What happens when copper reacts with nitric acid in this lab?

Solid copper is oxidized by nitric acid to form copper nitrate, water, and NO2 gas. The copper nitrate dissociates into copper(2+) ions and nitrate anions in water. The reddish-brown fumes confirm NO2 gas production, while a greenish-blue tint indicates the presence of copper ions in solution.

How is copper oxide formed from copper(II) hydroxide?

Copper(II) hydroxide precipitate forms when a base is added to the copper solution, creating a blue color. When heated to 85°C, the copper(II) hydroxide undergoes decomposition, removing water and producing black copper oxide precipitate. This thermal decomposition converts the unstable hydroxide into the more stable oxide form.

What role does zinc play in recovering solid copper from copper oxide?

Zinc acts as a reducing agent in a single displacement reaction with copper sulfate solution. When zinc is added, copper(2+) ions are reduced to solid copper while zinc is oxidized to zinc(2+) ions. The solution becomes colorless once all copper ions are reduced, indicating complete copper recovery.

Why is hydrochloric acid added after the zinc displacement reaction?

Hydrochloric acid dissolves excess zinc remaining in the solid copper precipitate through a neutralization reaction that produces bubbling. Adding acid in increments ensures complete removal of unreacted zinc without over-dissolving the copper product, leaving pure copper for final collection and weighing.

How do you determine if the final copper product is pure?

Test for methanol using an indicating desiccant that changes from blue to turquoise if present. Drop 6 M HCl on the product; bubbling indicates residual NaOH contamination. Pure copper appears as dark-red granules. Black color suggests incomplete conversion and the presence of copper oxide instead.

What does percent yield calculation reveal about the copper recovery experiment?

Percent yield is calculated by dividing the final copper mass by the initial copper mass and multiplying by 100. Yields exceeding 100% indicate calculation errors or residual moisture on the product. This metric shows how efficiently copper was recovered through the oxidation and reduction sequence.

Why is methanol used in the final drying step instead of water?

Methanol is used because it evaporates more readily than water at room temperature, ensuring thorough drying of the copper precipitate without heat damage. Multiple methanol washes followed by extended vacuum application remove residual moisture and impurities, preparing the copper for accurate final mass measurement.

Reações redox

Conceitos Preparação do instrutor Protocolo do estudante

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Redox, que é a abreviação de redução-oxidação, é um tipo de reação química classificada pela transferência líquida de elétrons. Nessa reação, uma molécula perde elétrons, chamada de oxidação, e a outra molécula ganha elétrons, chamada de redução.

Para ajudá-lo a diferenciar entre os dois, lembre-se da frase 'OIL-RIG', que significa 'oxidação está perdendo, redução está ganhando'. A molécula oxidada é chamada de agente redutor porque reduz o outro reagente. Da mesma forma, a molécula que é reduzida é chamada de agente oxidante porque oxida a outra molécula.

Agora que temos a terminologia resolvida, vejamos um exemplo de reação redox, a formação do mineral óxido de magnésio. Durante a reação, cada átomo de magnésio perde dois elétrons. Assim, o magnésio é oxidado. Cada átomo de oxigênio ganha dois elétrons; assim, o oxigênio é reduzido.

No entanto, nem todas as reações são reações redox. Por exemplo, a reação do óxido de cálcio com o dióxido de carbono para formar carbonato de cálcio não é uma reação redox. Então, como podemos identificar uma reação redox?

Para fazer isso, rastreamos o número de oxidação de cada elemento à medida que ele passa do reagente ao produto. O número de oxidação é a carga hipotética que um átomo teria se suas ligações com diferentes elementos fossem iônicas, o que significa que os elétrons são atribuídos ao átomo mais eletronegativo. A soma dos números de oxidação em uma molécula é igual à sua carga total.

Vamos olhar para trás, para o óxido de magnésio. É um composto neutro, então a soma dos números de oxidação do magnésio e do oxigênio é igual a zero. O magnésio pode dar dois elétrons, então seu número de oxidação é mais dois. O oxigênio pode aceitar dois elétrons, então seu número de oxidação é menos dois.

E quanto à reação? Os compostos elementares neutros puros têm um número de oxidação zero. Assim, tanto o magnésio quanto o oxigênio começam com números de oxidação de zero. Os números de oxidação do magnésio e do oxigênio mudaram durante a reação, então esta é uma reação redox.

Agora, vamos olhar para a reação do carbonato de cálcio que vimos anteriormente. Ambos os reagentes são neutros, então a soma dos números de oxidação para ambos os compostos é zero. Como vimos com o óxido de magnésio, o cálcio tem um número de oxidação de mais dois e o oxigênio menos dois. Então, o carbono na molécula de dióxido de carbono tem um número de oxidação de mais quatro e cada oxigênio menos dois.

Que tal o produto? O cálcio é mais dois e o carbono mais quatro, assim como nos reagentes. Cada oxigênio é menos dois, totalizando menos seis, com o número de oxidação líquido zero. Como nenhum dos números de oxidação mudou, esta não é uma reação redox.

Agora vamos apresentar os quatro tipos de reações redox. A primeira é uma reação de deslocamento único, onde um átomo desloca outro. Você verá isso em uma reação de termite, onde um metal é reduzido e o outro metal é oxidado.

O próximo tipo é uma reação de combustão, que ocorre entre um combustível e um oxidante para formar produtos oxidados e calor. Você vê isso no laboratório durante a combustão do metano com oxigênio ao usar um bico de Bunsen.

A terceira é uma reação de síntese, onde dois reagentes se combinam para formar um produto, como na síntese de amônia, onde o nitrogênio é combinado com hidrogênio para formar amônia.

Finalmente, o quarto tipo é uma reação de decomposição, onde um reagente absorve energia suficiente para quebrar suas ligações para formar compostos menores. É o que acontece com os fogos de artifício, onde o clorato de potássio se decompõe em cloreto de potássio e oxigênio após o aquecimento.

Neste laboratório, você executará e identificará vários tipos de reações redox que transformam cobre sólido em óxido de cobre e, em seguida, de volta em cobre sólido.

Print Procedure Steps

Fonte: Smaa Koraym na Universidade Johns Hopkins, MD, EUA

Fazendo cobre sólido
Na primeira metade deste laboratório, você fará cobre sólido. Nesta reação, o cobre sólido é primeiro oxidado pelo forte agente oxidante, ácido nítrico, para formar água e o nitrato de cobre salgado. O nitrato de cobre se dissocia rapidamente nos íons, cobre (2+) e nitrato, na água. Os ânions nitrato são reduzidos a gás NO₂, o que é confirmado pela presença de vapores marrom-avermelhados. A presença de íons de cobre é indicada por uma tonalidade azul-esverdeada. Adicionar uma base à mistura muda a cor para azul à medida que o precipitado de hidróxido de cobre (II) é formado. O hidróxido de cobre (II) é relativamente instável; Assim, quando o calor é introduzido, ocorre uma reação de decomposição. Nessa reação, a água é removida para produzir óxido de cobre, que aparece como um precipitado preto.
- Antes de iniciar o experimento, coloque equipamento de proteção individual, incluindo jaleco, luvas e óculos de proteção contra respingos químicos.
- Pesar entre 0,45 e 0,55 g de granalha de cobre e registar a massa exata. Este experimento deve ser conduzido no capô, portanto, traga o tiro de cobre de volta para sua estação de trabalho.
  Tabela 1. Determinando o rendimento percentual
  
  Massa_inicial(g)
  Massa_final (g)
  Rendimento percentual
  Clique aqui para baixar a Tabela 1
- Rotule um cilindro graduado de 10 mL como 'ácido nítrico 8 M' e meça 8 mL da solução fornecida pelo seu instrutor. Cubra o cilindro com um vidro de relógio ao transportar a solução de volta para o exaustor.
- Para iniciar o experimento, coloque o cobre em um béquer de 50 mL.
- Adicione lentamente os 8 mL de ácido nítrico 8 M enquanto mexe com uma vareta de agitação. nota: Se o cobre não se dissolver totalmente, colocar o copo numa placa de aquecimento regulada para 30 °C durante cerca de 2 minutos, agitando continuamente. Aqui, o cobre sólido está reagindo com o ácido nítrico para formar nitrato de cobre, água e gás NO₂. Não superaqueça a solução ou o ácido nítrico ferverá.
- Quando o cobre estiver totalmente dissolvido, retire o copo da placa de aquecimento e regule a temperatura da placa de aquecimento para 85 °C.
- Meça 150 mL de água deionizada usando um cilindro graduado de 50 mL e transfira a água para um béquer de 400 mL.
- Lentamente, e enquanto mexe, despeje a solução de cobre no béquer de 400 mL contendo água.
  nota: Se sobrar solução de cobre no copo, use uma pipeta para enxaguar o restante da solução no béquer maior.
- Rotule um cilindro graduado de 50 mL com '3 M NaOH' e obtenha 20 - 30 mL de 3 M NaOH do seu instrutor. Cubra o cilindro graduado com um vidro de relógio enquanto o carrega cuidadosamente de volta ao capô.
- Adicione 10 ml de NaOH ao copo de 400 ml, agitando.
- Teste o pH da solução usando papel de pH. Continue adicionando NaOH até que a solução esteja básica ou cerca de pH 10. Aqui, o nitrato de cobre reage com NaOH para formar o precipitado azul, hidróxido de cobre (II) e nitrato de sódio.
- Coloque o copo de 400 ml na placa de aquecimento e utilize um termómetro de vidro para monitorizar a temperatura. Quando a solução atingir 85 °C, deixe-a permanecer por 10 min. Mexa lentamente com a vareta de agitação, pois isso distribuirá o calor uniformemente, sem interromper a formação de cristais.
- Após 10 minutos, desligue a placa de aquecimento e remova o copo. Deixe o copo esfriar até a temperatura ambiente. À medida que a solução esfria, um precipitado escuro aparecerá na parte inferior do béquer, enquanto um líquido claro e incolor, o sobrenadante, se separará em direção ao topo. Os cristais são o óxido de cobre.
- Assim que a solução tiver arrefecido completamente, rotular um novo copo como «resíduo aquoso» e remover o sobrenadante deitando-o cuidadosamente no recipiente de resíduos. Tente não perder o precipitado na parte inferior do copo.
- Configure o sistema de filtragem conectando o tubo de silicone entre o aspirador doméstico e o frasco de vácuo. Colocar um funil de Büchner no balão de vácuo utilizando um adaptador de borracha. Agora, coloque um papel de filtro no funil Büchner e molhe-o com água deionizada.
- Ligue o aspirador. Despeje o precipitado no funil de Büchner e direcione-o para o centro com a vareta de agitação. Use água deionizada para enxaguar todo o precipitado no funil. Quando todo o precipitado estiver fora do copo, desligue o aspirador.
- Retire o papel de filtro com o precipitado e coloque-o no copo. O precipitante escuro no papel de filtro é o óxido de cobre, que deve ser deixado secar por um ou dois dias antes de ser usado na próxima reação.
- Limpe o experimento. Em primeiro lugar, esvaziar o líquido do balão filtrante para o copo aquoso de resíduos. Em seguida, teste o resíduo aquoso com papel de pH. nota: Qualquer resíduo superior a pH 10 deve ser neutralizado com ácido cítrico. Qualquer resíduo abaixo de pH 4 deve ser neutralizado com bicarbonato de sódio.
- Neutralize o NaOH não utilizado com ácido cítrico e despeje-o no ralo com grandes quantidades de água. Qualquer coisa que contenha partículas pretas indica a presença de óxido de cobre e deve ser descartada no recipiente do tambor de metal pesado.
Fazendo óxido de cobre
O óxido de cobre produzido na seção anterior do laboratório é insolúvel em água, mas pode ser dissolvido em ácido sulfúrico. Quando isso ocorre, os cátions de cobre (2+) e os ânions de sulfato são reintroduzidos por meio de uma reação de duplo deslocamento. Quando o zinco é adicionado na etapa final, os íons de cobre (2+) são reduzidos a cobre sólido por meio de uma única reação de deslocamento.
- Coloque o equipamento de proteção apropriado, como jaleco, luvas e óculos de proteção contra respingos químicos.
- Obtenha o óxido de cobre seco que foi preparado no último exercício de laboratório e remova o máximo possível de óxido de cobre do papel de filtro usando um policial de borracha. Coloque o papel sólido e o papel de filtro de volta no mesmo copo de 400 mL em que foram armazenados.
- Rotule um cilindro graduado de 10 mL como 'ácido sulfúrico 5.93 M' e obtenha 8 mL de ácido sulfúrico do instrutor. Cubra o cilindro graduado com um vidro de relógio e leve cuidadosamente o ácido sulfúrico para o capô. nota: Execute a próxima etapa do experimento no capô.
- Use uma pipeta de plástico para adicionar cerca de 5 mL de ácido sulfúrico diretamente no papel de filtro no béquer.
- Em seguida, segure o papel de filtro com uma pinça e use uma espátula de metal para raspar o máximo de sólido possível sem rasgar o papel de filtro. Use o mínimo de ácido sulfúrico possível para enxaguar o óxido de cobre, pois o excesso de ácido sulfúrico exigirá mais zinco posteriormente.
- Enxágue o óxido de cobre do papel de filtro com 2 mL de água deionizada e adicione um pouco mais de água deionizada ao béquer. Uma vez removido o óxido de cobre do papel de filtro, elimine o papel de filtro como resíduo sólido.
- Agite a solução até que o óxido de cobre esteja totalmente dissolvido. Se o sólido não se dissolver, colocar o copo na placa de aquecimento e aquecê-lo a cerca de 60 °C.
- Adicione 3 a 5 mL de água e mexa para dissolver. Tenha cuidado para não ultrapassar essa temperatura, pois o líquido pode evaporar deixando um precipitado de sulfato de cobre.
- Pese 1,2 g de zinco e registre a massa exata em seu caderno de laboratório.
- Adicione lentamente metade do zinco à solução. Esmague e mexa o zinco usando a vareta de agitação para dissolver completamente todas as partículas. A solução deve ser incolor. Se a cor ainda estiver presente, adicione mais zinco até que a cor desapareça.
- Assim que a cor desaparecer completamente, pese o zinco restante no prato de pesagem e subtraia-o da massa original para obter a massa do zinco usado. Aqui, o zinco reagiu com o sulfato de cobre para formar sulfato de zinco e cobre sólido.
- Decantar o sobrenadante da sua solução para o recipiente denominado 'resíduo aquoso'. Em seguida, pré-aqueça a placa quente a 40 °C. Obtenha 10 mL de ácido clorídrico 6 M do seu instrutor em um cilindro graduado rotulado. Cubra a abertura do cilindro com um vidro de relógio e traga o ácido de volta ao capô.
- Adicione 5 mL de ácido clorídrico ao precipitado restante para dissolver qualquer zinco presente no cobre sólido.
- Coloque o copo na placa de aquecimento pré-aquecida e aqueça a solução durante 2 min. O borbulhar observado aqui é a reação de neutralização que ocorre para dissolver o zinco. Certifique-se de que a reação não ferva. Em seguida, desligue a configuração de calor na placa de aquecimento.
- Assim que o borbulhar diminuir, adicione 2 a 3 mL de ácido clorídrico adicional. Continue adicionando ácido em incrementos de 1 mL até que o borbulhar pare completamente.
- Decantar o sobrenadante, lavar o precipitado com 5 a 10 ml de água e transvasar qualquer sobrenadante restante. nota: Se as partículas de cobre forem muito pequenas para decantar o líquido sem perdê-las, instale um aparelho de funil Büchner com papel de filtro e sem vácuo. Despejar a solução através do funil para que as partículas fiquem retidas no papel de filtro e, em seguida, retorne as partículas ao copo. Repita as etapas de lavagem e decantação mais duas vezes.
- Substitua o papel de filtro no funil Büchner por um novo e molhe-o levemente com água. Em seguida, ligue o aspirador por um momento para ajudar o filtro a se encaixar no lugar.
- Adicione aproximadamente 5 mL de água ao precipitado de cobre e, em seguida, despeje-o no funil no centro do papel de filtro. Mexa o cobre suavemente para remover as impurezas, tomando cuidado para não rasgar o papel de filtro.
- Ligue o aspirador e deixe-o funcionar por 2 min.
- Feche o aspirador e desconecte a tubulação do frasco. Remova o funil e descarte o líquido no recipiente de resíduos aquosos.
- Reconecte a configuração do funil Büchner e reconecte a tubulação de vácuo.
- Obtenha cerca de 10 mL de metanol e despeje 3 mL no cobre no funil. Em seguida, ligue o aspirador e deixe o cobre secar por 2 min.
- Seque o precipitado com metanol mais duas vezes, passando o vácuo após cada lavagem. Durante a última fase de secagem, coloque uma rolha de borracha grande no funil de Büchner e deixe o vácuo funcionar por 5 min. Em seguida, feche o aspirador e desconecte o tubo de vácuo.
- Remova a rolha grande e deixe o cobre secar ao ar por 30 min.
- Rotular um copo vazio como «resíduos orgânicos» e deitar o líquido do frasco filtrante no recipiente para os resíduos orgânicos.
- Tara um prato de pesagem vazio e transfere o máximo possível de cobre do papel de filtro para ele. Pese o cobre e registre sua massa.
- Limpe o exercício de laboratório. Descarte o lixo orgânico e o excesso de metanol no recipiente de lixo orgânico. Teste o resíduo aquoso com papel de pH e neutralize-o com ácido cítrico para pH altamente básico ou bicarbonato de sódio para pH ácido.
- Descarte o líquido sobrenadante no recipiente de resíduos do tambor de metal pesado, pois ele contém zinco. O ácido sulfúrico e o ácido clorídrico não utilizados devem ser neutralizados com bicarbonato de sódio e depois lavados com bastante água na pia.
Resultados
- Determine se o produto é puro. Espalhe um pouco do produto em um dessecante indicador para testar a presença de metanol. O dessecante mudará de azul para turquesa se houver metanol
  .
- Coloque algumas gotas de HCl 6 M no produto para ver se ele reage com qualquer NaOH que possa ter sobrado. Se o NaOH estiver presente, você verá bolhas.
- Se o produto for de cobre, deve se parecer com grânulos vermelho-escuros. Se o produto for preto, você não conseguiu fazer cobre e, em vez disso, fez óxido de cobre.
- Calcule o rendimento percentual usando a massa inicial e final de cobre. O rendimento percentual é a razão entre o rendimento real, neste caso, a massa final de cobre, e o rendimento teórico, ou a massa inicial do cobre, multiplicada por 100. É impossível obter um rendimento percentual superior a 100. Se isso ocorrer, houve um erro no cálculo - ou o produto ainda estava molhado - o que adicionou mais peso.