ) 3. Meça o ph e observe o aspecto da solução. Explique, através de equações, o ph e o aspecto da solução. Coloque, num tubo de ensaio, 2 ml de água destilada, 10 gotas de MnSO 4 0,1 mol L -1 e 10 gotas de H 2 SO 4 6 mol L -1, agite bem a mistura, acrescente 5-10 mg de NaBiO 3 e observe o que acontece. Descreva as reações que ocorrem. 3.7. Preparação do nitreto de magnésio (Opcional e demonstrativo) O objetivo desse procedimento é preparar o nitreto de magnésio através da redução direta do nitrogênio. O procedimento também explora a preparação do nitrogênio (N 2 ). 4

Nitrito de sódio (NaNO 2 ) Solução de cloreto de amônio saturada (NH 4 Cl) Reagente de Nessler (K 2 HgI 4 em meio básico) Fita de magnésio Pinça metálica Bico de Bunsen Suporte universal Garra com mufa Tubo com saída lateral Papel de filtro Água destilada Fita para medir ph Óculos de proteção com filtro UV Monte o aparato mostra do na Figura 1. Coloque 2 g de NaNO 2 no tubo de saída lateral (1), adicione cuidadosamente 2-3 ml da solução de cloreto de amônio saturada (2). Aqueça o tubo (1) e colete o gás formado no tubo 3 com a técnica de deslocamento da coluna de água. Figura 1. Aparato para a preparação de nitrogênio. Lixe uma fita de magnésio contendo 4 cm de comprimento até remover toda a camada de óxido. Aqueça o magnésio no tubo de ensaio e coloque o magnésio em combustão dentro do frasco com nitrogênio e tampe rapidamente. Cuidado: a combustão do magnésio emite radiação ultravioleta e o uso de óculos com filtro UV é necessário. Teste o produto formado adicionando 2 ml de água. Verifique o ph da solução. Aqueça a solução, coloque um pedaço de papel filtro (4 x 4 cm) contendo algumas gotas do reagente de Nessler na saída do tubo de ensaio e verifique se ocorre mudança de cor. Escreva a equação para a reação de formação do nitrogênio a partir da decomposição térmica do nitrito de amônio. 5

Escreva a equação para a formação do nitreto de magnésio. Apresente a estrutura de Lewis do íon nitreto. Escreva a equação para a reação com água do nitreto de magnésio. 4. Pré-relatório O professor pode indicar alguns dos itens sugeridos abaixo: Apresente os principais usos dos elementos N, P, As, Sb e Bi. Quais são as principais fontes de extração desses elementos químicos? Descreva o ciclo do nitrogênio. Cite os compostos mais importantes de cada elemento e apresente alguns métodos de preparação. Em termos de aspectos econômicos da química do grupo 15, faça um balanço brasileiro e mundial, se possível, comente plantas industriais em funcionamento, planejadas e desativadas. Comente alguma curiosidade a respeito dos elementos ou compostos do grupo 15. Discuta toxicidade, descarte e reciclagem desses elementos. 5. Referências 1. SPITSYN, V. L. Practical Inorganic Chemistry, Moscow: MIR Publishers, 1987. 2. SHRIVER, D. F.; ATKINS, P. W. Química Inorgânica. 4ª Ed., Porto Alegre: Bookman, 2008. 3. MIESSLER, G. L.; TARR, D. A. Química Inorgânica, 4ª Ed., Pearson, 2011. 4. HUHEEY, J. E.; KEITER, E. A.; KEITER, R. L. Inorganic Chemistry: Principles of Structure and Reactivity, 4ª Ed., New York: Harper & Row, 1993. 6