Segredo do catalizador revelado

Uma técnica promissora para observar catalizadores em ação pode proporcionar novas aplicações na medida que conhecemos como eles funcionam, de acordo com cientistas holandeses. A equipe utilizou microscopia de raio-X para estudar a reação catalítica Fischer-Tropsch (nota 1), e a nova tecnologia deve dar aos cientistas um grande entendimento sobre a atividade catalítica, permitindo o design de catalizadores melhores e mais eficientes.

Os catalizadores sólidos estão onipresentes na indústria química, e aceleram a produção de muitos compostos importantes. Eles são compostos tipicamente de partículas nanométrica de metais ou óxidos metálicos, ligados a um suporte sólido, frequentemente porosos com uma altíssima área de superfície.

Porém, os catalizadores frequentemente possuem uma estrutura química complexa e mudam durante a reação - então "observar" diretamente o catalizador reagindo podem fornecer pistas úteis para melhorar a sua eficiência. Mas fazer isso juntamente com as pressões e temperaturas utilizadas na indústria prova ser muito difícil.

Agora, o grupo de pesquisadores coordenado por Frank de Groot e Bert Weckhuysen da Universidade de Utrecht na Holanda, em colaboração com o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (USA), alcançaram este feito utilizando pequenos frascos reacionais (ou nanoreatores). "É a primeira vez que um catalizador heterogênio tem sido examinado em nanoescala", diz Frank.

Neste nanoreator, a reação ocorre entre duas janelas separadas por uma parede de apenas 10nm de espessura. Esta configuração permite que o raio-X passe através da reação para atingir um sensor, produzindo fotografias da reação em curso. Uma parte do raio-X é absorvida pelo catalizador, reagente e produtos - a energia exata absorvida revela a sua composição química. A equipe foi capaz de sondar as superfícies catalisadoras em uma resolução de cerca de 40 nm.

Como citado anteriormente, a reação estudada pela equipe foi a de Fischer-Tropsch - onde partículas de um catalizador sólido de óxido de ferro em um substrato de sílica, é usado para converter monóxido de carbono e hidrogênio em hidrocarbonetos líquidos, que podem ser utilizados como combustíveis.

Mapas de contorno podem ser construídos para mostrar a composição do catalizador (esquerda) e as áreas onde há a maior parte de hidrocarbonetos concentrados sendo gerados (direita)

A equipe replicou a reação em seu nano-reator e descobriu que durante a reação o óxido de ferro sofreu muitas transformações. O óxido inicial (Fe₂O₃) é convertido em outro óxido (Fe₃O₄), antes do silicato (Fe₂SiO₄) e do ferro metálico se formarem. Para que finalmente, surgem os acetiletos de ferro (Fe_xC_y), dando sequencia na reação. Correlacionando o catalizador em diferentes áreas com os produtos orgânicos sendo formados, a equipe mostrou que o carbono acumula nas áreas ricas em ferro, com os produtos (hidrocarbonetos) descolando-se do silicato ao substrato.

"Estas descobertas mostram um grande potencial para o imageamento de catalizadores heterogênios in situ," diz Alexis Bell da Universidade da California, Berkeley (USA) "Eu imagino que o processo não é limitado a observação de partículas de catalizadores, mas poderia também ser usadas em muitas outras aplicações, como detectar níveis de partículas sólidas no ar, que provocam a chuva ácida."

Outros usos propostos incluem monitoramento das mudanças estruturais nos materiais de armazenamento de hidrogênio ou examinando a distribuição de partículas de medicamentos nas células. A equipe diz que o desenvolvimento e evolução dos métodos de imageamento óptico devem melhorar a resolução da técnica.

Notas

Nota 1 - O processo de Fischer-Tropsch é um processo químico para produção de hidrocarbonetos líquidos (gasolina, querosene, gasóleo e lubrificantes) a partir de gás de síntese (CO e H2). Foi inventado pelos alemães Franz Fischer e Hans Tropsch na década de 20.


Referências

[1] http://www.nature.com/nature/journal/v456/n7219/abs/nature07516.html?lang=en
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"Gelo" quente

A proposta é simples: solução de acetato de sódio supersaturada. E o resultado é muito legal!

Quando dizemos que uma solução está supersaturada, significa que ela contém mais material dissolvido do que poderia ser dissolvido pelo solvente em circunstâncias normais; o estado de supersaturação é um estado metaestável, e qualquer pertubação física fará com que o equilíbrio de seu estado natural seja restabelecido.

O acetato de sódio pode ser facilmente preparado através da reação entre vinagre e (bi)carbonato de sódio: quando cessar a liberação de CO2, concentre a mistura em uma panela no fogo até atingir o estado de supersaturação. Para saber se está supersaturado, despeje uma ou duas gotas em uma superfície fria, se houver cristalização massiva então sua solução está pronta - Faça pequenas quantidades ou então será necessário muito, mas MUITO vinagre para dar conta do recado! ;)
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Cobre em ouro: o sonho!

A transmutação da matéria [1], que só foi possível após o início do domínio da moderna física nuclear, sempre fascinou os químicos e alquimistas em toda a história.
Então, a pergunta que não quer se calar: é realmente possível realizar a transmutação da matéria a partir de técnicas químicas comuns? A resposta é: muito improvável! :-(
Mas pode-se dar uma "enganada" através da deposição oxi-redutiva de metais, também conhecida como galvanoplastia! Exemplos como douração (banhar de ouro um anel feito de alumínio), prateação, cromagem, zincagem e etc, são processos que ilustram a aplicação da galvanoplastia.

Nesse artigo, vou demonstrar como fazer isso em uma moeda de cobre (certifique-se que seja de cobre mesmo), ou qualquer pedaço ou peça de cobre.

O cobre é colocado em um frasco resistente ao calor, e aquecido em uma solução. Primeiramente, o metal é recoberto com uma camada prateada. A peça é retirada da mistura, seca e bem aquecida, quando de repente... a camada torna-se dourada e brilhante, semelhante ao ouro!

Produzimos ouro? Claro que não, mas é uma experiência muito interessante!

Detalhes experimentais

Segurança: faça a experiência em um local aberto e ventilado. Use luvas, óculos de proteção e roupas apropriadas. Não descarte a solução de zinco-NaOH diretamente no sistema de esgoto. Antes disso, neutralize a solução com ácido sulfúrico diluído (1 mol/L).

1. Colocar cerca de 5g de zinco em pó em um frasco de vidro resistente ao calor. Ao invés do zinco em pó, pode ser utilizado um pedaço maior de zinco, como o ânodo de zinco de uma pilha galvânica comum, mas a reação é mais lenta.

2. Recubrir o zinco com solução diluída de hidróxido de sódio (12g NaOH adicionados lentamente em 50ml de H2O).*

3. Esquentar o frasco cuidadosamente até que a solução quase entre em ebulição. (Cuidado especial nessa operação, essa solução é extremamente corrosiva.)




4. Limpar a peça de cobre com uma palha de aço. Lavar com água destilada.
5. Usando pinças, mergulhar a peça de cobre na solução cáustica aquecida.

6. Deixar a peça de cobre no frasco por 3-4 minutos. O cobre ficará recoberto com uma camada prateada bem definida e homogênea.

7. Retirar a peça de cobre zincada utilizando uma pinça, molhar com água, e secá-la cuidadosamente com papel toalha. Não esfreguar! Retirar cuidadosamente qualquer sobra ou partícula de zinco inapropriadamente aderida na peça.

8. Utilizando uma pinça novamente, colocar a peça zincada em uma superfície quente. A peça deve tornar-se dourada e brilhante imediatamente!
9. Quando a "cor de ouro" se formar, remover a peça de cobre da fonte de calor, lavar com água e secar novamente com um papel toalha.

A química envolvida

1. O zinco dissolve na solução de hidróxido de sódio, formando o zincato de sódio e hidrogênio:
Zn_(s) + 2NaOH_(aq) + 2H₂O_(l) → Na₂Zn(OH)_4(aq) + H_2(g)

O monóxido e o hidróxido de zinco (presentes na superfície do metal pela ação do ar e da humidade do ar) também reagem em meio alcalino, produzindo o dióxido. O dióxido consequentemente complexa em zincato, como descrito acima:

ZnO(s) + 2OH^–(aq) → ZnO₂^2-(aq) + H₂O(l)
Zn(OH)₂(s) + 2OH^–(aq) → ZnO₂^2-(aq) + 2H₂O(l)

Quando então o cobre é colocado na solução, o zinco adere em sua superfície, tornando-o prateado. (Você pode checar isso demonstrando como essa camada de zinco dissolve-se em uma solução ácida diluída).
Essa reação envolve o conceito de célula eletroquímica; Os elétrons fluem do cobre ao zinco, e que não ocorre a menos que eles estejam em contato: ou diretamente, ou por um fio condutor.
No eletrodo de zinco:
Zn_(s) → Zn²⁺_(aq) + 2e^–

seguindo pela complexação dos íons de zinco: Zn(OH)₄^2–_(aq)

No eletrodo de cobre:
Zn(OH)4^2-_(aq) + 2e^- → Zn_(s) + 4OH^-_(aq)
Um processo similar de zincagem é usado na indústria mas os íons cianeto, ao invés do íon hidróxido, que é usado como agente complexante.
2. Quando a peça zincada é aquecida, o zinco e o cobre sofrem uma difusão interna, para formar uma liga de latão superficial, possuindo uma colocação muito parecida com a do ouro.

Notas *
1. A reação entre o zinco e a base ocorrerá com a liberação de hidrogênio, um gás extremamente inflamável, principalmente se confinado. Pode tornar-se explosivo em concentrações de 4 a 95% no ar, então jamais realizar essa experiência em local fechado.2. O experimento é feito melhor com cobre, outros metais como aço não funcionam muito bem.3. Latão é o nome dado a liga entre cobre e zinco: zinco e cobre possuem um tamanho similar, e conseguem dissolver-se um no outro em qualquer proporção para produzir uma vasta gama de latões. A cor depende da composição: latão com concentração maior de cobre são mais douradas, e com concentração maior de zinco, são mais prateadas.

2. Um chama (e.g. bico de bunsen) pode ser utilizada na última etapa da experiência, mas deve-se tomar cuidado para não super-aquecer a peça. Se uma chapa de aquecimento não estiver disponível, uma alternativa pode ser aquecer um bloco de metal diretamente no fogo, para que daí sim este ser utilizado na experiência.

3. Se o aquecimento na etapa final for continuado, a cor dourada desaparece em troca da coloração natural do cobre, isso porque o zinco difunde-se gradativamente da superfície para o interior da peça de cobre.
4. Caso o último processo (aquecimento) seja negligenciado, a peça de cobre zincada formará uma liga com o cobre no passar de alguns meses. Isso mostra perfeitamente como os "sólidos" não são tão estáticos quanto imaginamos.


Referências

[1] http://pt.wikipedia.org/wiki/Transmutação
[2] http://pt.wikipedia.org/wiki/Galvanoplastia
[3] Zinc-plating copper and the formation of brass – 'turning copper into ‘silver’ and ‘gold’: Link
[4] Zinc plating of copper coin: Link.

Transformar leite em água

Não... não é um artigo ensinando mais algumas manobras fraudulentas para a indústria do leite aqui do Brasil. Trata-se de química básica, mas interessante do ponto de vista didático. Um fluído muito parecido com leite, pode ser conseguido misturando água e hidróxido de cálcio; com a adição de ácido clorídrico a solução fica transparente: Jamais beba essas soluções, contém íons venenosos!

Ca(OH)2 + HCl -----> Ca²⁺ + 2Cl^- + H2O

Outro método alternativo seria uma solução entre nitrato de prata e cloreto de sódio, clarificados com hidróxido de amônio (amoníaco, amônia aquosa).

AgNO3 + NaCl -----> AgCl + Na⁺ + NO3^-
AgCl + 3NH₃ -----> Ag(NH₃)₂⁺ + Cl^-

Seja criativo, muitas reações criam precipitados brancos que permanecem em suspensão, e grande parte podem ser desfeitos com a adição de outros produtos químicos.
S.

Fazendo vidro

Quem, mesmo com pouco interesse em química, nunca teve a vontade de produzir vidro? Aqui está a solução para esse problema, apesar de não tratar-se do vidro "tradicional" da janela das nossas casas, composto por SiO2, Na2CO3 e CaCO3, com ponto de fusão de aproximadamente 1.250°C.

Mas lembrando que por definição, o vidro é um sólido amorfo de elevada dureza, composto por um óxido metálico resfriado (ou mistura de óxidos), transparente, relativamente inerte e biologicamente inativo. E se esta definição for válida, é exatamente vidro que vamos fazer aqui! ;) Levando em conta que este procedimento é extremamente perigoso, então não faça jamais se não souber exatamente o que está fazendo!

Uma pequena amostra de vidro pode ser feita aquecendo uma mistura de óxido de chumbo, óxido de zinxo e ácido bórico até que eles derretam. O vidro formado pode ser colorido adicionando traços de vários óxidos de metais de transição: óxido de Cobre (II), óxido de cobalto (II), óxido de manganes (IV) e óxido de cromo (III).

Procedimento

Segurança: Use proteção para os olhos, luvas resistentes ao calor, e roupa apropriada. Evite inalar partículas dos sólidos dispersas no ar (principalmente óxido de chumbo e cromo), então use máscada de pó. Lavar bem as mãos após manipular os reagentes.

1) Pesar 6.5g de óxido de chumbo (II), 3.5g de ácido bórico e 0.5g de óxido de zinco. Misturá-los muito bem em um cadinho resistente ao calor (pode ser usado um cadinho de aço inoxidável, mas deve estar bem limpo e seco).

2) Montar um set-up apropriado para o experimento (em um tripé), e no início aquecer com cuidado. Depois aplicar forte calor de um Bico de Bunsen até que a mistura se torne líquida e bem móvel.

3) Se desejar, pode-se adicionar traços de um dos óxidos de metal de transição citados. Agitar bem a mistura (utilizar um clip de papel aberto para adicionar o óxido e agitar). Notar que deve ser adicionado traços desses óxidos, caso contrário será produzido um pedaço de vidro escuro.

4) Remover a fonte de calor, e trabalhar com o cadinho (extremamente quente) apenas com pinça apropriada. Despejar o conteúdo em uma forma ou chapa metálica (previamente aquecida), ou qualquer outro material resistente ao calor, como areia, folha de amianto, de mica e etc.

5) Permitir todo o material resfriar para posterior limpeza.

Notas

O vidro produzido aqui é muito frágil e difícil manter. Como já dito, esse tipo de vidro não é usado comercialmente. Para maiores informações sobre as composições dos vidros produzidos industrialmente, acesse os links nas referências abaixo.

Para limpar os cadinhos, eles podem ser mergulhados em ácido nítrico diluído (1 mol/L) (Extremamente corrosivo). Permitir o vidro diluir e lavar com água em abundância. Caso haja a reutilização do cadinho na experiência, ele deve estar seco.


Referências

[1] http://www.britglass.org.uk/AboutGlass/TypesofGlass.html
[2] http://www.st-johns.org.uk/sciclubweb/glass/glass.html
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Criptografia química: a Escrita Mágica

A escrita mágica sempre nos chamou a atenção. Enviar recados anônimos, 'criptografados quimicamente', para que um destinatário já instruído possa receber determinada informação totalmente a prova de interceptadores (necessariamente não sendo um de nós... ;-)). Talvez seja isso que torne esse tipo de experiência tão fascinante!

Descrição

Nesse artigo, demonstrarei que por trás das cortinas surge uma química muito didática, principalmente no que tange aos metais de transição.

As mensagens serão escritas em um papel filtro, com uma variedade de soluções aquosas diluídas e incolores. Borrifando esse papel com outras soluções, ocorrerá uma reação química com a solução anteriormente impregnada, e a mensagem secreta será mostrada em uma variedade de cores, de acordo com o reagente.

Materiais e Reagentes necessários:

A maioria desses produtos são tóxicos, tome todas as medidas necessárias de precaução ao manipulá-los.

As quantidades dadas abaixo servem para dezenas de demonstrações, então esteja a vontade para reduzí-las à sua necessidade.

• 5g de Ferrocianeto de Potássio Triidratado: K₄Fe(CN)₆.3H₂O
• 5g de Sulfato de Cobre (II) pentahidratado: CuSO₄.5H₂O
• 5g de Tiocianato de Amônio: NH₄SCN
• 5g de Nitrato de Ferro (III) hidratado: Fe(NO₃)₃.9H₂O
• 5g de Nitrato de Chumbo (II): Pb(NO₃)₂
• 5g de Iodeto de Potássio: KI
• 100ml de solução de amônia (2 mol/L), amoníaco comercial com 4% concentração é ideal.
• Alguns mililitros de fenolftaleína em solução
  
• 1 litro de água deionizada
• 1 pincel comum
  

Preparando as soluções

• Fenolftaleína: é preparada dissolvendo 0.1g em 60ml de etanol, e então é adicionado água deionizada até o volume completar 100ml. Essa é maneira usual de preparação dessa solução.
• Amônia: é preparada dissolvendo 10ml de amônia 30% em 90ml água. O amoníaco comercial com concentração de 4% é OK!
• Todos os outros sais: dissolver 5g do sólido em 100ml de água

Como eu disse, as quantidades acima são para muitas e muitas demonstrações. Então reduza consideravelmente as quantidades caso tenha o desejo de realizar o experimento apenas algumas vezes.

Demonstração

Escreva suas mensagem com um pincel pequeno em uma folha de papel (papel filtro de preferência), com as soluções de iodeto de potássio, ferrocianeto de potássio, tiocianato de amônio, fenolftaleína e sulfato de cobre. Seque a mensagem com um secador de cabelos.

Todas as soluções irão secar sem deixar nenhuma cor, com exceção do sulfato de cobre, que possui uma leve coloração azul. Mas como está bem diluído deve passar desapercebido pela audiência.

Colocar as soluções de nitrato de ferro (III), nitrato de chumbo (II) e amônia em frascos de spray separados. Podem ser usados frascos comercialmente disponíveis em casas de jardinagem, frascos de perfumes (bem lavados) e etc. Alternativamente, pode-se apenas usar um outro pincel para aplicar essas soluções reagentes sem a necessidade de borrifá-las, implicando no fato de que o pincel deve ser muito bem lavado a cada utilização.

• Fe(NO₃)₃.9H₂O borrifado na mensagem escrita com ferrocianeto de potássio irá produzir uma cor azul escura (Azul da Prússia [2]).
• Fe(NO₃)₃.9H₂O borrifado na mensagem escrita com tiocianato de amônio irá produzir uma cor vermelho-marrom, devido a formação do complexo Fe(H₂O)₅SCN²⁺
• Solução de amônia, borrifada nesta última mensagem do complexo de tiocianato de ferro formado, fará desaparecer sua cor devido a formação de hidróxido de ferro (III), o qual possui uma cor muito menos intensa.
• Solução de amônia, borrifada na mensagem escrita com fenolftaleína, produzirá uma mensagem de cor rosa.
  
• Solução de amônia, borrifada na mensagem escrita com o sulfato de cobre, produzirá uma cor azul muito mais intensa, devido a formação do complexo Cu(NH₃)6²⁺
• Pb(NO₃)₂ borrifado na mensagem de KI, produzirá uma cor amarelo-brilhante devido a formação de iodeto de chumbo.

Outros detalhes

Interessante notar que a reação entre tiocianato de amônio e o ferrocianeto de potássio (II) são muito usados para testar a presença de íons de ferro no estado de oxidação 3+.

Com relação a reação entre amônia e fenolftaleína, qualquer estudante sabe que essa coloração surge devido a reação reversível da fenolftaleína em meio alcalino, que desaparece com o tempo formando uma "tinta temporária", já que o meio perde OH- para o ácido carbônico (CO2 + H2O <--> H2CO3) atmosférico. Uma sugestão interessante aqui é "apagar" rapidamente esta mensagem rosa com uma solução diluída de ácido, como vinagre ou ácido clorídrico.

Pode-se também misturar as soluções reagentes de nitrato de chumbo e nitrato de ferro (III), pois assim que borrifadas, poderão produzir escritas coloridas com as coras amarelo, azul e marrom-avermelhado simultaneamente!


Referências

[1] Classic Chemistry Demonstrations de Ted Lister, Catherine

[2] http://pt.wikipedia.org/wiki/Azul_da_Prússia
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Prata: do lixo ao tubo de ensaio

A "febre do ouro" frequentemente nos faz esquecer da importância de outras substâncias valiosas do nosso dia a dia. Uma dessas substâncias é a prata!

Os sais de prata, principalmente o nitrato de prata (AgNO3), são importantes na química principalmente em titulações argentométricas de haletos ou simplesmente para testar a presença de halogênios:

Ag⁺ (aq) + X^- (aq) → AgX (s)

Mas o seu uso em centros educacionais está estreitando-se decorrente do seu alto preço (50g de AgNO₃ hoje em dia não sai por menos de R$80,00 !). Então o que pode ser feito?

Primeiro, é freqüente o descarte desses sais (sólidos ou em solução) muitas vezes pela desinformação de que através de um tratamento químico simples, a prata pode ser facilmente recuperada destes resíduos.

Segundo, se você pretende usar a prata no futuro, não perca tempo e compre imeditamente antes que os preços subam.

Terceiro, se você puder substituir os sais de prata em suas reações, então o faça agora mesmo: nitrato de chumbo (II) é um ótimo candidato. O Pb(NO3)2 é relativamente solúvel e os seus haletos são muito pouco solúveis, embora a variação no Ksp não é tão regular como nos haletos de prata.

Recuperação da prata nos resíduos

Como já dito, a prata é muito valiosa para ser simplesmente descartada no lixo ou esgoto abaixo, principalmente por ser facilmente recuperada dos seus resíduos. E o processo em si ilustra uma química interessante.

A prata já é recuperada em escala comercial, a partir de resíduos fotográficos, e há várias técnicas para que isso seja feito:

1. A prata metálica forma um complexo solúvel através da reação copmo tratamento com tiossulfato de sódio (Ag(S2O3)2-). Conseqüentemente uma mistura de sais insolúveis de prata (10g) podem ser dissolvidos em uma solução (200ml) de tiossulfato de sódio em excesso (normalmente com 20% de concentração em peso). Esta solução é filtrada para que sejam removidas as impurezas insolúveis, aquecida a 60°C e misturada com 6g de zinco em pó. O zinco desloca a prata da solução e um precipitado de prata é formado. O líquido é decantado e o sólido filtrado e lavado com água, ácido clorídrico diluído e aquecido, e novamente com água. O ácido remove o zinco não reagido. [3]
   
   A prata pode ser dissolvida em ácido nítrico aquoso, produzindo nitrato de prata e NO_x gasosos.
   
   4 Ag + 6 HNO₃ → 4 AgNO₃ + 3 H₂O + NO + NO₂
   
   Ou pode ser derretida formando um botão de prata.
   
   
2. A prata também pode ser recuperada de uma solução por eletrólise, e este método também é muito utilizado comercialmente. Não há razão para que estudantes do ensino médio não possam realizar esta ótima experiência que ilustra a química da prata e seu lugar na fila de reatividade dos metais.
   
   
3. As chapas radiográficas são constituídas de acetato recoberto com sais de prata. Em meio alcalino, o material gelatinoso usado para a preparação da emulsão fotográfica que é constituído de proteínas, se hidrolisa fragmentando e liberando lentamente a prata nela dispersa.
   
   Esse material é uma suspensão coloidal que leva cerca de 12 horas para sedimentar. [2] Quando se retira o líquido sobrenadante (excesso de hipoclorito), a lama sedimentada contendo ainda material orgânico não totalmente hidrolisado, prata dispersa ainda não oxidada e principalmente cloreto e óxido de prata,quando fervida com sacarose em meio alcalino leva à formação de prata metálica:
   
   
   
   

Preço nas nuvens

O preço da prata aumentou sensivelmente nos últimos anos (assim como outras commodities), acompanhe sua cotação em tempo real.


Referências

[1] D.Wakeford, 59 (209) June 1978.

[2] Recuperação de prata de radiografias: uma experiência usando recursos caseiros. Química Nova Vol16, Número 5, 1993: link

[3] Procedimentos para recuperação de Ag de resíduos líquidos e sólidos. Quím. Nova vol.26 no.4 São Paulo July/Aug. 2003: link

[4] Safety data for silver nitrate, link

[5] Silver - Wikipedia the free encyclopedia, link