INSTRUES PARA A PREPARAO E SUBMISSO DE TRABALHOS PARA O CONGRESSO BRASILEIRO DE EDUCAO EM ENGENHARIA 2009

Pesquisa de novos PROCEDImentos para a disciplina Qumica Analtica QUALITATIVA COM UMA VISO ECONMICA E AMBIENTAL

Simone R. de Oliveira - simoneroliver@yahoo.com.brngelo Capri Neto capri@demar.eel.usp.br

Escola de Engenharia de Lorena Universidade de So Paulo

Estrada Municipal do Campinho s/n - Bairro CampinhoCep. 12.602-810 - Caixa Postal: 116 - Lorena/SP

Resumo: Este trabalho mostra a pesquisa de novos mtodos analticos visando reduo dos resduos e substituio de reagente venenoso (KCN), nas aulas experimentais da disciplina Qumica Analtica I da Escola de Engenharia de Lorena. Fez-se uma pesquisa por procedimentos alternativos em bibliografia especfica na rea de qumica analtica (livros, revistas especializadas e internet). Depois da seleo do material, fez-se a escolha da metodologia a ser utilizada, tomando-se como base materiais, equipamentos e reagentes existentes no laboratrio e testou-se os novos procedimentos. Com os resultados obtidos novos protocolos de anlise foram escritos.

Palavras-chave: Resduos Txicos, Semimicroanlise, Anlise Qualitativa.

1 introduo

A anlise qumica normalmente apresentada aos estudantes de nvel mdio e superior por meio de um conjunto de disciplinas, tradicionalmente agrupando os tpicos relacionados Qumica Analtica Qualitativa, Qumica Analtica Quantitativa e Anlise Instrumental. Nos cursos de Qumica, estes tpicos so apresentados na forma de trs disciplinas diferentes, com cargas horrias que variam de 6 a 10 horas semanais. Nos cursos de Engenharia Qumica e outros similares, o nmero de disciplinas e as cargas horrias geralmente so menores, embora os tpicos abordados sejam fundamentalmente os mesmos. A Escola de Engenharia de Lorena (EEL) uma unidade da Universidade de So Paulo criada em 2006 por meio da incorporao da Faculdade de Engenharia Qumica de Lorena pela USP, e oferece quatro cursos de Engenharia: Qumica, Industrial Qumica, Bioqumica e de Materiais. Por razes histricas, os trs primeiros cursos tm uma forte base em qumica, de modo que os respectivos currculos prevem trs disciplinas obrigatrias, com 60 h cada, para cobrir os tpicos relacionados anlise qumica. A primeira delas, Qumica Analtica I, cobre os tpicos relacionados anlise qualitativa por via mida de forma bastante ortodoxa, fortemente baseada em atividades prticas em laboratrio.

Nas trs primeiras aulas do curso so revisados os conceitos de preparao de solues e equilbrio inico em solues. Nas aulas seguintes so discutidos, no incio das aulas, os roteiros de laboratrio, estabelecendo a relao entre a parte terica estudada e o procedimento prtico e chamando a ateno para os aspectos especficos de tcnicas de manipulao e de segurana de materiais e reagentes qumicos (toxidade e periculosidade) que sero utilizados no dia. Em seguida os alunos vo ao laboratrio para executar o protocolo de anlise. Normalmente so utilizados os protocolos encontrados na bibliografia principal (4), eventualmente com algumas pequenas adaptaes para adequao ao tempo disponvel ou para substituio de algum reagente indisponvel na Escola.

Estes protocolos so escritos de forma a seguir o modelo clssico de classificao dos ctions em cinco grupos analticos. Cada grupo analtico separado dos outros por meio de reaes com um reagente especfico, chamado de reagente de grupo, como mostrado na Figura 1. O reagente do Grupo I o HCl 6M, o do Grupo II o H2S e assim sucessivamente. Na figura 2 mostrado, como exemplo, o trabalho subseqente necessrio para a identificao dos ctions do Grupo I.

Figura 1: Fluxograma de separao de ctions.

Equipes de dois ou trs alunos recebem como amostra uma soluo contendo os ctions de um ou mais grupos e, por meio de reaes de precipitao e etapas de filtrao, isola cada um deles e promove reaes de identificao, cujo resultado pode ser a formao de um precipitado de cor e hbito bem definidos ou o desenvolvimento de uma cor caracterstica na soluo. Todo o procedimento feito com material bsico de laboratrio (vidraria, bico de bunsen, etc) e as identificaes e concluses obtidas por meio de observao visual.

O volume da soluo da amostra inicial varia entre vinte e vinte e cinco mililitros e no decorrer do trabalho so utilizados alguns reagentes slidos e vrias outras solues, de modo que ao final da aula cada equipe gera uma quantidade razovel de resduos qumicos. Estes resduos apresentam-se como sais insolveis, geralmente de metais pesados, solues com misturas variadas de reagentes (cidos, bases, sais solveis, etc) e durante muito tempo foram simplesmente descartadas nas pias do laboratrio como, alis, na maior parte das escolas de qumica do planeta. Hoje em dia, na EEL, os resduos so coletados e levados para um tratamento adequado antes do descarte.

Figura 2: Fluxograma de separao e identificao dos ctions do Grupo I.

A ausncia de um rgo fiscalizador, a falta de viso e o descarte inadequado levaram muitas Universidades a poluir o meio ambiente, promover o desperdcio de material e arcar com o mau gerenciamento dos produtos sintetizados ou manipulados (2). Diante disso, algumas Instituies tm procurado diminuir seus resduos e consequentemente o impacto ambiental. Este tipo de programa pode contribuir para diminuir riscos e zerar a insalubridade de vrios locais (3), alm de diminuir os gastos com reagentes.Outro aspecto desta maneira de conduzir o curso que, em funo do tempo disponvel, o aluno recebe as solues prontas de modo que pode se concentrar nas reaes e observaes que deve fazer durante a aula. Com isso ele no tem uma noo muito clara da quantidade de reagentes que est gastando, e muito menos o custo disso para a Escola. O mesmo acontece com o material utilizado, por isso via de regra os alunos no se preocupam muito com a quebra de vidraria ou com gasto racional de reagentes, nem com o impacto ambiental causado pelo descarte dos rejeitos. Essa falta de conscientizao ocorre em parte pela falta de uma abordagem formal sobre o tema nos protocolos analticos, que se restringem a dar instrues objetivas sobre o procedimento experimental. Envolvido no trabalho e sem que a sua ateno seja atrada para outros aspectos do trabalho, fica mais difcil apreender os conceitos de boas prticas de laboratrio e responsabilidade social e ambiental.Essa abordagem tem se mostrado bastante eficiente para o ensino de equilbrio qumico e da anlise qumica em si, incluindo aprimoramento das habilidades de manipulao de materiais e reagentes, observao crtica, reflexo e trabalho em grupo, mas no explora eficientemente uma srie de outros conceitos que poderiam ser abordados durante o curso. Entre eles podem-se destacar os aspectos de custos e gerenciamento de laboratrios de anlises e a responsabilidade ambiental com o tratamento e descarte de produtos qumicos. Estes conceitos so de grande importncia na formao do Engenheiro moderno, que sabidamente tem no gerenciamento de pessoas e processos um aspecto relevante da sua atividade profissional. Esses tpicos so abordados de forma mais especfica em outras disciplinas, mas os conceitos podem e devem ser observados e aplicados de forma multidisciplinar ao longo do curso, de modo que o estudante possa se apropriar continuamente deles, enxergando-os claramente em cada faceta da sua atuao profissional.

2 OBJETIVOS

Este trabalho mostra os resultados da primeira fase de um projeto que tem por objetivo procurar novas maneiras de trabalhar os contedos da disciplina Qumica Analtica I (anlise qualitativa) oferecida nos cursos de Engenharia Qumica, Engenharia Industrial Qumica, Engenharia Bioqumica e do curso de qumica do Colgio Tcnico da Escola de Engenharia de Lorena. Nesta primeira fase do projeto, os estudos concentraram-se na reduo de resduos qumicos e substituio de reagentes excepcionalmente txicos ou perigosos, sem modificaes significativas na ementa da disciplina, de modo que as alteraes possam ser aplicadas imediatamente.

3 PARTE EXPERIMENTAL

3.1 Materiais e equipamentos:

Tubo para centrfuga (10 cm de comprimento por 1 cm de dimetro);Pipeta conta-gotas ;Bqueres;Centrfuga Microprocessada marca Quimis.3.2. Limpeza de Materiais:

Os tubos e materiais de vidro em geral devem ser lavados imediatamente aps o uso. Uma soluo aquosa de detergente comum e uma escova apropriada para tubos o suficiente para remover toda a sujeira. Em seguida repassa-se gua de torneira e gua destilada.

3.3. Reagentes e Solues:

As solues-estoque dos compostos inorgnicos utilizados no Projeto foram preparadas com reagentes de grau analtico.

3.4. Metodologia para a utilizao da centrfuga

Antes de conectar o fio na tomada, verifica a voltagem;Ligar o equipamento no boto liga/desliga;Destravar a tampa, apertando o boto tampa;Abrir a tampa do equipamento;Colocar os tubos;Verificar a distribuio dos tubos ( necessrio que haja equilbrio de peso entre os tubos cheios e vazios);Fechar a tampa;Selecionar o tempo e rotao no boto selecionar programao (2min, 1000rpm);Iniciar a programao, apertando o boto parte (a tampa travada automaticamente).

4 RESULTADOS E DISCUSSO

Iniciou-se o trabalho com uma pesquisa em bibliografia especfica na rea de qumica analtica (livros, revistas especializadas e internet) procurando-se por procedimentos alternativos aos aplicados atualmente na EEL, que so classificados como macroanlise. Depois da seleo do material, fez-se a escolha da metodologia a ser utilizada, tomando-se como base materiais, equipamentos e reagentes existentes no laboratrio procurando-se alternativas que pudessem ser aplicadas de imediato. Considerando esses dois aspectos, escolheu-se a semimicroanlise como melhor alternativa para diminuir a quantidade de resduos. Na semimicroanlise a quantidade de substncia usada da ordem de 10 a 20 vezes menor do que a usada na macroanlise. Trabalha-se com conta-gotas e tubos de ensaio com capacidade de 5 a 10 mL no lugar de bqueres e provetas. Nas reaes envolvendo precipitao, o slido separado da fase aquosa mediante centrifugao ou por microfiltao com pequenos funis [BACCAN et. al., 1995] Com isso, diminui-se a quantidade e todos os reagentes utilizados nos procedimentos, incluindo gua (destilada e de lavagem de material) e a energia gasta em aquecimento de solues.

No incio foram utilizadas solues nas mesmas concentraes usadas na macroanlise, mas os primeiros testes mostraram que as mesmas eram muito baixas para a qualificao dos ctions, por isso na anlise semimicro as concentraes foram triplicadas e os valores so mostrados na tabela 1.

Tabela 1 Concentrao das solues utilizadas na anlise semimicro.

ReagenteConcentrao(gL-1)ReagenteConcentrao(eqL-1)

Nitrato de prata2,37Acido actico5,0

Nitrato de chumbo2,4Acido clordrico5,0

Nitrato de mercrio2,1Acetato de sdio3,0

Nitrato de cobre5,7Acido ntrico5,0

Nitrato mercuroso2,55Acido sulfrico5,0

Nitrato de cdmio4,2Cloreto estanoso0,5

Nitrato ferroso10,8Cromato de potssio0,5

Nitrato de crmio11,5Ferrocianeto de potssio0,5

Nitrato de alumnio20,9Hidrxido de amnio5,0

Nitrato de cobalto7,4Hidrxido de sdio5,0

Nitrato de nquel7,4Iodeto de potssio0,5

Nitrato de zinco6,8

Tabela 2 Comparao do volume de reagentes utilizados por ano na macroanlise e na semimicroanlise para atender demanda anual da EEL.

Reagentes LquidosMacroanlise (L/ano)Semimicroanlise (L/ano)

cido actico20,7000,050

cido clordrico15,0000,300

cido ntrico22,9500,070

cido sulfrico4,9500,020

lcool amlico0,0030,0002

Hidrxido de amnio50,100,220

Iodeto de Potssio3,0000,009

Nitrato de chumbo 0,2880,002

Nitrato de cdmio tetra-hidratado0,2500,004

Nitrato de cobalto hexa-hidratado0,44460,006

Nitrato de cobre tri-hidratado0,3420,005

Nitrato de mercrio di-hidratado0,2790,002

Nitrato de nquel hexa-hidratado0,4440,006

Nitrato de Prata0,1420,002

Nitrato de zinco hexa-hidratado0,4100,006

Mesmo com o aumento da concentrao, a quantidade total de reagentes gastos por ano pode ser drasticamente reduzida, como mostrado nas tabelas 2 e 3. Os valores das tabelas foram calculados a partir dos dados de 2008, quando foram oferecidas 6 turmas da disciplina para os cursos de graduao e uma para o Colgio Tcnico da EEL. Em alguns casos, a quantidade gasta com a nova metodologia de menos de 1% da usada atualmente.

Com esses dados possvel afirmar que a anlise semimicro uma excelente opo no que se refere a economizar reagentes e diminuir a gerao de resduos txicos. Estes resduos trazem grandes preocupaes quanto a repercusso que podem ter sobre a sade humana e o meio ambiente. Os resduos perigosos so particularmente preocupantes, pois quando incorretamente gerenciados, tornam-se uma grave ameaa ao meio ambiente [Elisabeth M. P. K.] Tabela 3 Comparao da massa de reagentes utilizados por ano na macroanlise e na semimicroanlise para atender demanda anual da EEL.

Reagentes SlidosMacroanlise (Kg/ano)Semimicroanlise (Kg/ano)

Cloreto de amnio1,8900,003

Cloreto estanoso0,5090,006

Cromato de potssio0,5820,005

Dimetilglioxima0,0090,002

Ferrocianeto de potssio0,0530,003

Hidrxido de sdio5,4000,032

Perxido de hidrognio1,8000,020

Outro fator relevante quando se trata de toxicidade a utilizao do reagente KCN (cianeto de potssio). Este reagente muito txico por inalao, por ingesto e em contato com a pele. Em contato com cidos, so liberados gases muitos txicos. Mesmo assim este reagente ainda utilizado em laboratrio para a identificao de cdmio na presena de cobre (Grupo II). Com o objetivo de retirar este reagente das aulas prticas, adaptou-se a metodologia proposta por Baccan et al e a marcha j utilizada na universidade na macroanlis para a semimicroanlise. Obteve-se assim o procedimento mostrado tabela 4.De acordo com Baccan el al,. se o sobrenadante II (passo 23) apresentar uma colorao azul, isto servir para identificar o cobre. Portanto a confirmao deste elemento prevista nos passos 30 33 opcional..

Uma vez que a centrfuga um equipamento caro que exige uma operao delicada e cuidadosa, sugere-se que a cada aula uma das equipes fique responsvel por elas, sendo os nicos alunos a manipul-las naquele dia. Com isso os alunos do grupo tero que se familiarizar com a sua operao previamente e gerenciar a sua utilizao durante a aula, o que inclui o controle sobre o fluxo de trabalho de todos os grupos. Ao final da aula eles devero entregar o equipamento em perfeitas condies de operao ou justificar qualquer problema ocorrido ao professor. Com isso espera-se mostrar aos alunos os diferentes nveis de responsabilidades quando as suas aes influenciam diretamente o desempenho de um grupo maior de pessoas.

Tabela 4: Metodologia proposta para a separao e identificao dos ctions do grupo II

1. Colocar em um tubo 5 gotas de soluo contendo ctions do grupo II.

2. Testar o pH

3. Adicionar gotas de HCl 5 eq.L-1, at obter pH 0,5

4. Aquecer o tubo em banho-maria a 80C

5. Adicionar gotas de tiocetamida (com agitao constante)

6. Manter o aquecimento a 80C por 10-15 min

7. Centrifugar

8. Separar o ppt do sobrenadante

9. Testar no sobrenadante se a precipitao foi quantitativa

10. Descartar o sobrenadante

11. Adicionar ao ppt gotas de HNO3 5 eq.L-1

12. Ferver suavemente por alguns minutos

13. Centrifugar

14. Separar o ppt do sobrenadante

15. Reservar o sobrenadante I

16. Lavar o ppt com um pouco de gua (o HgS insolvel em HNO3 diludo)

17. Se o ppt for preto, HgS:

18. Dissolver o ppt com gotas de uma mistura de NaClO 1 mol.L-1 e HCl diludo (5:1)

19. Adicionar mais algumas gotas de HCl diludo e aquecer a ebulio para eliminar o excesso de Cl2

20. Adicionar gotas de soluo de SnCl2, ppt branco, tornando-se cinza ou preto, indica a presena de Hg2+

21. Adicionar ao sobrenadante I excesso de NH4OH (at precipitao quantitativa)

22. Centrifugar

23. Reservar o sobrenadante II

24. Aquecer o ppt com gotas de NaOH 5 eq.L-1

25. Centrifugar

26. Separar o ppt do sobrenadante

27. Reservar o sobrenadante III

28. Ppt branco confirma a presena do ction Bi3+

29. Adiciona-se ao sobrenadante III, gotas de cido actico e K2Cr2O4, ppt amarelo indica Pb2+

30. Acidificar a soluo com gotas de cido actico

31. Adicionar gotas de soluo de K4[F(CN)6]

32. Ppt castanho de Cu2[Fe(CN)6]

33. No caso da presena de Cu2+, adicionar soluo de HCl 2 M s gotas at o meio ficar cido, o que se observa pelo descoramento da soluo

34. Adicionar cerca de 10 gotas de soluo de glicerina 1:1 (v/v)

35. Adicionar soluo de NaOH 6 M s gotas at a soluo tomar novamente colorao azul, e a seguir mais 15 gotas em excesso

36. Se Cd2+ estiver presente, dever haver a formao de um ppt branco de Cd(OH)2.

5 CONCLUSES

Os resultados obtidos com as modificaes nos protocolos analticos, adotando a semimicro anlise, mostram uma significativa reduo no consumo de reagentes e, conseqentemente, na quantidade de resduos qumicos gerados. Todos os protocolos foram testados e adaptados ao tempo de aula e demais condies de oferecimento da disciplina Qumica Analtica I, de modo que podem ser aplicados imediatamente, sem qualquer alterao na estrutura do mesmo. Nem mesmo a ementa precisa ser alterada.

O custo de implantao da nova metodologia, cerca de R$ 5.000,00 com a compra de duas centrfugas e tubos suficientes para equipar um laboratrio, pode ser recuperado com a economia na compra de reagentes. A economia ambiental com a nova metodologia obviamente enorme, de difcil quantificao por quem no especialista na rea. A troca de um reagente extremamente perigoso, o KCN, por outro menos txico tambm se mostrou eficiente para os propsitos do curso.

A proposta de, em cada aula, tornar uma determinada equipe responsvel pelo equipamento leva os alunos a uma reflexo sobre o seu futuro papel como gerente de situaes envolvendo responsabilidades tcnicas e administrao de pessoal.

Os resultados mostraram, portanto, que os objetivos desta fase do projeto foram amplamente atingidos.

Agradecimentos. Os autores agradecem ao Departamento de Engenharia Qumica da Escola de Engenharia de Lorena pela cesso dos equipamentos, materiais e reagentes utilizados neste trabalho, e Pr-Reitoria de Graduao da USP pela bolsa de IC oferecida por meio do programa Ensinar com Pesquisa.6 BIBLIOGRAFIA

AFONSO, J. C., et al. Gerenciamento de resduos laboratoriais: recuperao de elementos e preparo para descarte final, Quimica Nova 2003, 26, n4.BACCAN, N., et al. Introduo Semimicroanlise Qualitativa, 6 Ed., Campinas, Ed. UNICAMP.

Elisabeth, M. P. K. A questo ambiental e os resduos industriais, XXV ENEGEP Porto Alegre, Rio Grande do Sul, 29 de Outubro a 01 de Novembro de 2005.PEREIRA, P. S., et al. Resduos Qumicos: Gerenciamento em Instituio de Ensino e Pesquisa.

VOGEL, A. I.; Qumica Analtica Qualitativa, 5 ed., Mestre Jou: So Paulo,1981; Svehla, G.; Vogels Qualitative Inorganic Analysis, 7th ed., Longman: England, 1996.

SEARCH FOR NEW PROCEDURES FOR DISCIPLINE QUALITATIVE CHEMICAL ANALYSIS WITH A ECONOMIC AND ENVIRONMENT APPROACHAbstract: This work shows the search for new analytical methods to reduce waste and replacement of dangerous reagent (KCN) in the experimental class of discipline Analytical Chemistry I at Engineering School of Lorena. There was a search for alternative procedures in specific literature in the area of analytical chemistry (books, magazines and internet). After the selection of material, was the choice of methodology to be used, taking as base materials, equipment and reagents in the laboratory and tested the new procedures. With the results, new analytical protocols were written.

Keywords: Toxic waste, semimicroanalysis, qualitative analysisSecretaria Executiva: Factos Eventos.

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