Oxigênio e Água Oxigenada

1. INTRODUÇÃO E OBJETIVOS

O oxigênio é o elemento mais abundante na crosta terrestre, representa 23% da massa da atmosfera, indispensável para a manutenção dos processos vitais de quase todos os organismos. Em sua formula molecular, O2, é um gás a temperatura ambiente, incolor, insípido, inodoro e pouco solúvel em água. Esse elemento, também pode ser encontrado como o alótropo ozônio (O3), que é um composto de grande importância. Pode ser utilizado como oxidante e é um dos principais constituintes da camada superior da nossa atmosfera, a “camada de ozônio”, que serve de proteção à radiação exterior.
O oxigênio pode ter combinações com outros elementos formando assim os óxidos. A reação espontânea de qualquer substância com o oxigênio é denominada oxidação, quando a reação é imediata e produz calor e luz, chama-se combustão.
O oxigênio pode ser obtido industrialmente, através da destilação fracionada do ar liquefeito. Em algumas ocasiões ele é preparado em pequena escala em laboratório, pela decomposição térmica do KClO3 (sobre a ação MnO2 como catalisador). Pequenas quantidades de O2 são produzidas pelo aquecimento de NaClO3, como fonte emergencial de oxigênio emaviões. A maior parte do O2 é utilizada na fabricação de aço, é largamente usado nos processos de corte e solda. Ele é, também, administrado pelos médicos, para aliviar o esforço sobre o coração e os pulmões e, como um estimulante. O gás oxigênio pode também, ser produzido pela decomposição do peróxido de hidrogênio, que é um composto instável. 
O peróxido de hidrogênio conhecido também como água oxigenada (H2O2) é um produto químico ambientalmente correto, usado nas reações de oxidação, nos processos de branqueamento das indústrias têxtil, de celulose, bem como no tratamento de efluentes, de ar exaurido e, ainda, em varias aplicações no setor de desinfecção.
A produção do peróxido de hidrogênio, atualmente, se dá, quase que exclusivamente, segundo o processo de auto-oxidação por antraquinona. Nesse processo, o H2O2 é produzido a partir de hidrogênio e do oxigênio atmosférico e um derivado da antraquinona. 
O experimento a seguir teve como objetivo a preparação do oxigênio e a verificação de algumas das propriedades deste e da água oxigenada.

2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

2.1 Reação catalítica de decomposição de clorato de potássio em dióxido de manganês

Para a obtenção do gás oxigênio, pesou-se 5g de clorato de potássio e 1,5g de dióxido de manganês. Ambos foram adicionados a um tubo de ensaio de 20x250mm. Fechou-se a boca do tubo com uma rolha perfuradapor um tudo de vidro recurvado, mergulhou-se posteriormente este tubo em uma cuba de vidro contendo água. O sistema então foi aquecido, inicialmente em chama fraca, aumentando-se gradativamente a temperatura. Deixou-se o gás borbulhar na água durante 20 segundos para então recolhê-lo em 6 tubos de ensaio de 25x150mm, estando estes previamente cheios de água. Após o preenchimento dos tubos com o gás, tamparam-se os frascos, na posição invertida, com rolhas e os tubos foram colocados na estante. O tubo de vidro foi retirado da água e, o bico de Bunsen foi então desligado.
Esquema de aparelhagem utilizada:

Figura 1 Aparelhagem utilizada na reação catalítica de decomposição de clorato de potássio em dióxido de manganês.

2.2 Verificação das propriedades do oxigênio.

2.2.1 Parte A

Na capela, pegou-se um pouco de enxofre com uma espátula, aquecendo-o no bico de Bunsen até que surgisse uma chama azul. Introduziu-se a espátula em um dos tubos de ensaio que continha gás oxigênio. Observou-se e equacionou-se. Adicionou-se então 3 mL de água destilada, posteriormente medindo o pH da solução com papel indicador. Equacionou-se. Foram adicionadas, ao tubo, gotas de solução de permanganato de potássio. Agitou-se, observou-se o ocorrido.

2.2.2 Parte B
Foi introduzido, em um dos tubos que continha gás oxigênio, um pedaço de madeira previamente aquecido àincandescência no bico de Bunsen. Observou-se e equacionou-se. Adicionou-se então 2 mL de água destilada, agitou-se, medindo-se posteriormente o pH com papel indicador universal. Equacionou-se.

2.2.3 Parte C
Prendeu-se uma fita de magnésio a uma pinça metálica e aqueceu-se a fita no bico de Bunsen. Em seguida, a fita foi então introduzida em um dos tubos de ensaio que continha gás oxigênio. Observou-se e equacionou-se. Adicionou-se 3 mL de água destilada e mediu-se o pH da solução com um papel indicador universal. Equacionou-se.

2.3 Verificação das Propriedades da Água Oxigenada.

2.4.1 Decomposição pela base
Adicionou-se 2 mL de água oxigenada à dois tubos de ensaio (sendo 1 mL adicionado a cada um). No tubo 1, acrescentou-se 1 mL de ácido clorídrico 0,2mol/L, posteriormente agitando-se o tubo e aquecendo-o na chama do bico de Bunsen. Observou-se e equacionou-se. No tubo 2, foi adicionado 1 mL de hidróxido de sódio 0,2mol/L, agitou-se e aqueceu-se o tubo na chama do bico de Bunsen. Observou-se o ocorrido e equacionou-se. Por fim, foi introduzido então a ambos um palito de madeira em brasa e observou-se.


2.4.2 Ação Oxidante

2.3.2.1 Parte A
A um tubo de ensaio, adicionou-se 1 mL de cloreto de ferro (III) 0,2mol/L e 1 mL de ácido sulfúrico 0,2 mol/L. Agitou-se. Posteriormente foram adicionadas gotas de ferrocianeto de potássio0,2mol/L. Agitou-se, observou-se e equacionou-se.

2.3.2.2 Parte B
Adicionou-se à um tubo de ensaio 1 mL de sulfato de ferro (II) 0,2mol/L, 1 mL de ácido sulfúrico 0,2 mol/L e 1 mL de água oxigenada. O tubo foi aquecido ligeiramente. Observou-se e equacionou-se. Acrescentou-se ao tubo gotas de ferrocianeto de potássio 0,2mol/L. Agitou-se, observou-se e equacionou-se.

2.3.3 Ação Redutora
Adicionou-se 1 mL de ácido sulfúrico 0,2mol/L a um tubo de ensaio, acrescentando-se 2 mL de água oxigenada. Posteriormente, adicionou-se gotas de permanganato de potássio 0,05mol/L. Agitou-se, observou-se e equacionou-se.


4. CONCLUSÃO

Com a execução dos experimentos realizados, foi possível constatar a importância do estudo destes dois compostos inorgânicos, o gás oxigênio - O2 - e o peróxido de hidrogênio - H2O2 -, visto as diversas funções que estes desempenham. Destacando a desproporcionalidade do peróxido de hidrogênio, que em uma reação pode ser o agente redutor, ou o agente oxidante ou ainda ambos, simultaneamente. E a existência do gás oxigênio que garante a vida na Terra.

5. QUESTIONÁRIO

1) Quais são os alótropos do oxigênio? Quais as diferenças?

Os alótropos do oxigênio são o gás oxigênio (O2) e o ozônio (O3). A diferença entre os dois é que o gás oxigênio é incolor, inodoro, possui maior estabilidade e está presente no ar que respiramos. O gás ozônio por sua vez é instável, de coloração azulada, cheiro forte e desagradável. Este gás é constituinte da camada de ozônio, responsável por nos proteger da radiação ultravioleta. Como possui propriedades germicidas, o ozônio é usado em purificadores para obtenção de água potável.
Também são diferentes no número de átomos e no seu arranjo, ou seja, sua disposição geométrica. Como mostra a figura:

2) Explique o fato de o oxigênio líquido ser atraído pelos polos de um imã, enquanto o nitrogênio não.

O fato que explica o oxigênio líquido ser atraído pelos polos de um imã é a teoria dos orbitais moleculares (TOM), pois nessa teoria o oxigênio é paramagnético, oque significa que ele possui elétrons desemparelhados (π antiligante como mostra a figura), e que quando em presença de um campo magnético, se alinham, fazendo dessa forma, um imã que tem capacidade de provocar um leve aumento na intensidade do valor do campo magnético. Diferente do nitrogênio, que é diamagnético, ou seja, não possui elétrons desemparelhados, fazendo assim com que ele seja repelido pelo polo de um imã.

TOM – O2 TOM- N2

3) Utilize a TOM (Teoria de Orbitais Moleculares) para descrever as ligações nos compostos: O2, O21- (íon superóxido) e O22- (íon peróxido), citando em cada caso a ordem de ligação e suas propriedades magnéticas.

* O2 = 1s2 2s2 2p4

A molécula de O2 contém 2 e- desemparelhados, sendo então um composto paramagnético que em decorrência disto, sofre influência de forças eletromagnéticas. Quando este é submetido a um campo magnético, se comporta como se fosse um metal sendo atraído por um imã, porém em menor intensidade.
* O21- (íon superóxido)
1º O= 1s2 2s2 2p4
2º O= 1s2 2s2 2p3
1-

3
1-

O íon superóxido contém 1 e-desemparelhado, sendo então paramagnético. Quando este é submetido a um campo magnético, também sofre atração, mas em menor intensidade se comparado ao composto O2, que contém 2 e- desemparelhados.

* O22- (íon peróxido)
1º O= 1s2 2s2 2p32º O= 1s2 2s2 2p3
2-
1-
1-
3
3

O íon peróxido (O22) não contém e- desemparelhados, sendo então diamagnético, não sofrendo, portanto, influência de forças eletromagnéticas.

4) Como é possível obter ozônio no laboratório? Dê algumas aplicações do ozônio.

Em laboratório, o Ozônio pode ser produzido pela eletrólise da água ou pelo aquecimento do clorato de potássio sob ação do dióxido de manganês como catalisador. 
Dentre as aplicações do ozônio, este pode ser citado como um poderoso germicida, utilizado para a desinfecção da água e alimentos; em processos de branqueamento de compostos orgânicos como açúcar; na produção de etanol, reduzindo o uso de produtos químicos biocidas; quando misturado a outros gases, atua em reações de transformação de alcenos em aldeídos, cetonas ou ácidos carboxílicos, devido ao seu alto poder oxidante. Atualmente o ozônio também é utilizado para fins medicinais na Ozonioterapia, onde age como agente terapêutico no tratamento de um grande número de patologias. Seu emprego visa a melhorar a circulação sanguínea, redução do colesterol, auxílio na cicatrização de feridas, sendo também aplicado no tratamento da dor crônica.

5) Escreva as equações balanceadas do peróxido de hidrogênio com:
a) Uma solução ácida de KMnO4.
KMnO4(aq) + 3 H+(aq) + 3H2O2(aq) → Mn2+(aq) + K+(aq) + 92H2O(l) + 34O2

b) Solução aquosa de HI.H2O2(aq) + 2 HI(aq) → 2 H2O(l) + I2(aq)

6) Explique a existência do SF6, mas não a do OF6.
O composto OF6 não pode existir pelo fato de o átomo de oxigênio ocupar apenas a segunda camada onde só são possíveis as hibridações Spn. Para que esse composto pudesse existir seria necessário que ele ocupasse a terceira camada dessa forma o orbital “d” estaria disponível para poder ser feita a hibridação Sp3d2. Isto ocorre no átomo de S conforme mostrado nas figuras 2 e 3.


Figura 2 Distribuição Eletrônica da camada de valência para um átomo de Oxigênio

Figura 2: Distribuição Eletrônica da camada de valência para um átomo de Enxofre e Hibridação sofrida para a formação do composto SF6













7) Qual a diferença entre o H2O2 30% e 30 volumes.

O peróxido de hidrogênio 30% significa que, de uma determinada solução, 30% de seu volume é composto de H2O2, ou seja, se há 100mL de solução, 30mL desta é somente peróxido de hidrogênio.
Já a nomenclatura em “volumes” dada ao peróxido de hidrogênio, é baseada na quantidade, em volume, de gás oxigênio que determinado volume de água oxigenada pode liberar quando se decompõe. Por exemplo: 1L de peróxido de hidrogênio a 30 volumes ao se decompor, nas condições normais de temperatura e pressão, produz 30L de O2, trinta vezes o volume de H2O2, por isso água oxigenada 30 volumE

...