O ciclo de cobre é uma sequência de reacções sucessivas que permitem recuperar o metal inicial (cobre), ou seja, são sequências que têm como inicio e fim o cobre.
O objectivo do trabalho é fazer com que nós, alunos, apliquemos um conjunto de processos químicos e físicos integrantes de um ciclo de cobre. Temos também como objectivo, caracterizar a reactividade dos elementos metálicos, nomeadamente do cobre; reconhecer a importância da reciclagem dos metais em geral e identificar alguns problemas de poluição relacionados com a reciclagem do cobre.
O problema proposto nesta actividade laboratorial foi “Será possível reciclar uma substância usando processos químicos com rendimento de 100%?”. Tendo em conta esse problema, devemos ver de que depende o rendimento
dessa experiência e ver se é possível obter um rendimento com esse valor. Introdução Teórica O cobre é um elemento químico de símbolo
Cu
e tem número atómico 29.
É considerado um metal de transição estando localizado local izado no grupo 11, 4º período, bloco d da tabela periódica. Propriedades atómicas
Informações Informações diversas
Massa
Electronegatividade 1,90
63,6
atómica Raio atómico 135 (145) pm
Condutividade
59,6 x
eléctrica
106 /m ohm
Raio
138 pm
covalente
Condutividade
401
térmica
W/(mK)
Configuração 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s13d10 1ª Energia de
745,5
electrónica
KJ/mol
ionização
É um dos metais mais importantes industrialmente e á temperatura ambiente encontra-se no estado sólido. Tem uma coloração avermelhada, é
dúctil, maleável e bom condutor de electricidade. Em solução aquosa apresenta-se normalmente como Cu (H2O) 2+ (embora também forme catiões monopositivos) e tem uma cor azul- cobalto característica. O óxido de cobre
(II), formado quando o cobre é aquecido em presença de oxigénio, tem cor negra. Tal como os outros metais, o cobre apresenta uma baixa energia de
ionização, logo um elevado poder redutor. Actualmente é utilizado essencialmente para a produção de materiais condutores de electricidade, como fios e cabos, e em ligas metálicas, como latão e bronze. O ciclo de cobre é um conjunto de reacções que começam numa liga de cobre para formar cobre puro, que possa ser utilizado novamente. É por isso um processo de reciclagem de cobre.
As reacções observadas ao longo do ciclo de cobre são:
As reacções acima referidas são reacções de oxidação – redução. Este tipo de reacções ocorre quando ocorrem transferências de electrões. Neste tipo de reacções existem dois tipos de substâncias – o oxidante e o redutor. Oxidante é a espécie química que, numa reacção química, capta electrões,
isto é, é reduzida, provocando a oxidação da outra espécie. O oxidante é o aceitador de electrões. Redutor é a espécie química que, numa reacção química, cede electrões, isto é, é oxidada, provocando a redução da outra espécie química. O redutor é o dador de electrões. Também ocorrem reacções ácido-base e reacções de precipitação. As primeiras são reacções entre soluções aquosas ácidas e soluções aquosas básicas. Nessas reacções forma-se sempre uma substância pertencente à categoria dos sais e ainda água. As últimas, reacções de precipitação, são processos químicos em que um dos produtos da reacção forma pequenas partículas sólidas que ficam em suspensão no seio de uma solução (precipitado). Esse sal é muito pouco solúvel, ou seja, com baixa solubilidade. Assim sendo, as reacções A e E são de oxidação – redução; a reacção D é reacção ácido base, a reacção B é uma reacção de precipitação e a reacção C é uma reacção de composição por calor. Todas as reacções são exotérmicas. Reacções exotérmicas são reacções que transferem energia para o exterior, sob a forma de calor, num sistema
fechado que, então, fornece energia às suas vizinhanças. Tratando -se de um sistema isolado, a temperatura do sistema aumenta durante a reacção até
ser atingido o equilíbrio. Isto é, aumenta o grau de agitação atómico molecular.
Utilizamos também a Lei de Lavoisier. Segundo esta lei, nas reacções químicas em sistema fechado, a soma total das massas das espécies envolvidas na reacção (reagentes) é igual à soma total das massas das substâncias produzidas pela reacção (produtos de reacção), ou seja, num sistema químico fechado em reacção, a massa total permanece constante. Esta lei também pode ser enunciada da seguinte forma: "Na Natureza nada se cria e nada se perde, tudo se transforma". O rendimento, de uma reacção química está relacionado com a quantidade
de produto obtido relativamente à quantidade de reagente limitante consumido, apresentando uma reacção um rendimento de máximo, 100 %, sempre que todo o reagente limitante se transforma em produto, o que corresponde a uma reacção completa. Sempre que tal não acontece, reacção
incompleta, o rendimento da reacção é inferior a 100 %.
. Placa de aquecimento . Vareta de vidro
. Vidro de relógio . Balança analítica . Goblé de 100 mL . Espátula . Luvas de plástico
. Pipeta . Pipeta graduada . Bata
1. Cortamos um fio de cobre de modo a obter uma amostra com cerca de
0,3g; 2. Pesamos a amostra e registamos o valor da massa efectivamente medida. 3. Colocamos o fio no fundo de um goblé.
4. Na hotte, adicionamos 5 mL de HNO 3 concentrado. Agitamos suavemente
até a dissolução estar completa. Observamos e registamos as alterações.
5.
À solução de Cu(HO3)2 adicionamos a solução de NaHO 3
mol/dm3 (V=30,0mL) e agitamos com uma vareta de vidro para precipitar Cu(HO)2 até não haver formação de mais precipitado. Registamos todas as
observações.
6. Aquecemos, quase até à ebulição, a solução contida no goblé, agitando
sempre para uniformizar o seu aquecimento. 7. Após a reacção estar completa e retiramos o aquecimento.
8. Deixamos repousar o sólido formado e retiramos, com cuidado, o líquido
sobrenadante por decantação. Lavamos o sólido com 3 -4mL de água desionizada, agitamos e decantamos uma vez mais.
9. Adicionamos, ao sólido, cuidadosamente e gota a gota, a solução de
H2SO4 6 mol/dm3, até dissolver todo o sólido. Registamos as alterações.
10. No goblé, adicionamos, de uma só vez, cerca de 1,3g de zinco em pó,
agitando até o líquido sobrenadante ter ficado incolor (adicionamos mais um pouco de zinco de modo a transformar todos os iões de cobre (Cu2+)
contidos na solução em cobre sólido.) Registamos as alterações. 11. Para eliminar a possível existência Zn por reagir, adicionamos, gota a
gota a solução de HCl 3 mol/dm3. Agitamos e deixamos repousar. 12. Quando não observamos mais libertação de gás, decantamos o líquido.
Lavamos com cerca de 3-4mL de água desionizada, deixamos repousar e
decantamos o líquido. Repetimos este procedimento, pelo menos, mais duas vezes. 13. Colocamos o gobelé com o sólido a secar à temperatura ambiente
durante alguns dias (o ideal era utilizar uma estufa, controlando, assim, a temperatura). 14. Pesamos novamente e registamos para posterior cálculo do rendimento.
O rendimento obtido foi de 47,9%, um valor que é um pouco abaixo do que
seria de esperar. Este valor pode ser explicado pelas decantações que foram realizadas: a primeira com o objectivo de remover a solução de NaNO 3 , a segunda para remover a solução de sulfato de zinco e a terceira para remover o HCl e zinco presentes. Estas podem conduzir a perdas de produto
devido à falta de precisão. Outro factor que poderá estar associado ao baixo rendimento será o facto de algum cobre ter ficado alojado nas paredes do goblé. Podem também ter ocorrido erros nas medições de massas devido à má calibração das balanças ou erros acidentais. Todas as reacções que envolveram manuseamento de ácidos foram realizadas na hotte com o objectivo de evitar possíveis acidentes. Ao longo do procedimento verificaram-se mudanças de cor nas soluções.
Essas alterações advêm das reacções observadas. Quando o cobre reagiu com o ácido nítrico (oxidando-se) a sua tonalidade mudou para verde libertando-se o gás NO2. Quando ficou totalmente oxidado, a sua cor tornou-se azul. Quando ocorreu um aquecimento, surgiu um precipitado de
óxido de cobre (de cor negra) e um líquido sobrenadante (incolor). Na altura em que se juntou ácido clorídrico ao precipitado, o cobre foi novamente dissolvido e voltou à cor azul. Já o líq uido sobrenadante adquiriu uma cor acastanhada.
No procedimento, não foi necessário proceder à lavagem do cobre, pois este estava envolvido em plástico, não estando por isso oxidado. É necessário recolher o líquido sobrenadante como resíduo no passo 11 (ZnSO4), pois tem interesse económico e é prejudicial para o ambiente.
Com esta actividade laboratorial pudemos perceber que a reciclagem do
cobre poderá acarretar alguns malefícios ambientais. Dado que o cobre é um metal muito reactivo, em contacto com á cidos liberta certos gases que podem prejudicar o ambiente. Apesar destas contrapartidas, a sua
reciclagem é fácil e económica, o que a torna uma prática comum. Para que o ambiente seja protegido, é necessário promover a reutilização de metais como o cobre, que em contacto com certas substâncias possam trazer danos para o ambiente.
As reacções observadas ao longo do ciclo de cobre são:
O Cu, é oxidado pelo ácido nítrico, libertando -se óxido de azoto, de cor acastanhada.
A esta solução é adicionado hidróxido de sódio, que causa a precipitação do cobre (como hidróxido de cobre).
Este precipitado, quando aquecido, na presença de oxigénio, decompõe -se, originando óxido de cobre.
Ao óxido de cobre é depois adicionado ácido sulfúrico, dissolvendo-se o óxido de cobre e formando-se sulfato de cobre, numa reacção ácido base.
O sulfato de cobre é posteriormente reduzido pelo Zn, que tem maior poder redutor, numa reacção oxidação -redução. No final da actividade laboratorial, poderíamos ter provado que o sólido recolhido no final era cobre através do teste da chama. Os testes da chama têm por base o aquecimento de uma amostra sólida. Está técnica é utilizada para identificar o ião positivo existente num sal puro. Os iões negativos
presentes, em geral, não interferem nesta análise. Quando os sais são
aquecidos, os electrões dos átomos podem ser excitados, ocorrendo então uma absorção de energia. Os electrões regressam depois ao estado fundamental, com a consequente libertação dessa energia sob a forma de uma chama colorida. Alguns elementos emitem radiação na região visível sendo possível, em alguns casos, identificar a presença desses elementos através da coloração que conferem à chama. No caso do cobre, a coloração seria azul ou verde. Ao longo deste relatório, as respostas às questões pós laboratoriais estão
assinaladas com o número da questão dentro de parênteses.
. C:\Users\TMN\Documents\12ºano\Química\Experiment 3.mht – consultado em 29/10/2010, pelas 22:59h. . Lei de Lavoisier. In Infopédia [Em linha]. Porto: Porto Editora, 2003-2010. Disponível na www: . [Consult. 2010-11-01, 14:53h]. . http://profs.ccems.pt/PauloPortugal/CFQ/redox/redox.htm - consultado em 1/11/2010, 14:55h . http://www.dq.fct.unl.pt/cadeiras/quimica1/material/teoria/livroQ1-2-pH.pdf consultado em 1/11/2010, 15:00h . http://profs.ccems.pt/PaulaFrota/acido-base.htm - consultado em 1/11/2010, 15:02h . http://profs.ccems.pt/PaulaFrota/precipitacao.htm - consultado em 1/11/2010, 15:30h . http://quimica12mafra.blogspot.com/2009/09/ciclo-do-cobre.html - consultado em 1711/2010, 15:45h . http://www.esffl.pt/documentos/programas/Quimica12.pdf - consultado em 1/11/2010, 15:46h . http://www.slideshare.net/hugosilvapinto/relatrio-um-ciclo-de-cobre - consultado em 3/11/2010, 16:00h . SIMÕES, T.; QUEIRÓS, M.; SIMÕES, M. (2005). Química Em Contexto 1. Metais e ligas metálicas – Química 12º ano. Porto. Porto Editora. . http://ciencias3c.cvg.com.pt/reciclagem.htm - consultado em 7/11/2010, 19:33h
. http://www.metalmundi.com/si/site/1114 - consultado em 7/11/2010, 20:00h . http://nautilus.fis.uc.pt/bl/conteudos/42/pags/videosdivulgcientifica/chama/ index.html - consultado em 7/11/2010, 20:30h . http://pt.wikipedia.org/wiki/Teste_da_chama - consultado em 7/11/2010, 20:31h
