Purificação de Compostos Inorgânicos Sólidos por Precipitação

Purificação de Compostos Inorgânicos Sólidos por Precipitação

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Introdução

Dificilmente, de forma natural, encontra-se uma substância em sua forma pura. Mesmo em laboratório, a maior parte dos compostos não possui pureza maior que 99%. Nestes casos, não há grande necessidade de se realizar a purificação do composto. Porém, quando o composto está contaminado com uma porcentagem maior de impurezas, pode-se purificá-lo através de um processo chamado gravimetria.

A gravimetria é um método analítico quantitativo, que consiste na separação e pesagem de um elemento ou composto na sua forma mais pura possível. Existem vários tipos de análises gravimétricas: a gravimetria por precipitação, na qual o composto analisado é separado de uma solução da amostra como um precipitado e é convertido a uma espécie de composição conhecida e que pode ser pesada; a gravimetria de volatilização, na qual o composto analisado é isolado dos outros constituintes da amostra pela conversão a um gás de composição química conhecida. O peso desse gás serve então como uma medida da concentração do

composto; a eletrogravimetria, na qual o composto analisado é separado pela deposição em um eletrodo por meio do uso de uma corrente elétrica, e a massa desse produto fornece então uma medida da concentração do composto; e a titulação gravimétrica, na qual a massa do reagente, com concentração conhecida, requerida para reagir completamente com o composto analisado fornece a informação necessária para determinar a sua concentração. (1)

Neste caso, o método gravimétrico estudado será a gravimetria por precipitação. Para ser analisado por este método, o composto ideal deve ser insolúvel, facilmente filtrável, com alto grau de pureza e deve ter sua composição conhecida. Como dificilmente um composto reúne todos estes requisitos, algumas técnicas podem otimizar as propriedades dos precipitados na gravimetria, como por exemplo, os resfriamento da solução, que, em geral, diminui a solubilidade do composto sólido.(2) Neste método, o analito (composto que está sendo analisado) é transformado em um precipitado pouco solúvel. Então, esse precipitado é filtrado, lavado para a remoção de impurezas, convertido a um produto de composição conhecida por meio de um tratamento térmico adequado e pesado. Este método é utilizado, por exemplo, para determinação de cálcio em águas naturais, e é recomendado pela Association of Official Analytical Chemists. Para esta análise, se adiciona ácido oxálico em excesso à solução aquosa contendo a amostra. Após, se adiciona amônia, que neutraliza o ácido e faz com que o cálcio precipite na forma de oxalato de cálcio. Em seguida, o oxalato de cálcio é filtrado, pesado e calcinado, convertendo o oxalato de cálcio a óxido de cálcio. Após o resfriamento, o óxido de cálcio é pesado e a massa de cálcio é determinada a partir da massa do óxido.

Em casos em que há a necessidade de reagir o analito para que este precipite, é importante que se utilize um reagente específico, que só reaja com o analito desejado, ou então, como estes reagentes são muito raros, que se utilize um reagente seletivo. Os reagentes seletivos reagem apenas com alguns tipos específicos de substâncias ou íons.

O tamanho dos cristais do precipitado também é importante para a análise gravimétrica: não podem ser pequenos a ponto de passar através do filtro ou de entupi-lo. Isto porque o precipitado deve ser facilmente filtrado e, além disso, cristais menores têm maiores áreas superficiais, o que facilitaria a agregação de substâncias contaminantes ao precipitado (2).

Pode-se observar, então, que a análise gravimétrica por precipitação se utiliza, quase que basicamente, de conceitos de solubilidade de compostos e de estequiometria, em termos de massas.

Para se utilizar dos conceitos de solubilidade, deve-se conhecer a polaridade dos compostos formados por reação em meio aquoso, para que estes possam precipitar naturalmente, ou então, os fatores que alteram a solubilidade de compostos solúveis, para que se possa favorecer a precipitação destes compostos.

Os compostos apolares precipitáveis geralmente são sais que possuem momento dipolar baixo ou que tendem a ser nulos. Um exemplo é o iodeto de chumbo, PbI2. Pela eletronegatividade da estrutura, sua interação em meio aquoso é dificultada devido à sua polaridade. Já os compostos solúveis em água possuem diferentes coeficientes de solubilidade a diferentes temperaturas e pressões. Sendo o composto solúvel à alta temperatura ou mesmo à temperatura ambiente, é necessário baixar a temperatura até que a solubilidade seja mínima. O mesmo vale para a pressão, pois, geralmente, a solubilidade de um composto sólido é diretamente proporcional à pressão. Na tabela a seguir, são apresentados os coeficientes de solubilidade de alguns sais, em diferentes temperaturas:

Sal

Temperatura

0ºC

10ºC

20ºC

30ºC

40ºC

50ºC

60ºC

70ºC

80ºC

90ºC

100ºC

KClO3­

2

4

8

10

13

19

23

30

37

45

58

K2Cr2O7

5

7

11

16

22

30

38

47

57

68

80

KCl

26

30

32

36

39

42

45

48

51

54

57

NaCl

34

35

36

36,5

37

37,5

38

38,5

39

39,5

40

KNO3

13

20

30

44

62

89

-

-

-

-

-

Pb(NO3)2

37

46

55

66

76

85

96

-

-

-

-

CaCl2

59

63

77

-

-

-

-

-

-

-

-

NaNO3

73

80

88

96

-

-

-

-

-

-

-

Tabela A - Coeficientes de solubilidade (em g/100ml de água) de alguns sais em diferentes temperaturas (em valores aproximados).

Pelas informações contidas na tabela, pode-se observar que alguns sais são mais solúveis que outros, e que a temperatura também influencia na solubilidade dos sais de forma diferente. Para alguns, o aumento da temperatura aumenta significativamente a solubilidade, como por exemplo, o KNO3, enquanto que para outros sais, o aumento da temperatura aumenta ligeiramente a solubilidade, como é o caso do NaCl. Para fazer com que um sal solúvel precipite, basta resfriar a solução até uma temperatura em que o coeficiente de solubilidade seja menor do que a massa do analito dissolvida previamente.

Quanto à estequiometria, é utilizada para o conhecimento do rendimento da purificação e/ou a porcentagem de pureza da substância, pela proporcionalidade da massa inicial da substância impura.

Objetivos

Aprender a utilizar métodos gravimétricos para purificar compostos e determinar seu grau de pureza, utilizando conceitos de estequiometria e solubilidade.

Procedimento Experimental

a) Materiais utilizados:

- Bico de Bunsen;

- Água destilada;

- Béquer;

- Funil de vidro;

- Vidro de relógio;

- Erlenmeyer;

- Funil de Büchner;

- Papel filtro;

- Bastão de vidro;

- Tripé;

- Cuba de Gelo;

- Gelo;

- Tela de amianto;

- Termômetro;

- Balança analítica;

- Bomba de vácuo;

- Amostra de K2Cr2O7 impuro contendo CuSO4.5H2O.

b) Procedimento:

Primeiramente, pesou-se uma amostra de 5,00g de sal de K2Cr2O7 em um béquer, supondo que a amostra de K2Cr2O7 continha 10% no máximo de impureza CuSO4.5h2O, a partir disso foram calculadas as quantidades necessárias de água para dissolve a amostra de sal impuro a temperatura de 80ºC.

Foram adicionadas 11 ml de água e mais 3 ml para compensar percas com evaporação, tampou-se o béquer contendo a solução de água e sal impuro com um vidro de relógio e o levou-se a chama do bico de Bunsen até que alcançasse a temperatura de 80ºC.

Quando o béquer contendo a solução alcançou a temperatura desejada, foi retirado da chama para que resfriasse a temperatura ambiente e foram adicionados em um béquer uma quantidade de água destilada e a mesma foi colocada na chama.

Em um funil de vidro foi colocado papel de filtro, o papel foi dobrado pregueado para que ele absorvesse com maior eficiência a solução que seria filtrada nele, foi então lavado com a água quente para que houvesse melhor fixação no funil de vidro e para manter a máxima quantidade possível da substância solubilizada.

Logo após filtrou-se a solução de água e sal impuro para que fossem retiradas as impurezas insolúveis dele. Após filtrado a solução levou-se ao fogo ate a ebulição, a retirou novamente do fogo e deixou-a resfriar a temperatura ambiente.

Com a solução a temperatura ambiente ela foi levada ao banho na cuba de gelo para ser resfriada a temperatura perto de 0ºC por que apenas o K2Cr2O7 precipita a esta temperatura.

Logo após pesou-se um novo papel de filtro e ele foi colocado no funil de Büchner para que fosse levada a bomba de vácuo, foram despejados no funil com o papel de filtro a solução de água e sal impuro para ser filtrado a vácuo, Durante a filtração, o filtrado foi lavado com água gelada, a menor quantidade para que não houvesse alteração na solubilidade e logo após o lavou com álcool etílico gelado, porque o álcool, por ser volátil, retira o calor para ajudar na cristalização e acelerar a filtração.

Após aproximadamente 5 minutos foram retirados do vácuo o filtrado e colocados por aproximadamente 10 minutos na estufa para secagem. Após esse tempo, o filtrado foi retirado e colocado por mais aproximadamente 5 minutos no dissecador, e passado esse tempo, foi levado a balança para ser pesado, obtendo-se a massa final de K2Cr2O7 purificado.

Resultados e Discussão

Para se conhecer a quantidade de água que deveria ser adicionada à amostra do composto contendo impurezas, o volume de água foi calculado a partir da tabela de solubilidade. Como dispunha-se de uma amostra de 5,000g de K2Cr2O7, sabendo-se que 10% desta massa correspondia à massa máxima de impurezas contidas, os cálculos foram efetuados considerando-se a temperatura de 80ºC como referência (tendo como base a tabela disponibilizada pelo professor), pois foi a temperatura à qual o sistema seria aquecido.

  • Cálculo da massa aproximada de dicromato de potássio puro presente na amostra:

5,000g ------------ 100%

x --------------------- 10%

100 x = 5,000 . 10

100 x = 50,00

x = 50,00 / 100

x = 0,5g

Se 0,5g corresponde à massa de impurezas, a massa aproximada de dicromato de potássio puro contida na amostra é de 4,5g.

  • Cálculo do volume de água necessário para dissolver 4,5g de dicromato de potássio a 80ºC:

100 ml de água --------------- 41,1g

x ---------------------------------- 4,5g

41,1 x = 100 . 4,5

41,1 x = 450

x = 450 / 41,1

x = 10,95 ml

Por questões de algarismos significativos, o valor considerado foi arredondado para 11 ml (além dos 3 ml que deveriam ser adicionados conforme instrução do roteiro).

Após o aquecimento do sistema e total dissolução da amostra, e também da filtragem simples, houve a cristalização do K2Cr2O7, através do banho de gelo, pois assim que a solução entrou em equilíbrio térmico com o gelo, a 0ºC, o dicromato de potássio tende a precipitar, pois sua solubilidade à esta temperatura é de 4,4g/100ml de água, uma massa menor do que a massa dissolvida. ortanto, à esta temperatura, a massa de dicromato que ainda continua dissolvida é:

100 ml ------------------- 4,4g

14 ml --------------------- x

100 x = 14 . 4,4

100 x = 61,6

x = 61,6 / 100

x = 0,616g

o que é pouco comparado à massa total dissolvida e, portanto, a maior parte do dicromato precipitaao ser resfriada.

Além disso, ocorre apenas a precipitação do dicromato porque a solubilidade do sulfato de cobre a 0ºC é de 12,9g/100ml de água. Assim, todo o CuSO4.5H2O permanece dissolvido enquanto o K2Cr2O7 cristaliza.

Após todo o procedimento do experimento - dissolução da amostra, filtragem simples, cristalização do dicromato de potássio, filtragem a vácuo e secagem - a massa final de K2Cr2O7 obtida foi de 0,002g, com um rendimento de:

5g ------------- 100%

0,002g ---------- x

5 x = 100 . 0,002

5 x = 0,2

x = 0,2 / 5

x = 0,04%

O rendimento obtido foi excessivamente baixo, tendo vários fatores que podem ter sido a causa. Entre estes fatores, estão:

  • As perdas de amostra durante todo o procedimento: houve perdas no bastão de vidro, no termômetro, no vidro de relógio, no béquer onde a amostra foi dissolvida, no filtro e no erlenmeyer.

  • O fato de que a temperatura do interior da solução durante o banho de gelo não foi mais baixa do que 2ºC.

  • O fato de que o álcool etílico utilizado durante a filtração a vácuo não estava necessariamente gelado, estando em uma temperatura aproximada de 10ºC (não verificada experimentalmente). Isto pode ter afetado a solubilidade do dicromato de potássio, que a 10ºC, possui solubilidade de 7g/100ml de água, perdendo-se, assim, pequena quantidade de dicromato por dissolução.

  • O erro no escoamento do precipitado, escoando uma quantidade muito grande e fazendo com que a água espalhasse o dicromato sobre o papel de filtro e o empurrando para fora do papel, fazendo com que grande parte entrasse sob o papel e fosse perdida, passando pelo filtro. Esta causa é a que pode-se considerar mais plausível entre estes fatores.

Conclusões

Através desta prática pudemos concluir que o coeficiente de solubilidade pode nos ajudar a separar substâncias sólidas umas das outras se estas tiverem um coeficiente de solubilidade diferente podendo uma ser solubilizada e outra cristalizada e logo separá-las pelo método de separação de misturas a filtração a vácuo que é mais eficaz.

Referências

Gravimetria. Disponível em http://www.dracena.unesp.br/graduacao/arquivos/quimica_geral/Gravimetria.pdf, acesso em 10/03/10.

1 SKOOG; Fundamentos de Química Analítica.

2 HARRIS, Daniel C. Análise Química Quantitativa. Tradução de Jairo Bordinhão. Rio de Janeiro: LTC, 2008.

BROWN, T. L; LEMAY, H. E.; BURSTEN, B. E. Química: a ciência central. Tradução de Robson Matos. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005.

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