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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA – DQMC
QIE0001 – Química Inorgânica Experimental
Prof. Fernando R. Xavier
Prática 07 – A química redox do vanádio
1. Introdução
O vanádio é um metal sólido em condições de temperatura e pressão
ambientes que foi descoberto pelo mineralogista espanhol Andrés Manuel del
Río em 1801 ao analisar impurezas em minérios de chumbo. Entretanto, seu
nome foi dado apenas em 1830 por Nils Sefström em homenagem a deusa
nórdica da beleza “Vanadis”.
Pertencente ao grupo 5 da tabela periódica, o vanádio é dúctil e macio,
sendo mais abundante que o cobre na crosta terrestre. Não forma uma grande
variedade de compostos minerais fato este devido ao raio da espécie V3+ (nox
mais estável do vanádio) ser muito semelhante ao íon Fe 3+. Desta forma íons
V3+ substituem facilmente os íons férricos em minérios.
O vanádio apresenta uma alta resistência ao ataque tanto de bases
fortes quanto de ácidos tais como H2SO4 e HCl. Apresenta uma importante
aplicabilidade na área nuclear devido sua baixa captura de nêutrons. É um
elemento químico essencial para algumas formas de vida, embora não se saiba
ainda sua real função. Cerca de 80% da produção mundial de vanádio é
empregada na liga ferrovanádio ou como aditivos em diversos tipos de aço.
Tanto o vanádio, quanto diversos outros elementos de transição são
bons catalisadores devido a sua habilidade em variar seus estados de
oxidação. No caso do vanádio, são acessíveis as formas catiônicas 2+, 3+, 4+
e 5+. Uma aplicação industrial deste metal, de fundamental importância
econômica, é a produção do ácido sulfúrico.
O H2SO4 pode ser obtido pelo processo de contato desenvolvido por
Peregrine Phillips em 1831. Nesse processo é utilizado em catalisador fixo
como, por exemplo, o pentóxido de divanádio (V2O5).
Em uma primeira etapa, o dióxido de enxofre é oxidado trióxido de
enxofre, na presença de oxigênio sendo o V2O5 o catalisador.
Apesar de o catalisador ser uma espécie reativa,
este deve ser regenerado ao final da reação. Assim,
neste processo o vanádio é reduzido e o enxofre é
oxidado. Em uma segunda etapa, o vanádio reduzido é
então reoxidado pelo oxigênio molecular e por fim o
catalisador é regenerado. Este processo é descrito pelas
equações químicas ao lado:
Na prática, cada um dos estados de oxidação do
vanádio
apresentam
colorações
extremamente
características e este experimento é justamente uma
forma de acessar seus diferentes estados de oxidação.
2. Objetivos
Identificar visualmente (em função da coloração) os diferentes estados
de oxidação do vanádio através de testes qualitativos simples, na presença de
um agente redutor. Avaliar qualitativamente se o aspecto físico de um reagente
químico influencia a velocidade da reação.
3. Pré-laboratório
a) Qual o estado de oxidação do vanádio em cada um dos compostos
presentes nas reações descritas na introdução?
b) O que significam os prefixos “hipo”, “meta” e “orto” encontrados nos
rótulos de muitos reagentes químicos?
c) Defina substância oxidante e substância redutora.
d) Escreva as fórmulas de Lewis e estruturais dos íons metavanadato,
ortovanadato e do pentóxido de divanádio.
e) Como podemos explicar, de maneira simples, a observação de “cor”. Por
que este fenômeno é muito comum em íons de metais de transição.
4. Materiais e Métodos
4.1 Materiais
05 tubos de ensaio
01 béquer de 100 mL
Estante para tubos de ensaio
Chapa de aquecimento
Pipetas de 5 ou 10 mL
Algodão
Pera de sucção
4.2 Reagentes
NH4VO3
H2SO4 2,0 mol L-1
Zinco metálico em pastilhas
HCl 2,0 mol L-1
Zinco metálico em pó
NaOH 1,0 mol L-1
Água destilada
4.3 Procedimento Experimental
No tubo 1, dissolva uma “ponta de espátula” de metavanadato de
amônio em 2 mL de NaOH 1,0 mol L-1. Caso haja dificuldade de solubilização,
utilize um banho-maria com água em béquer de 100 mL. Adicionar 3 mL de HCl
2,0 mol L-1, anotando as possíveis modificações ocorridas. Adicione uma
pastilha de zinco metálico à solução e tampe a boca do tubo de ensaio com um
pedaço de algodão. Mantenha o sistema dentro do banho-maria e acompanhe
o processo fazendo as anotações relevantes.
Para o tubo 2, repita o procedimento realizado para o tubo 1, porém ao
invés de uma pastilha de zinco metálico, utilize uma “ponta de espátula” de
zinco em pó. Este procedimento deverá ser feito sem aquecimento!
No tubo 3, repita o procedimento do tubo 2, porém utilize uma solução
de ácido sulfúrico no lugar do ácido clorídrico.
5. Resultados e Questionário
Com base nas observações feitas respoda as seguintes questões:
(a) Por que o metavanadato de amônio é primeiro basificado e logo em
seguida acidificado? Utilize também equações químicas para descrever
ambas as etapas.
(b) Escreva todas as semi-reações de redução de cada estado de oxidação
do vanádio e a semi-reação de oxidação do zinco. Mostre porque o
zinco metálico é capaz de reduzir o vanádio a cada etapa.
(c) Seria possível realizar este experimento caso o agente redutor fosse o
estanho (Sn)? Explique.
(d) Apesar de que a última etapa de redução V 3+/V2+ ainda ser um processo
espontâneo, como visto no item anterior, por que a cor resultante (V 2+)
não se mantém e, após certo período, acaba por retornar à forma V3+?
Explique e mostre através de equações redox e valores de ΔEo.
(e) Todas as espécies que contenham vanádio presentes no experimento
podem ser descritas quando escritas na forma de aquo-complexos.
Escreva todas estas utilizando a norma segundo a IUPAC.
(f) Monte uma tabela resumo em que constam as seguintes informações:
Fórmula do
complexo
Estrutura
NOX do metal
-
Nro. de e “d”
Cor
Número de
Coordenação