Enunciado

Problema Desafiador. O sulfeto de zinco, ZnS, é pouco solúvel na maioria das situações. Com a amônia o Zn2 forma quatro complexos, Zn(NH3)2, Zn(NH3)2 2, Zn(NH3)3 2 e Zn(NH3)4 2. A amônia, é claro, é uma base e o S2 é o ânion do ácido diprótico fraco H2S. Determine a solubilidade molar do sulfeto de zinco em: (a) água a pH 7,0. (b) uma solução contendo NH3 0,100 mol L1. (c) Um tampão pH 9,00 de amônia/íon amônio com uma concentração total de NH3/NH4 de 0,100 mol L1. (d) na mesma solução da parte (c), exceto que esta contém também EDTA 0,100 mol L1. (e) Use um programa de busca na Internet e localize a Materials Safety Data Sheet (MSDS) (Lista de Segurança dos Materiais) para o ZnS. Determine quais são os perigos para a saúde apresentados pelo ZnS. (f) Verifique se existe um pigmento fosforescente contendo ZnS. O que ativa o pigmento de forma que esse possa “brilhar no escuro”? (g) Verifique qual é o uso que se faz do ZnS na fabricação de componentes ópticos. Por que o ZnS é útil para estes componentes?

Passo 1

Neste exercício, devemos considerar o sulfeto de zinco, que é um sal pouco solúvel na maioria das vezes com uma constante de produto de solubilidade de 3 ∙ 10 - 23 . O cátion do sal forma complexos de amina com amônia de acordo com as seguintes fórmulas químicas: Z n N H 3 2 + ,   Z n N H 3 2 2 + ,   Z n N H 3 3 2 +   e   Z n N H 3 4 2 + . O complexo mais estável deles é o complexo tetraamina com um K f de 7.8 ∙ 10 8 . Como não há dados listados dos outros complexos nos apêndices, podemos supor que as constantes de formação dos outros três complexos são desprezíveis. Também sabemos que a amônia é uma base e o sulfeto de hidrogênio (a forma protonada do ânion) é um ácido (muito) fraco.

  1. Nesta parte, devemos determinar a solubilidade molar do sulfeto de zinco em água em pH = 7,00. Sob tais condições, apenas o produto de solubilidade do sulfeto de zinco deve ser levado em consideração. Vamos expressar o produto de solubilidade desta forma. A equação química da reação é escrita da seguinte forma:
  2. Z n S s →   ​ Z n X 2 + ( a q ) + S X 2 - ( a q )

    A constante do produto de solubilidade é dada como segue:

    Devido à mesma estequiometria, a concentração de íons zinco e sulfeto é a mesma. Vamos indicá-los como x e determinar seu valor:

    Como um mol de ZnS produz um mol de zinco e íons sulfeto, esse valor também é igual à solubilidade molar

    s o l u b i l i d a d e   m o l a r =   5.48 × 10 - 12   M

  3. Nesta parte, devemos determinar a solubilidade molar do sulfeto de zinco em amônia 0.100 M. Nessas condições, deve-se levar em consideração o produto de solubilidade do sulfeto de zinco e também a constante de formação do complexo. Vamos expressar o produto de solubilidade desta forma. A equação química da reação é escrita da seguinte forma:
  4. Z n S s →   ​ Z n X 2 + ( a q ) + S X 2 - ( a q )

    A formação do complexo é dada como:

    Z n 2 + a q + 4 N H X 3 ​ a q → ​ Z n N H X 3 ​ 4 ​ 2 + ( a q )

    Praticamente, isso significa que a solubilidade do sal pouco solúvel é dramaticamente aumentada pelo processo de formação do complexo.

    As duas reações separadas também podem ser escritas como uma reação global, especificada da seguinte forma:

    Z n S s + 4 N H 3 ​ a q ​ →   Z n N H 3 ​ 4 ​ 2 + a q + S 2 - a q

    Devido à mesma estequiometria, a concentração de tetraamina de zinco e íons sulfeto são os mesmos. Vamos indicá-los como x e determinar seu valor:

    Como um mol de ZnS produz um mol desses íons, esse valor também é igual à solubilidade molar.

    s o l u b i l i d a d e   m o l a r = 1.5350 ∙ 10 - 9 M

  5. Nesta parte, devemos determinar a solubilidade molar do sulfeto de zinco em 0.100 M de amônia/tampão de amônio em pH = 9,00. Nesta tarefa, o pH do tampão e a concentração geral nos permite determinar a concentração de amônia e íons de amônio. No entanto, os íons de amônio reagem com os íons de sulfeto remanescentes da dissolução do sal, o que também é facilitado pela formação do complexo de amina. Em primeiro lugar, vamos considerar a formação de amônia a partir de íons amônio e íons sulfeto.
  6. Passo 2

    N H 4 + a q + S 2 - a q →   ​ N H 3 ​ ( a q ) + H S - ( a q )

    Esta reação é a reação inversa da segunda dissociação de H 2 . Vamos expressar esse valor a partir do dado K a valor.

    O valor geral de KK do processo é dado como o produto desses dois valores:

    Isso significa que apenas uma fração muito pequena de amônio se transforma em amônia. Portanto, vamos negligenciar este efeito ao considerar o teor de amônia para formar o complexo.

    O teor de amônia no tampão determina a solubilidade molar do sal, como visto na tarefa b) também. Isso significa que, para realizar os mesmos cálculos da subtarefa anterior, devemos determinar a concentração de amônia. Em primeiro lugar, vamos escrever a constante de dissociação ácida da amônia:

    K a = 5.70 ∙ 10 - 10

    Vamos escrever a fórmula tampão usada para a determinação do pH para calcular a razão entre a concentração de amônio e amônia:

    A concentração do tampão é 0.100 M. Ou seja, a soma da concentração de amônio e amônia é 0.100 M. Vamos usar esta informação para expressar a concentração de amônia

    Conhecendo a concentração de amônia, podemos agir da mesma forma que fizemos na parte anterior para determinar a solubilidade molar (veja a dedução da fórmula na Etapa 4):

    Devido à mesma estequiometria, a concentração de tetraamina de zinco e íons sulfeto são os mesmos. Vamos indicá-los como x e determinar seu valor:

    Como um mol de ZnS produz um mol desses íons, esse valor também é igual à solubilidade molar.

    S o l u b i l i d a d e   M o l a r = 6.207 ∙ 10 - 10   M

    Passo 3

  7. Nesta parte, devemos determinar a solubilidade molar do sulfeto de zinco em 0.100 M de amônia/tampão de amônio em pH = 9,00 com a presença de EDTA, cuja concentração também é 0.100 M na solução. Caso os dois reagentes (EDTA e o cátion metálico) estejam presentes em quantidades estequiometricamente equivalentes, a quantidade do cátion metálico e do EDTA não coordenado é dada pela constante de formação condicional do complexo metal-EDTA de acordo com a seguinte fórmula:
  8. K ' M Y = α 4 K M Y

    onde α 4 é a fração do EDTA não protonado em um determinado pH.

    O valor de α 4 é dado da seguinte forma:

    Os valores de K indicam as constantes de dissociação do EDTA, que são dadas da seguinte forma:

    A concentração de prótons é dada como 10 elevado à potência de -pH.

    H + = 10 - p H

    Portanto, vamos substituir todos os numerais dados na expressão para poder calcular a constante condicional. :

    K M Y ' = 1.67 ∙ 10 15

    Este valor constante de formação condicional mostra uma afinidade muito maior dos íons de zinco para o EDTA do que para as moléculas de amônia, pois há 7 magnitudes de diferença entre os valores de K correspondentes. Isso significa que a afinidade dos íons de zinco com a amônia é insignificante neste caso. Portanto, vamos escrever novamente a equação da dissolução e a formação do complexo, agora com EDTA.

    A formação do complexo EDTA:

    As duas reações separadas também podem ser escritas como uma reação global, especificada da seguinte forma:

    Z n S s + Y 4 - a q →   ​ Z n Y 2 - a q + S 2 - a q

    Vamos expressar um valor K para esta expressão:

    Devido à mesma estequiometria, a concentração do complexo zinco-EDTA e os íons sulfeto são os mesmos. Vamos indicá-los como x e determinar seu valor:

    Como um mol de ZnS produz um mol desses íons, esse valor também é igual à solubilidade molar.

    S o l u b i l i d a d e   M o l a r = 7.07 × 10 - 5   M

    Passo 4

  9. Nesta parte, devemos especificar os perigos do sulfeto de zinco. O sulfeto de zinco não é uma substância excessivamente perigosa, não inflamável, não explosiva e não tóxica. No entanto, ao entrar em contato com a pele, pode causar alguma irritação dérmica, também pode causar vermelhidão nos olhos, e pode causar problemas respiratórios enquanto seu poder fino é inalado. Portanto, precauções gerais, como o uso de óculos de segurança, luvas de proteção e tratamento cuidadoso é recomendado, enquanto estiver trabalhando com a substância. Se entrar em contato com a pele ou os olhos, deve-se realizar lavagem cuidadosa e enxágue com água da torneira, devendo-se retirar as peças de roupa contaminadas.
  10. Nesta parte, devemos determinar se existe um pigmento fosforescente contendo ZnS, e especificar o que ativa o pigmento para brilhar no escuro.
  11. A fosforescência é um fenômeno que é causado pela irradiação da luz após a excitação de um ou mais elétrons. Durante a transição, diferentemente do caso da fluorescência, o elétron muda seu spin, mais especificamente, transfere-se de uma órbita triplete de energia mais alta para uma órbita singlete de energia mais baixa. O fenômeno da fosforescência tem uma duração significativamente maior do que a fluorescência, e a duração do brilho causado é muito maior.

    Sulfeto de zinco com a presença de algum ativador, pode apresentar tal fenômeno. A escolha do ativador pode alterar o comprimento de onda (e, portanto, a energia) da luz irradiada e, portanto, sua cor. Por exemplo, sulfeto de zinco combinado com ativador de prata causa irradiação de luz azul e combinado com ativador de cobre causa irradiação de luz verde.

  12. Nesta parte, devemos determinar os usos de ZnS na fabricação de componentes ópticos.

O sulfeto de zinco é um material com alto índice de refração (2,20) e ampla transmitância na região do infravermelho. Como bom transmissor, o sulfeto de zinco é uma substância indicada para a produção de lentes, filtros e janelas entre outros.

Resposta

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