ANO LECTIVO 12
º ANO
2014 / 2015 TURMA:
A
GRUPO de TRABALHO Nº
CLASSIFICAÇÃO
NOME Valore
A PRO!E""ORA
TITULO
Nº
#ATA
$/12/2014
“ Um ciclo de cobre”
:
Questão Problema
“Será possível reciclar uma substância usando processos químicos com rendimento de 100%?” Objetivo(s) do trabalho
Os objectivos propostos no programa para esta atividade laboratorial so! •
"escrever a reatividade de elementos metálicos# tendo como e$emplo a reatividade do cobre
•
&econ'ecer a importância da reciclagem do cobre e as potencialidades da reciclagem dos metais em geral
•
(denti)car problemas de polui*o relacionados com a reciclagem do cobre
•
Observar uma s+rie de reac*,es onde o produto inicial e )nal + o cobre# que se designa por “ciclo de cobre”
•
-on'ecer as esp+cies químicas envolvidas e eliminadas neste processo
•
.veri verigu guar ar a poss possib ibil ilid idad ade e de se recic ecicla larr um mate materi rial al recor ecorre rend ndo o a proc proces esso soss quími químico coss com um um rend rendim imen ento to de de 100% 100%
•
.veriguar a viabilidade da reciclagem do cobre
•
&econ'ecer &econ'ecer e aplicar regras de seguran*a a ter no laborat/rio
1
Introdução teórica
sta atividade e$perimental corresponde a um processo de reciclagem# uma ve2 que se utili2a cobre# susceptível de conter impure2as# para dar origem a cobre puro# permitindo# desta 3orma# a reutili2a*o do cobre O “-iclo do -obre” + assim designado uma ve2 que todas as rea*,es que o constituem t4m como reagente inicial e produto )nal o elemento cobre ste ciclo + utili2ado na reciclagem do cobre e tem como principal objetivo a remo*o de quaisquer impure2as que estejam presentes numa amostra de cobre inicial# dando origem a cobre puro O cobre tem o símbolo químico -u 5do latim cuprum6 e + um metal que aparece na 7ature2a vulgarmente sob a 3orma de alcosite 5-u 8S6 e cuprite 5-u8O6 9 temperatura ambiente encontra:se no estado s/lido# tem n;mero at/mico 8<# a sua cor + avermel'ada# + d;ctil# maleável e + um bom condutor el+trico ncontra:se no grupo 11# no => período# ou seja# no bloco d da tabela peri/dica um elemento de transi*o uma ve2 que o io -u 8@ tem orbitais d em preenc'imento . utili2a*o do cobre remonta aos prim/rdios da 'ist/ria da 'umanidade "e 3acto# in;meros 3oram os 3atores que contribuíram para que assim 3osse# a saber! a sua abundante e$ist4ncia A super3ície# no estado nativo# bem como a sua elevada maleabilidade e ductilidade : o que o tornava mais 3ácil de trabal'ar: assim como a sua cor particular: que permitia que o cobre 3osse 3acilmente identi)cado: e# por )m# o 3acto de o cobre ser um metal nobre# isto +# pouco reativo 5daí ser encontrado maioritariamente no seu estado nativo6 Bodos estes 3atores 3acilitaram o seu uso desde muito cedo Csado inicialmente no 3abrico de 3erramentas e utensílios# atualmente o cobre + utili2ado em equipamentos el+ctricos# nomeadamente! em motores el+tricos# elotrímanes e instala*,es el+tricas 5cabos# interruptores# entre outros6 tamb+m aplicado em ligas metálicas# como o lato e o bron2e "este modo# e$istem esculturas# moedas e decora*,es em que o elemento cobre se encontra 9 semel'an*a de outros metais# o cobre apresenta uma bai$a energia de ioni2a*o 5energia necessária para remover uma mol de eletr,es de uma mol de átomos no estado 3undamental e gasoso# originando cati,es6# e# por 2
consequ4ncia# um elevado poder redutor &eage com alguns ácidos como o ácido 7ítrico 5D7O E6 ou ácido Sul3;rico 5D 8SO=6# sendo o$idado pelo anio do ácido e no pelo D @# uma ve2 que este possui um poder o$idante menor que o -u# logo no ocorre reac*o Outra propriedade que releva nesta e$peri4ncia + a reatividade dos metais . reatividade depende da eletropositividade dos metais Fuanto mais eletropositivo 3or o elemento em questo# mais reativo será o metal Os metais mais reativos so os menos nobres# isto +# aqueles que t4m grande tend4ncia para perder electr,es# 3ormando i,es positivos com maior 3acilidade . bai$a reatividade + característica dos metais nobres como por e$emplo o ouro# a prata# a platina e# at+# o cobre O ouro# a título de e$emplo# demora mil'ares de anos a so3rer o$ida*o# o que demonstra# de 3orma implícita# a nobre2a deste metal e# por conseguinte# a sua bai$a reatividade 7a verdade# no e$iste nen'um metal verdadeiramente inerte Dá sim metais# como aqueles que enumerámos acima# que so muito estáveis quimicamente e# portanto# se o$idam a uma velocidade muito lenta .lgumas das rea*,es envolvidas nesta e$peri4ncia possuem reagentes com alguma to$icidade 5qualidade que carateri2a o grau de virul4ncia de uma substância nociva para um organismo vivo6 e# no decorrer dessas mesmas reac*,es# libertam:se alguns gases t/$icos para o Domem e o ambiente Gosto isto# e de modo a evitar a contamina*o# algumas 3ases deste trabal'o 3oram reali2adas no interior da hotte O ciclo inicia:se com o cobre O )o de cobre# previamente cortado# deve encontrar:se devidamente limpo e sem quaisquer impure2as para que se possa obter um rendimento má$imo# sem que ocorram rea*,es paralelas . mistura da primeira solu*o 5de cor esverdeada6# obtida a partir dos reagentes -u e D7O E# reali2ou:se na hotte# uma ve2 que um dos produtos da rea*o 3oi um gás t/$ico amareladoHacastan'ado# o 7O 8 . rea*o anteriormente descrita# assim como todas as que se seguem# so observáveis a partir das seguintes equa*,es 5que se encontram de acordo com a ordem dos acontecimentos6! . 5&eac*o de O$ida*o:&edu*o6 3
-u 5s6 @ =D7O E 5aq6 ::::::I -u57O E68 5aq6 @ 8D 8O 5l6 @ 8 7O8 5g6 J 5 &eac*o de O$ida*o:&edu*o6 -u57OE68 5aq6 @ 8 7aOD 5aq6 :::::::::I -u5OD6 8 5s6 @ 8 7a7OE 5aq6 -
5&eac*o de "ecomposi*o6
-u5OD68 5s6 :::::::::I -uO 5s6 @ D 8O 5l6 5por aquecimento6 " 5&eac*o de Substitui*o6 -uO 5s6 @ D 8SO= 5aq6 :::::I -uSO = 5aq6 @ D 8O 5l6 5&eac*o de O$ida*o:&edu*o6 -uSO= 5aq6 @ Kn 5s6 ::::::I -u 5s6 @ Kn SO = 5s6
. reciclagem dos metais urge cada ve2 mais (sto acontece porque# na verdade# os metais so recursos no:renováveis e so cada ve2 mais utili2ados -omo tal# a sua reciclagem +# por motivos sociais# econ/micos e ambientais# descritos no parágra3o que se segue# imperativa . nível econ/mico# a reciclagem e$ige menor quantidade de energia do que a e$trac*o do min+rio da mat+ria:prima e# por conseguinte# menor custo . título de e$emplo# podemos re3erenciar o alumínio# metal cuja energia gasta no processo de reciclagem representa apenas L% da que se gastaria no processo de e$tra*o do min+rio . nível social# a reciclagem revela:se ben+)ca porque promove a cria*o de empregos nos diversos centros de recol'a# trans3orma*o de metais# entre outros Gor )m# a nível ambiental a reciclagem dos metais +# igualmente# relevante na medida em que se redu2 a quantidade de metais que terminam como resíduos# isto +# veri)ca:se uma diminui*o dos desperdícios metálicos no ambiente . título de concluso# a reciclagem dos metais implica que estes ten'am um período de vida ;til alastrado# permitindo a redu*o da e$tra*o dos metais da 3onte natural "esta 3orma# + possível um uso racional destes materiais )nitos 4
. reciclagem origina# igualmente# alguns male3ícios para o meio ambiente e para os seres 5no obstante# por compara*o A op*o da no reciclagem dos metais# estes male3ícios so pouco signi)cativos6 devido A necessidade de se utili2arem reagentes t/$icos e de se obterem produtos tamb+m eles portadores de alguma to$icidade # ainda# de salientar que os metais so os elementos que mais 3acilmente so reciclados uma ve2 que# durante este processo# as suas estruturas metálicas permanecem# praticamente# inalteradas# o que permite a obten*o de rendimentos elevados# na ordem dos <0%# usualmente . e)cácia e o rendimento da reciclagem dos metais assentam na típica liga*o dos metais# denominada liga*o metálica 7a liga*o metálica# ocorre sobreposi*o das nuvens eletr/nicas dos átomos# o que permite que os eletr,es de um átomo se movam nas nuvens eletr/nicas dos átomos adjacentes# ou seja# permite a e$ist4ncia de eletr,es deslocali2ados .ssim# os eletr,es de val4ncia no pertencem a nen'um átomo em particular . liga*o química nos metais )ca ento assegurada pelas 3or*as de atra*o entre os eletr,es deslocali2ados e as partículas constituídas pelo que resta da deslocali2a*o dos eletr,es de val4ncia sta liga*o metálica tem uma nature2a no direcional# logo# a distor*o no irá romper a liga*o metálica# pois o deslocamento dos átomos no altera as 3or*as de liga*o de 3orma signi)cativa 5daí os elevados rendimentos da reciclagem dos metais6
O rendimento relaciona a quantidade de produto obtido relativamente A quantidade de reagente limitante consumido uma determinada rea*o obt+m um rendimento má$imo# 100 %# caso o reagente limitante se trans3orme todo em produto# correspondendo a uma rea*o completa Sempre que tal no acontece# ou seja# o rendimento da rea*o + in3erior a 100 %# a rea*o designa: se de incompleta O rendimento de uma rea*o química raramente + de 100% ste 3acto deve:se a 3atores tais como! paragem da rea*o rea*,es secundárias que concorrem com a rea*o considerada# utili2ando os mesmos reagentes# ou# pelo menos# algum deles perda de produto no decorrer do processo estabelecimento do equilíbrio químico e$ist4ncia de impure2as# entre outros 5
.ssim sendo# para se calcular o rendimento de uma determinada rea*o recorre:se A seguinte 3/rmula! η=
mf mt
× 100
mf = massa de produto formado (g) mt = massa de produto formado se a reação fosse completa (g)
O rendimento pode tamb+m ser e$presso em 3un*o das quantidades químicas ou ainda em 3un*o do volume# no caso de se tratar de uma rea*o em 3ase gasosa 7este caso# e$primiu:se o rendimento em 3un*o das massas Material/!ui"amento e #ea$entes
•
Mola de madeira
•
Nidro de rel/gio
•
Groveta de 10 ml 5(ncerte2a @H: 0#16
•
obel+ de 800 ml 5incerte2a @H: 8LH86
•
obel+ de 100 ml 5incerte2a @H: 8LH86 rlenmePer de 8L0 mQ
•
Nareta de vidro
•
Gipeta de Jeral Gipeta graduada de L mQ
•
Jalan*a
•
spátula de metal
•
Bubos de ensaio e suporte
•
Hotte;
•
Jalo Nolum+trico de 100 mQ
•
-entri3ugadora
•
stu3a
•
Qamparina
•
Quvas de láte$ R/s3oros
#ea$entes •
cido Sul3;rico 5D 8SO=6 T 5U molHdm E6
•
cido 7ítrico 5D7OE6 T 5apro$imandamente 1LmolHdm E6 6
•
Rio de cobre 5-u6
•
gua destiladaHdesioni2ada
•
cido -lorídrico 5D-Q6 T 5EmolHdm E6
•
Kinco em p/ 5Kn6
•
7itrato de -obre 5-u57O E686: 51 molHdm E6 Didr/$ido de S/dio 57aOD6 T 58 molHdm E6
Procedimento
% -ortou:se um )o de cobre de modo a obter uma amostra com cerca de
0#Eg Mergul'ou:se a amostra numa solu*o de ácido clorídrico Qavou: se com álcool e secou:se com papel & Gesou:se a amostra e registou:se o valor da massa e3etivamente
medida
' nrolou:se o )o que 3oi posteriormente depositado se no 3undo de um
rlenmePer de 8L0mQ
NO3 ¿2 ( aq ) + 2 H 2 O ( l )+ 2 NO 2 ( g ) Cu ( s ) + 4 HNO3 ( aq ) →Cu ¿
7a hotte# 3oram adicionados =#0mQ de D7O E concentrado e tapou:se o balo .gitou:se suavemente at+ dissolu*o completa Observaram:se e registaram:se as altera*,es Brans3ereriu:se para um balo volum+trico de 100mQ com lavagens sucessivas de pequenas quantidades de água e completou:se com água at+ ao tra*o OH ¿2 ( s ) + 2 NaN O 3 ( aq )
N O 3 ¿2 ( aq ) + 2 NaOH →Cu ¿ Cu ¿
7
Brans3eriu:se# com uma pipeta# para um tubo de ensaio# LmQ da solu*o de -u57O E68 e adicionou:se# gota a gota# a solu*o de 7aOD 8molHdmE 5pipeta de Jeral6# agitando:se# com uma vareta de vidro# para precipitar -u5OD6 8 at+ no 'aver 3orma*o de mais precipitado &egistaram:se todas as observa*,es *
Cu ( OH )2 ( s ) →CuO ( s )+ H 2 O (l )
Por a!uecimento
.queceu:se# com o au$ílio de uma lamparina# quase at+ A ebuli*o# a solu*o contida no tubo de ensaio# agitando sempre para uni3ormi2ar o seu aquecimento + Fuando a rea*o se deu por completa# apagámos a lamparina# que já
no seria mais necessária , "ei$ou:se repousar o s/lido 3ormado e retirou:se# cuidadosamente# o
líquido sobrenadante# por decanta*o Qavou:se o s/lido com E:=mQ de água desioni2ada# agitou:se e centri3ugou:se -
CuO ( s ) + H 2 S O4 ( aq ) →CuSO4 ( aq ) + H 2 O ( l )
.dicionou:se# ao s/lido# cuidadosamente e gota a gota# a solu*o de D8SO= UmolHdmE contida noutra pipeta de Jeral# at+ se ter dissolvido todo o s/lido Seguidamente# registaram:se todas as altera*,es
%. CuSO 4 ( aq ) + Zn ( s ) → Cu ( s ) + ZnSO4 ( s )
.o tubo de ensaio colocado num suporte# adicionou:se# de uma s/ ve2# cerca de 0#Eg de 2inco em p/# tendo:se agitado at+ o líquido sobrenadante )car incolor Roram registadas as observa*,es %% Zn ( s ) + HCl ( aq ) → H ( g ) + ZnCl 2( aq )
Gara eliminar a possível e$ist4ncia de Kn por reagir# adicionou:se# gota a gota# a solu*o de D-l EmolHdm E %& Fuando se dei$ou de observar a liberta*o de gás# decantou:se o
líquido Gosteriormente# lavou:se com cerca de E:=mQ de água 8
desioni2ada# dei$ou:se repousar e decantou:se o líquido &epetiu:se este procedimento# pelo menos# mais duas ve2es %' -om a ajuda de uma vareta de vidro com polícia# trans3eriu:se o s/lido
5cobre6 para um vidro de rel/gio previamente pesado Secou:se na estu3a 5com temperatura controlada6 % Gesou:se novamente e registou:se o valor medido para posterior
cálculo do rendimento
Monta$em
9
10
#e$isto de dados / Observaçes
7o decorrer da atividade laboratorial registaram:se os seguintes dados! Massa($)
-obre inicial Nidro de rel/gio -obre )nal @ Nidro de rel/gio -obre )nal Babela 1! &egisto de dados
0#E 1V#8V 1V#8VL 0#00L
Roram ainda registadas as seguintes observa*,es a ter em conta! 7o momento em que se estava a juntar# na hotte, cido 7ítrico ao
-obre# libertaram:se vapores de cor amareladaHacastan'ada# a saber! di/$ido de a2oto 57O 86 necessário ter cuidado para no o inalar# uma ve2 que + t/$ico# como já 3oi re3erido na (ntrodu*o Be/rica .quando da liberta*o dos vapores t/$icos# a solu*o )cou a2ul escura e posteriormente a2ul clara# depois da adi*o de água desioni2ada A solu*o .o juntar os L ml de Didr/$ido de S/dio A solu*o de Didr/$ido de -obre# notou:se um aquecimento do tubo de ensaio# permitindo concluir que se estava a libertar energia durante esta rea*o# pelo que esta +# ento# e$oenerg+tica .inda no quinto passo# devido a adi*o de 'idr/$ido de s/dio# 3ormou:se um precipitado .o segurar o tubo de ensaio com a mola de madeira para que a solu*o aquecesse# 3oi necessário ter algum cuidado para que nen'um incidente ocorresse# uma ve2 que estávamos a trabal'ar com a c'ama da lamparina .o aquecer a solu*o# o precipitado anteriormente re3erido e o líquido sobrenadante tornaram:se# respetivamente! preto e transparente Rinalmente# ap/s a adi*o de ácido clorídrico# observou:se que apesar da elevada densidade do precipitado que se estava a tornar gradualmente mais avermel'ado T cobre: este continuava A super3ície do líquido sobrenadante# acabando por se depositar instantes depois 11
01lculos / 2n1lise dos resultados
-om estes dados + ento possível calcular o rendimento# recorrendo:se A 3/rmula já apresentada na introdu*o te/rica! η=
m f mt
× 100
m primeiro lugar# teremos de calcular a massa de cobre presente em L mQ da solu*o de -u57O E68 7a verdade# em 100 mQ de solu*o estavam presentes 0#Eg de -u .ssim sendo! m=
5 × 0,3 100
⟺
m=0,015 g
Depois da pesagem da massa final de cobre obtida, erificam!se todas as condi"#es necess$rias para o c$lc%lo do rendimento da actiidade e&perimental' O c$lc%lo do rendimento ( o seg%inte)
η=
η=
massa de cobre final ( g ) × 100 ⟺ massa de cobre presente em 5 mL dasolução ( g )
0.005 0.015
× 100 ⇔ η= 0.333 × 100
η= 33,3
-onclui:se# ento# que o rendimento da atividade prático:laboratorial reali2ada + de# apro$imadamente# EE#E% ste resultado pode dever:se a vários 3atores# como já 3oi re3erido na introdu*o te/rica# mas# neste caso# deve:se principalmente A perda de substância# veri)cada em várias etapas
12
0onclusão / 0ritica
"ada por concluída a e$peri4ncia da atividade prático:laboratorial “um ciclo de cobre” conclui:se que 3oi possível atingir os objetivos pretendidos ou# pelo menos# a maioria deles# uma ve2 que o rendimento obtido 3oi muito redu2ido# cerca de EE#E% O mesmo era espectável pois sabe:se que so vários os 3atores que inWuenciam o rendimento )nal Bal 3ato deve:se a erros cometidos durante o decorrer do processo tais como! erros de medi*o# má calibra*o das balan*as utili2adas# evapora*o de algumas substâncias# perda de reagentes e produtos de rea*o por ader4ncia aos materiais de trabal'o ou possíveis erros de parala$e 7o caso re3erido# o que mais inWuenciou negativamente o rendimento da e$peri4ncia 3oi o momento da decanta*o# no qual 'ouve um grande e$travio das substâncias Bornou:se imperioso a e$ist4ncia de alguns cuidados ao longo do decorrer de toda a e$peri4ncia tendo em conta a to$icidade que algumas das substâncias intervenientes apresentam Gor outro lado# tendo em conta todas as tecnologias e t+cnicas utili2adas para a reali2a*o deste tipo de reciclagem a nível industrial# sabe:se que o rendimento + muito mais elevado e# portanto# o ciclo + mais vantajoso# quer a nível econ/mico quer a nível dos recursos naturais# uma ve2 que no 'á tanto desperdício e 'á um maior controlo e rigor na reali2a*o dos processos na sua globalidade .ssim sendo# conclui:se que a reciclagem do cobre# recorrendo ao ciclo do cobre# + bastante viável porque# por norma# conseguem:se atingir rendimentos bastante elevados T apesar de no ter sido o caso : gastando menor quantidade de energia do que se se e$traísse o min+rio da mat+ria: prima# sendo# por isso# a reciclagem uma via economicamente mais viável Gara al+m disto# e como já 3oi re3erenciado na (ntrodu*o Be/rica# sendo o cobre# assim como todos os metais# um recurso no renovável# + conveniente que se recorra mais largamente A sua reciclagem "esta 3orma conservam:se recursos )nitos e diminuem:se os desperdícios metálicos Rinalmente# a reciclagem promove ainda a cria*o de empregos# sendo# portanto# uma mais:valia a nível social O rendimento de uma rea*o química raramente + de 100% ste 3acto deve:se a 3atores tais como! paragem da rea*o &ea*,es secundárias que 13
concorrem com a rea*o considerada# utili2ando os mesmos reagentes# ou# pelo menos# algum deles Gerda de produto no decorrer do processo stabelecimento do equilíbrio químico $ist4ncia de impure2as# entre outros 7o obstante# os metais so os elementos que mais 3acilmente so reciclados uma ve2 que# durante este processo# as suas estruturas metálicas permanecem# praticamente# inalteradas# o que permite a obten*o de rendimentos elevados# na ordem dos <0%# usualmente e a nível industrial . atividade e$perimental em causa + denominada de “-iclo do -obre” todas as rea*,es que o constituem t4m como reagente inicial e produto )nal o elemento cobre O rendimento obtido no + revelador de que o cobre + um metal com uma certa nobre2a e# por isso# pouco reativo# uma ve2 que a quantidade de cobre no )nal + bastante distante da quantidade de cobre inicial# o que nos permite in3erir que# neste caso em particular# o cobre reagiu amplamente 7o entanto# + consabido por todos n/s que# teoricamente# e se no tivessem ocorrido erros e$perimentais# o cobre no iria reagir em larga escala e a quantidade inicial deste elemento seria pr/$ima da )nal# permitindo:nos veri)car a sua bai$a reatividade# que se deve A intensidade das 3or*as da liga*o metálica -oncluímos# ainda# que a reciclagem apresenta algumas male3ícios para o meio ambiente e para os seres devido A necessidade de se utili2arem reagentes t/$icos e de se obterem produtos tamb+m eles portadores de alguma to$icidade Bodavia# sabemos que# ainda assim# esta + a op*o mais viável 7a verdade# comparando os male3ícios da reciclagem com os da e$trac*o# estes revelam:se pouco signi)cativos "urante a e$peri4ncia 3oram cumpridas todas as regras e normas de seguran*a de 3orma rigorosa Godemos ainda acrescentar que as rea*,es que ocorrem ao longo do processo so e$ot+rmicas 5rea*,es que trans3erem energia para o e$terior# sob a 3orma de calor6 Bratando:se de um sistema 3ec'ado# a temperatura do sistema aumenta durante a rea*o at+ ser atingido o equilíbrio (sto +# aumenta o grau de agita*o at/micoHmolecular que pode ser percecionado pelo aquecimento do tubo de ensaio quando se adiciona ácido sul3;rico para observar a rea*o Obtido o cobre no estado s/lido# poder:se:ia ter recorrido ao teste da c'ama 5o qual tem por base o aquecimento de uma amostra s/lida6 14
para identi)car se a substância obtida correspondia realmente ao cobre .quando do aquecimento dos sais# os eletr,es dos átomos e$citam:se# ocorrendo uma absor*o de energia Seguidamente# os eletr,es regressam ao estado 3undamental# com a consequente liberta*o dessa energia sob a 3orma de uma c'ama colorida .lguns elementos 5como + o caso do cobre6 emitem radia*o na regio visível sendo por isso possível identi)car a presen*a desses elementos atrav+s da colora*o que con3erem A c'ama 7o caso do cobre# a colora*o seria a2ul ou verde
3iblio$ra4a
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caH)sicoXquimicaXtrabal'osHciclodocobre'tm ".7B.S# M# &.M.QDO# M# Caderno de Actividades Laboratoriais !ogo de "art#culas, Be$to ditores# 800L
-aderno diário Fuímica em conte$to 18> .no T 1^ parte
15
