Baixe Propriedades dos Metais Alcalino-Terrosos e seus Compostos e outras Notas de estudo em PDF para Química, somente na Docsity! Introdução Os elementos metais alcalinos terrosos Os elementos do grupo 2 da tabela periódica, mais conhecidos como metais alcalinos terrosos, formam uma série bem comportada de metais altamente reativos, mas menos reativos que os metais alcalinos. Geralmente, são divalentes e formam compostos iônicos incolores. Os óxidos e hidróxidos são menos básicos que os metais alcalinos; portanto seus oxossais (carbonato, sulfatos e nitratos) são mais susceptíveis ao calor. O magnésio é um importante metal estrutural, sendo usado em grandes quantidades (303.000 toneladas em 1993). Diversos compostos são utilizados em grandes quantidades: calcário (CaCO3) é utilizado para a preparação de cal virgem ( CaO: 127,9 milhões de toneladas em 1993) e cimento (1.396 milhões de toneladas em 1993), além de 14,2 milhões de toneladas de giz. Outros compostos usados em grandes quantidades incluem o gesso CaSO4 (88,2 milhões de toneladas em 1992), fluorita, CaF2(3,6 milhões de toneladas em 1992), magnésia; MgCO3 (10,8 milhões de toneladas em 1992) e barita, BaSO4 (4,9 milhões de toneladas em 1992). Mg2+ e Ca2+ são íons essenciais ao ser humano; Mg2+ é um importante constituinte de clorofila. Estrutura eletrônica Todos os elementos do grupo dois possuem dois elétrons s no nível eletrônico mais externo. Ignorando os níveis internos preenchidos, as suas estruturas eletrônicas podem ser representadas como 2s2, 3 s2 , 4s2, 5 s2, 6 s2 e 7 s2 . Ocorrência e abundancia: O berílio não é muito comum, em parte porque ele não é muito abundante (2 ppm) e em parte por causa de sua difícil extração. É encontrado em pequenas quantidades em minerais do grupo dos silicatos, como berílio Be3Al2Si6O18 e fenacita Be2SiO4. A pedra preciosa esmeralda tem a mesma formula mínima do berílo, mas contem pequenas quantidades de cromo responsável por sua coloração verde. PAGE \* MERGEFORMAT 27 O magnésio é o sexto elemento mais abundante da crosta terrestre (27.640 ppm ou 2,76%). Sais de magnésio estão dissolvidos na água do mar, na proporção de até 013%. Montanhas inteiras (por exemplo, as dolomitas na Itália) são constituídas pelo mineral dolomita [Mgco3. CaCO3]. A dolomita é utilizada na construção de rodovias. Quando calcinada se transforma num material refratário, usado no revestimento interno de altos fornos. O Mg também está presentes em diversos minerais do grupo dos silicatos, por exemplo a olivina (Mg, Fe)2 ,talco Mg3(oH)2Si4O10, crisotilo Mg3(OH)4Si2O5 (asbesto) e micas, tais como K+[Mg3(OH)2 (AlSI3O10)]-. O Cálcio é o quinto elemento mais abundante na crosta terrestre (46.000 ppm ou 4,66%), sendo um dos constituintes de diversos minerais bastante comuns, disseminados por todo o planeta. Há vastos depósitos sedimentares de CaCO3.formando montanhas inteiras de calcário, mármore de greda( os penhascos brancos de Dover), e também na forma de corais . Estes elementos se originam no acumulo de conchas de animais marinhos. Embora o calcário seja tipicamente branco em muitos locais ele apresenta coloração amarela, laranja ou marrom devido à presença de quantidades traço de ferro. O estrôncio (384 ppm) e o bário (390 ppm) são muito menos abundantes, mas bem conhecidos, porque ocorrem na forma de minérios concentrados, que permitem fácil extração. O estrôncio é minerado como celestita, SrSO4 e estroncianita, SrCO3. O Ba é obtido como barita, BaSO4. O radio é extremamente raro e radioativo. Já foi usado no tratamento radioterápico do câncer. Atualmente outras fontes de radiação são utilizadas para essa finalidade (60Co, raios X ou um acelerador linear). Obtenção dos metais: Os metais alcalinos terrosos não podem ser obtidos facilmente por redução química, porque eles próprios são fortes agentes redutores, alem de reagirem com carbono formando carbetos. São fortemente eletropositivos e reagem com água. Assim, soluções aquosas não podem ser usadas nos deslocamentos dos mesmos por outro metal, ou na obtenção por via eletrolítica. A eletrolise de soluções aquosas PAGE \* MERGEFORMAT 27 iônicos, sugere que a energia liberada quando se forma o retículo cristalino mais que compensa a energia necessária para produzir os íons. Eletronegatividade Os valores de eletronegatividade dos metais alcalinos terrosos são baixos, mas maiores do que do grupo dos metais alcalinos. Quando Mg, Ca, Sr e Ba reagem com elementos tais como halogênios e o oxigênio, situados a direita da tabela periódica , a diferença de eletronegatividade será grande e os compostos formados serão iônicos. A eletronegatividade do Be é maior do que os demais elementos. O BeF2 exibe a maior diferença de eletronegatividade de todos os compostos de berílio com o maior caráter iônico. Todavia, o BeF2 fundido apresenta uma baixíssima condutividade,sendo considerado um composto covalente. Metais alcalinos terrosos Energias de ionização (KJ mol-1) Eletronegatividade de Pauling 1º 2º 3 º Be 899 1.757 14.847 1,5 Mg 737 1.450 7.731 1,2 Ca 590 1.145 4.910 1,0 Sr 549 1.064 1,0 Ba 503 965 0,9 Ra 509 979 (3.281) Tabela C - Energias de ionização e eletronegatividade Energias de hidratação As energias de hidratação dos íons dos elementos metais alcalinos terrosos são 4 a 5 vezes maiores que a dos metais alcalinos. Isso se deve principalmente ao seu menor tamanho e sua maior carga, de modo que os valores de ΔH hid. decrescem de PAGE \* MERGEFORMAT 27 cima para baixo dentro do grupo, a medida que o tamanho dos íons aumenta. No caso do Be existe um fator adicional que é a formação de um íon complexo muito estável: o [Be (H2O4)]2+. Os compostos cristalinos dos metais alcalinos terrosos contem mais moléculas de água de cristalização do que os metais alcalinos. Por exemplo, NaCl e KCl são anidros, mas o MgCl2.6H2O, CaCl2. 6H2O e BaCl2.2 H2O possuem águas de cristalização. Note que o numero de moléculas de água de cristalização diminui á medida que os íons se tornam maiores. Solubilidade e Energia Reticular Solubilidade da maioria dos sais diminui com o aumento de seu peso atômico, embora se observe a tendência inversa no caso dos fluoretos e hidróxidos deste grupo. A solubilidade depende da energia reticular de um solido e da energia de hidratação dos íons, como explicando abaixo. Metais alcalinos terrosos MO MCO3 MF2 MI2 Mg -3.923 -3.178 -2.906 -2.292 Ca -3.517 -2.986 -2.610 -2.058 Sr -3.312 -2.718 -2.459 Ba -3.120 -2.614 -2.367 Tabela D - Energias reticulares para alguns compostos (KJ mol-1) Metais alcalinos terrosos ΔH (KJ mol-1) Be2+ -2.494 Mg2+ -1.921 Ca2+ -1.577 Sr2+ -1.443 Ba2+ -1.305 Tabela E - entalpias de hidratação PAGE \* MERGEFORMAT 27 As energias reticulares são muito maiores do que dos metais alcalinos por causa do efeito do aumento da carga na equação de Born- Landé. Considerando-se um íon negativo qualquer, a energia reticular decresce á medida que aumenta o tamanho do metal. A energia de hidratação também diminui á medida que os íons metálicos se tornam maiores. Para uma substancia ser solúvel, a energia de hidratação deve ser maior que a energia reticular. Considere um grupo de compostos correlatos, por exemplo, os cloretos de todos os metais alcalinos terrosos. Descendo pelo grupo dos íons metálicos se tornam maiores, de modo que tanto a energia de hidratação quanto a energia reticular se tornam cada vez menores. Um decréscimo na energia reticular favorece um aumento de solubilidade. Os dois fatores portando variam em sentidos opostos, e o efeito global depende do qual dos dois apresenta uma variação relativa maior. Na maioria dos casos, considerando-se os casos dos elementos formados pelos metais alcalinos terrosos, a energia de hidratação decresce mais rapidamente que a energia reticular, portanto os compostos se tornam menos solúveis a medida o metal aumenta de tamanho. Contudo no caso dos fluoretos e dos hidróxidos, a energia reticular diminui mais rapidamente que a energia de hidratação, de modo que a solubilidade desses compostos aumenta de cima para baixo dentro do grupo. Propriedades químicas • Reação com água: O potencial de redução do berílio é muito menor que aqueles dos demais elementos dos metais alcalinos terrosos (potencial padrão do eletrodo, E ⁰, do Be2+ІBe -1,85, Mg 2+ІMg -2,37, Ca2+ІCa -2,87, Sr 2+ІSr -2,89, Ba2+ІBa -2,91, Ra2ІRa -2,92 volts). Isso indica que o berílio é muito menos eletropositivo (menos metálico) que os outros elementos do grupo, e não reage com água. Há duvidas se ele reage com vapor d’água para formar oxido BeO, ou se não reage com água nem mesmo nessas condições. Ca, Sr e Ba tem potenciais de redução semelhantes aqueles dos correspondentes metais do grupo dos metais alcalinos, e se situam em posições no topo da série PAGE \* MERGEFORMAT 27 Hidróxidos O Be(OH)2 é anfotero, mas os hidróxidos de Mg, Ca, Sr e Ba são básicos. A força da base aumenta do Mg ao Ba, de modo que os elementos do grupo dos metais alcalinos terrosos apresentam a tendência normal de aumento de suas propriedades básicas, de cima para baixo dentro do grupo. As soluções aquosas de Ca(OH)2 e Ba(OH)2 são denominadas água de cal e de barita, respectivamente, e são utilizados para detectar a presença de dióxido de carbono. Quando o CO2 é borbulhado nessas soluções, elas se tornam turvas ou leitosas devido á formação de uma suspensão de partículas sólidas CaCO3 ou BaCO3 . Caso um excesso de CO2 seja borbulhado, a turbidez desaparece, pois nesse caso formam-se os bicarbonatos solúveis. A água de barita é muito mais sensível ao teste, pois dá um resultado positivo mesmo quando apenas se expira sobre ela, ao passo que com a água de cal o ar expirado (ou outro gás) deve ser borbulhado na mesma. Ca2+(OH-)2 + CO2 F 0 E 0 CaCO3 + H2O + excesso de CO2 F 0 E 0Ca2+(HCO3-)2 CaCO3 =precipitado branco insolúvel (HCO3-)2 =solúvel Os bicarbonatos dos metais alcalinos terrosos somente são estáveis em solução. As cavernas em regiões de terreno calcário geralmente possuem estalactites crescendo do teto e estalagmites crescendo do solo contém Ca2+(HCO3-)2 dissolvido. O bicarbonato solúvel decompõe-se lentamente ao carbonato insolúvel, o que provoca o lento crescimento das estalactites e estalagmites. Ca2+(H CO3-)2 F 0 E 0 CaCO3 + CO2 + H2O Reações com ácidos e bases PAGE \* MERGEFORMAT 27 Todos os metais alcalinos terrosos reagem com ácidos liberando H2, embora o berílio reaja lentamente. O berílio se torna “passivo” quando na presença de HNO3 concentrado, isto é, não reage. Isso ocorre porque o HNO3 é um forte agente oxidante, que leva á formação de uma fina película de oxido sobre a superfície do metal, protegendo-o de um posterior ataque pelo ácido. O berílio é anfótero, pois também reagem com NaOH, formando H2 e berilato de sódio. Mg, Ca, Sr e Ba não reagem com o NaOH, sendo tipicamente básicos. Essas reações ilustram o caráter básico crescente dos elementos, ao descer pelo grupo dos metais alcalinos terrosos. Mg+2HClF 0E 0MgCl2 + H2 Be +2NaOH +2H2O F 0 E 0 Na2[Be(OH)4] + H2 ou NaBeO2. 2H2O + H2 Sulfatos A solubilidade dos sulfatos em água diminui ao descer pelo grupo dos metais alcalinos terrosos: Be>Mg>Ca>Sr>Ba. Assim, BeSO4 e Mg SO4 são solúveis, mas o CaSO4 é pouco solúvel, enquanto que os sulfatos de Sr, Ba, e Ra são praticamente insolúveis. As solubilidades muito maiores do BeSO4 e do Mg SO4 são decorrentes das elevadas entalpias de solvatação dos íons Be2+ e Mg2+, bem menores que os demais. O sal de espom, Mg SO4.7H2O, é usado como laxante suave. O sulfato de cálcio pode existir como hemihidratado, CaSO4.1/2H2O, importante na construção civil como “gesso de Paris”. Todos o sulfatos do grupo dos metais alcalinos terrosos se decompõem por aquecimento formando óxidos: MgSO4 + calor F 0 E 0MgO +SO3 Analogamente ao comportamento térmico dos carbonatos, quanto mais básico for o metal mais estável será ao sulfato. Isso é evidenciado pelas temperaturas de decomposição dos sulfatos. Substância BeSO4 MgSO4 CaSO4 SrSO4 PAGE \* MERGEFORMAT 27 Temperatura de decomposição 500ºC 895ºC 1149ºC 1374ºC Tabela G - Temperaturas de decomposição de alguns compostos de metais alcalino-terrosos. O aquecimento dos sulfatos com C reduzem a sulfetos. A maioria dos compostos de bário é obtida a partir do sulfeto de bário. BaSO4 + 4C F 0 E 0BaS +4CO Os elementos do grupo dos metais alcalinos terrosos também formam percloratos, MClO4, com estruturas muito semelhantes às dos sulfatos: o íon SO42-. Contudo, eles são quimicamente diferentes, pois os percloratos são agentes oxidantes fortes. O perclorato de magnésio é usado com agente secante conhecido como “anidrona”. A anidrona não deve ser usada com materiais orgânicos, porque é um forte agente oxidante, e um contato acidental com materiais orgânicos poderia provocar uma explosão.(1) Objetivos Observar as características e o comportamento dos metais alcalino-terrosos e seus compostos em reações químicas. 4 - Procedimento experimental a) Materiais Utilizados - Magnésio em aparas; - Água destilada; - Fenolftaleína; - Pinça de madeira; - Tubos de ensaio; - Solução de ácido clorídrico; PAGE \* MERGEFORMAT 27 TUBO 4 – BaCl2 Em seguida,foram adiconados 2 ml de solução de H2SO4 concentrado a cada tubo, observando-se a formação ou não de precipitado. Após, foram adicionadas 10 gotas de (NH4)2SO4 aos tubos onde houve a formação de precipitado, observando-se as tranformações ocorridas. Cromatos de metais alcalino-terrosos Foram separados e numerados três tubos de ensaio, e foram adicionados a estes tubos cloretos de metais alcalino-terrosos, na seguinte ordem: TUBO 1 – CaCl2 TUBO 2 – SrCl2 TUBO 3 – BaCl2 Em seguida, foi adicionado 1 ml de solução de K2CrO4, observando-se as transformações ocorridas nas soluções. Após, foram adicionadas 20 gotas de CH3COOH aos tubos onde houve precipitação, observando-se novamente as transformações ocorridas. Síntese do hidróxido de estrôncio Primeiramente, foram calculadas as massas de reagentes necessárias para a realização do experimento, seguindo-se as especificações da apostila, que indicavam que a reação teria que ser calculada considerando-se um rendimento da reação de 65%, resultando em 2g de hidróxido de de estrôncio octahidratado, e também considerando-se que a massa de NaOH utilizada deveria ser 20% maior do que a quantidade estequiométrica. Desta forma, pesou-se 2,452g de Sr(NO3)2, com os quais preparou-se uma solução PAGE \* MERGEFORMAT 27 saturada, com 5,6 ml de água, conforme a solubilidade deste sal encontrada no Merck Index. Pesou-se também 1,112g de NaOH, os quais foram dissolvidos no triplo de água suficiente para solubilizar completamente a amostra, correspondendo a 6,6 ml de água. Misturou-se então as duas soluções, a fim de provocar a reação e formar o hidróxido de estrôncio octahidratado. Obtendo-se o precipitado formado pelo hidróxido de estrôncio octahidratado, o sistema foi filtrado à vácuo, para separar o hidróxido. Após a filtração, a amostra foi secada e pesada, e a partir da massa obtida, calculou-se o rendimento da reação. Resultados e Discussão 1 - Propriedades redutoras do Mg. Ao adicionar-se as aparas de magnésio em água, nota-se a formação de pequenas bolhas, decorrentes da reação resultando na liberação de hidrogênio gasoso. Com o aquecimento, nota-se que a formação de bolhas é muito mais rápida, demonstrando que o magnésio reage mais rápido em água quente. A reação ocorre em duas etapas, por estar em meio aquoso, e pode ser descrita por: Mg(s) + H2O(l) → MgO(aq) + H2(g) ↑ MgO(aq) + H2O(l) → Mg(OH)2(s) ↓ Como a concentração de Mg(OH)2 é muito baixa, visto que apenas uma pequena parte do magnésio metálico reage por a reação ocorrer de forma lenta, não é possível observar a formação do precipitado. Quando se adiciona as aparas de magnésio no ácido clorídrico, a reação ocorre de forma muito mais rápida, causando grande efervescência, com liberação de gás com odor característico de hidrogênio e nota-se o aquecimento do sistema. A reação ocorrida pode ser descrita por: Mg(s) + 2HCl(aq) → MgCl2(aq) + H2(g) ↑ PAGE \* MERGEFORMAT 27 A diferença da velocidade e também na liberação de calor durante a reação se deve a diferenças de eletronegatividade entre o oxigênio e o cloro ligados ao hidrogênio e à diferenças de energia reticular dos compostos formados. Como o oxigênio é mais eletronegativo, atrai mais fortemente o hidrogênio sendo mais difícil deslocá-lo do que quando está ligado ao cloro, que é menos eletronegativo do que o oxigênio. Desta forma, a reação com o cloro é facilitada, e, portanto, ocorre de forma mais rápida. Quanto à energia liberada, o aquecimento durante a formação do MgCl2 se deve à maior energia reticular em relação à energia reticular do MgO e do Mg(OH)2. Nas duas reações percebe-se que o magnésio atua como agente redutor, oxidando-se e tendo variação de nox de 0, no estado sólido, para 2+, na forma de cloreto, enquanto que o hidrogênio reduz, alterando seu nox de -1, na forma de cloreto, para 0 na forma gasosa. 4.2 - Preparação do MgO e do Mg(OH)2 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 endotérmica (é necessário fornecer calor para que a reação ocorra). Também observa-se um brilho intenso, devido à liberação de parte da energia recebida durante o aquecimento em forma de radiação eletromagnética. 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, que é a própria substância branca. A reação ocorrida é: Mg(s) + O2(g) MgO(s) Quando se adiciona 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, se adicionou algumas gotas de fenolftaleína, que indicou a presença de uma substância básica, pela coloração vermelha apresentada (apesar de ter solubilidade muito baixa, uma pequena parte do Mg(OH)2 solubiliza, e a presença de íons OH- pode ser detectada em solução). PAGE \* MERGEFORMAT 27 No segundo tubo, onde havia solução de CaCl2, não há formação de precipitado, porque o sal formado é bastante solúvel: CaCl2(aq) + H2SO4(aq) → 2HCl(aq) + CaSO4(aq) No terceiro tubo, há a formação de precipitado, pois o sal formado é bastante insolúvel: SrCl2(aq) + H2SO4(aq) → 2HCl(aq) + SrSO4(s)↓ No quarto tubo, também ocorre o mesmo processo; forma-se um sal insolúvel, e que, portanto, precipita: BaCl2(aq) + H2SO4(aq) → 2HCl(aq) + BaSO4(s)↓ Adicionando-se solução de (NH4)2SO4 às soluções em que houve formação de precipitado, há um aumento no íon sulfato, comum aos dois sais, e isto favorece e completa a precipitação dos dois sais já precipitados. 4.6 - Cromatos de metais alcalino-terrosos Ao reagir compostos de metais alcalino-terrosos com cromato de potássio, obteve- se os seguintes resultados: Sal de metal alcalino-terroso Características observadas após a adição de solução de K2CrO4 CaCl2 Não há precipitação, solução amarela SrCl2 Há formação de precipitado amarelo BaCl2 Há formação de precipitado amarelo As reações ocorridas são: • CaCl2: CaCl2(aq) + K2CrO4(aq) → CaCrO4(aq) + 2KCl(aq) • SrCl2: SrCl2(aq) + K2CrO4(aq) → SrCrO4(s)↓ + 2KCl(aq) • BaCl2: PAGE \* MERGEFORMAT 27 BaCl2(aq) + K2CrO4(aq) → BaCrO4(s)↓ + 2KCl(aq) Nota-se que na primeira reação os produtos formados são solúveis, portanto, não há formação de precipitado. Já nas duas reações seguintes, há a formação de precipitado porque o cromato de metal alcalino-terroso formado é insolúvel, já que, como os íons envolvidos são muito grandes, é necessária uma energia de hidratação muito grande para que eles se solubilizem, e a energia de hidratação não supera a ligação entre os íons, já que como os cátions e o ânion são grandes, ficam estabilizados. Com a adição de 20 gotas de solução de ácido acético aos tubos onde ocorreu precipitação, há maior precipitação, deixando o precipitado bem depositado no fundo do recipiente. Ocorre uma reação neste processo, formando acetatos de metais alcalino-terrosos, que também são insolúveis: BaCrO4(s) + 2CH3COOH(aq) → Ba(CH3COO)2(s)↓ + H2CrO4(aq) SrCrO4(s) + 2CH3COOH(aq) → Sr(CH3COO)2(s)↓ + H2CrO4(aq) 4.7 - Síntese do hidróxido de estrôncio. Para realizar esta etapa do experimento, foi necessário determinar a reação que iria ocorrer e as quantidades de reagentes necessárias para se obter 2g de Sr(OH)2 . 8H2O considerando-se que o rendimento seria de 65%: Sr(NO3)2 + 2NaOH + 8H2O → Sr(OH)2.8H2O + 2NaNO3 Calculando-se as massas molares das substâncias envolvidas, foi possível calcular as massas dos reagentes necessárias: Substância Massa molar Sr(NO3)2 211,62 g/mol PAGE \* MERGEFORMAT 27 NaOH 40 g/mol Sr(OH)2.8H2O 265,62 g/mol Considerando que, com rendimento de 65% a massa final obtida seria de 2g, calculou-se a massa teoricamente obtida com rendimento de 100%: 65% ----------------- 2g 100% ---------------- x 65 x = 2 . 100 65 x = 200 x = 200 / 65 x = 3,077g Desta forma, se 211,62g de Sr(NO3)2 formam 265,62g de Sr(OH)2.8H2O, a massa de nitrato de estrôncio necessária para se obter 3,077g de hidróxido de estrôncio octahidratado foi: 211,62g Sr(NO3)2 ----------------- 265,62g Sr(OH)2.8H2O x ------------------------------------- 3,077g Sr(OH)2.8H2O 265,62 x = 211,62 . 3,077 265,62 x = 651,15 x = 651,15 / 265,62 x = 2,45g E a massa de NaOH necessária para se obter esta massa de Sr(OH)2.8H2O, visto que são necessários 80g de NaOH para se obter 265,62g de Sr(OH)2.8H2O, é: 80g NaOH ---------------------- 265,62g Sr(OH)2.8H2O x ------------------------------------ 3,077g Sr(OH)2.8H2O 265,62 x = 80 . 3,077 265,62 x = 246,16 x = 246,16 / 265,62 x = 0,927g Porém, de acordo com o procedimento, a massa de NaOH utilizada teria que ser 20% maior do que a quantidade estequiométrica. Portanto, a massa utilizada foi: PAGE \* MERGEFORMAT 27