Análise Orgânica Elementar

Como Descobrir os Elementos Presentes em uma Substância?

Imagine que você está em um laboratório diante de uma substância desconhecida.

Seu desafio é descobrir quais elementos químicos fazem parte dessa substância, mas sem poder contar com uma fórmula pronta ou um rótulo explicativo.

Como resolver esse mistério? Que estratégias você vai utilizar? Quais informações você espera encontrar para associa-las a determinado elemento?

É exatamente para isso que existe a análise orgânica elementar.

A análise orgânica é um conjunto de testes químicos que nos permite identificar os elementos presentes em uma substância problema (SP).

Para fazer isso, os químicos fazem reações químicas que transformam os elementos da SP em compostos facilmente reconhecíveis.

Diferente de outras abordagens da Química Orgânica, que buscam identificar estruturas e funções orgânicas, aqui o objetivo é mais básico e direto:

Queremos saber quais elementos fazem parte da composição da substância.

Sendo assim, para cada elemento que queremos descobrir, existe hoje um passo a passo que nos responde se ele existe ou não e em que quantidade ele existe.

Esse é um assunto extremamente específico, podemos dizer que ele é mais Laboratório de Química do que Química Orgânica propriamente dita. 

Sendo assim, ele não é um assunto muito cobrado. Por isso, saiba filtrar o que é importante de acordo com o que seu professor está te ensinando. 

Eu vou enfatizar o que eu percebo que as questões mais cobram da gente. 

A maioria das questões não quer que você saiba as reações completas decoradas para chegar no elemento, ou os detalhes do procedimento laboratorial.

📌 Elas querem que você saiba: 

1️ Qual informação do enunciado te permite afirmar qual o elemento que existe na SP; 

2️ Qual a regra de três mais simples que você pode utilizar para calcular a quantidade desse elemento na SP.

Vamos discutir como identificar os elementos nesse capítulo e, no próximo, vamos discutir alguns modelos de questão. Farei junto com você, então fique tranquilo.

Análise do Carbono (C)

1️

Para descobrir se uma SP possui C em sua composição, você precisa aquecer a SP com óxido de cobre (CuO). 

Ao realizar esse aquecimento, se existir C na SP, uma sequência de reações químicas causa a liberação de um gás, o gás carbônico (CO₂).

Se você borbulhar esse gás em água de cal (solução de hidróxido de cálcio Ca(OH)₂) ou em água de barita (solução de hidróxido de bário Ba(OH)₂),

o gás carbônico vai turvar a água de cal ou a água de barita. 

Essas são as informações que a questão pode te dar para você ter certeza de que existe C na SP! Simples assim:

• Liberação de gás carbônico
• Turvou a água de cal ou a água de barita

2️

Agora que sabemos que tem C, como descobrir a quantidade dele? Basta você fazer uma regra de três entre o C e o CO₂. 

Para ocorrer a liberação de CO₂, o C da SP precisou reagir com o gás oxigênio, formando a seguinte reação:

C (sp) + O₂ (g) → CO₂ (g), logo 1 C (sp) → 1 CO₂ (g)

Então, se a questão te fornecer quanto foi formado de gás carbônico, é só fazer a regra de três, sabendo que 1 mol de C (sp) forma 1 mol de CO₂ (g).

Para finalizar a análise de carbono, vou colocar a sequência das reações completas, para curiosidade e melhor entendimento seu:

Reações Completas

I. CuO $\xrightarrow{\text{aquecimento}}$ Cu₂O + O₂ (g)

II. C (sp) + O₂ (g) → CO₂ (g)

III. CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + H₂O (se fosse utilizada água de cal)

IV. CO₂ + Ba(OH)₂ → BaCO₃ + H₂O (se fosse utilizada água de barita)

$CO_{2}$

Análise de Hidrogênio (H)

1️

Para descobrir se uma SP possui H em sua composição, você precisa aquecer a SP com óxido de cobre (CuO), do mesmo jeito que fazemos com C. 

Ao realizar esse aquecimento, se existir H na SP, uma sequência de reações químicas causa a liberação de vapor de água (H₂O (g)).

Para confirmar a presença de água, colocamos o produto para reagir com sulfato de cobre anidro (CuSO₄), que é um sólido branco.

Ao entrar em contato com a água formada, ele se transforma em sulfato de cobre pentahidratado (CuSO₄ . 5H₂O), de coloração azul.

Essa mudança de cor confirma a presença de hidrogênio na substância e é essa a informação que a questão vai te fornecer para você saber que tem H na SP:

• Mudança de coloração no sólido, de branco para azul
• Simplesmente formação de vapor de água

2️

Pronto, você sabe que tem H, agora você precisa calcular a quantidade de H que tinha antes das reações. 

A nossa reação base será essa:

2 H (sp) + 1/2 O₂ (g) → 1 H₂O (g), logo 2 H (sp) → 1 H₂O (g)

Portanto, 1 mol de H₂O é formado por 2 mols de H da SP. Com isso, você pode realizar a regra de três que for necessária, de acordo com o que a questão te falar.

Reações Completas

I. CuO → aquecimento → Cu₂O + O₂ (g)

II. 2 H (sp) + 1/2 O₂ (g) → 1 H₂O (g)

III. CuSO₄ (sólido branco) + 5 H₂O (g) → CuSO₄ . 5H₂O (sólido azul)

Análise dos Halogênios (X = Cl, Br ou I)

1️

Para descobrir se uma SP possui algum dos halogênios (Cl, Br ou I) em sua composição, você precisa aquecer a SP com sódio metálico (Na).

Assim, se existir halogênio na SP, formamos um haleto de sódio (NaX).

O NaX reagirá depois com um meio ácido de nitrato de prata AgNO₃, formando um haleto de prata (AgX).

O haleto de prata AgX é um sal insolúvel, portanto ele precipitará na solução.

A presença do precipitado após essa sequência de reações é o que garante a você que existia halogênio (X = Cl, Br ou I) na SP.

E ainda digo mais! Pela cor do precipitado, você consegue dizer qual dos três halogênios existia na SP:

• Se o precipitado for branco = cloreto de prata AgCl = Cl na SP
• Se o precipitado for branco amarelado = brometo de prata AgBr = Br na SP
• Se o precipitado for amarelo = iodeto de prata AgI = I na SP

2️

Você já sabe que tem halogênio, agora você precisa calcular a quantidade que tinha antes das reações.

Para realizarmos a regra de três, basta compararmos direto o halogênio com o haleto de prata:

1 X (sp) → 1 AgX (precipitado)

Portanto, 1 mol de Cl (por exemplo) forma 1 mol de AgCl. 

Se fôssemos falar em massa, diríamos que 35,5 g de Cl formam 143,5 g de AgCl (Dados massas molares: Cl = 35,5 u e Ag = 108 u).

Reações Completas (farei o exemplo com Br)

I. Br (sp) + Na (s) → aquecimento → NaBr

II. NaBr + AgNO₃ → meio ácido → NaNO₃ + AgBr (precipitado branco-amarelado)

Análise do Enxofre (S)

1️

Para descobrir se uma SP possui enxofre (S) em sua composição, você precisa aquecer a SP com sódio metálico (Na).

Se existir S, formamos Na₂S, que reagirá com um ácido e liberará um gás com cheiro de ovo podre, o H₂S (g). 

Essa é a informação que aparece nos enunciados que lhe garante que existe S na SP: 

• Presença de um gás com cheiro de ovo podre. 

2️

Sabendo que tem S, você utiliza uma simples regra de três entre o S e o gás formado para descobrir a quantidade de S na SP:

1 S (sp) → 1 H₂S (g)

1 mol de S da substância problema forma 1 mol de gás H₂S. Em massa, seria 32 g de S da SP formam 34 g de H₂S.

Reações Completas 

I. S (sp) + Na (s) → Na₂S 

II. Na₂S + HCl → NaCl + H₂S (g)

Análise do Nitrogênio (N)

1️

Para mim, essa é a análise mais complicada, pois as reações parecem muito complexas.

Para descobrir se uma SP possui nitrogênio (N) em sua composição, você precisa aquecer a SP com ácido sulfúrico e sulfato de potássio.

Em uma série de reações, com acréscimo de bases e de ácidos futuramente, ocorre a formação do gás amônia (NH₃), que neutraliza o ácido sulfúrico.

Portanto, as informações que garantem a existência de N na SP são:

• Formação de amônia (NH₃)
• Formação de um gás que neutraliza H₂SO₄ (ácido sulfúrico)
• SP que reage com sulfato de potássio (K₂SO₄) e com ácido sulfúrico

2️

Sabendo que tem N, você utiliza uma simples regra de três entre o N e o gás formado para descobrir a quantidade que existia na SP:

1 N (sp) → 1 NH₃ (g)

1 mol de N da substância problema forma 1 mol de gás NH₃. Em massa, seria 14 g de N da SP formando 17 g de NH₃.

Reações Completas 

I. N (sp) + H₂SO₄ + K₂SO₄ → aquecimento → (NH₄)₂SO₄

II. (NH₄)₂SO₄ + 2 NaOH → Na₂SO₄ + 2 H₂O + 2 NH₃ (g)

III. 2 NH₃ (g) + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄

Análise de Oxigênio (O)

Por fim, a última análise que estudaremos, sendo a mais diferente de todas as outras.

A análise do oxigênio é indireta porque não há um teste específico para identificá-lo isoladamente como ocorre com outros elementos.

Em vez disso, sua quantidade é determinada por diferença.

Depois de descobrir as quantidades de C, H, X, S e N na SP, subtraímos esses valores do total da substância.

O que faltar para completar 100% da composição é atribuído ao oxigênio.

Por exemplo, se eu informo para você que uma substância possui 52,2% da massa em C e 13,0% em H, como você descobriria a fórmula molecular da substância?

Se o oxigênio é o resto da molécula, então nós temos 34,8% de O.

Então, a nossa fórmula molecular percentual é de $C_{52,2}H_{13,0}O_{34,8}$

Transformando para fórmula mínima, vamos dividir pela massa molar de cada um, então: 

• Carbono: 52,2 / 12 = 4,35
• Hidrogênio: 13 / 1 = 13
• Oxigênio: 34,8 / 16 = 2,175

Dividindo a fórmula $C_{4,35}H_{13}O_{2,175}$ por 2,175, encontramos a fórmula molecular da nossa substância problema: $C_2H_6O$. 

Esse é o raciocínio da análise de oxigênio: complete o que falta para 100% com O.