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COMPARAÇÃO ENTRE ALGUMAS SUBSTÂNCIAS DE CARBONO E SILÍCIO

OBJETIVOS

– Verificar os comportamentos de carbono e silício ante a soluções alcalinas;

– Sintetização do silano e estudo de sua reatividade.

INTRODUÇÃO

Os elementos do grupo IVA são distinguidos pela configuração da camada

de valência ns2 np2. Tem como elemento principal, o carbono, o mais importante

elemento para os seres vivos, seguido pelo silício, que é um dos elementos

fundamentais para a tecnologia moderna. Os outros elementos que fazem parte

desta família são o germânio, estanho e chumbo. À medida que percorremos a

tabela periódica da direita para a esquerda, os grupos vão aumentando o caráter

metálico, com os elementos não-metálicos limitados ao topo do grupo. Então, o

carbono é menos metálico do grupo, apresentando uma variedade alotrópica que é

condutora de eletricidade (ALMEIDA, 2010; LEE, 1996; RUSSEL, 1994).

Características do Carbono

O carbono é o 17° elemento mais pesado encontrado na crosta terrestre, é

onipresente na natureza e por isso é único elemento da tabela periódica que forma

mais compostos combinados e tem seu estudo diferenciado na química, a chamada

química orgânica (LEE, 1996).

O elemento carbono possui grande afinidade para combinar-se

quimicamente com outros átomos pequenos, incluindo átomos de carbono que

podem formar extensas cadeias. O seu pequeno raio atômico permite formar

cadeias múltiplas, assim, com o oxigênio forma o dióxido de carbono, fundamental

para o crescimento das plantas e com o hidrogênio forma inúmeros compostos

denominados hidrocarbonetos, essenciais para a indústria e o transporte na forma

de combustível derivados de petróleo e gás natural. Combinado com oxigênio e

hidrogênio forma uma grande variedade de compostos como, por exemplo,

os ácidos graxos e os ésteres. Além disso, tem grande participação no ciclo

carbono-nitrogênio (ALMEIDA, 2010; SHRIVER; ATKINS, 2008).

O carbono é distintamente um não metal e ocorre livre na natureza, em suas

conhecidas formas alotrópicas: diamante, grafite e carvão.

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O diamante é a substância natural mais dura que pode ser obtido por mineração; é

usado na trituração, desbaste e gravação em metais duros e outras substâncias. A

dureza do diamante provém de sua estrutura compacta e tridimensional (LEE, 1996;

RUSSEL, 1994).

A grafita é um sólido hexagonal, preto, mole, com um brilho semimetálico

que tem uma estrutura em camadas na qual cada camada apresenta uma rede de

átomos de carbono. É obtida por mineração e geralmente é encontrada com outros

compostos que são separados por flotação. A grafita é utilizada par fabricação de

eletrodos, lápis, lonas de freio e escovas para motores elétricos (LEE, 1996;

RUSSEL, 1994).

O principal uso industrial do carbono é como componente

de hidrocarbonetos, especialmente os combustíveis como petróleo e gás natural; do

primeiro se obtém por destilação nas refinarias gasolinas, querosene e óleos e,

ainda, é usado como matéria-prima para a obtenção de plásticos, enquanto que o

segundo está se impondo como fonte de energia por sua combustão mais limpa

(ALMEIDA, 2010).

Características do Silício

O silício é um elemento químico pertencente ao grupo do carbono, de

símbolo Si, e é o segundo elemento mais abundante em combinação com outros

elementos, constitui 27,7% da crosta terrestre, perdendo apenas para o oxigênio.

Constitui a grande maioria das rochas, solos, areias e terras são compostas de

silício, ou das várias formas de sílica pura ou impura, SiO2 (quartzo, sílex, tridimita,

ágata, opala etc.), ou de silicatos, tais como feldspatos, micas, talcos e muitos outros

(ALMEIDA, 2010; RUSSEL, 1994).

Este elemento em estado livre é um sólido cinza-escuro, duro, de brilho

metálico e estrutura cristalina semelhante a do diamante. Suas propriedades

químicas se são semelhantes às do carbono: relativamente inerte à temperatura

ambiente, com aquecimento há um aumento de sua reatividade com os halogênios e

com determinados metais. De modo geral, o silício não é atacado pelos ácidos

comuns, mas uma mistura de ácido nítrico com ácido fluorídrico o dissolve. Já em

presença de flúor, no entanto, o silício inflama-se e produz óxido (ALMEIDA, 2010;

RUSSEL, 1994).

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O silício é um metalóide, que significa "como um metal". Os metalóides não

são metais típicos nem não metais típicos, mas apresentam propriedades de ambos;

são comumente chamados de semi-metais (LEE, 1996; RUSSEL, 1994).

O silício livre é obtido da redução a alta temperatura do SiO2 pelo magnésio

ou carbono. O silício puro, tetracloreto de silício, SiCl4 é reduzido pelo magnésio. O

elemento se cristaliza no mesmo retículo do diamante, formando um sólido muito

duro, de alto ponto de fusão e aparência metálica. Apesar de seu brilho metálico, ele

é um mau condutor de eletricidade à temperatura ambiente, embora seja um

semicondutor, uma propriedade que justifica seu uso especialmente no estado

sólido em muitos dispositivos eletrônicos tais como transistores e circuitos

integrados. Este elemento também é utilizado para a produção de ligas metálicas, na

preparação de silicones, na indústria cerâmica, vidro e cimento (RUSSEL, 1994).

Diferenças entre o silício e o carbono

O carbono se difere do restante do grupo IVA, devido ao seu menor tamanho

e maior eletronegatividade. Como resultado desses fatores, apresenta maior energia

de ionização, sendo mais covalente e menos metálico do que os outros elementos

(LEE, 1996; RUSSEL, 1994).

De acordo com a teoria clássica da ligação, o carbono pode formar no

máximo quatro ligações covalentes, pois estão disponíveis para formar ligações

orbitais s e p. No entanto, limitaria o seu número de coordenação a 4 nesses

compostos. Já a maioria dos compostos de carbono possui número de coordenação

3 ou 4. Entretanto, o conceito de ligações agora está bem fundamentado, e

conhecem-se distintos compostos em que o carbono tem números de coordenação

maiores (LEE, 1996).

O carbono também se difere dos outros elementos do grupo IVA em sua

capacidade única de formar ligações múltiplas pπ-pπ, tais como C=C, C=C, C=O,

C=S e C=N. Os outros elementos do grupo não formam ligações pπ-pπ,

principalmente porque o carbono e silício possui apenas elétrons s e p, mas os

outros elementos seguem a uma série completa de elementos de transição com dez

elétrons d. O carbono e o silício diferem não somente entre si, mas também dos

demais elementos do grupo, enquanto que o germânio, estanho e chumbo variam de

maneira progressiva. Os orbitais atômicos são muito grandes e difusos para permitir

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uma interação efetiva; mas eles podem utilizar orbitais d para formar ligações

múltiplas, particularmente entre Si e N e entre Si e O. Assim, o composto N(SiH3)3 é

plano e contém ligações pπ-dπ, mas o composto N(CH3)3 é piramidal e não contém

ligações π (LEE, 1996).

O carbono também difere dos demais elementos do grupo em sua

acentuada capacidade de formar cadeias. Isso porque as ligações C-C são fortes, e

as ligações Si-Si, Ge-Ge e Sn-Sn diminuem progressivamente de energia (LEE,

1996; RUSSEL, 1994).

MATERIAIS E MÉTODOS

Materiais

- Balança semi-analítica;

- Espátulas;

- Tubos de ensaio;

- Vidros de relógio;

- Béqueres de 50 mL;

- Pinça;

- Bico de bunsen.

Reagentes

- Carvão ativo;

- Solução de acido clorídrico (1:1 v/v)

200 mL;

-Silício;

- Magnésio;

- Solução de hidróxido de potássio

40% (m/V) 50 mL.

PROCEDIMENTO

1. Cerca de 0,1 g de silício foram adicionados em um tubo de ensaio e cerca 0,1

g de carbono em outro tubo de ensaio;

2. Foram adicionados 3 mL de solução de KOH em cada um dos tubos de

ensaio e o fenômeno foi observado;

3. Com o auxílio de uma espátula, foram misturados cerca de 0,2 g de silício e

0,1 g de magnésio em um tubo de ensaio;

4. Um pouco da mistura (cerca de 1/5 do total) foi adicionado em outro tubo de

ensaio, e adicionado de cerca de 1 mL de solução de HCI e observou-se o

fenômeno;

5. Foi aquecida uma porção da mistura que não entrou em contato com a

solução de HCI, cuidadosamente, na chama de um bico de Bunsen (importante o

uso do óculos de proteção) até que ela fique avermelhada. Logo após, retirou-se o

tubo de ensaio da chama até desaparecer a cor vermelha. Repetiu-se o

procedimento;

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6. O tubo de ensaio foi resfriado ao ar e todo o sólido obtido foi transferido de

uma só vez para um béquer contendo cerca de 20 mL de solução de HCI na capela.

RESULTADOS

1. No tubo contendo carvão não foi observado nenhum fenômeno, já no tubo

com silício observou-se a sua solubilização;

2. Quando a mistura entrou em contato com HCl houve a liberação de bolhas de

gás e o consumo dos reagentes;

3. Durante o aquecimento houve a liberação de gás e após restou um sólido

cinza;

4. Quando o sólido entrou em contato com o HCl houve a liberação de bolhas de

gás.

DISCUSSÃO E CONCLUSÃO

1. No tubo contendo carvão não foi observado nenhum fenômeno,

provavelmente o carbono não reage com o a base. Já no tubo com silício observou-

se a sua solubilização, pois o silício reagiu com a base, liberando hidrogênio e

formando um silicato:

Si + 2H2O + 2KOH → K2SiO2(OH)2 + 2H2↑

2. Quando a mistura entrou em contato com HCl houve a formação de silano e

cloreto de magnésio conforme a reação:

2 Mg + Si + 4 HCl→ SiH4(g) + 2 MgCl2(s) Já a liberação de bolhas de gás se deve provavelmente ao hidrogênio gasoso

resultante das reações do HCl com Si e Mg que não reagiram entre si, conforme as

reações:

Si + 3 HCl → HSiCl3 + H2

Mg + 2HCl → MgCl2 + H2

3. Quando misturado co o HCl o silicato de magnésio se dissolve, e com o

aquecimento há a liberação de gás CO2 e formação do precipitado MgCl2.

4. Quando o sólido entrou em contato com o HCl houve a liberação de bolhas de

gás provavelmente devido a uma quantidade remanescente de Mg que não reagiu

anteriormente, que em contato com HCl forma MgCl2 e libera hidrogênio gasoso.

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Através dos experimentos pode-se concluir que o silício é um composto

altamente reativo e que sua reatividade é maior do que compostos formados por

carbono. O silano é um composto químico que possui a formula SiH4, é análogo ao

metano (CH4), no entanto derivado do silício.

RESPOSTAS DAS QUESTÕES PROPOSTAS

1. Qual é mais reativo ante as soluções alcalinas: silício ou carbono?

O silício é o mais reativo, pois o carbono não reage com a base. O silício

reage com a base, liberando hidrogênio e formando um silicato.

2. Escreva a equação da reação entre silício e hidróxido de potássio.

Si + 2H2O + 2KOH → K2SiO2(OH)2 + 2H2↑

3. Compare os resultados da adição da mistura de silício e magnésio à solução

de ácido clorídrico antes e depois do aquecimento.

Quando misturado co o HCl o silicato de magnésio se dissolve, e com o

aquecimento há a de gás CO2.

4. Escreva a equação da reação entre silício e magnésio.

2 Mg + Si → Mg2Si5. Escreva a equação da reação entre siliceto de magnésio e ácido clorídrico.

Mg2Si(s) + 4 HCl(aq) → SiH4(g) + 2 MgCl2(s)

6. Considerando que o gás utilizado no bico de Bunsen é um alcano, que classe

de compostos é mais reativa: alcanos ou silanos? Justifique.

Os silanos são compostos mais reativos do que os alcanos devido à

eletronegatividade e tem orbitais d de baixa energia que podem ser usados para

formar intermediários de reações.

7. Escreva as equações da oxidação completa do silano e do metano.

Oxidação completa do silano: SiH4 + O2 → SiO2 + 2 H2

Oxidação completa do metano: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O

REFERENCIAS

ALMEIDA, Ricardo. Reações do grupo do carbono. Disponível em:< http://www.ebah.com.br/content/ABAAABasYAA/relatorio-experimental-grupo-carbono>. Acesso em: 23 mai 2010.

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LEE, J. D. Química Inorgânica não Tão Concisa, 5. ed, Trad. Toma et al., São Paulo: Edgard Blucher Editora Ltda, 1996, p. 131-134.

RUSSEL, John Blair. Química Geral, 2. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 1994. 621p.

SHRIVER, Duward. F.; ATKINS, Peter. W. Química Inorgânica, 4 ed., Bookman, Porto Alegre, 2008. 848p.