Crioscopia: Determinação da massa molar de solutos

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ 
 CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS - DEPARTAMENTO DE QUÍMICA 
 QUÍMICA EXPERIMENTAL - 207 
 ENGENHARIA QUÍMICA 
 3 
 Crioscopia 
 ACADÊMICOS: RA: 
 Joao Pedro Rabello Lima 126349; 
 Joao Vitor Tavares Leite 126356; 
 Pedro Henrique Schmoeller Bacurau 123812; 
 Sofia Náthaly Toneze Pavania 126352; 
 Guilherme Castanho 124047; 
 Renan Henrique Luna Girotti 126338; 
 Mateus Araújo Tavares 122834; 
 PROFESSOR: Paulo Cesar S. Pereira 
 MARINGÁ-PR 
 2023 
 1. INTRODUÇÃO 
 A mudança na energia de um sistema termodinâmico por conta da variação 
 no número de mols de uma substância no sistema é conhecida como potencial 
 químico dessa substância. O potencial químico, μ, tem como definição a variação na 
 energia livre de Gibbs em relação à quantidade de matéria, com temperatura e 
 pressão constantes, como expresso na Equação 1 . 
 ( Equação 1 . Potencial Químico) 
 No caso de substâncias puras, o potencial químico consiste na energia livre 
 de Gibbs, à medida que o número de mols da substância pura varia, ou seja, um 
 mol de gás tem o potencial químico como apresentado na Equação 2 . 
 ( Equação 2 . Potencial Químico para substância pura) 
 A Equação 3 demonstra o caso de misturas hipotéticas, onde o potencial 
 químico pode ser expresso em termo da pressão parcial, sendo pi a pressão parcial 
 do componente i em atm. 
 ( Equação 3 . Potencial químico para mistura hipotética) 
 As propriedades coligativas têm como objetivo estudar a variação das 
 propriedades dos diferentes solventes existentes mediante a adição de um soluto. 
 São influenciadas pela concentração do soluto. Existem quatro propriedades 
 coligativas, sendo elas: tonoscopia, ebulioscopia, crioscopia e osmose. 
 A crioscopia é a propriedade coligativa que avalia a diminuição da 
 temperatura de fusão (solidificação) do solvente quando se adiciona um soluto não 
 volátil. A partir da técnica utilizando esta propriedade coligativa é possível 
 determinar a massa molar de uma substância desconhecida. 
 A constante crioscópica da água é 1,86 K.kg.mol⁻¹, enquanto a constante 
 crioscópica do álcool terc-butílico é 8,3 K.kg.mol⁻¹. 
 Tratando-se de temperatura de fusão, também conhecida como temperatura 
 de solidificação ou ponto de fusão, define-se a temperatura em que uma substância 
 sólida transmuta sua agregação para o estado líquido. O ponto de fusão das 
 substâncias puras são conhecidas e utilizadas principalmente para identificar ou 
 verificar graus de pureza, por meio de uma comparação do ponto de fusão teórico 
 com o obtido experimentalmente. Existem alguns fatores que podem alterar a 
 temperatura de fusão, como a concentração da substância e a pressão exercida 
 sobre ela. 
 Para medir o ponto de fusão de uma substância é necessário métodos 
 capazes de aferir precisamente a temperatura enquanto ocorre o aquecimento. O 
 método mais simples e comum é o conhecido método capilar, mas existem métodos 
 mais sofisticados como alguns aparelhos específicos para a determinação do ponto 
 de fusão. 
 Em continuidade, o equilíbrio metaestável corresponde a qualquer estado do 
 sistema diferente do estado de equilíbrio mais estável - diferente do equilíbrio 
 termodinâmico - que traz consigo uma associação de restrição que impede a 
 transição imediata deste para o estado mais estável sem alguma perturbação 
 significativa de origem geralmente externa ao sistema. O sistema pode, assim, 
 permanecer por longos períodos de tempo no estado metaestável sem transitar para 
 o estado mais estável. Contudo, presente a influência externa, ou interna adequada, 
 o sistema irá transitar para o estado mais estável. 
 A representação gráfica abaixo ilustra um caso clássico unidimensional de 
 um estado metaestável (1); (2) representa um estado instável e (3) um estado 
 estável. A bolinha é assumida estática em cada um dos pontos indicados. No eixo 
 vertical tem-se a altura, diretamente relacionada à energia potencial do sistema - 
 que corresponde, no caso representado, à energia total do sistema - e na horizontal, 
 a posição espacial da bolinha ao longo da rampa. 
 Figura 1: Estado Metaestável 
 2. OBJETIVOS 
 Determinação da massa molar de solutos via crioscopia usando álcool 
 terc-butílico como solvente. 
 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 
 3.1 Materiais utilizados 
 ● Suporte universal e garra metálica; 
 ● Béquer de 500 mL; 
 ● 2 tubos de ensaio (sendo 1, de boca mais larga); 
 ● Termômetros; 
 ● Fio de cobre; 
 ● Rolha; 
 ● Cubos de gelo; 
 ● Álcool terc-butílico; 
 ● Pipeta volumétrica de 5 mL; 
 ● Pipeta volumétrica de 0,2 mL. 
 3.2 Metodologia 
 O sistema é montado utilizando suporte universal, garras e tela de 
 aquecimento. É preparado em uma bacia água para um banho e adiciona-se 15 ml 
 de álcool terc-butílico, este foi acoplado a um termômetro e um fio de cobre, presos 
 à uma rolha, para que o sistema se mantivesse fechado. 
 O tubo de ensaio com o álcool é quase submerso em um béquer e tal tubo de 
 ensaio é segurado por uma garra no suporte de modo que este ficasse submerso na 
 água contida no béquer. Outro termômetro foi acoplado com uma garra, para que 
 este ficasse em contato com a água do banho. 
 A temperatura era verificada pelo contato da água no béquer que logo nos 
 apresenta a temperatura do sistema por completo.É utilizado cubos de gelo que nos 
 disponibiliza uma alteração na temperatura menos repentina, podendo assim 
 executar o experimento com mais cautela, até que o sistema contido no tubo se 
 solidificasse, sempre agitando com o fio de cobre, tomando cuidado para que a 
 rolha não saísse do tubo. Após a solidificação do álcool, anotou-se a temperatura. 
 Na segunda parte da prática, os materiais foram limpos e realizou-se o 
 mesmo procedimento, adicionando 0,6 mL da amostra desconhecida de soluto e 
 adicionou-se gelo até a solidificação do álcool com o soluto inserido no tubo. O 
 mesmo procedimento foi realizado para mais sete amostras de soluto. 
 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES 
 Nesta prática foram realizados diversos banhos de gelo em amostras de 
 10,00 mL álcool terc-butílico puro e com 0,200 mL dos solutos 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9. 
 Foram observados atentamente os momentos de congelamento e fusão das 
 alíquotas, anotando as temperaturas obtidas para cada tubo de ensaio e aplicando 
 uma média nos dois valores obtidos de cada amostra. Foi também calculada a 
 diferença (ΔT(F)) entre as temperaturas de fusão média do solvente utilizado (T(F) 
 terc-butanol) e de fusão média do solvente na presença de cada soluto (T(F) 
 solução). Tais valores foram agrupados na Tabela 1. 
 Tabela 1: valores experimentais de temperatura de fusão, congelamento, suas 
 médias para as amostras e variação entre as temperaturas de fusão médias para o 
 solvente puro e para o solvente na presença de cada soluto nas 8 soluções. 
 Composição 
 da mistura 
 Temperatura de 
 Congelamento 
 (ºC) 
 Temperatura 
 de Fusão 
 (ºC) 
 Temperatura 
 média 
 (ºC) 
 ΔT F (ºC) 
 Álcool puro 25 25 25 - 
 Álcool + 
 soluto 1 
 22 22 22 3,0 
 Álcool + 
 soluto 3 
 18 1818 7,0 
 Álcool + 
 soluto 4 
 19 19 19 6,0 
 Álcool + 
 soluto 5 
 21 21 21 4,0 
 Álcool + 
 soluto 6 
 22 22 22 3,0 
 Álcool + 
 soluto 7 
 19 19 19 6,0 
 Álcool + 
 soluto 8 
 18 18 18 7,0 
 Álcool + 
 soluto 9 
 19,5 19,5 19,5 5,5 
 A Tabela 2 contém os dados de fórmula percentual, assim como a densidade 
 dos solutos utilizados na prática: 
 Tabela 2: Dados de fórmula percentual e densidade dos solutos 1, 3, 4, 5, 6, 
 7, 8 e 9 (a 20,0 ºC) 
 Soluto %C %H %O %Cl d (g/cm³) 
 1 83,60 16,40 - - 0,660 
 3 14,14 2,38 - 83,48 1,327 
 4 10,06 0,85 - 89,09 1,483 
 5 91,23 8,77 - - 0,867 
 6 92,24 7,76 - - 0,879 
 7 62,02 10,43 27,54 - 0,790 
 8 52,13 13,15 34,72 - 0,789 
 9 - 11,21 88,79 - 0,998 
 A partir das temperaturas anotadas, foi possível determinar a massa molar de 
 cada soluto a partir da equação (1): 
 MMsoluto = 𝐾𝑐 × 1000 × 𝑀𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 ∆ 𝑇 × 𝑀𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒 
 (1) 
 Onde: Kc é a constante crioscópica do solvente. Para o álcool terc-butílico 
 Kc = 8,3 K kg/mol; ×
 Msoluto e Msolvente são as massas de soluto e solvente, 
 respectivamente; 
 T é a diferença entre a temperatura média de fusão do solvente puro ∆
 e de solvente com soluto. [2] 
 Os cálculos foram, então, realizados para as 3 amostras da seguinte forma, 
 exemplificada a partir da amostra que continha soluto 4: 
 Primeiramente, determinou-se a massa de soluto e solvente, tomando-se a 
 densidade do álcool como = 0,781 g/cm³ [3] e a dos solutos dada pela Tabela 2. ρ
 M solvente = solvente V solvente = 0,781 10,00 = 7,81 g ρ × ×
 M soluto,1 = soluto,1 V soluto,1 = 0,660 0,200 = 0,132 g ρ × ×
 T = 25 - 22 = 3,0 ºC = 3,0 K ∆
 Então, aplicou-se a equação (1): 
 MM soluto,1 = = 46,76 kg/mol 8 , 3 × 1000 × 0 , 132 3 , 0 × 7 , 81 
 Os mesmos cálculos foram repetidos para as outras duas amostras, 
 obtendo-se as seguintes massas molares experimentais: 
 MM soluto,1 = 46,76 kg/mol 
 MM soluto,3 = 40,29 kg/mol 
 MM soluto,4 = 52,53 kg/mol 
 MM soluto,5 = 46,07 kg/mol 
 MM soluto,6 = 62,28 kg/mol 
 MM soluto,7 = 27,99 kg/mol 
 MM soluto,8 = 23,96 kg/mol 
 MM soluto,9 = 19,28 kg/mol 
 Em seguida, para determinar a taxa de erro (E%), utilizou-se a Tabela 2 para 
 se identificar a fórmula molecular de cada soluto. 
 Para o soluto 1 a Tabela 2 indica 83,60% Carbono e 16,40% Hidrogênio. As 
 massas atômicas para esses elementos são 12,0 e 1,01 respectivamente. Portanto, 
 para uma base de cálculo de 100 g de composto, foi obtido que: 
 n carbono = m carbono / MM carbono = 83,60 / 12,0 = 6,97 mol 
 n hidrogênio = m hidrogênio / MM hidrogênio = 16,40 / 1,01 = 16,94 mol 
 Em seguida esses resultados foram divididos coletivamente por 0,838 para a 
 obtenção de uma fórmula molecular mais coerente: 
 n carbono = 83,60 / 83,60 = 1 mol 
 n hidrogênio = 0,842 / 0,838 2,33 mol ≃
 Assim foi provado que a fórmula molecular do soluto 4 é C 6 H 14 , que possui 
 massa molar teórica de 6x(12) + 14x(1,01)= 86,14 g/mol. Por conseguinte, 
 calculou-se o erro percentual. 
 E% = = = 45,72% 𝑀𝑀𝑡𝑒 ó 𝑟𝑖𝑐𝑎 − 𝑀𝑀𝑒𝑥𝑝 𝑀𝑀𝑡𝑒 ó 𝑟𝑖𝑐𝑎 × 100 
 86 , 14 − 46 , 76 
 86 , 14 × 100 
 Os mesmos cálculos foram repetidos de forma similar para os outros solutos 
 e obtiveram-se os seguintes resultados: 
 Soluto 3: CH 2 Cl 2 
 MM teórica = 1x(12) + 2x(1,01) + 2x(35,5) = 84,93 g/mol 
 E% = 52,56% 
 Soluto 4: CHCl 3 
 MM teórica = 1x(12) + 1x(1,01) + 3x(35,5) = 119,38 g/mol 
 E% = 56,00 
 Soluto 5: C 7 H 8 
 MM teórica = 7x(12) + 8x(1,01) = 92,14 g/mol 
 E% = 50% 
 Soluto 6: C 6 H 6 
 MM teórica = 4x(12) + 4x(1,01) = 52,04 g/mol 
 E% = 19,68% 
 Soluto 7: C 3 H 6 O 
 MM teórica = 3x(12) + 6x(1,01) + 1x(16) = 58,08 g/mol 
 E% = 51,8% 
 Soluto 8: C 2 H 6 O 
 MM teórica = 2x(12) + 6x(1,01) + 1x(16) = 46,07 g/mol 
 E% = 48% 
 Soluto 9: H 2 O 
 MM teórica = 6x(1,01) + 1x(16) = 18,01 g/mol 
 E% = 7,05% 
 Os erros calculados podem ser explicados pela baixa pressão de vapor do 
 álcool terc-butílico, a leitura e calibragem do termômetro, o erro volumétrico ao 
 medir o solvente pela proveta e, também, o erro intrínseco à pipeta. 
 5. CONCLUSÃO 
 As massas molares dos nove solutos em solução composta por terc-butanol 
 como solvente puderam ser efetivamente determinadas com auxílio do método 
 crioscópico, com erros percentuais elevados levando em consideração a 
 simplicidade da aparelhagem empregada para aplicação do método. Isso evidencia 
 uma baixa precisão e confiabilidade quando se trata de análises físico-químicas 
 mais apuradas e cautelosas. Ainda assim, pode-se considerar o terc-butanol um 
 solvente extremamente útil para determinação de massas molares de diversos 
 solutos. 
 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 [1]. Russel, John B. Química geral vol. 1 São Paulo: Pearson Education do Brasil, 
 Makron Books, 1994; 
 [2]. BROWN, T.L., LEMAY, H. E., BURSTEN, B. E. Química, A Ciência Central . 9ª 
 Edição, São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005. 
 [3]. SEMISCHIN, V., Laboratory Exercises in General Chemistry , Peace 
 Publishers, Moscow, 1967. 
 [4]. LENZI, E.; FAVERO, L.O.B.; TANAKA, A.S.; VIANA FILHO, E.A.; SILVA, M.B. 
 Química geral Experimental . Rio de Janeiro: Freitas bastos editora, 2004, p.201; 
 [5]. Tabela Periódica.