Propriedades do Grupo VIII - Ferro, Cobalto e Níquel

Propriedades do Grupo VIII - Ferro, Cobalto e Níquel

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Introdução

Propriedades do grupo Ferro, Cobalto e Níquel

Os elementos metálicos ferro, cobalto e níquel são metais de transição do grupo 8, 9 e 10 respectivamente. São sólidos a temperatura ambiente e possuem grande dureza e altos pontos de ebulição e fusão. Formam a primeira tríade, nome dado devido à forte semelhança horizontal entre eles, sendo essa semelhança maior do que em qualquer outro grupo da tabela periódica (com exceção da serie dos lantanídeos que devido a sua contração lantanídea se assemelham fortemente).

Esses elementos são encontrados em abundância na natureza, com exceção do cobalto que tem uma abundancia pequena relativamente se comparado aos outros. Eles são muito importantes para o uso em ligas metálicas, construção de peças metálicas entre outras e tendo grande importância na manutenção biológica de seres vivos.

Ferro

O ferro é um metal de grande densidade (7,85 g/m3) e alto ponto de fusão (cerca de 1530 ºC) e ebulição (funde a 3000 ºC), sendo encontrado na natureza na sua forma pura com cor prateada e na forma sólida à temperatura ambiente. É um dos metais de maior importância no mundo, sendo empregado a fabricação de ligas de aço, encontrado em vários compostos, sendo ele muito reativo com oxigênio, oxidando-se muito facilmente, e sendo o mais importante dos metais de transição para animais e plantas. Sua importância biológica reside, nas plantas, no transporte de nutrientes, e nos animais, de várias formas, sendo a mais importante no transporte e armazenamento de oxigênio na hemoglobina.

O ferro é essencial ao nível da formação da hemoglobina do sangue e da respiração celular. Caso haja grande carência de ferro, o individuo poderá ter franqueza muscular, fraqueza capilar e anemia. É o quarto elemento mais abundante da crosta terrestre e o segundo metal mais abundante (só ficando atrás do alumínio). Devido a isso, o ferro teve grande importância histórica, por ser abundante e maleável, podendo ser empregado na construção de ferramentas e tendo um grande papel no desenvolvimento de civilizações, sendo principalmente muito usado desde a idade do ferro (cerca de 1200 a.C.), quando o homem aprendeu e desenvolveu a técnica de metalurgia do ferro, já que o ferro era muito abundante e de grande dureza e resistência. Foi também de grande importância na revolução industrial, na fabricação de ferramentas e implementos motivados pelo desenvolvimento da obtenção do ferro, podendo diminuir o valor da obtenção e torná-lo viável para construção de pontes, navios, linhas ferrais, etc. Tem grande importância até os dias de hoje, sendo utilizado na fabricação de aço, uma liga de ferro e carbono de grande resistência. A diferença fundamental entre o ferro e o aço, é pela sua ductibilidade e facilidade em ser deformável por forja, laminação e extrusão, enquanto que uma peça em ferro fundido é fabricada pelo processo de fundição. Outro uso do ferro é o aço à prova de ferrugem chamado de aço inoxidável que é composto de ferro, cromo e níquel e usado em tecnologia médica, e ferramentas e materiais metálicos.

O ferro é um metal muito reativo tendo configuração eletrônica de (Ar) 3d6 4s2 sendo encontrado nos estados de oxidação II+ e III+ mais comuns e estáveis, encontrados mais facilmente na natureza e sendo encontrado nessa forma em vários compostos químicos e biológicos, e nos estados de oxidação de IV+ e VI+ menos comuns na natureza e menos estáveis.

Cobalto

O cobalto é um metal de transição situado no 9º período da tabela periódica possuindo grande densidade (8,9 g/cm3) e alto ponto de ebulição (cerca de 2900º) e fusão (cerca de 1450º) Se assemelha muito ao níquel e ao ferro, possuindo maior resistência e dureza que o ferro, tendo um aspecto banco azulado e lustroso. Por ser muito magnético, é empregado em ligas das quais se obtém imãs permanentes, cerca de 20 a 30 vezes mais fortes que ímãs de ferro. Devido à sua dureza e resistência, é empregado na construção de turbinas de jatos e em ligas para fabricação de brocas e para perfuração de rochas substituindo o uso do diamante. Também é usado para pigmentação de cerâmicas, tintas, vidros entre outros. Tem grande importância biológica para animais, sendo componente essencial para um solo fértil, presente também em algumas enzimas e na vitamina B12 não sendo muito reativo (diferente do ferro, que oxida facilmente em contato com oxigênio e água).

Vem sendo usado desde a idade média na forma de óxido de cobalto apara confecção de vidros com coloração azul. O nome do elemento é proveniente do alemão “kobalt” ou “kobold”, que significava “espírito maligno” ou “demônio das minas”, chamado assim pelos mineiros devido a sua toxidade.

Sua configuração eletronica é (Ar) 3d74s2, tendo estados de oxidação de II+ e III+ mais estáveis presentes em compostos e na forma I+ e IV+ pouco estáveis e pouco comuns.

Níquel

O níquel é conhecido desde aproximadamente o século IV a.C. É um metal abundante que, por suas propriedades, é amplamente utilizado. Possui cor branca prateada. Uma de suas características principais é a boa condutividade elétrica, pouca reatividade com água ou oxigênio, boa maleabilidade, elevado ponto de fusão (1453 ºC) e de ebulição (2913 ºC), grande resistência mecânica, à corrosão e a oxidação, possui densidade de 8,9 g/cm3 e boa durabilidade e dureza. Devido a estas propriedades, é muito utilizado em ligas metálicas ferrosas e não ferrosas. Em compostos simples, o níquel é predominantemente iônico na forma Ni II+ na maioria de seus complexos. Possui também grande papel biológico presente em muitas enzimas. Serve como agente oxidante para o hidrogênio, possuindo características parecidas com o ferro. Devido a suas semelhanças é também empregado a instrumentos maleáveis como cordas de guitarra, e devido a ser pouco reativo, à fabricação de cadinhos de metal e utilizado na cunhagem de moedas.

É um metal de transição presente no 10º período e possui configuração (Ar) 3d8 4s2 eletrônica cinco estados de oxidação I-, II+ e III+ são os mais estáveis e comuns presentes em ligas e compostos, e nos estados I+,e IV+ menos estáveis e comuns.

Objetivos

Verificar por meio de reações as características dos elementos do grupo VIII, ferro, cobalto e níquel, tendo em vista principalmente a variação de seus estados de oxidação e coloração.

Procedimento experimental

  1. Materiais utilizados

- Solução de sulfato ferroso (FeSO4);

- Solução 0,1 mol/L de hidróxido de sódio (NaOH);

- Solução de ácido clorídrico (HCl);

- Solução de nitrato de níquel (Ni(NO3)3);

- Solução de cloreto cobaltoso (CoCl2);

- Solução 3% de peróxido de hidrogênio (H2O2);

- Solução de hipoclorito de sódio (HClO);

- Tubos de ensaio;

- Pipetas.

  1. Procedimento

  • Propriedades do ferro.

Em um tubo de ensaio, adicionou-se uma pequena quantidade de solução de FeSO4, e, em seguida, adicionou-se algumas gotas de solução de NaOH, até haver a formação de precipitado.

A seguir, o conteúdo do tubo foi dividido em dois tubos de ensaio. No primeiro tubo, foram adicionadas algumas gotas de solução de HCl. Ao segundo tubo deveria-se ter adicionado excesso de álcalis, porém, como na primeira parte do procedimento já houve a rápida conversão de Fe2+ a Fe3+, isto não se fez necessário.

  • Propriedades do cobalto.

Adicionou-se uma pequena quantidade de solução de CoCl2 a um tubo de ensaio, e em seguida, adicionou-se algumas gotas de solução de NaOH, até a formação de uma mistura de cor azul com formação também de um precipitado rosa. Em seguida, adicionou-se algumas gotas de H2O2.

  • Propriedades do níquel.

Preparou-se três tubos com solução de nitrato de níquel, e adicionou-se a cada um dos tubos algumas gotas de solução de NaOH, até a formação de um precipitado. O primeiro tubo foi utilizado como padrão de comparação, ao segundo tubo, adicionou-se algumas gotas de solução de H2O2, e ao terceiro tubo, adicionou-se algumas gotas de solução de hipoclorito de sódio.

Resultados e discussão

Propriedades do ferro

Ao adicionar hidróxido de sódio ao tubo contendo sulfato de ferro, deveria-se observar a formação de hidróxido de ferro (II), caracterizado pela formação de precipitado verde:

FeSO4(aq) + 2NaOH → Fe(OH)2(aq)↓+ Na2SO4(aq)

Porém, o que observou-se foi a formação de um precipitado marrom, formado pela rápida oxidação do Fe(OH)2, já que a reação ocorre em um sistema aquoso e aberto,suscetível à presença do ar atmosférico:

Fe(OH)2 + H2O 2Fe(OH)3↓+ H2O + OH-

Logo após a formação de hidróxido de ferro (III), a solução foi dividida em 2 tubos:

Ao 1º tubo, adicionando-se ácido clorídrico, a solução ficou alaranjada, devido à formação do cloreto férrico:

Fe(OH)3(aq) + 3HCl → FeCl3 + 3H2O

Ao 2º tubo, adicionando-se hidróxido de sódio, não obteve-se nenhuma alteração, pois o Fe(OH)3 não reage, porque o ferro não alcança a valência 4+ facilmente para formar Fe(OH)4.

Propriedades do Cobalto

Adicionando-se hidróxido de sódio ao cloreto de cobalto, observou-se a formação uma mistura de precipitados de coloração azul e rosa.

A solução de cloreto de cobalto é usada comumente para indicar a presença de água, tanto no papel de cloreto de cobalto como na forma de indicador adicionado ao agente. Quando o composto se torna de coloração azul podemos dizer que está parcialmente desidratado, e quando indica a presença de água torna-se de coloração rosa. O cloreto de cobalto foi usado no estado aquoso, o que faz muita diferença em uma reação, comprovando então nossa discussão. Segue- se a reação:

CoCl2(aq) + 2 NaOH → Co(OH)2 + 2 NaCl

Adicionou-se, então, peróxido de hidrogênio e observou-se então que o hidróxido divalente é lentamente transformado em hidróxido de cobalto (III).

Houve constante liberação de gás e liberação de calor, sendo uma reação exotérmica.

A reação é descrita pela equação abaixo:

Co(OH)2 + H2O2 → Co(OH)3 + OH-

Comparando os resultados do íon ferro e do íon cobalto podemos dizer que o íon Fe(II), reage rapidamente com ar úmido formando uma camada de óxido no ferro, porém no íon Co(II) a reação é mais lenta. O cobalto tem caráter redutor mais forte do que o ferro, e podemos sim justificar considerando suas posições na tabela periódica. A tendência de formar íons trivalentes decresce ao longo do período. Nos metais ferrosos, a reatividade decresce do ferro para o cobalto. Assim Fe+3 é o estado usual do ferro, mas Co+3 é um forte agente oxidante, a não ser quando complexado.

Propriedades do Níquel

Em 3 tubos de ensaio contendo nitrato de níquel adicionou-se hidróxido de sódio e observou-se a formação de precipitado verde nos 3 tubo. A reação segue descrita pela equação abaixo:

Ni(NO3)2 + NaOH  Ni(OH)2↓ + 2NaNO3

Ao adicionar-se peróxido de hidrogênio a um dos tubos de ensaio, pode-se ver que houve liberação de gás da solução e não alterou sua cor. A reação é descrita pela equação abaixo:

H2O2 H2O + ½ O2

A solução de peróxido de hidrogênio não oxida o hidróxido de níquel(II) de coloração verde, mas o precipitado do hidróxido de níquel(II) catalisa a decomposição do peróxido de hidrogênio para oxigênio e água sem nenhuma alteração visível, por isso observamos somente liberação de gás mas a cor manteve-se a mesma.

Ao outro tubo de ensaio adicionou-se hipoclorito e este oxidou a solução de hidróxido de níquel (II) a hidróxido de níquel (III) e esta formou precipitado preto, de acordo com a reação:

Ni(OH)2↓ + NaClO → 2 Ni(OH)3↓ + NaCl

Conclusões

Neste experimento, pode-se concluir que apesar de se encontrarem em famílias diferentes, de acordo com a nomenclatura mais recente (desde 1986) recomendada pela IUPAC, as famílias do ferro, níquel e cobalto apresentam comportamentos muito parecidos, o que justifica a antiga nomenclatura, que incluía as três colunas em uma mesma família. Os três metais possuem os mesmos comportamentos em meio ácido e também em meio alcalino e formam compostos estáveis com praticamente os mesmos números de valência.

Referências

SHRIVER, D.F.; ATKINS, P. W. Química Inorgânica. Tradução de Maria Aparecida Gomes. 3 ed. Porto Alegre: Bookman, 2003.

LEE, J.D.. Química inorgânica não tão concisa. 4 ed. EEB, 1996.

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