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UNIVERSIDADE DA INTEGRAÇÃO INTERNACIONAL DA LUSOFONIA AFRO-BRASILEIRA PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO LABORATÓRIO DE QUÍMICA GERAL - CAMPUS DAS AURORAS MANUAL DE LABORATÓRIO – 2018.2 Professor (a): Aluno (a): Horário: 2 SUMÁRIO 00. Segurança no laboratório................................................................................. 03 01. Cinética química................................................................................................ 08 02. Equilíbrio químico............................................................................................ 17 03. Capacidade térmica do calorímetro e calor específico.................................. 21 04. Processo de transferência de elétrons............................................................... 27 05. Propriedades físicas e químicas dos alcanos e alcenos.................................... 36 06. Solubilidade dos compostos orgânicos............................................................. 41 07. Química verde: síntese de sabão....................................................................... 46 3 LABORATÓRIO DE QUÍMICA II CONHECENDO O LABORATÓRIO DE QUIMICA SEGURANÇA NO LABORATÓRIO DATA / / 1 INTRODUÇÃO Apesar do grande desenvolvimento teórico da Química, ela continua a ser uma ciência eminentemente experimental; daí a importância das aulas práticas de Química. A experiência adquirida em laboratório treina o aluno no uso de métodos, técnicas e instrumentos, além de permitir a aplicação prática dos conceitos teóricos aprendidos. 2 NOÇÕES DE SEGURANÇA 2.1 Conduta no laboratório O laboratório de química é o lugar privilegiado para a realização de experimentos, possuindo instalações de água, luz e gás de fácil acesso em todas as bancadas. Possui ainda um local especial para manipulação das substâncias tóxicas, denominado capela, que dispõe de sistema próprio de exaustão de gases. O laboratório é um local onde há um grande número de substâncias que possuem os mais variados níveis de toxicidade e periculosidade. Este é um local bastante vulnerável a acidentes, desde que não se trabalhe com as devidas precauções. Abaixo, apresentamos alguns cuidados que devem ser observados, para a realização das práticas, de modo a minimizar os riscos de acidentes. 2.2 Antes, durante e após o Experimento Não se entra num laboratório sem um objetivo específico, portanto é necessária uma preparação prévia ao laboratório: O que vou fazer? Com que objetivo? Quais os princípios químicos envolvidos nesta atividade? Durante a realização dos experimentos são necessárias anotações dos fenômenos observados, das massas e volumes utilizados, do tempo decorrido, das condições iniciais e finais do sistema. Um caderno deve ser usado especialmente para o laboratório. Este caderno de laboratório possibilitará uma descrição precisa das atividades de laboratório. Não confie em sua memória, tudo deve ser anotado. 4 Após o experimento vem o trabalho de compilação das etapas anteriores através de um relatório. O relatório é um modo de comunicação escrita de cunho científico sobre o trabalho laboratorial realizado. 2.3 Pré-Laboratório Estude os conceitos teóricos envolvidos, leia com atenção o roteiro da prática e tire todas as dúvidas. Obtenha as propriedades químicas, físicas e toxicológicas dos reagentes a serem utilizados. Essas instruções são encontradas no rótulo do reagente. 2.4 Pós-Laboratório Lave todo o material logo após o término da experiência, pois conhecendo a natureza do resíduo pode-se usar o processo adequado de limpeza. Guarde todo o equipamento e vidraria. Guarde todos os frascos de reagentes, não os deixe nas bancadas ou capelas. Desligue todos os aparelhos e lâmpadas e feche as torneiras de gás. 2.5 Instalações e equipamentos de segurança As instalações elétricas e hidráulicas devem ser aparentes ou sob piso falso, para facilitar a manutenção; Em locais onde se trabalha com solventes orgânicos inflamáveis, as instalações elétricas devem ser à prova de explosão; Os gases sob pressão devem passar por uma canalização visível; Os cilindros de gases de alimentação devem ser armazenados fora do laboratório, em área livre bem ventilada e sinalizada; Bancadas e pisos devem ser construídos com materiais que dificultem a combustão e que sejam resistentes ao ataque de produtos químicos; Deve existir uma capela, para se trabalhar com produtos voláteis e tóxicos; Os produtos químicos devem ser armazenados fora do laboratório, em local de boa ventilação, livre do Sol e bem sinalizado; Aprenda a localização e a utilização do extintor de incêndio existente no laboratório. Este também deve estar localizado em lugar de fácil acesso e sinalizado. 5 Para se prevenir e contornar situações de emergência, devem ser previstas instalações como: Proteção contra incêndios (portas corta-fogo e sinalização de alarme, ventilação geral diluidora, para evitar a formação de misturas explosivas); Chuveiro de emergência (deve ser instalado em local de fácil acesso e seu funcionamento deve ser monitorado); Lava-olhos (seu funcionamento deve ser monitorado); Sinalização de segurança (faixas indicativas, cartazes e placas indicativas). 2.6 Medidas de segurança usadas em operações específicas Antes de manusear um reagente químico qualquer, deve-se conhecer as propriedades químicas, físicas e toxicológicas deste, seu manuseio seguro e medidas de primeiros socorros em caso de acidente. Para isto deve-se consultar o Index Merck ou fichas toxicológicas dos produtos. Leia os rótulos dos frascos dos reagentes antes de usá-los. Eles devem ser periodicamente vistoriados e, nos casos de maior incidência, providenciar a proteção com parafina ou película plástica. Nunca use um reagente que não esteja identificado, rotulado. Qualquer etapa de trabalho durante a qual possa ocorrer desprendimento de gás ou vapores tóxicos dever ser feita DENTRO DA CAPELA; Não trabalhar com material imperfeito ou defeituoso, principalmente com vidro que tenha ponta ou aresta cortantes; NÃO SE DEVEM PIPETAR LÍQUIDOS COM A BOCA. Use a pêra de borracha ou outro material de sucção; Nunca cheire um reagente diretamente. Os vapores devem ser abanados em direção ao nariz, enquanto se segura o frasco com a outra mão; NUNCA despejar ÁGUA em cima de um ÁCIDO concentrado; Não aquecer tubos de ensaio com a boca virada para o seu lado, nem para o lado de outra pessoa; Não aquecer nada em frascos volumétricos, pois o calor irá distorcer o vidro e mudar o volume calibrado; Nunca acender um bico de gás quando alguém no laboratório estiver usando algum solvente orgânico; 6 Verifique as condições da aparelhagem, evite montagens instáveis de aparelhos. Não use livros, lápis, caixas de fósforos, etc., como suportes; Mantenha as bancadas sempre limpas e livres de materiais estranhos ao trabalho; Faça uma limpeza prévia, com água, ao esvaziar um frasco de reagente, antes de colocá-lo para lavagem; Rotule imediatamente qualquer reagente ou solução preparada e as amostras coletadas; Use pinças e materiais de tamanho adequado e em perfeito estado de conservação; Limpe imediatamente qualquer derramamento de produtos de petróleo e reagentes. 2.7 Cuidados pessoais O laboratório é um local de trabalho sério; portanto, EVITE BRINCADEIRAS que dispersem sua atenção e de seus colegas. Serão exigidos de todos os estudantes e professores o avental (jaleco), luvas e sapatos fechados. Evite jaleco de tecido sintético, pois estes são mais inflamáveis, prefira os de algodão. Quanto as luvas, normalmente as de látex (borracha natural) são mais empregadas, contudo existe tambémluvas de material sintético (vinil) que, além de mais resistentes aos perfuro cortantes, são indicadas para pessoas alérgicas ao látex. A não utilização destes materiais de proteção individual (EPI’s) pode ocasionar roupas furadas por agentes corrosivos, queimaduras, manchas, etc. Trabalhe com óculos de proteção. Lentes de contato não são adequadas a trabalhos no laboratório, pois podem ser afetadas por vapor de solventes orgânicos, por ácidos e por bases. Lentes porosas além de permitir que o vapor atinja a córnea, podem retê-los entre os óculos e a córnea. Não leve as mãos a boca ou aos olhos enquanto estiver manuseando produtos químicos. Para sua segurança utilize luvas. O cuidado e a aplicação de medidas de segurança são responsabilidade de cada indivíduo. Cada um deve proteger a si e ao outro contra perigos relativos ao seu próprio trabalho. Consulte o professor sempre que tiver dúvidas, ocorrência de algo inesperado ou anormal. Faça apenas a experiência prevista; qualquer atividade extra não deve ser realizada sem a prévia consulta ao professor. Planeje o trabalho a ser realizado; Ao se retirar do laboratório, verifique se há torneiras (água ou gás) abertas. Desligue todos os aparelhos, deixe todos os equipamentos limpos e lave as mãos; Os alunos não devem tentar nenhuma reação não especificada pelo professor. Reações desconhecidas podem causar resultados desagradáveis. É terminantemente proibido fumar, comer ou beber nos laboratórios; 7 Não se coloca na boca qualquer substância do laboratório, mesmo que inofensiva. Não deixar livros, blusas, etc., jogadas nas bancadas. Ao contrário, colocá-los longe de onde se executam as operações; Ao verter um líquido de um frasco, evitar deixar escorrer no rótulo, protegendo- o devidamente; Em caso de derramamento de líquidos inflamáveis, produtos tóxicos ou corrosivos tome as seguintes providências: Interrompa o trabalho; Advirta as pessoas próximas sobre o ocorrido; Solicite ou efetue a limpeza imediata; Alerte seu supervisor; Verifique e corrija a causa do problema; Não utilize materiais de vidro quando trincados; Coloque todo o material de vidro inservível no local identificado como "sucata de vidro"; Não jogue caco de vidro em recipiente de lixo; Use luvas de amianto sempre manusear peças de vidro que estejam quentes; Não utilize frascos Dewar de vidro sem que estejam envolvidos em fitas adesivas ou invólucros apropriados; Não deixe frascos quentes sem proteção sobre as bancadas do laboratório; Coloque os frascos quentes sobre placas de amianto; Não use "frascos para amostra" sem certificar-se de que são adequados aos serviços a serem executados e de que estejam perfeitamente limpos; Nunca inspecione o estado das bordas dos frascos de vidro com as mãos sem fazer uma inspeção prévia visual; Tome cuidado ao aquecer recipiente de vidro com chama direta. Use sempre que possível, uma tela de amianto; Não pressurize recipientes de vidro sem consultar seu supervisor sobre a resistência dos mesmos. 8 LABORATÓRIO DE QUÍMICA II PRÁTICA Nº 01 CINÉTICA QUÍMICA DATA / / 1 OBJETIVOS Determinar a relação entre velocidade de reação e a concentração dos reagentes; Discutir mecanismos de reação; Verificar a diferença entre catalisador e reagentes; 2 INTRODUÇÃO A velocidade de muitos processos é de interesse para nós. A velocidade do carro em Km/h, o número de quilowatt de eletricidade usado em sua casa por mês ou o custo por minuto de um telefonema. Verifique que a velocidade desses processos é expressa em unidades de alguma quantidade (distância, energia, reais) dividida por um período de tempo. A velocidade das reações químicas expressa pela variação da quantidade de reagente químico (frequentemente em moles/ litro) dividido pelo tempo (usualmente em segundos) é de grande significado em aspectos práticos e teóricos da química. Do ponto de vista prático, é desejável ajustar as condições para uma reação a fim de que essa ocorra em um tempo razoável (minutos, horas ou dias) não devendo ser tão devagar a ponto de se esperar anos ou tão rápida que resulte em uma explosão. De uma perspectiva teórica, um estudo da variação de velocidade com concentração e temperatura ajuda a elucidar mecanismos de reação. 2.1 Efeito da temperatura A velocidade de qualquer reação aumenta com o aumento da temperatura (como regra geral, cada aumento de 10° C duplica a velocidade da reação). Considere a reação potencialmente explosiva entre hidrogênio e oxigênio para produzir água. Embora que a reação seja altamente exotérmica, uma mistura de hidrogênio e oxigênio permanecerá em um frasco indefinidamente sem formação de água perceptível. Antes que o oxigênio comece a formar ligações com o hidrogênio, as ligações hidrogênio-hidrogênio e oxigênio-oxigênio devem ser rompidas. A quebra das ligações requer energia. 9 2I– + S2O8 –2 I2 + 2SO4–2 (1) Velocidade = k [H2] [I2] Aparentemente esse processo requer mais energia do que a maioria das moléculas têm em temperatura ambiente. A proporção que a temperatura do sistema é aumentada, a fração das moléculas com energia suficiente para que ocorra a quebra por colisão aumenta dramaticamente e a velocidade da reação aumenta. 2.2 Efeito da concentração Um acréscimo na concentração dos reagentes aumentara a velocidade de uma reação. Considere a reação entre hidrogênio e iodo para produzir ácido iodídrico (HI). Para que haja reação, uma colisão entre o H2 e o I2 deve ocorrer. Deve-se esperar que duplicando a concentração do H2 ou a concentração do I2 se duplique o número de colisões e a velocidade. Uma duplicação de ambas H2 e I2 deve quadruplicar o número de colisões e a velocidade. Nessa reação a velocidade deve ser proporcional as concentrações de H2 e I2 ou Onde k é chamada de constante de velocidade. A expressão para velocidade acima é consistente com a conclusão de que a duplicação da concentração tanto do hidrogênio quanto do iodo deve duplicar a velocidade. Deve-se notar que a constante de velocidade, k, é dependente da temperatura e cresce bastante com o aumento da temperatura, no mínimo, e, mais importante, na eficiência das colisões. A expressão da velocidade, portanto para uma reação de uma etapa será proporcional ao produto das concentrações das espécies que reagem cada um elevado a potência dada pelo coeficiente das espécies na reação. Se a reação ocorre em mais de uma etapa a expressão da velocidade dependerá da etapa determinante da velocidade que é a mais lenta. Nessa experiência estudaremos a cinética da reação entre o íon iodeto e o íon persulfato: v = k [A] v = k [A] [B] v = k [A]2 [B] A P A + B P 2A + B P 10 Essa reação tal como ocorre, aparentemente requer a colisão simultânea de 3 íons. A possibilidade dessa ocorrência é muito pequena. Reações que envolvem mais de duas moléculas ou íons, usualmente ocorrem em etapas. Para a reação entre dois iodetos e o persulfato, uma sequência possível seria o seguinte: Mecanismo 1 Uma das reações será provavelmente mais lenta em um processo de muitas etapas e essa é chamada de etapa determinante da velocidade. Isto significa que a velocidade total do processo é determinada primariamente pela velocidade de etapa lenta. Para o mecanismo 1 se a primeira etapa for a determinante de velocidade, a expressão para a velocidade é somente a expressão para a primeira etapa: Se, entretanto, a segunda etapa é mais lenta que a primeira a expressão corresponde a mesma da reação em uma única etapa: Uma segunda possível sequência seria: Mecanismo 2 Se a primeira etapa é o determinante, então: Se a segunda etapa é a mais lenta então a expressão novamente corresponde a mesma dareação em uma única etapa: I2 + SO4–2 I– SO4 I – + I– + S2O8 –2 SO4–2 + SO4 I– 2I– I 22 – I 22 – + S2O8 –2 I2 + 2 SO4–2 Velocidade: K [I– ] [ S2O8 –2] expressão da velocidade para o Mecanismo 1-a. Velocidade: K [I– ]2 [ S2O8 –2] expressão da velocidade para mecanismo 1 b e para uma improvável reação de etapa única. Velocidade: K [I– ]2 expressão da velocidade para Mecanismo 2-a Velocidade: K [I– ]2 [ S2O8 –2] expressão da velocidade para Mecanismo 2-b 11 Seus resultados experimentais deverão permitir distinguir entre as três expressões de velocidade e a eliminar alguns dos mecanismos citados. O método usado para medir a velocidade de reação envolve uma reação chamada frequentemente de relógio. Em adição a reação (1) iremos estudar a reação abaixo que ocorrerá simultaneamente no meio da reação: Comparada à reação (1) esta é essencialmente instantânea. O I2 produzido em (1) reage completamente com o tiossulfato, S2O3 -2 na solução e até que todo tiossulfato tenha sido consumido a concentração de I2 é efetivamente zero. Assim que o S2O3 -2 é consumido o I2 produzido em (1) permanece na solução e sua concentração começa a aumentar. A presença de I2 assim acumulado pode ser detectada pelo indicador amido, que é adicionado à mistura de reação, produzindo um composto azul escuro. Se fixarmos a quantidade de S2O3 -2 a um valor pequeno comparado com as quantidades de I- e de S2O8 -2 adicionados inicialmente ao sistema, a mudança de cor ocorrerá antes que uma quantidade apreciável dos reagentes seja consumida. A concentração dos reagentes na expressão (1) permanecerá então essencialmente constante no intervalo de tempo em que a velocidade inicial é medida. Quantidades cuidadosamente medidas de I- e S2O8 -2 em solução aquosa serão misturadas na presença de quantidades relativamente pequenas de S2O3 -2 e amido. O tempo para que a solução se torne azul será medido para várias soluções diferentes onde as quantidades, e, portanto, a concentração de I- e S2O8 -2 são variadas, mas a quantidade de S2O3 -2 é constante. Na realidade o que será medido é o tempo requerido para que a concentração do íon S2O8 -2 decresça de um valor constante. Desde que a velocidade de reação é igual a variação da concentração do reagente dividido pelo tempo requerido para que a mudança ocorra, os dados obtidos experimentalmente fornecerão a informação necessária para encontrar a velocidade de reação para cada determinação. 2.3 Efeito do catalisador Algumas substâncias adicionadas a uma mistura reacional aumentam substancialmente a velocidade de reação, por propiciar um caminho alternativo abaixando a energia das etapas para I2(aq) + 2S2O3-2(aq) 2I-(aq) + S4O6-2(aq) (2) 12 formação de produto. Uma característica do catalisador é que esse não é consumido no processo. A decomposição do peróxido de hidrogênio será utilizada para exemplificar esse efeito: A velocidade dessa reação pode ser facilmente avaliada pela intensidade de desprendimento do oxigênio (bolhas de gás). Cabe ressaltar que oxidantes fortes reagem com peróxido de hidrogênio produzindo oxigênio, por exemplo: Nesse caso, não se trata de uma reação catalisada, mas sim de uma reação estequiométrica, já que o cloro é consumido pela reação. 2.4 Notas de Segurança Soluções de iodo podem manchar a pele e roupas. Iodeto de potássio (KI). Esta solução é irritante. Evite contato com olhos, pele ou roupa. Persulfato de sódio (Na2S2O8). Esta solução é irritante. Evite contato com olhos, pele ou roupa. Cloreto de Potássio (KCl). Irritante. Evite contato. Tiossulfato de Potássio (K2S2O3). Cuidado! Pode ser perigoso se inalado ou ingerido. Pode causar irritação na pele, olhos e aparelho respiratório. 3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.1 Influência da concentração De acordo com a Tabela 1 abaixo prepare 08 tubos de ensaio com reagentes numerados de 01 a 05 deixando o 6º reagente para ser adicionado no momento do início da contagem do tempo. Anote o tempo necessário até a solução tornar-se colorida. Verifique que a primeira determinação é repetida três vezes, tubos 1º,2ºe 3º, para checar a precisão da experiência. 2 H2O2 H2O O2 H2O2 Cl2 2 HCl O2 13 Tabela 1 – Reagentes a serem adicionados nos respectivos tubos de ensaio Soluções Solução para cada experiência (mL) 1º 2º 3º 4º 5º 6º 7º 8º 1) KI 0,2 Mol/L 2 2 2 1 0,5 2 2 2 2) Na2S2O3 0,0050 Mol/L em amido 0,4% 1 1 1 1 1 1 1 1 3) KCl 0,2 Mol/L 1 1,5 4) K2SO4 0,1 Mol/L 1 1,5 5) CuSO4 0,1 Mol/L 1 gota 6) (NH4)2S2O8 0,1 Mol/L 2 2 2 2 2 1 0,5 2 TEMPO (Segundos) 3.2 Influência do catalisador • Prepare três tubos de ensaio e adicione a cada um deles um dos reagentes abaixo especificados, utilizar cerca de 1 mL. • NaOH 2,5 Mol/L • H2SO4 2M + KMnO4 0,1 Mol/L • H2SO4 2M + CuSO4 0,2 Mol/L • Adicione a cada um desses tubos 2 mL de solução de H2O2 10% • Descreva os efeitos observados em cada um dos tubos e faça as anotações. 3 PÓS-LABORATÓRIO 1. Interprete os resultados da Parte A e indique qual a ordem de reação em relação aos íons I– e S2O8 –2. 2. Dos mecanismos propostos na introdução teórica qual pode ser indicado considerando o resultado experimental? 3. Qual a função do CuSO4 nessa reação? 4. Na Parte B em que sistemas podemos indicar a presença de catalisadores? 14 REFERÊNCIAS BROWN, T. L; LeMAY, Jr, H. E; BURSTEN, B.E; BURDGE, J. R. Química a Ciência Central. 9. ed. São Paulo: Pearson 2005. CHANG, R. Química Geral: Conceitos Essenciais. 4. ed. São Paulo: McGraw-Hill, 2006. 15 LABORATÓRIO DE QUÍMICA II PRÁTICA Nº 02 EQUILÍBRIO QUÍMICO DATA / / 1 OBJETIVO Interpretar mudanças no equilíbrio com base no princípio de LE CHATELIER. 2 INTRODUÇÃO Muitas reações químicas ocorrem essencialmente até completar-se, mas outras atingem equilíbrio em algum ponto entre reação nenhuma e essencialmente reação completa. O estado do equilíbrio é o ponto em que a velocidade da reação direta se iguala a velocidade da reação inversa. Para essas reações, o ponto de equilíbrio pode ser atingido a partir de qualquer direção pela mistura ou de reagentes ou de produtos, claramente indicando que a reação pode deslocar-se na direção direta ou inversa. Através da reação estudada nessa prática será possível observar que ao se mudar a concentração de reagentes ou produtos, o ponto de equilíbrio se desloca em uma direção que tende a minimizar a mudança. Esse comportamento foi sumarizado em um princípio geral, em 1884, por um químico francês HENRI LOUIS LE CHATELIER: “Uma reação química que é deslocada do equilíbrio por uma mudança de condição (concentração, temperatura, pressão e volume) procederá na busca de um novo estado de equilíbrio na direção que pelo menos parcialmente minimizará a mudança nessa condição. ” 2.1 Notas de Segurança Tiocianato de potássio: Evite contato com olhos, pele ou roupa. Nitrato férrico: Evite contato com olhos, pele ou roupa. 16 Hidróxido de sódio: Esta solução é irritante. Evite contato com olhos, pele ou roupa. Ácido clorídrico: Evite contato com olhos, pele ou roupa. Evite contato com o vapor, líquido. Sulfato de cobre – Irritante a pele e mucosa. Evite contato com os olhos, pele ou roupa. 3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.1 Parte A a) Solicite de seu professor 20 mL da solução preparada por ele (Solução composta da adição de 15 mL de Fe (NO3)3 0,1 Mol/L e 15 mL de KSCN 0,1 Mol/L seguido de diluição com água até o volume de 250 mL). b) Prepare quatro tubos de ensaio, em uma estante adequada. c) Transfira 5 mL dessa solução para um tubo de ensaio e misture com 1 mL de Fe(NO3)3 0,1 Mol/L. d) Adicione outros 5 mL dessa amostra em um segundo tubo de ensaio e 1 mL de KSCN 0,1Mol/L e) Em um terceiro tubo de ensaio adicione a 5 mL dessa solução, 5 a 6 gotas de NaOH 6 Mol/L. Observe a formação de Fe(OH)3, um precipitado insolúvel. f) Para efeito de comparação e controle da cor adicione 5 mL de solução em um quarto tubo de ensaio. g) Compare a intensidade relativa da cor vermelha do íon Fe(SCN)+2 em cada um dos três tubos com o conteúdo do quarto tubo que contém a solução original preparada pelo professor. 3.2 Parte B a) Prepare cinco tubos de ensaio, em uma estante adequada. b) Coloque, em cada tubo, 5 gotas de solução de sulfato de cobre (II) (CuSO4) 0,2 mol/L. 17 c) Dilua a solução contida no tubo 2 com 2 mL de água destilada e reserve-a para posterior comparação. d) Adicione, às soluções contidas nos tubos 3 e 4, ácido clorídrico (HCl) concentrado, gota a gota, até não observar mais mudanças aparentes (cerca de 10 gotas). e) Acrescente, ao tubo 4, água destilada, gota a gota, até a solução atingir a coloração da solução do tubo 2. f) Ao tubo 5, adicione ácido clorídrico apenas o suficiente para produzir uma mudança perceptível de cor em relação ao tubo 1 (1-2 gotas) g) Compare e caracterize as cores das soluções nos cinco tubos. h) Mostre para o professor todas as soluções contidas nos tubos 1, 2, 3, 4 e 5 antes de descartá-las. 4 PÓS-LABORATÓRIO 4.1.1 Interprete, baseando-se no princípio de LE CHATELIER, as observações da Parte A e B. REFERÊNCIAS BROWN, T. L; LeMAY, Jr, H. E; BURSTEN, B.E; BURDGE, J. R. Química a Ciência Central. 9. ed. São Paulo: Pearson 2005. CHANG, R. Química Geral: Conceitos Essenciais. 4. ed. São Paulo: McGraw-Hill, 2006. BRADY, J & HUMISTON, G. E. Química Geral, volume II. Rio de Janeiro: Editora Livros Técnicos Científicos, 1981. 18 LABORATÓRIO DE QUÍMICA II PRÁTICA Nº 03 CAPACIDADE TÉRMICA DO CALORÍMETRO E CALOR ESPECÍFICO DATA / / 1 OBJETIVOS Verificar experimentalmente, como ocorre o equilíbrio térmico, utilizando um calorímetro; Medir a capacidade térmica do calorímetro; Determinar experimentalmente o calor específico de dois corpos de prova, comparando os resultados obtidos com os dados tabelados. 2 INTRODUÇÃO Sempre que dois sistemas, a diferentes temperaturas, são colocados dentro de um recipiente termicamente isolado (não há troca de energia com o ambiente), ocorre transferência de energia, na forma de calor, do sistema à temperatura mais elevada para o sistema à temperatura mais baixa, até que o equilíbrio térmico entre eles seja atingindo. Esse princípio é a lei zero da termodinâmica. Algumas definições importantes: Calorimetria Calorimetria significa “medida de calor”. Calor Calor é o nome dado à energia térmica em trânsito de um corpo para outro devido a diferença de temperatura existente entre eles. Caloria (cal) Uma caloria (cal) é a quantidade de calor que deve ser fornecida a um grama de água, para elevar sua temperatura de 1°C. Capacidade térmica (capacidade calorífica) Capacidade térmica (ou capacidade calorífica) é a quantidade de calor que deve ser fornecida a um corpo para elevar sua temperatura de 1°C. A capacidade térmica é função da natureza do corpo e de sua massa. • A capacidade térmica C é uma característica de cada corpo, diferentes blocos de chumbo 19 têm diferentes capacidades térmicas, apesar de serem da mesma substância (chumbo). Calor latente de mudança de estado Calor latente de mudança de estado (L) é a quantidade de calor, por unidade de massa, que é necessário fornecer ou retirar de um certo corpo, sob uma certa pressão, para que ocorra a mudança de estado. A temperatura fica fixa em uma mudança de estado. • Toda substância sob pressão constante sofre mudança de estado a uma dada temperatura; • Calor latente de fusão do gelo: LF = 80 cal/g; • Calor latente de solidificação da água: LS = − 80 cal/g. Calor específico (capacidade térmica mássica) Calor específico (ou calor sensível, ou capacidade térmica mássica) é a quantidade de calor, por unidade de massa, que é necessário fornecer ou retirar de um certo corpo, sob uma certa pressão, para que ocorra uma variação de um grau em sua temperatura. Calor específico da água ca = 1 cal/ g°C = 4,18 J/g°C. Calorímetro O calorímetro é basicamente constituído de uma câmara com paredes adiabáticas (não permite troca de calor), provida de um agitador e de um termômetro. • A massa total dos componentes de um calorímetro é conhecida e constante. O calorímetro permite determinar: • A quantidade de calor liberado ou absorvido por uma transformação física ou química realizada em seu interior; • O calor específico de uma substância; • Calor latente de uma substância; • O calor de reação, etc. O calorímetro experimenta todas as trocas de calor necessárias para atingir o equilíbrio térmico, logo, ele intervém e tem que ser considerado nos cálculos pertinentes à estas trocas. Como o calor específico do calorímetro é difícil de ser medido em virtude de ele ser constituído de diversos materiais, podemos contornar esta dificuldade calculando sua capacidade térmica. Capacidade térmica de um calorímetro é a quantidade de calor que deve ser fornecida ao calorímetro (vaso, tampa, agitador, termômetro, etc) para elevar sua temperatura de 1°C. Uma vez determinada a capacidade térmica de um calorímetro, você não deve trocar nenhuma de suas partes. Se o calorímetro for modificado a sua capacidade térmica deve ser determinada novamente. 20 Para o nosso experimento, desprezando a capacidade calorífica do calorímetro, todo calor é trocado entre a água e o corpo de prova. Neste caso, calor perdido = calor ganho (1) mcp ccp ΔT = ma ca ΔT (2) mcp ccp (T0cp − Te ) = ma ca (Te − Ta) (3) mcp = massa do corpo de prova T0cp = temperatura inicial do corpo de prova Te = temperatura de equilíbrio térmico do sistema Ta = temperatura inicial da água no calorímetro ma = massa de água que foi colocada no calorímetro ca = calor específico da água 3 MATERIAIS 01 Calorímetro com capacidade de 230 mL; 01 Proveta 150 mL; 01 Termômetro – 10 ºC a 110 ºC; 01 Chapa aquecedora; 01 Béquer 250 mL; 01 Béquer 100 mL; Barbante; Corpos de prova; Água destilada; Balança analítica. 4 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 4.1 Determinação da capacidade térmica do calorímetro 1. Pese primeiramente o béquer de 250 mL vazio, anote. Utilizando a proveta, meça 50 mL de água destilada, transfira para o béquer, pese novamente e anote a massa (m1 água). 2. Colocar esta água no calorímetro à temperatura ambiente, agitar a água até a temperatura permanecer constante, isto é, atingir o equilíbrio térmico. Anote o valor 21 desta temperatura inicial da água no calorímetro (aguardar o equilíbrio térmico). Com o termômetro medir esta temperatura (T1i). 3. Coloque 100 g de água (utilizando a proveta para medir) no béquer, e aqueça a água a uma temperatura de 60ºC (não precisa ser necessariamente este valor). Anote o valor desta temperatura (T2i). 4. Antes de colocar a água quente no calorímetro, medir a massa de água em uma balança e sua temperatura, este procedimento é necessário, pois parte do líquido evapora durante o aquecimento. Adicione rapidamente a água aquecida à água dentro do calorímetro, tampe-o. Resfrie o termômetro em água corrente, antes de introduzi-lo no calorímetro. 5. Agitar suavemente o calorímetro para facilitar a troca de calor entre as quantidades de água e o copo do calorímetro. Aguarde a temperatura permanecer constante, isto é, até atingir o equilíbrio térmico. Anote o valor da temperatura final (Tf) na Tabela 1. 6. Preencha a tabela com os dados coletados e determine o valor da capacidade térmica do calorímetro. Calcular também o valor médio da capacidadetérmica. *OBS: Repetir a experiência, no mínimo, três vezes. Tabela 1 – Dados experimentais levantados. mágua 1 (g) mágua 2 (g) T1i ( oC) T2i ( oC) Tf ( oC) Ccal (cal/ oC) 4.2 Determinação do calor específico Para determinar o calor específico do corpo de prova pelo método das misturas, usamos um calorímetro, cuja sua capacidade calorífica é desprezível, contendo um volume de 100g de água a temperatura ambiente. (a) Coloque 150 ml de água no béquer e aqueça até a ebulição; (b) Coloque no calorímetro 100g de água à temperatura ambiente; (c) Tampe o conjunto e introduza o termômetro no calorímetro, meça a temperatura do conjunto (calorímetro com a água), Ta; 22 (d) Meça a massa do corpo de prova, mcp; (e) Coloque o corpo de prova 1 no interior do béquer contendo a água em ebulição. (f) Aguarde 3 minutos, sempre agitando levemente o corpo de prova 1 no interior da água quente; (g) Meça a temperatura inicial T0cp do corpo de prova 1; (h) Retirar rapidamente o corpo de prova da água quente, transportando pelo fio e colocá- lo rapidamente no calorímetro. Agite leve e constantemente a mistura; (i) Meça a temperatura do equilíbrio térmico, Te; (j) Faça mais duas medidas para calor específico do corpo de prova 1. Preencha a tabela com as medidas das temperaturas Ta, T0cp e Te, e calcule o calor específico do corpo de prova 1 para cada medida; Tabela 2 – Dados experimentais para o corpo de prova 1. CORPO DE PROVA 1 mcp 1 (g) mágua (g) Ta ( oC) T0cp ( oC) Te ( oC) cp1 (cal/g oC) cmédio 1 = (k) A partir da tabela encontre o calor específico médio do corpo de prova 1, cmédio 1; (l) Repita o mesmo procedimento para o corpo de prova 2. Tabela 3 – Dados experimentais para o corpo de prova 2. CORPO DE PROVA 2 mcp 2 (g) mágua (g) Ta ( oC) T0cp ( oC) Te ( oC) cp 2 (cal/g oC) cmédio 2 = *Não descarte a água utilizada para aquecer o corpo de prova, assim, nas próximas medidas você não precisará aquecê-la novamente a partir da temperatura ambiente agilizando o processo. 23 (m) A partir do calor específico encontrado para os corpos de prova 1 e 2 identifique, usando dados tabelados, de que material eles são compostos. 5 PÓS-LABORATÓRIO 1. Determinar o valor médio da capacidade térmica do calorímetro. 2. Dê sugestões de como poderia diminuir a capacidade térmica do calorímetro. 3. Comentar sobre as principais fontes de erro nesta experiência 4. Comente sobre a Lei Zero da Termodinâmica 5. O que você supõe que ocorra com as moléculas de um corpo (e átomos) quando ele é aquecido? 6. Imagine que você se torne tão pequeno a ponto de ficar sentado sobre uma molécula “A” de água contida no Becker. Você estaria em repouso em relação às paredes do Becker? Justifique. 7. Segundo suas observações, uma molécula qualquer de água contida no Becker, possuiria energia cinética? Justifique. 8. As energias cinéticas das moléculas seriam iguais entre si? Justifique. 9. Enuncie a Primeira Lei da Termodinâmica. 10. Defina equilíbrio térmico, calorímetro e capacidade térmica. REFERÊNCIAS ATKINS, P.; de PAULA, J. Físico-Química, 10ª ed., vol. 1, Editora LTC, Rio de Janeiro, 2018. GUIMARÃES, H. Física experimental - Manual de Laboratório para Mecânica e Calor, R. Axt V. BROWN, T. L; LeMAY, Jr, H. E; BURSTEN, B.E; BURDGE, J. R. Química a Ciência Central, 9a. ed., Editora Pearson, São Paulo, 2005. MASTERTON, W. L.; SLOWINSKI, E. J.; STANITSKI, C. L. Princípios de Química, 6ª ed., Editora Guanabara Koogan, Rio de Janeiro, 1990. RUSSEL, J. B. Química Geral, 2ª ed., vol. 2, Editora Makron Books do Brasil, Rio de Janeiro, 1992. 24 LABORATÓRIO DE QUÍMICA II PRÁTICA Nº 04 PROCESSO DE TRANSFERÊNCIA DE ELÉTRONS Data___ /___ /___ 1 INTRODUÇÃO As células voltaicas são baseadas nas reações de oxirredução espontâneas. Contrariamente, é possível usar a energia elétrica para fazer com que reações de oxirredução não espontâneas ocorram. Por exemplo, a eletricidade pode ser usada para decompor o cloreto de sódio fundido em seus elementos componentes, como mostra a Reação 1. 2 NaCl (l)→ 2Na (l) + Cl2 (g) (Reação 1) Por causa dos altos pontos de fusão das substâncias iônicas, a eletrólise de sais fundidos necessita de altas temperaturas. Uma alternativa seria realizar a eletrólise em meio aquoso. Obtém-se os mesmos produtos se fizermos a eletrólise da solução aquosa de um sal em vez de fazer do sal fundido? Nem sempre, a eletrólise de uma solução aquosa é complicada pela presença da água, porque precisa-se considerar se a água é oxidada (para formar O2) ou reduzida (para formar H2) em vez dos íons do sal fundido (Kotz e Treichel, 2009). Quando se aciona o motor de arranque de um automóvel girando-se a chave de ignição, quando se acende uma lanterna, quando se mede a concentração de um ácido em solução aquosa usando-se um aparelho medidor de pH, quando consideramos a colocação de placas de zinco no caso de uma embarcação para se evitar a sua corrosão, estamos observando a ocorrência de reações químicas. Quando se abre uma janela com esquadria de alumínio, e até quando se utiliza um sabão qualquer, estamos usufruindo de produtos obtidos como consequência do uso de reações químicas muito semelhantes àquelas citadas no primeiro parágrafo. Essas reações químicas são chamadas de eletroquímicas, que produzem eletricidade ou são por esta provocadas. A eletroquímica é o ramo da química que estuda as reações que envolvem a produção ou o uso da eletricidade. As reações que produzem eletricidade são aquelas que ocorrem nas pilhas e baterias. As reações que só ocorrem pela passagem da eletricidade através de um 25 líquido são as chamadas reações de eletrólise. Os fenômenos que ocorrem pela passagem da eletricidade através de um líquido podem ser melhor estudados e compreendidos se utilizarmos um gerador de corrente elétrica contínua, que pode ser uma pilha, uma bateria ou um retificador de corrente alternada, o qual pode ser até um “carregador” de bateria de automóvel. Tendo-se em mãos uma fonte de corrente contínua, que fenômenos podemos provocar com ele? Para responder a esta nova curiosidade só resta sair experimentando. Nesta experiência nos concentraremos numa classe especial de reações, aquelas envolvendo redução e oxidação, isto é, reações redox. Estas reações envolvem a perda e ganho de elétrons. Por exemplo, se zinco é adicionado a uma solução aquosa de CuSO4, ocorre uma reação entre o zinco insolúvel e o sal dissociado. A reação iônica é: Que pode ser simplificada para: Esta é uma reação redox porque os estados de oxidação do Cu +2 e Zn mudam para Cu e Zn +2 respectivamente. A reação que envolve perda de elétrons é chamada de oxidação. O contrário seria redução e, portanto, ganho de elétrons. No exemplo acima o cobre está sendo reduzido e o zinco está sendo oxidado. O processo de oxirredução é único, não podendo ocorrer oxidação sem redução ou vice-versa. A substância responsável pela oxidação de outra é o agente oxidante e a substância capaz de promover a redução é chamada de agente redutor. Os processos de transferência de elétrons podem ocorrer espontaneamente ou não. No primeiro, energia química é transformada em energia elétrica e no segundo energia elétrica, fornecida por fonte de corrente contínua, é transformada em energia química. Os sistemas onde ocorrem estas reações são chamados genericamente de células eletroquímicas. Mais especificamente aqueles onde ocorrem processos espontâneos são denominadosde células galvânicas e aqueles onde ocorrem processos não espontâneos são conhecidos como células eletrolíticas. CuSO4 (aq) + Zn (s) → ZnSO4 (aq) + Cu (s) - 2 +2 (aq) + Zn (s) → Zn (aq) + SO4 (aq) + Cu (s) - 2 Cu+2 (aq) + SO4 Cu+2 (aq) + Zn (s) → Zn +2 (aq) + Cu (s) 26 A célula eletrolítica é formada por três componentes: uma fonte de corrente contínua (pode ser uma bateria ou pilha), dois eletrodos ligados aos terminais da fonte e uma solução eletrolítica onde ficam mergulhados. A transferência de carga através da solução resulta da migração dos íons em direções opostas. Os íons positivos vão para o catodo e os íons negativos para o anodo, consequentemente o eletrodo onde ocorre a oxidação é o anodo e o eletrodo onde ocorre a redução é o catodo. Algumas vezes a eletrólise de uma solução envolve processos simultâneos com diversas alternativas. Quando duas ou mais reações são possíveis no mesmo eletrodo a reação que requer menor força propulsora ou voltagem (potencial de redução ou de oxidação) é a mais provável. Algumas vezes também é possível que duas reações possam ocorrer simultaneamente no mesmo eletrodo. Os eletrodos podem ou não participar do processo de eletrólise. Quando o fazem são chamados de eletrodos ativos e caso contrário são denominados de eletrodos inertes. Fig 1 - Pilha de Daniel No caso das células galvânicas, tomaremos como exemplo a célula mais simples (no caso a pilha de Daniell) cujo funcionamento pode ser observado facilmente no laboratório. Na figura acima observaremos à esquerda que uma barra de zinco está parcialmente imersa em solução aquosa de Zn +2 (ZnSO4). Este sistema formado pelo elemento Zn(s) em contato com uma solução de seus íons Zn +2 é chamado de eletrodo de zinco e é o polo negativo da pilha denominado anodo onde ocorre a oxidação. Do lado direito uma barra de Cu(s) em contato com uma solução aquosa de seus íons Cu +2 é chamada de eletrodo de cobre, o qual é o polo positivo da pilha (catodo) onde ocorre a redução. Os elétrons são transferidos de um reagente para outro através de um circuito externo (um fio). 27 Se os reagentes estivessem em contato direto, a energia elétrica produzida não poderia ser utilizada para realizar trabalho útil (como acender uma lâmpada) e seria dissipada na forma de calor, a fim de permitir a preservação da neutralidade elétrica nas duas soluções, já que elétrons estão sendo transferidos de uma para outra, é necessário a existência de uma ponte salina, através da qual íons que não estão envolvidos na reação redox podem migrar para uma ou outra solução. Na figura anterior a ponte salina poderia conter solução de KCl, sendo que íons K + migram para a solução de Cu +2 e os íons Cl- para a solução de Zn +2 . Para verificar se realmente a reação redox ocorre, utiliza-se de um instrumento chamado voltímetro intercalado entre os eletrodos da pilha. Será medida assim a diferença de potencial entre estes eletrodos. O valor indicado pelo voltímetro é chamado potencial ou voltagem da pilha. Na pilha de Daniell a diferença de potencial entre os eletrodos de Zn e Cu é de 1,1 volts. NOTAS DE SEGURANÇA Cloreto de cobre – Irritante a pele e mucosa. Evite contato com os olhos, pele ou roupa. Sulfato de cobre – Irritante a pele e mucosa. Evite contato com os olhos, pele ou roupa. Sulfato de zinco – Irritante. Fenolftaleína – pode ser irritante. Evite contato com os olhos, pele ou roupa. 2 OBJETIVOS Identificar processos de transferência de elétrons espontâneos e não espontâneos; Observar o processo de eletrólise reconhecendo seus componentes e verificando os principais produtos e as condições necessárias para que ocorram; Verificar a montagem e funcionamento de uma célula galvânica; Investigar o processo de corrosão. 3 MATERIAIS - 3 Placas de Petri (10 cm de diâmetro); - Eletrodos de cobre; - Fonte de corrente contínua; - Dois conectores tipo jacaré; 28 - Dois fios de conexão; - Béquer 150 mL; - Lâmina de cobre; - Lâmina de zinco; - Voltímetro; - Tubo de vidro em forma de U; - Algodão; - Pregos; - Indicadores de pH: Azul de bromotimol; - Iodeto de Potássio KI 5% m/v; - Hidróxido de sódio NaOH 5% m/v; - Sulfato de potássio K2SO4 a 5%; - Solução aquosa de CuSO4 0,1 mol/L; - Solução aquosa de ZnSO4 0,1 mol/L; - Solução aquosa de CuSO4 1 mol/L; - Solução aquosa de ZnSO4 1 mol/L; - Solução aquosa saturada de KCl; - Solução aquosa NaCl 3%; - Solução alcoólica 1% em fenolftaleína; - Solução 0,2 M de ferricianeto de potássio. 4 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 4.1 Eletrólise do KI Neste procedimento será mostrada a eletrólise de iodeto de potássio com a formação de iodo elementar. Numa placa de Petri, adicionar 20 mL de solução KI 5%. Conecte os eletrodos à fonte de corrente pelos cabos e conexões necessários. Em seguida, faça a ligação do circuito e coloque os eletrodos dentro da placa de petri e observe. 29 4.2 Eletrólise do NaCl Neste procedimento será mostrada a eletrólise de cloreto de sódio. Colocar os eletrodos de cobre, como realizado no procedimento anterior. Conecte os eletrodos à fonte de corrente pelos cabos e conexões necessários. Adicionar 20 mL de solução NaCl 5% na placa de Petri e fazer a ligação do circuito. Observar. Adicionar duas gotas de fenolftaleína e observar novamente. Faça também a eletrólise desta solução, usando eletrodos de grafite e observe. 4.3 Eletrólise da Água Neste procedimento será demonstrada a decomposição eletrolítica da água. Os efeitos eletrolíticos são visualizados mediante indicadores de pH. Adicionar na placa de Petri a solução de K2SO4 (± 20 mL). Adicionar 5 gotas do indicador Azul de bromotimol e misturar bem. OBS.: As cores diversificadas do indicador Azul de bromotimol: Cor da forma ácida (AMARELO) /Cor intermediária (VERDE) /Cor da forma básica (AZUL). Coloque os fios de cobre na placa. Antes de fazer a ligação do circuito, espere um pouco (cerca de um minuto) para acalmar eventuais turbulências na solução. De imediato os efeitos coloridos são observados em torno dos eletrodos. Deixando o circuito ligado durante alguns minutos pode-se apreciar a evolução da eletrólise. Observe e anote. 4.4 Eletrólise do Zinco Monte com material encontrado em sua bancada um sistema eletrolítico utilizando fios de cobre como eletrodos e ZnSO4 0,1 M como eletrólito. Ligando este sistema a uma fonte, observe as reações nos eletrodos. Procure identificar o catodo e o anodo. 4.5 Eletrólise do Cobre Faça a eletrólise da solução aquosa de CuCl2 0,1 mol/L utilizando o mesmo sistema eletrolítico. Não descarte a solução, pois será utilizada no item seguinte. 30 Faça a eletrólise da solução aquosa de CuCl2 0,1 mol/L utilizada no item anterior, desta vez, usando grafite como anodo. Observe atentamente se houve na reação alguma diferença em relação a etapa anterior. 4.6 Estudo da pilha de Daniel (DEMONSTRATIVO) a) Em um béquer de 150 mL adicione até sua metade, solução aquosa 1 mol/L de CuSO4 e nesta solução, mergulhe parcialmente uma lâmina de cobre previamente lixada. b) Ligue a lâmina de cobre ao terminal positivo de um voltímetro. c) Adicione solução aquosa de ZnSO4 1 mol/L em outro béquer de 150 mL até sua metade e, nesta solução, mergulhe parcialmente uma lâmina de zinco previamente lixada. d) Ligue a lâmina de zinco ao terminal negativo de um voltímetro. e) Encha um tubo de vidro em forma de U com uma solução aquosa saturada de KCl e vede as extremidades com algodão. Una as duas semipilhas através da ponte salina, montando a pilha. Faça a leitura do voltímetro. 4.7 Estudo da Corrosão (DEMONSTRATIVO) a) Em um béquer de 250 mL, colocar 200 mL de solução aquosa 3% em cloreto de sódio, 1 mL de solução alcoólica 1% em fenolftaleína e 2 mL de solução 0,2 M de 31 ferricianeto de potássio. Imergirdois eletrodos metálicos, sendo um de cobre e não deixando que os dois entrem em contato diretamente. Observe. b) Proceder do mesmo modo da experiência anterior usando, porém, eletrodos de zinco e ferro em vez de cobre e ferro. Verifique. 5 PÓS-LABORATÓRIO a) Para cada eletrólise indique as reações que ocorrem no ânodo e cátodo. E qual a reação global balanceada. b) Calcule a tensão mínima que se deve fornecer para que ocorram essas eletrólises. c) Identifique os principais produtos da reação, explicando o que ocorreu que ajudou a vocês a definir esses produtos. d) Para realizar a eletrólise da água é necessário adicionar um eletrólito para conduzir as cargas. Então, por que podem ser utilizados H2SO4 e HNO3 na eletrólise da água, e não pode utilizar HCl para eletrolisá-la? e) Qual a aplicação dos principais produtos formados na eletrólise da H2O, do KI e do NaCl. f) Supondo que a eletrólise do KI fosse conduzida a 350 mA durante 10 min, qual seria a massa de iodo produzida? g) Qual a função da ponte salina utilizada no item 4.6? h) Indique as reações do catodo, anodo e a reação global da pilha de Daniel. 32 REFERÊNCIAS BROWN, T. L., LEWAY JR., H. E., BURSTEN, B. E., BURDGE, J. R., Química – A Ciência Central, Capítulo 20, 9a Edição, Pearson, 2007. KOTZ, J. C., TREICHEL JR., P. M. Química Geral 2 e Reações Químicas, Capítulo 20, Tradução da 9a Edição americana, Cengage Learning, São Paulo, 2009. LENZI, E.; FAVERO, L.O.B.; TANAKA, A.S. Química Geral Experimental. 1. ed. Rio de Janeiro: Freitas Bastos, 2004. 33 LABORATÓRIO DE QUÍMICA II PRÁTICA Nº 05 PROPRIEDADES FÍSICAS E QUÍMICAS DOS ALCANOS E ALCENOS DATA ___/___ /____ 1 OBJETIVO Diferenciar alcanos e alcenos por meio da observação de suas propriedades físicas e químicas. 2 INTRODUÇÃO Os hidrocarbonetos são compostos químicos orgânicos constituídos por átomos de carbono e hidrogênio (CxHy), unidos tetraedricamente por ligações covalentes. Suas moléculas apresentam interação fraca do tipo dipolo induzido, tratando-se, portanto, de compostos apolares ou pouco polares. Como consequência, são praticamente insolúveis na água, que é polar, e, de um modo geral, solúveis em outras substâncias apolares. Na natureza sua fonte mais abundante é o petróleo, a partir do qual são obtidos importantes produtos que fazem parte do cotidiano da sociedade moderna: gasolina, querosene, óleo diesel, GLP (gás liquefeito de petróleo), gás natural veicular, parafina, vaselina, inúmeros polímeros, tais como os plásticos e as borrachas, entre outros. Os tipos de hidrocarbonetos que se têm conhecimento são os mais variados e suas características físicas e químicas são determinadas por sua composição molecular. Uma propriedade em comum, que se pode destacar, é a facilidade com a qual esses compostos se oxidam, liberando calor. Considerando as ligações presentes em sua composição, os hidrocarbonetos podem ser classificados em saturados e insaturados. Os hidrocarbonetos saturados são aqueles que não possuem ligações dupla ou tripla, não apresentando também aromaticidade. Nesse grupo estão os diversos alcanos. Já os hidrocarbonetos insaturados possuem uma ou mais ligações dupla ou tripla unindo átomos de carbono. Entre eles estão os alcenos (apresentam ligação dupla), os alcinos (possuem ligação tripla) e os aromáticos (apresentam pelo menos um anel benzênico – composto no qual se alternam ligações duplas e simples). Os alcanos são também chamados de parafinas, têm apenas ligações covalentes simples entre carbonos (C-C), e sua fórmula geral é CnH2n+2. Podem apresentar cadeia aberta, simples 34 ou ramificada, ou cíclica. O mais simples e de maior presença na natureza é o metano (CH4). Os alcanos até 4 átomos de carbono são gases em condições ambientes (de 25 °C e 1 atm), com 5 a 17 átomos de carbono são líquidos e os demais sólidos. Os pontos de ebulição (PE) e fusão (PF) desses compostos, em geral, acompanham o aumento do tamanho da cadeia carbônica. Entretanto, comparando duas cadeias com mesmo número de átomos de carbono, o PE e o PF diminuem com a ramificação da cadeia, uma vez que os alcanos ramificados são mais compactos, dispondo assim de menor área de contato e menor número de interações. Alcanos de cadeia aberta e cicloalcanos são quase totalmente insolúveis em água, em virtude da ausência de interações que envolvem ligações de hidrogênio. Aqueles que são líquidos são mutuamente solúveis e, de forma geral, dissolvem-se em solventes de baixa polaridade. Nos alcanos só há ligações σ (C-C ou C-H), tendo C e H aproximadamente a mesma eletronegatividade (ligações covalentes apolares). São, assim, compostos pouco reativos. Em contanto com oxigênio, queimam como a maioria dos compostos orgânicos, entrando em combustão em um processo exotérmico (ΔH < 0). Quando aquecidos ou submetidos a absorção de energia, reagem com cloro, bromo e flúor. Sob aquecimento e na ausência de oxigênio, os alcanos podem se degradar/decompor (pirólise) em alcenos. Através de reações de sulfonação e nitração reagem com ácido sulfúrico e ácido nítrico, respectivamente. Os alcenos, por sua vez, são também conhecidos como alquenos ou olefinas e apresentam pelo menos uma ligação dupla entre seus átomos de carbono (C=C). A fórmula geral desses compostos é CnH2n. A dupla ligação é mais forte que uma ligação simples, sendo formada por um componente σ e um componente π. A intensidade da força não é, no entanto, o dobro, visto que a ligação π é mais fraca que a σ. Alcenos com 2 e 3 átomos de carbono não possuem isômeros. A partir de 4 átomos de carbonos, isômeros constitucionais são possíveis. O mais simples desses compostos é o eteno (C2H4), também conhecido como etileno. De um modo geral, alcenos têm PE e PF semelhantes aos alcanos, dissolvem-se em solventes apolares, ou em solventes de baixa polaridade, e os de baixo peso molecular são gases à temperatura ambiente. São compostos bastante reativos, podendo realizar reações com o hidrogênio (hidrogenação) na presença de catalisadores, com halogênios (halogenação) e com água (hidratação) e também ser polimerizados (com a ligação dupla dando origem a duas ligações com outras moléculas e assim por diante). A polimerização de alcenos produz boa parte da parcela de plásticos usados atualmente no mundo. Esses compostos também podem reagir com alguns ácidos. 35 3 MATERIAIS Gasolina (C5-C10) Tetracloreto de carbono (CCl4) Espátula Querosene (C12-C15) Ácido sulfúrico concentrado Bastão de vidro Parafina (C21-C40) Sol. de NaOH - diluído Vidro de relógio Vaselina (C18-C30) Sol. de KMnO4 a 0,5% Pipeta de 5 e 10 mL Hexano Água de bromo Proveta de 5 mL Ciclo-hexano Tubos de ensaio Pipeta de Pasteur Ciclo-hexeno Suporte para tubos de ensaio Bico de Bunsen 4 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 4.1 Alcanos 4.1.1 Propriedades Físicas a) Examinar as amostras das substâncias acima comparando-as quanto ao odor, viscosidade e volatilidade. b) Comparar quanto a inflamabilidade tocando com o bastão de vidro em cada uma e levando à chama do bico de Bunsen (cuidado não aproxime a chama dos recipientes contendo as amostras). O que você observa em relação a cada uma das propriedades físicas acima, à medida que aumenta o número de átomos de carbono nos alcanos? c) Colocar 1 mL de ciclo-hexano em um tubo de ensaio e adicionar 2 mL de água. Observar se há dissolução. Caso contrário comparar as densidades. d) Repetir o ítem c, usando 1 mL de CCl4, ao invés de água. Observar. e) Repetir os ítens c e d, usando gasolina ao invés de ciclo-hexano. Anotar suas observações. 4.1.2 Ação daSolução Permanganato de Potássio Colocar 1 mL de hexano em um tubo de ensaio e adicionar 2 mL de solução de KMnO4 a 0,5%. Agitar levemente por um pouco de tempo. Observar se ocorre alguma reação. 4.1.3 Ação da Solução de Água de Bromo Colocar 1 mL de hexano em 2 tubos de ensaio e adicionar 1 mL de água de bromo. Agitar 36 bem os tubos e guardar um deles em lugar escuro. Expor o outro tubo ao sol (ou segurar perto de uma lâmpada elétrica forte 150-220 W). Comparar os 2 tubos após 15 minutos. 4.2 Alcenos 4.2.1 Ação da Solução de Água de Bromo Colocar 2 mL de água de bromo em um tubo de ensaio e adicionar ciclo-hexeno gota a gota, agitando. Fazer este teste na capela e observar se ocorre alguma reação. 4.2.2 Ação da Solução Permanganato de Potássio Colocar 1 mL de solução de KMnO4 a 0,5% em um tubo de ensaio e adicionar algumas gotas de solução diluída de NaOH. Adicionar o ciclo-hexeno, gota a gota, agitando. Fazer este teste na capela e registrar o resultado. 4.2.3 Ação do Ácido Sulfúrico Concentrado Colocar 1 mL de ciclo-hexeno em um tubo de ensaio e adicionar 3 gotas de H2SO4 concentrado. Observe o que acontece. Houve formação de algum precipitado? Aguardar 5 minutos e a seguir adicionar 3 mL de água. Anotar suas observações. Baseado nos resultados obtidos, formular as reações químicas que ocorreram. Consultar a bibliografia recomendada. 5 PÓS-LABORATÓRIO a) Quais os tipos de reações que ocorrem com os alcanos? Exemplificar. b) Quais os tipos de reações que ocorrem com os alcenos? Exemplificar. c) O que se pode concluir a respeito da reatividade dos alcanos e alcenos. Exemplificar. d) Por que os alcanos podem ser usados como solventes orgânicos na realização de medidas, reações e extrações de materiais. e) Escrever e equação da reação que ocorre quando um alceno é tratado com uma solução de bromo em tetracloreto de carbono. Comparar com a reação ocorrida quando se usa água de bromo ao invés de Br2/CCl4. f) Indicar reações que poderiam ser usadas para distinguir um alcano de um alceno. Explicar com um exemplo. 37 REFERÊNCIAS ALLINGER, N. L.; CAVA, M. P.; JONGH, D. C. et al. Química orgânica. 2. ed, Rio de Janeiro, Guanabara Dois, 1978. SOLOMONS, T .W. G. e FRYHLE, C. Química orgânica. 7 ed. Rio de Janeiro, LTC, 2002, v. 2. VOGEL, A. I. Química orgânica: análise orgânica qualitativa. 2. ed, Rio de Janeiro Ao Livro Técnico S. A, 1981. v. 1. 38 LABORATÓRIO DE QUÍMICA II PRÁTICA Nº 06 SOLUBILIDADE DE COMPOSTOS ORGÂNICOS Data:____/____/____ 1 OBJETIVO Determinar a solubilidade de compostos orgânicos com base em uma sequência de testes com solventes, de modo a identificar, por fim, a função química das amostras. 2 INTRODUÇÃO A solubilidade é uma propriedade física (molecular) importante, que denota a capacidade que uma substância (soluto) apresenta de ser dissolvida em outra (solvente), em uma dada temperatura. Constitui um parâmetro quantitativo de referência para a caracterização química, servindo como base para procedimentos de separação de misturas, extração de produtos naturais e recristalização de substâncias. É uma propriedade bastante explorada nas indústrias de materiais, tintas, perfumes, sabões, detergentes, fármacos, açúcares e plásticos. Além disso, informações sobre a solubilidade de certas substâncias são essenciais para direcionar a escolha do destino ambiental mais apropriado de contaminantes e poluentes, estabelecer processos de adsorção no solo e determinar fatores de bioconcentração de agrotóxicos. A solubilidade desempenha um papel, particularmente, fundamental no comportamento de compostos orgânicos. Os valores dos coeficientes de solubilidade estão relacionados basicamente a polaridade, as forças de atração intermolecular (documentadas pela primeira vez por Van der Waals) e o tamanho da cadeia carbônica de cada composto. Via de regra, vale a máxima empírica: "polar dissolve polar, apolar dissolve apolar" ou "semelhante dissolve semelhante". Ou seja, geralmente, os compostos apolares ou fracamente polares são solúveis em solventes apolares ou de baixa polaridade, enquanto que compostos de alta polaridade são solúveis em solventes também polares. No entanto, é preciso analisar também a solubilidade em termos de intensidade das forças intermoleculares, uma vez que, embora os solutos apolares se dissolvam melhor em solventes polares e vice-versa, existem exceções, como ocorre com a gasolina, que é apolar e se dissolve muito bem no etanol, que é polar. Os 39 tipos de forças intermoleculares entre as moléculas dessas substâncias isoladas e entre si que nos fornecem a explicação para esse fato. A relação entre força intermolecular e solubilidade estabelece que para que um soluto se dissolva num solvente, a nova interação precisa ser mais intensa do que as já existentes: “Se a força intermolecular já existente for mais intensa do que a possível nova interação, então o soluto não solubiliza, permanecendo a ligação original. Mas, se a nova interação for mais forte, o soluto se solubilizará, rompendo as ligações intermoleculares das substâncias”. O tamanho aproximado das moléculas também pode contribuir para uma maior solubilidade, como é o caso do ácido acético, que é solúvel em água em quaisquer proporções porque, assim como o álcool, possui uma parte hidrofílica, que tem afinidade com a água, que é a extremidade com o grupo OH, mas também possui uma parte hidrofóbica, que não tem afinidade com a água, que é a cadeia carbônica. Testes de solubilidade permitem, portanto, verificar a polaridade relativa de substâncias orgânicas, bem como prever a presença ou ausência de grupos funcionais (proporcionando a identificação de classes). São muito úteis também na seleção dos solventes mais adequados nas recristalizações, reações químicas, análises espectrais e análises cromatográficas. De um modo geral, os ensaios de solubilidade fornecem subsídios para, em uma primeira análise, classificar o composto em substância ácida, básica ou neutra, sendo realizados comumente em água, solução de hidróxido de sódio, solução de bicarbonato de sódio, ácido clorídrico diluído, éter e ácido sulfúrico concentrado. A solubilidade de compostos orgânicos pode estar relacionada também com a ocorrência de uma reação química. Considerando essa possibilidade, a solubilidade dos compostos orgânicos pode ser dividida em duas categorias principais: a solubilidade cuja força determinante é uma reação química (por exemplo, uma reação ácido-base) e a solubilidade na qual estão envolvidas somente as forças intermoleculares. Compostos com grupos polares e de baixa massa molecular terão, em geral, solubilidade em água. A existência de grupos ácidos (por exemplo, um grupo carboxila) levará a solubilização em meio básico em função da ocorrência de uma reação que resultará na formação de um sal (carboxilato de sódio). Compostos com grupos básicos (por exemplo, aminas), por sua vez, produzirão um sal de amônio por reação em meio ácido. 40 3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Inicialmente, adicionar 4 gotas de soluto, amostra 1, em tubo de ensaio limpo e seco. Adicionar 0,5 mL a 3 mL de solvente, começando com a água (solvente 1). Agitar vigorosamente e observar a solubilidade pela formação de mistura homogênea, ou insolubilidade quando ocorrer uma mistura heterogênea. Se a amostra for solúvel no solvente 1: colocar uma nova quantidade de 4 gotas de soluto (amostra 1) em um novo tubo de ensaio e adicionar 0,5 mL a 3 mL de éter. Dependendo da solubilidade no éter, a amostra poderá ser enquadrada no grupo I ou II, conforme esquema apresentado na Figura 1. No caso de amostra insolúvel nosolvente 1: repetir o procedimento com os sucessivos solventes constantes no Quadro1, até determinar a que grupo a amostra pertence, conforme esquema apresentado na Figura 1. Proceder da mesma maneira com as demais amostras até determinar o grupo ao qual pertencem. *Observações: I. Quando a amostra for sólida usar aproximadamente 0,1 gramas ao invés de 4 gotas. II. Amostra 5 tem N e não tem S. 41 Esquema 1: Classificação dos compostos orgânicos pela solubilidade. Tabela 1: Compostos orgânicos relacionados às classes de solubilidade. S2 Sais de ácidos orgânicos, hidrocloretos de aminas, aminoácidos, compostos polifuncionais (carboidratos, poliálcoois, ácidos, etc.). SA Ácidos monocarboxilícos com cinco átomos de carbono ou menos, ácidos arenossulfônicos. SB Aminas monofuncionais com seis átomos de carbono ou menos. S1 Álcoois, aldeídos, cetonas, ésteres, nitrilas e amidas monofuncionais com cinco átomos de carbono ou menos. 42 A1 Ácidos orgânicos fortes: ácidos carboxílicos, fenóis com grupos eletrofílicos em posições orto e para, β-dicetonas. A2 Ácidos orgânicos fracos: fenóis, enóis, oximas, imidas, sulfonamidas, tiofenóis com mais de cinco átomos de carbono, β-dicetonas, compostos nitro com hidrogênio em α, sulfonamidas. B Aminas aromáticas com oito ou mais carbonos, anilinas e alguns oxiéteres. MN Diversos compostos neutros de nitrogênio ou enxofre contendo mais de cinco átomos de carbono. N1 Álcoois, aldeídos, metil cetonas, cetonas cíclicas e ésteres contendo somente um grupo funcional; éteres com menos de oito átomos de carbono; epóxidos. N2 Alcenos, alcinos, éteres, alguns compostos aromáticos (com grupos ativantes) e cetonas (além das citadas em N1). I Hidrocarbonetos saturados, alcanos halogenados, haletos de arila, éteres diarílicos, compostos aromáticos desativados. 4 PÓS-LABORATÓRIO a) Qual o significado da expressão “semelhante dissolve semelhante”? b) Benzeno, anilina, querosene, não se dissolvem em água. Por outro lado ácido acético e etanol se dissolvem. Por que? c) Por que a anilina é insolúvel em água e solúvel em solução de HCl a 5%? d) O ácido benzóico é solúvel tanto em solução aquosa de NaOH a 5% quanto em NaHCO3 a 5% o p-cresol por sua vez é solúvel apenas na solução de NaOH a 5% enquanto que o ciclohexanol não é solúvel em NaOH, nem em NaHCO3. Como se explicam estes fatos? e) Por que muitos compostos orgânicos oxigenados como álcool etílico e éter etílico se dissolvem em ácido sulfúrico concentrado? REFERÊNCIAS PAVIA, D. L.; LAMPMAN, G. M.; KRIZ, G. S.; ENGEL, R. G. Química Orgânica Experimental, 3ª ed., Cengage Learning: São Paulo, 2012. SOLOMONS, T.W.G. e FRYHLE, C. Química orgânica. 7 ed. Rio de Janeiro, LTC, 2001. v. 1; 2002, v. 2. VOGEL, A. I. Química orgânica: análise orgânica qualitativa. 3 ed. Rio de Janeiro, Ao Livro Técnico, S.A. 1981, v. 3. 43 LABORATÓRIO DE QUÍMICA II PRÁTICA Nº 07 QUÍMICA VERDE: SÍNTESE DE SABÃO Data:____/____/____ 1 OBJETIVO Obter sabão e detergente através dos conhecimentos adquiridos teoricamente, como a reação de saponificação; Aprender as propriedades e aplicações dos sabões. 2 INTRODUÇÃO O sabão é uma substância obtida pela reação de gorduras ou óleos com hidróxido de sódio ou potássio. O sal, formado pela reação de saponificação, apresenta características básicas, pois deriva de uma reação entre um ácido fraco (ácido graxo) e uma base forte, por isso o sabão não atua muito bem em meios ácidos, nos quais ocorrerão reações que impedirão uma boa limpeza (AMORIM; BRANCO, 2011). Na literatura, existem vários trabalhos que citam a produção de sabão a partir do reuso do óleo de cozinha com a finalidade de atribuir um destino mais nobre e sustentável a este resíduo. Segundo a Associação Brasileira das Indústrias de Óleos Vegetais (ABIOVE), aproximadamente 7,0 bilhões de litros de óleo são consumidos anualmente no Brasil (ABIOVE, 2017). Por não serem consumidos integralmente, os resíduos gerados pelo óleo de cozinha quando descartados em locais inadequados (pias, ralos, esgotos e lixos domésticos) podem causar sérios prejuízos e danos ao meio ambiente como entupimento dos encanamentos e tubulações, impermeabilização do solo, contaminação do lençol freático, contaminação de rios que recebem esgotos causando agravos consideráveis a flora e a fauna aquática (TIEGHI, 2012). Neste contexto, percebe-se a importância de buscar formas para o reuso desses resíduos do óleo de cozinha e a conscientização quanto aos problemas ambientais causados pelo seu descarte inadequado. 44 3 MATERIAIS a. Béquer 400 mL; b. Bastão de vidro; c. Funil; d. Papel de filtro; e. Argola; f. Suporte universal; g. Água destilada. h. Óleo; i. Óleo essencial. 4 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 4.1 Cálculo dos ingredientes Soda Cáustica: para calcular a quantidade de soda que você precisará em seu sabão é necessário consultar uma tabela de índice de saponificação de gorduras vegetais. Na Tabela 1, mostrada abaixo, seguem informações referentes a alguns óleos e manteigas vegetais. Tabela 1: Índice de Saponificação – IS (mg ÁLCALIS/g ÓLEOS) Óleo ou manteiga vegetal NaOH Óleo de soja 136 Óleo de Oliva 135 Óleo de girassol 136 Óleo de coco 184 Óleo de palma 142 Manteiga de Karité 129 Manteiga de Cacau 136 Para 100g de óleo de soja, o cálculo para achar a quantidade de soda é: 100 x 0,136 = 13,60g 45 Quantidade de Água: Quantidade de óleo/manteiga x 30% Para 100g de óleo de soja, o cálculo para achar a quantidade de água é: 100 x 30% = 30 mL Quantidade de Óleo Essencial: Quantidade de óleo/manteiga x 5% Para 100g de óleo de soja, o cálculo para achar a quantidade de óleo essencial é: 100 x 5% = 5 mL 4.2 Preparo a. Prepare a lixívia misturando a água e a soda em um béquer (despeje primeiro a água e depois a soda, e não o contrário). b. Quando a soda estiver totalmente dissolvida, adicione o óleo ou manteiga; c. Agite com um bastão de vidro até formar uma massa pastosa; d. Adicione o óleo essencial; e. Espere cerca de 5 dias para desenformar. 5 PÓS-LABORATÓRIO a. Defina sabões. b. Mostre como ocorre a formação do sabão através das reações. c. Quais são as características estruturais do sabão que fazem dele um bom agente de limpeza? d. Qual a função do álcool na preparação do sabão? REFERÊNCIAS ABIOVE, Associação Brasileira das Indústrias de Óleos Vegetais. Disponível em: <http://www.abiove.org.br/site/index.php>. Acesso em: 07 de agosto de 2018. AMORIM, F. V. de A.; BRANCO, F. F. C. Produtos de limpeza. 1ª Edição. Edições Demócrito Rocha, Fortaleza, 2011. SOUZA, L. D. Sabão neutro produzido a partir de óleo de cozinha usado. 48º Congresso Brasileiro de Química, Rio de Janeiro, RJ, 2008. TIEGHI, A. L. Reciclagem do óleo de cozinha evita graves problemas ambientais, 2012. Disponível em: <http://jpress.jornalismojunior.com.br/2012/11/reciclagem-oleo-cozinha- evita-graves-problemas-ambientais/>. Acesso em: 07 de agosto de 2018.
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