UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁCENTRO DE CIÊNCIASDEPARTAMENTO DE QUÍMICA ORGÂNICA E INORGÂNICA

RELATÓRIO DE AULA EXPERIMENTALQUÍMICA GERAL PARA ENGENHARIA PROF. : Eliana Maria Romero Teixeira TURMA: 01B HORÁRIO: QUA 10:00 – 12:00NOME: Laio Guimarães Oliveira MATRÍCULA: 363499PRÁTICA: Reagente Limitante DATA DE REALIZAÇÃO DA PRÁTICA: 09/04/2014 DATA DE ENTREGA DO RELATÓRIO: 14/05/2014

1. OBJETIVOS

Sintetizar alúmen constatando como as substâncias se relacionam quantitativamente nessa reação e definir o seu respectivo rendimento percentual.

2. RESULTADOS E DISCUSSÃOParte I: Primeiramente adicionou-se 0,25g de alumino sólido a uma solução de 10mL de KOH 2 mol/L, observando a liberação de hidrogênio. Depois disso, para que a reação acontecesse mais rapidamente, o béquer contendo a mistura foi colocado sobre uma chapa de aquecimento. Esse processo demorou cerca de 20 minutos, quando, por fim, a solução que inicialmente era incolor, tornou-se escura e a liberação de hidrogênio cessou, sinalizando o término da reação. A equação a qual representa a reação descrita anteriormente é:

2Al(s) + 2KOH(aq) + 6H2O(l) 2KAl(OH)4(aq) + 3H2(g)

De acordo com a equação dada, é possível observar que 2 mols de Al(s) reagem com 2 mols de KOH(aq). Por meio das relações estequiométricas, é possível determinar o reagente limitante dessa reação, quanto do reagente em excesso não reage e a quantidade de produto formado.

Massas molares:Al = 26,98 g/mol KOH = 56,18 g/mol KAl(OH)4 = 134,11 g/mol H2 = 2,016 g/mol

Reagiu-se 0,25 g de Al com 10 ml de uma solução de KOH 10mol/L. Fazendo regras de três simples, tem-se:

1 mol de Al ----- 26,98g [KOH] = número de mols/volume x ----- 0,25 2 mol / L = y /(10 x 10-3L)x = 0,0093 mol de Al y = 0,02 mol de KOH

Assim, pode-se observar que a quantidade de mols de cada reagente postos para reagir não são correspondentes às proporções estequiométricas, sinalizando que há um reagente limitante e outro que ficará em excesso. Sabendo-se que a proporção é de 1 mol de Al para 1 mol de KOH e estão reagindo 0,0093 mol de Al e 0,02 mol de KOH, o Alumínio será o reagente limitante dessa etapa do processo e o KOH será o reagente em excesso, uma vez que reagirá somente 0,0093 mol de KOH, ficando sem reagir 0,0107 mol, correspondente a uma massa de 0,601g. Em posse da identificação do reagente limitante, é possível calcular a quantidade de cada produto formado. 1 mol de Al ----- 1mol de KAl(OH)4 1 mol de KAl(OH)4 ----- 134,11g0,0093 mol de Al ----- 0,0093 mol de KAl(OH)4 0,0093 mol de KAl(OH)4 ----- z z = 1,247g

2 mol de Al ----- 3 mol de H2 1 mol de H2 ----- 2,016 g0,0093 mol de Al ----- w 0,014 mol de H2 ----- k w = 0,014 mol de H2 k = 0,0282 g de H2(g)

Assim, observa-se que é liberado 0,0284 g de hidrogênio gasoso, que é um gás extremamente inflamável. Por esse motivo, essa etapa da reação foi executada dentro da capela de exaustão de gases, até que cessasse a liberação de todo o hidrogênio. Após o término da reação descrita acima, todo o material obtido foi filtrado utilizando-se papel de filtro com o fito de se retirar excessos de materiais indesejados, como impurezas contidas no alumínio utilizado. Após a filtragem, a solução fica incolor.

Parte II: Conservando-se o filtrado incolor, adiciona-se a ele 5 ml de ácido sulfúrico, H2SO4 6 mol/L. O ácido foi adicionado lentamente e sob agitação. Inicialmente foi possível observar um precipitado espesso, branco e gelatinoso de hidróxido de alumínio, Al(OH)3, de acordo com o descrito na reação abaixo:

2KAl(OH)4(aq) + H2SO4(aq) 2Al(OH)3(s) + 2H2O(l) + K2SO4(aq) De acordo com a equação dada, é possível observar que 2 mols de KAl(OH) 4(aq) reagem com 1 mol de H2SO4(aq). Por meio das relações estequiométricas, pode-se determinar o reagente limitante dessa etapa da reação, quanto do reagente em excesso não reage e a quantidade de produto formado.

Massas molares:H2SO4 = 98,08 g/mol Al(OH)3 = 78 g/mol KAl(OH)4 = 134,11 g/mol H2O = 18,0 g/mol K2SO4 = 174,1 g/mol

Reagiu-se 5 ml de H2SO4(aq) 6 mol/L , com o restante de KAl(OH)4(aq) que não reagiu na etapa anterior, ou seja, 0,0107 mol. Fazendo regras de três simples, tem-se:

[H2SO4] = número de mols/volume 6 mol / L = y /5 x 10-3Ly = 0,03 mol de H2SO4

Assim, pode-se observar que a quantidade de mols de cada reagente postos para reagir não são correspondentes às proporções estequiométricas, sinalizando que há um reagente limitante e outro que ficará em excesso. Sabendo-se que a proporção é de 2:1 entre o KAl(OH)4 e H2SO4(aq) e estão reagindo 0,0107 mols de KAl(OH)4 com 0,03 mol de H2SO4(aq), o KAl(OH)4 será o reagente limitante dessa etapa do processo e o H2SO4 ficará em excesso. A quantidade de ácido sulfúrico a qual reagirá é obtida por meio de uma regra de três.

2 mols de KAl(OH)4 ------1 mol de H2SO4(aq)

0,0107 mols de KAl(OH)4 ------ a a = 0,00535 mols de H2SO4

Desse modo, como somente reagirão 0,00535 mols de ácido sulfúrico, 0,02465 ficarão, inicialmente, em excesso, sinalizando que foi colocada uma quantidade superior ao necessário para que a reação ocorresse, isso se dá para que, em uma etapa posterior, o ácido sulfúrico reaja com os cristais de hidróxido de alumínio que se formarão, tornando-os solúveis na solução.

Em posse da identificação do reagente limitante, é possível calcular a quantidade de cada produto formado. Sendo a proporção entre o KAl(OH) 4 e o Al(OH)3 de 1:1, será formada uma quantidade de 0,0107 mol de Al(OH)3, o que corresponde a uma massa de 0,835 g. Sendo a proporção entre o KAl(OH)4 e o H2O de 2:1, será formada uma quantidade de 0,00535 mol de H2O, o que corresponde a uma massa de 0,0963 g. Sendo a proporção entre o KAl(OH)4 e o K2SO4 de 2:1, será formada uma quantidade de 0,00535 mol de K2SO4, o que corresponde a uma massa de 0,931 g.

O Al(OH)3(s) que se depositou no fundo do recipiente dissolveu-se, à medida que o ácido sulfúrico foi sendo adicionado, para formar íons Al3+ solúveis. Notou-se, também, que o béquer esquentou, evidenciando, assim, liberação de energia e o caráter exotérmico do processo. A reação total e balanceada dessa etapa é descrita abaixo.

2Al(OH)3(s) + 3H2SO4(aq) Al2(SO4)3 + 6H2O

Analisando-se as duas equações dispostas acima, pode-se ver que elas são coerentes, uma vez que, com o início da adição de H2SO4(aq), formou-se Al(OH)3(s), que reagiu com o restante do ácido sulfúrico colocado na reação para formar Al2(SO4)3 e H2O. Nesse estágio, a solução contém íons Al3+ , K+ e SO4

2-, que formarão o sulfato de alumínio e potássio.

Parte III:

Depois de adicionar lentamente o ácido sulfúrico, a solução foi levada para um recipiente com bastante gelo, para que se formassem os cristais do sulfato de alumínio e potássio – alúmen – , pois, à temperatura ambiente, esse sal é solúvel em água. Após cerca de 5 (cinco) minutos com a solução em banho de gelo, preparou-se um filtro à vácuo, onde, sobre um papel de filtro de massa 0,45 g ficou depositado o cristalizado da solução. Utilizou-se, na filtragem, etanol, uma vez que o sal é praticamente insolúvel em álcool. Depois de ser filtrado à vácuo, os cristais foram postos em uma placa de Petri, junto com o papel de filtro e levados à estufa. O sistema foi pesado a cada 5 minutos, em média, até que se observasse uma massa constante. Por fim, a reação de produção do alúmen fica:

Al3+(aq) + K+

(aq) + 2SO42-

(aq) + 12H2O KAl(SO4)2•12H2O

Tabela 01 – Pesagem do alúmen na estufa.Tempo na estufa Massa do sistema Massa da Placa de

PetriMassa do papel de

filtroMassa de alúmen

5 min. 48,90 g 45,0g 0,45 g 3,45 g10 min. 48,86 g 45,0g 0,45 g 3,41 g15 min. 48,84 g 45,0g 0,45 g 3,39 g20 min. 48,80 g 45,0g 0,45 g 3,35 g25 min. 48,80 g 45,0g 0,45 g 3,35 g

Dado isso, verifica-se que a massa total de alúmen produzido com a reação, ou seja, o rendimento real foi de 3,35 g. Em posse desse resultado, é possível que se calcule o rendimento percentual da reação. Assim, será realizado o cálculo, primeiramente, do rendimento teórico da reação, para que, então, se obtenha o rendimento percentual. Como dito no início dessa da discussão dos resultados, o alumínio (Al) é o reagente limitante dessa reação, por isso os cálculos serão realizados com base na quantidade de alumínio que foi colocado para reagir, que, de acordo com os cálculos já feitos, foi de 0,0093 mol, correspondente a uma massa de 0,25g.

Massas molares: Al = 26,98 g/molKAl(SO4)2•12H2O = 474,41 g/mol

De acordo com as proporções estequiométricas tem-se que:1 mol de Al ----- 1 mol de KAl(SO4)2•12H2O0,0093 mol de Al ----- 0,0093 mol de KAl(SO4)2•12H2O

Sejam: n = número de mols;M = massa molar em g/mol;m = massa em g.

Tem-se que:

n = m / M 0,0093 = m/474,41 ∴ m = 4,41g de KAl(SO4)2•12H2O

Assim, conclui-se que o rendimento teórico de alúmen foi de 4,41 g, no entanto, não foi, de fato, esse o valor produzido. Em posse desses resultados, pode-se saber qual o rendimento percentual desse processo.

Sejam RT, RR e R% , respectivamente, rendimento teórico, rendimento real e rendimento percentual, tem-se que:R% = RR / RT R% = 3,35 / 4,41 ∴ R% = 75,96%

O rendimento obtido não é baixo, uma vez que obteve-se mais de ¾ do total esperado na reação. No entanto, esse rendimento poderia ser ainda maior, se não fosse por alguns fatores durante o desenvolvimento do processo os quais culminam na redução do rendimento, entre eles:

- O alumínio utilizado provavelmente era de qualidade inferior da esperada, possuindo, em sua composição, impurezas, o que acaba por reduzir a quantidade de alumínio totalmente puro na reação;- Erros operacionais na verificação das massas;-Perca de material ao realizar a transferência das soluções de um recipiente para outro, como nas filtragens nas etapas II e III;- O material pode não ter ficado tempo suficiente no banho de gelo, acabando por não se formar todos os cristais possíveis;

3. CONCLUSÃO Na primeira parte do experimento, reagiu-se Al com KOH e H2O a fim de se obter KAl(OH)4 e H2. Desse modo, foram postos para reagir 0,0093 mol de alumínio, 0,25 g em massa, com 0,02 mol de hidróxido de potássio. Obteve-se que o alumínio, nesta etapa da reação, foi o reagente limitante e houve um excesso de 0,0107 mols de KOH. Os produtos obtidos foram 0,0282 g de H2 e 1,247 g de KAl(OH)4. A solução nessa etapa do processo era de uma cor escura, ocasionada, provavelmente, pela presença de impurezas no alumínio utilizado, o que culminaria na redução do rendimento da produção do alúmen. Encerrada a primeira parte do processo, adicionou-se 5 ml de H 2SO4(aq) à solução contendo KAl(OH)4 obtido na etapa anterior. Essa etapa produziu 0,835 g de hidróxido de alumínio, 0,0923 g de água e 0,931 g de K2SO4. Os cristais de Al(OH)3 que se formaram, inicialmente depositaram-se no fundo do recipiente, no entanto, em instantes, reagiu com o excesso de ácido sulfúrico na reação, produzindo os íons Al3+, K+ e SO4

2- , os quais formarão o alúmen. Por fim, obteve-se, por meio do resfriamento do sistema, os cristais de alúmen. O rendimento teórico da reação era de 4,41 g. No entanto, em decorrência dos fatores já citados os quais levaram à redução do rendimento, produziu-se uma quantidade de 3,35 g do sal, o que configura um rendimento percentual de 75,96%. O rendimento alcançado não é baixo, mas sinaliza que erros durante a realização do experimento podem ter sido cometidos, como erro nas pesagens, perca de material durante as filtragens, ou mesmo presença de impurezas no alumínio utilizado.