1 EXPERIÊNCIA Nº 10 Tratamento de resíduos de Cr(VI) O objetivo

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EXPERIÊNCIA Nº 10
Tratamento de resíduos de Cr(VI)
O objetivo desta prática é o tratamento dos resíduos de Cr(VI), que se acumulam em
diversos experimentos realizados nos laboratórios do Departamento de Química, bem como
reforçar os princípios de equilíbrio ácido-base envolvendo os íons cromato/dicromato em solução
aquosa. Além do mais, o tratamento para a eliminação e a destinação dos resíduos gerados em
cada experimento, também tem o propósito de se enfatizar a importância e a responsabilidade de
cada um de nós em relação à preservação do meio ambiente.
1. Introdução
O tratamento e a reciclagem de resíduos industriais, ou até mesmo aqueles gerados em
laboratórios de ensino e pesquisa tem contribuído para a redução da contaminação ambiental.
Entretanto, técnicas de tratamento em geral apresentam alto custo e a necessidade de pessoal
treinado, tornando-se desvantajosas em relação às técnicas de redução na fonte.
A Química Verde é definida pela IUPAC como: "A invenção, desenvolvimento e aplicação
de produtos e processos químicos para reduzir ou eliminar o uso e a geração de substâncias
perigosas". Logo, a Química Verde se utiliza de técnicas químicas e metodológicas que reduzem
ou eliminam o uso de solventes, reagentes, produtos e subprodutos que são nocivos à saúde
humana ou ao meio ambiente.
A USEPA e a American Chemical Society propuseram 12 princípios para orientar a
pesquisa em Química Verde. Os doze pontos que precisam ser considerados quando se pretende
implementar a química verde em uma indústria ou instituição de ensino e/ou pesquisa na área de
química são os seguintes:
1. Prevenção.
É mais barato evitar a formação de resíduos tóxicos do que tratá-los
depois que eles são produzidos;
2. Eficiência Atômica. As metodologias sintéticas devem ser desenvolvidas de modo a
incorporar o maior número possível de átomos dos reagentes no
produto final;
3. Síntese Segura. Deve-se desenvolver metodologias sintéticas que utilizam e geram
substâncias com pouca ou nenhuma toxicidade à saúde humana e ao
ambiente;
4. Desenvolvimento de Produtos Seguros. Deve-se buscar o desenvolvimento de
produtos que após realizarem a função desejada, não causem danos
ao ambiente;
5. Uso de Solventes e Auxiliares Seguros; A utilização de substâncias auxiliares como
solventes, agentes de purificação e secantes precisa se evitada ao
máximo; quando inevitável a sua utilização, estas substâncias devem
ser inócuas ou facilmente reutilizadas;
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6. Busca pela Eficiência de Energia. Os impactos ambientais e econômicos causados pela
geração da energia utilizada em um processo químico precisam ser
considerados. É necessário o desenvolvimento de processos que
ocorram à temperatura e pressão ambientes;
7. Uso de Fontes de matéria-prima Renováveis. O uso de biomassa como matéria-prima
deve ser priorizado no desenvolvimento de novas tecnologias e
processos;
8. Evitar a Formação de Derivados. Processos que envolvem intermediários com grupos
bloqueadores, proteção/desproteção, ou qualquer modificação
temporária da molécula por processos físicos e/ou químicos devem
ser evitados;
9. Catálise.
O uso de catalisadores (tão seletivos quanto possível) deve ser
escolhido em substituição aos reagentes estequiométricos;
10. Produtos Degradáveis. Os produtos químicos precisam ser projetados para a
biocompatibilidade. Após sua utilização não deve permanecer no
ambiente, degradando-se em produtos inócuos;
11. Análise em Tempo Real para a Prevenção da Poluição. O monitoramento e controle
em tempo real, dentro do processo, deverão ser viabilizados. A
possibilidade de formação de substâncias tóxicas deverá ser
detectada antes de sua geração;
12. Química Intrinsecamente Segura para a Prevenção de Acidentes. A escolha das
substâncias, bem como sua utilização em um processo químico,
devem procurar a minimização do risco de acidentes, como
vazamentos, incêndios e explosões.
Desta maneira, ao se procurar tecnologias que empregam a Química Verde, deve-se estar atento a
três pontos principais:
i)
ii)
iii)
O uso de rotas sintéticas alternativas.
O uso de condições reacionais alternativas.
O desenvolvimento de produtos químicos menos tóxicos que as alternativas atuais e
mais seguras.
♦ O Cromo
O Cromo é um elemento químico, que silenciosamente faz parte de nossas vidas. Tem uma
relação importante com nossa saúde, parte de nossa economia e o meio ambiente. O cromo é um
elemento traço essencial (mas também tóxico) para o ser humano. O cromo(III) tem ocorrência
natural no meio ambiente, enquanto cromo(VI) e cromo(0) são geralmente produzidos por
processos industriais.
Cromo(III) faz parte do centro de biomoléculas que se encontram em pequeníssimas
quantidades em nosso organismo. Sua principal função está relacionada ao metabolismo da
glicose, do colesterol e de ácidos graxos.
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Na indústria, o elemento químico cromo é empregado principalmente para fazer aços
inoxidáveis e outras ligas metálicas. Na forma do mineral cromita, é empregado na indústria de
refratários para fazer tijolos de fornos metalúrgicos. Compostos de cromo produzidos pela
indústria química são usados na indústria de tratamentos superficiais (por exemplo, a
eletrodeposição de cromo, conhecida na indústria de galvanoplastia e o processo por cromado),
manufatura de pigmentos, curtume de couro, tratamento de madeira e tratamento de água
(podendo ser usado como inibidor da corrosão na água usada em torres de resfriamento).
Cuidados especiais são necessários tanto na manipulação durante o processo industrial
como no tratamento dos resíduos. Os resíduos possuem alto poder de contaminação, quando não
são convenientemente tratados e simplesmente abandonados em corpos d’água, aterros industriais
ou mesmo lixeiras clandestinas. Com facilidade, o cromo atinge o lençol freático ou mesmo
reservatórios ou rios que são as fontes de abastecimento de água das cidades. Se o resíduo é
degradado no solo, o cromo permanece e pode ser absorvido por plantas que posteriormente
servirão de alimento diretamente ao homem ou a animais, podendo por este caminho também
atingir o ser humano.
Cromo(VI) é um carcinógeno humano reconhecido e muitos trabalhadores são expostos a
este composto químico. A fumaça contendo este elemento químico causa uma variedade de
doenças respiratórias, incluindo câncer. composto químico possa afetar o sistema imunológico de
seres humanos. O contato da pele com compostos de cromo causa dermatite alérgica e, mais
raramente, pode provocar ulcerações na pele formando cicatrizes e até perfurações do septo nasal.
O filme “Erin Brockovich - Uma Mulher de Talento”, além da beleza e a interpretação de
Julia Roberts (que ganhou um Oscar por sua atuação), conta a história dos trágicos efeitos da
contaminação por cromo da população de uma cidade americana. A história é baseada em fato
verídico. A personagem, ao organizar arquivos de uma ação judicial, depara-se com alguns
registros médicos que a intrigam. Decide investigar e acaba descobrindo que uma indústria vinha
contaminando as águas de uma pequena cidade e, por este motivo, muitas pessoas haviam
contraído câncer. Como resultado, a empresa foi condenada a pagar uma indenização milionária.
A história contada no filme não está longe de nossa realidade. As quantidades de cromo
que são liberadas no meio ambiente por nossas indústrias são preocupantes.
♦ Tratamento do Cr (VI)
Este experimento é uma seqüência da prática “Equilíbrio-químico”, onde se evidenciou o
equilíbrio cromato-dicromato através da adição de espécies ácidas e básicas:
2CrO4 -2 (aq) + 2H+(aq)
Amarelo
Cr2 O7 -2 (aq) + H2 O (l)
Laranja
Representação da fórmula
estrutural do íon dicromato
O dicromato de potássio é sólido alaranjado de massa molar 294,2 g mol-1 é solúvel em
água e insolúvel em etanol, e possui empregabilidade como corante, em indústrias de cola, vidro,
fotografia, curtimento do couro, entre outras aplicações. O Cr+6 possui toxidade, podendo penetrar
atraves da membrana celular e interagir com os constituintes da célula, inclusive com o material
genético.
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O Cr+6 é um forte agente oxidante, com um potencial de redução em meio ácido:
6 e + 14H+ + Cr2 O 7 -2 → 2Cr+3 + 7H2 O
E° = +1,33 eV
O agente redutor deste experimento será o etanol, onde na
reação sofre oxidação sucessiva formando as espécies acetaldeído e
ácido acético. Uma parte do acetaldeído se perde por evaporação
enquanto o restante sofre oxidação,
Representação da
molécula de etanol
Oxidação do etanol
OH
CH3 CH2
O
CH3 C
etanol
O
H
etanal
CH3 C OH
ácido acético
O número de oxidação de cada átomo de carbono está indicado na representação da fórmula
estrutural a seguir:
A equação iônica geral da reação é:
2 Cr2 O7 -2 (aq) + 3 C2 H5 OH(l) + 16 H+(aq) → 4 Cr+3 (aq) + 3 CH3 COOH(aq) + 11 H2 O (l)
Após a reação se completar a solução é neutralizada, e um excesso de base gera a
precipitação do hidróxido de cromo (III)
Cr+3 + 3OH- → [Cr(OH)3 ]
Como o hidróxido de cromo (III) é pouco solúvel em água (Ks = 6,3 . 10-31 ), o precipitado
é filtrado em funil de Büchner e colocado na estufa a 100 °C por aproximadamente 1 h.
Curiosidade:
Há um tipo de bafômetro que se fundamenta na reação que é utilizada para a detecção de
álcool etílico (etanol):
3 CH3 CH2 OH (l) + 2 K2 Cr2 O7(aq) + 8 H2 SO4(aq)
→
3 CH3 COOH(aq) + 2 Cr2 (SO4 )3(aq) + 2 K 2 SO4(aq) + 11 H2 O(l)
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2. Procedimento experimental
Nesta experiência serão utilizados 50 mL de uma solução aquosa 0,2 mol L-1 de
dicromato de potássio (K2Cr2O7) com 3,0 mL de etanol (álcool etílico 95%). Acidifique
aos poucos 7,5 mL de uma solução aquosa de ácido sulfúrico (H2SO4) 9,0 mol L-1 à
mistura. Deixe a mistura reagindo na capela química, com o exaustor ligado por cerca de
30 min, até fixar a cor azul. Adicione carbonato de sódio (Na2CO3(s)) aos poucos (8,1 g) e
filtre os cristais e em seguida seque na estufa.
Comentários sobre o procedimento:
Parte A – Etapa Redox
i) A temperatura da solução não deve ultrapassar 60°C, devido à formação de
subprodutos a alta temperatura, como complexos de crômio solúveis.
ii) Mantenha a mistura reacional numa capela química e até que a reação complete.
Poderá ocorrer a formação de cristais laranja escuro do alúmen de crômio e
potássio - K[Cr(OH2)6](SO4)2 ⋅ 6H2 O. Caso ocorra a formação destes cristais,
filtre a solução.
Parte B – Neutralização e precipitação de hidróxido de cromo (III)
i) Nas soluções aquosas ácidas contendo resíduos de cromo (III), adicione
lentamente carbonato de sódio até que não se observe a liberação de bolhas
de gás carbônico e espere pela completa precipitação do hidróxido de
cromo(III) triidrato (pH ≈ 8). Filtre o precipitado em funil de Büchner, lavando-o
bem com água e seque na estufa a 120°C por aproximadamente 1 h,
identificando-o (fórmula molecular, nome da equipe, turma, data). Descarte a
solução aquosa na pia com bastante água corrente. No dia seguinte retorne ao
laboratório, retire a amostra da estufa (cuidado com o recipiente que está
quente), deixe a temperatura ambiente e pese.
ii) O hidróxido de cromo (III) triidrato (Cr(OH)3 .3H2O), pó azul esverdeado é insolúvel
em água.
+3
(aq)
4 Cr
+ 6 Na2CO3(aq) + 18 H2O(l) → 4 Cr(OH)3⋅ 3H2O(s) + 6 CO2(g) + 12 Na+ (aq)
3. Questionário
1- Qual é a relação entre a experiência desenvolvida e os conceitos de Química
Verde?
2- Apresente os dados experimentais e o rendimento da reação. Mostre os cálculos.
3- Qual a função do álcool etílico e do ácido sulfúrico nas reações realizadas neste
experimento?