Universidade Estadual de Goiás – UEG

Unidade Universitária de Ciências Exatas e Tecnológicas – UnUCET

Síntese do cloreto de pentaaminclorocobal-

to(III);síntese e purificação do cloreto de he-

xamicobalto (III)

Acadêmicos: Lucas Rodrigues Ferreira Lucas Sousa

Renata Silva Moura Geniara Campos

Luiz Fernando Pêssoa Orientadora: Madalena

D Disciplina: Química inorgânica experimental II J

Anápolis, 2010.

INTRODUÇÃO

O cobalto (do alemão Kobold, duende, demônio das minas) é um elemento quí-mico, símbolo Co, número atômico 27 (27 prótons e 27 elétrons) e massa atômica 59 uma (unidade de massa atômica), encontrado em temperatura ambiente no estado sólido [1]. Histo-ricamente, compostos de cobalto têm sido usados como pigmentos de vidros e cerâmicas. E-xistem registros de cerâmicas egípcias datadas em torno de 2600 A.C. e vidros iranianos em torno de 2200 A.C. que continham pigmentos à base de cobalto. Porém este elemento foi iso-lado somente em 1780, por T. O. Bergman. [2]

O cobalto é um metal duro, ferromagnético, de coloração branca azulada. Sua temperatura de Curie é de 1388 K. Normalmente é encontrado junto com o níquel, e ambos fazem parte dos meteoritos de ferro. É um elemento químico essencial para os mamíferos em pequenas quantidades. O Co-60, um radioisótopo, é um importante traçador e agente no tra-tamento do câncer. O cobalto metálico é normalmente constituído de duas for-mas alotrópicas com estruturas cristalinas diferentes: hexagonal e cúbica centrada nas faces, sendo a temperatura de transição entre ambas de 722 K. [1]

O cobalto pertence ao grupo 9 da tabela periódica e está intimamente ligado ao desenvolvimento da química de coordenação. Foi através de complexos de cobalto que Alfred Werner desenvolveu parte de sua teoria, que sucumbiu com as hipóteses de Jorgensen-Blomstrand. Quimicamente este elemento apresenta os estados de oxidação I, II, III, IV, V e VI, tendo como mais importantes os estados II e III. Os íons Co2+ são muito estáveis e podem ser encontrados em vários compostos simples, tais como CoCl2, CoSO4, CoCO3, sendo que todos os sais hidratados apresentam coloração rósea devido ao complexo [Co(H2O)6]

2+. Já os íons Co3+ são bastante oxidantes e relativamente instáveis.

Complexo é um composto químico formado pela adição de uma substância sim-ples, normalmente um íon metálico que funciona como um receptor de elétrons π com uma ou várias moléculas de outra substância, chamada de ligante bases de Lewis [4]. Praticamente todos os complexos de Co (III) possuem 6 ligantes dispostos em um arranjo octaédrico. Mui-tos deles apresentam formas isoméricas, sendo que os ligantes mais comuns são os doadores N (amônia, amina e amida). [3]

De acordo com a TLV (Teoria de ligação de valência) o cloreto de pentaaminclo-rocobalto (III) (figura 01) e o cloreto de hexaaminclorocobalto (III) (figura 02) são complexos de geometria octaédrica cujo metal, Co3+ apresenta N.C. (número de coordenação) igual a 6, hibridização sp3d2, camada de valência 3d6, sendo caracterizado como complexos de orbitais externos.

Figura 01: Fórmula estrutural do cloreto Figura 02: Fórmula estrutural do cloreto de pentaaminclorocobalto (III). hexaamincobalto (III). Fonte: própria. Fonte: própria.

Complementando-se com a TCC (Teoria do campo cristalino), os ligantes do clo-reto de pentaaminclorocobalto (III) e do cloreto de hexaamincobalto (III) são ligantes de cam-po fraco o que proporciona um baixo desdobramento de energia e, consequentemente, é carac-terizado como um o complexo de spin alto apresentando EECC (Energia de Estabilização do Campo Cristalino) igual a -2/5∆o ou -4 Dq (Figura 03).

Figura 03: Remoção parcial da degeneração dos orbitais d do Co3+ em um campo octaédrico. Fonte: própria.

Aplicações dos complexos de cobalto:

• Ligas metálicas: superligas usadas em turbinas de gás de aviões, ligas resistentes

a corrosão, aços rápidos, carbetos e ferramentas de diamante.

• Imãs do tipo (Alnico) e em cintas magnéticas

• Catálise do petróleo e indústria química.

• Revestimentos metálicos por eletrodeposição devido ao seu aspecto, dureza e resistên-

cia a corrosão.

• Secante para pinturas: tintas e vernizes.

• Revestimento base de esmaltes vitrificados.

• Pigmentos: cobalto azul e cobalto verde.

• Eletrodos de baterias elétricas.

• Cabos de aço de pneumáticos.

• O Co-60, radioisótopo é usado como fonte de radiação gama em radioterapia, esterili-

zação de alimentos (pasteurização fria) e radiografia industrial para o controle de qua-

lidade de metais (detecção de fendas). [1]

OBJETIVO

Sintetizar o cloreto de pentaaminclorocobalto (III) a partir do nitrato de tetraamin-carbonatocobalto (III), ácido clorídrico e hidróxido de amônio. Sintetizar o cloreto de hexa-mincobalto (III) a partir do cloreto de hexaaquocobalto (III), peróxido de hidrogênio, cloreto de amônio e hidróxido de amônio; e purificar o cloreto de hexamincobalto (III).

PARTE EXPERIMENTAL

SÍNTESE DO CLORETO DE PENTAAMINCLOROCOBALTO (III)

1. Materiais e equipamentos

• 2 béquers de 50 mL • Béquer de 250 mL • Papel indicador ácido-base • Balança analítica • Espátula • Piceta • 2 pipetas • Pró-pipeta • Chapa elétrica • Bastão de vidro • Funil de placa porosa • Argola metálica • Suporte universal • Bomba a vácuo • Banho de gelo • Frasco Kitassato

2. Reagentes

• Nitrato de tetraamincarbonatocobalto (III) • Água destilada • Hidróxido de amônio concentrado • Ácido clorídrico concentrado • Etanol

3. Procedimento experimental

Em um béquer dissolveu-se 1,0 g de nitrato de tetraamincarbonatocobalto (III) em 10 mL de água destilada. Em seguida, foi adicionado 1,6 mL de ácido clorídrico concentrado, lentamente e sob agitação. Quando cessou a efervescência, neutralizou-se a solução com hi-dróxido de amônio concentrado verificando a neutralização com papel indicador universal. O pH ficou em torno de 7.

Foi adicionado 1,2 mL de hidróxido de amônio concentrado em excesso. Aque-ceu-se a solução por 20 minutos, mas não deixou-se entrar em ebulição. Resfriou-a ligeira-mente e adicionou mais 16 mL de ácido clorídrico concentrado.

Reaqueceu-se a solução por mais 25 minutos. Resfriou-se a solução a temperatura ambiente. Filtrou-se a solução a vácuo. Lavaram-se esses cristais com alguns mL de água destilada gelada e depois com 10 mL de álcool etílico. Em seguida, completou-se a secagem sob sucção (figura 01).

Figura 01: Cloreto de pentaaminclorocobalto (III). Fonte: própria.

SÍNTESE E PURIFICAÇÃO DO CLORETO DE HEXAAMINCOBALTO (III)

1. Materiais e equipamentos

• Balança analítica • 5 béqueres de 50 mL • Chapa elétrica • 3 espátulas • Erlenmeyer de 125 mL • Banho de gelo • Pipeta • Pró-pipeta • Pipeta Pasteur • Banho-maria • Termômetro • Funil de Büchner • Frasco Kitassato • 2 argolas metálicas • Bomba a vácuo • 2 suportes universais • Bastão de vidro • Funil simples • 2 papéis de filtro

2. Reagentes

• Cloreto de hexaaquocobalto (III) • Cloreto de amônio • Carvão ativado • Hidróxido de amônio concentrado • Peróxido de hidrogênio • Água destilada • Ácido clorídrico concentrado • Álcool etílico a 60 % e 96 %

3. Procedimento experimental

Pesou-se 5 g de NH4Cl e dissolveu-se em 10 mL de água contida em um béquer de 50 mL. Aqueceu-se lentamente a solução até a ebulição e adicionou-se 7,5 g de cloreto de hexaaquocobalto (III) (figura 02). Transferiu-se a solução ainda quente para um erlenmeyer de 125 mL. Colocou-se 0,5 g de carvão ativado no erlenmeyer e resfriou-se a solução com água corrente até a temperatura ambiente.

Figura 02: Mistura reacional com a adição de [Co(H2O)6]Cl 2. Fonte: própria.

Adicionou-se 20 mL de NH4OH concentrado e resfriou-se a solução em banho de gelo. Acrescentou-se 15 mL de solução de peróxido de hidrogênio a 20%, lentamente, em frações de 1 mL (figura 03).

Figura 03: Acréscimo de H2O2 a 20 % à mistura reacional. Fonte: própria.

A mistura contida no erlenmeyer foi aquecida em banho-maria até cessar o des-prendimento de gases. Transferiu-se o erlenmeyer para um banho de gelo com sal até que o erlenmeyer atingisse 0°C. Após a formação dos cristais, filtrou-se o precipitado a vácuo (figu-ra 04).

Figura 04: Filtração a vácuo dos cristais de cloreto de hexaamincobalto (III). Fonte: própria.

Para a purificação do complexo, transferiu-se a mistura sólida para um béquer contendo 60 mL de água e 3 mL de HCl concentrado e a solução foi aquecida até a ebulição. Filtrou-se a solução a quente em papel de filtro (pré-aquecido com água quente) para remoção do carvão (figura 05). Adicionou-se 10 mL de HCl concentrado ao filtrado e resfriou-se a solução em banho de gelo, com agitação continua.

Figura 05: Produto da filtração a quente para remoção do carvão. Fonte: própria.

Filtrou-se o precipitado a vácuo. Os cristais contidos no funil foram lavados inici-almente com 10 mL de solução de álcool etílico a 60 % e depois com 10 mL de álcool etílico a 96 %. Colocaram-se os cristais em um ambiente seco e arejado para secarem.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

SÍNTESE DO CLORETO DE PENTAAMINCLOROCOBALTO (III) 1° Reação: [Co(NH3)4CO3]NO3(aq) + 2 HCl(aq) → [Co(NH3)4Cl2]NO3(aq) + CO2↑

Ao adicionar ácido clorídrico à solução aquosa de nitrato de tetraamincarbonato-cobalto (III) observou-se o desprendimento de gás carbônico. Assim, conclui-se que o carbo-nato estava saindo da esfera de coordenação e reagindo com o hidrogênio do ácido clorídrico, formando ácido carbônico que se dissocia em água e gás carbônico.

2° reação: [Co(NH3)4Cl2]NO3(aq) + NH4OH → [Co(NH3)5Cl]Cl-(aq) + NO3+(aq)

Observação:

Quando cessou a efervescência, neutralizou-se a solução com hidróxido de amô-nio concentrado verificando a neutralização com papel indicador universal. O pH ficou em torno de 7. Foi adicionado 1,2 mL de hidróxido de amônio concentrado em excesso. Aqueceu-se a solução por 20 minutos, mas não deixou-se entrar em ebulição. Com o aquecimento ocor-reu a substituição de um ligante cloro da esfera de coordenação por uma amina formando um complexo catiônico com cinco ligantes Amin e um cloro.

3° reação: [Co(NH3)5Cl]Cl-(aq) + NO3

+(aq) + HCl(aq) → [Co(NH3)5Cl]Cl2 + HNO3

Após o resfriamento, adicionou-se mais 16 mL de ácido clorídrico concentrado.

Notou-se que a solução passou de transparente para azul escuro. Reaqueceu-se a solução por mais 25 minutos. Notou-se que a solução ficava cada vez mais escura indicando a formação do cloreto de pentaaminclocobalto (III) através da substituição do radical nitrato ligado ao complexo catiônico por dois íons cloreto. Resfriou-se a solução a temperatura ambiente. Fil-trou-se a solução a vácuo. Notaram-se no funil de placa porosa alguns cristais roxos (figura 01). Lavaram-se esses cristais com alguns mL de água destilada gelada e depois com 10 mL de álcool etílico. Após os cristais secos sobre o papel de filtro, mediu-se a massa de produto obtida para o caçulo do rendimento.

Cálculo do rendimento:

Foi obtida uma massa de 0,81 g de cloreto de pentaaminclorocobalto (III). Para saber o rendimento percentual que foi obtido na prática, precisam-se analisar os dados que as fórmulas e a equação proporcionam e compará-los com o resultado experimental.

Dados:

Massa Molar [Co(NH3)4CO3]NO3: 249,02 g

Massa Molar [Co(NH3)5Cl]Cl2: 250,55 g

A equação geral mostra que ao reagir 1 mol de [Co(NH3)4CO3]NO3 (249,02 g),

forma-se 1 mol de [Co(NH3)5Cl]Cl2 (250,55 g). Assim, tem-se que:

249,02 g de [Co(NH3)4CO3]NO3 250,55 g de [Co(NH3)5Cl]Cl2

1,0 g de [Co(NH3)4CO3]NO3 x

x = 1,006 g de [Co(NH3)5Cl]Cl2

Para um rendimento teórico deveria se formar 1,006 g de [Co(NH3)5Cl]Cl2. Como o rendimento teórico é de 100%, calcula-se o rendimento experimental obtido em laboratório. Para isso, dividi-se a massa do rendimento experimental pela massa do rendimento teórico e multiplica-se o resultado por 100%:

Rend. = �,��

�,���. 100%

Rend. = 80,52%

SÍNTESE E PURIFICAÇÃO DO CLORETO DE HEXAAMINCOBALTO (III)

Pesou-se 5 g de NH4Cl e dissolveu-se em 10 mL de água contida em um béquer de 50 mL. Aqueceu-se lentamente a solução até a ebulição e adicionou-se 7,5 g de cloreto de hexaaquocobalto (III). Efetuando os cálculos necessários, tem-se que: Dados: Massa Molar [Co(H2O)6]Cl2: 237,93 g Massa Molar NH4Cl: 53,5 g Para o NH4Cl: 53,5 g de NH4Cl 1 mol 5,0 g de NH4Cl x x = 0,09 mol Para o [Co(H2O)6]Cl 2: 237,93g de [Co(H2O)6]Cl2 1 mol 7,5 g de [Co(H2O)6]Cl2 x x = 0,03 mol

Assim, tem-se que para a reação de NH4Cl com [Co(H2O)6]Cl2 ocorre a propor-ção de 0.03:0.09, ou seja, 1:3. Obtendo-se a seguinte reação de acordo com o procedimento:

[Co(H2O)6]Cl2(aq) + 3 NH4Cl(aq) → [Co(NH3)3(H2O)3]Cl2(aq) + 3 HCl(aq)

Transferiu-se a solução ainda quente para um erlenmeyer de 125 mL. Colocou-se 0,5 g de carvão ativado no erlenmeyer e resfriou-se a solução com água corrente até a tempe-ratura ambiente. Adicionou-se 20 mL de NH4OH concentrado, pois para potencializar a for-mação do complexo com ligantes Amin é necessário que haja excesso amoníaco pelo fato da amônia ser muito volátil. Em seguida, resfriou-se a solução em banho de gelo. Efetuando os cálculos necessários, tem-se que:

A densidade do NH4OH é de 0,9101 g/mL, assim:

0,9101 g de NH4OH 1 mL x 20 mL x = 18,202 g O peso molecular do NH4OH é 35.0455 g/mol, logo:

35.0455 g de NH4OH 1 mol 18,202 g de NH4OH x x = 0,52 mol

Assim, tem-se que para a reação de NH4OH com [Co(NH3)3(H2O)3]Cl2 ocorre a proporção de 0.03:0.52, ou seja, 1:18. Obtendo-se a seguinte reação de acordo com o proce-dimento:

[Co(NH3)3(H2O)3]Cl2(aq) + 3 HCl(aq) + 18 NH4OH(aq) → [Co(NH3)6]Cl2(aq) + 3 NH4Cl(aq) + 12 NH3(aq)

Acrescentou-se 15 mL de solução de peróxido de hidrogênio a 20 %, lentamente,

em frações de 1 mL para oxidar o cobalto de 2+ para 3+. Notou-se a liberação de gás hidro-gênio. A mistura contida no erlenmeyer foi aquecida em banho-maria até cessar o desprendi-mento de gases. Transferiu-se o erlenmeyer para um banho de gelo com sal até que o erlen-meyer atingisse 0°C. Após a formação dos cristais, filtrou-se o precipitado a vácuo. A densidade do H2O2 é 1,476 g/mL, logo a densidade de H2O2 a 20% é de 0,3 g/mL, as-sim:

0,3 g de H2O2 1 mL x 15 mL x = 4,5 g

O peso molecular do H2O2 é 34,0138 g/mol, logo:

34.0138 g de H2O2 1 mol 4,5 g de H2O2 x x = 0,15 mol

Assim, tem-se que para a reação de H2O2 com [Co(NH3)6]Cl2 ocorre a proporção de 0.03:0.15, ou seja, 1:0.5. Obtendo-se a seguinte reação de acordo com o procedimento:

[Co(NH3)6]Cl2(aq) + 3 NH4Cl(aq) + 0,5 H2O2(aq) → [Co(NH3)6]Cl3(aq) + 2 NH4Cl(aq) + NH3(aq) + H2(g)

Para a purificação do complexo, transferiu-se a mistura sólida para um béquer contendo 60 mL de água e 3 mL de HCl concentrado e a solução foi aquecida até a ebulição. Ao filtrar a solução a quente em papel de filtro (pré-aquecido com água quente) notou-se que a solução apresentava a cor característica do hexaamincobalto (III), vermelho, indicando a remoção do carvão da solução.

Assim, adicionou-se 10 mL de HCl concentrado ao filtrado e resfriou-se a solução em banho de gelo, com agitação continua. Filtrou-se o precipitado a vácuo. Os cristais conti-dos no funil foram lavados inicialmente com 10 mL de solução de álcool etílico a 60 % e de-pois com 10 mL de álcool etílico a 96 %. Colocaram-se os cristais em um ambiente seco e arejado para secarem por um período de uma semana para que se fizesse a determinação de cloreto no complexo sintetizado.

Cálculo do rendimento teórico: Dados:

Massa Molar [Co(H2O)6]Cl2: 237,93 g

Massa Molar [Co(NH3)6]Cl3: 267,58 g

A equações descritas acima mostram que ao reagir 1 mol de [Co(H2O)6]Cl2, for-

ma-se 1 mol de [Co(NH3)6]Cl3, sendo assim, tem-se que:

237,93 g de [Co(H2O)6]Cl2 267,58 g de [Co(NH3)6]Cl3

7,5 g de [Co(H2O)6]Cl2 x

x = 8,44 g de [Co(NH3)6]Cl3

Para um rendimento teórico deve se formar 8,44 g de [Co(NH3)6]Cl3.

CONCLUSÃO

SÍNTESE DO CLORETO DE PENTAAMINCLOROCOBALTO (III)

De acordo com a pratica realizada, notou-se que pode-se preparar um complexo a

partir de outro complexo. A início, é necessário trocar os ligantes da rede cristalina do com-plexo. Assim, as reações para a síntese do cloreto de pentaaminclorocobalto (III) foram bem sucedidas tornando possível a observação do procedimento em suas diferentes etapas, possibi-litando as análises necessárias e aplanando os conhecimentos a cerca das técnicas e teorias utilizadas, atingindo o objetivo da aula prática.

Obteve-se no experimento 0,81g das 1,006 g do rendimento teórico. Assim, de acordo com o desenvolvimento dos raciocínios, o rendimento da reação foi de 80,52%, resul-tado que pode ter sido provocado pela perda parcial do produto ao ser filtrado na filtração a vácuo, pois parte do produto passou pelo papel de filtro e ficou retido no frasco Kitasato.

SÍNTESE E PURIFICAÇÃO DO CLORETO DE HEXAAMINCOBALTO (III)

De acordo com a prática realizada, notou-se que se pode preparar um complexo a partir de outro complexo. A início, é necessário trocar os ligantes da rede cristalina do com-plexo, neste experimento trocou-se os ligantes aquo por ligantes amin. Assim, as reações para a síntese e purificação do cloreto de hexamincobalto (III) foram bem sucedidas tornando pos-sível a observação do procedimento em suas diferentes etapas, possibilitando as análises ne-cessárias e aplanando os conhecimentos a cerca das técnicas e teorias utilizadas, atingindo o objetivo da aula prática.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Cobalto>. ACESSO: 27/04/10 às 20:30 hs. [2] Lee, J. D.; Química Inorgânica não tão Concisa, 5ª ed., Edgard Blücher: São Paulo, 1999. [3] Cotton, F. A.; Wilkinson, G.; Advanced Inorganic Chemistry, 5th ed., John Wiley & Sons: New York, 1988. [4] Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Complexo_(química)>. ACESSO: 26/04/10 às 20:30 hs.