18.1Os quatro tipos clássicos de reações inorgânicas
É muito comum, até hoje, considerar quatro tipos clássicos de reações químicas que envolvam ácidos, bases, sais e outras substâncias inorgânicas. Dois deles já foram abordados no Capítulo 4:
Além desses dois tipos, também há as reações de simples troca ou deslocamento e as reações de dupla troca.
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Uma reação química de simples troca ou deslocamento envolve uma substância simples e uma substância composta, de forma que o elemento da substância simples “toma o lugar” de um dos elementos da substância composta.
Por exemplo, se você mergulhar um objeto de ferro num ácido diluído, como o ácido clorídrico, começam a aparecer bolhas de gás na superfície do metal. Coletando esse gás, é possível verificar que ele é hidrogênio. A reação que ocorre pode ser descrita como:
Nessa reação, o ferro “toma o lugar” do H na ligação com o Cl, e o H termina a reação sozinho (na forma de H2). Dizemos que o Fe desloca o H. Essa reação é um exemplo de simples troca.
Vários metais reagem com ácidos dessa forma, deslocando o hidrogênio e formando H2, como o zinco, o magnésio, e o sódio. Mas não acontece com todos. O cobre, por exemplo, não reage dessa maneira:
Ou seja, o Cu não desloca o H. O ouro e a prata também não.ácidos-concentrados Iremos investigar isso mais adiante.
Reações de simples troca seguem os seguintes padrões:
Elas também acontecem frequentemente entre um metal e uma solução aquosa de um sal de outro metal. Por exemplo, ao mergulhar uma placa de zinco (que é cinza) numa solução aquosa de sulfato de cobre(II) (que é azul), observa-se a formação de um sólido marrom escuro na superfície do zinco; com o passar do tempo, a solução vai ficando com um tom mais claro de azul. A reação que acontece é:
O sólido marrom escuro é cobre, e a solução vai ficando menos azul porque a quantidade de CuSO4 (aq) diminui — como ZnSO4 (aq) é incolor, a solução vai ficando mais clara. Nessa reação, o Zn deslocou o Cu.
Agora, ao tentar fazer isso ao contrário — ou seja, mergulhando uma placa de cobre numa solução aquosa de sulfato de zinco — não acontece nada.
O zinco desloca o cobre (na primeira reação), mas o cobre não desloca o zinco (na segunda). Dizemos que o zinco é mais reativo que o cobre.
É possível fazer várias reações dessas, confrontando diferentes metais, e descobrir quem desloca quem. Por exemplo, ao tentar reagir o ferro com outras soluções de sais metálicos, observa-se os seguintes resultados:
Com esses resultados, é possível construir uma breve fila de reatividade, baseando-se em quais elementos o ferro consegue deslocar:
Al, Zn > Fe > Ag, Cu
O ferro consegue deslocar prata e cobre mas não consegue deslocar alumínio e zinco. Perceba que apenas com essas reações não dá pra comparar a reatividade do cobre com a prata, por exemplo. Fazendo mais reações, é possível chegar a uma fila de reatividade baseada em resultados experimentais:
K > Na > Li > Ba > Sr > Ca > Mg > Al > Ti > Mn > Zn > Cr > Fe > Cd > Co > Ni > Sn > Pb > Sb > Bi > Cu > W > Hg > Ag > Au > Pt
Essa fila está em ordem decrescente de reatividade, portanto do lado esquerdo estão metais muito reativos e do lado direito estão metais mais inertes.
Um elemento adicional que costuma ser incluído nessa fila de reatividade dos metais é o hidrogênio, já que vários metais reagem com ácidos (e alguns reagem com a água) formando H2. Incluindo o hidrogênio, a fila fica assim:
Fila de reatividade dos metais (e do hidrogênio)
K > Na > Li > Ba > Sr > Ca > Mg > Al > Ti > Mn > Zn > Cr > Fe > Cd > Co > Ni > Sn > Pb > H > Sb > Bi > Cu > W > Hg > Ag > Au > Pt
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Uma reação de dupla troca envolve duas substâncias compostas, feitas de dois grupos (cátion e ânion, por exemplo), trocando esses grupos.
Por exemplo, ao misturar uma solução aquosa de nitrato de prata com uma solução aquosa de cloreto de sódio (ambas incolores), se observa a formação de um material esbranquiçado, que após um tempo precipita como um sólido branco — esse precipitado é cloreto de prata. A reação envolvida é:
Nessa reação, os dois sais trocam parceiros: a prata estava ligada ao nitrato e passou a ficar ligada ao cloreto, e o sódio fez o inverso. (Também é possível interpretar pela perspectiva dos ânions.) Esse é um exemplo de reação de dupla troca.
Reações de dupla troca seguem o seguinte padrão:
Elas costumam acontecer em solução aquosa, e é possível notar alguns “padrões” nos produtos:
Uma reação de precipitação envolve reagentes em solução sendo misturados e formando um sólido insolúvel. O sólido insolúvel é chamado de precipitado.
Já vimos o exemplo da precipitação do cloreto de prata a partir do nitrato de prata reagindo com cloreto de sódio:
Em equações químicas, o símbolo (s), que indica estado sólido, costuma ser suficiente para identificar o precipitado. Além dessa notação, há também um hábito não recomendado atualmente, mas ainda comum, de identificar o precipitado com uma seta para baixo, especialmente quando a equação não mostra os estados dos participantes:
Vários hidróxidos, óxidos e sais são insolúveis em água, e é útil ter uma noção de quais são eles. A Tabela reúne informações sobre precipitados inorgânicos comuns.
| íons | NH4+ | cátions do grupo 1 | cátions do grupo 2 | Ag+ | Pb2+ | Hg22+ | outros cátions |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Cl− | I | PS | I | ||||
| Br− | I | I | I | ||||
| I− | I | I | I | ||||
| SO42− | I: Ca2+, Sr2+, Ba2+ | PS | I | I | |||
| CO32− | I | I | I | I | I | ||
| CrO42− | I | I | I | I | I | ||
| C2O42− | I | I | I | I | I | ||
| PO43− | I | I | I | I | I | ||
| S2− | I | I | I | I | |||
| OH− | I: Be2+ PS: Mg2+, Ca2+, Sr2+ | I | I | I | I | ||
| O2− | I: Be2+ | I | I | I | I |
I: insolúvel, PS: pouco solúvel, (vazio): solúvel
Fonte: adaptado de Princípios de Química 7ed, p F70
Um outro jeito de ocorrer uma reação dupla troca envolve a formação de algum gás, que escapa do meio reacional, deixando para trás o segundo produto.
Gases que podem ser formados em reações de dupla troca são: H2S (sulfeto de hidrogênio ou gás sulfídrico), HCN (cianeto de hidrogênio ou gás cianídrico), CO2 (dióxido de carbono), SO2 (dióxido de enxofre) ou NH3 (amônia).
Outro caso de reação dupla troca envolve a formação de um produto pouco ionizado. O primeiro caso, que já abordamos antes, é a neutralização ácido–base: se escrevermos a fórmula da água como HOH fica mais visível o aspecto da dupla troca:
A água tem um grau de ionização extremamente baixo (mas não nulo), de forma que podemos considerar que ela fica na forma não ionizada.
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A classificação de reações em simples troca e dupla troca é bastante clássica na Química, e vem de uma época em que se considerava que as substâncias compostas eram formadas por “radicais” positivos e negativos. Hoje se sabe que nem todas são assim — mas algumas ainda são, especialmente ácidos, bases, sais e óxidos. Por isso, ainda se usa essa classificação.
Mas algo que deve ser levado em conta é que, frequentemente, essas reações acontecem em solução aquosa; e vimos que várias substâncias se ionizam ou se dissociam ao serem dissolvidas em água, formando íons livres. Então, se levarmos em conta isso, podemos reescrever algumas equações químicas, deixando explícito que isso acontece.
Por exemplo, a reação entre o ferro e o ácido clorídrico pode ser reescrita considerando que o HCl está ionizado e o FeCl2 está dissociado na água:
Perceba que há 2 Cl− (aq) do lado esquerdo e também do lado direito. Basicamente, é como se esses dois íons cloreto não tivessem participado dessa reação: eles são íons espectadores, e como eles não interferem no “resultado” da reação, eles podem ser omitidos:
Essa é uma equação iônica, da reação do ferro com um ácido (que pode ser o HCl, ou pode ser outro).
No final das contas, essa reação de “simples troca” é uma reação entre uma substância simples neutra e um íon.
Vejamos como fica a reação com o zinco deslocando o cobre do sulfato de cobre(II):
Perceba que, essencialmente, essa reação envolve um elemento saindo da forma neutra e virando cátion, e outro fazendo o contrário.
Uma reação de dupla troca começa com os dois reagentes em solução, dissociados, e ela só acontece quando forma algum produto que “junta” duas partes, formando um sólido insolúvel, um gás, ou uma molécula com baixo grau de ionização. Por exemplo, vejamos qual é a equação iônica da reação entre nitrato de chumbo(II) e iodeto de potássio:
Ou seja, essa reação acontece por causa dos íons chumbo(II) e iodeto. Os íons nitrato e potássio são íons espectadores (podemos até chamá-los de contraíons: o nitrato é o contraíon do chumbo(II) e o potássio é o contraíon do iodeto). Misturar uma solução aquosa que tenha Pb2+ com outra solução aquosa que tenha I− vai formar o precipitado amarelo de PbI2, independentemente dos contraíons.
Agora, por exemplo, se misturarmos uma solução de nitrato de sódio com uma de cloreto de potássio, não haverá reação nenhuma. Se quisermos especular quais seriam os produtos, poderíamos seguir a lógica de uma reação dupla troca e sugerir que essa mistura formaria cloreto de sódio e nitrato de potássio:
Mas, considerando que esses quatro sais são solúveis e se dissociam em água, podemos reescrever essa proposta de reação na forma iônica:
…e vemos que efetivamente não acontece reação nenhuma. Essa mistura de sais é um grande “sopão” de íons e, como nenhum deles se junta com outro de uma maneira mais “permanente” (por exemplo, formando um sólido insolúvel), não se forma produto nenhum.
Essa solução aquosa com Na+, K+, Cl− e NO3− até pode sim “formar” KNO3 e NaCl, mas apenas depois de evaporar a água. Os íons vão ser forçados a se unir e os sais começam a cristalizar. Só que o que vai ditar quais sais “se formam” (cristalizam) primeiro vai ser a solubilidade deles em água. Após a evaporação completa da água, é até mesmo possível que se cristalizem os quatro sais envolvidos nessa “reação”.