Fenômenos Físicos e Químicos
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FENÔMENOS FÍSICOS E QUÍMICOS


Introdução

Denomina-se fenômeno qualquer mudança ou transformação que ocorra num sistema em observação. Existem dois tipos de fenômenos:

a) Fenômenos físicos: são aqueles que não alteram a estrutura molecular das substâncias. Isso significa que estes fenômenos não dão origem a novas substâncias. Na fusão do estanho, por exemplo, não há mudanças na natureza da substância, pois se tem estanho sólido, e, depois da fusão, tem-se estanho líquido, mas sempre estanho. Todas as mudanças de estado são exemplos de fenômenos físicos.

b) Fenômenos químicos: são aqueles que alteram a natureza das substâncias. Nos fenômenos químicos há, pois, mudança de substância, com propriedades diferentes. Quando se queima magnésio, antes da combustão havia uma substância, o magnésio, e, depois dela, há outra substância, a magnésia. Ocorre o que chamamos de reação química onde os reagentes são as substâncias iniciais, e os produtos são as substância finais.

Vários procedimentos podem ser realizados para diferenciar os tipos de fenômenos, como por exemplo:

- Dissolução: Reação química em que moléculas de um sólido são dispersas como íons em uma fase líquida.

- Precipitação: formação de precipitado, substância sólida insolúvel que se forma como resultado de uma reação química.

- Coloração: mistura de substância com conseqüente alteração de cor.

- Combustão: reação química de oxidação-redução onde necessariamente temos a presença de um combustível e de um comburente, geralmente o oxigênio. Esta reação sempre libera energia calorífica e luminosa no espectro visível ou não.

Uma reação química pode ser identificada através de quatro evidências: formação de precipitado, liberação de gás, mudança de cor, aquecimento da mistura.

Durante a prática realizamos também o Teste da Chama.

Uma das mais importantes propriedades dos elétrons é que suas energias são "quantizadas", isto é, um elétron ocupa sempre um nível energético bem definido e não um valor qualquer de energia. Se, no entanto um elétron for submetido a uma fonte de energia adequada (calor, luz...), pode sofrer uma mudança de um nível mais baixo para outro de energia mais alto (excitação). O estado excitado é um estado meta-estável (de curtíssima duração) e, portanto, o elétron retorna imediatamente ao seu estado fundamental. Tais elétrons podem ser facilmente excitados para um nível de energia superior através da realização do Teste da Chama. A energia ganha durante a excitação é então emitida na forma de radiação visível do espectro eletromagnético que o olho humano é capaz de detectar. Como o elemento emite uma radiação característica, ela pode ser usada como método analítico. A cor característica é decorrente das transições eletrônicas em espécies de vida curta que se formam momentaneamente na chama que é rica em elétrons. A energia da chama excita um elétron para um nível de energia mais alto e quando o elétron retorna ao nível de energia mais baixa, a diferença de energia é emitida na forma de luz.

O teste da Chama é um teste simples para metais, no qual uma pequena quantidade de amostra é colocada em uma das extremidades de um "cotonete" e mantida durante alguns segundos na lateral da chama azul do bico de Bunsen. Alguns metais podem ser detectados pela cor que emitem: bário (verde), cálcio (cor-de-tijolo), lítio (carmesim), potássio (lilás), sódio (amarelo), estrôncio (vermelho).

O espectro atômico, também chamado de espectro de linhas, ao contrário do espectro eletromagnético, identifica qualitativamente alguns elementos. Por exemplo, a um tubo contendo hidrogênio, aplica-se uma descarga elétrica; cada átomo de hidrogênio tem seu elétron excitado que, quando retornam ao estado fundamental, emitem energia na forma de radiação eletromagnética. Essa radiação é colimada por uma fenda, e quando atravessa um prisma é decomposta em um espectro contínuo ou de linhas (arco-íris). Embora as cores das chamas de alguns elementos, como por exemplo, do cálcio, do estrôncio e do lítio, sejam muitos semelhantes, é possível diferenciá-las seguramente pela observação do respectivo espectro e identificar a presença de qualquer dos elementos na presença dos outros.

Grande parte da iluminação de Teresina é feita com lâmpadas a vapor de sódio. Elas apresentam coloração amarela, pois é a cor característica do sódio.

Em geral, os metais, sobretudo os alcalinos e alcalino-terrosos são os elementos cujos elétrons exigem menor energia para serem excitados; por isso foram escolhidos sais de vários destes elementos para a realização deste experimento.

Materiais: Bico de Bunsen, tela de amianto, tripé de ferro, tubos de ensaio, estante para tubos, pinça de madeira, pinça tesoura, algodão, vareta de vidro, cadinho, Bécher.

Reagentes: água, Estanho, iodo, magnésio, zinco, açúcar, cloreto de sódio, ácido clorídrico diluído, solução de sulfato de sódio, solução de cloreto de bário, solução de cloreto de ferro III, solução de tiocianato de amônio, solução de cloreto de lítio, solução de cloreto de cálcio, solução de sulfato de cobre penta-hidratado, solução de cloreto de sódio, solução de cloreto de potássio.

Objetivos:

- Aprender a utilizar corretamente o Bico de Bunsen.

- Identificar fenômenos físicos e químicos a partir de procedimentos tais como aquecimento seco, dissolução, precipitação, coloração, combustão...

- Realizar o Teste da Chama, a fim de identificar alguns metais através da sua radiação visível.

Procedimento Experimental

A) Uso do bico de Bunsen

O bico de Bunsen consta de três partes: a base ou pé, o tubo e o anel. A base contém a entrada do gás, o orifício que injeta o gás no tubo e a rosca que a liga ao tubo. O tubo é ligado à base pela rosca e contém janelas para a entrada do ar que irá alimentar a combustão do gás. O anel envolve o tubo e tem janelas correspondentes às daquele. Girando-se, pois, o anel, faz-se coincidir as janelas do anel com as do tubo (janelas abertas) ou fazem-se desencontrar as janelas do anel com as do tubo (janelas fechadas).

Quando as janelas estão fechadas, o gás somente se mistura com o ar após sair pela boca do tubo. A quantidade de ar é, então, insuficiente para a combustão completa do gás. Quando as janelas estão abertas, o gás se mistura com o ar dentro do tubo. A quantidade de ar é, então, suficiente para a combustão completa do gás.

O bico deve ser sempre acendido com as janelas fechadas para evitar que a chama se recolha para o interior do bico. Quando a chama se recolhe, o bico fica aceso no seu interior. Produz-se, então, forte aquecimento do tubo, o que pode acarretar queimaduras no operador.

A chama do bico pode ser aumentada ou diminuída pela torneira de gás. Essa regulagem deve ser feita também com as janelas do bico fechadas, para evitar que a chama se recolha.

- Ligar o bico de Bunsen, pelo tubo de borracha, à torneira de gás.

- Acender o bico de Bunsen com as janelas do bico fechadas. Observar a chama produzida pela combustão incompleta do gás.

- Abrir gradativamente as janelas do bico. Observar as modificações correspondentes sofridas pela chama.

- Fechar as janelas e diminuir a chama pela torneira de gás.

Qual a cor da chama do bico de Bunsen na combustão incompleta do gás? E na combustão completa do gás?

- Aumentar a chama do bico e abrir as janelas.

- Colocar a ponta de um palito de fósforo na zona oxidante.

- Colocar e retirar rapidamente, na chama do bico, um palito de fósforo, de maneira que este atravesse a zona oxidante e a zona redutora.

Por que é mais quente a zona oxidante da chama do bico de Bunsen?

B) Aquecimento de líquidos no copo de Bécher

- Colocar cerca de 50mL de água no copo de Bécher.

- Colocar o Bécher na tela de amianto, suportada pelo tripé de ferro.

- Aquecer o Bécher com a chama forte do bico de Bunsen. Observar a ebulição da água durante 2 minutos. Apagar o fogo.

Amianto é combustível?

C) Aquecimento seco

- Aquecer cuidadosamente pequena porção de zinco em um cadinho seco. Observar a fusão. Esfriar. Observar a solidificação.

A fusão e a solidificação são fenômenos físicos ou químicos? Por quê?

- Aquecer pequeno cristal de iodo em um tubo de ensaio seco. Observar a sublimação do iodo sólido e a cristalização dos vapores de iodo nas paredes frias do tubo.

Qual a cor do iodo sólido?

Qual a cor dos vapores de iodo?

A sublimação é fenômeno físico ou químico? Por quê?

- Aquecer pequena porção de açúcar (sacarose) em um tubo de ensaio seco. Observar a carbonização (formação de carvão). Deixe esfriar e observar.

A carbonização é um fenômeno físico ou químico? Por quê?

D) Dissolução

- Dissolver pequena porção de cloreto de sódio num tubo de ensaio, em pequena quantidade de água. Observar a dissolução. Concentrar a solução obtida, por ebulição cuidadosamente, até precipitar-se o sal dissolvido. Observar o precipitado.

A dissolução do cloreto de sódio em água é um fenômeno físico ou químico? Por quê?

- Colocar pequeno pedaço de zinco em um tubo de ensaio. Juntar 5mL de ácido clorídrico diluído. Observar. Aquecer cuidadosamente até que não mais se note a presença de zinco. (Sendo necessário, juntar mais ácido clorídrico). Continuar, então, o aquecimento cuidadoso para evaporar o ácido clorídrico, até a formação do precipitado. Observar o precipitado.

Entre o zinco e o ácido clorídrico dá-se um fenômeno físico ou químico. Por quê?

E) Precipitação

- Colocar 1mL de solução de sulfato de sódio em um tubo de ensaio. Juntar 1mL de solução de cloreto de bário. Agitar. Observar. Colocar o tubo na estante e deixar decantar o precipitado.

Entre o sulfato de sódio e o cloreto de bário dá-se um fenômeno físico ou químico? Por quê?

F) Coloração

- Colocar 1mL de solução de cloreto de ferro III em um tubo de ensaio. Juntar 1mL de solução de tiocianato de amônio. Agitar. Observar.

Entre o cloreto de ferro III e o tiocianato de amônio dá-se um fenômeno físico ou químico? Por quê?

G) Combustão

- Segurar pequeno pedaço de magnésio com a pinça de ferro tipo tesoura (a pinça de madeira não pode ser utilizada nesta experiência). Introduzir a ponta do metal na chama do bico de Bunsen. Observar a combustão e o óxido formado.

A combustão é um fenômeno físico ou químico? Por quê?

H) Teste da chama

- Usando a vareta de vidro disponível em sua bancada e um chumaço de algodão, faça um "cotonete" de aproximadamente 0,5cm de diâmetro. Umedeça o cotonete na solução do sal do metal a analisar e toque-o na lateral da chama azul do bico de Bunsen. Verifique a cor que a chama adquire e anote. Se houver dúvida quanto à cor, repita o teste quantas vezes achar necessário.

- Retire o algodão da vareta e limpe-a. Refaça o "cotonete" e repita o teste para cada uma das soluções de sais a seguir: solução de cloreto de lítio, solução de cloreto de cálcio, solução de sulfato de cobre penta-hidratado, solução de cloreto de sódio, solução de cloreto de potássio. Lembrando sempre que, a cada teste, a vareta deve ser limpa e o "cotonete" refeito com um novo chumaço de algodão. Ao final, reúna os resultados de seus testes em uma tabela.

Resultados e Discussões

A)

- A combustão é uma reação química de oxidação-redução onde necessariamente temos a presença de um combustível e de um comburente, geralmente o oxigênio. Esta reação sempre libera energia calorífica e luminosa no espectro visível ou não.

- A cor da chama do bico de Bunsen na combustão completa do gás é azul. Na combustão completa o oxigênio existiu em quantidade suficiente para reagir com todo o combustível (gás) e liberar o máximo de energia possível.

A chama do bico de Bunsen, com as janelas abertas, compõe-se de três zonas: a neutra, a redutora e a oxidante. Próximo da boca do bico fica a zona neutra; onde ainda não se dá a combustão do gás e que é fria, portanto. Acima desta fica a zona redutora, onde se inicia a combustão do gás, e que é, pois, pouco quente. Acima e aos lados da zona redutora fica a zona oxidante, onde se dá a combustão completa do gás, e que é, pois muito quente. A temperatura dessa zona atinge 1.100ºC.

- A cor da chama do bico de Bunsen na combustão incompleta do gás é amarela. Na combustão incompleta a quantidade de oxigênio necessária à queima total é insuficiente e os produtos formados serão outros.

- Ao colocarmos a ponta de um palito de fósforo na zona oxidante observou-se sua rápida inflamação.

- Ao colocarmos e retirarmos rapidamente um palito de fósforo na chama do bico de Bunsen, de modo que atravessasse a zona oxidante e a zona redutora, observou-se que somente a parte do palito que esteve na zona oxidante foi queimada.

- A zona oxidante é a zona mais quente da chama do bico de Bunsen, pois é onde ocorre a combustão completa do gás, podendo atingir 1.100ºC.

B)

- Não se aquecem copos de Bécher, erlenmeyer, balões... diretamente na chama do bico de Bunsen. Estes são aquecidos sobre tela de amianto, que protege peças submetidas a aquecimento. O amianto distribui uniformemente o calor, é um mineral e não combustível. Na experiência, o combustível utilizado foi o gás.

C)

- Aquecemos uma pequena porção de zinco em um cadinho. Durante a fusão (passagem do estado sólido para líquido), o zinco adquire uma forma pastosa. Após seu resfriamento, retorna ao estado sólido (solidificação). A fusão e a solidificação são fenômenos físicos, pois não alteram a natureza da substância. Ocorre somente uma mudança de estado físico.

- Aquecemos pequeno cristal de iodo em um tubo de ensaio. A cor do iodo sólido é grafite. Ao atingir certa temperatura, o iodo sólido começa a sublimar (passagem do estado sólido para gasoso). Os vapores do iodo apresentam coloração roxa. Após o resfriamento, ocorre a cristalização dos vapores do iodo (formação de cristais) nas paredes frias do tubo. A sublimação é um fenômeno físico, pois não altera a estrutura molecular da substância. Ocorre somente uma mudança de estado físico.

- Aquecemos pequena quantidade de açúcar em um tubo de ensaio. Observou-se sua carbonização, ou seja, transformação de um composto orgânico em carbono por aquecimento. O açúcar, que antes era branco, adquiriu uma coloração caramelo. A carbonização é um fenômeno químico, pois altera a natureza da substância. A reação química que ocorre é

D)

- Dissolveu-se pequena porção de cloreto de sódio (NaCl) num tubo de ensaio em pequena quantidade de água. A dissolução é uma reação química em que moléculas de um sólido, no caso o cloreto de sódio, são dispersas como íons em uma fase líquida (água). Em seguida, aquecemos a solução até a ebulição, a fim de precipitar o sal dissolvido. Após o aquecimento, o sal fica depositado no fundo do tubo (precipitado).

A dissolução do cloreto de sódio em água é um fenômeno químico, pois as moléculas de H2O envolvem os íons Na+ e Cl-, rompendo as ligações iônicas.

A equação da reação entre o cloreto de sódio e a água:

- Aquecemos um pequeno pedaço de zinco em um tubo de ensaio juntamente com 5mL de ácido clorídrico diluído até não mais notar a presença do zinco. Observou-se a liberação de um gás, o hidrogênio. Continuou-se o aquecimento para evaporar o ácido clorídrico. Observou-se a formação de precipitado (ZCl2).

Entre o zinco e o ácido clorídrico dá-se um fenômeno químico, pois ocorre uma reação química entre ambos, com formação de precipitado. A equação da reação entre o zinco e o ácido clorídrico:

E)

- Juntou-se 1mL de solução de sulfato de sódio com 1mL de solução de cloreto de bário em um tubo de ensaio. Observou-se a formação de precipitado de coloração branca, o sulfato de bário (BaSO4). Entre o sulfato de sódio e o cloreto de bário dá-se um fenômeno químico, devido à formação de um precipitado branco. A equação da reação entre o sulfato de sódio e o cloreto de bário:

F)

- Juntamos 1mL de solução de cloreto de ferro III (solução amarela) com 1mL de solução de tiocianato de amônio (solução incolor) em um tubo de ensaio e, agitamos. Observou-se a formação de uma solução de coloração vermelha intensa, devido à formação de um complexo de tiocianato de ferro (III). Entre o cloreto de ferro III e o tiocianato de amônio dá-se um fenômeno químico, pois há mudança de coloração na solução, o que significa que ocorreu uma reação química. A equação da reação entre o cloreto de ferro III e o tiocianato de amônio:

G)

- Introduzimos pequeno pedaço de magnésio na chama do bico de Bunsen com o auxílio de uma pinça de ferro. Com a combustão, o magnésio se transforma em um óxido, o óxido de magnésio (pó branco). Assim, a combustão é um fenômeno químico, pois altera a natureza da substância. A equação da reação:

H)

- Observou-se que cada metal emite radiação característica, na forma de luz visível do espectro eletromagnético, que o olho humano é capaz de detectar.