Pesquisa de Cátions e Ânions em Amostras Desconhecidas

1. Introdução

A química analítica é o ramo da química responsável por separar, identificar e quantificar os componentes de uma amostra. Esta é separada em qualitativa e quantitativa. A análise de cátions e ânions, ou a chamada análise qualitativa, visa identificar quais as substâncias misturadas, e para isso, uma serie de experiências deve ser realizada a fim desse obter reações que possibilitem a identificação.

Para a análise qualitativa separam-se os cátions em cinco grupos. O grupo I é composto pelos metais alcalinos, Na+, K+, NH4+ e Li+; o grupo II pelos metais alcalinos terrosos, Mg2+, Ca2+, Sr2+ e Ba2+; o grupo III pelos cátions do quarto período dos metais de transição, Cr3+, Fe2+, Fe3+, Mn2+, Ni2+, Co2+, Zn2+ e Al3+; o grupo IV é subdividido em A e B, sendo o grupo IV A composto por Cu2+, Cd2+, Pb2+, Hg2+ e Bi3+ e o grupo IV B por As3+, As5+, Sb3+, Sb5+, Sn2+ e Sn4+ e, por fim, o grupo V constituído pelos cátions Ag+, Hg22+ e Pb2+. São assim classificados pelas similaridades encontradas na separação e identificação de cada emento químico. (A. VOGEL, 1981, p.213).

Os cátions do Grupo I são os maiores cátions dos períodos correspondentes a que pertencem. Têm uma pequena carga e são parecidos estruturalmente com os gases nobres. Por apresentarem fraca atração por ânions e moléculas, não possuem regentes específicos para sua identificação, por seus sais, em grande parte, são solúveis em água e seus íons dificilmente formam complexo sendo necessário, portanto, reações especiais ou ensaios de chama (VOGUEL,1981 p 314).

Os cátions do Grupo II têm em comum a solubilidade de seus sulfetos e a insolubilidade de seus carbonatos em água. Não reagem com ácido clorídrico, sulfeto de hidrogênio e sulfeto de amônio, contudo, com o carbonato de amônio observa-se a formação de um precipitado branco (VOGUEL,1981 p 305).

Os metais do Grupo III não são precipitados pelos reagentes dos grupos I e II, mas todos são precipitados pelo gás sulfídrico, na presença do cloreto de amônio, a partir de soluções tornadas alcalinas pela amônia. Os metais são precipitados com sulfetos, com exceção do alumínio e do cromo que são precipitados com hidróxidos devido à hidrólise completa dos sulfetos em solução aquosa. O ferro, alumínio e cromo também são precipitados como hidróxidos pela solução de amônia na presença de cloreto de amônio, enquanto os outros metais do grupo permanecem em solução e podem ser precipitados como sulfetos pelo gás sulfídrico (A. VOGEL, 1981, p. 267).

A identificação dos íons é feita a partir de experimentos e respectivas observações de reações químicas que levam à formação de diferentes produtos, sendo que para cada grupo são realizados testes específicos para identificar a presença ou ausência de determinado elemento químico.

Dentre os testes realizados encontra-se o teste da chama, cujo é importante para identificar cátions através da cor emitida pelo metal quando aquecido. Isso acontece pois, ao receber energia, os elétrons saltam para um orbital mais energético e, ao retornarem, emitem radiação no espectro de luz visível. Uma vez que os átomos possuem absorções e emissões de energia em quantidades específicas, é possível, por intermédio da chama, identificar os elementos químicos presentes na amostra (J. MENDHAM, 1988, p.253).

Assim, é possível inferir a presença de um determinado cátion em um sal, de acordo com a cor da chama observada, sendo esta apresentada na Tabela 1.

Tabela 1 - Cores de chama características para os cloretos de alguns metais

Fonte: Roteiro Aula Prática 2 – Química Analítica

Porém, o teste da chama apresenta algumas limitações, sendo que há cores de chama semelhantes entre compostos diferentes, e alguns elementos não liberam radiação com comprimento de onda na faixa de luz visível ao olho humano. Portanto, este não é conclusivo, por si só, para a identificação de íons, mas é um complemento para outros testes mais específicos.

Os testes realizados para a identificação dos cátions K+ e NH4+, do grupo I, são o teste de cobaltonitrito de sódio ([Co(NO2)6]3-(s) ) para K+ e NH4+ e o teste com base forte para NH4+.

O teste de cobaltonitrito de sódio com K+ consiste na formação de um precipitado de cor alaranjada, que dependendo da concentração dos íons de sódio e da temperatura da solução, pode formar K3[Co(NO2)6]-3 e K3Na [Co(NO2)6]-3, a qual ocorre na presença de uma solução tampão com pH~5. Já o teste de cobaltonitrito de sódio com NH4+ consiste na formação do precipitado, de cor amarelada, (NH4)3[Co(NO2)6]-3 , também em solução tampão de pH~5 (BACCAN, 1988. p. 121).

Com os experimentos realizados, foram observadas similaridade entre os dois sais formados, e no caso de suspeita de mistura desses cátions, recorre-se ao teste de base forte para NH4+, que é a reação de NH4+ com uma base forte, no qual a reação libera NH3 gasoso que em contato com HCl em um bastão forma uma fumaça branca.

Portanto, para identificação do Grupo I pode ser realizado o teste da chama, que revela o metal de acordo com a cor; o teste do cobaltonitrito de sódio com K+ e NH4+, que forma precipitado quando reage com K+ e/ou NH4+; e o teste de base forte para NH4+, que identifica a presença de NH4+ pela formação de fumaça branca.

Para o Grupo II utiliza-se o método de separação e identificação dos cátions Ba2+ e Ca2+, em solução tampão com pH~5. Realiza-se uma reação com cromato, no qual o Bário reage e precipita como BaCrO4, e o Cálcio fica no sobrenadante. Neste, em outro recipiente, faz-se uma reação com oxalato, no qual ocorre a formação do precipitado CaC2O4. Os precipitados podem ser verificados via teste da chama, o qual confirma a presença dos cátions.

Para o Grupo III utiliza-se o procedimento experimental, a fim de analisar os cátions Fe3+ e Al3+. Em soluções que contém cátions Fe3+ e Al3+, com presença de uma solução tampão com pH~9, realiza-se uma reação com hidróxido formando precipitado. Neste, adiciona-se uma base forte, na qual gera alumínio no sobrenadante e ferro no precipitado. No sobrenadante, em outro recipiente, adiciona-se um ácido forte e se verifica com um papel tornassol azul o pH, depois adiciona-se uma base e verifica-se o pH com o papel tornassol vermelho. Constata-se, em seguida, a formação de um precipitado gelatinoso e transparente, o qual significa a presença de alumínio. E para verificação do Fe3+, reage-se o precipitado, que contém ferro, com tiocianato, o qual forma