Disciplina: Análises Químicas
Volumetria de oxidação-redução I — Permanganometria (peróxido) T 2 3 1 8 Nome: _______________________________ Nº___ Data: ABR/2008 Ass. e data:
ANÁLISES QUÍMICAS ♦ Prof.: P.M.Pepe CLASSIF.:____,__ valores __/__/08
Determinação do teor em peróxido de hidrogénio
em amostras de água oxigenada por
PERMANGANOMETRIA
NOTAS
1. ESTE DOCUMENTO É FORMADO POR UMA INTRODUÇÃO TEÓRICA AO TRABALHO EXPERIMENTAL, UM
PROTOCOLO RELATIVO AO PROCEDIMENTO A SEGUIR E AOS CÁLCULOS NECESSÁRIOS E AINDA, NA PÁGINA
5, UMA SÉRIE DE QUESTÕES PARA AVALIAÇÃO QUE DEVERÃO SER RESPONDIDAS POR ESCRITO PELOS
ALUNOS NA AULA, INDIVIDUALMENTE (PODE SER CONSULTADO O CADERNO DIÁRIO).
2. USA SEMPRE LUVAS DE PROTECÇÃO AO MANUSEARES A SOLUÇÃO AQUOSA DE PERMANGANATO DE
POTÁSSIO, ESPECIALMENTE DURANTE AS OPERAÇÕES DE ENCHIMENTO DA BURETA COM FUNIL.
INTRODUÇÃO
O ião permanganato (MnO4—) é um anião em que o metal manganês (Mn) se encontra num alto
estado de oxidação (VII), sendo o número de oxidação deste elemento aqui igual a ___. Por isto, e apesar de se tratar de um ião relativamente estável em certas condições, não é muito difícil encontrar reagentes que consigam causar a redução do permanganato por captação de electrões, ou seja, o ião MnO4— é um
forte oxidante.
Um composto que contém o ião permanganato é o sal KMnO4, permanganato de potássio. Este
composto no estado sólido apresenta o aspecto de palhetas/cristais escuros com cor cinzenta arroxeada, que são bastante solúveis em água (a solubilidade a 20 ºC é superior a 0,4 mol/L), tendo as soluções uma coloração fortemente roxa mesmo para concentrações baixas. A equação de dissociação em água é:
(1) KMnO4 (s) → K+ (aq) + MnO4— (aq)
Apesar de ter sabor adocicado, trata-se de uma substância geralmente nociva. No entanto, pode ser usada como desinfectante e em alguns tratamentos médicos (problemas de pele, por exemplo) em condições controladas, tendo também sido usado na propulsão de foguetes no passado.
O permanganato de potássio, sendo um forte oxidante porque se reduz facilmente (passando o número de oxidação do elemento Mn de +7 a +2 por captação de ___ electrões, por exemplo, dependendo do reagente redutor), é usado como titulante em métodos volumétricos que têm por base reacções de oxidação-redução, também chamadas reacções ____________.
Estes métodos pressupõem a preparação de uma solução-padrão, ou seja, uma solução que contém uma substância de concentração estável e conhecida. No entanto, em rigor, no caso do KMnO4 não basta
dissolver uma massa conhecida em água destilada para se ter uma solução-padrão já que existem algumas quantidades de subprodutos que imediatamente se formam por redução do ião MnO4—, especialmente por
acção de impurezas presentes no solvente mas também por acção da luz.
Como exemplo, refira-se que o ião MnO4— pode transformar-se em substâncias como o dióxido de
manganês (MnO2), havendo portanto, neste caso, variação do número de oxidação do elemento Mn de +7
Seria, portanto, necessário, em laboratórios mais avançados, proceder a aferições do teor em MnO4—
ao fim de alguns dias de repouso da solução para garantir que se conhecia a concentração exacta do permanganato de potássio a fim de ser usado como titulante. Entretanto, neste curso, vamos admitir que toda a massa usada corresponde efectivamente à substância KMnO4, tanto na pré-diluição como após a
preparação da solução titulante, o que implica a introdução de algum erro experimental, erro este que será diminuído se a solução for armazenada em local ao abrigo da luz ou em balões volumétricos de cor escura.
Neste primeiro trabalho de permanganometria os alunos vão dosear a substância H2O2 (peróxido de
hidrogénio) existente numa amostra comercial de água oxigenada. A água oxigenada que usamos, mesmo em laboratórios químicos, não é pura, ou seja, não é formada apenas pela substância H2O2, contendo
sempre uma percentagem de água, não só porque H2O é o próprio solvente mas também porque o
peróxido se decompõe espontaneamente ao longo do tempo.
O peróxido de hidrogénio é normalmente um razoável oxidante, mas, por exemplo na decomposição espontânea que ocorre em qualquer frasco de água oxigenada ou na aplicação em feridas, é uma substância que sofre dismutação, ou seja, existe um elemento que sofre ao mesmo tempo uma __________ e uma _________:
(2) 2 H2O2 (l) → 2 H2O (l) + O2 (g)
Na equação anterior, vemos que o elemento O apresenta inicialmente o número de oxidação de ___ (trata-se de um peróxido). Na reacção, esse elemento sofre uma __________ quando H2O2 se
transforma em água (o número de oxidação de O __________ de ___ para ___) ao mesmo tempo que sofre uma __________ ao transformar-se H2O2 em oxigénio gasoso (o número de oxidação de O
__________ de ___ para ___).
Neste trabalho considera-se que o ião MnO4—, que é um forte oxidante (reduz-se facilmente), irá
oxidar a espécie H2O2 a O2 enquanto o permanganato sofre redução. Como foi previsto numa aula recente,
a reacção deve ocorrer em meio ácido (presença de excesso de iões H+, ou H3O+) de acordo com a seguinte
equação redox:
(3) 2 MnO4— (aq) + 5 H2O2 (l) + 6 H+ (aq) →→→ 2 Mn→ 2+ (aq) + 5 O2 (g) + 8 H2O (l)
ou ainda
2 MnO4— (aq) + 5 H2O2 (l) + 6 H3O+ (aq) → 2 Mn2+ (aq) + 5 O2 (g) + 14 H2O (l)
Pretende-se com este trabalho que os alunos determinem a percentagem em massa (m/m) de H2O2
em amostras de água oxigenada. Para isso, para cada ensaio irão pesar uma amostra de água oxigenada num balão, diluí-la para melhor poderem acompanhar depois variações na cor e acrescentar porções de uma solução de KMnO4 usando uma bureta. O fim da titulação ocorrerá no momento em que todo o
peróxido de hidrogénio tiver reagido com o permanganato adicionado (na proporção estequiométrica de 5:2).
Uma das vantagens de usarmos KMnO4 como titulante reside no facto de estas reacções serem
auto-indicadas, não sendo necessário acrescentar qualquer indicador. Isto significa que, porque a única substância que apresenta cor típica é o ião MnO4— (uma forte cor _______ em solução aquosa), enquanto
houver H2O2 ainda em excesso a solução deverá manter-se incolor (após agitação), sendo que, no final,
quando já existir ião permanganato em excesso (porque se esgotou o peróxido no balão de titulado), a solução apresentará a coloração roxa que corresponde a esse anião mesmo após agitação já que todas as outras espécies intervenientes são incolores (incluindo o manganês na forma Mn2+).
Assim, é o próprio titulante (KMnO4) que funciona como indicador.
Note-se que após cada adição de titulante deverá observar-se, e até ouvir-se, a libertação de um gás, havendo alguma efervescência na solução na mistura reaccional no balão de Erlenmeyer. Esse gás é ____________.
A medição do volume necessário de titulante (KMnO4) para consumir por completo o H2O2 permitirá
Disciplina: Análises Químicas | Módulo 9 (Permanganometria: doseamento de H
respectiva massa. Como antes de cada ensaio os alunos tinham pesado a amostra de água oxigenada (impura), é possível determinar a percentagem em massa de H2O2 aí existente.
PROCEDIMENTO
Neste trabalho começa-se por preparar a solução de KMnO4. Pretendia-se uma solução aquosa com a
concentração de 0,1000 mol/L, aproximadamente mas com rigor, pelo que cada grupo de trabalho prepara 250,0 mL de solução através da pesagem da quantidade de KMnO4 adequada, ou seja, cerca de
3,95 g (mas com rigor até ao miligrama).
Sensivelmente a meio do processo de dissolução do sal com água destilada num balão volumétrico deve acrescentar-se cerca de 25 mL de solução aquosa de ácido sulfúrico (H2SO4) de concentração 3 mol/L
pois, como foi referido atrás, a acção oxidante do ião permanganato, que ocorrerá durante a titulação, é favorecida em meio ácido.
Como preparar a solução de H2SO4?
Caso não exista nenhuma solução preparada de ácido sulfúrico de concentração 3 mol/L é necessário fazer uma diluição. No nosso laboratório dispomos de frascos contendo soluções comerciais muito concentradas desta substância e cujos rótulos nos fornecem os seguintes dados:
M (H2SO4) = 98,1 g/mol ♦ 1 L = 1,840 kg ♦ 95 a 97 % (m/m)
Se pretendermos obter 25 mL de uma solução de concentração 3 mol/L, precisamos de saber qual o volume que terá de ser pipetado da solução comercial (com as precauções implícitas no manuseamento de ácidos fortes, nomeadamente garantindo que no balão volumétrico já terá de existir uma quantidade apreciável de água pois a diluição é fortemente exotérmica):
1) Na solução a obter teremos 0,075 mol de soluto (porque c = n / V ⇒ n = c . V = 3 x 0,025) 2) A massa desse soluto será 7,3575 g (porque M = m / n ⇒ m = n . M = 0,075 x 98,1)
3) A massa de solução comercial que contém essa massa é 7,6641 g (porque a solução concentrada é 96 % em massa, o que significa que em cada 100 g de solução há 96 g de soluto e 4 g de água) 4) O volume de solução comercial que contém essa massa de ácido é 4,2 mL (porque a massa
volúmica da solução comercial é ρ = 1,84 g/mL, então ρ = m / V ⇒ V = m / ρ = 7,6641 / 1,84)
Como saber a concentração de KMnO4 preparada?
Vamos supor, como exemplo, que um grupo de trabalho pesou 3,964 g de KMnO4 (pretendia-se
aproximadamente 3,95 g). Supondo o sólido puro, nesta massa existem 2,50886 x 10-2 mol já que, sendo a
massa molar M = 158,0 g/mol, M=m/n ⇒ n=m/M. Assim, a concentração da solução preparada, já que a diluição é feita para 0,2500 L (= 250,0 mL), será dada por c=n/V ⇒ c = 0,1004 mol/L, que será o valor a usar em cálculos posteriores.
O balão volumétrico deve ser rotulado, datado e armazenado nas condições já indicadas.
Na ausência de buretas de 50,0 mL serão usadas buretas de 25,00 mL para a adição da solução titulante (KMnO4) na altura da titulação, o que poderá implicar que seja necessário enchê-las mais do que
uma vez durante cada ensaio.
Quanto à substância a titular, será necessário fazer uma colheita de uma pequena porção de água oxigenada comercial (existente no laboratório de Química ou trazida de casa pelos alunos), pesar essa amostra com rigor (até ao mg), transferi-la para um balão de Erlenmeyer adequado e titulá-la com KMnO4
de concentração conhecida até que todo o peróxido de hidrogénio contido na amostra em estudo seja consumido pelo ião permanganato, altura em que MnO4— estará em excesso e persistirá na solução a sua
Como determinar a percentagem em massa de peróxido de hidrogénio na amostra de água oxigenada estudada?
Suponhamos que para um ensaio pesávamos uma pequena porção de água oxigenada a analisar (a amostra em estudo) e que o seu valor era 1,993 g. Vamos também admitir que, feita a titulação, o volume de titulante gasto era 45,15 mL.
Através de c=n/V, da estequiometria da equação química (3), de M=m/n e sabendo que apenas uma parte da massa da amostra corresponde a H2O2 (peróxido de hidrogénio, em princípio a única substância
que vai sofrer oxidação por parte do ião permanganato durante a titulação), podemos então calcular os seguintes valores:
1) o número de moles de MnO4— no volume de titulante: 4,5331 x 10-3 mol
2) o número de moles de H2O2 que reagiram: 1,1333 x 10-2 mol
3) a massa de H2O2: 0,3853 g
4) por fim, a percentagem de peróxido de hidrogénio na amostra: 19,3 %.
Serão efectuados vários ensaios até haver 3 valores concordantes (o 1º ensaio deverá servir apenas para os alunos se guiarem quanto ao volume necessário de titulante em função do volume usado da solução em estudo desde que as massas usadas sejam semelhantes) de acordo com o seguinte procedimento:
1) Prepara uma bureta de 25,00 mL, lavando-a com água e com um pouco da solução titulante que
preparaste (KMnO4).
2) Enche a bureta com a solução de titulante com a ajuda de um funil, registando o nível inicial da coluna de líquido, não sendo obrigatório que seja em 0,00 mL (leituras sempre com 2 casas decimais já que a menor divisão da escala é _____ mL). É conveniente ter sempre à mão um recipiente para restos de titulante.
3) Durante a titulação a parte superior da coluna de líquido (menisco) nunca pode estar acima dos 0,00
mL nem abaixo dos 25,00 mL!
4) Pesa cerca de 750 mg de água oxigenada comercial a "130 volumes" (com rigor até ao mg) num balão de Erlenmeyer de 250 mL limpo e regista esse valor. Caso uses água oxigenada que trouxeste de casa, usa uma massa 4 a 5 vezes superior (cerca de 3 a 4 gramas).
5) Acrescenta alguma água destilada ao balão (< 100 mL).
6) Dá início à titulação deitando algumas porções da solução de KMnO4 (aproximadamente 4 mL de cada
vez) enquanto agitas a mistura reaccional, para homogeneizar os reagentes e produtos, mantendo sempre o balão sob a ponta da bureta. Regista as alterações que observares no vaso reaccional (mudanças de cor, ruído, consistência da mistura).
7) Interrompe a adição de titulante se e quando o nível da coluna de líquido se aproximar dos 25,00 mL,
Regista então o nível final, retira o Erlenmeyer para afastá-lo da bureta, enche-a de novo com KMnO4 e
regista o novo valor do nível superior da coluna de líquido (não é necessário que coincida com 0,00
mL).
8) Continua a titulação até que a cor da solução indique que foi atingido o final da reacção (excesso de titulante). Nota que, para minimizar os erros experimentais, a adição de titulante deve fazer-se
gota-a-gota a partir da altura em que notares que a cor típica do ião MnO4— não desaparece logo que o
reagente entra em contacto com a mistura (com agitação).
9) Regista o nível final na bureta e determina o volume total de titulante que gastaste no ensaio. 10) Calcula a percentagem de peróxido de hidrogénio na amostra estudada.
11) Repete os passos 4 a 10 até obteres 3 valores concordantes para a percentagem de peróxido para cada amostra em análise, de preferência fazendo uma previsão do volume máximo necessário com base nos valores anteriores das massas e do volume medidos (a fim de encurtar o passo 6).
12) Responde ao questionário individual para avaliação (pág. 5). 13) Elabora um relatório sobre esta actividade laboratorial.
Disciplina: Análises Químicas | Módulo 9 (Permanganometria: doseamento de H
QUESTÕES PARA AVALIAÇÃO RESPONDE A DEZ DAS QUESTÕES QUE SE SEGUEM
(é obrigatório responder à questão nº 7). CADA QUESTÃO VALE 20 PONTOS.
1. Se bem que a prata e o ouro sejam metais nobres, portanto dificilmente oxidáveis, em certas condições é possível conseguir que iões ouro (III) oxidem a prata elementar. Acerta o seguinte esquema a fim de traduzir essa reacção química por uma equação redox:
Ag (s) + Au3+ (aq) →→→→ Ag+ (aq) + Au (s)
2. Acerta o seguinte esquema químico, usando o método das semi-equações (em meio ácido), de modo a
obteres uma equação redox (apresenta os passos do teu raciocínio): Fe2+ + NO3— →→→→ Fe3+ + NO
3. Indica, para a reacção da questão anterior, qual é o agente redutor, justificando devidamente.
4. "Água oxigenada" é a designação comum para as soluções aquosas de peróxido de hidrogénio (H2O2), cujas
concentrações podem variar conforme os usos a que se destinam. Por exemplo, uma amostra de água oxigenada comercial a 10 volumes corresponde a uma solução que é "3 % em massa". Explica por palavras tuas o significado deste valor (3 %).
5. Explica por que razão a decomposição do peróxido de hidrogénio (H2O2), com a formação de água (H2O) e
oxigénio (O2), por exemplo quando se aplica água oxigenada em feridas, é uma reacção de dismutação.
6. Uma amostra de água oxigenada tem a massa de 14,307 g mas contém apenas 0,858 g de peróxido de
hidrogénio. Qual a percentagem de H2O2 em massa?
7. A titulação do peróxido de hidrogénio pelo ião permanganato deve ocorrer em meio ácido, como está
patente na equação (3) [página 2 desta ficha], razão pela qual deve adicionar-se uma solução aquosa de um ácido forte, normalmente H2SO4 (ácido sulfúrico). Supõe que era necessário preparar 100 cm3 de uma
solução deste ácido com a concentração de 2,5 mol/L e que dispunhas de um frasco contendo uma solução comercial (concentrada) de H2SO4 semelhante à usada habitualmente nos laboratórios da nossa
escola em cujo rótulo havia os seguintes dados:
M = 98,1 g/mol; 1 L = 1,820 kg; 95 % (m/m)
Determina o volume dessa solução concentrada que terias de usar ao preparares a solução pretendida. 8. Descreve, passo-a-passo, o procedimento que irias adoptar na preparação da solução pretendida, não
esquecendo de fazer referência às regras de segurança adequadas. [Supõe, se necessário, que o resultado da questão anterior é 12,4 cm3.]
9. Considera que se preparou 500 cm3 de uma solução de permanganato de potássio (KMnO4) de
concentração igual a 0,0907 mol/L e que a mesma foi obtida por diluição directa dos cristais de KMnO4
(M = 158,0 g/mol) após pesagem destes, em água destilada, tal como fizeste na aula. Que massa de sólido foi usada?
10. Transferiu-se para um balão de Erlenmeyer uma pequena amostra de água oxigenada comercial com a massa de 1,829 g. Depois de diluir-se com água, fez-se uma titulação usando a solução atrás descrita. O titulante foi adicionado a partir de uma bureta, tendo sido registados tanto o nível inicial da solução na bureta como o nível final, de acordo com a figura ao lado. Mostra que, para este ensaio, o valor experimental da concentração de peróxido de hidrogénio (H2O2) na amostra utilizada é de 9,0 % em massa.
11. Explica por que razão:
a) não foi necessário acrescentar um indicador à mistura reaccional a fim de poder ser
detectado o ponto final da reacção de titulação;
b) à amostra de água oxigenada se acrescentou alguma água destilada. ♦♦♦
Massas atómicas relativas:
Ar(H)=1,0; Ar(O)=16,0; Ar(S)=32,1; Ar(K)=39,1; Ar(Mn)=54,9
Bom trabalho!
→ 2,45 mL
