A análise gravimétrica

Uma das muitas aplicações das reações químicas conduzidas em laboratórios é a identificação e determinação de substâncias. Em especifico, na análise gravimétrica, que é utilizada no monitoramento ambiental, a quantidade da substância presente é determinada com base na medida da massa de um produto formado em uma reação.

A análise por combustão

Uma técnica usada nos laboratórios químicos modernos é a determinação das fórmulas empíricas pela análise por combustão. Queima-se a amostra em um tubo por onde passa um fluxo abundante de oxigênio. O excesso de oxigênio assegura que o reagente limitante é a amostra e que a combustão é completa.

Na versão clássica da técnica os produtos da combustão são passados por um tubo contendo uma substância que absorve toda a água, como o pentóxido de fósforo, $\ce{P4O10}$, $$\ce{ H2O(g) + P4O10(s) -> P4O10.H2O(s) }$$ e em seguida por um tudo contendo hidróxido de sódio, $\ce{NaOH}$, que absorve todo o dióxido de carbono conforma a reação: $$\ce{ CO2(g) + NaOH(s) -> NaHCO3(s) }$$ Os aumentos de massa no primeiro e no segundo tubos indicam as massas de água e de dióxido de carbono, respectivamente, formadas na combustão.

Na versão moderna da técnica, os gases produzidos são separados por cromatografia e suas quantidades relativas são determinadas pela medida da condutividade térmica dos gases que saem do aparelho. Esses instrumento permitem analisar compostos contendo enxofre e halogênios. Todo enxofre é convertido a dióxido de enxofre e todos os halogênios, $\ce{X}$, são convertidos aos respectivos haletos de hidrogênio, $\ce{HX}$.

Sob excesso de oxigênio, cada átomo de carbono do composto transforma-se em uma molécula de dióxido de carbono. Portanto, $$n_{\ce{C}, \text{amostra}} = n_{\ce{CO2}, \text{produto}}$$ Por isso, ao medir a massa de dióxido de carbono produzida e converter em mols, obtém-se o número de mols de átomos $\ce{C}$ da amostra original.

De maneira semelhante, cada átomo de hidrogênio do composto contribui, sob excesso de oxigênio, para a formação de uma molécula de água durante a combustão. $$n_{\ce{H}, \text{amostra}} = 2 \times n_{\ce{H2O}, \text{produto}}$$ Por isso, conhecendo-se a massa de água produzida quando o composto queima sob excesso de oxigênio, obtém-se a quantidade de $\ce{H}$ da amostra original.

Muitos compostos orgânicos também contêm oxigênio. Se o composto só contém carbono, hidrogênio e oxigênio, é possível calcular a massa de oxigênio inicialmente presente ao subtrair as massas de carbono e hidrogênio da massa original da amostra. A massa de oxigênio pode ser convertida em quantidade de $\ce{O}$ usando a massa molar dos átomos de oxigênio.

A análise termogravimétrica

Para que uma substância química seja submetida a uma técnica de análise, essa deve possuir uma composição conhecida e estável. Uma substância higroscópica absorve água do ar e não pode ser pesada com precisão. Muitos compostos contém quantidade variável de água e devem ser secados sob condições que garantem que toda a água de hidratação é eliminada. A calcinação, um forte aquecimento, é usada para mudar a composição de precipitados, por exemplo, a calcinação de sais hidratados, como o óxido de ferro(III), elimina toda a água de hidratação: $$\ce{ Fe2O3(s).3H2O ->[$\Delta$] Fe2O3(s) + 3 H2O(g) }$$ Os metais alcalinos são os únicos a formar sólidos com o íon bicarbonato, $\ce{HCO3^-}$. Esses compostos sofrem decomposição formando os respectivos carbonatos quando calcinados: $$\ce{ 2 NaHCO3(s) ->[$\Delta$] Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(g) }$$ O óxido de cálcio, conhecido como cal viva, é produzido em enormes quantidades pela calcinação do carbonato de cálcio: $$\ce{ CaCO3(s) ->[$\Delta$] CaO(s) + CO2(g) }$$ Na calcinação de carbonatos de metais menos eletropositivos, como a prata, o óxido formado também se decompõe. Assim, o produto final da calcinação é o metal reduzido: $$\begin{aligned} \ce{ Ag2CO3(s) &->[$\Delta$] Ag2O(s) + CO2(g) } \\ \ce{ 2 Ag2O(s) &->[$\Delta$] 4 Ag(s) + O2(g) } \end{aligned}$$ Na análise termogravimétrica, TGA, uma substância é aquecida e sua massa é medida em função da temperatura. Em uma curva de TGA como a da Fig. 2B.3.1, a diminuição da massa da amostra é devido à ocorrência de reações de calcinação.

Figura 2B.3.1

Esse método é muito utilizado na identificação substâncias, pois a diminuição da massa na curva de TGA revela a ocorrência reações específicas, como a calcinação, além das relações entre as massas do composto e dos gases liberados em cada etapa do aquecimento.