1- Foi solicitado a um laboratório que realizasse uma análise qualitativa de cátions em uma amostra de resíduo industrial para investigar a presença dos cátions: \mathrm{Sr}^{2+}, \mathrm{Hg}^{2+}, \mathrm{Mn}^{2+}, \mathrm{Ni}^{2+}, \mathrm{Al}^{3+}, \mathrm{Bi}^{3+}, \mathrm{Na}^{+} \mathrm{e} \mathrm{Fe}^{3+}. Seguem os resultados obtidos na marcha analítica executada:
I. Após diluir uma parte da amostra, acidificou-se uma alíquota com solução diluída de HCl . Ocorreu formação de um precipitado branco. Filtrou-se a mistura.
II. Borbulhou-se \mathrm{H}_{2} \mathrm{~S} no filtrado de 1 e não ocorreu modificação da solução.
III. Por ebulição todo \mathrm{H}_{2} \mathrm{~S} foi eliminado. Adicionou-se \mathrm{NH}_{4} \mathrm{Cl} sólido e alcalinizou-se com solução de \mathrm{NH}_{3}. Ocorreu formação de um precipitado marrom-avermelhado. Filtrou-se a mistura.
IV. Ao filtrado de 3 adicionou-se \left(\mathrm{NH}_{4}\right)_{2} \mathrm{~S}. Ocorreu a formação de um precipitado escuro. Filtrouse a mistura.
V. Ao filtrado de 4 adicionou-se \mathrm{NH}_{4} \mathrm{Cl}. alcalinizou-se com solução de \mathrm{NH}_{3} e adicionou-se, sob agitação, solução de \left(\mathrm{NH}_{4}\right)_{2} \mathrm{CO}_{3}. Não foi observada nenhuma modificação na solução.
VI. Não foi feito nenhum tratamento químico na solução 5 para a identificação de outros cátions
VII. Ao precipitado 3, adicionou-se solução de NaOH . Permaneceu o precipitado marromavermelhado. Filtrou-se a mistura.
VIII. Ao filtrado 3, adicionou-se solução diluída de HCl seguida de \mathrm{NH}_{3}(\mathrm{aq}). Nada observou-se na solução.
a) Para cada análise realizada, escreva as equações químicas correspondentes e as conclusões.
b) Dê o laudo final sobre a composição da amostra (cátions presentes e ausentes)

Passo 1

O enunciado pede que a partir da marcha analítica dada (passos I a VIII) eu escreva, para cada passo, as equações químicas que ocorrem e as conclusões (parte a) e, ao final, emito o laudo final indicando quais cátions da lista \mathrm{Sr^{2+}},\\ \mathrm{Hg^{2+}},\\ \mathrm{Mn^{2+}},\\ \mathrm{Ni^{2+}},\\ \mathrm{Al^{3+}},\\ \mathrm{Bi^{3+}},\\ \mathrm{Na^{+}},\\ \mathrm{Fe^{3+}} estão presentes ou ausentes (parte b).
Informações relevantes do enunciado (resumo das observações experimentais):
  • I: Ao acidificar com HCl houve precipitado branco (filtrou-se).
  • II: Borbulhar \mathrm{H_2S} no filtrado de I — nenhuma modificação.
  • III: Após eliminar \mathrm{H_2S}, adicionar \mathrm{NH_4Cl} e alcalinizar com \mathrm{NH_3} → precipitado marrom-avermelhado (filtrou-se). Esse é o precipitado chamado “3”.
  • IV: Ao filtrado de 3, adicionar \left(\mathrm{NH_4}\right)_2\mathrm{S} → precipitado escuro (filtrou-se). Esse é o precipitado chamado “4”.
  • V: Ao filtrado de 4, adicionar \mathrm{NH_4Cl}, alcalinizar com \mathrm{NH_3} e adicionar \left(\mathrm{NH_4}\right)_2\mathrm{CO_3} → nenhuma modificação.
  • VI: Não houve mais tratamento da solução 5.
  • VII: Ao precipitado 3, adicionar NaOH → o precipitado permaneceu marrom-avermelhado (filtrou-se).
  • VIII: Ao filtrado 3, adicionar HCl diluído seguido de \mathrm{NH_3(aq)} → nada observado.
Não começo a resolver ainda — agora vou passo a passo escrever as reações, explicar a teoria envolvida (por que cada reação/observação ocorre) e tirar as conclusões.

Passo 2

Análise do passo I (acidificação com HCl, formação de precipitado branco).
Explicação teórica curta e importante: HCl adiciona \mathrm{Cl^-} e acidifica. Alguns cátions formam cloretos insolúveis ou substâncias que separam como precipitado em meio ácido — classicamente são: \mathrm{Ag^+},\\ \mathrm{Pb^{2+}},\\ \mathrm{Hg_2^{2+}} (o íon mercuroso, que forma o precipitado branco \mathrm{Hg_2Cl_2}, chamado calomel). Outros cátions da lista não dão precipitado branco ao adicionar HCl em solução aquosa neutra/ácida: por exemplo, \mathrm{Sr^{2+}},\\ \mathrm{Na^+} permanecem solúveis como cloretos; \mathrm{Bi^{3+}} pode formar complexidades, mas tipicamente não dá um precipitado branco claro na simples acidificação que imobilize todo o bismuto nesse estágio (e se houvesse Bi em forma de sulfeto, seria outra etapa).
Reação que corresponde à formação de precipitado branco (assumindo que o responsável é o íon mercuroso, que forma cloreto insolúvel branco):
\mathrm{Hg_2^{2+} + 2Cl^- \longrightarrow Hg_2Cl_2(s)}
Observação prática: muitos esquemas de análise qualitativa registram um precipitado branco com HCl como indicativo de presença de mercúrio (no estado mercuroso \mathrm{Hg_2^{2+}}) — o produto é \mathrm{Hg_2Cl_2} (calomel).
Conclusão do passo I: houve precipitação de um cloreto insolúvel branco, consistente com presença de íon mercurioso \mathrm{Hg_2^{2+}} (ou, de forma geral, presença de mercúrio que precipita como cloreto branco). Esse catião ficou no precipitado (não mais na solução filtrada).

Passo 3

Análise do passo II (borbulhar \mathrm{H_2S} no filtrado de I — nenhuma modificação).
Teoria útil: \mathrm{H_2S} em meio ácido fornece concentração muito baixa de \mathrm{S^{2-}}, porque o equilíbrio é:
\mathrm{H_2S \rightleftharpoons HS^- + H^+ \rightleftharpoons S^{2-} + 2H^+}
Em meio ácido, a concentração de \mathrm{S^{2-}} é muito baixa; apenas sulfetos muito pouco solúveis (isto é, com produto de solubilidade muito pequeno) se precipitam nessa condição — por exemplo, \mathrm{CuS},\\ \mathrm{Bi_2S_3},\\ \mathrm{HgS} (alguns desses). Se não houve modificação ao borbulhar \mathrm{H_2S} no filtrado, significa que não havia na solução cátions que formem sulfetos insolúveis já em meio ácido (ou já tinham sido removidos no passo I).
Conclusão do passo II: não havia, no filtrado de I, cátions que precipitam como sulfetos em meio ácido (isto exclui, para este filtrado, a presença de cátions típicos do “grupo de sulfetos em meio ácido” — por exemplo, não há \mathrm{Bi^{3+}} livre para precipitar aqui; mas se Bi tivesse sido removido no passo I, também não se veria precipitado).

Passo 4

Análise do passo III (remoção de \mathrm{H_2S} por ebulição; adição de \mathrm{NH_4Cl} e alcalinização com \mathrm{NH_3}; formação de precipitado marrom-avermelhado).
Teoria importante e aplicada: a conjunção \mathrm{NH_4Cl} + \mathrm{NH_3} forma um tampão amoniacal que mantém o pH moderadamente básico (não tão elevado quanto quando se usa NaOH forte). A amônia em água gera \mathrm{OH^-} de acordo com:
\mathrm{NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-}
Por isso, alguns cátions que formam hidróxidos pouco solúveis precipitam nesta condição. Entre os cátions da lista, o \mathrm{Fe^{3+}} forma \mathrm{Fe(OH)_3}, que é marrom-avermelhado (cor típica de óxido/hidróxido ferríco) e insolúvel neste tampão amoniacal. Já \mathrm{Al^{3+}} forma \mathrm{Al(OH)_3} branco (gelatinoso) e é anfótero (dissolve em excesso de base forte), e \mathrm{Mn^{2+}} tem hidróxido branco levemente acastanhado ao oxidar. A cor “marrom-avermelhada” é índice forte de \mathrm{Fe^{3+}}.
Equações representativas:
formação do hidróxido (equação iônica simplificada)
\mathrm{Fe^{3+} + 3OH^- \longrightarrow Fe(OH)_3(s)}
e a origem de \mathrm{OH^-} pelo equilíbrio com amônia (explicativa, já citada):
\mathrm{NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-}
Conclusão do passo III: o precipitado marrom-avermelhado corresponde a \mathrm{Fe(OH)_3} — indica presença de \mathrm{Fe^{3+}} na amostra; o ferro foi removido para o precipitado 3.

Passo 5

Análise do passo IV (ao filtrado de 3 adicionar \left(\mathrm{NH_4}\right)_2\mathrm{S} → precipitado escuro).
Teoria: após remover os hidróxidos de cátions do “grupo dos hidróxidos” (como \mathrm{Fe^{3+}}), o filtrado contém cátions que não precipitaram antes. A adição de \left(\mathrm{NH_4}\right)_2\mathrm{S} fornece \mathrm{S^{2-}} em meio amoniacal (mais disponível do que em meio fortemente ácido), e sulfetos de cátions como \mathrm{Ni^{2+}}, \mathrm{Co^{2+}} precipitam como sulfetos escuros (preto), por exemplo:
\mathrm{Ni^{2+} + S^{2-} \longrightarrow NiS(s)\\ }(\text{preto})
Outros sulfetos têm cores características: \mathrm{MnS} tende a ser róseo/pálido inicialmente; \mathrm{CuS} é negro; \mathrm{CoS} é negro; \mathrm{FeS} é preto (mas Ferro já foi precipitado como hidróxido). A observação de um precipitado escuro/negro a partir deste tratamento é compatível com a presença de \mathrm{Ni^{2+}} precipitando como \mathrm{NiS}.
Reações envolvidas (incluindo a dissociação do sal de amônio):
\mathrm{(NH_4)_2S \longrightarrow 2NH_4^+ + S^{2-}}
\mathrm{Ni^{2+} + S^{2-} \longrightarrow NiS(s)}
Conclusão do passo IV: a formação de precipitado escuro indica presença de cátions que formam sulfetos escuros em meio amoniacal — entre os listados, o candidato óbvio é \mathrm{Ni^{2+}}. Portanto \mathrm{Ni^{2+}} está presente.

Passo 6

Análise do passo V (ao filtrado de 4 adicionou-se \mathrm{NH_4Cl}, alcalinizou-se com \mathrm{NH_3} e adicionou-se \left(\mathrm{NH_4}\right)_2\mathrm{CO_3}. Não foi observada modificação).
Teoria: a adição de \left(\mathrm{NH_4}\right)_2\mathrm{CO_3} em meio amoniacal pode precipitar carbonatos de cátions alcalino-terrosos que sejam pouco solúveis como \mathrm{SrCO_3} (e \mathrm{BaCO_3}, \mathrm{CaCO_3}) dependendo do pH e das concentrações. Se não houve nenhuma modificação, isso indica ausência (ou concentração abaixo do limite detectável) de \mathrm{Sr^{2+}} (já que \mathrm{SrCO_3} é pouco solúvel e precipitaria). Também íons alcalinos solúveis como \mathrm{Na^+} permanecem em solução e não dão modificação.
Equação que não ocorreu (o que seria esperado se Sr estivesse presente):
\mathrm{Sr^{2+} + CO_3^{2-} \longrightarrow SrCO_3(s)}
Conclusão do passo V: ausência detectável de \mathrm{Sr^{2+}}. Como \mathrm{Na^+} é um cátion solúvel que não precipita nas etapas usadas, ele pode permanecer na solução (não foi removido/identificado por essas provas) — isto não prova sua ausência, apenas não foi detectado nem precipitou.

Passo 7

Análise do passo VII (ao precipitado 3 — o marrom-avermelhado — adicionou-se solução de NaOH; o precipitado permaneceu marrom-avermelhado).
Contexto: precipitado 3 já atribuíamos a \mathrm{Fe(OH)_3}, mas teoricamente poderia ser uma mistura (ex.: \mathrm{Fe(OH)_3} + \mathrm{Al(OH)_3}). Teste diagnóstico: \mathrm{Al(OH)_3} é anfótero — dissolve em excesso de base forte formando íons aluminato solúveis, segundo:
\mathrm{Al(OH)_3(s) + OH^- \longrightarrow [Al(OH)_4]^-}
Por outro lado, \mathrm{Fe(OH)_3} não se dissolve facilmente em excesso de base (permanece como precipitado marrom-avermelhado). No experimento, ao adicionar NaOH (base forte), o precipitado permaneceu, o que indica que o precipitado não continha quantidades significativas de \mathrm{Al(OH)_3}; em vez disso é compatível com \mathrm{Fe(OH)_3} puro.
Conclusão do passo VII: reforça que o precipitado 3 é \mathrm{Fe(OH)_3} (logo presença de \mathrm{Fe^{3+}}) e que \mathrm{Al^{3+}} está ausente (pelo menos em quantidade detectável nesse precipitado), pois caso contrário parte do precipitado dissolveria ao adicionar NaOH em excesso.

Passo 8

Análise do passo VIII (ao filtrado 3 adicionou-se solução diluída de HCl seguida de \mathrm{NH_3(aq)}. Nada foi observado).
Interpretação do procedimento: o filtrado 3 contém os cátions que não precipitaram com o tampão amoniacal — ou seja, após a formação e remoção de \mathrm{Fe(OH)_3}, o que restou no filtrado seria testado. Acidificar com HCl dissolveria hidróxidos possíveis ou alteraria equilíbrios para colocar espécies na forma solúvel; em seguida, re-alcalinizar com \mathrm{NH_3} poderia gerar precipitados de hidróxidos de cátions que se precipitam somente nessa sequência (por exemplo, se houvesse traços de \mathrm{Al^{3+}} que tivessem sido retidos de modo instável). O fato de não ocorrer nada indica ausência detectável de cátions que reagiriam nessa sequência — em particular, confirma a ausência de \mathrm{Al^{3+}} e de \mathrm{Bi^{3+}} no filtrado (se Bi3+ estivesse livre esperaria-se precipitação em etapas de sulfeto ácido ou em outras etapas anteriores).
Conclusão do passo VIII: reforça ausência detectável de \mathrm{Al^{3+}} e \mathrm{Bi^{3+}} no material analisado.

Passo 9

Resumo das conclusões conjuntas (tradução dos resultados práticos em presença/ausência dos cátions da lista), com explicação final da lógica combinada:
  • Presença de mercúrio: o precipitado branco com HCl (passo I) é característico de cloreto insolúvel de mercúrio do tipo \mathrm{Hg_2Cl_2} (calomel). Conclusão: mercúrio presente (especificamente na forma que precipita como cloreto branco — mercuroso). Repetindo a equação representativa:
\mathrm{Hg_2^{2+} + 2Cl^- \longrightarrow Hg_2Cl_2(s)}
  • Presença de ferro(III): a formação de precipitado marrom-avermelhado com \mathrm{NH_3/NH_4Cl} (passo III) e sua resistência à adição de NaOH (passo VII) indicam \mathrm{Fe^{3+}} e o produto \mathrm{Fe(OH)_3}:
\mathrm{Fe^{3+} + 3OH^- \longrightarrow Fe(OH)_3(s)}
  • Presença de níquel(II): o precipitado escuro formado ao adicionar \left(\mathrm{NH_4}\right)_2\mathrm{S} ao filtrado de 3 (passo IV) é compatível com \mathrm{NiS} (preto):
\mathrm{Ni^{2+} + S^{2-} \longrightarrow NiS(s)}
  • Ausência de estrôncio: se \mathrm{Sr^{2+}} estivesse presente, a adição de \left(\mathrm{NH_4}\right)_2\mathrm{CO_3} em meio amoniacal (passo V) precipitaria \mathrm{SrCO_3}. Como nada ocorreu, concluímos ausência detectável de \mathrm{Sr^{2+}}:
\text{(reação não observada) }\mathrm{Sr^{2+} + CO_3^{2-} \longrightarrow SrCO_3(s)}çãã
  • Ausência de alumínio e bismuto: testes indicam que o precipitado marrom não continha \mathrm{Al^{3+}} (pois não dissolveu em NaOH) e que no filtrado não há reação ao acidificar e alcalinizar (passo VIII) que caracterizaria \mathrm{Al^{3+}} ou \mathrm{Bi^{3+}}. Logo, \mathrm{Al^{3+}} e \mathrm{Bi^{3+}} ausentes (ou abaixo do limite de detecção).
  • Sódio: \mathrm{Na^+} é um cátion muito solúvel e, nas técnicas empregadas, permanece em solução e dificilmente precipita; como não foi testado especificamente, não se observa precipitado que oponha sua presença — no contexto da marcha analítica, se um cátion da lista não foi precipitado em nenhuma etapa e permaneceu na solução final, considera-se que ele está presente como catião solúvel persistente. Assim, a presença de \mathrm{Na^+} é compatível com os dados (não foi precipitado em nenhuma etapa e não foi eliminado). Em suma: não foi detectado seu precipitado (permaneceu em solução), o que é coerente com presença de \mathrm{Na^+} na amostra.
  • Manganês: nenhuma evidência conclusiva de \mathrm{Mn^{2+}}. Se houvesse manganês livre, poderia dar reações características (por exemplo, \mathrm{MnS} sob sulfeto, ou \mathrm{Mn(OH)_2} que oxida para \mathrm{MnO_2} castanho), mas não há observação inequívoca destes padrões. Portanto, consideramos \mathrm{Mn^{2+}} ausente ou abaixo do limite de detecção.

Resposta

Presentes: \mathrm{Hg} (identificado como precipitado branco \mathrm{Hg_2Cl_2}), \mathrm{Fe^{3+}}, \mathrm{Ni^{2+}}, \mathrm{Na^{+}}
Ausentes: \mathrm{Sr^{2+}},\\ \mathrm{Mn^{2+}},\\ \mathrm{Al^{3+}},\\ \mathrm{Bi^{3+}}

Exercícios relacionados