Calor de Dissolução do Ácido Benzóico

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS - DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
QUÍMICA EXPERIMENTAL - 207
ENGENHARIA QUÍMICA
CALOR DE DISSOLUÇÃO
Acadêmicos: RA:
Giovana Junges Pattaro 124833
Laura Andrade da Mota 123511
Maria Fernanda Rodrigues 125149
Pedro Antonio Galacci Reinert 125101
Prof. Paulo Cesar S. Pereira
MARINGÁ
2023
1 - INTRODUÇÃO
1.1 – Fundamentação teórica
O calor é um dos conceitos base da físico-química, que consiste na energia térmica que
se transfere de um corpo para outro devido a diferença de temperatura entre eles. Segundo a
primeira lei da termodinâmica a energia interna (U) é igual ao calor (Q) somado ao trabalho (W):
(1)𝑑𝑈 = 𝑑𝑄 + 𝑑𝑊
Analogamente, o trabalho é a subtração do calor da energia interna, e pode ser definido
como a transferência da energia entre um corpo e sua vizinhança, ou, através da seguinte
equação:
(2)𝑑𝑊 = − 𝑃 · 𝑑𝑉
Com isso, substituindo a Equação (2) em (1), podemos dizer que a energia interna,
energia total do sistema, pode ser dada pela seguinte expressão:
(3)𝑑𝑈 = 𝑑𝑄 − (𝑃 · 𝑑𝑉)
Se considerado o volume do sistema constante, temos que sua variação é nula, dV = 0,
logo, a Equação (3) pode ser reescrita como:
(4)𝑑𝑈 = 𝑑𝑄
Além disso, como entalpia (H) é a quantidade máxima de energia do sistema que pode
ser transferida como calor, à pressão constante, e é dita pela fórmula:
(5)𝐻 = 𝑈 + 𝑃𝑉
Considerando a pressão constante, ou seja, dP = 0, podemos reescrever a Eq. (3) da
seguinte maneira:
(6)𝑑𝑄 = 𝑑(𝑈 + 𝑃𝑉)
E, substituindo a Equação (5) na (6), temos:
(7)𝑑𝑄 = 𝑑𝐻
Porém, podemos também determinar esses conceitos básicos levando em conta que a
variação da entalpia é igual ao calor absorvido:
(8)∆𝐻 = 𝑄
𝑝
e temos que:
(9)𝐶
𝑝
· 𝑑𝑇 = 𝑄
𝑃
Conseguimos determinar o valor da entalpia através da capacidade calorífica da matéria
a pressão constante:
(9)𝐶
𝑝
 = 
𝑄
𝑃
𝑑𝑇
Assim como podemos fazer esse mesmo processo para determinar a energia interna através da
capacidade calorífica a volume constante:
(10)𝐶
𝑉
 = 
𝑄
𝑉
𝑑𝑇
Por fim, podemos citar outro importante conceito da físico química, a energia de Gibbs
(G) é a energia útil do sistema que é usada para realizar trabalho, dada pela expressão:
(11)𝐺 = 𝐻 − 𝑇 · 𝑆
E, sua relação com a energia interna é dada pela substituição de (5) em (11), a qual
resulta em:
(12)𝐺 = 𝑈 + (𝑃 · 𝑉) − (𝑇 · 𝑆)
O calor de dissolução é a variação de entalpia na dissolução de 1 mol da substância em
solvente suficiente para que a solução seja diluída. A entalpia de dissolução é subdividida em
calor integral, diferencial, de diluição e diferencial de dissolução na saturação. O calor diferencial
da dissolução é o calor absorvido quando uma certa quantidade de soluto se dissolve em uma
quantidade de solução, onde esta não apresenta mudança significativa na concentração. Calor
integral é o calor liberado ou absorvido quando um mol de soluto se dissolve em uma certa
quantidade de solvente suficiente para uma dissolução de concentração desejada. Calor de
diluição é o calor extraído das vizinhanças quando se adiciona mais solvente a uma solução.
O calor de dissolução pode ser calculado utilizando a variação de calor no processo de
dissolução de um soluto para compor a solução saturada através da seguinte equação:
(13)
𝑑𝑙𝑛𝑆
𝑑( 1 /𝑇) =
−∆𝐻°
𝑑𝑖𝑠
𝑅 
onde, é a entalpia de dissolução, S a solubilidade do soluto, T a temperatura e R a∆𝐻°
𝑑𝑖𝑠
constante universal dos gases.
A partir dessas informações será possível determinar o calor diferencial de dissolução do
ácido benzóico em água observando a sua solubilidade em diferentes temperaturas,
comparando-as.
Além desses conceitos, temos a constante de equilíbrio, que relaciona as concentrações
dos reagentes e do produto quando ocorre o equilíbrio. O é o valor das constantes de𝐾
𝑐
equilíbrio em uma certa temperatura determinada, em função da concentração das espécies em
.𝑚𝑜𝑙. 𝐿−1
Quando o sistema estudado se encontra em equilíbrio, é possível calcular o calor através
da equação de Van’t Hoff, pela seguinte equação:
(14)
𝑑(𝑙𝑛 𝐾
𝑐
)
𝑑𝑇 = 
∆𝐻°
𝑅𝑇2
onde é a constante de equilíbrio, ∆𝐻° a variação da entalpia e T a temperatura.𝐾
𝑐
Ademais, podemos citar também a ideia de solução ideal, que significa aquela que
obedece a Lei de Raoult, a qual estabelece que a pressão de vapor do solvente sobre uma
solução é igual à pressão de vapor do solvente puro multiplicada pela fração molar do solvente
na solução. As soluções ideais possuem propriedades como, o calor de mistura dos
componentes puros para formar a solução é zero, além disso, a variação de volume na mistura é
zero. Para uma solução composta por um solvente volátil e um soluto não volátil, a pressão de
vapor no equilíbrio líquido-vapor para o solvente puro é maior que a pressão de vapor no
equilíbrio líquido-vapor para a solução, na mesma temperatura.
Para finalizar, a respeito do composto utilizado nesse experimento, o ácido benzóico,
sabe-se que é um composto aromático, que possui fórmula molecular C7H6O2, e pertence ao
grupo dos ácidos carboxílicos. É pouco tóxico, possui ponto de fusão de 122,4°C e ponto de
ebulição de 149,2°C ademais, se apresenta como um sólido incolor cristalino cuja estrutura
molecular é a representada abaixo:
Figura 1 - Representação da estrutura molecular do ácido benzóico.
Fonte: Autoria própria, 2023.
1.2 – Objetivos
Os objetivos dessa prática foram determinar o calor de dissolução por medidas
calorimétricas, determinar o calor em sistemas em equilíbrio e observar a constante de
solubilidade e sua dependência com a temperatura.
2 - PROCEDIMENTOS
a) Inicialmente, foram colocados 8,01 g de ácido benzóico em 400 mL de água. A mistura foi
colocada em um béquer grande (o qual foi parcialmente submerso em água sob
aquecimento) e aquecida por bico de bunsen e agitador magnético até que chegasse a
80oC.
b) Utilizando um funil com lã de vidro previamente aquecido com água destilada, foram
retiradas 7 amostras de 10 mL (cada uma com uma temperatura, começando em 60oC e
decaindo de 5 em 5 graus, até 30oC) e colocadas em béqueres menores, também
aquecidos. Nessa etapa, é importante que os materiais utilizados estejam em uma
temperatura elevada para evitar a cristalização do ácido benzóico, caso contrário, a
concentração de ácido seria diferente em cada amostra.
c) Aproximadamente 3 gotas de indicador ácido-base (fenolftaleína) foram adicionadas às
amostras. Em seguida, o béquer com a amostra de maior temperatura foi colocado sob
uma bureta que continha uma solução de NaOH. A bureta gotejou até que a solução de
ácido ficasse rosada e então o volume da solução básica utilizado foi aferido. O processo
repetiu-se para todas as amostras.
d) Entre cada parte do experimento, os instrumentos utilizados foram lavados com água
destilada e aquecidos novamente para a reutilização. Não houve recuperação do ácido
após a neutralização para a continuidade do experimento.
3 - RESULTADOS E DISCUSSÃO
Com o intuito de determinar o calor de dissolução do ácido benzóico, C7H6O2, pelo
método da solubilidade, foi realizada a titulação de alíquotas de 10 mL de uma solução aquosa
contentando tal ácido a diferentes temperaturas. Sendo o titulante o hidróxido de sódio, NaOH,
o titulado o próprio ácido e o indicador ácido-base a fenolftaleína.
Os dados referentes a temperatura absoluta na qual se encontrava a solução e ao volume
de NaOH gasto na titulação estão dispostos no Quadro (1), abaixo:
Quadro 1 - Dados coletados referentes às titulações realizadas.
TEMPERATURA (K) VOLUME GASTO (mL)
333,15 8,6
328,15 6,9
323,15 6,5
318,15 5,5
313,15 5,1
308,15 3,7-4
303,15 3,3
Fonte: Autoria própria, 2023.
Analisando os dados acima, é possível perceber que, à medida que a solução esfriava, a
quantidade de base gasta para a titulação diminuía, isto pode ser explicado pelo fato de que o
ácido benzóico é praticamente insolúvelem água e com a queda de temperatura a quantidade de
ácido ionizado diminui.
O ponto de viragem de uma titulação, que se refere ao volume gasto do titulante, é
aquele no qual a quantidade em mol da base se iguala à quantidade em mol do ácido.
Logo,
(15)𝑛
𝑁𝑎𝑂𝐻
= 𝑛
𝐶
7
𝐻
6
𝑂
2
A solução de NaOH utilizada possuía concentração molar (C) de 0,1 mol.L-1, então tem-se
que:
(16)𝑛
𝑁𝑎𝑂𝐻
= 𝐶
𝑁𝑎𝑂𝐻
. 𝑉
Sendo V o volume gasto na titulação em litros (L).
Dessa forma, o número de mols de ácido benzóico é:
(17)𝑛
𝐶
7
𝐻
6
𝑂
2
= 𝐶
𝑁𝑎𝑂𝐻
. 𝑉
O processo de dissolução do ácido benzóico ocorreu a pressão constante, isto significa
que o calor envolvido é igual à variação de entalpia:
(18)𝑞 = ∆𝐻
Para obter o calor de dissolução do ácido benzóico, utiliza-se a seguinte relação que é
obtida a partir da equação de Van’t Hoff:
(19)𝑙𝑛(𝑀) = 
−∆𝐻
𝑑𝑖𝑠𝑠
°
𝑅 𝑇 + 𝑐
Sendo M a molalidade em mol.kg-1, a variação de entropia molar padrão de∆𝐻
𝑑𝑖𝑠𝑠
°
dissolução em J.mol-1, R a constante universal dos gases, a qual vale 8,314 J.mol-1.K-1, T a
temperatura em kelvin (K) e c uma constante qualquer.
Dessa forma, ao plotar um gráfico de ln(M) versus T-1 e realizar a sua linearização,
obtém-se a relação:
(20) 𝑙𝑛(𝑀) = 
−∆𝐻
𝑑𝑖𝑠𝑠
°
𝑅 .
1
𝑇 + 𝑐 ⇔ 𝑦(𝑥) = 𝑎𝑥 + 𝑏
é:
A molalidade (M) é definida como a razão entre o número de mols do soluto e a massa
do solvente em quilograma. O soluto é o ácido benzóico cujo número de mols é dado pela Eq.
(3). O solvente é a água cuja massa específica foi considerada constante e igual a 1 g.mL-1 e,
como o volume das alíquotas foi de 10 mL, tem-se que a massa do solvente
(21)𝑚
𝐻
2
𝑂
= 1 𝑔𝑚𝐿 . 10 𝑚𝐿.
1 𝑘𝑔
1000 𝑔 = 0, 01 𝑘𝑔
A partir dos dados do quadro (1) e das relações envolvendo a molalidade, a seguinte
tabela é construída:
Quadro 2 - Dados referentes às molalidades do ácido benzóico em diferentes temperaturas.
M (mol/kg) ln(M) T (K) T-1 (K-1)
0,086 -2,453407983 333,15 0,003001651
0,069 -2,673648774 328,15 0,003047387
0,065 -2,733368009 323,15 0,003094538
0,055 -2,900422094 318,15 0,003143171
0,051 -2,975929646 313,15 0,003193358
0,037 -3,296837366 308,15 0,003245173
0,033 -3,411247718 303,15 0,003298697
Fonte: Autoria própria, 2023.
Com isso, é feita a plotagem de um gráfico de ln(M) versus T-1:
Figura 2 -gráfico de ln(M) versus T–1.
Fonte: Autoria própria, 2023.
É possível observar um comportamento decrescente no gráfico o que já era esperado,
visto que o número de mols de ácido benzóico ionizados diminui conforme a temperatura
diminui, pois a solubilidade deste caí também. Isto é provado pelo fato de que a menores
temperaturas o volume de NaOH gasto na titulação é menor.
Realizando a linearização do gráfico, é obtida a seguinte equação de reta:
(22)𝑦(𝑥) = − 3153, 9248 𝑥 + 7, 00245
Logo, pela equação acima, o coeficiente angular (a) vale -3153,9248 e o coeficiente linear
(b) vale 7,00245.
Pela relação mostrada na Eq. (20), tem-se que:
(23)𝑎 =
−∆𝐻
𝑑𝑖𝑠𝑠
°
𝑅 ⇔ ∆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑠
° = − 𝑎. 𝑅
Dessa forma, pode-se calcular a variação da entropia molar padrão de dissolução do
ácido benzóico a qual, como o processo ocorreu a pressão constante, corresponde ao calor de
dissolução:
(24) ∆𝐻
𝑑𝑖𝑠𝑠
° = − (− 3153, 9248). (8, 314) = 26221, 73 𝐽. 𝑚𝑜𝑙−1 = 26, 22173 𝑘𝐽. 𝑚𝑜𝑙−1
Um valor de 26,2273 kJ.mol-1 para o calor de dissolução do ácido benzóico é aceitável,
visto que foram feitas várias considerações para chegar em tal valor, como: a solução foi
considerada ideal, algo que só acontece quando a fração molar do soluto tende a zero, logo, se
as alíquotas fossem mais diluídas, os resultados poderiam ter sido melhores e a massa específica
da água no intervalo de temperatura correspondente ao experimento, de 60 °C até 30 °C, foi
considerada constante, porém sabe-se que o volume da água varia com a temperatura, logo, a
sua massa específica não é constante. Inclusive, há também possíveis erros experimentais, como
equívocos envolvendo a titulação e também sobre a medição da temperatura, pois foi utilizado
um termômetro digital o qual não possui muita precisão e como há várias trocas térmicas no
processo, não tinha como garantir que as alíquotas estavam exatamente naquela temperatura.
4 - CONCLUSÃO
Com a realização desta prática experimental, foi possível aplicar vários conceitos de
físico-química e também chegar a um valor para o calor de dissolução do ácido benzóico. Por
meio da titulação de alíquotas de soluções aquosas deste ácido a diferentes temperaturas,
utilizando o método da solubilidade, pode-se aplicar os conhecimentos acerca do equilíbrio
químico em soluções ideais. Desta forma, foi obtido um valor satisfatório para o calor de
dissolução dada às condições experimentais. Com isso, pode-se concluir que os objetivos deste
experimento foram alcançados.
5 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
Apostila de Química Experimental, UEM, 2022.
Atkins, P. W. Físico-Química. 6ª edição, vol. 1. Editora LTC. Rio de Janeiro, 2001.
Castellan, G. Fundamentos de Físico-química – LTC, 1996.
DO AMARAL, Edenia Maria Ribeiro; MORTIMER, Eduardo Fleury. Uma proposta de perfil
conceitual para o conceito de calor. Revista Brasileira de Pesquisa em Educação em Ciências, v.
1, n. 3, 2001. Acesso em: 20 jan. 2023.
OLIVEIRA, P. H. R.; REIS, R. R.; ACID, Benzoic. Ácido Benzóico (CAS 65-85-0). Revista Virtual da
Química., v. 9, n. 6, 2017. Acesso em: 21 jan. 2023.
Rodrigues, L. Equilíbrio químico nas reações de obtenção do biodiesel, 2018.