Preparação e Propriedades do Oxigênio

Preparação e Propriedades do Oxigênio

Preparação e Propriedades do Oxigênio

Os elementos do grupo 16 são comumente denominados calcogênios, nome que significa “formadores de cais”, como eram antigamente chamados os óxidos.

Os calcogênios possuem caráter metálico menos intenso que os elementos que se encontram no grupo 15, ou inferior; o oxigênio e o enxofre são os que possuem maior caráter não metálico do grupo.

Estes elementos possuem configuração eletrônica da camada de valência igual a s2p4, e apresentam a capacidade de formar pelo menos um íon com carga negativa igual a -2. O polônio é o único elemento deste grupo que não forma íon com carga -2.

Esses elementos também formam compostos contendo duas ligações covalentes (pares eletronicos), como o H2O, F2O, Cl2O, H2S e SCl2. Quando o atomo do calcogênio é o menos eletronegativo na molécula, por exemplo, no SCl2, (eletronegatividade do S= 2,5 e a do Cl= 3,5), o S se encontra em estado de oxidação (+II).

Alem disso os elementos S, Se e Te podem estar nos estados de oxidação (+IV) e (+VI), sendo que estes são mais estáveis que o elemento no estado (+II).

Abundância:

O oxigênio é o elemento mais abundante de todos os elementos. Ele existe na forma livre, como moléculas de O2 , perfazendo 20,9% em volume e 23% em peso na atmosfera.

O oxigênio constitui 46,6% em peso da crosta terrestre, sendo o principal constituinte dos silicatos minerais.

Obtenção de oxigênio:

O oxigênio é obtido industrialmente pela destilação fracionada do ar liquido. A maior parte de O2 é utilizada na fabricação de aço. O gás é produzido dessa maneira geralmente contém pequenas quantidades de N2 e de gases nobres, principalmente argônio. Cilindros de aço contendo O2 comprimidos são usados para muitas finalidades, inclusive na solda oxiacetilênica e no laboratório. O O2 é administrado juntamente com um anestésico em operações cirúrgicas. As vezes é preparado em pequna escala, em laboratório, pela decomposição térmica do KClO3 (com MnO2 como catalisador), embora o produto possa conter pequenas quantidades de Cl2 ou ClO2. Pequenas quantidades de O2 são produzidas pelo aquecimento de NaClO3, como fonte emergencial de oxigênio em aviões(1).

2KClO3 2 KCl + 3O2

Compostos oxigenados:

A combinação do oxigênio com outros elementos forma óxidos, cuja reação com a água produz oxiácidos e bases. A combinação dos quais existem numerosas famílias e variedades, presentes na natureza na maioria dos fenômenos geológicos. Inúmeras substâncias orgânicas, como álcoois, ésteres, aldeídos, cetonas, ácidos carboxílicos e ésteres, também possuem átomos de oxigênio em sua estrutura.

A reação espontânea de qualquer substância com o oxigênio é denominada oxidação (termo que também designa qualquer processo na qual uma substância perde elétrons). Quando a reação é imediata e produz calor e luz, chama-se combustão. São exemplos de processos de oxidação a corrosão do ferro e a putrefação da madeira, que formam óxidos de ferro e de carbono, respectivamente. A queima da madeira gera os mesmos produtos de sua putrefação: dióxido de carbono e água. Os fenômenos de combustão podem ser espontâneos e, em substâncias como o carvão betuminoso, provocar incêndios em virtude da reação instantânea entre oxigênio, carbono e hidrogênio.

O ozônio (O3), outra forma molecular de oxigênio puro, com uma elevadíssima reatividade, é também um composto de grande importância. Pode ser utilizado como oxidante e é um dos principais constituintes da camada superior da nossa atmosfera, a conhecida “camada de ozônio”, que nos protege da radiação exterior. O ozônio é também um componente importante, pela negativa, na poluição atmosférica causada pelo trânsito automóvel, sendo a concentração de ozônio um dos parâmetros mais importantes na medição da qualidade do ar nas cidades.

Uma classe relevante de compostos de oxigênio é a dos óxidos. De fato, o oxigênio forma compostos binários com quase todos os elementos da tabela periódica (com exceção dos gases nobres mais leves). As propriedades dos óxidos são tão variadas como as dos elementos que os constituem em par com o oxigênio. A própria água é um óxido, o óxido de hidrogênio, e uma grande parte da crosta terrestre são constituídos por silicatos, que são óxidos de silício, por óxidos de alumínio ou de ferro.

Outros óxidos de grande importância são os óxidos de carbono. Existem dois óxidos que podem ser gerados durante a combustão de compostos contendo carbono, tais como os combustíveis fósseis, o monóxido de carbono (CO) e o dióxido de carbono (CO2). O primeiro é um composto altamente tóxico, gerado pela combustão incompleta de combustíveis e é responsável por intoxicações, por exemplo, em locais em que existem esquentadores a gás com arejamento insuficiente. O segundo é libertado nas combustões em que não haja deficiência de oxigênio e assume atualmente um papel importante na discussão de todos os aspectos ambientais. Com efeito, considera-se que o aumento da quantidade de CO2 na atmosfera, originado pelo grande consumo de combustíveis fósseis, é o principal responsável pelo aquecimento global. O CO2 absorve uma parte importante da radiação que vem do sol, provocando o aquecimento da atmosfera por efeito de estufa. Os óxidos de muitos outros elementos têm aplicações várias e, dado o número muito elevado destes com interesse prático, não iremos aqui fazer referência particular a outros óxidos.

O estado de oxidação preferencial do oxigênio é o -2, estado em que se encontra nos óxidos. No entanto, é também possível que o oxigênio se encontre no estado de oxidação -1, comum nos peróxidos. Entre os peróxidos, o peróxido de hidrogênio é, talvez, o mais conhecido. Este composto, que apresenta um grande potencial oxidante, é utilizado como um oxidante industrial e como anti-séptico.

A química orgânica tem, por outro lado, um quase infindável repertório de compostos de carbono e oxigênio: alcoóis (ROH), éteres (ROR'), ésteres (ROOR'), aldeídos (RCOH), ácidos carboxílicos (RCOOH), cetonas (RCOR'), etc. De entre estes existem muitos compostos que fazem parte do nosso dia-a-dia. Como exemplo, podemos citar o etanol (o vulgar álcool etílico), presente em proporções variadas nas bebidas alcoólicas, a água oxigenada (ou peróxido de hidrogênio – H2O2) ou o éter (designação comum para um éter específico, o éter di-etílico – CH3CH2OCH2CH3).

O oxigênio é ainda parte importante nos açúcares, ou hidratos de carbono, e nos ácidos nucléicos, constituintes essenciais dos seres vivos.

Outro grupo de compostos que é particularmente interessante mencionar é o dos compostos de coordenação envolvendo oxigênio molecular.

Objetivos

Obter o gás oxigênio por reações de decomposição e de óxi-redução e testar experimentalmente as suas propriedades oxidantes.

Procedimento experimental

a) Materiais utilizados

- Dióxido de manganês em pó;

- Tubos de ensaio;

- Bico de Bunsen;

- Pedaço de madeira;

- Permanganato de potássio em pó;

- Peróxido de hidrogênio 20 volumes;

- Funil de decantação;

- Kitasato;

- Rolhas;

- Mangueira de borracha;

- Cuba de vidro;

- Tubo de vidro dobrado;

- Suporte universal;

- Garra;

- Lã de aço;

- Cabo de Colin;

- Enxofre em pó;

- Espátula;

- Papel indicador de pH.

b) Procedimento

Obtenção do oxigênio pela decomposição térmica do dióxido de manganês

Adicionou-se uma pequena quantidade de MnO2 ao tubo de ensaio, e aqueceu-se o tubo na chama do bico de Bunsen. Durante o aquecimento do MnO2, queimou-se na chama também a ponta do pequeno pedaço de madeira, até torná-lo incandescente. Assim que se observou a coloração vermelho-incandescente na ponta da madeira, ela foi colocada dentro do tubo de ensaio, observando-se as alterações ocorridas.

Obtenção do oxigênio a partir do permanganato de potássio e peróxido de hidrogênio

O kitasato, contendo permanganato de potássio, foi preso ao suporte universal por meio da garra, e foi tampado com uma rolha com orifício. Neste orifício, foi acoplado o funil de decantação, contendo peróxido de hidrogênio. À saída lateral do kitasato, foi presa a mangueira de borracha, encaixando-se o tubo de vidro dobrado ao final da mangueira. A cuba foi preenchida com água, e o tubo de vidro dobrado foi mantido submerso. Para obter-se o oxigênio, abriu-se a torneira do funil de decantação, fazendo com que o peróxido de hidrogênio reagisse com o permanganato de potássio, enquanto que o gás foi recolhido em dois tubos de ensaio, com a abertura imersa na água e, em seguida, rapidamente arrolhados.

Caracterização do oxigênio - propriedades oxidantes

  • Oxidação do ferro:

Usando-se um cabo de Colin, prendeu-se um pequeno pedaço de lã de aço na ponta do cabo, e levou-se à chama do bico de Bunsen, a fim de fazê-lo entrar em combustão. Assim que a lã de aço apresentou coloração vermelho-intensa, devido à combustão, ela foi retirada da chama e colocada dentro de um dos tubos de ensaio contendo oxigênio recolhido, observando-se as transformações ocorridas.

  • Oxidação do enxofre:

Com uma espátula, pegou-se uma pequena quantidade de enxofre em pó, e levou-se à chama, na ponta da espátula, fazendo-a entrar em combustão. Assim, que a combustão na chama foi completada, transferiu-se o produto formado para o segundo tubo de ensaio contendo oxigênio previamente recolhido. Em seguida, adicionou-se água, e mediu-se, com o papel indicador, o pH da solução formada.

Em uma segunda etapa, queimou-se um pequeno pedaço de fita de magnésio na chama, e, após a combustão completa, a fita foi colocada em um tubo de ensaio. Em seguida, adicionou-se uma pequena quantidade de água destilada ao tubo, com algumas gotas de fenolftaleína, observando-se as transformações ocorridas e comparando-se com a primeira etapa do experimento.

Resultados e discussões

Obtenção do oxigênio e pela decomposição térmica do manganês

No tubo contendo dióxido de manganês, após o aquecimento, obteve-se o gás oxigênio e óxido de manganês pela decomposição do dióxido de manganês devido ao aquecimento, a cor e aparência do oxido de manganês permaneceu a inalterada de solido de coloração negra.

A obtenção do oxigênio é descrita na reação abaixo:

MnO2(s ) O2(g) + MnO(s)

Junto ao aquecimento para liberação do gás, foi efetuada a queima de um pedaço de madeira, de forma que se esperou a chama apagar e ficar apenas a madeira incandescente, e dessa madeira, foi colocada na saída do tubo, onde continha gás oxigênio puro sendo liberado.

Quando em contato como o gás puro, na saída do tubo, a madeira incandescente que tinha coloração vermelha ficou mais incandescente, mostrando aumento na sua combustão. Isso se dá devido ao fato de conter maior concentração de oxigênio dentro do tubo, já que na atmosfera contem pouco mais de 25% de oxigênio em media sendo que o oxigênio é o composto necessário para uma combustão e se colocado na saída do tubo onde ele está quase puro aumenta a quantidade de reagente para reação.

Obtenção do oxigênio a partir do permanganato de potássio e peróxido de hidrogênio

Ao gotejar-se o peróxido de hidrogênio no permanganato de potássio, há a seguinte reação, classificada como sendo de óxi-redução:

3H2O2(aq) + 2KMnO4(s) → 2H2O(l) + 3O2(g) + 2KOH(aq) + 2MnO2(aq)

Apesar de ter, comumente, número de oxidação -2, nos peróxidos, o oxigênio assume estado de oxidação -1. Porém, ao formar compostos como o KOH e o MnO2, seu estado de oxidação passa a ser -2, e ao formar oxigênio gasoso, seu estado de oxidação é zero. Já o manganês, que possui no KMnO4 estado de oxidação +7, passa a apresentar, no MnO2, número de oxidação +4. Portanto, apesar de o oxigênio apresentar, na reação, tanto características de redução (do nox -1 para -2) quanto de oxidação (do nox -1 para 0), como o manganês está sofrendo redução, considera-se somente o processo de oxidação para o oxigênio (método pelo qual foi possível balancear a equação).

Pela equação, pode-se observar que há grande produção de oxigênio, pois para 3 mols de H2O2 e 2 mols de KMnO4, formam-se 3 mols de O2.

Propriedades oxidantes do oxigênio

  • Oxidação do ferro

Ao aquecer um pedaço de palha de aço na chama, ela oxida-se formando oxido de ferro, sendo essa reação uma reação endotérmica. Observa-se também que, quando a palha de aço é exposta à chama, ela queima, ficando vermelha e incandescente, devido à liberação de energia. Quando ela foi colocada na entrada do tubo contendo maior concentração de oxigênio, ela oxidou mais fortemente e mais rapidamente, e o que foi observado foi o aumento da incandescência da palha de aço, sendo que o oxigênio reagiu facilmente com a palha de aço, transformando o ferro presente na palha de aço em oxido de ferro.

Segue a reação descrita abaixo:

2 Fe + O2 Fe2O3

  • Oxidação do enxofre

Quando se expõe enxofre puro na chama, ocorre sua combustão e tem-se a formação do dióxido de enxofre, pela reação do oxigênio presente no ar. Durante esta combustão, observa-se a chama azul-violeta, característica da produção de SO2. A reação é descrita por:

S(s) + O2(g) → SO2(g)

Ao transferir-se o dióxido de enxofre formado para o tubo contendo oxigênio puro, há uma nova reação com o oxigênio, formando o trióxido de enxofre:

SO2(g) + O2(g) → SO3(g)

Quando se adiciona água a este gás, o gás reage com a água, formando o ácido sulfúrico:

SO3(g) + H2O(l) → H2SO4(aq)

Devido à formação do ácido, que é um ácido forte, tendo dois hidrogênios ionizáveis, é que o papel indicador ficou vermelho, indicando caráter ácido da solução.

  • Oxidação do magnésio

Ao aquecer-se a apara de magnésio na chama, tem-se a formação do óxido de magnésio, pela reação do magnésio metálico com o oxigênio presente no ar, em uma reação exotérmica. Também se observa um brilho intenso, devido à liberação de parte da energia recebida durante o aquecimento.

Após a reação, nota-se a formação de uma camada de uma substância em forma de pó branco em torno de toda a apara, caracterizado pela formação do óxido. A reação ocorrida é:

Mg(s) + O2(g) MgO(s)

Quando colocado água no tubo onde a apara contendo o óxido de magnésio, há a formação do hidróxido, Mg(OH)2, pela reação:

MgO(s) + H2O(l) → Mg(OH)2(aq)

Para confirmar a formação do hidróxido, colocou um pedaço de papel de tornassol, que indicou a presença de uma substância básica, pela coloração azul apresentada.

Comparando-se as duas etapas, com a combustão do enxofre e do magnésio, nota-se que nos dois casos, as substâncias reagiram com o oxigênio e posteriormente com a água, porém, apresentaram pH’s diferentes, sendo um básico e o outro ácido. Isso ocorre porque o enxofre é um ametal, que, ao reagir com o oxigênio, forma óxidos ácidos, capazes de reagir com a água formando ácidos. Já o magnésio, como é um metal alcalino, reage com o oxigênio formando um óxido básico, capaz de formar uma base ao reagir com a água.

Conclusões

A partir deste experimento, pode-se concluir que o gás oxigênio pode ser obtido através de várias técnicas laboratoriais envolvendo reações químicas, nas quais é um dos produtos, e que pode ser recolhido, armazenado e utilizado. Nota-se também que o oxigênio é um gás bastante reativo, tendo capacidade de combinar-se com elementos metálicos e não metálicos, o que dá origem a compostos de características e propriedades bastante variadas.

Referências Bibliográficas

LEE, J.D Química inorgânica não tão concisa/J.D.Lee; tradução da 5º edição inglesa/ Henrique E. Toma, Koiiti Araki C. Rocha- - São Paulo: Blucher, 1999 . Páginas 267-271.

http://www.tabela.oxigenio.com/nao_metais/elemento_quimico_oxigenio.htm. Acesso em 29/05/2010

http://www.e-escola.pt/topico.asp?id=551&ordem=5 acesso em 30/05/2010

Comentários