Cálculo do rendimento

Professora: Lúcia Gonçalves
Disciplina: Química
Ano letivo: 2014/2015
Data: 02/10/2014
Elaborado por:
António Terra nº2
12ºCT
Índice
Objetivo ...................................................................................................................................... 2
Introdução .................................................................................................................................. 2
Definição de variáveis .............................................................................................................. 3
Segurança ................................................................................................................................... 3
Material, equipamento e reagentes....................................................................................... 4
Material/equipamento .......................................................................................................... 4
Reagentes................................................................................................................................ 4
Procedimento.............................................................................................................................. 5
Cálculos prévios ......................................................................................................................... 7
Registo de resultado e observações ..................................................................................... 8
Questões pós-laboratoriais .................................................................................................. 10
Cálculo do rendimento ............................................................................................................ 12
Interpretação de dados / Conclusão .................................................................................. 13
1
Objetivo
Nesta experiencia prática pretende-se verificar a possibilidade de
obtenção de um rendimento de 100% no processo de reciclagem de uma
substancia através de processos químicos.
Introdução
O cobre (Cu) é um metal, considerado um metal de transição tendo
por base a definição do IUPAC, que refere que um metal é de transição se o
elemento cujo átomo tem uma orbital “d” incompleta ou que pode originar
catiões com orbitais ”d” incompletas.
Este metal tem uma grande importância na indústria, pelo facto de
ser sólido à temperatura ambiente e bom condutor de eletricidade, sendo
assim muito utilizado em cabos e placas condutoras para grande parte da
tecnologia que temos hoje em dia.
Nesta atividade prática temos como objetivo verificar o rendimento
dos processos utilizados e para o calcularmos temos de ter em conta o
resultado obtido e o resultado teórico. No caso de estes serem iguais o
rendimento é de 100%, mas sendo o resultado obtido inferior ao rendimento
automaticamente terá de ser menor de 100%. Este ultimo caso é o mais
comum nas reações por não se conseguir criar um sistema completamente
isolado em que não hajam perdas de energia e/ou matéria.
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Definição de variáveis
V - Volume da solução a preparar (ml)
c - Concentração da solução a preparar (mol.dm-3)
M - Massa molecular do soluto (g/mol-1)
n - Número de moles do soluto
m - Massa do soluto (g)
ℓ - Massa volúmica (Kg.dm-3)
Segurança
Cuidados especiais de segurança:
Passo A – Libertação de vapores tóxicos de NO3
Passo E – O zinco liberta vapores inflamáveis em contacto com a água
- ZnSO4 é um resíduo tóxico
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Material, equipamento e reagentes
Material/equipamento
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
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Balão volumétrico de 100 mL
Centrífuga e tubos de centrífuga (facultativo)
Copo de Erlenmeyer de 250 mL com rolha
Pipetas de Beral e suporte
Pipetas conta-gotas
Pipeta de 5 mL
Placa de aquecimento
Tubos de ensaio e suporte
Vareta de vidro
Vareta de vidro com polícia
Vidro de relógio
Reagentes
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Agua desionizada
Álcool etílico
HCl 3 mol dm-3 (25 mL de HCI 12 mol dm-3 em água até 100 mL)
HN03 (70% m/m) ≈ 15 mol dm-3
H2S04 6 mol dm-3 (33 mL H2S04 conc. em água até 100mL)
Cu(NO3)2 1 mol dm-3 (9 g de Cu(NO3)2 · 6 H20 em 30mL de água)
NaH0 2 mol dm-3 (4 g de NaHO em 50mL de água)
Fio de cobre
Zn em pó
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Procedimento
Para cada grupo de dois alunos:
Pipetas de Beral ou frascos conta-gotas, devidamente etiquetados, contendo
as seguintes soluções:
 Cu(NO3)2 1 mol dm-3
 H2SO4 6 mol dm-3
 HCl 3 mol dm-3
 NaH0 2 mol dm-3
Ponte de partida: cobre metálico
Nota: A solução obtida no fim do passo 4. Poderá ser utilizada por todos os alunos de um turno,
trabalhando os alunos dois a dois a partir deste ponto.
1. Cortar um fio de cobre de modo a obter uma amostra com cerca de 0,3
g; mergulhar numa solução de ácido clorídrico, lavar com álcool e secar
com papel.
2. Pesar a amostra e registar o valor da massa efetivamente medida.
3. Enrolar o fio e colocá-lo no fundo de um erlenmeyer de 250 mL.
4. Reação A:
Cu (s)
Cu(NO3)2 (aq)
Na hotte, adicionar 4,0 mL de HN03 concentrado e tapar o balão.
Agitar suavemente até dissolução completa. Observar e registar as
alterações. Transferir para um balão volumétrico de 100 mL com
lavagens sucessivas de pequenas quantidades de água e completar com
água até ao traço.
5. Reação B:
Cu(NO3)2 (aq)
Cu(HO)2 (s)
Transferir com uma pipeta, para um tubo de ensaio, 5 mL da solução de
Cu(NO3)2 e adicionar, gota a gota, a solução de NaHO 2 mol dm-3
(pipeta de Beral), agitando, se necessário, com uma vareta de vidro,
para precipitar Cu(HO)2 até não haver formação de mais precipitado.
Registar todas as observações.
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6. Reação C:
Cu(HO)2 (s)
CuO (s)
Aquecer, em banho-maria, quase até à ebulição, a solução contida no
tubo de ensaio, agitando sempre para uniformizar o seu aquecimento.
7. Quando a reação estiver completa, retirar o aquecimento e arrefecer
o tubo em água fria corrente.
8. Deixar repousar o sólido formado e retirar, cuidadosamente, o líquido
sobrenadante com o auxílio de uma pipeta ou por decantação. Lavar o
sólido com 3-4 mL de água desionizada, agitar e decantar uma vez mais
(ou centrifugar).
9. Reação D:
Cu0 (s)
CuS04 (aq)
Adicionar, ao sólido, cuidadosamente e gota a gota, a solução de H2S04
6 ml dm-3 contida noutra pipeta de Beral, até dissolver todo o sólido.
Registar as alterações.
10. Reação E:
CuS04 (aq)
cu (s)
Ao tubo de ensaio colocado num suporte, adicionar, de uma só vez,
cerca de 0,3 g de zinco em pó, agitando até o líquido sobrenadante
ficar incolor (se necessário adicionar um pouco mais de zinco). Registar
as observações.
11. Para eliminar a possível existência de Zn por reagir, adicionar, gota a
gota, a solução de HCl 3 mol dm-3.
12. Quando não se observar mais libertação de gás, decantar o líquido.
Lavar com cerca de 3-4 mL de água desionizada, deixar repousar e
decantar o líquido. Repetir este procedimento, pelo menos, mais duas
vezes.
13. Com a ajuda de uma vareta de vidro com polícia, transferir o sólido
(cobre) para um vidro de relógio previamente pesado. Secar na estufa
(controlar a temperatura).
14. Pesar novamente e registar para posterior cálculo do rendimento.
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Cálculos prévios
Cálculos para preparação de NaOH:
V = 100.0 ml = 0.0100 dm3
c = 2 mol.dm-3
M = 40 g.mol-1
𝑛
⇔ 𝑛 = 𝑐∗𝑉
𝑉
𝑐=
𝑛 = 2 ∗ 0.0100 ⇔ 𝑛 = 0.02 𝑚𝑜𝑙
𝑛=
𝑚
⇔ 𝑚 = 𝑛 ∗ 𝑀 ⇔ 𝑚 = 0.02 ∗ 40 ⇔ 𝑚 = 0.8 𝑔
𝑀
Cálculos concentração HNO3
HNO3 70% m/m
M= 63.01 g.mol-1
ℓ=1.40kg.l-1 ⇔ 1ml= 1.40g
n = 1.40*103*0.70=980g
980
n= 63.01=15.55
c = 15.55 mol.dm-3
Cálculos para preparação H2SO4
[H2SO4] = 18 mol.dm-3
C1V1 = C2 V2 (Diluição)
18xV1 = 6x0.1 (em 100ml)
V1 = 33ml de ácido em 100ml H2O
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Registo de resultado e observações
Cu (s)
Massa inicial
Massa final
0.301 gr(*)
0.05 gr
(*) – Foi registado o valor da massa medida antes de eliminar as impurezas
com ácido clorídrico, pois, apos o termos feito a balança pesou mal e não
reparamos na altura dai termos continuado. Sendo assim apenas um valor
aproximado.
Zinco adicionado
Massa (g)
0.3
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Reações
A
B
C
D
E
Observações
Mudança de cor para verde mal o ácido entra em contacto com o
cobre, libertação de gás castanho alaranjado (sendo este gás NO2).
Quando se junta água ao Cu(NO3)2 a cor muda para azul.
Juntar à solução anterior cerca de 30 ml de soda caustica.
Ao se colocar cada gota de NaHO (aq) observa-se a formação do
precipitado, Cu(HO)2 (s), que no inicio era azul claro como a solução
anterior, mas com a adição continua de gotas a cor foi mudando
gradualmente para verde cada vez mais escuro.
Ao colocar-se o tubo de ensaio em banho-maria o precipitado ficou
negro e desceu para o fundo (deixando alguns resíduos nas paredes
do tubo de ensaio).
Arrefeceu-se o tubo de ensaio em água corrente, e de seguida
colocou-se na centrifugadora para facilitar o processo de
decantação/retirar líquido com pipeta para uma maior precisão.
Libertou-se um fumo branco muito fraquinho, mas observavam-se
muitas bolhinhas devido à reação.
Após se adicionar zinco à solução, o líquido ficou transparente
(significando que já não haviam iões cobre, pois estes são azuis).
Adicionou-se HCl 3 mol dm-3 para acelerar a reação e garantir que
todo o zinco reagiu (durante a reação E foi libertado um gas incolor
que apesar de não se encontrar na formula concluímos que seria
hidrogénio (H2) ).
Após o cobre solido pousar no funco decanta-mos com sucessivas
lavagens de água e levamos a estufa para uma secagem mais eficaz.
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Questões pós-laboratoriais
1. Por que razão se denominou o conjunto das reações efetuadas por
"ciclo do cobre"?
R.: Denominou-se ao conjunte de reações de “ciclo de cobre” pelo
facto de a experiencia começar e terminar no cobre solido.
2. Qual será a razão de a reação A ter de ser realizada na hotte?
R.: Deve-se realizar a reação A na hotte por motivos de segurança,
pois são libertados gases (NO2), dai as paredes do balão ficarem
castanhas alaranjadas.
3. Qual a espécie química que é removida na decantação (passo 8.)?
R.: Durante o passo 8. o óxido de cobre, CuO (s), é removido.
4. Qual será o gás libertado referenciado no passo 11.?
R.: No passo 11 ao se adicionar HCl (aq) à solução de ZnSO4 (aq),
liberta-se hidrogénio (H2).
5. Porque será necessário recolher o líquido sobrenadante como resíduo
no passo 11. (e não no passo 8.)?
R.: No passo 11. foi necessário ter atenção no processo de decantação
pelo facto de conter sulfato de zinco (ZnSO4 (aq)) sendo este toxico.
Enquanto no passo 8. não contem substancias toxicas.
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6. Traduza cada reação efetuada pela equação química correspondente.
R.:
A: Cu (s) + 4 HNO3 (aq)
Cu(NO3)2 (aq) + 2 H2O (l) + 2NO2 (g)
B: Cu(NO3)2 (aq) + 2 NaOH (aq)
C: Cu(OH)2 (s)
Cu(OH)2 (s) + 2 NaNO3 (aq)
CuO (s) + H2O (l) – Por aquecimento
D: CuO (s) + H2SO4 (aq)
E: CuSO4 (aq) + Zn (s)
CuSO4 (aq) + H2O (l)
Cu (s) + ZnSO4 (aq)
7. Classifique as reações A, B, C e E (oxidação-redução, ácido-base…).
R.:
A: Oxidação-redução
B: Precipitação
C: Decomposição térmica ou ustulação
D: Ácido-base
E: Oxidação-redução
8. Como se poderá provar que o sólido recolhido no final é cobre?
R.: Com testes químico e físicos, como por exemplo a cor e as suas
propriedades, densidades, reações, etc.
9. O rendimento obtido é, certamente, inferior a 100%. Quais serão os
passos/factos experimentais que poderão justificar o rendimento
calculado?
R.: Todas as pesagens, decantações, erros nas preparações de
soluções, não deixar secar ate ao fim, etc.
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10. Reciclar é um meio importante para conservar os recursos naturais.
Indique os metais que habitualmente são mais recolhidos para
reciclagem.
R.: Alumínio, ferro da sucata.
11. Identifique alguns problemas de poluição relacionados com a
reciclagem do cobre.
R.: Os gases e resíduos tóxicos libertados durante as reações, os iões
de cobre também são muito toxico (os quais podem resultar de
reações incompletas).
Cálculo do rendimento
𝑛(%) =
𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙
0.05
∗ 100 ⇔ 𝑛(%) =
∗ 100 ⇔ 𝑛(%) = 16.67
𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙
0.30
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Interpretação de dados / Conclusão
Após todas as contas efetuadas obtivemos o valor de rendimento de
16.67%, o qual foi muito abaixo do que esperava, pois, contava com um
rendimento aproximado dos 65/70%.
O resultado não está completamente correto devido ao erro do
primeiro passo, em que a balança não pesou corretamente o cobre, após a
eliminação das impurezas, mas mais grave foi não ter notado no momento a
diferença entre a massa do vidro de relógio e a do mesmo com o cobre,
devido à pressa para adiantar a atividade prática, sendo assim apenas um
valor de rendimento aproximado.
Mas não seria muito superior, caso não tivesse havido aquele
incidente, por não se perder muita massa durante a limpeza.
Um valor de rendimento tão baixo, provavelmente, deveu-se a vários
erros que poderão ter ocorrido. Como por exemplo, nas decantações nunca
conseguimos retirar toda a matéria sem haver desperdícios, como ficar
restos de solido presos nas paredes do tubo de ensaio ou na vareta. Outro
fator que pode ter influenciado este resultado são os erros de medição
devidos à má calibração das balanças ou outros erros acidentais (como o que
nos aconteceu no inicio). Mas também “ajudou” ter-se realizado muitos dos
processos em tubos de ensaio o que diminui a zone de reação, podendo ter
influenciado o rendimento quando se aqueceu ou adicionou substâncias, quais
poderiam ter reagido mais caso fosse utilizado um goblé ou um balão.
Como já sabemos do senso comum, não se consegue obter 100% de
rendimento em reações químicas. No caso da reciclagem do cobre sucedesse
o mesmo, apesar de serem possíveis valores muito mais elevados do que o
que obtivemos, caso se tenha em atenção todos os cuidados possíveis para
minimizar os desperdícios e com melhor equipamentos que os a nível escolar.
Na minha opinião uma das maneiras de minimizar desperdícios,
principalmente o relacionados com resíduos presos nas paredes de tubos de
ensaio e/ou gobles, é a utilização de material laboratorial revestido de uma
substância super hidrofóbica e oleofóbica, como o exemplo do “Ultra-Ever
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Dry”. Para uma melhor exemplificação da potencialidade desta substância
inovadora apresento o seguinte vídeo.
Apesar de não se conseguir obter um rendimento de 100% na
reciclagem do cobre (e/ou de outros metais), esta é muito mais rentável
economicamente comparado à extração da natureza, como também polui
muito menos. Se bem que se não se tomarem os cuidados adequados durante
a reciclagem, poderão acabar por libertar metais pesados no ambiente, o
que é extremamente poluente e perigoso para toda a vida terrestre.
Como muitas das reações envolvidas no processo da reciclagem do
cobre libertam gases tóxicos, houve a necessidade de serem realizadas na
hotte com o auxílio de luvas, pois também mexemos em ácidos e bases.
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