Fase Final 08/06/2002 - Instituto de Química – USP – São Paulo Coordenação: Prof. Dr. Ivano G. R. Gutz

Olimpíada da Química do Estado de São Paulo FASE FINAL Promoção: Associação Brasileira de Química – Regional São Paulo   Apoio: Instituto de Química - USP, FUVEST, Editora Moderna Patrocínio: Conselho Regional de Química – 4ª Região Abiclor, Oxiteno, Ipiranga Química, Univ. Anhembi Morumbi Composição das Comissões: 1 - Organizadora; 2 - Julgadoras das Redações; 3 - Realização dos Experimentos da Fase Final; 4 - Julgadora dos Exames. Professores Doutores do IQ-USP: Ivano G. R. Gutz1,2,4 (coordenador estadual da OBQ), Omar A. El Seoud1,2,3 (presidente da ABQ-SP), Elisabeth de Oliveira1,2,4 e Maria Eunice M. Ribeiro1,2,4, Viktória Lakatos Osório3,4, Wanda de Oliveira2,3,4, Bayardo Baptista Torres2,4, Mauro Bertotti2,4, Pedro V. Oliveira2,4, Peter Tiedeman2,4, Encarnacion Vasquez Suárez Iha4, Fabio R. P. Rocha4, Lucio Angnes1, Mônica I. El Seoud4, Paulo Celso Isolani2, Silvia H. P. Serrano2, Silvia Maria L. Agostinho2; do DQ-Mackenzie: Márcia Gueckezian1,2,4 e Jairo Pedrotti1,2,4 e Ivanise Gaubeur2; do IQ-UNESP: Assis Vicente Benedetti2, João Olimpio Tognolli2 e Massao Ionashiro2; do IQSC-USP: Elisabete Frollini2 e Ernesto R. González2; do DQ- Univ. Anhembi-Morumbi: Patrícia Dantoni1,2,4; do IPEN-CNEM: Maria Inês C. Cantagallo1,2,4, Noemia M. Pereira de Moraes2; do IQ-UNICAMP: Lauro Kubota2 e Marco Aurélio Zezzi Arruda2; do DQ-UNESP, Guaratinguetá: Marcio Augelli2; do IAG-USP: Adalgiza Fornaro2,4; do DQ-USP, Ribeirão Preto: José Fernando de Andrade2; do DQ-UFSCAR: Orlando Fatibello2; do ITA-CTA: Koshun Iha2; da CETESB: José Eduardo Bevilaqua2; do IQ-UEMaringa: Gentil J. Vidotti2; da EFO-Alfenas-MG: Lúcia H. Ávila Terra2.

Olimpíada da Química do Estado de São Paulo FASE FINAL Esta publicação contém um resumo ilustrado dos experimentos demonstrados aos cerca de 130 estudantes que compareceram à Fase Final da OQ SP-2002 e que, em seguida, tiveram 90 minutos para fazer o exame. O material foi dividido em: Introdução, Parte I, Parte II e Parte III. Cada parte contém um experimento que pode ser realizado e interpretado separadamente. Os professores (e a monitora) que prepararam e demonstraram cada parte são indicados no início. Uma seleção de respostas dadas pelos estudantes às perguntas encontra-se na AllChemy http://allchemy.iq.usp.br (arquivos em MS Word), juntamente com o regulamento e os resultados da OQ-SP ao longo dos anos. Acredita-se que o material poderá ser útil aos professores em sala de aula ou para reproduzir/adaptar os experimentos em laboratório. Aos alunos que consultarem este material buscando orientação sobre a Fase Final da OQ-SP, assinalamos que, mesmo que em 2002 tenha havido relação entre as questões do exame o tema da Olimpíada (Água – purificação química e uso racional), isso nem sempre ocorre, ou seja, o exame pode conter questões sobre qualquer parte do programa de química do ensino médio.

Introdução Geral Etapas de Purificação de água em uma Estação de Tratamento de Água (ETA)

Etapa de adição dos reagentes

Etapa de decantação

Etapa de Filtração

Fase Final 08/06/2002 - Instituto de Química – USP – São Paulo Coordenação: Prof. Dr. Ivano G. R. Gutz Purificação de Água – Parte I Tratamento com sulfato de alumínio Experimento preparado e demonstrado na OQ-SP-2002 pelas Profas. Dras. Viktória Lakatos Osório e Wanda de Oliveira auxiliadas pela monitora Alessandra, todas do IQ-USP Viktória/Wanda/Alessandra

Purificação de Água - Tratamento com sulfato de alumínio Informações Dispersões coloidais espalham a luz (efeito Tyndall). Hidróxido de alumínio é pouco solúvel e precipita sob a forma de sólido gelatinoso. Viktória/Wanda/Alessandra

Coloque em um béquer de 1 L, cerca de 500mL de água de represa e reserve para comparação. bancada retroprojetor Viktória/Wanda/Alessandra

Etapa de adição dos reagentes Em outro béquer de 1 L contendo cerca de 500mL de água de represa, adicione cerca de 1,0ml de solução saturada de sulfato de alumínio e agite. Etapa de adição dos reagentes Al2(SO4)2 solução saturada retroprojetor Viktória/Wanda/Alessandra

Etapa de adição dos reagentes A seguir, acrescente aos poucos 30 a 50mL de solução saturada de hidróxido de cálcio e agite. Agite brandamente. Etapa de adição dos reagentes retroprojetor Ca(OH)2 solução saturada retroprojetor Viktória/Wanda/Alessandra

Deixe em repouso e observe. Etapa de decantação 2,0 min 3,5 min 5,0 min 15 min retroprojetor Viktória/Wanda/Alessandra

bancada Filtre cerca de 100mL de água de represa e observe. Viktória/Wanda/Alessandra

Filtre um pouco do líquido do béquer onde ocorreu o tratamento da água de represa e observe. Etapa de Filtração bancada Viktória/Wanda/Alessandra

Compare os recipientes contendo a água de represa filtrada e a água de represa tratada e filtrada. retroprojetor Viktória/Wanda/Alessandra

Purificação de Água - Tratamento com sulfato de alumínio 1- Apresente suas observações sobre: a) Aspecto visual da água de represa b) Aspecto visual da água de represa apenas filtrada c) Aspecto visual da água tratada 2- Que produto se forma quando são misturados sulfato de alumínio e hidróxido de cálcio? Escreva a equação da reação. 3- Comparando os dois filtrados obtidos (sem e com tratamento), proponha uma explicação para os fatos observados. Viktória/Wanda/Alessandra

Fase Final 08/06/2002 - Instituto de Química – USP – São Paulo Coordenação: Prof. Dr. Ivano G. R. Gutz Purificação de Água – Parte II Tratamento com resinas trocadoras de íons Experimento preparado e demonstrado na OQ-SP-2002 pelas Profas. Dras. Viktória Lakatos Osório e Wanda de Oliveira auxiliadas pela monitora Alessandra, todas do IQ-USP Viktória/Wanda/Alessandra

Purificação de Água - Tratamento com resinas trocadoras de íons Informações O papel indicador universal é constituído de uma mistura de corantes de permitem avaliar o pH no intervalo de 1 a 10, através da variação de cor Viktória/Wanda/Alessandra

Informações A presença de íons numa solução pode ser verificada pela passagem de corrente elétrica num circuito em série com 2 eletrodos e as lâmpadas. O líquido que atravessou uma coluna de resina é chamado de líquido eluído. Viktória/Wanda/Alessandra

Forma de pérolas ou bastonetes Tem a propriedade de trocar íons Resina trocadora de íons São materiais sólidos Porosos Insolúveis Forma de pérolas ou bastonetes Tem a propriedade de trocar íons São constituídas por um esqueleto ou matriz orgânica ou inorgânica em que se encontram fixos grupos carregados (positivos ou negativos) e para manter a neutralidade devem conter íons móveis ou deslocáveis, de carga oposta Viktória/Wanda/Alessandra

Investigação sobre as resinas A e B Observe as soluções de K2SO4, CuSO4 e K2Cr2O7 compare Viktória/Wanda/Alessandra

+ = Investigação sobre as resinas A e B Observe o que ocorre quando se mistura igual volume de soluções de CuSO4 e K2Cr2O7. + = Reação ou mistura? Viktória/Wanda/Alessandra

Investigação sobre as resinas A e B Observe o que ocorre quando se coloca um tubo de ensaio contendo um pouco de solução de CuSO4 em um béquer contendo solução de K2Cr2O7. Reação ou mistura? Viktória/Wanda/Alessandra

Investigação sobre as resinas A e B Passe a solução obtida no item b) pela coluna de resina A. Viktória/Wanda/Alessandra

Investigação sobre as resinas A e B Verifique com papel indicador universal o pH e a cor do líquido eluído da coluna de resina A. pH = - log[H+] Viktória/Wanda/Alessandra

Passe o líquido eluído da resina A pela coluna de resina B. Investigação sobre as resinas A e B Passe o líquido eluído da resina A pela coluna de resina B. Viktória/Wanda/Alessandra

Investigação sobre as resinas A e B Verifique com papel indicador universal o pH e a cor do líquido eluído da coluna de resina B. pH = - log[H+] Viktória/Wanda/Alessandra

Recuperação da Resina A Passe uma solução 4,0 mol/L de H2SO4 pela coluna da resina A e observe o líquido eluído. Viktória/Wanda/Alessandra

Recuperação da Resina B Passe uma solução 4,0 mol/L de NaOH pela coluna de resina B e observe o líquido eluído. Viktória/Wanda/Alessandra

Purificação de água a) Verifique com o papel indicador universal o pH da água a ser purificada. pH = - log[H+] Viktória/Wanda/Alessandra Viktória/Wanda/Alessandra

Verifique a condutividade da água a ser purificada. Purificação de água Verifique a condutividade da água a ser purificada. Viktória/Wanda/Alessandra

Recolha o líquido eluído em um béquer de 150mL limpo Purificação de água Passe pela coluna de resina A, cerca de 20mL (medidos com auxílio de uma proveta) da água a se purificada. Recolha o líquido eluído em um béquer de 150mL limpo Viktória/Wanda/Alessandra

Verifique o pH do líquido eluído da coluna de resina A. Purificação de água Verifique o pH do líquido eluído da coluna de resina A. pH = - log[H+] Viktória/Wanda/Alessandra

Verifique a condutividade do líquido eluído da resina A. Purificação de água Verifique a condutividade do líquido eluído da resina A. Viktória/Wanda/Alessandra

Passe o líquido eluído da coluna de resina A pela coluna de resina B. Purificação de água Passe o líquido eluído da coluna de resina A pela coluna de resina B. Viktória/Wanda/Alessandra

Verifique o pH do líquido eluído da coluna de resina B. Purificação de água Verifique o pH do líquido eluído da coluna de resina B. pH = - log[H+] Viktória/Wanda/Alessandra Viktória/Wanda/Alessandra

Verifique a condutividade desse líquido eluído da resina B. Purificação de água Verifique a condutividade desse líquido eluído da resina B. Viktória/Wanda/Alessandra

Purificação de Água - Tratamento com resinas trocadoras de íons Interpretação da investigação das resinas A e B Íon responsável pela cor azul Íon responsável pela cor alaranjada Íons presentes na solução verde Íons presentes no líquido eluído da coluna de resina A Provável composição do líquido eluído da coluna de resina B Na etapa (h) ao passar H2SO4 (4,0mol/L) pela resina A obtém-se Na etapa (i) ao passar NaOH (4,0mol/L) pela resina B obtém-se Viktória/Wanda/Alessandra

Purificação de Água - Tratamento com resinas trocadoras de íons Interpretação do Experimento de Purificação de Água 1- Descreva suas observações sobre a água impura, o líquido eluído da resina A e o líquido eluído da resina B quanto a passagem da corrente elétrica. 2- Explique os valores de pH obtidos na água impura, no líquido eluído da resina A e no líquido eluído da resina B. 3- Que espécies podem ser removidas pelo tratamento com as resinas A e B? 4- Após a purificação de muita água, como ficam as resinas? Como elas podem ser recuperadas para purificar mais água? Viktória/Wanda/Alessandra

Fase Final 08/06/2002 - Instituto de Química – USP – São Paulo Coordenação: Prof. Dr. Ivano G. R. Gutz Fase Final - Parte III Relação entre Dureza da Água e Detergência Experimento preparado e demonstrado na OQ-SP-2002 pelo Dr. Omar El Seoud, Prof. Titular do IQ-USP

Relação entre Dureza da Água e Detergência Informações O sabão em barra empregado é um sal de ácidos graxos. A fórmula (média) de sabão de coco é C11H23CO2Na. Detergentes de lavar louça e roupa são principalmente a base de derivados de petróleo, e se comportam, em alguns aspectos, de maneira diferente do que sabão em barra.

Informações A água do mar tem sais inorgânicos, principalmente de sódio, cálcio, e magnésio. Água “dura” tem os mesmos sais, embora em menor quantidade. CH2CO2Na CH2N A fórmula de EDTA é:

O sabão funciona adequadamente em qualquer tipo de água? Experiência 1: Desempenho de sabão de coco em água de torneira e água do mar. + =

Experiência 2: Efeito de NaCl sobre o desempenho de sabão.

Adição de solução (0,02mol/L) de Na2CO3 na solução de CaCl2 Experiência 3: Reação entre soluções de CaCl2 e de Na2CO3. Solução (0,02mol/L) de CaCl2 Produto da reação Adição de solução (0,02mol/L) de Na2CO3 na solução de CaCl2

Adição de EDTA no produto da reação entre CaCl2 e Na2CO3 Experiência 4: Efeito de adição de EDTA (etilenodiamina-tetraacetato de sódio) sobre a mistura obtida na experiência 3. Produto da reação entre CaCl2 e Na2CO3 Solução resultante Adição de EDTA no produto da reação entre CaCl2 e Na2CO3

+ = Experiência 5: Efeito de EDTA sobre o desempenho de sabão em água do mar. Adição de sabão na água do mar + = Adição de EDTA na mistura de sabão e água do mar

Relação entre Dureza da Água e Detergência 1- Escrever equação balanceada da reação entre as soluções de CaCl2 e Na2CO3. 2- Explicar o efeito de EDTA sobre o produto da reação entre soluções de CaCl2 e Na2CO3. 3- Por que o desempenho de sabão é diferente em solução de NaCl que em água do mar? 4- Explicar o efeito de EDTA sobre o desempenho de sabão em água do mar.

Relação entre Dureza da Água e Detergência 5- Em diversos países da Europa a água para uso doméstico é classificada como “dura”, devido a seu conteúdo relativamente alto de sais. Nestes países, as formulações dos detergentes em pó contém zeólitas. Estes são trocadores de íons, à base de aluminosilicatos de sódio (xNa2O.Al2O3.ySiO2.zH2O, onde x, y e z são números). Baseado em todas as experiências mostradas hoje, qual é o papel das zeólitas nestas formulações?

Fim da apresentação Depois de responder às perguntas, você pode comparar suas respostas, com as publicadas na AllChemy, http://allchemy.iq.usp.br na página da OQ SP-2002