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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE SANTA CRUZ - UESC DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS - DCET ENGENHARIA QUÍMICA Físico-Química - CET984 P09 Prof. Dr. Paulo Neilson Marques Relatório do experimento 5: Análise de erro experimental na execução do experimento sobre cinética de reações. Alunos: Ramon Jesus Moreira dos Santos (201910569) Thaís Damacena Passos (201711631) Ilhéus - BA 24 de Novembro de 2022 RESUMO Elemento obrigatório, constituído de uma sequência de frases concisas e objetivas, fornecendo uma visão rápida e clara do conteúdo do estudo. O texto deverá conter no máximo 500 palavras e ser antecedido pela referência do estudo. Também, não deve conter citações. O resumo deve ser redigido em parágrafo único, espaçamento simples e seguido das palavras representativas do conteúdo do estudo, isto é, palavras-chave, em número de três a cinco, separadas entre si por ponto e finalizadas também por ponto. Usar o verbo na terceira pessoa do singular, com linguagem impessoal (pronome SE), bem como fazer uso, preferencialmente, da voz ativa. O presente template foi construído com base das normas ABNT NBR 15287 NBR 14724 NBR 6023 e NBR 10520. Palavras-chave: Palavra 1. Palavra 2. Palavra 3. Palavra 4. Palavra 5. (separados entre si por ponto 1. INTRODUÇÃO A Cinética Química estuda a relação das transformações de reações químicas com o tempo envolvido no experimento, bem como os mecanismos das reações. A velocidade de uma reação pode ser determinada através do estudo das variações das concentrações das espécies envolvidas, em função do tempo decorrido. A lei de velocidade é uma equação que expressa a relação da velocidade de reação com as concentrações dos reagentes e produtos, considerando a constante de velocidade para uma dada temperatura [1]. Dada a reação a seguir: 𝑎𝐴 + 𝑏𝐵 → 𝑐𝐶 + 𝑑𝐷 (1) Sendo k a constante de velocidade, a lei de velocidade da equação (1) é dada por: 𝑉 = 𝑘[𝐴]𝑥[𝐵]𝑦 (2) Dentre os fatores que influenciam diretamente na velocidade das reações, destaca-se a concentração dos reagentes. A lei da velocidade pode ser determinada experimentalmente através do método do isolamento, onde observa-se a velocidade de reação de diferentes sistemas com a concentração de um dos reagentes fixada, enquanto a concentração dos demais reagentes é variada [1]. O mecanismo de reação refere-se à sequência de etapas elementares que condiciona à formação do produto, e representam a progressão da reação global. A ordem da reação global é dada pela soma dos expoentes das concentrações dos reagentes na lei de velocidade, no caso da equação (2), os expoentes correspondem a x e y [1]. Observa-se que na equação (1) a seta é direta, pois a reação ainda não atingiu o equilíbrio, portanto, do ponto de vista da cinética, pensa-se das condições iniciais até o equilíbrio da reação. A equação a seguir representa a reação (1) no equilíbrio químico: 𝑎𝐴 + 𝑏𝐵 ← → 𝑐𝐶 + 𝑑𝐷 (3) Equilíbrio químico é definido como um estado de uma reação química no qual a velocidade de formação dos produtos é igual à velocidade de desaparecimento dos reagentes. O equilíbrio químico é um processo dinâmico, onde a razão das concentrações de reagente e produtos é constante, isto é, as partículas de reagentes e as de produto estão coexistindo em um sistema fechado, sujeitas a uma frequência de colisões que não apresentam alterações observáveis [2]. O princípio de Le Chatelier, por sua vez, explica como o equilíbrio químico é perturbado e quais efeitos minimizam essas perturbações, essa alteração no estado de equilíbrio pode ocorrer com a adição de reagentes ou produtos. Uma reação química reversível é aquela em que ambos os sentidos das reações podem ocorrer, onde o sentido direto corresponde a formação dos produtos e o sentido inverso a formação dos reagentes [2]. Reação química é um fenômeno onde uma ou mais substâncias interagem, de modo a formar produtos com alterações químicas quando comparadas às condições iniciais. Uma reação de oxirredução, por sua vez, é aquele em que ocorre transferência de elétrons entre as espécies doadoras de elétrons, os agentes redutores, e as espécies receptoras de elétrons, os agentes oxidantes [1]. O Azul de Metileno (AM) é uma substância denominada de indicador, e em alguns meios pode atuar como agente redutor de reações químicas, a exemplo do experimento popularmente conhecido como “Água Furiosa”, que consiste numa reação de oxirredução entre o indicador AM e a glicose em meio básico. De acordo Troppmair (1988, p. 173), o indicador Azul de Metileno (AM) pode ser utilizado em técnicas de verificação do índice de poluição da água de rios, devido a relação da matéria orgânica presente na água, a quantidade de oxigênio dissolvido e processos de redução do indicador [3]. Uma reação química em um sistema observado está sujeita a fatores de influência externos e internos. Alguns dos fatores externos estão associados as condições do meio, tais como: pressão, radiação, calor, agitação mecânica. Enquanto os fatores internos podem ser citados: estado de agregação, grau de divisibilidade dos reagentes e produtos, mobilidade das partículas para colisões, viscosidade das substâncias, bem como, polaridade e condutividade térmica. Dessa maneira, para determinar os valores de velocidade de reação é necessário que o sistema observado esteja em condições favoráveis para a ocorrência da reação, e que erros experimentais de padronização dos reagentes sejam evitados [4]. Portanto, o objetivo do presente relatório é identificar os erros experimentais na execução do experimento sobre cinética de reações, e analisar as justificativas para que os resultados experimentais esperados pelo roteiro da aula prática não fossem atingidos. 2. METODOLOGIA EXPERIMENTAL A metodologia descrita a seguir refere-se à aquela disponibilizada à turma para estudo da cinética de reações. No entanto, ao executar o procedimento, observou- se que por conta de erros experimentais não foi possível obter os resultados esperados. Inicialmente foram preparadas as soluções de hidróxido de sódio e de glicose, para isto, dissolveu-se 2,0 g de hidróxido de sódio em 50 mL de água destilada, e após a dissolução, completou-se com mais água destilada até o volume de 100 mL. Em seguida, dissolveu-se 3,0 g de glicose em 50 mL água destilada, e após a dissolução completou-se com mais água destilada até o volume de 100 mL. Por fim, preparou-se 5 sistemas com diferentes variações de volume das soluções de hidróxido de sódio e de glicose em 5 balões volumétricos de 100 mL, completando o volume da mistura das soluções com água destilada, até a marca de graduação das vidrarias. As proporções de volumes das soluções nos respectivos sistemas são apresentadas a seguir: • Sistema 1: 20 mL da solução de hidróxido de sódio + 40 mL da solução de glicose + 1 mL de azul e metileno. • Sistema 2: 20 mL da solução de hidróxido de sódio + 20 mL da solução de glicose + 1 mL de azul e metileno. • Sistema 3: 20 mL da solução de hidróxido de sódio + 10 mL da solução de glicose + 1 mL de azul e metileno. • Sistema 4: 10 mL da solução de hidróxido de sódio + 10 mL da solução de glicose + 1 mL de azul e metileno. • Sistema 5: 5 mL da solução de hidróxido de sódio + 10 mL da solução de glicose + 1 mL de azul e metileno. Percebeu-se que as soluções não apresentaram alterações macroscópicas visíveis, como alteração da cor, tal como estimava-se que ocorreria. Com isso, verificou-se as informações dos rótulos dos reagentes, registrando informações para a análise dos erros experimentais. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES A reação proposta no roteiro da aula prática refere-se ao experimentoconhecido popularmente como “água furiosa”, na qual consiste na formação do leucometileno a partir de uma reação de oxirredução entre a glicose e o azul de metileno em meio básico, como está representado na equação 4: 𝐴𝑧𝑢𝑙 𝑑𝑒 𝑀𝑒𝑡𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜 + 𝑔𝑙𝑖 cos 𝑒 ↔ 𝐿𝑒𝑢𝑐𝑜𝑚𝑒𝑡𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜 + 𝑂2(𝑔) (4) O azul de metileno é um composto de fórmula molecular C16H18CIN3S e atua como indicador de óxido-redução, pois quando oxidado apresenta cor azul escuro, a exemplo de soluções aquosas, em contrapartida, quando reduzido apresenta-se incolor. No instante em que o azul de metileno reage com a glicose, que encontra-se em meio básico devido o hidróxido de sódio, ocorre a formação do composto leucometileno e cor da solução deverá apresentar-se incolor. A figura 1 abaixo apresenta a forma do leucometileno. Figura 1 - Transformação do AM em leucometileno. Fonte: Barbosa, et al, 2016. Após submeter o sistema à agitação, ocorre a dissolução do O2(g) e o equilíbrio do sistema é perturbado, de forma que ocorre a formação novamente do azul de metileno, alterando a cor da solução para azul. Portanto, a reação 4 caracteriza-se como reversível, ocorrendo o equilíbrio da reação, no entanto, na prática realizada não houve alterações na cor da solução do sistema como esperava-se, o que leva a considerar que o sistema não atingiu o equilíbrio e a reação não se mostrou reversível. De acordo o roteiro experimental, as soluções aquosas preparadas com ambos os solutos hidrossolúveis, o hidróxido de sódio e a glicose, deveriam apresentar as seguintes concentrações iniciais: 𝐶 = 𝑚 𝑣 𝐶(ℎ𝑖𝑑𝑟ó𝑥𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑠ó𝑑𝑖𝑜) = 2 𝑔 0,05 𝐿 = 40 𝑔 ⋅ 𝐿−1 Como a solução foi diluída no volume total de 100 mL de água destilada e o peso molecular do hidróxido de sódio é 40 g*mol-1, temos que: 𝐶1 ⋅ 𝑣1 = 𝐶2 ⋅ 𝑣2 → 𝐶2 = 2 𝑔 0,1 𝐿 = 20 𝑔 ⋅ 𝐿−1 𝐶(ℎ𝑖𝑑𝑟ó𝑥𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑠ó𝑑𝑖𝑜) = ( 20 𝑔 1 𝐿 ) ⋅ ( 1 𝑚𝑜𝑙 40 𝑔 ) = 0,5 𝑚𝑜𝑙 ⋅ 𝐿−1 De maneira análoga para a glicose, considerando e o peso molecular igual a 180,16 g*mol-1, temos que: 𝐶(𝑔𝑙𝑖 cos 𝑒) = 3 𝑔 0,05 𝐿 = 60 𝑔 ⋅ 𝐿−1 → 𝐶2 = 3 𝑔 0,1 𝐿 = 30 𝑔 ⋅ 𝐿−1 = ( 30 𝑔 1 𝐿 ) ⋅ ( 1 𝑚𝑜𝑙 180,16 𝑔 ) 𝐶(𝑔𝑙𝑖 cos 𝑒) ≈ 0,17 𝑚𝑜𝑙 ⋅ 𝐿 −1 O hidróxido de sódio é uma base forte, portanto dissocia-se completamente em meio aquoso, logo a concentração do íon hidrônio é a equivalente à concentração inicial da solução de NaOH e o meio apresenta caráter básico. A equação a seguir apresenta a dissolução do hidróxido de sódio na água: 𝑁𝑎𝑂𝐻(𝑎𝑞) → 𝑁𝑎(𝑎𝑞) + + 𝑂𝐻(𝑎𝑞) − (5) Ao adicionar a glicose no meio básico e posteriormente o indicador azul de metileno, ocorre a redução da glicose e oxidação do AM, isso ocorre porque a glicose em meio alcalino é lentamente oxidada pelo oxigênio dissolvido em solução, formado o ácido glicólico (C2H4O3), como apresentado na figura a seguir. Figura 3 - Formação do ácido glucônico. Fonte: https://iqm.unicamp.br/arquivos/ANEXO%207_0.pdf Na presença do hidróxido de sódio, o ácido é convertido em gliconato de sódio, de fórmula estrutural C6H11NaO7. A ação do azul de metileno atua como agente de transferência de oxigênio, já que ao oxidar a glicose o azul de metileno sofre redução, formando o leucometileno, tornando a solução incolor. Em condições em que a ocorre a reversibilidade dessa reação o leucometileno reage com o oxigênio disponível no sistema e a solução apresenta cor azul novamente. Desde a síntese do azul de metileno em 1876 pelo químico alemão Heinrich Caro, esse composto tem aplicações como corante citológico, sendo comumente utilizado em análises ambientais de poluição de águas. Sabe-se que quando esse indicador é introduzido num sistema contaminado por bactérias, o azul de metileno atua como agente oxidante, recebendo elétrons, e após a reduzido apresenta coloração incolor. Dessa forma, normalmente associa-se a velocidade com que a solução apresenta-se incolor à concentração bacteriana do meio. Nota-se que o na ausência de gás oxigênio o azul de metileno é reduzido a leucometileno, o que leva a considerar que a concentração de oxigênio é uma das causas pela mudança de cor e a reversibilidade da reação. Com isso é possível relacionar a mudança de coloração do sistema com a quantidade de oxigênio dissolvido na água (OD). Com base na literatura de consulta de roteiros experimentais da reação da água furiosa, constatou que geralmente a solução é agitada em recipientes com volume maior do que o volume ocupado pela solução, geralmente recipientes de 500 mL e o volume ocupado pela solução de 300 mL [3]. Tal parâmetro do sistema pode é adotado para corroborar com a reversibilidade da reação, de forma que ao agitar a solução no interior do sistema, ocorra a dissolução do oxigênio presente, com isso a parte “vazia” do recipiente disponibiliza a oxigênio presente no ar, com isso a parte “vazia” do recipiente disponibiliza a oxigênio presente no ar. Outro fator importante para ocorrência da reação de oxirredução estudada é o procedimento experimental executado, de forma que ao adicionar o indicador azul de metileno a glicose esteja em meio básico, nas concentrações adequadas, e ocorra a reversibilidade da reação, ou seja, a glicose em excesso no meio sem agitação propícia à redução do indicador, tornando a solução incolor novamente, como ilustra a imagem 3 a seguir. Dessa forma, recomenda-se na literatura primeiramente a mistura das soluções de hidróxido de sódio e glicose e posteriormente a adição do indicador azul de metileno [5]. Figura 3 - Formação do leucometileno a partir da glicose e AM. Fonte: http://www.uel.br/cce/quimica/arquivos/feira/agua.pdf. Observou-se que no experimento realizado a solução apresentou cor azul e não houve mudança na cor na solução após agitação. A alteração da cor da solução tem relação com a cinética da reação, pois indica as cores características da formação do produto e a regeneração dos reagentes. Para analisar o erro experimental ocorrido considera-se que o erro do tipo sistemático fez com que não houvesse formação do leucometileno, e o erro pode estar associado a contaminação dos reagentes hidróxido de sódio e glicose utilizados nas soluções, ou ainda, associado a adição da glicose num meio que não apresentava comportamento básico propício para a reação. 4. CONCLUSÃO 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] ATKINS, Peter; JONES, Loretta; LAVERMAN, Leroy. Princípios de Química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 7. ed. Porto Alegre: Bookman, 2018. 1094 p. Ricardo Bicca de Alencastro. [2] SKOOG, WEST, HOLLER, CROUCH. Fundamentos de Química Analítica. Tradução da 8ª Edição norte-americana. Editora Thomson: São Paulo, 2006. [3] COSTA, F. O.; REIS, A. D. S. O papel da abordagem contextualizada associada a experimentação na aprendizagem do conceito de equilíbrio químico. 2018. 63 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Licenciatura de Química) - Universidade Federal de Sergipe, Itabaiana- SE, 2018. Disponível em: < https://www.sigaa.ufs.br/sigaa/verProducao?idProducao=1622507&key=db20e53d38d561442 258544dcb858454 >. Acesso em: 19 de Novembro de 2022. [4] RANGEL, R. N. Práticas de Físico-Química. 3ª Edição revista e ampliada. Editora Blucher: São Paulo, 2006. [5] MONTIJA, F. C. S. Química em Ação na Escola 2014. 2014. Apresentação em PDF:: 30 laudas. Disponível em: < https://iqm.unicamp.br/arquivos/ANEXO%207_0.pdf >. Acesso em: 19 de Novembro de 2022.