Amoníaco e compostos de amónio em materiais de uso comum e Síntese do sulfato de Tetraminocobre (II) Mono-Hidratado

Objetivos

Na primeira experiência tínhamos como objetivos:

Saber o que têm em comum alguns produtos de limpeza e adubos que usamos frequentemente no nosso dia-a-dia;

Usando testes químicos específicos, concluir que materiais do uso diário, como adubos e produtos de limpeza, têm na sua constituição compostos de amónio;

Detetar a presença de iões amónio (NH+4) e de amoníaco (NH3) em adubos e detergentes.

Na síntese do sulfato de tetraminocobre (II) mono-hidratado tínhamos como principais objetivos os seguintes:

Perceber porque é que o sal de sulfato de cobre (II) penta hidratado é reduzido a pó;

Compreender qual a importância da utilização do álcool na reação, bem como do uso da decantação e secagem a fim de obtermos os cristais;

Sintetizar os cristais de sulfato de tetraminocobre (II) mono hidratado;

Traduzir uma reação química para uma equação química e identificar o reagente limitante dessa reação;

Efectuar cálculos estequiométricos.

Calcular o rendimento de uma reação química;

Introdução

No âmbito da disciplina de Física e Química A, foi-nos proposto, pelo professor da mesma, a realização de um relatório após efetuarmos duas atividades laboratoriais. Estas atividades consistiam em detetar a presença de amoníaco e compostos de amónio em detergentes e adubos usando testes químicos específicos dos quais vamos falar mais à frente, e obter cristais de sulfato de tetraminocobre (II) mono-hidratado e calcular o rendimento desta reação. A fim de sintetizarmos as ideias que foram tratadas nas experiências vamos realizar este relatório no qual vamos descrever toda a atividade laboratorial, referir os resultados obtidos e calculados bem como as conclusões que podemos tirar.

Em primeiro lugar vamos centrar-nos na atividade laboratorial cujo objetivo é a identificação de iões amónio e amoníaco nos produtos de limpeza e adubos.

À primeira vista os adubos e detergentes não têm muito em comum. A utilização dos adubos permite um aumento importante no rendimento das culturas, os mais utilizados são aqueles que contêm azoto, fósforo e potássio. Como já estudamos nas aulas anteriores, antes da produção industrial de adubos, eram usados o guano (restos e dejetos de aves marinhas) e o nitrato do Chile, mas estes recursos eram limitados e ao fim de algum tempo começaram a escassear. A produção industrial do amoníaco (NH3) veio evitar uma crise alimentar pois permitiu a síntese de adubos que fertilizaram os solos permitindo a produção de alimentos.

Atualmente, podemos considerar a existência de três tipos de adubos: os simples, os compostos e os orgânicos. Os últimos correspondem àqueles que se obtêm a partir de matéria de origem animal e vegetal. Os mais conhecidos são a ureia, o estrume e os adubos verdes.

Relativamente aos adubos simples podemos fazer a distinção entre os adubos azotados (constituídos por azoto), os fosfatados (que contêm fósforo) e os potássicos (aqueles que têm potássio). Centrando-nos nos adubos azotados, podemos afirmar que estes podem apresentar-se sob diferentes formas: forma nítrica, amoniacal e orgânica. Os adubos complexos são aqueles que contêm, pelo menos, dois dos três principais elementos fertilizantes, podendo mesmo conter os três em simultâneo.

Os detergentes são substâncias usadas na limpeza de superfícies sujas. As sujidades podem ter origem orgânica (nódoas de gordura e fruta) ou mineral (pó, terra, ferrugem). Para limpar, as moléculas dos detergentes têm que ter a capacidade de se ligarem às moléculas ou iões que constituem as sujidades e, ao mesmo tempo, às moléculas de água para que seja possível a dispersão da sujidade.

O amoníaco e os compostos de amónio são, na maior parte dos casos, constituintes dos detergentes, uma vez que, o amoníaco reage com as gorduras originando substâncias que são solúveis em água podendo ser, posteriormente, removidas.

Para detetarmos a presença de amoníaco e compostos de amónio realizamos quatro testes propostos no caderno de atividades laboratoriais. O teste A – Pesquisa de amoníaco com o ácido clorídrico - tem como objetivo a produção de cloreto de amónio (sólido) a partir de amoníaco e cloreto de hidrogénio, em fase gasosa. Para tal, colocamos a amostra a analisar num tubo de ensaio e seguidamente adicionamos a esta solução umas gotas de uma base forte – hidróxido de sódio (NaOH). Se a amostra contivesse iões amónio (NH4+), estes reagiriam com o ião hidróxido (OH-) proveniente da base e verificar-se-ia a reação traduzida pela seguinte equação:

NH₄⁺ (aq) + OH^- (aq)   →    NH₃ (aq) + H₂O (l)

Em seguida, colocamos uma vareta de vidro, que foi previamente mergulhada em ácido clorídrico, junto da boca do tubo de ensaio que continha a amostra que pretendíamos analisar. O amoníaco obtido através da reação que apresentamos anteriormente, ao reagir com o ácido clorídrico originou fumos brancos de cloreto de amónio de acordo com a equação química que se segue:

NH₃ (g) + HCl (g)   →    NH₄Cl (s)

Em seguida, realizamos o teste B – Pesquisa de amoníaco com o indicador papel de litmus vermelho. Este teste tem como objetivo comprovar o carácter  de uma solução que contém amoníaco ou o ião amónio. Podemos comprovar isto se o papel de litmus vermelho, previamente humedecido, mudar a sua cor para azul quando deteta a presença de amoníaco gasoso. Este teste tem duas etapas. Na primeira, aquecemos ligeiramente a amostra (que foi colocada num tubo de ensaio), através de uma lamparina. Se a amostra for constituída por amoníaco, este passa ao estado gasoso de acordo com a seguinte equação:

NH₃ (aq)   ↔    NH₃ (g)

A variação de entalpia deste reação é maior que zero (∆H > 0), podemos concluir assim que a reação, a nível energético, é endotérmica.

Na segunda etapa deste teste comprovamos o carácter alcalino da solução através de um indicador, devido à formação de iões amónio e de iões hidróxido. A reação verificada é traduzida pela equação:

NH₃ (g) + H₂O (l)  →   NH₄⁺ (aq) + OH^- (aq)

O teste C – Pesquisa de amoníaco com o reagente de Nessler – tem como objetivo a identificação de amoníaco utilizando uma solução alcalina de tetraiodomercurato (II) de potássio, o reagente de Nessler. Colocamos 1 cm3 da solução da amostra num tubo de ensaio e posteriormente adicionamos três gotas do reagente de Nessler. No caso de a amostra conter amoníaco ou iões amónio formar-se-ia um precipitado amarelo-acastanhado, a cor do precipitado será tanto mais intensa quanto maior for a concentração de substâncias a analisar. Na formação do precipitado verifica-se a seguinte reação:

NH₃ (aq) + 2[HgI₄]^4- (aq) + 3HO^- (aq) →  Hg₂ONH₂I (s)+ 7I^- (aq) + 2H₂O (l)

Este teste podia ser feito de duas formas, através do ensaio direto e indireto. O primeiro é feito adicionando-se três gotas do reagente à solução da amostra, como nós fizemos. O ensaio indireto consistia em aproximar da boca do tubo de ensaio um pedaço de papel de filtro humedecido com umas gotas de reagente.

O teste D – Pesquisa de amoníaco com uma solução diluída de sulfato de cobre II – deve ser realizado em solução aquosa e permite identificar a presença de amoníaco numa amostra  quando a adicionamos, gota a gota, a uma solução diluída de sulfato de cobre II. Quando se começa a adicionar a amostra à solução de sulfato de cobre aparece uma mistura que contém um precipitado azul claro de hidróxido de cobre. Ocorre a seguinte reação:

Cu²⁺ (aq) + 2OH^- (aq)  →    Cu (OH)₂ (s)

Ao continuarmos a adicionar a amostra à solução, esta adquire  uma cor azul intensa uma vez que se forma o ião tetraminocobre II. Verifica-se a reação seguinte:

Cu (OH)₂ (s) + 4NH₃ (aq)  →   [Cu (NH₃)₄]²⁺ (aq) + 2OH^- (aq)

Todos os reagentes que utilizamos estavam no estado líquido, mas devemos ter em conta que sempre que se pretendem analisar amostras que se encontrem no estado sólido estas devem ser previamente dissolvidas em água.

A segunda atividade laboratorial tinha como objetivo a síntese do sulfato de tetraminocobre (II) mono-hidratado.

Como sabemos, os materiais que usamos no nosso dia-a-dia obtêm-se através de sucessivas transformações, a estas transformações damos o nome de reações químicas. Estas consistem na alteração das propriedades físicas e químicas das substâncias que vão interagir, ou seja, dos reagentes originando novas substâncias às quais damos o nome de produtos de reação.

Nas aulas, estudamos que os produtos de reação podem ser obtidos por duas formas. Através de reações de síntese ou reações de análise. Nas primeiras, há união de dois ou mais reagentes para se formar um produto de reação. Nas últimas a partir de um reagente formam-se dois ou mais produtos.

O sulfato de tetraminocobre (II) mono-hidratado, substância que pretendemos obter nesta experiência, é produzido através de uma reação de síntese. Este tipo de reações podem ser totais ou parciais. As totais ocorrem quando os reagentes são substâncias elementares, enquanto que as parciais são quando os reagentes são substâncias elementares e compostas ou simplesmente compostas, como é o caso da síntese do sulfato tetraminocobre (II) mono-hidratado, traduzido pela seguinte equação:

CuSO₄.5H₂O (aq) + 4NH₃ (aq)  →   [Cu(NH₃)₄]SO₄.H₂O (aq) + 4H₂O (l)

Quando o produto de reação é obtido artificialmente pelo ser humano tem o nome de produto sintético. Normalmente os produtos sintéticos não se obtêm a partir de uma só reação mas sim de uma sequência de reações químicas mais ou menos complexas. Na maior parte dos casos, este tipo de produtos não é puro e para aumentar a sua pureza devemos proceder a diversas operações. Quando é sólido, como é o caso do sulfato que pretendemos obter,  essas operações podem ser lavagens, secagens, cristalizações e dissoluções.

A cristalização é um processo normalmente utilizado para a purificação de substâncias sólidas e a separação de compostos que, praticamente, só se podem dissolver a quente. Este processo envolve fases como a preparação da solução, o arrefecimento, a filtração a vácuo, a lavagem dos cristais e por fim a secagem. Na cristalização, os cristais são formados porque a substância se alia a algumas moléculas de água. É por esta razão que depois da cristalização a substância se encontra purificada em quase toda a totalidade.

O sal de sulfato de tetraminocobre (II) mono-hidratado é um sal complexo uma vez que é constituído por iões complexos. Estes iões são formados por um catião metálico central, que por sua vez se encontra ligado a outras moléculas ou iões aos quais damos o nome de ligandos. Um sal complexo é assim uma espécie química eletricamente neutra, constituída por um ou mais iões complexos e outros iões de carga elétrica oposta. Este tipo de sais são caracterizados pelas cores vivas que apresentam e desempenham um papel fundamental na vida dos seres vivos.

Como podemos ver através da equação química referida anteriormente, os reagentes desta reação são o sulfato de cobre (II) penta-hidratado (CuSO4.5H2O) e o amoníaco (NH3). O amoníaco é um gás incolor, irritante, inflamável, tóxico e com um odor penetrante e o sulfato de cobre (II) é um sólido azul nocivo e irritante. A solução aquosa de amoníaco é uma base e como tal constitui uma ameaça ecológica. Se uma pessoa estiver exposta durante um período prolongado a este reagente pode sofrer problemas respiratórios graves como cancro pulmonar.

Para a realização desta atividade foi importante relacionarmos a matéria que abordamos em aulas anteriores pois alguns dos conceitos necessários para realizarmos os cálculos já conhecemos. Alguns destes conceitos são por exemplo a estequiometria, a quantidade química (n), o rendimento e a identificação do reagente limitante.

A estequiometria de uma reação química é o estudo quantitativo das relações entre quantidades de reagentes e produtos e baseia-se em dois princípios fundamentais: a Lei de Lavoisier (também designada por Lei da conservação da massa) onde num sistema fechado, durante uma reação química, a massa total dos reagentes é igual à massa total dos produtos da reacção, e a Lei de Proust (ou Lei das Proporções definidas) que afirma que num dado sistema reacional, as proporções em que os reagentes reagem entre si e as proporções em que se formam os produtos são fixas.

O rendimento é a comparação entre a quantidade de produto obtida experimentalmente e a quantidade obtida que, teoricamente, se obteria. Porém, o valor de rendimento não pode nunca exceder os 100%, pois a quantidade de produto que deveríamos obter é sempre superior ou igual àquela que obtivemos experimentalmente. O valor de rendimento é calculado de acordo com a seguinte expressão:

n = quantidade produto obtido / quantidade prevista pela equação x 100%

Por diversas razões como a paragem da reação, reações secundárias, perda de produto no decorrer do processo, estabelecimento do equilíbrio químico, evaporação, erros sistemáticos ou acidentais como os defeitos dos aparelhos de medição ou a falta de cuidado do operador podemos concluir que o rendimento de uma reação química nunca irá ser 100%, embora se possa aproximar deste valor no caso das reacções completas.

A quantidade química é um valor que permite calcular a quantidade de matéria presente na reação. Esse valor é medido em unidades de mole (mol). E pode ser calculada usando a expressão que se segue:

n = m/M

Nas reações químicas muitas vezes os reagentes não estão presentes nas quantidades e proporções molares previstas na equação química. Nestes casos, só um dos reagentes vai ser consumido totalmente. Esse reagente é aquele que existe em menor quantidade e tem o nome de reagente limitante, pois vai condicionar a quantidade de produtos formados e as quantidades dos outros reagentes que vão se esgotar. Quando isto acontece podemos afirmar que essa reação química é completa.

Para se proceder então à síntese sulfato de tetraminocobre (II) mono-hidratado foi necessário proceder-se à moagem do sulfato de cobre (II) penta hidratado depois adicionou-se um pouco de água a fim de se preparar uma solução aquosa de sulfato de cobre (II) penta hidratado. Posteriormente, adicionou-se amoníaco juntamente com álcool etílico, mexeu-se a solução, vedou-se o copo e deixou-se em repouso. Aí o sulfato de cobre (II) penta hidratado iria reagir com o amoníaco e produzir o sulfato de tetraminocobre (II) mono-hidratado. Passado um certo tempo procedia-se a uma decantação, a uma filtração e por fim a uma secagem e obtendo-se assim cristais secos de sulfato de tetraminocobre (II) mono-hidratado.

De seguida e, depois dos cálculos efectuados, calcular-se-ia o rendimento da reação.

Material

1.ª Experiência

. Tubos de ensaio;

. Suporte para os tubos de ensaio;

. Pinça de madeira;

. Vareta de vidro;

. Vidro de relógio;

. Pipeta de Pasteur;

. Garrafa de esguicho;

. Conta-gotas;

. Lamparina

. Fósforos

. Gobelé de 150 ml.

2.ª Experiência

. 1 balança (sensibilidade +/- 0,01g);

. Vidro de relógio;

. Proveta graduada de 10 ml (incerteza +/- 0,10ml);

. Gobelé de 150 ml;

. Cristalizador;

. Almofariz e pilão;

. Papel de filtro;

. Vareta de vidro;

. Kitasato de 250 ml;

. Funil de Buchner;

. Espátula;

. Bomba de vácuo;

. Garrafa de esguicho;

. Pipeta de Pasteur.

Reagentes

1.ª Experiência

. Solução aquosa de hidróxido de sódio (NaOH);

. Solução aquosa de amoníaco (NH3);

. Solução aquosa de ácido clorídrico concentrado (HCl);

. Solução aquosa diluída de sulfato de cobre II (CuSO4);

. Reagente de Nessler;

. Papel de litmus vermelho;

. Sonasol;

. Ajax dos vidros e chão;

. Substral.

2.ª Experiência

. Água destilada;

. Álcool etílico a 96%;

. Solução de amoníaco a 25% (m/m)

. Sulfato de cobre (II) penta-hidratado.

Esquemas

Amoníaco e compostos de amónio em adubos e detergentes -

Teste A

Teste B

Teste C

Teste D

Síntese do sulfato de Tetraminocobre (II) Mono-Hidratado -

Esta experiência teve duas etapas devido ao facto de a mistura, constituída pela solução de amoníaco e os cristais pulverizados de sulfato de cobre (II) penta-hidratado, ter de repousar até à aula seguinte.

Na 1.ª etapa realizamos o seguinte:

Na 2.ª etapa desta experiência, após o repouso da mistura referida anteriormente, realizamos o seguinte:

Resultados experimentais

1.ª Experiência

Nesta tabela assinalamos com uma cruz os reagentes em que se verificou a presença de amoníaco ou compostos de amónio segundo os quatro testes.

2.ª Experiência

Resultados Calculados

Os resultados calculados só dizem respeito à segunda experiência visto que na primeira não foi necessário o uso de cálculos. A síntese do sulfato de tetraminocobre (II) mono-hidratado é dada pela equação que se segue:

CuSO₄.5H₂O (aq) + 4 NH₃ (aq) → [Cu(NH₃)₄.H₂O] (aq) + 4 H₂O

Cálculo da massa de CuSO₄.5H₂O para 0,020 mol

M(CuSO₄.5H₂O) = 63,55 + 32,07 + 4 x 16,00 + 10 x 1,01 + 5 x 16,00 = 249,72 g/mol

Quantidade Química do NH₃

Descobrir o reagente limitante

Quantidade química de [Cu(NH₃)4.H₂O]prevista

Pela estequiometria da reação:

Quantidade química de [Cu(NH₃)4.H₂O] obtida

Calcular o rendimento

Conclusão

Como foi referido na introdução, muitas vezes não nos apercebemos das semelhanças entre os adubos e os detergentes, no entanto, ambos têm na sua constituição amoníaco ou compostos de amónio.

No 11º ano de Química, o amoníaco é estudado devido ao seu papel fundamental na natureza. Foi Fritz Haber que, após ter percebido que o poderia utilizar como fertilizante, em substituição de outros, iniciou a sua produção industrial. As matérias-primas utilizadas são a água, o ar e o petróleo ou o gás natural. A sua produção não é muito favorável ao ambiente, uma vez que libertava monóxido de carbono e dióxido de carbono (poluentes que contribuem para o efeito de estufa).

De modo a perceber como se comporta o amoníaco, realizamos 4 testes diferentes para a o detetarmos em diferentes reagentes. Analisamos o sonasol, o ajax e o substral. Através destes testes concluímos que ele estava presente em dois dos 3 reagentes utilizados. Foi detetada a presença de amoníaco no sonasol e no ajax, não estando presente apenas no substral.

No que diz respeito aos dois detergentes em que detetamos amoníaco conseguimos os resultados que pretendíamos. Ocorreu a libertação de fumos brancos no final da realização do teste A, na última etapa do teste B, o papel vermelho de litmus ficou com a cor azulada, formou-se um precipitado amarelo-acastanhado como se previa no teste C e posteriormente, no teste D, a partir de gotas sucessivas de uma solução diluída de sulfato de cobre II, deu-se o aparecimento de uma mistura que continha um precipitado azul claro (hidróxido de cobre) e posteriormente de um precipitado azul intenso (ião tetraminocobre II). A partir dos factos que observámos permite-nos concluir que estes dois detergentes apresentavam na sua constituição amoníaco ou compostos de amónio, como era suposto.

Em relação ao substral não conseguimos os resultados esperados pois após a realização dos 4 testes, não houve qualquer sinal da presença deste composto, o que é errado, pois este fertilizante apresenta na sua constituição amoníaco. Este facto pode dever-se à má execução das várias etapas do protocolo, a fatores ambientais ou até mesmo devido à falta de precisão do material utilizado.

Pode-se ainda referir que todos os objetivos referentes a esta experiência foram cumpridos da melhor maneira, mesmo tendo em conta o facto relacionado com o substral.

Relativamente à segunda experiência podemos concluir que foi realizada com êxito, uma vez que o seu rendimento foi de 86%. Este valor não atinge o 100% devido a perdas físicas, químicas e também a erros sistemáticos e acidentais. A transferência da substância do vidro de relógio para o gobelé e a transferência da solução após o repouso para a filtração são exemplos dessas perdas.

Para melhorar a experiência podia-se utilizar material com maior precisão como, por exemplo, na medição da quantidade de amoníaco utilizou-se uma pipeta Pasteur mas se utilizássemos uma pipeta volumétrica o resultado podia ter sido mais preciso. Podiam-se também utilizar reagentes com um menor grau de impureza ou até mesmo sem impurezas, estes fatores melhorariam com toda a certeza o rendimento obtido aproximando este dos 100 % como, por exemplo utilizar álcool etílico a 100%.

Para aumentarmos o grau de pureza, procedemos a uma secagem na estufa seguida de uma cristalização.

A realização de uma recristalização podia também ser um fator que melhoraria a experiência uma vez que iria fazer com que o grau de pureza fosse maior e assim obter cristais mais puros.

Apesar de todos os erros que foram indicados e as várias formas que podíamos utilizar para um melhoramento da experiência, esta correu dentro do previsto com o valor do rendimento a ser bastante elevado. Obtiveram-se os respetivos cristais, que por sua vez estavam bem definidos e visíveis a olho nu, que era o objetivo principal da atividade laboratorial.

Os cristais que foram obtidos na experiência tinham uma estrutura e forma bem visível como já referimos anteriormente, mas o mais importante era a sua cor característica, o azul escuro. 

Ao longo da experiência foi possível compreender o porquê da utilização de diversos compostos. O álcool etílico diminui a solubilidade do sulfato de Tetraminocobre (II) em solução aquosa e permite a sua precipitação. Pelo facto de se difundir lentamente permitiu obter cristais com grandes dimensões, pois quando uma substância cristaliza rapidamente são obtidos cristais de dimensões reduzidas. Os cristais do sal do sulfato de Tetraminocobre (II) Mono-Hidratado são muito finos e por isso uma filtração a baixa pressão é o tipo de filtração mais adequada. Assim para os cristais serem secos sem correr o risco da sua decomposição devem ser secos com papel de filtro.

A lavagem dos cristais permite que estes fiquem com um grau de pureza maior e na parte inicial da experiência os cristais do sulfato de cobre (II) penta hidratado são reduzidos a pó, isto acontece para facilitar a sua dissolução aumentando a superfície de contacto entre soluto e solvente.

Podemos também concluir que a reação para a produção do sulfato de Tetraminocobre (II) mono hidratado é uma reação completa e irreversível pois para além de haver o esgotamento de um dos reagentes para a produção dos produtos, estes reagindo entre si não formavam os reagentes.

Assim houve um reagente limitante e outro em excesso. Através de cálculos descobrimos que o reagente limitante era o sulfato de cobre (II) penta hidratado e o reagente em excesso era o amoníaco.

Este sal é um sal complexo porque é constituído por um ião central, ao qual é rodeado por ligandos. O ião central corresponde Cu 2+ {cobre (II)}. Os ligandos são as moléculas de NH3 que rodeiam o cobre

Podemos assim dizer que a atividade foi um sucesso.

Bibliografia

DANTAS, Maria da Conceição, RAMALHO, Marta Duarte, “Jogo de Partículas – Física e Química A – Química 11º”, Texto Editores, 1ª Edição;

DANTAS, Maria de Conceição, RAMALHO, Marta Duarte, “Jogo de Partículas – Física e Química A – Química 11º - Caderno de Atividades Laboratoriais”, Texto Editores, 1ª Edição.

Outros Trabalhos Relacionados