Relatório Fisico Química Experimental Constante de Avogadro

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
BANCADA 03:
ANA CAROLINA LOPES DE MELO
ALINE ZHOU
DIOVANA MAGALHÃES DE TOLEDO PIMENTA
GABRIEL GUERREIRO E SOUZA
LOUSEANE SILVA DE LIMA
FÍSICO QUÍMICA EXPERIMENTAL I – CQ050
EXPERIMENTO 2: DETERMINAÇÃO ELETROQUÍMICA DA CONSTANTE
DE AVOGRADO
CURITIBA – PARANÁ
EXPERIMENTO REALIZADO EM: 20 DE AGOSTO DE 2019
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INTRODUÇÃO
A constante de Avogadro (Na) é o número de átomos ou moléculas
presentes em um mol de substância pura. O número da constante é 6,022 ×
1023, sendo esse um fator de conversão de quantidades atômicas em
quantidades microscópicas, fundamental na área da físico – química
(BECKER, SCHIEL; 2013). Pode ser determinada por diversos experimentos.
A eletrólise, apesar de ser um experimento particularmente complexo para
alunos do ensino médio, é o mais utilizado em salas de aula para alunos de
ensino superior determinar, experimentalmente, a constante de Avogadro
(MOL et al, 2016).
No livro Unidades Modulares de Química, os autores apresentam de
uma maneira didática a forma de calcular a constante através de uma carga
que passa em um circuito, cujo fornece energia para reação de eletrólise da
água.
Na eletrólise, a passagem de uma corrente elétrica por uma solução
alcalina desencadeia reações eletroquímicas nos eletrodos. No cátodo
ocorrem reações de redução e, no caso de metais, deposição desses sobre o
metal. Já no ânodo ocorrem reações de redução. No processo de eletrólise
da água, esta se decompõe em gases hidrogênio e oxigênio sob efeito direto
de uma corrente elétrica. (CHI; YU; 2018). Essa reação é representada pelas
semi reações a seguir.
Ânodo� ������ � �� � � ��
Cátodo: �� � � �� � ��
Normalmente, esse processo ocorre em meio alcalino utilizando solução de
NaOH ou KOH e à baixa temperatura. Atualmente, a eletrólise da água é a
tecnologia de produção de hidrogênio de maior aplicabilidade em escala
comercial, devido a pureza do produto (99,99%vol) sem a necessidade de
emissão de gases poluentes (AMBROGI et al, 2018).
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OBJETIVO
O objetivo da prática foi medir a constante de Avogadro, derivada de
medidas volumétricas e eletroquímicas obtidas através da reação de
eletrólise de uma solução de hidróxido de sódio.
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PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Antes de realizar o experimento, foi necessário medir a pressão
atmosférica local. Através do manômetro disponível no laboratório, o
professor auxiliou todos fazendo apenas uma medição.
Para desenvolver a estrutura essencial do experimento, preencheu-se
uma solução aquosa de hidróxido de sódio (NaOH) na concentração de 10
g·L-1 em um recipiente pequeno de plástico, o qual teve o papel de
representar a célula eletrolítica. Duas buretas adaptadas foram enchidas – as
quais não atingiram seu volume máximo – da mesma solução e viradas com
a borda para baixo dentro do recipiente com o auxílio de um suporte,
tomando o cuidado de evitar a presença de bolhas de ar. No interior das duas
foram inseridos dois fios de cobre, desencapados e lixados nas extremidades.
Para as suas outras duas extremidades, foram conectados fios que ligavam
um (preto) ao amperímetro e outro (vermelho) à uma fonte de tensão. Além
disso, outro fio preto conectava o amperímetro à fonte. Todo este sistema
está exibido na Figura 1. Antes de realizar o experimento em si, foi medido a
temperatura da solução aquosa.
FIGURA 1: SISTEMA EMPREGADO PARA O EXPERIMENTO
Fonte: Autores (2019).
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Sendo assim, ligou-se os equipamentos em série, a fim de que
fornecessem 6,0 V de tensão e 40 mA de corrente elétrica, entretanto para a
mesma foi obtido o valor de 15,3 mA. Para chegar a estes valores, foi preciso
ir regulando os equipamentos, enquanto gás hidrogênio era produzido (H2).
Por fim, com o auxílio de um cronômetro, foi realizado a contagem do tempo
após 1,0 mL de gás ser gerado, sempre monitorando o volume (em mL) e a
corrente (em mA) a cada 3 minutos, dentro de um intervalo de 30 minutos.
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RESULTADOS E DISCUSSÃO
Após a realização das etapas apontadas na metodologia, construiu-
se a Tabela 1, com os dados observados.
TABELA 1: DADOS EXPERIMENTAIS OBTIDOS
Tempo (s) Volume de �� (mL) Corrente (mA)
0 0 15,3
180 0,4 16,09
360 0,8 15,25
540 1,2 15,66
720 1,6 15,68
900 2 15,64
1080 2,4 14,75
1260 2,7 14,29
1440 3,1 15,13
1620 3,5 15,10
1800 3,8 15,06
1980 4,3 14,75
Fonte: Autores (2019)
Ainda, foram obtidas uma pressão atmosférica de 693,4 mmHg e
temperatura ambiente de 15ºC. A partir disso, foi possível determinar a
pressão do �� dentro da bureta, segundo a Equação 1, assumindo que
�� ��� � ͳ�ʹ� ���� nessa temperatura (MELLO, R.M.Q, 2019) e que a
pressão hidrostática é nula.
��� � ��� � �� ��� � ��� ��ͳݍ�
��� � ��� � �� ��� � ���
��� � ���ʹ� � ͳ�ʹ� � ���ʹ� ����
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Para determinar a constante de Avogadro, primeiramente foi calculada
a média das correntes apresentadas na Tabela 1, obtendo 15,19 mA. Então,
considerando � � ��ʹ�� �� ����� ��ͳ��h��ͳ e � � ͳʹ��� � ͳ��ͳ�� , foi
possível calculá-la a partir da Equação 2, utilizando o tempo de 1800 s e o
volume relativo a esse instante.
��� �
������
������� ���ݍ�
��� �
��ʹ�� � ��� � ͳͷʹͳ� � ͳ���
� � ���ʹ� � ͳ晦ʹ� � ͳʹ��� � ͳ��ͳ�
��� � ͳʹ���� � ͳ���
O erro do valor encontrado em relação ao valor real da constante é
dado pela Equação 3, sendo ������� � �ʹ��� � ͳ�
��.
�� �
�������� � ���h���h�
�������
���ݍ�
�� �
��ʹ��� � ͳ��� � ͳʹ���� � ͳ����
�ʹ��� � ͳ���
�� � �ʹ晦���
A partir dos dados obtidos, também foi possível construir o Gráfico 1
relacionando tempo e volume, com auxílio do software Microsoft Excel.
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GRÁFICO 1: RELAÇÃO ENTRE TEMPO E VOLUME DOS DADOS
EXPERIMENTAIS
Fonte: Autores (2019)
Partindo da Equação 2 pode-se chegar à relação � � �����
���������
� , onde o
termo �����
���������
representa o coeficiente angular b da curva do gráfico,
equivalente à ��晦ʹ��� Assim, utilizando os valores já apresentados, é possível
calcular a constante.
�����
���������
� ��晦ʹ�� )4(Eq
��� �
��ʹ�� � ��� � ͳͷʹͳ�
��晦ʹ�� � � � ���ʹ� � ͳʹ��� �ͳ��ͳ�
��� � �ʹ�晦ͷ� � ͳ�ͳ�
Da mesma maneira que calculado anteriormente, com a Equação 3,
pode-se determinar o erro relativo ao número encontrado por meio da
segunda estratégia.
�� �
��ʹ��� � ͳ��� � ��ʹ�晦ͷ� � ͳ�ͳ���
�ʹ��� � ͳ���
)5(Eq
�� � �ʹ����
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É notório que em ambas as análises apresentaram erros
relativamente altos em relação a constante conhecida na literatura. Sendo
válido lembrar que, esse experimento tem como principal etapa a eletrólise
da água, como pode ser averiguada na Tabela 2.
Tabela 2 : ELETRÓLISE DA ÁGUA
Equação de Semi Reação no Ânodo ���� � ���� � ��
Equação de Semi Reação no Cátodo ���� � �� � ��� � ����
Reação Global ���� � ��� � ��
Fonte: Autores (2019)
Assim percebe-se que no polo positivo há a ligação do gás
Hidrogênio, porém nem todo hidrogênio aparece como gás no tubo coletor,
ou seja, visto que há uma fração indeterminável que ao difundir-se na água
acaba se juntando à atmosfera (UFJF, 2012). A mesma fonte, afirma que,
embora a concentração de NaOH seja uma das melhores para tal prática, o
ion de Na+ também pode ter influenciado já que ele foi inserido para melhorar
a condutividade.
Embora o valor do R2 tenha sido próximo a 1, é possível notar que,
através do Gráfico 1 o coeficiente angular foi acima de 400, sendo que, para
obtenção de um valor próximo à constante encontrada na literatura, o
coeficiente angular deveria ser em torno de 0,02. Para isso ocorrer, o volume
de hidrogênio produzido deveria ter sido de 2000 vezes a mais na corrente e
tensão utilizada, tais valores foram obtidos através da Equação 2.
Segundo Mól et al. (2006) um dos fatores que possam vir ter
influenciado neste resultado foi a instabilidade da corrente – que
aparentemente se comportou como ruídos. Dessa forma, caso a tensão e a
corrente utilizadas fossem maior, além do aumento de carga elétrica
provavelmente acarretaria em uma maior produção de gás hidrogênio, o que
traria resultados mais precisos em relação ao dado oficial daconstante de
Avogadro, 6,022 × 1023.
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CONCLUSÃO
A partir do processo de oxirredução de NaOH pelo uso de
eletricidade foi possível determinar o valor experimental da constante de
Avogadro. Conclui-se que embora as medidas eletroquímicas devam ser de
alta precisão, as taxas de erros obtidas foram grandes. Na avaliação da
equipe alguns dos agravantes para tais erros foram, principalmente, devido a
dificuldade em regular a corrente do equipamento, para qual a recomendação
era de aproximadamente 40mA e a utilizada foi por volta de 15mA, além
disso podem ter ocorrido falhas de leitura de cronômetro e nas medições da
quantidade hidróxido de sódio restante na bureta.
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BIBLIOGRAFIA
AMBROGI, A., VERSOLATO, E.F., LISBOA, J.C.F. Unidades Modulares de
Química. São Paulo: Hamburg, 1987.
BECKER, P.; SCHIEL, D.; The Avogadro constant and a new definition of
the kilogram. International Journal of Mass Spectrometry, v.349 – 350, p.
219 – 226, 2013.
CHI, J.; YU, H.; Water electrolysis based on renewable energy for
hydrogen production. Chinese Journal of Catalysis, v. 39, p. 390-394, 2018.
MOL, G. S.; FERREIRA, G. A. L.; SILVA, R. R.; LARANJA, H. F.; Constante
de Avogadro. Química Nova na Escola, v.3, 19
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	INTRODUÇÃO
	OBJETIVO
	PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
	RESULTADOS E DISCUSSÃO