O Experimento da Garrafa Azul Conceito químico demonstrado: Reações reversíveis de oxidação-redução Demonstração: Subsídios Teóricos: Reações reversíveis de oxidaçãoredução Número de oxidação (NOX) O NOX e o tipo de ligação Chamamos de número de oxidação ou nox a carga assumida por um átomo quando a ligação que o une a um outro é quebrada. Existem três casos a serem analisados com relação ao nox de um elemento: composto iônico, covalente e substância simples. Num composto iônico, o nox é a própria carga do íon, pois quando a ligação se rompe, já ocorreu a transferência do elétron do átomo menos para o mais eletronegativo. Na formação do NaCl, o Na passa de 11 para 10 elétrons e o Cl passa de 17 para 18 elétrons. O Na fica com carência de 1 elétron e assume a carga 1+, o Cl fica com excesso de um elétrons e assume a carga 1-. Então, os nox do Na e do Cl, neste composto, serão respectivamente 1+ e 1-. Num composto covalente assume-se que a ligação covalente se quebra e que o par de elétrons fica com o átomo mais eletronegativo. Na molécula de HCl, o átomo mais eletronegativo é o Cl e o menos é o H. O Cl adiciona um elétron à sua eletrosfera, enquanto o H perde um. Então, os nox do Cl e do H serão, respectivamente, 1- e 1+. Em uma substância simples, os nox de todos os átomos componentes é igual a zero, pois não é possível a existência de diferenças de eletronegatividade. Exemplos: S8, H2, O2, P4, Cgraf, Cdiam. Regras para a determinação do NOX Metais alcalinos 1+ Metais alcalino-terrosos 2+ Oxigênio (menos nos peróxidos, em que é 1-) 2Hidrogênio (menos nos hidretos, em que é 1-) 1+ Alumínio (Al) 3+ Zinco (Zn) 2+ Prata (Ag) 1+ Substâncias simples 0 A soma dos números de oxidação num composto é igual a zero. A soma dos números de oxidação num íon composto é igual à carga do íon. Exemplos Compostos binários O nox de um dos elementos deve ser conhecido para que o outro possa ser calculado. Na Cl O Na por ser metal alcalino, tem nox igual a 1+. Como a soma dos nox num composto é igual a zero, o Cl tem nox igual a 1-.
Compostos ternários O nox de dois dos elementos deve ser conhecido para que o terceiro possa ser calculado. H2SO4 O H tem nox igual a 1+. O O tem nox igual a 2-. O nox do S, por ser variável, não consta de tabelas e deve ser calculado. 2 átomos de H somam uma carga total de 2+. 4 átomos de O somam uma carga total de 8-. Para que a carga do composto como um todo seja igual a zero, a carga do S tem de ser igual a 6+. Íons A somatória das cargas deve ser igual a carga total do íon. (NH4)+ O nox do H é igual a 1+. Como os H são em número de 4, a carga total deles é igual a 4+. Para que a carga total seja igual a 1+, o nox do N tem de ser 3-. (SO4)2O nox do O é igual a 2-. Como são 4 átomos de O, sua carga total é igual a 8-. Para que a carga total do íon seja igual a 2-, o nox do S tem que ser igual a 6+. As reações de redução-oxidação (também conhecidas como reações redox) são as reações de transferência de elétrons. Esta transferência se produz entre um conjunto de espécies químicas, um oxidante e um redutor (uma forma reduzida e uma forma oxidada respectivamente). Para que exista uma reação redox, no sistema deve haver uma espécie que ceda elétrons e outra espécie que as aceite: O redutor é aquela espécie química que tende a ceder elétrons de sua estrutura química ao meio, ficando com uma carga positiva maior à que tinha. O oxidante é a espécie que tende a captar esses elétrons, ficando com carga positiva menor à que tinha. Quando uma espécie química redutora cede elétrons ao meio se converte em uma espécie oxidada, e a relação que guarda com seu precursor fica estabelecida mediante o que se chama um par redox. Analogamente, se diz que quando uma espécie capta elétrons do meio se converte em uma espécie reduzida, e igualmente forma um par redox com seu precursor reduzido. Exemplo: Reação de redução (ganho de elétrons) do FAD (Flavina Adenina Dinucleotídeo)
Demonstração: • •
KOH ou NaOH é dissolvido em água. Dextrose (glucose, glicose) é dissolvida nessa solução e azul de metileno é adicionado.
Precisaremos de
— água correspondente a 3 copos comuns: 550 a —
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600 ml, no total. 2 colheres e meia, das pequenas (colher de café), de hidróxido de sódio (soda cáustica); cerca de 10 a 11 gramas, no total. CUIDADO! Essa é uma substância que em contato com qualquer parte do corpo causa lesões graves. 9 colheres, das pequenas (café), de glicose (dextrose): cerca de 18 a 20 gramas; ele é encontrado em farmácias, drogarias e supermercados com o nome comercial de “Dextrosol”, açúcar para mamadeiras. 5 ml de solução de azul de metileno (encontrada pronta a 1% ou 2% em farmácias e drogarias) 3 frascos de 200 a 300 ml, de vidro ou plástico transparente, com tampa (podem ser garrafas de água mineral, de suco de frutas ou refrigerantes, com suas próprias tampas plásticas). No laboratório usaremos béqueres. 1 garrafa de 2 litros -PET- ou frasco grande de vidro, para dissolver os ingredientes (não devem ser usados recipientes de alumínio, pois seriam corroídos pela soda cáustica). No laboratório usaremos erlenmeyers.
Preparo da solução a — Coloque os 3 copos de água na garrafa PET ou frasco grande. Acrescente quase todo o hidróxido de sódio (deixe um pouquinho para fazer eventuais ajustes finais de concentração). Agite até dissolver completamente (não passe para a etapa seguinte antes que todo o hidróxido tenha se dissolvido por completo). b— Em seguida, coloque quase toda a glicose nesta garrafa PET e agite. Acrescente de 60 a 80 gotas (3,0 a 4,5 ml) da solução azul de metileno e agite. c— A solução resultante, com frasco tapado, deve apresentar-se incolor quando estiver em repouso. Se não descolorir, vá acrescentando aos poucos o resto do hidróxido e da glicose até conseguir o efeito necessário -solução incolor. Quanto maior a concentração de glicose e/ou hidróxido, mais rapidamente ocorrerá a descoloração após a agitação.
d— Coloque a solução em 2 frascos (garrafas plásticas de 300 ml) incolores; um deve ficar semipreenchido e o outro completamente preenchido, sem restar ar. Tampe os frascos. Rotule-os, indicando a situação de cada um: letra A, para o que contém ar comum; letra B, para o frasco completamente cheio, sem ar 'visível' entre a solução e a tampa. A solução preparada tem vida útil de apenas algumas horas, não podendo ser armazenada. Se houver necessidade de se preparar solução-estoque para vários dias, proceda como segue: 1— Dissolva o hidróxido de sódio usando metade da água necessária, ou seja, um copo e meio. Coloque esta solução em um frasco bem tapado e guarde-o. 2— No outro copo e meio de água que sobrou dissolva a glicose. Guarde esta solução num segundo frasco bem tapado (se for em garrafa plástica, bem 'tampado'). 3— Num terceiro frasco mantenha a solução de azul de metileno. Na hora de usar é só juntar volumes iguais das duas primeiras soluções (1 e 2) e colocar algumas gotas de azul de metileno (3). Por exemplo, meio copo da primeira solução (1) mais meio copo da segunda solução (2) e, aproximadamente, vinte gotas da solução de azul de metileno (3).
Primeira investigação a) Verifique se o frasco A está bem tapado. Agite-o vigorosamente. Em seguida deixe-o em repouso. O que ocorre? Anote. b) Será que existe alguma substância azul no fundo do frasco ou na superfície do líquido e que, pela agitação, se espalha pelo líquido todo, colorindo-o? Faça observações adequadas para responder. Anote.
Segunda investigação Será que a cor azul resulta de uma reação química entre o liquido e a rolha (ou tampa) do frasco? Para testar esta hipótese, execute os seguintes procedimentos: a) Inverta o frasco A de tal forma que o líquido entre em contato com a rolha/tampa, sem agitação. Houve mudança de cor? Anote. b) Agite o liquido sem permitir seu contato com a rolha/tampa. Surge a cor azul? c) Afinal, qual a sua conclusão? O aparecimento da cor azul é provocado ou não pelo contato do líquido com a rolha? Anote.
Terceira investigação
Será que a cor azul resulta da elevação da temperatura pelo contato das mãos aquecendo o frasco? Faça observações adequadas para responder. Anote.
Segunda investigação a) Não. b) Sim. Terceira investigação
Quarta investigação Será que existe mais alguma coisa dentro do frasco que possa reagir com a solução quando a agitamos? Para testar esta hipótese proceda da seguinte maneira: a) Agite vigorosamente o frasco B (o que está completamente cheio de solução). Se julgar necessário, para ajudar na agitação, coloque uma pedrinha dentro do frasco. Seque-o por fora e agite-o cuidadosamente. Surge a coloração azul? Anote. b) Se surgir alguma coloração azul, ainda que bem fraca, agite mais algumas vezes. A coloração volta a aparecer? Anote. c) Jogue fora uma pequena parte da solução do frasco B (por exemplo o equivalente a uma colher de sopa). Tape-o e agite-o vigorosamente. Jogue fora mais uma pequena parte da solução, tape o frasco e agite-o novamente. Continue com este procedimento até que a solução fica ao redor da metade do frasco. O que vai acontecendo com a intensidade da cor azul? Anote os resultados das experimentações. d) Impeça completamente a entrada de ar no frasco semipreenchido A, usando fita adesiva, vela derretida ou simplesmente apertando bem a rolha/tampa. Repita várias vezes o ciclo repouso/agitação/repouso (incolor/azul/incolor). Verifique se vai havendo alguma alteração nos resultados. Anote. e) Rompa o lacre do frasco A. Tire a rolha/tampa e permita a entrada de ar, fazendo pequenas agitações sem a rolha. Tape-o novamente — sem precisar lacrar —e agite vigorosamente. A coloração azul reaparece? Anote. f) Qual é a sua conclusão? Será que o ar tem alguma participação na reação química que forma a substância azul? Anote. g) Se ar e líquido estão juntos dentro do recipiente A, por que é necessário agitar para produzir a cor azul? h) Será que na superfície de contato (interface) entre o ar e o líquido já estaria ocorrendo a reação de formação da substância azul, mesmo sem agitação? Faça uma observação cuidadosa da superfície do liquido e responda.
Resultados prováveis Primeira investigação a) O liquido, inicialmente incolor, fica _ _ _ _ _ _ _ _ _ depois da agitação e volta a ser incolor mediante repouso. b) Às vezes consegue-se notar uma finíssima camada _ _ _ _ _ na superfície do liquido, mas, em geral, parece não existir previamente nenhuma substância dessa cor no interior do frasco.
Segurando o frasco com as mãos _ _ _ _ _ _ (há, não há?) mudança de cor. Quarta investigação a) Não surge a coloração azul intensa. No máximo poderá surgir, na primeira agitação, uma fraca. cor azul. b) Não. c) Aparece cada vez mais a cor azul. d) A coloração azul vai ficando cada vez mais fraca, se o frasco for agitado muitas e muitas vezes. e) Sim. f) A conclusão é sua. g) A conclusão é sua. h) Existe uma fina (ou finíssima) camada azul na superfície do líquido.
Interpretação 'superficial' dos resultados A finíssima camada azul que, às vezes, pode ser notada na superfície do líquido do frasco A, antes de qualquer agitação, não pode ser responsável pela fortíssima coloração azul que aparece em toda a solução após ela ter sido agitada. Como não aparece a cor azul quando o líquido simplesmente toca a rolha, sem ser agitado, não se pode atribuir o aparecimento da cor ao contato do líquido com a rolha. Como não ocorreu a formação da substância azul no frasco que não continha ar (frasco B), podemos concluir que o ar tem participação no processo químico que resulta na formação da substância azul. Essa interpretação é reforçada pela observação de que, no frasco B, passou-se a obter a cor azul depois que se retirou dele parte da solução e se permitiu a entrada de maior quantidade ar. A hipótese de que o ar, ou um de seus componentes, toma parte na reação é comprovada também por um outro fato: o frasco A (que contém liquido e ar), com tampa lacrada à prova de entrada de ar, deixou de se colorir depois de várias agitações. Podemos concluir que isto aconteceu porque o componente do ar que participa da reação química foi totalmente consumido. Portanto, é bastante grande a soma das evidências de que uma das substâncias químicas presentes no ar é responsável pela formação da substância azul. A agitação aumenta o contato e a dissolução do ar no líquido e permite que a reação química ocorra em toda a massa de líquido. É esse componente do ar atmosférico que também se 'dissolve' na água dos lagos, rios e mares. É o oxigênio desse ar dissolvido que os peixes respiram através das brânquias. Também a água recentemente fervida — por ter perdido os gases que estavam dissolvidos — tem gosto diferente da água não fervida. É suficiente agitar
esta água fervida, com uma colher, por exemplo, para que seu “sabor” seja restabelecido. Resumindo as conclusões obtidas a partir da experimentação, podemos escrever: ar → agitação → ar dissolvido ar dissolvido + solução → reação rápida → substância azul É importante assinalar que os procedimentos acima permitem concluir, apenas, que o ar, ou um de seus componentes, reage com algum dos ingredientes do líquido, formando a substância azul. E a volta do liquido azul para liquido incolor? Os procedimentos experimentais adotados permitem alguma conclusão? A única conclusão possível é que a substância azul inverte sua reação dentro do líquido, então em repouso, e se transforma em substâncias incolores. substância azul → solução → (reação lenta) → substâncias incolores Os detalhes das reações, tanto aquela da formação da substância azul quanto sua transformação em substâncias incolores, não podem ser explicados em nível elementar, nem é esse o propósito inicial desse trabalho, como alertamos. Mas, podemos nos aventurar 'um tantinho' nesse mundo teórico:
Explicações químicas (incluindo importantes equações): A mudança de cor resulta da reação de _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ reversível do indicador _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _. Em soluções de substâncias como KOH ou NaOH, _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ (ácidas ou alcalinas?), o monossacarídeo _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ é oxidado a ácido D-glucônico ou alfa-D-gluconolactona.
Resumidamente, o que se passa é o seguinte: Experiências cuidadosas e com maiores recursos determinaram que a glicose, em meio alcalino, é redutora. Ela reduz (reduzir → ceder elétrons) lentamente o azul de metileno até leuco-metileno, que é incolor. Sob agitação, o gás oxigênio presente no ar se dissolve no liquido e, rapidamente, re-oxida (oxidar → receber elétrons) o leucometileno até azul de metileno. Este, novamente, é reduzido a leuco-metileno e fecha o círculo. Assim, o leuco-metileno não é consumido na reação global, tendo apenas função intermediária e sendo regenerado, em seguida, na reação. Substâncias que desempenham esta função são chamadas catalisadores. A reação que superficialmente estudamos é uma das poucas onde se pode observar 'visualmente' o papel do catalisador. Neste caso, como geralmente acontece, o catalisador produz um intermediário (a substância azul), que reage em seguida e regenera o catalisador (leucometileno). Desta forma, no conjunto das reações, são consumidas as substâncias oxigênio e glicose. Observações adicionais: Quando o indicador é inicialmente adicionado à solução, esta se torna _ _ _ _ _ _ _ . A cor gradualmente diminui até se tornar _ _ _ _ _ _ _ _ _ _. A cor reaparece quando o frasco é vigorosamente sacudido. A cor então começa a desaparecer novamente.
A reação se dá com o grupo funcional _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ da base, conforme mostrado na equação abaixo. HOCH2(CHOH)4CHO + 3OH- → HOCH2(CHOH)4CO2- + 2H2O +2e Durante essa reação, o indicador _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ é reduzido da forma _ _ _ _ _ (oxidada) para a forma incolor ( _ _ _ _ _ _ _ ). Sacudir o recipiente dissolve _ _ _ _ _ _ _ _ _ atmosférico na solução, o qual oxida o indicador de volta a forma azul (oxidada).
Referências (acessadas em 11 de maio de 2009) http://www.practicalchemistry.org/experiments/the-blue-bottleexperiment,269,EX.html http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6a/DGluconic_acid.png http://www.feiradeciencias.com.br/sala21/21_18.asp http://pt.wikipedia.org/wiki/Rea%C3%A7%C3%A3o_redox Você encontra este texto em http://sites.google.com/site/coisasdequimica/anhanguera
