Elementos Do Bloco p. Grupo 14

UNIVERSIDADE ESTADUAL DO SUDOESTE DA BAHIA CAMPUS DE JEQUIÉ DEPARTAMENTO DE QUÍMICA E EXATAS  – DQE QUIMICA INORGÂNICA EXPERIMENTAL I DOCENTE: Renê Alexandre

Péricles Ferreira Oliveira 

 Jequié, BA  Julho de 2011

SUMÁRIO

1.0 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 3 2.0 OBJETIVOS.......................................................................................................................... 5 3.0 MATERIAL UTILIZADO ...................................................................................................... 5 4.0 SOLUÇÕES E REAGENTES ............................................................................................ 5 5.0 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ................................................................................ 6 6.0 RESULTADOS E DISCUSSÃO ......................................................................................... 7 7.0 CONCLUSÃO ..................................................................................................................... 10 8.0 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA..................................................................................... 10

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1.0 INTRODUÇÃO Os elementos pertencentes ao grupo 14 apresentam caráter metálico menor que os elementos do grupo 13. O carbono é o elemento que apresenta maior Carter não metálico. Os elementos da família do carbono apresentam configuração eletrônica da camada de valência igual a ns2np2 e todos formam cátions com números de oxidação iguais a +2 e +4. O carbono é o elemento que possui maior destaque, entre todos deste grupo, uma vez que, existe até uma parte da Química para estudo dos compostos de carbono, a Química Orgânica. Isso é devido a grande quantidade compostos orgânicos, que são milhares. O carbono ocorre livre na natureza, em suas conhecidas formas alotrópicas: diamante, grafite, carvão e fulerenos. O diamante é bastante conhecido e utilizado desde muito tempo, sendo citado no velho testamento. O grafite é também muito conhecido e usado desde a antiguidade, com a finalidade de escrever e marcar outras superfícies. O conhecimento referente aos compostos de carbono é datado desde a antiguidade, no entanto, este elemento só foi reconhecido como tal, no século XVIII. A partir daí, várias aplicações surgiram e foram definidas para os compostos de carbono, tais como a importância do CO2 para a fotossíntese e o petróleo para o desenvolvimento industrial no século XX. O silício é um outro elemento deste grupo que apresenta grande importância, pois é um elemento altamente abundante. Ele se encontra distribuído pela crosta terrestre em formas diversas de muitos silicatos, sendo um dos principais compostos de silício, a sílica, SiO2  – óxido de silício. Compostos de silício são usados desde a fabricação de vidros, polímeros de silicone e até materiais semicondutores eletrônicos, utilizados em dispositivos de informática. Os outros elementos deste grupo: germânio, estanho e chumbo são também bastante conhecidos e utilizados, principalmente, o estanho e o chumbo que são usados e trabalhados desde muito tempo, seja na fabricação de ligas metálicas importantes como o bronze (Cu + Sn) ou nos seus usos separadamente.

CARBONO  O carbono não é um elemento muito abundante na crosta terrestre, constitui apenas 0,027% do seu total. Encontra-se, em sua maioria, na forma de compostos, apesar de parte também se apresentar na forma elementar, como grafite ou diamante. O elemento tem uma enorme importância para a manutenção da vida, tanto animal quanto vegetal, já que ele é o seu principal fornecedor de energia. Em sua forma elementar, o carbono, apresenta-se em três formas cristalinas: diamante, grafite e fulerenos. O diamante é um sólido duro e transparente no qual os átomos de carbono formam uma rede cristalina. Por ser um mineral muito raro, possui um valor comercial muito elevado. É utilizado na indústria mecânica, na fabricação de brocas de perfuração e na fabricação de jóias. Ainda não foram descobertos materiais tão resistentes quanto o diamante. Sua densidade é de 3,51g/cm³. A grafite é um sólido macio, preto e escorregadio que tem brilho metálico e conduz eletricidade. Para sua formação, o carbono dispõe-se sob a forma de folhas paralelas, mantidos pelas forças de London. É usada na fabricação dos eletrodos dos fornos de arco ou de certas células eletrolíticas, pode também ser usada como moderadora de nêutrons nucleares. Sua densidade é de 2,25 g/cm³. A grafite converte-se em diamante se submetida a pressões e temperaturas muito elevadas (da ordem de 100 mil atm e 3000º C). 3

SILÍCIO  No grupo IVA o silício é classificado como um metalóide. (O nome é derivado do latim e significa "sílex"; sílex é dióxido de silício impuro.) O silício só perde, em abundância, para o oxigênio. A grande maioria das rochas, solos, areias e terras são compostas de silício, ou das várias formas de sílica  pura ou impura, SiO2 (quartzo, sílex, tridimita, ágata, opala etc.), ou de silicatos, tais como feldspatos, micas, talcos e muitos outros. O silício livre é obtido da redução a alta temperatura do SiO2 pelo magnésio ou carbono. O silício puro, tetracloreto de silício, SiCl4 é reduzido pelo magnésio. O elemento se cristaliza no mesmo retículo do diamante, formando um sólido muito duro, de alto ponto de fusão e aparência metálica. (O silício análogo à grafita não foi preparado.) Apesar de seu brilho metálico, ele é um mau condutor de eletricidade à temperatura ambiente, embora seja um semicondutor, uma propriedade que justifica seu uso especialmente quando dopado, no estado sólido, em muitos dispositivos eletrônicos tais como transistores, circuitos integrados etc. A química do silício é essencialmente aquela do estado +4, no qual quatro elétrons de seu orbital de valência (3s 23p 2) são elementos mais eletronegativos. Embora forme compostos binários com o hidrogênio (os silanos:  SiH4, Si2H6, etc.) e com os halogênios, como o tetracloreto de silício, SiCl4, esses compostos tendem a se converter a dióxido de silício, SiO2, na presença de ar. A química do silício é sem dúvida a química de seus oxocompostos, dióxido de silício e silicato. Ao contrário do carbono, o silício não forma dupla ligação com o oxigênio; em vez disso, muitos compostos de silício e oxigênio apresentam hibridização sp 3 dos elétrons de valência do Si, com ligação tetraédrica dos quatro átomos de oxigênio que rodeiam cada átomo de silício. A mais simples de tais estruturas é a do íon ortossilicato, SiO44 – . GERMÂNIO  Abaixo do silício no grupo IVA, na tabela periódica, está o germânio, nome originado da Germânia. É um sólido quebradiço, cinza esbranquiçado e, como o silício, se cristaliza no retículo do diamante. Também como o silício, é um semicondutor e é usado na fabricação de dispositivos eletrônicos como transistores, circuitos integrados etc. Aparelhos de germânio semicondutores são mais sujeitos a falhas a altas temperaturas do que os correspondentes de silício, por isso seu emprego foi de alguma forma limitado. A química do germânio é muito semelhante à do silício. Entretanto, como SiO2, GeO2 pode cristalizar em uma forma na qual seis átomos de oxigênio circundam cada átomo de germânio, como conseqüência do tamanho do raio atômico do Ge. O germânio também forma uma série de germanatos  como oxoânions discretos e extensos.

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2.0 OBJETIVOS Verificar propriedades de alguns elementos do grupo e verificar propriedades de compostos de alguns elementos do grupo 14. 3.0 MATERIAL UTILIZADO 2.1. Coluna de vidro 2.2. Tubo em forma de U 2.3. Bico de bunsen 2.4. Tubos de ensaio 2.5. Conta-gotas. 4.0 SOLUÇÕES E REAGENTES 3.1. Carvão ativado. 3.2. Solução de permanganato de potássio 0,01 mol/litro. 3.3. Chumbo metálico. 3.4. Estanho metálico. 3.5. Solução de ácido clorídrico a 10% (m/v). 3.6. Solução de ácido nítrico a 10% (m/v). 3.7. Solução de fenolftaleína a 0,1 % (m/v). 3.8. Bicarbonato de sódio. 3.9. Carbonato de sódio. 3.10. Solução de ácido clorídrico 6,0 mol/litro. 3.11. Carbonato de potássio. 3.12. Carbonato de magnésio. 3.13. Água de cal (ou de barita). 3.14. Solução de ácido clorídrico 1,0 mol/litro. 3.15. Solução de silicato de sódio 25% (m/v). 3.16. Sulfato de cobre. 3.17. Hidróxido de amônio. 3.18. Sílica-gel triturada. 3.19. Solução de hidróxido de sódio 25% (m/v). 3.20. Cloreto de estanho. 3.21. Nitrato de chumbo (II). 3.22. Nitrato de estanho (II). 3.23. Cromato de potássio.

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5.0 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

5.1. Propriedades do carvão. 5.1.1. Foi passado por uma coluna de absorção previamente empacotada com carvão ativado, uma solução de permanganato de potássio 0,01 mol/litro e observou-se.

5.2. Comportamento do chumbo e do estanho em meio ácido. 5.2.1. Em um tubo de ensaio, foram colocados pedaços de chumbo metálico e adicionou-se a solução de ácido clorídrico a 10% (m/v). Depois esse procedimento foi repetido usando a solução de ácido nítrico a 10% (m/v). 5.2.2. O procedimento 4.2.1 foi repetido usando aparas de estanho.

5.3. Dissolução de gás carbônico em água. 5.3.1. Em um tubo de ensaio, contendo solução diluída de hidróxido de sódio, foi adicionado gotas de fenolftaleína a 0,1 % (m/v) e deixou-se passar lentamente, uma corrente de gás carbônico e observou-se. Transferiu-se a metade da solução para outro tubo de ensaio, que foi aquecido cuidadosamente por um tempo de aproximadamente 10 minutos.

5.4. Decomposição de sais do ácido carbônico. 5.4.1. Em três tubos de ensaio distintos, foram colocados em cada um, 0,50 gramas de sais de bicarbonato de potássio, carbonato de potássio e carbonato de sódio respectivamente. Logo em seguida, os tubos foram tampados com uma rolha atravessada com um tubo dobrado em forma de U, que teve a outra extremidade submersa em água de cal, contida num béquer. Todos os tubos contendo os sais foram aquecidos num bico de Bunsen. 5.4.2. Em tubos de ensaio distintos foram colocados 0,50 gramas dos carbonatos relacionados no item anterior e foi adicionado a cada um deles, 5,00 mL de ácido clorídrico 1,0 mol/litro e observou-se.

5.5. Obtenção de do gel do ácido silícico. 5.5.1. Em um béquer foram colocados 4,00 mL de silicato de sódio a 25 % (m/v) e um volume igual de ácido clorídrico concentrado e observou-se o que se formou após vinte minutos.

5.6. Propriedades adsorventes da sílica-gel. 5.6.1. Em um béquer foi dissolvido uma pequena quantidade de sulfato de cobre em água e adicionado gota a gota, uma solução de hidróxido de amônio até que a mistura se tornou azul escura. Adicionou-se cerca de 2,0 g de sílica-gel, que foi agitada durante cinco minutos. Após ser observada, a solução já decantada, teve o líquido sobrenadante descartado e a sílica-gel foi lavada quatro vezes com água. Após esse procedimento, foi adicionado 2,00 mL de solução de ácido clorídrico 6,0 mols/litro.

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5.7. Caráter anfótero dos hidróxidos de estanho e chumbo. 5.7.1. Obteve-se, a partir de soluções salinas contendo íons de Sn+2 e Pb+2, precipitados dos seus hidróxidos e investigou-se o caráter anfótero . Como fonte de OH-, usou-se a solução de hidróxido de sódio a 30% (m/v). Como fonte de hidrogênio foi usado uma solução de ácido clorídrico 6,0 mols/litro.

5.8. Compostos insolúveis de Pb +2  . 5.8.1. Em dois tubos de ensaio distintos, colocou-se uma pequena quantidade de um sal de chumbo e dissolvida em água. No primeiro, foi adicionado a solução de cromato de potássio, e ao segundo a solução de carbonato de sódio e observou-se os resultados. 6.0 RESULTADOS E DISCUSSÃO

5.1. Propriedades do carvão. No item 5.1.1. Observou-se que a solução de permanganato de potássio entrava lilás na coluna de absorção e saia incolor. O carvão ativado possui uma estrutura de poros bem desenvolvida e sua alta capacidade de adsorção está associada principalmente com a distribuição do tamanho dos poros, área superficial e volume de poros. Sendo assim, o carvão retém o permanganato da solução e deixa passar a água restante da solução. Quando as moléculas de permanganato presentes na fase fluída atingem a superfície do adsorvente, a força residual, resultante do desequilíbrio das forças de Van der Walls que agem na superfície da fase sólida, criam um campo de forças que atrai e aprisiona a molécula. 5.2. Comportamento do chumbo e do estanho em meio ácido. 5.2.1. Ocorreu reação rápida, com liberação de gás, a reação segue: Pb + 2HCl PbCL 2 + H 2 O resultado da reação é cloreto de chumbo e hidrogênio gás. Com o ácido nítrico, chumbo reage lentamente, é quase que impossível perceber a reação, mas isso não indica que não haja. A reação é : Pb (s) + 2HNO 3 (aq) -----> PbO (s) + H 2 O (l) + 2NO 2 (g) O chumbo é oxidado 0-2 e dois mols de N são reduzidos 5-4. Esta é uma reação redox. HNO 3, em seguida, reage com PbO e formar Pb (NO 3) 2: PbO (s) + 2HNO 3 (aq) -----> Pb (NO 3) 2 (aq) + H 2 O (l). 5.2.2. Não foi possível observar nenhuma reação, mas ocorre a seguinte reação: 4HCl + Sn SnCl4+2H2. . Com ácido nítrico, o estanho reagiu da mesma forma, porém o resultado da reação é; nitróxido de estanho e hidrogênio.

5.3. Dissolução de gás carbônico em água. A solução ficou rosa ao adicionar fenolftaleína e quando foi inserido gás carbônico, a solução ficou incolor e quando aquecido, ficou rosa novamente.nessa reação, só reagem os íons OH- do hidróxido de sódio. 7

Segue a reação: CO32 (aq) + H2O(l)

CO2(g) + 2OH (aq)  –

 –

5.4. Decomposição de sais do ácido carbônico  5.4.1. Nesse procedimento a água de cal é usada como fonte de CO2. Com o bicarbonato de potássio, houve liberação de gás. Água de cal é a solução de Ca(OH)2 em água. Ao passarmos uma corrente de CO2 por esta solução, ocorre a formação do precipitado branco CaCO3, que pode ser dissolvido com a adição de um ácido inorgânico. Reação: Ca(OH)2 + CO2 CaCO3(ppt) + H2O O borbulhamento do ar implica a introdução de gás carbônico nas soluções de água de cal (soluções de hidróxido de cálcio), formando o íon carbonato, de acordo com o seguinte equilíbrio químico (Butler, 1982): CO3 2

CO2(g) + 2OH (aq)  –

 –

(aq) +

H2O(l) (1)

Na presença de íons Ca2+, o íon carbonato leva à formação de um precipitado de carbonato de cálcio, de acordo com o seguinte equilíbrio químico: Ca2+(aq) + CO3 2 (aq)  –

CaCO3(s) (2)

Continuando o borbulhamento do gás carbônico, ocorre a dissolução desse precipitado, devido à formação do íon bicarbonato: 5.4.2. A reação de bicarbonato de potássio e HCl é endotérmica e libera gás, bicarbonato de potássio ocorre como um cristal ou um pó branco macio granular. É produzido pela reação de carbonato de potássio com dióxido de carbono e água : K 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O → 2 K H C O 3 Carbonato de potássio reage com HCl para produzir dióxido de água, cloreto, potássio e carbono. A equação balanceada é a seguinte: K2CO3 + 2HCl

2KCl + H2O + CO2

O ácido carbônico é um ácido fraco, dibásico, de fórmula H2CO3, não isolável, que se forma em pequena quantidade quando se dissolve dióxido de carbono em água. Este ácido, na sua forma pura não pode ser isolado, apesar de poder ser produzido em soluções de éster a -30 ºC. Este ácido decompõe-se a temperaturas de 20-25 ºC, libertando dióxido de carbono. Por este motivo, os seus sais são decompostos por muitos ácidos. O HCl e ácido carbônico forma, o que não é estável e se decompõe de modo a formar CO 2 A reação geral é: Na 2 CO 3 + 2HCl 2Na Cl + H 2 O + CO 2 (Que é essencialmente a mesma reação que com bicarbonato de sódio, que é NaHCO3) A reação ocorre em duas etapas. Na primeira fase, carbonato de sódio é convertido em carbonato de sódio como mostra a reação: 8

Na 2 CO 3 + HCl

NaHCO 3 + NaCl

Na segunda etapa, o gás, o dióxido de carbono é liberado. NaHCO 3 + HCl ---> NaCl + H 2 0 + CO 2 A equação iônica líquida é CO3 [2 -] + 2H [+] -> H2O + CO2

5.5. Obtenção de do gel do ácido silícico. 5.5.1. Quando é adicionado HCl ao silicato de sódio, ao fim de vinte minutos foi possível observar a formação de um precipitado incolor, que obviamente é a sílica-gel. Gel de sílica é um granular, vítreo, altamente porosa forma de sílica feito sinteticamente a partir de silicato de sódio. Apesar do nome, sílica gel é um sólido. É um mineral natural que é purificado e transformado em forma quer granular ou frisados. Como um dessecante, ele tem um tamanho médio de poro de 2,4 nanômetros e tem uma forte afinidade por moléculas de água. Gel de sílica é mais comumente encontrada na vida cotidiana como contas, embalado em um plástico permeável ao vapor. Nesta forma, ele é usado como um dessecante para controle local de umidade, a fim de evitar a deterioração ou degradação de alguns bens

5.6. Propriedades adsorventes da sílica-gel. A reação decorrente da adição do hidróxido de amônio ao sulfato de cobre é;

O caráter dessecante é devido à sua grande área superficial em relação à sua massa (700m2.g-1) e é utilizado em catálise por causa da presença de poros que fazem com que haja uma quebra nas ligações das moléculas quando estas tentam transpor a sílica. O sulfato de cobre em solução já se apresenta com uma pequena taxa de hidrólise, ao adicionarmos excesso de amoníaco favorecemos ainda mais esta reação formando o complexo tetramincobre II, totalmente solúvel em água.

5.7. Caráter anfótero dos hidróxidos de estanho e chumbo. A adição de uma quantidade limitada de uma base forte ao íon estanoso precipita o hidróxido de estanho (II): Sn2+(aq ) + 2OH (aq )  –

Sn(OH)3

 –

(s )

Esse é anfótero e se dissolve no excesso de base formando íon estanito:  Sn(OH)2(s ) + OH (aq )  –

Sn(OH)3

 –

(aq )

Em soluções básicas, Sn (II) é um agente redutor ainda melhor que em solução ácida. Assim, o íon estanito é facilmente oxidado a íon estanato, Sn(OH)62 –. o estanho dissolve-se lentamente em ácidos diluídos: Sn(s ) + 2H+(aq )

Sn2+(aq ) + H2(g ) 9

O hidróxido de chumbo (II) é precipitado da solução de Pb2+ pela adição de base: Pb2+(aq) + 2OH (aq)  –

Pb(OH)2(s)

O hidróxido de chumbo é anfótero, dissolve-se num excesso de base e converte-se em íon plumbito:  Pb(OH)2(s ) + OH (aq ) Pb(OH)3 (aq )  –

 –

Plumbito

5.8. Compostos insolúveis de Pb +2  . No tubo 1º de ensaio contendo o sal de chumbo e cromato de potássio observou-se a formação de um precipitado amarelo. Precipitado amarelo de PbCrO4, insolúvel em ácido acético, solúvel com dificuldade em HNO3 diluído e facilmente solúvel em NaOH formando plumbito: Pb2+ + CrO42-

PbCrO4

Os dois produtos da reação são cromato de chumbo (precipitado) e nitrato de potássio em solução. No tubo 2º tudo, que continha carbonato de cálcio e nitrato de chumbo, houve formação de um precipitado branco. O precipitado é o carbonato de chumbo (PbCO3) e a solução é nitrato de sódio (NaNO3), como mostra a reação seguinte: Pb2+ + CO3

PbCO3 .

7.0 CONCLUSÃO A partir desse experimento pode-se concluir que os objetivos foram alcançados, pois foi possível observar algumas propriedades de alguns compostos do grupo 14, evidenciados por meio de reações químicas realizadas em laboratório. 8.0 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA 1. Medeiros, M. A.; Texto retirado na íntegra do software QuipTabela 4.01; 2004. 2. RUSSELL, John B.química geral. Tradução de Márcia Guekezian. 2. ed São Paulo: Makron Books, 1994. 2 v; pág. 494 a 498.

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