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QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA A Faculdade Multivix está presente de norte a sul do Estado do Espírito Santo, com unidades presenciais em Cachoeiro de Itapemirim, Cariacica, Castelo, Nova Venécia, São Mateus, Serra, Vila Velha e Vitória, e com a Educação a Distância presente em todo estado do Espírito Santo, e com polos distribuídos por todo o país. Desde 1999 atua no mercado capixaba, destacando-se pela oferta de cursos de graduação, técnico, pós-graduação e extensão, com qualidade nas quatro áreas do conhecimento: Agrárias, Exatas, Humanas e Saúde, sempre primando pela qualidade de seu ensino e pela formação de profissionais com consciência cidadã para o mercado de trabalho. Atualmente, a Multivix está entre o seleto grupo de Instituições de Ensino Superior que possuem conceito de excelência junto ao Ministério da Educação (MEC). Das 2109 instituições avaliadas no Brasil, apenas 15% conquistaram notas 4 e 5, que são consideradas conceitos de excelência em ensino. Estes resultados acadêmicos colocam todas as unidades da Multivix entre as melhores do Estado do Espírito Santo e entre as 50 melhores do país. MISSÃO Formar profissionais com consciência cidadã para o mercado de trabalho, com elevado padrão de quali- dade, sempre mantendo a credibilidade, segurança e modernidade, visando à satisfação dos clientes e colaboradores. VISÃO Ser uma Instituição de Ensino Superior reconhecida nacionalmente como referência em qualidade educacional. R E I TO R GRUPO MULTIVIX R E I 2 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 3 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 BIBLIOTECA MULTIVIX (Dados de publicação na fonte) Gisele Silvestre da Silva Química Analítica e Orgânica / SILVA, G.S. - Multivix, 2020 Catalogação: Biblioteca Central Multivix 2020 • Proibida a reprodução total ou parcial. Os infratores serão processados na forma da lei. 4 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 LISTA DE QUADROS UNIDADE 1 Propriedades e classificação de íon, coloide e partícula cristalina 12 Regras de solubilidade 15 Processo de nucleação e crescimento de partícula associado com o tamanho da partícula 18 Resultado prático em relação ao valor de RSS 21 Qual é a diferença entre seco e calcinação? 24 Vantagens e desvantagens da gravimetria 27 UNIDADE 2 Constante de equilíbrio de alguns ácidos polipróticos a 25°C 34 Diferença entre ponto final e ponto de equivalência 42 UNIDADE 3 Concentração de Cloreto e gráfico do volume de AgNO3 versus pCl 65 Titulação de Cd2+ com 0,0100 M EDTA na presença de 0,0100 M NH3 (pH=10) 85 UNIDADE 4 Valores de constante de estabilidade condicional (KMY) em função do cátions metálicos 87 Iodometria versus iodimetria 99 UNIDADE 5 Titulação de 0,100 M Fe2+ with 0,100 M Ce4+ 106 5 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 UNIDADE 6 Propriedades do carbono 112 Hidrocarbonetos saturados e insaturados 113 Tipos de ligações básicas C-C no Metano, etano e eteno 114 Isômeros funcional da fórmula molecular C4H10O – Éter versus álcool 123 6 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 LISTA DE FIGURAS UNIDADE 1 Reação de precipitação 14 Etapas fundamentais do processo gravimétrico padrão 20 Processo de Calcinação 21 UNIDADE 2 Perfil geral das curvas de titulação ácido-base 38 Curva de titulação, produzida quando uma base forte é adicionada a um ácido forte 43 Curva de titulação de um ácido fraco sendo titulado por uma base forte 44 Curva de titulação de uma base fraca sendo titulada por um ácido forte 44 UNIDADE 3 Volumetria de precipitação de Cloreto de prata 62 UNIDADE 4 Espécies iônicas do negro de eriocromo T em função do pH 80 UNIDADE 5 A) Esquema simplificado de célula de titulação potenciométrica; B) curva de titulação redox 104 7 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 UNIDADE 6 Versatilidade do carbono quanto ao comprimento, ramificação, ligação dupla e presença de anéis aromáticos 116 Diferentes combinações da ligação carbono-carbono 120 Álcool etílico versus éter etílico 122 Serie de tendência de estabilidade dos C, N, O e F (2° período da Tabela Periódica) 128 pKa de alguns ácidos carboxílicos típicos 129 Valores de pKa da “Hans Reich’s Collection 130 8 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 1UNIDADE SUMÁRIO APRESENTAÇÃO DA DISCIPLINA 10 1 GRAVIMETRIA E O USO DA MASSA COMO UM SINAL ANALÍTICO 12 INTRODUÇÃO 12 1.1 PROPRIEDADES DE PRECIPITADOS E REAGENTES PRECIPITANTES 12 1.2 APLICAÇÕES GRAVIMÉTRICAS PRECIPITAÇÃO A PARTIR DE UMA SOLUÇÃO HOMOGÊNEA 25 2 VOLUMETRIA DE NEUTRALIZAÇÃO 31 INTRODUÇÃO 31 2.1 TITULOMETRIA DE NEUTRALIZAÇÃO EM MEIO AQUOSO 32 2.2 TITULAÇÃO ÁCIDO-BASE 41 3 VOLUMETRIA DE PRECIPITAÇÃO 53 INTRODUÇÃO 53 3.1 PRECIPITAÇÃO QUÍMICA 55 3.2 TITULOMETRIA DE PRECIPITAÇÃO 62 4 VOLUMETRIA DE COMPLEXAÇÃO 72 INTRODUÇÃO 72 4.1 INTRODUÇÃO AOS EQUILÍBRIOS E PROCESSOS DE COMPLEXAÇÃO COM EDTA 74 4.2 TITULOMETRIA DE COMPLEXAÇÃO 82 5 VOLUMETRIA DE OXIRREDUÇÃO 93 INTRODUÇÃO 93 5.1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE OXIRREDUÇÃO 95 5.2 TIPOS DE TITULOMETRIA DE OXIRREDUÇÃO 100 6 COMPOSTOS ORGÂNICOS 113 INTRODUÇÃO 113 6.1 PROPRIEDADES DOS PRINCIPAIS TIPOS DE COMPOSTOS ORGÂNICOS 115 6.2 REAÇÕES EM CARBONOS 126 2UNIDADE 3UNIDADE 4UNIDADE 5UNIDADE 6UNIDADE 9 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 ATENÇÃO PARA SABER SAIBA MAIS ONDE PESQUISAR DICAS LEITURA COMPLEMENTAR GLOSSÁRIO ATIVIDADES DE APRENDIZAGEM CURIOSIDADES QUESTÕES ÁUDIOSMÍDIAS INTEGRADAS ANOTAÇÕES EXEMPLOS CITAÇÕES DOWNLOADS ICONOGRAFIA 10 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA APRESENTAÇÃO DA DISCIPLINA Gravimetria inclui todos os métodos analíticos em que o sinal analítico é uma medição de massa ou uma mudança na massa (SKOOG, WEST, HOLLER, CROUCH, 2005). Quando você pisa em uma balança após o exercício, está fa- zendo, de certa forma, uma determinação gravimétrica de sua massa. A mas- sa é a mais fundamental de todas as medidas analíticas. A importância da química aplicada ao desenvolvimento de produtos diver- sos que atendam as necessidades da sociedade atual nunca foi tão eviden- te. Haja vista a demanda da sociedade por uma variedade de alimentos se- guros, bens de consumo acessíveis, energia abundante e tecnologias que economizam mão de obra representam um grande demanda de ordem econômico, política e social. Nesse contexto atual, as técnicas de química analítica e conhecimentos de química orgânica básica são constantemente utilizados no desenvolvimento de produtos aplicados aos mais diversos modelos industriais em áreas am- bientais, medicinais, alimentícias, dentre outros. Neste curso, você aprenderá as ideias científicas centrais necessárias para uma compreensão básica da química aplicada, além disso, nós vamos promover a compreensão de métodos clássicos quantitativos e da química orgânica básica. Você começará a apreciar como ideias relativamente simples se desenvol- vem e progridem para cálculos e ideias mais complexos que podem ser apli- cados a fim de gerar novos consumíveis adequados para atender aos apelos da nossa sociedade. UNIDADE 1 OBJETIVO Ao final desta unidade, esperamos que possa: 11 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA > classificar e compreender os métodosgravimétricos. > efetuar cálculos gravimétricos. > reconhecer aplicabilidade, além de desenvolver a habilidade de planejar e aplicar os métodos gravimétricos. 12 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA 1 GRAVIMETRIA E O USO DA MASSA COMO UM SINAL ANALÍTICO INTRODUÇÃO Gravimetria é um método de análise quantitativo macroscópico porque en- volve quantidades relativamente importantes de uma substância a ser deter- minada que chamamos de analito. (CARTWRIGHT; NEWMAN; WILSON, 1967; HERNÁNDEZ MÉNDEZ; ALONSO MATEOS; MARTÍN MATEOS, 1986). Dessa forma, o analito de interesse da amostra em teste, deve ser sepa- rado como um composto que o contenha em proporções fixas, definidas e constantes que possa ser quantificado por simples pesagem (SKOOG, WEST, HOLLER, CROUCH, 2005). Como o peso pode ser medido com maior precisão do que quase qualquer outra propriedade fundamental, a análise gravimétrica é potencialmente uma das classes mais precisas de métodos analíticos. Vamos conhecer dois tipos fundamentais de análise gravimétrica – precipitação e volatilização. Na gravimetria de precipitação, que é o nosso assunto nesta unidade, o ana- lito é separado de uma solução da amostra como um precipitado e, pode ser convertido em um composto de composição conhecida que pode ser pesado (SKOOG, WEST, HOLLER, CROUCH, 2005). Nesta unidade vamos proporcionar conhecimento teórico básico sobre essas técnicas gravimétricas, veremos a fundamentação teórica e algumas aplicações industriais. 1.1 PROPRIEDADES DE PRECIPITADOS E REAGENTES PRECIPITANTES Gravimetria de precipitação é uma técnica analítica que usa uma reação de precipitação para separar íons de uma solução. O reagente químico adiciona- do para causar a precipitação é denominado reagente precipitante. Este tem por característica ideal reagir com o analítico de forma especifico e seletivo, de forma a favorecer a formação de um produto insolúvel (precipitado) que possa ser estável o suficiente para que a massa possa ser pesada e, dessa forma, a massa do produto é usada como um sinal analítico (ERDEY, 1965; FIEKERS, 1954, 1956; RATTENBURY, 1966). 13 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 Em química, um precipitado é um sólido insolúvel que emerge de uma solu- ção líquida (SKOOG, WEST, HOLLER, CROUCH, 2005; VOGEL, 1981). A forma- ção do sólido insolúvel proveniente de uma reação entre compostos solúveis é chamada de precipitação. Frequentemente, o precipitado surge como uma suspensão. Quanto à natureza dos precipitados é fundamental que o preci- pitado tenha baixa solubilidade, elevada pureza e composição conhecida. As características fundamentais do precipitado e do agente precipitante encon- tram-se resumida no Quadro a seguir. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTAIS DO REAGENTE PRECIPITANTE E PRECIPITADO Precipitado Agente precipitante I. Produto final facilmente filtrado e lavado para remoção de contaminantes; II. Solubilidade o suficientemente baixa para que não haja perda significativa do analito durante os processos de filtração e lavagem; I. Reage especificamente ou pelo menos seletivamente com o com o analito para formar; II. Não-reativo com os constituintes da atmosfera; III. ossui composição química conhecida após a sua secagem ou, se necessário, calcinação. Fonte: Skoog, West, Holler e Crouch (2005). 1.1.1 FATORES QUE DETERMINAM O TAMANHO DAS PARTÍCULAS DE PRECIPITADO Dos muitos métodos que podem ser empregados para isolar o constituinte desejado de uma solução de uma amostra, o mais comum é a precipitação - isto é, a transformação em uma substância insolúvel na solução. É adicionado um reagente que forma um composto insolúvel com o constituinte desejado, mas não precipita outros constituintes da amostra. O tamanho das partículas de sólidos formados pela precipitação varia enor- memente. Em um extremo estão as suspensões coloidais, cujas minúsculas partículas são invisíveis a olho nu (10-7 a 10-4 cm de diâmetro). Partículas co- loidais não mostram tendência de se sedimentar da solução e são difíceis de filtrar. No outro extremo, estão as partículas com dimensões da ordem 14 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA de décimos de milímetro ou mais. A dispersão temporária de tais partículas na fase líquida é chamada de suspensão cristalina. As partículas de uma sus- pensão cristalina tendem a se depositar espontaneamente e são facilmente filtradas. De acordo, com o tamanho são definidas como íon, coloide ou par- tícula (Tabela a seguir). PROPRIEDADES E CLASSIFICAÇÃO DE ÍON, COLOIDE E PARTÍCULA CRIS- TALINA Nome Diâmetro Características Íon ~10-8 cm (A°) Dissolvido Colóide 10-7~10-4 cm (nm-µm) Suspenso Partícula cristalina >10-4cm (µm) Decantado da solução (filtrável) Fonte: Skoog, West, Holler e Crouch (2005). Reação de precipitação As reações de precipitação ocorrem quando certos pares de íons com carga oposta se atraem com tanta força que formam um sólido iônico insolúvel (SKOOG, WEST, HOLLER, CROUCH, 2006; VOGEL, 1981). Os contra-íons presentes na solução são atraídos para formar pares iônicos. A Figura a seguir mostra duas soluções homogêneas e transparentes, uma contendo nitrato de chumbo (Pb) e a outra contendo iodeto de potássio (KI). Ou seja, a reação entre esses dois solutos produz um produto amarelo insolúvel. As reações que resultam na formação de um produto insolúvel são conhecidas como reações de precipitação. Na Figura a seguir, o precipitado é iodeto de chumbo, um composto que tem uma solubilidade muito baixa em água. 15 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 REAÇÃO DE PRECIPITAÇÃO PbI2(s)+ 2KNO3(aq)2KI(aq) Pb(NO3)2(aq) A adição de uma solução incolor de iodeto de potássio ( Kl ) a uma solução incolor de nitrato de chumbo [Pb(NO3)2] produz um precipitado amarelo de iodeto de chumbo ( PbI2 ) que lentamente se deposita no fundo do copo Fonte: Pearson Education Product Support team (2020). #PraCegoVer A reação que ocorre a partir da adição de uma solução incolor de Kl a uma solução incolor de PB(NO3)2 produz um precipitado amarelo de PbI2 que lentamente se deposita no fundo do copo na forma de um precipitado. Quando efetuamos uma precipitação em laboratório o objetivo é separar a fase sólida em um meio filtrante como papel de filtro. Essa condição expe- rimental é conseguida com a formação inicial de um pequeno número de núcleos primários, que tem condições de crescer e formar cristais grandes. Quando os precipitados são formados em supersaturações relativas mais altas, muitos produtos precipitam como partículas primárias cujo tamanho de partícula não pode ser muito aumentado porque quase nenhum soluto dissolvido permanece acima da solubilidade (precipitado colóide). Por outro 16 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA lado, se a supersaturação relativa for pequena, quase não haverá núcleos, que podem continuar a crescer a partir dos íons na solução, e o precipitado final será relativamente grande, formando bons cristais (precipitado cristalino). A solubilidade de uma substância é a quantidade dessa substância que pode ser dissolvida em uma determinada quantidade de solvente. Alguns compos- tos ou solutos se dissolvem, outros produzem um precipitado ou sólido e, ain- da alguns reagem com água. Qualquer substância com solubilidade inferior a 0,01 mol/L será referida como insolúvel. Nesses casos, a atração entre os íons de carga oposta no sólido é muito gran- de para que as moléculas de água os separem de forma significativa, e a subs- tância permanece em grande parte não dissolvida. Infelizmente,não existem regras baseadas em propriedades físicas simples, como carga iônica, para nos guiar na previsão se um determinado composto iônico será solúvel ou não. Observações experimentais, no entanto, levaram a diretrizes para prever a so- lubilidade de compostos iônicos tal como exposto na Tabela anterior. Solubilidade, previsão de reação de precipitação e produto de solubilidade Dependendo da solubilidade de um soluto, existem três resultados possíveis: i) se a solução tem menos soluto do que a quantidade máxima que é capaz de dissolver (sua solubilidade) é uma solução diluída; ii) se a quantidade de soluto for exatamente igual à sua solubilidade, ele está saturado; iii) se houver mais soluto do que pode ser dissolvido, o excesso de soluto se separa da solução. Se este processo de separação inclui cristalização, ele forma um precipitado. A precipitação diminui a concentração do soluto até a saturação, a fim de aumentar a estabilidade da solução. A Tabela a seguir resume as diretrizes de solubilidade para compostos iônicos comuns de acordo com o ânion no composto. 17 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 REGRAS DE SOLUBILIDADE QUAIS ÍONS SÃO SOLÚVEIS? Ions Exceção Metais alcalinos (Grupo I) Na+, K+, etc. Íons de amônio NH4 + Nitratos, acetatos, cloratos e percloratos NO3 -, C2H3O2 -, ClO3 -, ClO4 - Compostos binários de halogênios (cloreto, brometo, iodeto, etc.) com metais Cl-, Br-, I-, etc. Fluoreto Prata, chumbo e mercúrio F-, Ag+, Pb2+*, e Hg2+ * Os halogenetos de chumbo são solúveis em água quente. Todos os sulfatos SO4 2- Bário, estrôncio, cálcio, chumbo, prata e mercúrio Ba2+, Sr2+, Ca2+, Pb2+, Ag+, and Hg2+ QUAIS ÍONS SÃO LIGEIRAMENTE SOLÚVEIS? Sulfatos de chumbo, prata e mercúrio SO4 2- com Pb2+, Ag+, e Hg2+ * O sulfato de chumbo é pouco solúvel. Hidróxidos de metais alcalino- terrosos (Grupo II) OH- com Ca2+, Sr2+, etc. Bario Ba2+ QUAIS ÍONS SÃO INSOLÚVEIS? Sulfides S2- Calcium, barium, strontium, magnesium, sodium, potassium, and ammonium Ca2+, Ba2+, Sr2+, Mg2+, Na+, K+, and NH4 + Hydroxides OH- Alkali metals (Group I) and ammonium Na+, K+, etc. Al3+, NH4 + Carbonates, oxalates, chromates, and phosphates CO3 2-, C2O4 2-, CrO4 2-, and PO4 3- Alkali metals (Group I) and ammonium Na+, K+, etc. NH4 + *Lithium phosphate is poorly soluble Fonte: Sigmal Drich (2020). 18 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA 1.1.2. MECANISMO DE FORMAÇÃO DO PRECIPITADO O tamanho de partícula de um precipitado é influenciado por variáveis expe- rimentais como solubilidade do precipitado, temperatura, concentrações de reagentes e a taxa na qual os reagentes são misturados. De forma geral, esses fatores podem ser controlados experimentalmente e estão relacionados à su- persaturação relativa (SSR). Produto de solubilidade Outra forma matemática bastante eficaz para determinar a capacidade de precipitação de determinado produto bastante utilizando é um parâmetro chamado de produto e solubilidade. O produto de solubilidade é simbolizado por KPS ou KS e é uma constante de equilíbrio entre um sólido não dissolvido e seus íons em solução (SKOOG, WEST, HOLLER, CROUCH, 2006). Se o produto iônico das espécies envolvidas excederem a constante do produto de solubilidade do sal em uma dada temperatura, a formação do precipitado é promovida. Para saber mais sobre esses conceitos fundamentais básicos como cálculos de KPS e aplicações das constantes do produto de solubilidade revejam nos capitulo 9 do livro “Fundamentos de química analítica” (SKOOG, WEST, HOLLER, CROUCH, 2005, p. 225). 19 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 Tamanho das partículas A partir de dados empíricos observou-se que o tamanho de partícula de um precipitado varia inversamente com o grau de supersaturação relativa (SSR). O efeito total de todas essas variáveis pode ser explicado (qualitativamente), assumindo que o tamanho da partícula está relacionado a uma propriedade do sistema chamada de SSR. (Fórmula 1)Q SSSR S − = Nucleação e crescimento da partícula Geralmente, as reações de precipitação são lentas de modo que, mesmo quando um reagente de precipitação é adicionado gota a gota a uma solução de um analito, é provável que haja alguma supersaturação. A evidência experimental indica que o tamanho de partícula de um precipitado varia inversamente com a supersaturação relativa média durante o tempo em que o reagente está sendo introduzido. Assim, quando (Q-S) / S é grande, o precipitado tende a ser coloidal, e quando (Q-S) / S é pequeno, um sólido cristalino é mais provável. O primeiro processo que acompanha a reação de precipitação é conhecido como nucleação, que é um processo onde pequenos agregados de partículas se formam e constituem os núcleos das partículas maiores que formarão os cristais, fazendo com que as espécies que formam a substância precipitan- te se concentrem em torno deles (HUANG et al., 1994; MCGINTY et al., 2020) with a main focus on nucleation and crystal growth. The classic crystalliza- tion phenomena, fundamental, thermodynamic or kinetic driven, will not be covered here. The primary and secondary nucleation, and some methods of nuclei generation in continuous crystallization are discussed in this chapter. The performance of continuous crystallization processes and challenges with process kinetics and control (such as seeding, mixing, and process dynamics. 20 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA A principal diferença entre a nucleação e o crescimento de partículas é que a nucleação é a formação de uma nova estrutura, enquanto o crescimento de partículas é o processo de tornar uma estrutura pré-existente grande (THA- NH; MACLEAN; MAHIDDINE, 2014). PROCESSO DE NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE PARTÍCULA ASSOCIADO COM O TAMANHO DA PARTÍCULA Valor relativo de RSS Processo dominante Resultado Grande Nucleação Partículas pequenas formando coloides Pequeno Crescimento de Partícula Partículas grandes na forma de cristais Fonte: Skoog, West, Holler e Crouch (2005). Etapa de preparo da amostra As etapas comumente seguidas na análise gravimétrica são (1) preparação de uma solução contendo um peso conhecido da amostra, (2) separação do constituinte desejado, (3) pesando o constituinte isolado e (4) cálculo da quantidade de constituinte particular na amostra a partir do peso observado da substância isolada. Para saber mais sobre detalhes importantes das etapas de gravimetria, por favor, consulte o sub- tópico “Mecanismo de Formação do Precipitado” do livro Fundamentos da Química Analítica (SKOOG, WEST, HOLLER, CROUCH, 2005, p 300).. 21 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 ETAPAS FUNDAMENTAIS DO PROCESSO GRAVIMÉTRICO PADRÃO 1 – PREPARO DA AMOSTRA Deve-se tomar os cuidados e precauções necessárias para que essa pequena quanti- dade represente fielmente o material cuja composição se quer determinar. 2 – PREPARAÇÃO DA SOLUÇÃO – ATAQUE DA AMOSTRA É necessário que o elemento esteja em solução para se iniciar a análise. 3 – PRECIPITAÇÃO E DIGESTÃO O elemento a ser dosado é separado da solução preparada através da formação de um precipitado. 4 – FILTRAÇÃO É a separação do precipitado do meio em que processou sua formação. 5 – LAVAGEM DO PRECIPITADO É remover parte da água-mãe que nele ficou retida e eliminar as impurezas solú- veis e não voláteis. 6 – CALCINAÇÃO OU SECAGEM Após a filtração e a lavagem, o precipitado deve ser secado ou calcinado para depois ser pesado “Digestão do precipitado é o tempo em queo precipitado, após ter sido formado, permanece em contato com a água-mãe” Fonte: Freepik (2020). #PraCegoVer Etapas fundamentais do processo gravimétrico padrão: preparo da amostra, precipitação e digestão, filtração, lavagem do precipitado e calcinação. Do ponto de vista de um operador, a zona de calcinação é a zona mais im- portante que governa os eventos subsequentes na zona de queima. A etapa de secagem envolve o aquecimento dos precipitados até massa constante, remoção do solvente e qualquer espécie volátil arrastada com o precipitado (água adsorvida, água ocluída, água de hidratação), decomposição do sólido e, por fim a formação de uma substância de composição definida. 22 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA PROCESSO DE CALCINAÇÃO CaCO3 > CaO + CO2 CO2 CALCÁRIO CaCO3 CO2 CALOR CALOR CaO H2O Lima hidratada – Hidróxido de cálcio Ca(OH)2 Fonte: Adaptada de Grymont Limited (2020). #PraCegoVer A cal hidratada pode ser produzida adicionando água à cal virgem (CaO). Nesse ponto, o dióxido de carbono reage com a cal hidratada para convertê-lo novamente em calcário. Um exemplo da relevância da calcinação é a determinação de cálcio no limestone, uma rocha sedimentar que é predominantemente composta de minerais de carbonato de cálcio calcita quando submetida à etapa de calcinação libera oxido de cálcio e dióxido de carbono. Os produtos derivados do calcário têm a capacidade única de retornar à sua forma química original. O ciclo da cal, como é comumente conhecido, consiste na primeira queima do calcário para formar cal viva. A cal hidratada pode ser produzida adicionando água à cal virgem. Nesse ponto, o dióxido de carbono na atmosfera ou de processos industriais reage com a cal hidratada para convertê-lo novamente em calcário. O processo de calcinação nada mais é a ação pela qual o dióxido de carbono é expelido do calcário, deixando a cálcio completamente livres. 23 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 A precipitação e a velocidade da cristalização são processos importantes nas indústrias de processos químicos e no estudo de sistemas biológicos. Muitos aspectos dos processos de cristalização e precipitação são análogos, e seus estudos compartilham muitos dos mesmos conceitos e ideias. RESULTADO PRÁTICO EM RELAÇÃO AO VALOR DE RSS Valor relativo de RSS Processo dominante Resultado Grande Nucleação Partículas pequenas formando coloides Pequeno Crescimento de Partícula Partículas grandes na forma de cristais Fonte: Com base em Skoog, West, Holler e Crouch (2005, p. 300). Tamanho das partículas O primeiro processo que acompanha a reação de precipitação é conhecido como nucleação, que é um processo onde pequenos agregados de partículas se formam e constituem os núcleos das partículas maiores que formarão os cristais, fazendo com que as espécies que formem a substância precipitante se concentrem em torno deles. (HUANG et al., 1994; MCGINTY et al., 2020). Depois disso, ocorre o crescimento dos cristais à medida que a reação de precipitação ocorre. Esses dois processos ocorrem no sistema reacional de forma concorrente (Tabela a seguir). A principal diferença entre a nucleação e o crescimento de partículas é que a nucleação é a formação de uma nova estrutura, enquanto o crescimento de partículas é o processo de tornar uma estrutura pré-existente grande (THANH; MACLEAN; MAHIDDINE, 2014). 24 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA 1.1.3. CONTROLE EXPERIMENTAL DO TAMANHO DAS PARTÍCULAS A formação dos precipitados é um processo cinético, haja a avista o equilíbrio físico-químico presente na reação química em questão. Dessa forma, o con- trole da velocidade de formação do precipitado, permite conduzir a precipi- tação de maneira a separar a fase sólida desejada com as melhores caracte- rísticas físicas possíveis. Experimentalmente, nós sabemos que quanto mais lento for à formação dos cristais, mais puro será o produto final desejado. Como já sabemos, uma solução supersaturada é aquela que contém mais soluto dissolvido do que o previsto pela química de equilíbrio. Uma solução supersaturada é inerentemente instável e precipita o soluto para atingir sua posição de equilíbrio. A rapidez com que ocorre a precipitação depende, em Limites práticos para minimizar RSS Considerando uma análise de alguns precipitados em relação à fórmula 1 de RSS (O.A. – Tamanho das partículas na página 8), como os compsotosinorganicos ( )3 Fe OH e PbS , por exemplo, nota-se que essas moléculas são tão insolúveis que S é muito pequeno e um RSS grande é inevitável. Esses solutos formam inevitavelmente pequenas partículas. Além disso, as condições que favorecem um RSS pequeno podem levar a uma solução supersaturada relativamente estável que requer muito tempo para precipitar completamente. Por exemplo, quase um mês é necessário para formar um precipitado visível de BaSO4 sob condições em que o RSS inicial é 5 (BASSETT J.; DENNEY, R. C .; JEFFERY, G. H. MENDHAM, 1981, p. 408). 25 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 parte, do valor do RSS (SKOOG, WEST, HOLLER, CROUCH, 2005, Capítulo 12, p. 300-301). Dessa forma, as variáveis experimentais que minimizam a supersa- turação e, portanto, produzem precipitados cristalinos incluem: • temperaturas elevadas (aumentar S); • soluções diluídas (minimizar Q); • adição lenta do agente precipitante (minimizar Q); • boa agitação (minimizar Q). 1.2 APLICAÇÕES GRAVIMÉTRICAS PRECIPITAÇÃO A PARTIR DE UMA SOLUÇÃO HOMOGÊNEA A precipitação homogênea é um processo no qual um precipitado é formado pela geração lenta de um reagente de precipitação homogeneamente em toda a solução. Os sólidos formados por precipitação homogênea são geral- mente mais puros e mais facilmente filtrados do que os precipitados gerados pela adição direta de um reagente à solução do analito (SKOOG, WEST, HOL- LER, CROUCH, 2005, p. 308-310). Processo de precipitação em solução homogênea Se a nucleação predomina Resulta um precipitado contendo um grande número de pequenas partículas. Se o crescimento de partículas predomina Um número menor de partículas maiores é produzido. Acredita-se que a taxa de nucleação aumenta enormemente Com o aumento da supersaturação relativa [(Q-S)]. 26 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA 1.2.2 SECAGEM E CALCINAÇÃO DE PRECIPITADOS Secagem é basicamente o processo de retirada de água, enquanto que a etapa de calcinação é o processo de sujeitar uma substância à ação do calor, mas sem fusão, com o objetivo de provocar alguma alteração em sua constituição física ou química. O processo é frequentemente chamado de “torrefação”, “queima” ou “quei- ma” pelos trabalhadores. É realizado em fornos, retortas ou fornos, e muitas vezes o material é varrido ou mexido, durante o processo, para garantir a uni- formidade do produto. Os fornos usados para calcinar substâncias variam muito em sua construção, mas existem três classes gerais: mufla, reverbera- ção e fornos ou fornos de cuba. QUAL É A DIFERENÇA ENTRE SECO E CALCINAÇÃO? Secagem versus calcinação Ambos estão relacionados ao tratamento térmico. Ambos podem ser realizados usando um forno de alta temperatura normal em qualquer ambiente gasoso específico para a analise, dependendo de sua necessidade. Secagem: basicamente expelindo água (ou outro líquido) dos materiais. Calcinação: os precursores em pó reagem para formar uma fase desejável. A secagem pode ser realizada em placa de aquecimento porque a temperatura é baixa, um pouco acima de 100 ° C, no entanto nãoé recomendado se o líquido não for água. Exemplo: Para calcinação você precisa de uma temperatura significativamente mais alta e, usamos um equipamento chamado de mufla (forno quente). A temperatura exata de calcinação do composto analisado deve ser consultado na literatura. Fonte: Adaptado de Skoog, West, Holler e Crouch (2005). Os objetos de calcinação geralmente são: (1) expulsar a água, presente como umidade absorvida, como “água de cristalização” ou como “água de constituição”; (2) para eliminar o dióxido de carbono, dióxido de enxofre ou outro constituinte volátil; (3) para oxidar uma parte ou a totalidade da substância. 27 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 1.2.3 APLICAÇÃO DE GRAVIMETRIA Os métodos gravimétricos são técnicas utilizadas para análise de material dis- perso no ar devido à poluição na sociedade moderna. Um exemplo de aplica- ção de gravimetria é a determinação do material particulado (PM), também conhecido como poluição por partículas. Esse é o termo usado para descre- ver partículas sólidas e também gotículas de líquido encontradas no ar. Uma vez inaladas, essas partículas podem afetar o coração e os pulmões e causar graves problemas de saúde. As classes de partículas PM10 e PM2.5 (ou seja, partículas com diâmetro inferior a 10 µm e 2,5 µm, respectivamente) são mo- nitoradas cuidadosamente, tanto nas fontes de emissões quanto no ar em geral, devido aos riscos potenciais à saúde. A análise gravimétrica de PM coletado por meio de filtração é a técnica mais amplamente usada para determinar as concentrações ambientais de PM, bem como a quantidade de PM nas emissões (DE MARQUES FREITAS; SOLCI, 2009). Decomposição do calcário A cal é um dos agentes alcalinizantes mais amplamente usados e mais baratos empregados em todo o mundo. É frequentemente aplicado em processos químicos na forma de apagado ou hidróxido de cálcio ou pasta. O termo “calcinação de calcário” refere-se ao processo de decomposição térmica em cal viva e dióxido de carbono. A decomposição do calcário é caracterizada por reações químicas muito simples (KUMAR; RAMAKRISHNAN; HUNG, 2007; MOROPOULOU; BAKOLAS; AGGELAKOPOULOU, 2001; SARKER, 2001). 28 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA Para lhe ajudar no entendimento da gravimetria, atente-se ao quadro a se- guir no qual destacamos suas vantagens e desvantagens. • Para saber mais sobre técnicas de determinação da pureza do carbonato de cálcio, você poderia ler o artigo intitulado “Análise química de carbonatos de cálcio fabricados entre 1902 e 2002” (ALVES BARRETO DE MORAES; CARLOS AFONSO; MARIA BRAGA GOMES, 2015) embora análises instrumentais também tenham dado resultados bons ou razoáveis. No entanto, para contaminantes metálicos, a espectrometria de absorção atómica foi a melhor escolha devido aos seus limites de detecção mais baixos, sendo capaz de determinar vários elementos presentes nas amostras mais antigas. O teor de algumas impurezas (chumbo e magnésio encontrado no seguinte link. • Para saber mais sobre a determinação de impurezas no ar por gravimetria você pode ler o artigo “Caracterização do MP10 e MP2,5 e distribuição por tamanho de cloreto, nitrato e sulfato em atmosfera urbana e rural de Londrina” (DE MARQUES FREITAS; SOLCI, 2009) encontrado nesse link. • A gravimétrica também pode ser aplicada com fins de controle de impurezas tanto na matéria-prima farmacêutica de CaCO3 quanto em comprimidos Comerciais (NOVO et al., 2018) tal como mostra o artigo, no seguinte link. E, você, Caro aluno, conhece outras aplicações gravimétricas? https://www.abq.org.br/rqi/2014/746/RQI-746-pagina27-Artigo-Tecnico.pdf https://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0100-40422009000700013&script=sci_abstract&tlng=pt https://doi.org/10.1016/j.talanta.2018.01.040 29 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 VANTAGENS E DESVANTAGENS DA GRAVIMETRIA Vantagens Desvantagens I. É exata e precisa quando se usa balanças analíticas; II. É fácil de controlar as possíveis fontes de erro; III. Não há necessidade de calibração – medição direta; IV. As determinações podem ser realizadas com aparelhos relativamente baratos (mufla e cadinho de Pt – mais caros). I. Procedimentos laboratoriais demorados; II. Não é aplicável a análise de traços; III. Erros no processo de precipitação; IV. Perdas de precipitados nas etapas de transferência, filtração, lavagem e secagem. Fonte: Adaptado de Skoog, West, Holler e Crouch (2005). CONCLUSÃO Esta unidade apresentou as bases teóricas fundamentais sobre técnicas gra- vimétricas comumente aplicadas em metodologias dando ênfase nas gravi- metria de precipitação, buscando justificar vantagens e desvantagens da me- todologia, cálculo comum e também mostrando como a técnica se aplicava a sociedade atual. Em uma análise gravimétrica utiliza-se uma sequência de operações com o objetivo de determinar a quantidade de um constituinte em uma amostra. As etapas comumente usadas são: preparo da solução, precipitação, digestão, filtração, lavagem, secagem ou calcinação e pesagem. As principais vantagens da análise gravimétrica são as facilidades de execu- ção, boa reprodutibilidade e empregam-se equipamentos simples e de baixo custo. Por outro lado, a maior desvantagem é o tempo necessário para sua execução que geralmente é muito longo, além disso, a análise pode está su- jeito a erros acumulativos provenientes da falha de execução ou devido a ele- mentos interferentes existente na amostra original. UNIDADE 2 OBJETIVO Ao final desta unidade, esperamos que possa: 30 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA > Desenvolver a habilidade de classificação dos tipos de reações ácido-base e, a partir disso, identificar os pontos de equivalência; > Efetuar cálculos estequiométricos baseados na titulometria; > Relacionar corretamente os dados matemáticos e a interpretação de problemas aplicados. 31 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA 2 VOLUMETRIA DE NEUTRALIZAÇÃO Técnicas de química úmida, incluindo análise qualitativa (exemplo, testes de chama e teste de funções orgânicas químicas) e análise quantitativa (análi- se gravimétrica e análise volumétrica), referem-se ao teste analítico que em- prega métodos convencionais de laboratório. Embora as técnicas de análise instrumental modernas tenham substituído muitas das técnicas de química úmida, as abordagens tradicionais da química úmida ainda são extremamen- te relevantes e, dessa forma mantêm seu significado como estágios cruciais e críticos na preparação e processamento de amostras que empregam técni- cas de análise instrumental modernas, como alto desempenho cromatogra- fia líquida, cromatografia gasosa, espectroscopia ultravioleta-visível, espec- troscopia de fluorescência, espectroscopia de infravermelho e espectroscopia de absorção atômica. Esta segunda unidade dá início aos estudos das técnicas baseada em aná- lise volumétrico, que é nada mais que qualquer método de análise química quantitativa em que a quantidade de uma substância é determinada pela medição do volume que ela ocupa ou, em uso mais amplo, o volume de uma segunda substância que se combina com a primeira em proporções conhe- cidas (SKOOG, WEST, HOLLER, CROUCH, 2005). Ao longo desse material di- dático, nós veremos os seguintes tipos de titulometria: titulações ácido-base, titulações redox, titulações por precipitação e titulações complexométricas. INTRODUÇÃO Os procedimentos analíticos baseados na neutralização entre um ácido e uma base têm sido amplamente usados em análises volumétricas.Por este procedimento, muitos ácidos e bases inorgânicos e orgânicos podem ser de- terminados com um alto grau de precisão e exatidão. Em geral, o procedimento envolve a dissolução da amostra ácida ou básica e a subsequente titulação da solução com um titulante básico ou ácido padrão, respectivamente. Embora a ênfase aqui seja nas aplicações à análise, deve-se perceber que os princípios da neutralização também são muito importantes em outras disciplinas científicas (SKOOG, WEST, HOLLER, CROUCH, 2005). Essa unidade visa desenvolver a habilidade de classificação dos tipos de rea- ções ácido-base e, a partir disso, identificar os pontos de equivalência; efetu- 32 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 ar cálculos estequiométricos baseados na titulometria e, ainda correlacionar corretamente os dados matemáticos a interpretação de problemas aplicados á titulação ácido-base. 2.1 TITULOMETRIA DE NEUTRALIZAÇÃO EM MEIO AQUOSO A titulação, também conhecida como titulometria, é um método laboratorial comum de análise química quantitativa, usado para determinar a concen- tração desconhecida de um analito identificado. Visto que as medições de volume desempenham um papel fundamental na titulação, também é co- nhecido como análise volumétrica. Um reagente, chamado titulante ou titulador, é preparado como uma solução padrão. Uma concentração e volume conhecidos do titulante reagem com uma solução do analito ou titulante para determinar a concentração (SKOOG, WEST, HOLLER, CROUCH, 2005). O volume do titulante reagido é chamado de volume de titulação. Existem muitos tipos de titulações com diferentes procedimentos e objetivos. Os tipos mais comuns de titulação qualitativa são titulações ácido-base e titulações redox (PIETRZYK, DONALD J.; FRANK, 1979). Terminologia de volumetria Em uma titulação, o objetivo é medir a quantidade de um reagente conhecido necessária para reagir com uma quantidade desconhecida de uma substância de amostra. Introduzimos os seguintes termos e os aplicamos em nossa discussão e análise de titulações ácido-base. Analito A substância (neste contexto, ácido ou base) a ser determinada experimentalmente. 33 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA Titulante O ácido ou base forte padronizado (isto é, a concentração é conhecida com alta precisão) que adicionamos ao analito de uma forma cuidadosamente medida. Curva de titulação O gráfico obtido quando o pH é traçado em relação à quantidade de titulante adicionado ao analito. Ponto de equivalência O ponto em que a quantidade de titulante adicionado é exatamente igual à quantidade de analito com o qual ele é capaz de reagir. Ponto final A quantidade observada de titulante na qual verificamos que o ponto de equivalência foi alcançado. Em titulações ácido-base, procuramos o ponto final por meio da mudança de cor de um indicador, ou a leitura de um medidor de pH. (SKOOG, WEST, HOLLER, CROUCH, 2005) 2.1.1 ACIDEZ E BASICIDADE EM ÁGUA O conceito de ácidos e bases foi definido muitas vezes de maneiras diferen- tes (MUNJAL; SINGH, 2020). Vários cientistas colocam várias definições para caracterizar os ácidos e as bases em que alguns dos conceitos são bastante restritos e alguns são abrangentes. Ácidos e bases existem em toda parte em nossa vida diária. Todos os líquidos, exceto água, que usamos com proprie- dades ácidas e básicas, por exemplo, vinagre (contém ácido acético), refrige- rantes (contém ácido carbônico), leite (contém ácido láctico), sabão (contém base). As primeiras definições foram feitas com base em seu sabor e seu efei- to sobre outras substâncias. 34 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 Ácidos são aquelas substâncias que possuem sabor azedo, odor forte, corro- sivas, com pH < 7 e tornam-se vermelho de tornassol azul. A reação de neu- tralização ocorre quando o ácido reage com o álcali, forma sal e água. Estas são as propriedades gerais dos ácidos ou bases, mas não são verdadeiras para todos os ácidos ou bases. Teorias Ácido-base fundamentais O conceito de ácido-base de Arrhenius classifica uma substância como um ácido se ela produz íons hidrogênio H + ou íons hidrônio na água 3H O + . Por outra via, uma substância é classificada como base se produzir íons hidróxido OH − na água. No entanto, essa maneira de definir ácidos e bases funcionam bem para soluções aquosas, mas as propriedades de ácido e base são observadas em outros ambientes. Outras formas de classificar substâncias como ácidos ou bases são o conceito de Bronsted-Lowry e o conceito de Lewis. A teoria de Bronsted-Lowry, por sua vez, classifica uma substância como um ácido se atuar como doador de prótons e como base se atuar como aceitador de prótons. Enquanto que a teoria de Lewis classifica uma substância como um ácido se atuar como um aceitador de par de elétrons e como uma base se atuar como um doador de par de elétrons (MUNJAL; SINGH, 2020). Para conhecer amplamente o conceito ácido e bases para cada uma das teorias expostas aqui, por favor, estudem a fundo o capitulo 11 intitulado “ácidos e base” do livro Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente (ATKINS & JONES, 2012, p. 423-426). Esses conceitos certamente fundamentais serão explorados em outras oportunidades. 35 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA De acordo com Brønsted e Lowry, um ácido é um doador de prótons e uma base é um aceitador de prótons. Essa ideia de doador de prótons e aceita- dor de prótons é importante para a compreensão de ácidos e bases mo- nopróticos e polipróticos, porque monoprótico corresponde à transferência de um próton e poliprótico se refere à transferência de mais de um próton. Portanto, um ácido monoprótico é um ácido que pode doar apenas um pró- ton, enquanto o ácido poliprótico pode doar mais de um próton. Da mesma forma, uma base monoprótica pode aceitar apenas um próton, enquanto uma base poliprótica pode aceitar mais de um próton. (BROWN, LEMAY e BRURSTEN, 2005; ATCKINS, 2006) Ácidos e bases polipróticas Os ácidos monopróticos são ácidos capazes de doar um próton por molécula durante o processo de dissociação. Os ácidos polipróticos são ácidos específicos que são capazes de perder mais do que um único próton por molécula em reações ácido-base. (Em outras palavras, ácidos que possuem mais de um átomo de H ionizável por molécula). Os prótons são perdidos em vários estágios (um em cada estágio), sendo o primeiro próton o mais rápido e mais facilmente perdido. Compare com os ácidos monopróticos na seção ácidos e bases monopróticos versus polipróticos na Tabela a seguir. 36 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 CONSTANTE DE EQUILÍBRIO DE ALGUNS ÁCIDOS POLIPRÓTICOS A 25°C Ácidos polipróticos comuns Formula Força do acido/ base Número de hidrogênios ionizáveis Ka1 Ka2 Ka3 Ácido Sulfurico H2SO4 forte 2 (diprotico) Very Large 1.1E-2 Ácido Sulfuroso H2SO3 fraco 2 (diprotic) 1.3E-2 6.2E-8 Ácido fosphorico H3PO4 fraco 3 (triprotico) 7.1E-3 6.3E-8 4.2E-13 Acido Carbonico H2CO3 fraco 2 (diprotico) 4.4E-7 4.7E-11 Ácido hidrossulfúrico ou sulfeto de hidrogênio H2S fraco 2 (diprotico) 1.0E-7 1E-19 Ácido Oxalico H2C2O4 fraco 2 (diprotico) 5.4E-2 5.3E-5 Ácido Malonico H2C3H2O4 Médio 2 (diprotico) 1.5E-3 2.0E-6 Fonte: com base em Brown, Lemay e Brursten (2005); Atchins (2006). 2.1.2 INDICADORES DE TITULAÇÃO Certos produtos químicos têm a propriedade especial de aparecer com uma cor quando em uma solução de um pH e uma cor diferente quando em uma solução com um pH diferente. Esses produtos químicossão conhecidos como indicadores de ácido-base, ou simplesmente como indicadores porque, quando algumas gotas do indicador são adicionadas a uma solução, a cor da solução serve como uma indicação de seu pH. Os ácidos polipróticos contêm mais de um próton dissociável. A dissociação de ácidos polipróticos é gradual e cada etapa é caracterizada por uma constante de dissociação de ácido. Para saber mais, por favor, estudem “Ácidos e bases polipróticos” do capitulo 11 do livro Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente (ATKINS & JONES, 2012, p. 454-461). Esses conceitos certamente fundamentais serão explorados em outras oportunidades. 37 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA A maioria dos indicadores de ácido-base são simplesmente ácidos fracos com uma forma protonada (ácida) de uma cor e uma forma desprotonada (básica) de uma cor diferente. Como todos os ácidos fracos, eles se dissolvem de acor- do com seu valor de constante de equilíbrio ( )aK . Para um indicador genérico HIn , temos que: � � � � � � HIn aq H aq In aq� ��⇌ [ [ ] [ ] , ]a H InAssim K HIn + − = Convertendo esta equação na forma da equação de Henderson-Hasselbalch, obtemos o valor de pH: ] [ ( ]) /[ apH pK log In HIn−= + Muitas substâncias diferentes podem ser usadas como indicadores, depen- dendo da reação particular a ser monitorada. Por exemplo, o suco de repolho roxo contém uma mistura de substâncias coloridas que mudam de vermelho profundo em pH baixo para azul claro em pH intermediário para amarelo em pH alto. Em todos os casos, porém, um bom indicador deve ter as seguintes proprie- dades (BROWN, LEMAY e BRURSTEN, 2005; ATCKINS, 2006): • A mudança de cor deve ser facilmente detectada. • A mudança de cor deve ser rápida. • A molécula indicadora não deve reagir com a substância sendo titulada. • Para minimizar os erros, o indicador deve ter um pK que esteja dentro de uma unidade de pH do pH esperado no ponto de equivalência da titulação. 38 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 pH e pKa de indicadores ácido-base Por exemplo: considere o indicador fenol vermelho, que tem uma forma HIn amarela, uma forma In- vermelha e um Ka de 5,0 x 10-8. Agora imagine que algumas gotas deste indicador são adicionadas a uma solução de pH 2,3. Qual seria a cor da solução? Para descobrir isso, precisamos da seguinte equação: ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ 5 / / 2,3= 7,3 ([ ]) ( ) ([ ]) ([ ]) ([ / -5,0= 7, ])3 / / 1.0 10 [ ] a a pH pK log In HIn pH log K log In HIn log In HIn log In HIn In HIn x − − − − − − = + ⇒ = − + ⇒ + = ⇒ + ⇒ Soluções coloridas: Assim, a proporção de .−In para HIn é de 1 para 100 000 . Como HIn é vermelho e é amarelo, existem 100.000 moléculas amarelas em solução para cada molécula vermelha. Para as espécies coloridas, esta é uma proporção enorme, e as moléculas vermelhas serão indetectáveis. Assim, a solução aparecerá amarela. 2.1.3 CURVAS DE TITULAÇÃO ÁCIDO-BASE Uma curva de titulação é um gráfico de pH versus a quantidade de titulan- te adicionado. Normalmente, o titulante é um ácido ou base forte (comple- tamente) dissociado. Essas curvas são úteis para determinar pontos finais e constantes de dissociação de ácidos ou bases (BROWN, LEMAY e BRURSTEN, 2005; ATCKINS, 2006). Em uma titulação ácido-base, um volume conhecido do ácido ou da base (de concentração desconhecida) é colocado em um frasco cônico chamado de erlemeyer. O segundo reagente (de concentração conhecida) é colocado em uma bureta. O reagente da bureta é adicionado lentamente ao reagen- te no frasco cônico. Em qualquer titulação, o ponto de equivalência químico experimentalmente chamado de ponto final é assinalado visualmente pela mudança de cor do indicador ácido-base. 39 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA O pH começa baixo, refletindo a alta [H3O+] do ácido forte e aumenta gradual- mente conforme o ácido é neutralizado pela base adicionada. De repente, o pH sobe abruptamente. Isso ocorre nas imediações do ponto de equivalência. Para este tipo de titulação, o pH é 7,0 no ponto de equivalência. Além dessa parte íngreme, o pH aumenta lentamente à medida que mais base é adicionada. PERFIL GERAL DAS CURVAS DE TITULAÇÃO ÁCIDO-BASE analito = ácido forte titulante = base forte analito = base forte titulante = ácido forte pH inicial pH no ponto de equivalência Volume em mL da base p H pH inicial pH no ponto de equivalência Volume em mL ácido p H Fonte: Elaborada pela autora (2020). #PraCegoVer Gráfico mostrando o pH no ponto de equivalência. O pH começa em um ponto baixo do gráfico e aumenta lentamente à medida que mais base é adicionada Uma curva de titulação clássica tal como mostra a Figura anterior, pode ser usada para determinar: 1. O ponto de equivalência de uma reação ácido-base (o ponto em que as quantidades de ácido e de base são suficientes para causar a neutraliza- ção completa). 2. O pH da solução no ponto de equivalência depende da força do ácido e da força da base usada na titulação. Atualmente, as titulações modernas devem ser realizadas por meio de um titulador automático para fins indústrias, embora também possam ser reali- zadas manualmente. A partir dos dados obtidos as curvas devem ser obtidas, 40 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 e interpretadas, comparadas entre si, aos resultados da titulação do ponto final e às concentrações elementares nelas contidas. As curvas de titulação devem ser reproduzíveis para que os dados e interpretações sejam válidos. As curvas de titulação fornecem uma ferramenta econômica, valiosa e versátil, pela qual se obtém informações sofisticadas da acidez e basicidade. Decifrando a curva de titulação a partir de cálculos simples A ideia aqui é que na metade do ponto de equivalência, o pH da solução será igual ao apK do ácido fraco. Supondo que você esteja titulando um ácido monoprótico fraco HA com uma base forte que representarei como OH − , você sabe que, no ponto de equivalência, a base forte neutralizará completamente o ácido fraco. ( ( (2) ) )( )aq aq lHA OH aq A H O − −+ → + Portanto, quando você adiciona números iguais de moles de ácido fraco e de base forte, todos os moles do ácido fraco serão consumidos e você ficará com A-, a base conjugada do ácido fraco. Agora, no ponto de meia equivalência, você está adicionando moles suficientes da base forte para neutralizar metade dos moles do ácido fraco presente na solução. A reação consumirá metade dos moles do ácido fraco e produzirá o mesmo número de moles da base conjugada → o ácido fraco, a base forte e a base conjugada estão todos em proporções molares de 1: 1, o que significa que o que você consome o ácido fraco e a base forte, você produz como a base conjugada. E assim, no ponto de meia equivalência, a solução conterá números iguais de moles do ácido fraco e de sua base conjugada, o que significa que você agora está lidando com uma solução tampão. 41 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA 2.2 TITULAÇÃO ÁCIDO-BASE 2.2.1 CLASSIFICAÇÃO Uma titulação volumétrica pode ser do tipo direto ou indireto. Quando o ti- tulante reage diretamente com o analito diz-se que a titulação é direta. Ao contrário, a titulação reversa, ou titulação indireta, é geralmente uma técnica analítica de dois estágios: O reagente A de concentração desconhecida reage com o excesso de reagente B de concentração conhecida. Uma titulação dire- ta é então realizada para determinar a quantidade de reagente B em excesso. Titulaçõesreversas são usadas quando: um dos reagentes é volátil, por exem- plo, amônia. Um ácido ou uma base é um sal insolúvel, por exemplo, carbona- to de cálcio uma reação particular é muito lenta a titulação direta envolveria um ácido fraco - titulação de base fraca. Volumetria direta e indireta • Métodos diretos – a espécie a ser determinada reage diretamente com a solução titulante. • Métodos indiretos – consiste em adicionar um excesso, conhecido, de um reagente ao analito e após a reação determinar o reagente remanescente. A principal vantagem da titulação volumétrica é que é um método simples e de baixo custo. A titulação volumétrica não é sofisticada, portanto, não é necessária habilidade para manuseá-la. A titulação volumétrica é rápida e for- nece resultados precisos. A reação pode identificar visualmente no equilíbrio ou ponto final. Por outro lado, as desvantagens da titulação volumétrica consistem no fato de que cer- tos fatores como pH, temperatura e umidade podem afetar os resultados da titulação, pois este é um sistema aberto. Erros humanos podem ocorrer durante o processamento e pode afetar a pre- cisão dos resultados obtidos. Além disso, pode produzir grandes volumes de resíduos químicos e que precisam ser descartados corretamente obedecen- do à legislação ambiental vigente. 42 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 Titulação manual A titulação manual pode exigir habilidade do operador e tempo. A solução padrão pode reagir com o outro reagente (aquele da qual você deseja saber a concentração) para produzir uma determinada quantidade de produto. Este método depende muito da observação da mudança de cor e da precisão de suas medições. Titulação automatizada Todo o processo de titulação é muito mais fácil tornando-o automatizado. Você simplesmente adiciona uma quantidade predeterminada de reagente e a máquina adicionará o outro reagente e medirá os produtos para encontrar o ponto final. A precisão é aumentada devido ao computador calibrado com precisão ao invés de olho humano. 2.2.2 PROPRIEDADES DO SOLVENTE Água, que não apenas dissolve muitos compostos, mas também dissolve mais substâncias do que qualquer outro líquido é considerado o solvente univer- sal. Uma molécula polar com cargas parcialmente positivas e negativas, que dissolve prontamente íons e moléculas polares. A água é, portanto, chamada de solvente: uma substância capaz de dissolver outras moléculas polares e compostos iônicos. As cargas associadas a essas moléculas formam ligações de hidrogênio com a água, envolvendo a partícula com moléculas de água. Isso é conhecido como uma esfera de hidratação, ou concha de hidratação, e serve para manter as partículas separadas ou dispersas na água. Quando compostos iônicos são adicionados à água, os íons individuais interagem com as regiões polares das moléculas de água durante o processo de dissociação, rompendo suas ligações iônicas. A dissociação ocorre quando átomos ou grupos de átomos se separam das moléculas e formam íons. Considere o sal de cozinha ( NaCl ou cloreto de só- dio): quando os cristais de NaCl são adicionados à água, as moléculas de NaCl se dissociam em íons Na e –Cl e esferas de hidratação se formam ao redor dos íons. O íon de sódio carregado positivamente é cercado pela carga par- 43 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA cialmente negativa do oxigênio da molécula de água; o íon cloreto com car- ga negativa é circundado pela carga parcialmente positiva do hidrogênio na molécula de água. Como muitas biomoléculas são polares ou carregadas, a água dissolve pron- tamente esses compostos hidrofílicos. Água é um solvente pobre, no entanto, para moléculas hidrofóbicas, como lipídios. 2.2.3 INDICAÇÃO DE PONTO FINAL O ponto final ocorre durante uma titulação quando um indicador mostra que a quantidade de reagente necessária para uma reação completa foi adicio- nada a uma solução, refere-se ao ponto no qual o indicador muda de cor em uma titulação ácido-base. No primeiro Quadro, há uma descrição sucinta das formas das curvas de titu- lação para titulação de um ácido forte por uma base forte, um ácido fraco por uma base forte ou uma base fraca por um ácido forte. Tipos de titulometria A titulação é usada em química analítica para determinar ácidos, bases, redutores, oxidantes e outras espécies. As titulações geralmente podem ocorrer em reações como reações redox e reações ácido-base. Durante todos os processos quantitativos volumétricos, dois estágios importantes conhecidos como ponto final e ponto de equivalência são atingidos. Embora o ponto final seja normalmente considerado o ponto de equivalência, eles não são os mesmos. Mas, uma vez que há apenas uma ligeira diferença entre um ponto equivalente e um ponto final, ele pode ser considerado o mesmo para fins de laboratório. A principal diferença entre um ponto de equivalência e um ponto final é que o primeiro marca o fim da reação, enquanto o último é um ponto onde o indicador muda de cor. Um ponto de equivalência em uma titulação se refere a um ponto no qual o titulante adicionado é quimicamente equivalente ao analito da amostra. Por outro lado, o ponto final é um ponto onde o símbolo muda de cor (Harris, 2005; Baccan e Andrade, 2001). 44 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 DIFERENÇA ENTRE PONTO FINAL E PONTO DE EQUIVALÊNCIA Ponto final Ponto equivalente Ponto onde o indicador muda de cor O ponto em que o titulante é quimicamente equivalente ao analito na amostra Vem depois do ponto de equivalência Vem antes do pontofinal Ácidos fracos podem ter apenas um ponto final Ácidos fracos podem ter múltiplos pontos de equivalência Fonte: Elaborada pela autora (2020). Padrão de comportamento visual de curvas de titulação em diferentes siste- mas ácido-base em função do ponto de equivalência e pH. CURVA DE TITULAÇÃO, PRODUZIDA QUANDO UMA BASE FORTE É ADICIONADA A UM ÁCIDO FORTE 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 10 20 30 40 50 60 pHpH Volume do titulante O ponto de equivalência para uma titulação de ácido forte-base forte tem um pH= 7,00. Fonte: Elaborada pela autora (2020). #PraCegoVer Gráfico com curva mostrando o pH no ponto de equivalência quando uma base forte é adicionada a um ácido forte. 45 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA CURVA DE TITULAÇÃO DE UM ÁCIDO FRACO SENDO TITULADO POR UMA BASE FORTE 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 10 20 30 40 50 60 pHpH Volume do titulante O ponto de equivalência para uma titulação de ácido fraco-base forte tem um pH > 7,00. Fonte: Elaborada pela autora (2020). #PraCegoVer: Gráfico com curva mostrando o pH no ponto de equivalência para uma titulação de ácido fraco sendo titulado por uma base forte CURVA DE TITULAÇÃO DE UMA BASE FRACA SENDO TITULADA POR UM ÁCIDO FORTE 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 10 20 30 40 50 60 pHpH Volume do titulante O ponto de equivalência para uma titulação de ácido forte com base fraca tem um pH < 7,00. Fonte: Elaborada pela autora (2020). #PraCegoVer Gráfico com curva mostrando o pH no ponto de equivalência para uma titulação de ácido forte com base fraca. 46 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 A análise volumétrica tem sido utilizada em uma variedade de indústrias porque são técnicas consideradas simplesem química analítica. Por exem- plo, a titulação pode ser usada pela indústria de biodiesel para determinar a acidez de uma amostra de óleo vegetal. Ao saber a quantidade exata de base necessária para neutralizar uma amostra de óleo vegetal, os cientistas sabem quanta base adicionar para neutralizar toda a quantidade. A titula- ção tem usos semelhantes nas indústrias petroquímica e alimentícia. (PIE- TRZYK, DONALD J.; FRANK, 1979). As titulações comumente usadas para análise de bebidas alcoólicas baseiam- -se em reações ácido-base, redução-oxidação (redox) ou complexométricas (ou seja, titulação de um íon metálico com um reagente complexante ou quelan- te). Uma das titulações mais comuns usadas em laboratórios de bebidas alcoó- licas é uma titulação ácido-base usada para determinar a acidez titulável. Titulometria e estequiometria Já sabemos que no ponto de equivalência da titulação de neutralização é o ponto em que os moles de H+ são iguais aos moles de OH- e que nesse ponto, um indicador é usado para indicar o ponto de equivalência durante uma titulação, alterando a cor. Após finalização do experimento, para fins de cálculos considera-se as concentrações molares no ponto de equivalência de uma titulação ácido- base. Uma titulação é realizada para determinar a concentração de um reagente, este reagente pode ser um ácido ou uma base, certo? Para calcular a concentração de um ácido, c (ácido), precisamos saber com precisão: (i) a concentração da base usada, C (base), geralmente em mol L-1. (ii) o volume da base usada, V (base), geralmente em mL que convertemos em L. (iii) o volume do ácido usado para neutralizar a base, V (ácido), geralmente em mL que convertemos em L. 47 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA Você pode seguir estas 7 etapas básicas para calcular a concentração de um ácido ou base no ponto de equivalência de uma titulação ácido-base: Passo 1 Escreva a equação química balanceada para a reação de neutralização. Passo 2 Extraia todos os dados relevantes da pergunta. Passo 3 Verifique a consistência dos dados. Por exemplo, as concentrações são geralmente fornecidas em M ou mol L-1, mas os volumes são geralmente fornecidos em mL. Você precisará converter o mL em L para consistência. A maneira mais fácil de fazer isso é multiplicar o volume em mL x 10-3 (que é o mesmo que dividir o volume em mL por 1000). Para calcular a concentração de uma base, C (base), precisamos saber com precisão: (i) a concentração do ácido usado, c (ácido), geralmente em mol L-1. (ii) o volume do ácido usado, V (ácido), geralmente em mL que convertemos em L. (iii) o volume da base usada para neutralizar o ácido, V (base), geralmente em mL que convertemos em L. 48 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 Passo 4 Calcule os moles de reagente (n) para os quais você conhece os dados de volume (V) e a concentração em mol L-1 (C) a partir da seguinte fórmula: ( )C (concentração molar) = (volume) n número de mols V Passo 5 Use a equação química balanceada para determinar a razão estequiométrica (mol) de ácido para base: Passo 6 Lembre-se que no ponto de equivalência: n (ácido)= n (base). Use a razão estequiométrica (mol) para calcular os moles do reagente desconhecido A partir do volume (V) do reagente desconhecido e seus moles previamente calculados (n), calcule sua concentração (c) em mol L-1, a partir da fórmula no passo 4. Passo 7 Use o volume de concentração conhecida medido na bureta para calcular o determinar a concentração da solução de desconhecida nestes sete passos simples. Um exemplo nos ajudará a deixar o passo-a-passo ainda mais claro. Vamos lá! EXEMPLO Se 25,0 mL de uma solução aquosa de hidróxido de sódio de concentração desconhecida foram colocados no frasco cônico (erlenmeyer). A bureta (bu- reta) foi preenchida até a marca de 50 mL com solução aquosa de ácido clorí- 49 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA drico 0,10 mol L-1. A solução de hidróxido de sódio foi neutralizada quando 20,0 mL de ácido clorídrico foram adicionados. Podemos determinar a concentra- ção da solução de hidróxido de sódio nestes sete passos simples. Passo 1. Equação química balanceada para a reação de neutralização ( ) ( ) )2( ) (aq aq aq lHCl NaOH NaCl H O+ → + Passo 2. Dados relevantes para a realização da titulação de neutralização ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 ( ) ( ) 1 20.0 C 0.10 25.0 ? aq aq aq aq volume of HCl V HCl mL concentração of HCl HCl mol L volume of NaOH V NaOH mL concentração of NaOH c NaOH mol L − − = = = = = = = = Passo 3. Verifique a consistência dos dados ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 3 1 3 ) em para 20.0 20.0 10 0.10 25.0 25.0 10 aq aq aq Converter volumes mL volumes in L aq V HCl mL x L concentração of HCl c HCl mol L volume of NaOH V NaOH mL x L concentração of NaOH − − − = = = = = = = = = ( ) 1 ? c NaOH mol L−= Passo 4. Cálculo do numero de mols de HCL ( ) ( ) ( ) 3 3 C 0.10 20.0 10 2.00 10 n HCl HCl x V HCl x x x moles− −= = = Passo 5. Usando a equação química balanceada para determinar a razão es- tequiométrica (mol) de ácido para base, sabe-se que 1 mol de HCl reage com um mol de NaoH para a completa neutralização: ( ) ( ) : 1 : 1 n HCl n NaOH Passo 6. Agora, podemos calcular o número de mols da base adicionada ( ) ( ) 3 2.00 10 no ponto de equivalêncian NaOH n HCl x moles−= = 50 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 Passo 7. Qual a concentração do NaOH no ponto de equivalência? ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 3 3 3 3 1 2.00 10 25.0 10 2.00 10 25.0 10 0.080 ou 0.080 NaOC C H n NaOH V NaOH n NaOH x mol V NaOH x L NaOH x x M mol L − − − − − = ÷ = = = ÷ = E, assim encontramos facilmente a concentração da solução desconhecida! Lembre-se da importância da reação balanceada. Se 50,0 mL de NaOH 0,20 mol L-1 fossem colocados no (erlenmeyer). A bureta (bureta) fosse preenchida com ácido sulfúrico de concentração desconhecida. A reação balanceada seria a seguinte: ( ) ( )2 4 2 4( ) ( )22 2aq aq aq lH SO NaOH Na SO H O+ → + Nesse caso, a estequiometria da reação seria de 1 mol de acido para dois mo- les de bases. Fique esperto na hora de considerar os cálculos na titulometria. ( ) ( )2 4 : 1 : 2 n H SO n NaOH A acidez titulável é definida como a concentração de prótons disponíveis de todos os ácidos fracos na solução (por exemplo, no suco, mosto, vinho, cerveja e assim por diante) que pode ser titulada ou neutralizada por uma base forte, como hidróxido de sódio (NaOH). Nos Estados Unidos, a acidez titulável do vinho é determinada pela titulação de uma amostra de vinho desgaseificada até o ponto final de fenolftaleína (ou seja, pH 8,2) e é relatada em equivalen- tes de ácido tartárico (ou seja, 2 mols de íons de hidrogênio são titulados por mole de ácido tartárico). Em outros países, o ponto final pode ser diferente (por exemplo, pH 7,0) e pode ser relatado em outras unidades equivalentes (por exemplo, equivalentes de ácido sulfúrico). A acidez titulável da cerveja é normalmente relatada como equivalentes de ácido láctico e é uma medida da extensão da fermentação do ácido láctico, particularmente para cervejas ácidas. As amostras devem ser desgaseificadas para remover o 2CO dissolvido (presente como ácido carbônico, 2 3H CO ) da in- terferência. Os autotituladores permitem automatizar totalmente as adições de titulante, a detecção do ponto de equivalência e todos os cálculos necessá- rios com rapidez e facilidade. (PIETRZYK, DONALDJ.; FRANK, 1979) 51 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA Titulação na indústria de alimentos e medicamento Análise de pureza: Um bom exemplo é o controle da pureza da droga efedrina, encontrada em alguns xaropes para tosse. Um ácido chamado ácido perclórico é usado como titulante nesta reação. Análise de conteúdo: Em que reações redoxes (redução de oxidação) são usadas para estabelecer a pureza das matérias-primas, incluindo substâncias de ligação em medicamentos orais, em vez do produto final em si. Determinação de acidez dos medicamentos: Verifica a pureza das enzimas produzidas e investigar a velocidade e outras características das reações químicas relevantes. Determinação de acidez na área de indústria de alimentos: Na indústria do vinho, onde a qualidade e, portanto, a precisão química são fundamentais, a titulação é usada para determinar a acidez de várias maneiras e também para avaliar o teor de dióxido de enxofre. Embora técnicas avançadas, como cromatografia gasosa ou líquida, geralmente não estejam disponíveis para a maioria das vinícolas por razões práticas, a titulação é crítica para garantir a consistência dos produtos vendidos. CONCLUSÃO Esta unidade mostrou que a técnica de titulação é utilizada para determi- nar uma concentração desconhecida de ácido monoprótico ou poliprotico em solução. No processo de titulação, uma solução básica é gradualmente adicionada à solução ácida até que a neutralização completa seja obtida. O ‘ponto final’ da titulação é detectado com a ajuda de um indicador conforme a cor da solução muda após a neutralização. Ao medir o volume do titulante necessário para atingir o “ponto final”, é possí- vel relacionar a concentração do ácido à concentração da base. Desta forma, a concentração desconhecida pode ser expressa através da concentração co- nhecida. A determinação da concentração é repetida várias vezes para me- lhorar a precisão das medições e para estimar o erro experimental. UNIDADE 3 OBJETIVO Ao final desta unidade, esperamos que possa: 52 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA > Examinar a natureza dos precipitados; > Efetuar cálculos estequiométricos da volumetria de precipitação aplicada; > Construir a curva de titulação e expressar o significado dela. 53 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA 3 VOLUMETRIA DE PRECIPITAÇÃO Até agora examinamos métodos titulométricos baseados em reações ácido- -base e a gravimetria. Nessa unidade, iremos estudar como uma reação entre o analito e o titulante que formam um precipitado pouco solúvel pode servir de base para uma titulação e análise quantitativas. Chamamos esse tipo de titulação de titulação por precipitação. Uma das primeiras titulações de precipitação - desenvolvida no final do sé- culo XVIII - foi à análise de K2CO3 e K2SO4 em potássio. Nitrato de cálcio, Ca (NO3)2, foi usado como titulante, que forma ao final da reação um precipitado de CaCO3 e CaSO4. A importância da titulação de precipitação como méto- do analítico atingiu seu apogeu no século XIX, quando vários métodos foram desenvolvidos para determinar íons prata e haleto (CARTWRIGHT; NEWMAN; WILSON, 1967; OESPER, 1967; SZABADVÁRY, 1966). Nessa unidade teremos uma visão panorâmica de todo o processo expe- rimental teórico, levando em consideração os pormenores matemáticos que são utilizados nas aplicações dessa técnica volumétrica e suas aplica- ções na prática. INTRODUÇÃO As titulações de precipitação são aplicáveis a analíticos que formam um pro- duto moderadamente solúvel precipitar com uma solução padrão em um uniforme estequiométrico, relativamente rápido reação. Esses requisitos, e o fato de que o reconhecimento da equivalência ponto às vezes é muito difícil, o que significa que o número de titulações de precipitação utilizáveis na prática é bastante limitado. No entanto, eles desempenham um papel importante na química analítica, uma vez que são usados principalmente para a determina- ção de haletos com soluções padrão de nitrato de prata (argentometria) ou para a determinação de íons de prata com uma solução padrão de haleto ou tiocianato. (SCHOLZ; KAHLERT, 2019) Análogo aos pontos fundamentais anteriormente vistos, peço que esteja atento aos tipos de indicadores, como identificar o ponto final e os cuidados com os cálculos matemáticos aplicados a titulometria. 54 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 Essa unidade visa principalmente desenvolver a habilidade de classificação dos tipos de reações precipitação focada na aplicação; realização dos cálculos estequiométricos e, ainda a partir dos dados matemáticos obtidos em expe- rimentos laboratoriais desenvolverem no aluno a habilidade de construção e interpretação da curva de titulação de precipitação. Conceitos fundamentais • A solubilidade é definida como a quantidade máxima de soluto que pode ser dissolvida em um solvente em equilíbrio. Convencionaram- se a denominar compostos insolúveis aqueles eletrólitos com solubilidade inferior a 0,01 1.mol L− • O equilíbrio químico é um processo dinâmico, no qual, as concentrações de produtos e reagentes são constantes. • Convencionalmente, as reações químicas podem ser reversíveis ou irreversíveis. Na verdade, as reações químicas são mais ou menos reversíveis, porém, em muitos sistemas de reação química, essa reversibilidade é considerada irrelevante e desprezível para fins práticos, que é considerada irreversível. • co-precipitação é um fenômeno no qual os compostos solúveis são removidos de uma solução durante a formação de um precipitado. • Os termos saturado e não-saturado são usados quando se quer falar quantitativamente das proporções relativas entre o solvente e o soluto. • Efeito do íon comum é o deslocamento do equilíbrio causado pela adição de um íon participante do sistema reacional. 55 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA 3.1 PRECIPITAÇÃO QUÍMICA A titulação da precipitação produz compostos finais insolúveis produzidos a partir de misturas iônicas em um determinado solvente. Por exemplo, a titu- lação de uma amostra contendo íon cloreto pode ser realizada com o nitrato de prata como titulante. Nesta reação há a formação de cloreto de prata. A presença do primeiro ligeiro excesso de íon prata (isto é, o ponto final) pode ser marcada pelo aparecimento de um precipitado colorido. Uma maneira pela qual isso pode ser feito é empregando cromato de potássio como indi- cador. O cromato de potássio reage com o primeiro leve excesso de íons de prata para formar um precipitado vermelho de cromato de prata. Outro mé- todo envolve o uso de um indicador de adsorção, sendo a ação do indicador baseada na formação na superfície do precipitado de uma camada adsorvida de sal indicador de prata, que se forma somente quando um excesso de íon prata está presente. Requisitos para titulação de precipitação Para que seja possível utilizar uma reação química quantitativamente em titulometria ela precisa ter os seguintes requisitos básicos: 1. A velocidade de reação entre o precipitante e a substância a precipitar deve ser rápida. 2. Não deve haver coprecipitação. Os resultados da titulação não devem ser afetados por efeitos de co-precipitação. 3. O precipitado deve ser suficientemente insolúvel. 4. Se necessário, um indicador adequado deve ser usado para localizar o ponto final da titulação. 56 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 3.1.1 FORMAÇÃO DE PRECIPITADO O processo de titulaçãoda precipitação é totalmente baseado no conceito de produto de solubilidade (BACCAN, 2001). Quando os compostos iônicos se dissolvem na água, eles entram em solução como íons. Quando a solução fica saturada de íons, o que não consegue mais segurar, o excesso de sólido se de- posita no fundo do recipiente e o equilíbrio é estabelecido entre o sólido não dissolvido e os íons dissolvidos. Os equilíbrios de solubilidade também podem ser chamados de equilíbrios de precipitação (SCHOLZ et al., 2019). A precipitação é o processo pelo qual uma fase sólida se forma e, é removida da solução quando o produto de solubilidade (Kps) de uma espécie química é excedido. A constante do produto de solubilidade descreve o equilíbrio en- tre um sólido e seus íons constituintes em uma solução. O valor da constante é um parâmetro físico-quimicos que identifica o grau em que o composto pode se dissociar na água. Considere a reação de dissolução geral abaixo (em soluções aquosas): ( )( )) (s aq aqaA cC dD�⇌ Para resolver o spK é necessário pegar as molaridades ou concentrações dos produtos (cC e dD) e multiplicá-las. Se houver coeficientes antes de qual- quer um dos produtos, é necessário elevar o produto a essa potência do co- eficiente (e também multiplicar a concentração por esse coeficiente). Isso é mostrado abaixo: [ ] [ ]c dspK C D= Observe que o reagente, ( )saA , não está incluído na equação spK . Os sólidos não são incluídos no cálculo das expressões de constante de equilíbrio, por- que suas concentrações não alteram a expressão; qualquer alteração em suas concentrações é insignificante e, portanto, omitida. Portanto, spK representa a extensão máxima que um sólido pode se dissolver em solução. O valor spK varia dependendo do soluto. Quanto mais solúvel for uma subs- tância, maior será o seu valor químico spK . E quais são as unidades spK ? Na verdade, não há unidade! O valor de spK não tem unidades porque as concen- trações molares dos reagentes e produtos são diferentes para cada equação. 57 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA Isso significaria que a unidade spK seria diferente para cada problema e seria difícil de resolver; portanto, para simplificar, os químicos geralmente descar- tam as unidades spK completamente. Que legal da parte deles! Quando sabemos o valor spK de um soluto, podemos descobrir se ocorrerá um precipitado se uma solução de seus íons for misturada. Abaixo estão as duas regras que determinam a formação de um precipitado. • Produto iônico [ ] [ ]c dC D > spK então a precipitação ocorrerá. • Produto iônico [ ] [ ]c dC D < spK então a precipitação não ocorrerá. 3.1.2 INFLUÊNCIA DAS CONDIÇÕES DE PRECIPITAÇÃO Um precipitado pode ser totalmente ou parcialmente dissolvido em água. No entanto, é importante salientar que essa solubilidade pode ser afetada por qual- quer processo externo que faça o seu produto iônico igual ou menor do que o spK . Assim sendo, quais fatores afetam o spK ? Os principais fatores que afetam a magnitude de spK são: temperatura, pH, presença do íon comum, composição do solvente, pH, concentração dos eletrólitos, tamanho e sistema de cristalização. Temperatura A solubilidade de um determinado soluto em um determinado solvente normalmente depende da temperatura. De forma, geral, para sólidos quanto maior a temperatura maior a solubilidade. Efeito do íon comum Quando aumentamos a concentração de um dos íons envolvidos no equilíbrio entre uma solução saturada e um sólido, o equilíbrio se desloca. Isso ocorre porque o princípio de Le Chatelier afirma que a reação mudará de direção para a esquerda ou para a direita (em direção aos reagentes ou produtos, respectivamente) para aliviar o estresse do produto em excesso. Quando o equilíbrio é desviado para os reagentes, nesse caso o soluto precipita dada a diminuição da solubilidade do precipitado. 58 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 Efeito do pH O pH de uma solução aquosa pode afetar a solubilidade do soluto. Ao alterar o pH da solução, você pode alterar o estado de carga do soluto. Se o pH da solução for tal que uma determinada molécula não carregue nenhuma carga elétrica líquida, o soluto geralmente tem solubilidade mínima e precipita para fora da solução. O pH no qual a carga líquida é neutra é chamado de ponto isoelétrico. Efeito da formação de complexos Quando um cátion metálico se combina com uma base de Lewis, um íon complexo se forma. Podemos definir um íon complexo como um íon contendo um cátion de metal central ligado (covalentemente) a uma ou mais moléculas ou íons chamados ligantes. Os íons de metais de transição têm uma tendência particular de formar íons complexos porque têm mais de um estado de oxidação. Essa propriedade permite que eles atuem efetivamente como ácidos de Lewis em reações com muitas moléculas ou íons que servem como doadores de elétrons ou como bases de Lewis. Nesse contexto, a formação de íons complexos pode aumentar substancialmente a solubilidade de sais moderadamente solúveis se o íon complexo tiver uma constante de formação grande. Um íon complexo é uma espécie formada entre um íon metálico central e um ou mais ligantes, moléculas ou íons circundantes que contém pelo menos um par solitário de elétrons. Íons metálicos pequenos e altamente carregados têm a maior tendência de agir como ácidos de Lewis e formar íons complexos. A constante de equilíbrio para a formação do íon complexo é a constante de formação. A formação de um íon complexo pela adição de um agente complexante aumenta a solubilidade de um composto. Para saber mais sobre expressões envolvendo a constante de equilíbrio, por favor, consulte os capítulos 9 e 10 do livro Fundamentos de Química Analítica, (SKOOG, 2005, p. 220- 236 e p. 254-263). 59 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA A formação dos precipitados é um processo cinético, e o controle da velocida- de de formação e de outras condições, em certa extensão, permite conduzir a precipitação de maneira a separar a fase sólida desejada com as melhores características físicas possíveis como já vimos em unidade anterior, em gravi- metria de precipitação. Geralmente envolve a ocorrência simultânea e rápida de nucleação e crescimento junto com os chamados processos secundários. Em muitos casos, esses processos são difíceis de separar e investigar de forma independente e mecanicamente. (KARPÍNSKI; BALDYGA, 2019) Precipitação versus cristalização A precipitação e a cristalização referem-se a operações unitárias que geram um sólido a partir de uma solução supersaturada. A condição supersaturada de não equilíbrio pode ser induzida de uma variedade de maneiras, como remoção de solvente por evaporação, adição de outro solvente, mudanças de temperatura ou pressão, adição de outros solutos, reações de oxidação-redução ou mesmo combinações destes. A distinção entre precipitação e cristalização é frequentemente baseada na velocidade do processo e no tamanho das partículas sólidas produzidas. Como já compreendemos o termo precipitação geralmente se refere a um processo que resulta na rápida formação de sólidos que pode dar pequenos cristais que podem não parecer cristalinos ao olho, mas ainda podem dar picos de difração de raios-X muito distintos. Sólidos amorfos também podem ser produzidos nesse processo. O termo precipitação também tende a ser aplicado a uma reação relativamente irreversível entre um reagente adicionado e outras espécies em solução, enquanto os produtos de cristalização podem geralmente ser redissolvidos usando meios simples, como aquecimento ou diluição. 60 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.Uem 23/06/2017 3.1.3 PRECIPITAÇÃO EM SOLUÇÃO HOMOGÊNEA A precipitação homogênea é um processo no qual um precipitado é forma- do pela geração lenta de um reagente de precipitação homogeneamente ao longo de uma solução. Quando um íon precipitante é adicionado a uma solução na qual uma substância deve ser precipitada, a concentração local do primeiro no ponto onde as soluções se misturam frequentemente causa Os processos de precipitação geralmente começam em alta supersaturação, onde ocorre a rápida nucleação e crescimento de fases sólidas. Nos processos de precipitação e cristalização ocorrem as mesmas etapas básicas: supersaturação, nucleação e crescimento. A nucleação não começa necessariamente imediatamente ao atingir uma condição supersaturada, exceto em uma supersaturação muito alta, e pode haver um período de indução antes da detecção dos primeiros cristais ou partículas sólidas. A nucleação pode ocorrer por processos homogêneos e heterogêneos. Em geral, a nucleação homogênea é difícil de alcançar devido à presença de heteronúcleos de coloides, poeira ou outro material estranho na solução. Isso é especialmente verdadeiro na prática industrial. As paredes do recipiente de solução também podem ser uma fonte de locais de nucleação. Após a nucleação começa a fase de crescimento e aglomeração e envelhecimento são termos usados para descrever características das mudanças nas partículas sólidas. Para saber mais sobre Precipitação a Partir de Uma Solução Homogênea do livro Fundamentos de Química Analítica, (SKOOG, 2005, p. 300-308). 61 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA coprecipitação de outros íons que podem permanecer adsorvidos quando a solução subsequentemente se torna uniforme. Este erro é evitado adicio- nando-se uma substância que não contenha o íon precipitante desejado, de modo que não resulte precipitação imediata e a solução seja homogênea. O calor é então aplicado e o íon apropriado é formado por hidrólise na solução (WILLARD, 1950). Os sólidos formados por precipitação homogênea são geralmente mais pu- ros e mais facilmente filtrados do que os precipitados gerados pela adição direta de um reagente à solução de analito. Já sabemos que uma quantidade de soluto, geralmente expressa em gramas, que se dissolve em quantidade de solvente (geralmente 100 g), para obter uma solução saturada, é chamada de solubilidade. Diz-se que um corpo é muito solúvel, solúvel, pouco solúvel ou insolúvel, dependendo de sua solubilidade, em um determinado solvente, muito grande, regular, pequeno ou insignificante. Portanto temos: • Muito solúvel: sua solubilidade é maior que 0,1M • Solúvel: sua solubilidade é igual a 0,1M • Pouco solúvel: sua solubilidade está entre 0,1M e 0,001M • Insolúvel: sua solubilidade não chega a 1M Para saber mais sobre fatores experimentais de formação do livro Fundamentos de Química Analítica, (SKOOG, 2005, cap. 12, p. 300-308). 62 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 3.2 TITULOMETRIA DE PRECIPITAÇÃO 3.2.1 CONSTRUÇÃO DA CURVA DE TITULAÇÃO A partir das regras de solubilidade sabemos que se adicionarmos uma solu- ção aquosa de nitrato de prata, 3( )aqAgNO , a uma solução aquosa de cloreto de sódio, NaCl(aq), um precipitado branco de cloreto de prata, ( )sAgCl , é produzido. Esta reação de precipitação pode ser representada pelas seguintes equações químicas balanceadas: ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 3 3 ) ( ) 3 ( 3Re Re molecular: : : aq aq s aq saq aq aq aq aq aq saq aq ação AgNO NaCl AgCl NaNO AgClAg NO Nação iônica Equação iônica liquída a Cl Na NO AgClAg Cl + − + − + − + − + → + + → ++ + + + → O produto de solubilidade para a dissociação de cloreto de prata em seus íons é muito, muito pequeno: ( )( ) ( ) 10 1.7 10s aq spaqAgCl Ag Cl K + − −+ = ×Ç Para visualizar uma reação de precipitação entre AgNO3 e o sal de cozinha (NaCl), veja os vídeos legendado em português do canal BerkeleyChemDemos e CrashCourse nos seguintes endereços: • Precipitation reaction (AgNO3 + NaCl) produzido pelo canal BerkeleyChemDemos. Disponível neste link. • Precipitation reaction. Apresentado por Crash Course Chemistry. Disponível neste link. https://youtu.be/xR_VZXOz64A https://youtu.be/IIu16dy3ThI 63 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA Portanto, a posição de equilíbrio tende à esquerda da equação de dissocia- ção, ou seja, a formação de cloreto de prata a partir de seus íons é favorecida, ou seja, a reação reversa vai praticamente até a conclusão conforme mostra- do na equação química balanceada abaixo: ( ) ( )1 10( ( 9) ) / 1 1.7 10 5.9 10aq aq KspsAg Cl AgCl K+ − −+ → = = ÷ × = × Portanto, poderíamos configurar um experimento de titulação usando as vidrarias laboratoriais mostrados na Figura abaixo, na qual, observa-se uma bureta usada para adicionar lentamente AgNO3(aq) ao NaCl(aq) que foi coloca- do diretamente no erlenmeyer. Ao final, os resultados de todos os cálculos podem ser usados para a construção da curva de titulação. VOLUMETRIA DE PRECIPITAÇÃO DE CLORETO DE PRATA [concentração conhecida] Bureta contém 0,100 mol L-1 AgNO3(aq) Um precipitado branco de AgCl(s) se formará no frasco cônico. Ag+(aq) + Cl-(aq) → AgCl(s) Ag-Cl [concentração desconhecida] O Erlenmeyer contém 10,0 mL de 0,0500 mol L-1 NaCl(aq) Fonte: Elaborada pela autora (2020). #PraCegoVer Na reação de precipitação de cloreto de prata, uma amostra de nitrato de prata de concentração conhecida é adicionada gota-a-gota utilizando uma bureta. A reação que ocorre erlenmeyer vai ate que se forme um precipitado de cloreto de prata que tem coloração branca. 64 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 EXEMPLO Cálculos estequiométricos para a reação de precipitação do cloreto de prata i. Antes do início do experimento, o frasco cônico contém apenas 10,0 mL de NaCl 0,0500 mol L-1(aq). Podemos calcular os moles de NaCl presentes no frasco cônico: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 1 C : de de em 0,0500 de 10,0 10,0 1000 / 0,0100 aq aq aq aq aq aq n NaCl NaCl V NaCl Onde n NaCl moles NaCl NaCl concentração NaCl mol L mol L V NaCl volume NaCl em L mL mL mL N C L L n a − − = × = = = = = = ÷ = ( )) 1( 0,0500 0,0100 0,00050 aqCl mol L L mol−= × = ii. Se adicionarmos 1,0 mL de 0,100 mol L-1 AgNO3(aq) da bureta ao NaCl(aq) no frasco cônico, podemos calcular: 1. Os moles de AgNO3(aq) que foram adicionados ao erlemmeryer: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 3 ( ) ( ) ( 3 3 3 3 1 1 3 3 ) 3 )3( ) ( 0,100 1.0 1.0 1000 / aq aq aq aq aq aq aq aq aq n AgNO C AgNO V AgNO n AgNO moles de AgNO AgNO concentration of AgNO em mol L mol L V AgNO volume de AgNO em L mL mL mL L C − − = × = = = = = = ÷ ( ) 13( ) 0,0010 0,100 0,0010 0,00010 aq L n AgNO mol L L mol− = = × = 2. moles of NaCl(aq) reacted: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 3 3 3 3) ( ) 1:1 0.00010 aq aq s aq aq aq aq aq AgNO NaCl AgCl NaNO razão estequiométrica razão molar AgNO NaCl é n NaCl reagiu n AgNO adicionado mol + → + ⇒ ⇒ = = 3. moles of Cl-(aq) em excesso no erlemmeryer: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0.00050 0.00010 0.00050 0.00010 0.00040 aq aq aq aq aq aq n Cl inicial n NaCl mol n Cl reagiu mol n Cl excesso n Cl inicial n Cl reagiu mol − − − − − = = = = − = − = 65 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA EORGÂNICA 4. concentração do Cl-(aq) agora no erlemmeryer é: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 0.00040 10.0 1.0 11 11 1000 / 0.0110 0.00040 0.0110 0.0364 aq aq aq aq aq aq C Cl n Cl V Cl n Cl molV Cl mL mL mL mL mL L L C Cl mol L mol L − − − − − − − = ÷ = = + = = ÷ = = ÷ = Podemos continuar esses cálculos até o ponto de equivalência fazendo os cálculos para os diferentes volumes (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, etc. ...mL) de AgNO3(aq) adicionado, o ponto em que todo o Cl-(aq) disponível reagiu com Ag + (aq). Quan- do adicionamos 5,0 mL de AgNO3(aq) ao NaCl(aq), teremos atingido o ponto de equivalência da reação, os mols de Ag+(aq) que adicionamos são exatamente os mesmos que os mols de Cl-(aq) em a solução. Quando essas duas soluções são misturadas, a solução resultante fica saturada e o precipitado existe em equilíbrio com seus íons na solução: AgCl(s) ⇋ Ag+(aq) + Cl-(aq). Nesse ponto, po- demos usar o produto de solubilidade, Ksp = 1,7 × 10 -10, para esta reação para determinar a concentração de íons cloreto e íons prata na solução resultante neste ponto da reação: Ksp = [Ag+(aq)][Cl-(aq)] = 1.7 × 10-10 No ponto de equivalência: ( ) ( )( ) ( ) aq aqmoles Ag moles Cl+ −= Todos os íons estão presentes no mesmo volume de solução, dessa forma: ( ) 10 2 10 2 10 5 ( ) ( ) ( ) ( ) 1.7 10 1.7 10 1.7 10 1.3 10 aq aq aq aq Ag Cl x Ag Cl x x x + − + − − − − − = = = × = × √ = √ × = × Após o ponto de equivalência, o Ag+ de outras adições de AgNO3 estará em excesso. Isso significa que a concentração de prata na solução resultante após a mistura aumentará, mudando a posição de equilíbrio para a dissociação de AgCl para a esquerda. Veremos a concentração de cloreto (como resultado da 66 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 dissociação de AgCl(s) diminuir. Podemos determinar a concentração de Cl - (aq) que estará em solução como resultado da dissociação do (s) AgCl(s) precipita- do (s) usando seu produto de solubilidade (Ksp = 1,7 × 10 -10 a 25° C): Por exemplo, se adicionarmos 1,0 mL a mais de AgNO3 após o ponto final de equivalência, teremos adicionado um volume total de 5,0 + 1,0 mL = 6,0 mL de 0,100 mol L-1 AgNO3, então podemos calcular: 1. moles of AgNO3(aq) adicionado: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 3 3 3 3 3 3 1 1 3 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 3( ) 3( ) 0.100 6.0 6.0 1000 / aq aq aq aq aq aq aq aq aq n AgNO C AgNO V AgNO n AgNO moles of AgNO C AgNO concentração of AgNO em mol L mol L V AgNO volume of AgNO em L mL mL mL L − − = × = = = ⇒ = = = ÷ ( )( 13 ) 0.0060 0.100 0.0060 0.00060 aq L n AgNO mol L L mol− = ⇒ = × = 2. moles of Ag+(aq) em excesso: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 3 3 3 ) ( ) ( ) 3 3 3 0.00060 0.00050 0.00060 0.00050 0.00010 aq aq aq aq aq aq aq n AgNO excesso n AgNO disponível n AgNO reagiu n AgNO disponível mol n AgNO reagiu n Cl inicial mol n AgNO excesso mol − = − = = = = − = 3. Concentração do excesso de Ag+(aq) em solução: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 3 3 3 3 0.00010 10.0 6.0 16.0 16.0 1000 / 0.0160 0.00010 0.0160 0.00625 aq aq aq aq C AgNO excess n AgNO excess V total n AgNO excess mol V total mL mL mL L mL L L C AgNO excess mol L mol = ÷ = = + = = ÷ = = ÷ = 1 L− 4. Concentração do Cl-(aq) em solução como resultado da dissociação do precipitado de AgCl(s): ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 10 1 3 1 1 ( 0 8 ) 1.7 10 25 0.00625 1.7 10 0.00625 2.72 10 aq sp aq sp aq aq aq C Cl K Ag K C Ag C AgNO excesso mol L C Cl mol L − + − + − − − − − = ÷ − = × ° = = = × ÷ = × 67 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA Se continuarmos a adicionar mais AgNO3(aq) ao frasco, então os moles do ex- cesso de Ag+ na solução aumentam, o que muda a posição de equilíbrio para o lado AgCl(s) da equação química e a concentração de Cl - diminui. A tabela a seguir mostra os resultados desses cálculos. Você deve verificar esses cálculos por si mesmo. Para traçar uma curva de titulação, vamos alterar a concentra- ção de Cl- em mol L-1 para um novo termo, pCl. Relembre que: ( ) ( ) 10 10 10 aq aq c pH log H pOH log OH pK log K + − − − = − = = Então, pCl = -log10[Cl - (aq)]. Ao final, fazendo esse cálculo para cada volume me- dido na bureta teremos dados necessários para a construção da curva de pre- cipitação tal como mostra a Figura a seguir contento os dados finais e a curva de titulação. CONCENTRAÇÃO DE CLORETO E GRÁFICO DO VOLUME DE AgNO3 VERSUS PCL Volume de AgNo3(aq)(mL) [Cl-(aq)] (mol L -1) pCl = -log10[Cl -(aq)] 10 8 6 4 2 0 0 10 20 30 40 50 Volume de AgNO3 pC I 0.0 0.0500 1.30 1.0 0.0365 1.44 2.0 0.0250 1.60 3.0 0.0154 1.81 4.0 0.00714 2.15 5.0 0.000013 4.89 6.0 2.72 x 10-8 7.57 7.0 1.45 x 10-8 7.84 8.0 1.02 x 10-8 7.99 Fonte: Elaborada pela autora (2020). #PraCegoVer A partir dos valores de volume é possível calcular a concentração de Cloreto, o pCl e dessa forma montar o gráfico final Volume de AgNO3 versus pCl. 68 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 3.2.2 FATORES QUE AFETAM A CURVA DE TITULAÇÃO Tanto a magnitude quanto a nitidez da quebra do ponto final influenciam como o ponto equivalente pode ser estimado. Portanto, é importante que exa- minemos as variáveis que podem influenciar a forma da curva de titulação. As propriedades dos indicadores também afetam o quão bem os pontos de equivalência podem ser estimados. A concentração de íons de prata antes do ponto de equivalência depende parcialmente da concentração original do íon brometo, enquanto após o ponto de equivalência depende parcialmente de sua própria concentração original. Como resultado, a alta concentração de analito e do titulante produz uma quebra de ponto final maior e mais nítida do que as baixas concentrações. Para saber mais sobre fatores que afetam as curvas de titulação de precipitação, por favor, consulte o livro os Fundamen- tos de Química Analítica, (SKOOG, 2005, cap. 13, p. 336-341). 3.2.3 MÉTODO DE FAJANS, MOHR E VOLHARD As curvas de titulação que acabamos de descrever mostram um aumento abrupto na concentração do titulante, acompanhado por uma queda abrup- ta na concentração do analito nos pontos de equivalência. Obviamente, um reagente que responde ao aumento abrupto da concentração do analito no ponto de equivalência pode ser empregado como um indicador para mostrar o ponto final. Vários métodos foram desenvolvidos para mostrar o ponto final em titulações de precipitação. Os mais conhecidos deles foram desenvolvidos para titulação envolvendo Ag; eles são baseados na formação de um precipi- tado colorido, turbidez, formação de um íon complexo colorido, titulações de precipitação e adsorção de corantes em partículas carregadas de precipitado. 69 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA Tipos de titulações de precipitação Com base no indicador usado na determinação do ponto final, as titulações de precipitação são classificadas em três tipos. Eles são os seguintes: 1. Formação de precipitado - MÉTODO DE MOHR 2. Formação de complexos coloridos - MÉTODO DE VOLHARD 3. Indicadores de adsorção - MÉTODO DE FAJANS 1. Método de Mohr Neste método, a solução de cromato de potássio é usada como indicador. Este método é usado na determinação de Cl− ou Br− usando nitrato de prata como titulanteem condições neutras ou ligeiramente ácidas. O ponto final é detectado pela formação do íon cromato de prata vermelho. Este método também é conhecido como método direto Experimental: a amostra é seca a 110 ° C por 1 h e resfriada em um dessecador. Em seguida, é pesado com precisão e dissolvido em 100 ml de água. Em seguida, uma pequena quantidade de NaHCO3 é adicionada para cessar a efervescência. Em seguida, 2 ml de K2CrO4 são adicionados como solução indicadora e a solução resultante é titulada com o nitrato de prata como titulante. O ponto final é o aparecimento da cor vermelha. 2 4 2 42 Ag CrO Ag CrO + − →+ 2. Método de Volhard Neste método, o íon férrico é usado como indicador. Este método também é conhecido como método indireto. O excesso de íons de prata é titulado com a solução padrão de SCN- até que a solução de cor vermelha apareça. ( ) 2 Fe SCN Fe SCN ++ −+ ↔ 70 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 A estabilidade deste método é aumentada pelas duas etapas: Adição de nitrobenzeno que protege o precipitado do meio aquoso. Filtração do precipitado. Método: A solução da amostra e a solução de 1 ml de sulfato férrico de amónio saturado como indicador são colocadas no frasco cônico. Em seguida, a solução resultante é titulada com 0,1 M de solução de tiocianato de potássio até que a cor vermelha escura apareça. 3. Método de Fajan Fluoresceína é usada como indicador. O mecanismo envolvido é que o indicador é adsorvido à superfície do precipitado e mostra a mudança de cor avermelhada. Experimental: Secar a amostra e o NaCl em estufa a 110 ° C por 1h, e resfriar no dessecador. Pesar 100 mg da amostra e NaCl em frascos separados e dissolver em 100 ml de água desionizada. Em seguida, são adicionados 5 ml de solução de dextrina a 2%, o que estabiliza o precipitado. Em seguida, 8-10 gotas de solução de dicloroflouresceína 0,1% são adicionadas como indicador a cada frasco. A solução resultante é então titulada com a solução de nitrato de prata como titulante. O ponto final é o aparecimento de avermelhado rosa escuro. Para saber mais sobre fatores que afetam as curvas de titulação de precipitação, por favor, consulte o livro os Fundamentos de Química Analítica (SKOOG, 2005, p. 341-345). CONCLUSÃO Nesta unidade de volumetria de precipitação, nós discutimos os princípios básicos da titulação de precipitação. Vimos que as curvas de titulação de pre- cipitação são análogas às curvas descritas para as titulações ácidos e bases fortes. A partir de agora, tendo em mãos as ferramentas teóricas, somos ca- pazes de calcular a concentração das espécies envolvidas em um sistema de titulação de precipitação e, além disso sabemos como montar o experimento para a construção de uma curva de titulação. A maneira mais conveniente para saber se uma dada titulação é viável ou não, ou mesmo para se avaliar o erro cometido pelo uso de um determinado indicador, é através da curva de titulação. Ao final, foi possível conhecer as titulações de precipitação, no qual são empregados três tipos de indicadores: íon cromato (Método de Mohr), adsorção (Método de Fajans) e ferro (III) (Método de Volhard). UNIDADE 4 OBJETIVO Ao final desta unidade, esperamos que possa: 71 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA > Definir de íon complexo e agente complexante (EDTA). > Esquematizar as etapas das reações de complexação com EDTA. > Categorizar os tipos de titulação com EDTA. 72 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA 4 VOLUMETRIA DE COMPLEXAÇÃO A titulação complexométrica é uma técnica bem estabelecida e barata para a quantificação de íons metálicos em solução que se compara bem com outras técnicas analíticas, como espectrometria de massa, cromatografia de íons e ressonância magnética nuclear cuja aplicação vem sendo ensinada em todo o mundo (ZHAI; XIE; BAKKER, 2015b). Nesta unidade, o conceito de formação de íons complexos e reações de equi- líbrio graduais associadas serão examinados e discutidos. Será dada ênfase particular à aplicação das reações iônicas complexas em titulações complexo- métricas e nos métodos titulométricos baseados na formação de complexos, como meio de análise quantitativa de íons metálicos em solução. A ênfase de conteúdo dessa unidade será em como a formação de íons complexos pode ser usada como base de um método titulométrico para quantificar íons me- tálicos em solução. Aqui, o ácido etilenodiamina tetraacético (EDTA) será es- tudado como um reagente analítico ou titulante que forma complexa muito estável com muitos íons metálicos em titulação complexométrica. INTRODUÇÃO A titulação complexométrica (complexometria ou quelatometria) é um dos métodos titulométricos clássicos desenvolvidos para a análise química rápi- da e quantitativa de íons metálicos (BURGOT; BURGOT, 2012; SCHOLZ et al., 2019). Os íons de interesse são titulados com o quelante de escolha por meio de uma reação de complexação de coordenação e rapidamente formam complexos monodentados ou multidentados estáveis. O quelante é às vezes chamado de reagente complexante ou, mais simplesmente, titulante. O pon- to final pode ser identificado usando um corante indicador metalocrômico, que mostra uma mudança de cor, ou usando outros indicadores instrumen- tais, como eletrodos seletivos de íons (ZHAI; BAKKER, 2016). Esses tipos de procedimentos de titulação de íons complexos têm alta preci- são e oferecem a possibilidade de determinações de íons metálicos em níveis de milimoles. As titulações por complexometria são rotineiramente usadas para determinar a concentração de íons, especiação, bem como reações de complexação em vários campos, como ambiental, clínico e industrial. 73 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 Nesta unidade, a teoria e as aplicações da formação de íons complexos e, especificamente, as titulações complexométricas na quantificação de íons metálicos em solução serão examinadas. Além disso, será explicada a impor- tância de usar um reagente que forma um quelato sobre outro que apenas forma um complexo com um íon metálico na análise volumétrica. Iremos definir e usar as terminologias relevantes de equilíbrios de íons complexos, comparar e contrastar entre os equilíbrios de íons complexos e ácido-base de Lewis, descrever e explicar o conceito de equilíbrios complexos e reações de equilíbrio gradual, usar o conceito de equilíbrio químico em titulações e cálculos complexométricos. E, por fim, distinguir entre os vários tipos de titulações de EDTA e seus usos. E, realizar as titulações complexométricas e cálculos relacionados. Conceitos fundamentais • Indicadores ácido-base: ácidos ou bases que exibem uma mudança visual na neutralização pelo titulante básico ou ácido no ou próximo ao ponto de equivalência. • Complexo: uma substância composta por dois ou mais componentes capazes de uma existência independente. • Complexação: a associação de duas ou mais espécies químicas que são capazes de existência independente por compartilhar um ou mais pares de elétrons. • Indicador complexométrico: moléculas orgânicas solúveis em água que sofreram mudança de cor definida na presença de íons metálicos específicos e são utilizadas titulações incomplexométricas. • Titulação complexométrica: uma titulação baseada na formação de complexos de coordenação entre um íon metálico e o agente complexante (ou agente quelante) para formar complexos solúveis. 74 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA 4.1 INTRODUÇÃO AOS EQUILÍBRIOS E PROCESSOS DE COMPLEXAÇÃO COM EDTA Reações em equilíbrioquímico de formação de complexos envolvendo mui- tos íons metálicos podem servir como base para titulações precisas e conve- nientes para muitos íons metálicos (SCHOLZ; KAHLERT, 2019a). Os processos envolvidos na formação de íons complexos são basicamente reações do tipo ácido-base em que o íon metálico atua como um ácido e os ânions ou molé- culas como a base. • Agente complexante ou ligante: moléculas e / ou ânions com um ou mais átomos doadores em que cada um doa um único par de elétrons ao íon metálico para formar uma ligação covalente. • Complexo de coordenação: um complexo no qual um átomo ou íon central é unido a um ou mais ligantes por meio do que é formalmente uma ligação covalente coordenada em que ambos os elétrons de ligação são fornecidos por um ligante. • Constante de estabilidade de um complexo: uma medida da extensão da formação do complexo em equilíbrio. • Quelação: o processo envolvido na formação de um quelato. • Quelato: é um ligante que contém dois ou mais grupos doadores de elétrons, de modo que mais de uma ligação é formada entre o íon metálico e o ligante.. 75 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 No sentido mais amplo, complexação é a associação de duas ou mais espé- cies químicas que são capazes de existência independente por compartilhar um ou mais pares de elétrons. Embora esse tipo de reação química possa ser classificado como reação ácido-base de Lewis, é mais comumente conhecido como reação de complexação. Quando aplicada à análise química, essa de- finição é geralmente considerada como significando a ligação de um íon de metal central, capaz de aceitar um par de elétrons não compartilhado com um ligante que pode doar um par de elétrons não compartilhados. Para a descrição de equilíbrios complexos, o número de ligações que um ligante é capaz de formar com um íon de metal são importantes. Esta propriedade é chamada de denticidade. Ligantes de metal podem ser moléculas neutras ou ânions que possuem pares de elétrons livres, que podem formar laços. Em ligantes multidentados, vários chamados átomos doadores são presentes que têm pares de elétrons livres. Além disso, esses átomos doadores devem ser situados um ao outro de tal forma que um - mais ou menos - anel inoxidável pode ser formado com o íon de metal central (SCHOLZ; KAHLERT, 2019b) Resumidamente, dentro do contexto exposto os ligante podem ser definidos como: (i) Ligante monodentado: Um ligante que compartilha um único par de elétrons com um íon metálico central em um complexo ou (ii) ligante multidentado: um ligante que compartilha mais de um par de elétrons com um íon metálico central em um complexo. Aqueles ligantes que compartilham 2, 3, 4, 5 ou 6 são referidos como bidentados, tridentados, tetradentados (ou quadridentados), pentadentados (ou quinquidentados) e hexadentados, respectivamente. 76 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA 4.1.1 FORMAÇÃO DE COMPLEXOS COM EDTA O ácido etilenodiaminotetracético, ou EDTA, é um ácido aminocarboxílico. EDTA (ARENAS-LAGO et al., 2017; BOCK, 1962; FLASCHKA, 1964; FLASCHKA; NAIMAN, 1959; OVIEDO; RODRÍGUEZ, 2003), é um ácido de Lewis com seis locais de ligação - os quatro grupos carboxilato carregados negativamente e os dois grupos amino terciários - que podem doar até seis pares de elétrons em um íon metálico. O complexo metal-ligante resultante, no qual o EDTA forma uma estrutura semelhante a uma gaiola em torno do íon metálico é muito estável. O número real de locais de coordenação depende do tama- nho do íon metálico, no entanto, todos os complexos metal-EDTA têm uma estequiometria de 1: 1. O EDTA é um indicador complexométrico que consiste em 2 grupos amino e quatro grupos carboxila denominados bases de Lewis. Ele é um ligante hexa- dentado por causa de sua competência para denotar seis pares de elétrons solitários devido à formação de ligações covalentes. Mesmo a presença de pequenos íons de metal levaria a uma mudança distinta na cor. O sucesso das titulações de EDTA deve, sem dúvida, ser atribuído à estabilidade dos comple- xos que confere com os íons metálicos, à versatilidade da reação, e também ao uso de indicadores metálicos para detectar seu ponto de equivalência (CORA JOFRÉ et al., 2020; JARUJAMRUS et al., 2018). 77 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 EDTA - ácido Etilenodiaminotetracético (Ethylenediaminetetraacetic acid) O EDTA tem seis nitrogênios e oxigênio em sua estrutura, dando-lhe, por tanto, seis pares de elétrons livres que pode doar aos íons metálicos (sítios ácido- base). O EDTA existe em até 7 formas ácido-básicas diferentes, dependendo do pH da solução. A forma mais básica (Y4-) é aquela que reage principalmente com os íons metálicos. A propriedade incomum do EDTA é sua capacidade de quelar ou complexar íons metálicos em complexos 1:1 metal-EDTA. A forma totalmente desprotonada (todos os hidrogênios ácidos removidos) do EDTA liga-se ao íon metálico. O equilíbrio ou constantes de formação para a maioria dos metais, especialmente os metais de transição, são muito grandes, portanto, as reações são deslocadas para a direita favorecendo a formação do complexo metálico. 4 4 4 4 4 ( ) / ( )( )n n n nfM Y MY K MY M M Metal EDTA Y Y � � � � � � � � � � �⇄ Devido à sua forte capacidade de complexação para a maioria dos íons metálicos, é usado na indústria de alimentos como agente sequestrante. A complexação do íon metálico pode impedir outras reações, como a ligação de metais que são cofatores de enzimas, ou apenas remover um sabor metálico, como a contaminação por metal adicionada durante o processamento. Para conhecer mais sobre as variações das espécies de EDTA, Por favor, consultar o capitulo IV do livro Química Analítica Quantitativa Elementar (BACCAN, 1979, p.102-105). 78 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA 4.1.2 A NATUREZA DO LIGANTE Um íon de metal central pode formar uma ligação simples com um ligante que é capaz de doar um par de elétrons de apenas um de seus átomos. No entanto, com ligantes multidentados (ou às vezes conhecidos como poliden- tados), ele pode formar uma ligação em mais de um local para formar uma estrutura em anel. Geralmente, a formação do anel resulta em maior estabili- dade do complexo. Uma espécie que está ligada simultaneamente a dois ou mais locais em um ligante é chamada de quelato de metal, ou simplesmente quelato, e o processo de sua formação é chamado de quelação. Um quelato é formado se dois ou mais átomos doadores são coordenados pelo uso simultâ- neo de dois ou mais pares de elétrons para o mesmo átomo de metal. Equilíbrio de íons complexos A constante de estabilidade de um complexo é definida como uma medida da extensão da formação do complexo no equilíbrio. A estabilidade de um complexo depende da força da ligação entre o íon metálico central e os ligantes (isto é, a ligação) e, portanto, quanto mais forte a ligação do ligante metálico, mais estável é o complexo. Os complexos metálicos são formados pela substituição de moléculas na casca solvatada de um íon metálico em solução aquosa com os ligantes por reação em etapas, conforme mostrado abaixo: � � � � � � � � � � � � � � 2 2 22 1 2 2 2 21 2 2 2 2 3 22 3 2 2 A rea é: [ ( ) ] n n n n n n n M H O L M H O L H O M H O L L M H O L H O M H O L L M H O L H O M H O nL ção global ML nH O � � � � � � � � � � � �� �� � � � � � � �� � � � � � � �� � � �� � � ⇌ ⇌ ⇌ ⇌ Onde, L representa o ligante e, se refere ao número de moléculas de uma espécie particular. Para saber mais sobre expressõesenvolvendo a constante de equilíbrio envolvendo complexos metálicos, por favor, consulte o capítulo 17 do livro Fundamentos de Química Analítica, (SKOOG, 2005, p. 429-431). 79 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 Os quelatos encontram aplicação na indústria e no laboratório, onde a fixação de íons de metal é necessária. Em química analítica, os quelatos são usados em análises qualitativas e quantitativas. Na análise volumétrica, os agentes quelantes são frequentemente usados como reagentes ou como indicadores para a titulação de alguns íons metálicos. Devido à estabilidade dos quela- tos, os ligantes polidentados (também chamados de agentes quelantes) são frequentemente usados para sequestrar ou remover íons metálicos de um sistema químico. O ácido EDTA, por exemplo, é adicionado a certos alimentos enlatados para remover íons de metais de transição que podem catalisar a deterioração dos alimentos. O mesmo agente quelante tem sido usado para tratar o envenenamento por chumbo porque se liga aos íons Pb2+ como o quelato, que pode então ser excretado pelos rins. Nas seções subsequentes que se seguem, a aplicação dos fundamentos da formação de íons comple- xos é demonstrada na titulação complexométrica. 4.1.3 FATORES QUE AFETAM A ESTABILIDADE DOS COMPLEXOS METÁLICOS De forma geral, a estabilidade dos complexos metálicos é influenciada por uma série de fatores relacionados ao ligante e aos íons metálicos apontados a seguir: 1. Natureza do íon metálico: íons pequenos com altas cargas geram com- plexos mais fortes. 2. Natureza do ligante: Os ligantes que formam quelatos conferem estabi- lidade extra. Por exemplo, o complexo de níquel com um ligante multi- dentado é mais estável do que aquele formado com amônia. 3. Basicidade do ligante: Maior basicidade do ligante resulta em maior esta- bilidade do complexo. 4. Tamanho do anel quelato: A formação de anéis de cinco ou seis mem- bros fornece a máxima estabilidade. 5. Número de anéis quelatos de metal: A estabilidade do complexo está diretamente relacionada ao número de anéis quelatos formados entre o ligante e o íon metálico. Quanto maior o número de tais anéis, maior é a estabilidade. 6. Acidez/Basicidade do meio reacional: a estabilidade dos complexos varia em função do pH. 80 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA Constante do complexo METAL-EDTA baseado no equilíbrio químico de for- mação do complexo metálico com EDTA ( MYK ) Como o grau de acidez interfere nas reações de complexação, para manter um pH constante durante uma titulação de complexação, geralmente adicio- na-se um agente tamponante. Se um dos componentes do tampão for um ligante que também tem a capacidade de se liga ao metal (M) como o 2Cd + , por exemplo, então o EDTA deve competir com o outro ligante pelo 2Cd + . Na reação ideal o EDTA deve ter uma maior capacidade de ligação com o metal que o interferente. Para ilustrar a formação de um complexo metal-EDTA e a obtenção da constante de formação do complexo, vamos considerar a reação entre 2Cd + e EDTA, onde 4Y − é uma notação abreviada para a forma totalmente despro- tonada de EDTA. . ( ) ( ) ( ) 2 4 2 aq aq aqCd Y CdY � � �� ⇌ 2 2 16 4 [ ][ ] [ 2,9 10 ]f CdY CdK Y − + −= = × Constante de formação condicional (KMY) do EDTA é produto do absoluto constante de formação (K) e α4. . 4MY fK K α= A constante de formação condicional ( MYK ) é facilmente calculada conhecen- do a constante de formação absoluta ( fK ) e α4 valor no pH da solução. MYK é mais prática usar porque representa a tendência real do EDTA para formar o complexo com metal no valor de pH da solução. Os valores da MYK variam com pH porque α4 varia com o pH. 81 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 4.1.4 INDICADORES PARA USO EM REAÇÕES DE COMPLEXAÇÃO As titulações mais importantes baseadas em reações de formação de com- plexos são aquelas envolvendo a titulação de íons metálicos com o reagen- te EDTA. Os indicadores são corantes que têm a propriedade de formar um complexo colorido com o íon metálico. À medida que a titulação prossegue, o reagente reage primeiro com os íons metálicos não complexados e, final- mente, no ponto final, reage com o complexo metal-indicador. Na vizinhança imediata do ponto final, o indicador sofre oxidação ou redução, dependendo se o titulante é um agente oxidante ou um agente redutor. As formas oxida- das e reduzidas do indicador têm cores distintas. Na verdade, os indicadores de íons metálicos são frequentemente ácidos or- gânicos e têm múltiplas espécies com cores diferentes dependente do pH. Pegando, por exemplo, um indicador de íon metálico amplamente usado, o negro de eriocromo T, suas espécies iônicas em diferentes pHs podem ser mostradas como: ESPÉCIES IÔNICAS DO NEGRO DE ERIOCROMO T EM FUNÇÃO DO PH H2In- HIn2- In3-pH = 5,3 -7,3 pH = 10,5 -12,5 Fonte: Elaborado pela autora (2021). Para saber mais sobre expressões envolvendo os cálculos e constante condicionais de equilíbrio envolvendo complexos metálicos, por favor, consulte o capítulo 17 do livro Fundamentos de Química Analítica (SKOOG, 2005, p. 438-439). Esses conceitos de equilíbrio químico e também os cálculos envolvendo KMY serão usados mais tarde para fins de construção da curva de titulação. Fique atento! 82 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA O negro de eriocromo T pode mostrar-se como vermelho, azul e amarelo/ laranja nas faixas de pH <7, pH 7-11 e pH> 11, respectivamente. Como tem que dar um mudança de cor nítida no ponto final da titulação, o indicador só pode funcionar em certa faixa de pH. Os complexos de negro de eriocromo T com muitos metais (Ca, Mg,Cd, Zn, Ba, Mn, Hg, Pb, Cu, Al, Fe, Ti, Co, Ni, etc.) têm uma cor vermelha. Isso sugere que o indicador só pode ser usado quando o pH é maior do que 7. Quando o pH <7, o indicador em si é vermelho e nenhu- ma transição de cor ocorrerá no ponto final. Portanto, negro de eriocromo T não é adequado para a titulação de EDTA realizada no meio com pH <7. Os requisitos do mundo experimental para queladores e indicadores sensíveis, seletivos e independentes de pH exigem um novo design desses indicadores para complexometria. Novos conceitos e estruturas de quelantes e indicado- res tem surgido até os dias atuais. Muitos dos avanços foram possíveis apenas recentemente, movendo a titulação de uma fase homogênea para uma fase heterogênea usando uma nova classe de quelantes e indicadores baseados em novas tecnologias (ZHAI; BAKKER, 2016; ZHAI; XIE; BAKKER, 2015a, 2015b). 4.2 TITULOMETRIA DE COMPLEXAÇÃO 4.2.1. CONSTRUÇÃO DA CURVA DE TITULAÇÃO COM EDTA Já aprendemos que na titulação de um ácido forte versus uma base forte, um gráfico do pH em relação ao volume da solução da base forte adiciona- da fornece um ponto de inflexão no ponto de equivalência. Lembram-se dis- so, Caros alunos? Agora, analogamente da mesma forma, em uma titulação de íon de metal versus EDTA, se [ ] pM log M= − , onde M significa o íon de metal cuja concentração é necessária é plotado contra o volume de solução de EDTA adicionado, um ponto de inflexão ocorre no ponto de equivalência. Os cálculos para a construção da curva de titulação são análogos à titulação ácido-base com pequenas considerações. 83 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 EXEMPLO 1 Cálculos para a construção da curva de titulação com EDTA Para avaliar a relação entre o ponto de equivalência de uma titulação e seu ponto final, precisamos construir apenas uma aproximação razoável da cur- va de titulação exata. Nesta seção, demonstramosum método simples para esboçar uma curva de titulação de complexação. Nosso objetivo é esboçar a curva de titulação rapidamente, usando o mínimo de cálculos possível. Para tal fim, vamos considerar uma titulação de 50,0 mL de 5,00 × 10–3 M 2Cd + com 0,0100 M com EDTA na presença de 0,0100 M de NH3 para ilustrar nossa abordagem. Considere que antes do início do experimento, o frasco cônico contém ape- nas 10,0 mL de NaCl 0,0500 M. Vamos lá! Passo 1: Calcular a constante de formação condicional para o complexo me- tal-EDTA. Como o pH usado básico (pH=10), parte do EDTA está presente em outras formas além de 4–Y . Além disso, o EDTA deve competir com o NH3 pelo Cd2+. Para avaliar a curva de titulação, portanto, primeiro precisamos calcular a constante de formação condicional para 2–CdY (METAL-EDTA). As constantes de dissociação do EDTA são 4–Yα é 0,35 a um pH de 10, e que 2Cdα + é 0,0881 quando a concentração de NH3 é 0,0100 M. Usando esses valores, a constante de formação da reação condicional é 4 2 14' 2.9 1016 0.37 0.0881 9( )( )( ) .5 10MY MYK K Y Cdα α − += × × = × = × Como KMY tem um valor alto, podemos tratar a reação de equilíbrio entre EDTA-metal como se toda a reação se deslocasse para a direita. 2 4 2 ( ) ( ) ( )aq aq aqCd Cd CdY + − −+ → 84 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA Passo 2: Vamos calcular o volume de EDTA necessário para atingir o ponto de equivalência. Lembremos que nesse ponto moles EDTA = moles do metal em questão: 2 3 , 5,00 10 50,0 25,0 0,010 ( )( ) 0 Cd Cd EDTA EDTA moles EDTA moles Cd Dessa forma M V M mLV mL M M + − = × = = = Passo 3: Calcular os valores de pM antes do ponto de equivalência, determi- nando a concentração de íons metálicos que não reagiram. Antes do ponto de equivalência, o Cd2+ está presente em excesso e o pCd é determinado pela concentração de Cd2+ que não reagiu. Por exemplo, após adicionar 5,0 mL de EDTA, a concentração total de Cd2+ é: 2 3 3 moles de ( ) de 5,00 10 50,0 0,0100 5,0 50,0 5,0 3,64 10 ( )( ) ( )( ) Cd Cd Cd EDTA EDTA Cd EDTA Cd Cd C Cd inicio moles EDTA adicionado Volume total M V M VC VCd V M mL M mLC mL mL C M + − − ⇒ ⇒ = − − ⇒ = + × − = + = × Em seguida, calcula-se a concentração de Cd2+ livre, da seguinte forma: 2 2 4 4[ ] ( )(0,0881 3,64 10 3,21 10 )CdCd Cd C M Mα + + − −= × = × = × Tendo em mão a concentração do metal, basta calcular pM análogo ao que fizemos na construção da titulação ácido-base: 2 43, 21 10 3,( 9[ ] 4)pCd log Cd log+ −= − = − × = 85 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 Passo 4: Calcular pM no ponto de equivalência usando a constante de forma- ção condicional (KMY). No ponto de equivalência, todo o Cd2+ inicialmente no titulo está agora pre- sente como CdY2–. A concentração de Cd2+, portanto, é determinada pela dis- sociação do complexo CdY2–. Primeiro, calculamos a concentração de CdY2–. 2 2 3 inicial 5,00 10 3 50,0 3,33 10 50,0 25, [ ( ( ) 0 ] ) Cd Cd Cd M Vmoles CdCdY volume total V VEDTA M mL M mL mL + − − = = + × − = = × + Em seguida, resolvemos a concentração de Cd2+ em equilíbrio com CdY2–. 2 3 14 9 [ ] ( 3,33 10 9,5 10 1,9 10 )( )MY Cd EDTA Cd CdY xK C C x x x C M − − − × − = = = × = = × No ponto de equivalência, os mols iniciais de Cd2+ e os mols de EDTA adicio- nados são iguais. As concentrações totais de Cd2+, CCd e a concentração total de EDTA, CEDTA são iguais. Novamente, para encontrar a concentração de Cd2+ não complexado, deve- mos levar em consideração a presença de NH3; pCd é 9,77 no ponto de equi- valência. 2 2 9 10] ( )([ 0,0881 1,9 10 1,70 10 )CdCd Cd C M Mα+ + − −= × = × = × Passo 5: Calcular pM após o ponto de equivalência usando a constante de formação condicional. Após o ponto de equivalência, o EDTA está em excesso e a concentração de Cd2+ é determinada pela dissociação do complexo CdY2–. Primeiro, calculamos as concentrações de CdY2– e de EDTA não reagido. Por exemplo, após adicio- nar 30,0 mL de EDTA. 86 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA ( )( ) 2 3 2 3 5,00 10 50,0 3,13 1( )( 0 50,0 30,0 0.0100 30.0 5.00 10 3 50.0 6,25 50,0 30 )[ ] ( )( ) ,0 Cd Cd Cd EDTA EDTA EDTA Cd Cd EDTA Cd EDTA M Vinitial moles Cd M mLCdY M volume total V V mL mL M mL M mLM V M VC V V mL mL + − − −×= = = = × + + − × −− = = = × + + 410 M− Considerando a solução tamponate, em questão temos que: 2 2 3 4 2 14 4 15 2 2 15 16 [ 3,13 10 9,5 10 6,25 10 5,4 10 0,0881 5,4 10 4,8 10 A partir desse valor, calcula-se o 15,3 [ ] ] [ ] ( )( ) 2. MY Cd EDTA Cd EDTA Cd Cd Cd CdY CdY MK Kf Y Cd C C C C C C M Cd Cd C M M pCd α α α − − − − + − − + + − − × = × × = ⇒ = = × × × ⇒ = × ⇒ = × = × = × = Após o ponto de equilíbrio, sabemos as concentrações de equilíbrio de CdY2- e EDTA. Podemos resolver a concentração de equilíbrio de CCd usando KMY e então calcular [Cd2+] usando αCd2+. Como usamos a mesma constante de formação condicional, KMY, para todos os cálculos, esta é a abordagem mos- trada aqui. Existe um segundo método para calcular [Cd2+] após o ponto de equivalência. Como o cálculo usa apenas [CdY2−] e CEDTA, podemos usar Kf em vez de KMY; portanto, 2 2 4 3 2 16 2 –16 3,13 10 0,37 2,9 10 6.25 10 4 [ ][ ] [ ] ( )( ) ( ) 4,7 10 [ 3 ] 15, 3 EDTA CdY Cd Y Kf C M Cd M Cd M pCd α − + − − + + = × × = × × − = × ⇒ = ⇒ A Tabela a seguir mostra os resultados adicionais para todos os cálculos para esta titulação. De forma análoga ao que vimos em unidade anterior, faz-se o gráfico com os dados de pCd versus os volumes de EDTA obtidos durante a titulação complexométrica. 87 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 TITULAÇÃO DE CD2+ COM 0,0100 M EDTA NA PRESENÇA DE 0,0100 M NH3 (PH=10) Volume de EDTA (mL) pCd 0,00 3,36 5,00 3.49 10,0 3.66 15,0 3.87 20,0 4.20 23,0 4.62 27,0 14.95 30,0 15.33 35,0 15.61 40,0 15.76 45,0 15.86 50,0 15.94 Fonte: Adaptada de Chang (2010, p. 24-34); #PraCegoVer Valores de pCd em função dos volumes (0,00 – 50,0 mL) que foram obtidos explorando a estratégia de cálculo dispostos na seção “Cálculos para a construção da curva de titulação com EDTA”. Para saber mais sobre como montar os cálculos da Concentração dos íons em Soluções de EDTA em planilhas eletrônicas, por favor, consulte o livro Funda- mentos de Química Analítica (SKOOG, 2005, p. 441-443). 4.2.2 FATORES QUE AFETAM A CURVA DE TITULAÇÃO DE COMPLEXAÇÃO COM EDTA Como já observamos pelas curvas de titulação estudadas anteriormente as curvas de titulação possuem o formato de “S”, com o ponto de inflexão no ponto de equivalência da curva. No caso das reações de complexação com EDTA, dentre todos os fatores que afetam a forma da curva de titulação, a constante de estabilidade do complexo metal-EDTA é o mais importante. Quanto maior o valor da constante, maior a mudança de pM no ponto de equivalência. Percebe-se também que a constante de estabilidade condi- cional (KMY) não afeta a curva de titulação antes do ponto de equivalência. Mas à medida que o KMY aumenta, a curva de titulação após o ponto de 88 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA equivalência é deslocada para cima e a mudança de pM no ponto de equi- valência é aumentada consequentemente. Uma vez que qualquer titulação depende da mudança rápida de pM em torno do ponto de equivalência, uma curva de titulação com um salto de pM grande e agudo é crucial para a detecção bem-sucedida do ponto final da titulação. Geralmente, ele precisa de pelo menos de duasunidades de mudança de pM para um método de detecção detectar o ponto final. Efeito do pH na curva de titulação O pH do meio pode afetar a constante de estabilidade condicional (KMY) do complexo metal-EDTA ao alterar a ionização do EDTA. Observa-se que a curva de titulação antes do ponto de equivalência não será afetada pelo pH do meio. Mas a curva após o ponto de equivalência aumentará com o aumento do pH e diminuirá conforme o pH diminui. Por esta razão, um pH mais alto é geralmente favorável, desde que a hidrólise do íon metálico não afete a reação de complexação (CHANG, 2010). Efeito do agente complexo auxiliar na curva de titulação Sob certas circunstâncias, o íon metálico pode hidrolisar no pH onde a titulação de EDTA é projetada para conduzir. A hidrólise do íon metálico produz hidróxidos e precipitados que podem influenciar significativamente a titulação do EDTA ao desacelerar a reação de complexação do EDTA ou alterar o mecanismo de complexação. Portanto, a hidrólise de metal significativa deve sempre ser evitada em uma titulação de EDTA. A adição de um agente auxiliar de complexação pode ajudar a prevenir a hidrólise do metal. No entanto, a estabilidade do complexo metal-agente auxiliar deve ser muito menor do que a do complexo metal-EDTA, de modo que a constante de estabilidade condicional não seja inferior a 108 (CHANG, 2010). Desta forma, à medida que a titulação prossegue, o agente auxiliar será gradualmente substituído quando o complexo metal-EDTA for formado. Ao contrário do efeito do pH, a adição de um agente complexante auxiliar não mudará a curva de titulação após o ponto de equivalência, mas moverá para cima na curva antes do ponto de equivalência (BURGOT; BURGOT, 2012; UENO, 1965). Na tabela a seguir, encontram-se os cátions metálicos divididos em três grupos de acordo com a condição de pH para que a titulação seja realizada com sucesso. 89 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 VALORES DE CONSTANTE DE ESTABILIDADE CONDICIONAL (KMY) EM FUNÇÃO DO CÁTIONS METÁLICOS Cátion metálico KMY Log KMY Mg2+ 4.9 X 108 8.69 Grupo I pH 8-11 Ca2+ 5.0 X 1010 10.70 Sr2+ 4.3 X 108 8.63 Ba2+ 5.8 X 107 7.76 Grupo II pH 4-8 Mn2+ 6.2 X 1013 13.79 Fe2+ 2.1 X 1014 14.33 Co2+ 2.0 X 1016 16.31 Ni2+ 4.2 X 1018 18.62 Cu2+ 6.3 X 1018 18.80 Zn2+ 3.2 X 1016 16.50 Cd2+ 2.9 X 1016 16.46 Al3+ 1.3 X 1016 16.13 Pb2+ 1.1 X 1018 18.04 Hg3+ 6.3 X 1021 21.80 Grupo III pH 1-4 Fe3+ 1.3 X 1025 25.1 V3+ 7.9 X 1025 25.9 Th4+ 1.6 X 1023 23.2 Fonte: Burgot (2012); Chang (2010); Ueno (1965). #PraCegoVer Valores de constante de estabilidade condicional (KMY) para alguns metais separados em grupos de acordo com o valor experimental de pH. 4.2.3 TITULAÇÕES DE OXIRREDUÇÃO Tal como acontece com as titulações ácido-base, uma titulação redox (tam- bém chamada de titulação de redução de oxidação que será amplamente vista em outra unidade) pode determinar com precisão a concentração de um analito desconhecido medindo-o contra um titulante padronizado. 90 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA Um exemplo comum é a titulação redox de uma solução padronizada de permanganato de potássio (KMnO4) contra um analito contendo uma concentração desconhecida de íons de ferro (II). O permanganato de potássio, KMnO4, é provavelmente o mais amplamente utilizado de todos os agentes oxidantes volumétricos. É um oxidante poderoso e facilmente disponível a um custo modesto. A cor intensa do íon permanganato, MnO4-, é suficiente para detectar o ponto final na maioria das titulações. Dependendo das condições de reação, o íon permanganato é reduzido a manganês no estado 2+, 3+, 4+ ou 6+. Em soluções que são 0,1 M ou mais em ácido mineral, o produto de redução comum é o íon manganês (II). O termo “iodometria”, por sua vez, descreve o tipo de titulação que usa uma solução padronizada de tiossulfato de sódio como titulante, um dos poucos agentes redutores estáveis no que diz respeito à oxidação do ar. A iodometria é usada para determinar a concentração de agentes oxidantes por meio de um processo indireto envolvendo o iodo como intermediário. Na presença de iodo, os íons tiossulfato se oxidam quantitativamente em íons tetrationato. Para determinar a concentração dos agentes oxidantes, um excesso desconhecido de solução de iodeto de potássio é adicionado à solução de ácido fraco. O iodo, que é liberado estequiometricamente após a redução do analito, é então titulado com uma solução padrão de tiossulfato de sódio (Na2S2O3). A padronização se faz necessária por que o iodeto de potássio pode conter quantidades apreciáveis de íon iodato que em solução ácida reagirá com o iodeto e produzirá iodo. O iodo liberado reagiria com o tiossulfato e,... 91 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 CONCLUSÃO Esta unidade apresentou de forma simplificada as teorias de equilíbrio das reações de complexação considerando os mecanismos de reações homogê- neas. Nós vimos que a titulação do EDTA é baseada na formação estequiomé- trica do complexo metal-EDTA solúvel em água para determinar a concen- tração do íon metálico em soluções aquosas. Em comparação com técnicas instrumentais avançadas, a titulação de EDTA é simples de operar, pode pro- duzir resultados precisos para amostras com diferentes complexidades e não requer instrumentação cara. Nosso estudo se concentrou na teoria dos prin- cípios básicos, curvas de titulação, detecção de ponto final, tipos de titulação e considerações práticas na titulação de EDTA. ...assim, faria com que a molaridade aparente do tiossulfato fosse muito baixa. O procedimento de padronização permite a determinação de uma correção conhecida como "branco" que corrigirá adequadamente qualquer iodato que possa estar presente. Prepare-se uma solução de KI dissolvido em água destilada e acidifica-se a solução com ácido sulfúrico com a adição imediata de um indicador de amido. Se uma cor preta azulada aparecer logo após a mistura, use a solução de tiossulfato na bureta para determinar o volume de solução necessário para fazer com que a cor desapareça. Este volume deve ser subtraído dos volumes de padronização e análises. Se o iodeto de potássio estiver completamente livre de iodato, nenhuma cor se desenvolverá e nenhuma correção do branco será necessária. UNIDADE 5 OBJETIVO Ao final desta unidade, esperamos que possa: 92 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA > Distinguir os fenômenos de redução e de oxidação. > Esboçar semirreações e montar a equação global de oxirredução balanceada. > Discutir a aplicabilidade dessa técnica clássica. 93 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA 5 VOLUMETRIA DE OXIRREDUÇÃO Os processos de redução de oxidação (redox) fazem parte do mundo em que vivemos. A maioria dos elementos metálicos e não metálicos que encontram usos importantes no mundo moderno, são obtidos de seus minérios pelo pro- cesso de reações de oxidação ou redução, assim também como os processos de corrosão, funcionamento de baterias de carro, dentre outros. As reações químicas nas quais há transferência de elétrons de uma substân- cia para outra são conhecidas como reações de oxidação-redução ou reações redox. Em uma titulação que se utiliza dos processos de oxidação-redução, uma concentração conhecida de um agente oxidante é usada para encontrar uma concentração desconhecida de um agente redutor, ou vice-versa. A análise de oxidação-redução tem sido usada ao longo dos anos como um método alternativo de análise de materiais que têm vários estados de oxida- ção.Vários métodos físico-químicos têm sido desenvolvidos e aplicados para esse fim. No entanto, como os métodos modernos requerem equipamentos caros, os métodos de titulação redox permanecem sendo métodos de inte- resse à sociedade, embora dentro de um escopo menos abrangente. INTRODUÇÃO As reações químicas nas quais há transferência de elétrons de uma substân- cia para outra são conhecidas como reações de oxidação-redução ou reações redox. Em uma titulação redox, uma concentração conhecida de um agen- te oxidante é usada para encontrar uma concentração desconhecida de um agente redutor, ou vice-versa (CHIPPERFIELD, 2005; THORBURN BURNS; SZABADVÁRY, 2005; THORBURN BURNS; SZABADVARY; ZOLOTOV, 2017). As seções introdutórias da unidade explicam os princípios fundamentais das reações redoxes, enquanto que nas seções finais exploraremos os conceitos de equilíbrio químicos de processos redoxes na explicação de titulações de oxidação-redução como uma técnica para análise química volumétrica. Esta unidade, em parte, nos ajudará a vincular os conceitos fundamentais de reações típicas de transferência de elétrons que está acontecendo no nível submicroscópico aos eventos macroscópicos de análise volumétrica. 94 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 A ênfase de conteúdo dessa unidade será em reconhecer os fenômenos de oxirredução, descrever e discutir as titulações redoxes e, por fim, executar e interpretar cálculos associados a titulações redox que permitem a quantifi- cação analítica final. Breve histórico da volumetria de oxirredução Titulações analíticas usando reações de oxidação-redução foram introduzidas logo após o desenvolvimento da titulação ácido-base (CHIPPERFIELD, 2005; THORBURN BURNS; SZABADVÁRY, 2005; THORBURN BURNS; SZABADVARY; ZOLOTOV, 2017). • A primeira titulação redox utilizou o poder de oxidação do cloro. Em 1787, Claude Berthollet introduziu um método para a análise quantitativa de água com cloro (uma mistura de Cl2, HCl e HOCl) baseado em sua capacidade de oxidar índigo, um corante que é incolor em seu estado oxidado. • Em 1814, Joseph Gay-Lussac desenvolveu um método semelhante para determinar o cloro em pó de branqueamento. Em ambos os métodos, o ponto final é uma mudança na cor. Antes do ponto de equivalência a solução é incolor devido à oxidação do índigo. Após o ponto de equivalência, no entanto, o índigo que não reagiu confere uma cor permanente à solução. • O número de métodos titrimétricos redox aumentou em meados de 1800 com a introdução de MnO−, 4MnO4−, Cr2O2 −7, Cr2O7 2− e I2 como titulantes oxidantes, e de Fe2 e S2O2 −, 3S2O3 2− como titulantes redutores. Mesmo com a disponibilidade desses novos titulantes, a titulação redox demorou a se desenvolver devido à falta de indicadores adequados. 95 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA 5.1 CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE OXIRREDUÇÃO As reações químicas envolvem a troca de elétrons entre dois ou mais áto- mos ou moléculas. As espécies envolvidas trocam elétrons, o que leva a uma mudança na carga de ambos os átomos daquela espécie. Esta mudança nas cargas dos átomos (mudança no número de oxidação do átomo) por meio da troca de elétrons é definida como uma reação de redução-oxidação (redox). Os químicos geralmente usam os termos agentes oxidantes e redutores para descrever os reagentes nas reações redoxes. Como a oxidação é o processo de perda de elétrons, um agente oxidante é definido simplesmente como qual- quer substância que pode causar a perda de elétrons em outra substância na reação química. Assim, o agente oxidante ganha elétrons, e seu número de oxidação (um nú- mero positivo ou negativo que representa o estado de oxidação de um átomo conforme definido abaixo) diminui. A redução, por outro lado, é o processo de ganhar elétrons e, portanto, um agente redutor é uma substância que pode fazer com que outra substância ganhe elétrons. O agente redutor, portanto, perde elétrons e, com isso, seu número de oxidação aumenta. Portanto, como um agente redutor reduz o outro reagente, ele próprio está sendo oxidado. Por outro lado, como um agente oxidante oxida o outro reagente, ele próprio está sendo reduzido. Para controlar os elétrons nas reações redox, é útil atri- buir números de oxidação aos reagentes e produtos. O número de oxidação de um átomo, também conhecido como estado de oxidação significa o nú- mero de cargas que o átomo teria em uma molécula (ou um composto iôni- co) se os elétrons fossem transferidos completamente. • O composto difenilamina foi introduzido como indicador aplicado a sistema de oxirredução na década de 1920. Depois deste, outros indicadores redox logo se seguiram, aumentando a aplicabilidade da titulação redox. 96 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 Conceitos fundamentais • Equação de Nernst: relaciona o potencial eletroquímico à concentração de reagentes e produtos que participam de uma reação redox. • Oxidação: processo pelo qual um composto perde ou ganha elétrons. • Agente oxidante: espécie que causa oxidação. Um agente oxidante aceita elétrons das espécies que ele oxida e, portanto, um agente oxidante é sempre reduzido. • Número de oxidação (Nox): são usados para rastrear a transferência de elétrons. Os números de oxidação são atribuídos a compostos iônicos e também moleculares. Os números de oxidação são atribuídos por cada átomo. • Reação de oxidação: refere-se à meia-reação que envolve a perda de elétrons. • Reações redox: são reações de oxidação-redução que envolvem a transferência de elétrons. À medida que ocorre a transferência de elétrons, as substâncias sofrem alterações no número de oxidação. • Redução: o processo pelo qual um composto ganha ganhar elétrons. Corresponde a uma diminuição do número de oxidação. • Reação de redução: é uma meia-reação que envolve ganho de elétrons. • Redutor: espécie que causa redução. Um agente redutor doa elétrons para as espécies que ele reduz e, portanto, um agente redutor está sempre oxidado. Corresponde a um aumento do número de oxidação. 97 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA 5.1.1 REAÇÃO GLOBAL DE OXIDAÇÃO E REDUÇÃO As reações de oxidação-redução ou redox envolvem a transferência de elé- trons entre um doador de elétrons (que fica oxidado) e um aceptor de elé- trons (que fica reduzido). Os agentes oxidantes possuem uma forte afinidade pelos elétrons, enquanto os agentes redutores os liberam prontamente. As- sim, uma reação redox pode ser decomposta em duas meias reações, uma para a oxidação do doador de elétrons e outra para a redução do aceptor de elétrons (LINGANE, 1958; SCHOLZ et al., 2019). Construção da reação de oxidação-redução global Uma meia-reação é a parte de uma reação geral que representa, separadamente, uma oxidação ou uma redução. Duas semirreações, uma oxidação e uma redução, são necessárias para descrever completamente uma reação redox tal como mostra a reação de transferência de elétrons entre o ferro e o cério, a seguir: Semirreação de oxidação 2 3 Fe Fe e+ + −→ + Semirreação de redução 4 3 Ce e Ce+ − ++ → Combinando as semirreações de oxidação e redução, teremos a reação global 2 4 3 3Fe Ce Fe Ce+ + + ++ → + Para conhecer mais sobre outras reações globais de processos comuns de oxidação-redução, por favor, consultar o capitulo IV do livro Química Analítica Quantitativa Elementar (BACCAN, 1979, p.78-9; SKOOG, 2005, p. 501-507). 98 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 5.1.2 BALANCEAMENTO IÔNICO Por que as equações químicas devem ser balanceada?Uma equação quí- mica balanceada descreve com precisão as quantidades de reagentes e pro- dutos nas reações químicas. Pelo principio da Lei de Conservação da Massa, a massa não é criada nem destruída em uma reação química comum, ela é apenas transformada. Do ponto de vista de escrita de reação química, isso significa que uma equa- ção química deve ter o mesmo número de átomos de cada elemento em ambos os lados da equação, isto é, reagente e produto. Além disso, a soma das cargas de um lado da equação deve ser igual à soma das cargas do outro lado. Quando essas duas condições são atendidas, a equação é considera- da equilibrada. Lembre-se que todas as reações de oxido-redução utilizadas para os cálculos devem está devidamente balanceadas considerando a mas- sa e a carga. Para relembrar balanceamento de reações de oxidação-reação, por favor, consulte o capítulo 19 do livro Fundamentos de Química Analítica (SKOOG, 2005, p. 465-466). 5.1.3 EQUAÇÃO DE NERNST Os processos eletrônicos caracterizados por uma transferência rápida de carga são conhecidos como “processos eletroquimicamente reversíveis”, en- quanto os processos em que a transferência de carga é lenta devido a barrei- ras termodinâmicas são frequentemente referidos como “processos eletro- quimicamente irreversíveis”. Por outro lado, um “processo quase reversível” é aquele em que a transferên- cia de elétrons ocorre a uma taxa intermediária. As reações redoxes que ocor- rem como um processo reversível pode ser expresso na equação de Nernst, que permite o cálculo das concentrações de espécies reduzidas e oxidadas no equilíbrio (PUENTE; LÓPEZ, 2018). Para a reação redox: aOx ne bRed�� ⇌ 99 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA A expressão de Nernst é: [ ] [ ] 0 / / / / Re , , , , 8,314 / , ox red ox red EOx red Ox red OxidadaRTE E log nF duzida Onde potencial de redução em V E potencial de redução padrão em V R constante de gás J mol K T temperatura em K n número = + = ° = = = = [ ] ( ) , 96.485 / estequiométrico de elétrons na reação F Constante de Faraday C mol concentração atividade da forma oxidada ou reduzida = = A equação de Nernst é uma relação importante que é usada para determi- nar constantes de equilíbrio de reação e potenciais de concentração, bem como para calcular a energia mínima necessária na eletrodiálise, dentre ou- tras aplicações. Titulações potenciométricas Uma vez que todas as titulações redoxes envolvem o fluxo de elétrons, todas as titulações envolvendo oxidação e redução podem ser monitoradas observando o potencial elétrico da solução. Tudo o que se precisa para monitorar o potencial de uma solução é um eletrodo de referência e um eletrodo inerte. Nesse contexto, entra a equação de Nernst, que é fundamental em aplicações de titulação potenciométricas (SKOOG, 2005). Uma titulação potenciométrica pertence a métodos químicos de análise em que o ponto final da titulação é monitorado com um eletrodo indicador que registra a mudança do potencial em função da quantidade (geralmente o volume) do titulante adicionado de concentração exatamente conhecida. A medida de potencial pode ser medida, de tal forma que é possível correlacionar o tal potencial medido com a concentração do analito desejado. 100 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 5.2 TIPOS DE TITULOMETRIA DE OXIRREDUÇÃO Às vezes, torna-se impossível determinar a concentração de uma determi- nada substância por titulação; por exemplo, quando tal substância é instável ou insolúvel. Em tais casos, podemos executar a chamada titulação indireta. A substância a ser determinada deve reagir de antemão com outro reagente (em intermediário ou um substituto). A substância original finalmente não participa da titulação real. Sabe-se que o iodo pode ser usado como um agen- te oxidante em muitas titulações de redução de oxidação e o iodeto pode ser usado como um agente redutor em outras titulações de redução de oxida- ção. Se uma solução padrão de iodo for usada como titulante para um analito As titulações potenciométricas são especialmente versáteis porque os eletrodos indicadores adequados para o estudo de quase todas as reações químicas usadas na titulação estão agora disponíveis. Esta técnica também é frequentemente utilizada no estudo das condições operacionais de indicadores titrimétricos visuais propostos para uso geral em análises químicas, bem como no estudo de numerosas reações, como a protonação e complexação, que não encontram aplicação particular em medições analíticas (FERNANDES et al., 2000; HULANICKI; MAJ-ŻURAWSKA; GLAB, 2013; STILL; SARA, 1977; WHITELEY, 2015) O curso da curva de titulação potenciométrica fornece informações não apenas sobre a posição do ponto final da titulação, mas também a posição e a forma da curva podem fornecer dados sobre os processos que acompanham a reação de titulação. Outra vantagem é que o aparelho necessário geralmente não é caro, é extremante confiável e também facilmente disponível nos laboratórios industriais e acadêmicos. 101 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA oxidável, a técnica é iodimetria. Se um excesso de iodeto for usado para re- duzir quantitativamente uma espécie química, enquanto simultaneamente formando iodo, e se o iodo for posteriormente titulado com tiossulfato, a téc- nica é iodometria. A iodometria é um exemplo de determinação indireta, pois um produto de uma reação preliminar é titulada. Enquanto que a iodimetria é um caso de titulação redox direta. Uma explicação básica do princípio que rege esses dois métodos de titulação redox é apresentada no quadro a seguir. IODOMETRIA VERSUS IODIMETRIA Por que os métodos volumétricos envolvendo o iodo se dividem em dois grupos? Por que os oxidantes fortes oxidam os íons iodeto a iodo, enquanto que os redutores fortes reduzem o iodo a iodeto (espécie reativa I3-). Iodometria Iodimetria Os métodos indiretos, em que os oxidantes são determinados fazendo-os reagir com um excesso de íons iodeto e determinando-se o iodo liberado com um redutor padrão, como o tiossulfato de sódio. Os métodos diretos em que se utiliza uma solução padrão de iodo para se determinar redutores fortes, geralmente em meio neutro ou levemente ácido. Aplicação • Determinação de halogênios • Determinação de ozônio • Determinação de cério (Ce4+), determinação de ferro (Fe3+) • Determinação de água pelo método de Karl Fisher • Determinação de hidrazina Fonte: Elaborado pela autora (2020). 5.2.1 INDICADORES DE OXIRREDUÇÃO A titulação redox é uma titulação na qual a reação entre o analito e o titulante é uma reação de oxidação/redução. Assim como as titulações ácido-base, as titulações redoxes normalmente exigem um indicador que muda de cor clara- mente. Na presença de grandes quantidades de agente redutor, a cor do indi- cador é característica de sua forma reduzida. O indicador normalmente assu- me a cor de sua forma oxidada quando está presente em um meio oxidante. Nas proximidades do ponto de equivalência, uma mudança brusca na cor do indicador ocorrerá conforme ele muda de uma forma para a outra, de modo 102 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 que o ponto de equivalência pode ser prontamente identificado. No entanto, quando a medida do potencial é realizada em titulações potenciométricas por, exemplo, não há a necessidade de indicador d e mudança de cor. O pH de uma solução aquosa fornece uma medida da concentração de pró- tons solvatados presentes. Seu potencial de oxidação-redução, E (potencial redox), é uma medida de sua capacidade de agir como um agenteoxidante ou redutor. Indicadores ácido-base são usados para fornecer uma estimativa colorimétrica do pH. De forma semelhante, os indicadores redoxes fornecem uma estimativa colorimétrica do potencial redox de uma solução (CHIPPER- FIELD, 2005). A classe mais importante de indicadores para titulações redox são substâncias que não participam da titulação redox, mas cujas formas oxidadas e reduzidas diferem na cor. Quando adicionamos um indicador redox ao titulando, o indi- cador transmite uma cor que depende do potencial da solução. Como o po- tencial da solução muda com a adição de titulante, o indicador muda o estado de oxidação e muda de cor, sinalizando o ponto final. Conforme ilustrado aqui, a mudança na cor ocorre ao longo de uma gama de potenciais centrados no potencial de redução de estado padrão do indicador. Tal como acontece com outras titulações, o indicador é escolhido de modo que a mudança na sinali- zação de cor do ponto final da titulação esteja perto do ponto de equivalência. O ponto final em titulação redox pode ser encontrado por duas vias, usando os indicadores redoxes ou eletrodos que medem as diferenças de potencial no sistema redox. • Medições eletroquímicas (corrente ou potencial) podem ser usadas para determinar o ponto final de uma titulação redox. • O indicador redox é um composto químico que sofre uma mudança de cor conforme vai de sua forma oxidada para sua forma reduzida. 103 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA Indicadores redox sofrem de sua dependência das mudanças de pH, e ainda não há um ‘indicador redox universal’ que pode mostrar o potencial redox de uma solução em uma ampla gama de potenciais análogos à maneira em que um indicador universal de pH’ cobre um ampla faixa de pH. O uso de diferentes tipos de agentes oxidantes e redutores, bem como in- dicadores redox, permite que muitos cátions e ânions sejam analisados de forma rápida e precisa. Às vezes, as titulações redoxes requerem a preparação prévia e a adição de agentes de mascaramento. Métodos seletivos, sensíveis e de baixo custo de titulação redox costumam ser desenvolvidos para a apli- cação industrial final. Selecionando e avaliando o ponto final O ponto de equivalência de uma titulação redox ocorre quando quantidades estequiométricamente equivalentes de analito e titulante reagem. Tal como acontece com outras titulações, qualquer diferença entre o ponto de equivalência e o ponto final é uma fonte de erro determinada. A pergunta mais óbvia a fazer é: Onde está o ponto de equivalência? Anteriormente, ao discutir titulações ácido-base, notamos que o ponto de equivalência é quase idêntico ao ponto de inflexão localizado na parte acentuadamente crescente de qualquer curva de titulação. Quando a estequiometria de uma titulação redox é simétrica (ou seja, um analito molar por mol de titulante), então o ponto de equivalência é igualmente simétrico. Se, no entanto, a estequiometria não for simétrica, então o ponto de equivalência ficará mais perto do topo ou da base da elevação acentuada da curva de titulação. Nesse caso, o ponto de equivalência é considerado assimétrico. 104 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 5.2.2 CURVAS DE TITULAÇÃO REDOX Para avaliar uma titulação redox, devemos conhecer a forma de sua curva de titulação. Em uma titulação ácido-base ou uma titulação de complexação, uma curva de titulação mostra a mudança na concentração de íons hidrônio, H3O (como pH) ou Metal (M) (como pM) em função do volume de titulante. Para uma titulação redox, é conveniente monitorar o potencial eletroquímico. A equação de Nernst, que relaciona o potencial eletroquímico à concentração de reagentes e produtos que participam de uma reação redox, é frequente- mente usada para determinar a concentração de um analito. No aparelho de titulação potenciométrica, existem dois eletrodos tal como mostra o esquema simplificado na Figura a seguir. Eles são nomeados como eletrodo indicador e eletrodo padrão de referência. O eletrodo indicador é im- portante no monitoramento do ponto final da titulação. No ponto final, ocor- re uma mudança repentina e enorme de potencial. EXEMPLO Cálculos para a construção da curva de titulação redox Vamos calcular a curva de titulação para a titulação de 50,0 mL de 0,100 M Fe2+ com 0,100 M Ce4+ em uma matriz de 1 M HClO4. A reação neste caso é a reação global apresentada no sub-tópico "5.1.1 Reação global de Oxidação" e redução. Como a constante de equilíbrio para a reação é muito grande, dessa forma podemos assumir que o analito e o titulante reagem completamente. Passo 1: Calculando o volume de titulante necessário para atingir o ponto de equivalência. A primeira tarefa é calcular o volume de Ce4+ necessário para atingir o ponto de equivalência da titulação. Pela estequiometria da reação, sabemos que no ponto de equivalência: ] [ ] [ ] [3 3 2 4 2 4 [ , ] Fe Ce e Fe Ce Dessa forma os moles Fe moles Ce + + + + + + = = = 105 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA Assim, resolução da equação Fe Fe Ce CeM V M V× = × permite calcular o volume de Ce4+ ponto de equivalência como da seguinte forma: ( )( ) ( ) 0,100 50,0 50,0 0,100 Fe Fe Ce Ce M mLM VV mL M M = = = A) ESQUEMA SIMPLIFICADO DE CÉLULA DE TITULAÇÃO POTENCIOMÉTRICA; B) CURVA DE TITULAÇÃO REDOX Titulante (Ce) A B 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0 10 20 30 40 50 60 70 Ce4+ + Fe2+ Ce3+ + Fe3+ Ponto de equivalência P ot ên ci al (V ) VCe4+ (mL) Fonte: Elaborada pela autora (2020). #PraCegoVer Aparelho para titulação potenciométrica simplificado, mostrando os dois indicadores: eletrodo indicador e o eletrodo padrão de referência ligado a um medidor de potencial (V) em (A) e a forma da curva de titulação redox destacando o ponto de equivalência em (B). Passo 2: Calculando o potencial antes do ponto de equivalência determinan- do as concentrações das formas oxidada e reduzida do titulante e usando a equação de Nernst para a meia-reação de redução do titulante. 106 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 Veja que antes do ponto de equivalência, a concentração de Fe2+ não reagiu completamente e a concentração de Fe3+ são fáceis de calcular. Por esta razão, encontramos o potencial usando a equação de Nernst para o Fe3+. 3 2 2 3/ 2 30,767 0,05916 (Fórmula [ I ] [ ) ] [ ] [ ] o Fe Fe RT FeE E log nF Fe FeV log Fe + + + + + = − ⇒ + − A partir desse ponto, é possível calcular a concentração dos íons de ferro usan- do a fórmula 1. Por exemplo, as concentrações de Fe2+ e Fe3+ após a adição de 10,0 mL de titulante são: 2 4 2 2 2 moles de total 0,100 50,0 0,100 10,0 6,67 10 50,0 10,0 [ ] ( )( ) ( )( )[ ] Fe Fe Ce Ce Fe Ce Fe no inicio moles Ce adicionadoFe volume M V M V M mL M mLFe M V V mL mL + + + + − − = − ⇒ − = = = × + + No caso do Fe3+, 4 3 2 0,100 0,0 1,67 10 50,0 10 ( )(1 )[ 0 ] , Ce Ce Fe Ce M Vmoles de Ce adicionado M mLFe M Volume total V V mL mL + + −= = ×⇒ = = + + Tendo em mãos as concentrações dos íons envolvidos na reação de oxidação, podemos calcular o potencial antes do ponto de equivalência desse sistema redox da seguinte forma: 2 2 6,67 10 0,767 0,05916 0,731 1,67 10 ME V log V M − − × = + − = + × Passo 3: Calculando o potencial após o ponto de equivalência determinan- do as concentrações das formas oxidada e reduzida do titulante e usando a equação de Nernst para a meia-reação de redução do titulante. Após o ponto de equivalência, a concentração de Ce3+ e a concentração de Ce4+ em excesso são fáceis de calcular. Por esta razão, encontramoso poten- cial usando a equação de Nernst para a espécie Ce4+. 4 3 3 3 4 4/ [ ] [ ] [ ] 1,70 0,059 ] 1 [ 6o Ce Ce RT Ce CeE E log V log nF Ce Ce+ + + + + += − = + − 107 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA Por exemplo, depois de adicionar 60,0 mL de titulante, as concentrações de Ce3+ e Ce4+ são as seguintes: ( )( )23 30,100 50,0 no inicio da reação 4,55 10 50,0 60, [ ] 0 Fe Fe Fe Ce M mLM Vmoles de FeCe M volume total V V mL mL + + −= = = = × + + 4 2 4 [ ] Ce Ce Fe Fe Fe Ce M V M Vmoles Ce adicionado moles de Fe no inicioCe volume total V V + + + −−= = + ( )( ) ( )( )4 30,100 60,0 0,100 50,0 [ 9,09 10 50,0 60,0 ] M mL M mL Ce M mL mL + −−= = × + Nesse ponto da titulação, o potencial será: 2 3 4,55 10 1,70 0,05916 1,66 9,09 10 ME V log V M − − × = + − = + × Passo 4: Calcule o potencial no ponto de equivalência. No ponto de equivalência da titulação, o potencial, Eeq, é relação entre os reagente é exatamente igual à relação dos produtos (Número igual de moles de Ce3+ e Fe3+). Nesse ponto da titulação, o potencial no ponto de equivalência será dado pela média ponderada dos E0 dos dois pares redoxes envolvidos da seguinte forma: 3 2 4 3/ / 0,767 1,70 1,23 2 2 o o Fe Fe Ce Ce eq E E V VE V+ + + + + + = = = Para explorar os cálculos para curva de titulação redox consulte as páginas 510 a 512 do livro de Skoog de 2005. A tabela a seguir mostra os resulta- dos adicionais para todos os cálculos para esta titulação redox. De forma análoga ao que vimos em unidades anteriores, para a construção da curva de titulação monta-se o gráfico com os dados matemáticos obtidos. Nesse caso, medida de potencial em volts versus os volumes do titulante utilizados durante a titulação redox. 108 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 TITULAÇÃO DE 0,100 M FE2+ WITH 0,100 M CE4+ Volume of Ce4+ (mL) E (V) 10.0 0,731 20.0 0,757 30.0 0,777 40.0 0,803 50.0 1,23 60.0 1,68 70.0 1,69 80.0 1,69 90.0 1,70 Fonte: Baccan (1979, p. 87-96). #PraCegoVer Valores de potencial em função dos volumes (0,00 – 50,0 mL) que foram obtidos explorando a estratégia de cálculo disposta na seção “Cálculos para a construção da curva de titulação redox”. Para saber mais sobre como montar os cálculos da concentração dos íons em processos que envolvem reações de oxidação-reação em planilhas eletrô- nicas, por favor, consulte o livro Fundamentos de Química Analítica (SKOOG, 2005, p. 507-517). 5.2.3 ERROS DE TITULAÇÕES DE OXIRREDUÇÃO Tal como acontece com as titulações ácido-base, uma titulação redox pode determinar com precisão a concentração de um analito desconhecido me- dindo-o contra um titulante padronizado. Ao usar indicadores de cores, é necessário distinguir os erros sistemático e alea- tório resultantes da escolha do indicador. A magnitude desses erros precisa esti- mativa antes do trabalho experimental, a fim de identificar o máximo possível de precisão da titulação pretendida. Além disso, a estimativa de erro permite a fixa- ção de intervalos de concentrações de analito, em que as titulações são possíveis. 109 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA Nós vimos que o ponto final de uma titulação redox pode ser determinado por um eletrodo através da medição do potencial eletroquímico com um ele- trodo indicador em relação a um eletrodo de referência, dessa forma é pos- sível montar um gráfico do dado de potencial eletroquímico obtido contra o volume de titulante ou por um indicador de cor utilizado na titulação. No entanto, como em outras titulações, geralmente é mais conveniente usar in- dicadores visuais. Aqui estão três métodos usados para indicação visual do ponto final em uma titulação redox. São eles: Auto-indicação do ponto final Alguns titulantes, como –4MnO , têm formas oxidadas e reduzidas cujas cores em solução são significativamente diferentes: Soluções de –4MnO são intensamente roxas. Em soluções ácidas, no entanto, a forma reduzida de permanganato, 2Mn + , é quase incolor. Quando –4MnO é usado como um titulante oxidante, a solução permanece incolor até que a primeira gota do excesso de –4MnO seja adicionada. O primeiro tom roxo permanente indica o ponto final. Indicadores específicos Algumas substâncias indicam a presença de uma espécie oxidada ou reduzida específica. O amido, por exemplo, forma um complexo azul escuro com –3I e pode ser usado para sinalizar a presença de excesso de –3I (mudança de cor: incolor para azul), ou a conclusão de uma reação em que –3I é consumido (mudança de cor: azul a incolor). Outro exemplo de indicador específico é o tiocianato, –SCN , que forma um complexo solúvel de cor vermelha de ( )2Fe SCN + com 3Fe + . 110 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 Indicadores redox A classe mais importante de indicadores visuais, entretanto, são substâncias que não participam da titulação redox, mas cujas formas oxidadas e reduzidas diferem na cor. Quando adicionado a uma solução contendo o analito, o indicador transmite uma cor que depende do potencial eletroquímico da solução. Como o indicador muda de cor em resposta ao potencial eletroquímico, e não à presença ou ausência de uma espécie específica, esses compostos são chamados de indicadores redox gerais. A relação entre a mudança de cor de um indicador redox e o potencial eletroquímico da solução é facilmente derivada considerando a meia-reação para o indicador. Os seguintes fatores contribuem para o erro total em titulações redox com in- dicadores visuais: o erro do ponto final, que surge da diferença entre o poten- cial do ponto de equivalência e aquele do ponto final real determinado por um dado indicador; o erro de consumo do indicador, que decorre da quanti- dade de indicador oxidado (ou reduzido) pelo titulante; o erro de irreversibili- dade, que é na verdade uma parte do erro de consumo do indicador, decor- rente dos processos geralmente não controlados ligados à irreversibilidade dos processos redox, decomposição dos produtos de reação, etc. Os dois primeiros fatores podem ser avaliados com base em as características físico-químicas de todos os sistemas envolvidos. Eles contribuem para o erro sistemático total. O terceiro, por não ser estritamente controlado, em geral au- menta o erro de consumo do indicador positivo, dependendo de parâmetros como taxa de adição de titulante, agitação, efeito dos produtos de decomposi- ção sobre o potencial, etc. (BRAY, 1910; ERDEY; SVEHLA 1968; HULANICKI, 1975). 111 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA CONCLUSÃO Uma reação redox é usada para uma titulação e atende aos requisitos gerais que se aplicam a outros procedimentos de titulação bem-sucedidos. Muitas espécies inorgânicas diferentes existem em mais de um estado de oxidação estável e podem frequentemente ser determinadas por meio de uma titu- lação redox. Certos grupos funcionais orgânicos são oxidados ou reduzidos quantitativamente e são analisados por um procedimento de titulação. Esta unidade discute a viabilidade de titulações redox e detecções de ponto final por indicadores de cor. As reações redox tendem a ser lentas e frequen- temente a reação redox torna-se útil depois que um catalisador adequado se torna disponível. O capítulo também explica a curva de titulação redox, que descreve a mudança na concentração das espécies de interesse em função do titulante. É possível prever a forma de uma curva de titulação antes de re- alizar a titulação no laboratório. UNIDADE 6 OBJETIVO Ao final desta unidade, esperamos que possa: 112MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA > Analisar os conceitos de ácidos e bases a substâncias orgânicas; > Relacionar os compostos orgânicos de acordo com os grupos funcionais presentes na estrutura; > Diferenciar os tipos de reações comuns em carbonos. 113 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA 6 COMPOSTOS ORGÂNICOS Para entender a vida como a conhecemos, devemos primeiro entender um pouco da química orgânica. Já ouviu falar que o carbono é o cerne da vida celular? O carbono tem a capacidade de se ligar a vários elementos atômi- cos como hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, enxofre, dentre outros. Uma vez que isso pode acontecer, cadeias carbônicas com diversidade estrutural com alta complexidade podem ser formadas. O carbono compõe desde pequenas moléculas como aminoácidos e bases nitrogenada até as grandes estruturas como proteínas e material genético (DNA e RNA). Dessa forma, a química orgânica define a vida. Assim como existem milhões de diferentes tipos de organismos vivos neste planeta, existem milhões de di- ferentes moléculas orgânicas, cada uma com diferentes propriedades quími- cas e físicas. Existem produtos químicos orgânicos que compõem seu cabelo, sua pele, suas unhas, material genético e, assim por diante. A diversidade de produtos químicos orgânicos se deve à versatilidade do átomo de carbono. Mas, por que o carbono é um elemento tão especial? A química do carbono é tão importante que possui todo um ramo da química, inteiramente dedicado a ela - a química orgânica. Vejamos sua química com um pouco mais de de- talhes no decorrer dessa unidade. INTRODUÇÃO O número de compostos que contêm carbono excede em muito todos os ou- tros compostos combinados. O carbono compõe a maioria das biomoléculas orgânicas do nosso corpo que são essenciais a processos celulares como a respiração humana, o processo de fotossíntese, dentre outros. Esta unidade explora como ensinar sobre a natureza especial do carbono, algumas das classes importantes de compostos que ele forma e suas rea- ções mais importantes. Isso o ajudará a ajudar seus alunos a entender como a complexidade desses compostos leva à variação nas estruturas moleculares e arranjos espaciais dos átomos. Depois de trabalhar nesta unidade, você será capaz de: compreender os principais aspectos da química do carbono, repre- sentar estruturas de compostos de carbono; conhecer os grupos funcionais orgânicos, suas principais reações específicas e os princípios que governam 114 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 as reações envolvendo compostos de carbono. As seções introdutórias desta unidade apresentam os principais grupos orgânicos e as suas propriedades, enquanto que nas seções finais exploraremos as reações orgânicas. PROPRIEDADES DO CARBONO Os átomos de carbono podem se associar a outros átomos: C H O S N Halogênios Número atômico: 6 Distribuição eletrônica: 1s2 2s2 2p2 Camada de Valência: 2s2 2p2 O carbono tem 4 elétrons em sua camada externa. Para satisfazer a regra do octeto, ele precisa compartilhar 4 outros elétrons. Isso significa que cada átomo de carbono forma 4 ligações. Fonte: Elaborado pela autora (2020). Por que o carbono é a espinha dorsal da vida? Por que é especial? A configuração eletrônica de um átomo determina os tipos e o número de ligações que o átomo formará com outros átomos. Esta é a fonte da versatilidade do carbono. As cadeias de carbono formam os esqueletos das moléculas orgânicas, as quais podem variar no comprimento da cadeia carbônica e forma. Para saber mais sobre as propriedades do carbono e sua versatilidade, estude os capítulos 1 e 4 intitulados como “Compostos de carbono e ligações químicas” (McMurry J., 2011, p. 1-21) e “O Carbono e a Diversidade Molecular da Vida” (Reece et al., 2015, p. 56-64), respectivamente. 115 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA 6.1 PROPRIEDADES DOS PRINCIPAIS TIPOS DE COMPOSTOS ORGÂNICOS 6.1.1 ALCANOS, ALCENOS E ALCINOS Os compostos orgânicos mais simples contêm apenas os elementos carbono e hidrogênio e são chamados de hidrocarbonetos. Um resumo da definição de alcanos, alcenos e alcinos encontra-se no quadro, a seguir: HIDROCARBONETOS SATURADOS E INSATURADOS Alcanos • Todas as ligações são simples, possuem fórmulas moleculares que satisfazem a expressão geral 2 2n nC H + (onde n é um inteiro). • O carbono é hibridizado é do tipo sp3 (três pares de elétrons estão envolvidos na ligação, formando um complexo tetraédrico). • cada ligação C — C e C — H é uma ligação sigma (σ). • Sequência de átomos de carbono, em vez de estar conectada em uma cadeia, pode também se fechar para formar um anel. Os hidrocarbonetos saturados que contêm um anel são chamados de cicloalcanos. Com uma fórmula geral de 2n nC H (n é um número inteiro maior que 2). Alcenos • Também chamados de olefinas. • Hidrocarbonetos alifáticos insaturados. • contêm uma ligação dupla carbono-carbono. • Os alcenos são caracterizados pela fórmula molecular geral CnH2n,. Alcinos • Também chamados de acetilenos. • Hidrocarbonetos alifáticos insaturados. • Os alcinos têm uma ligação tripla carbono-carbono. • os alcinos por 2 2n nC H − . Fonte: Elaborado pela autora (2020). Embora sejam compostos de apenas dois tipos de átomos, há uma grande variedade de hidrocarbonetos porque eles podem consistir em comprimen- tos variados de cadeias, cadeias ramificadas e anéis de átomos de carbono ou combinações dessas estruturas. Além disso, os hidrocarbonetos podem diferir nos tipos de ligações carbono-carbono presentes em suas moléculas tal como mostra a Figura, a seguir. 116 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 TIPOS DE LIGAÇÕES BÁSICAS C-C NO METANO, ETANO E ETENO Molécula e estrutura molecular Fórmula molecular Fórmula estrutural Modelo de esfera e bastão Modelo de preenchimento espacial (a) Metano. Quando um átomo de carbono forma quatro ligações simples com outros átomos, a molécula é tetraédrica. CH4 (b) Etano. Uma molécula pode ter mais de um grupo tetraédrico de átomos com ligações simples. (Oetano é constituído por dois desses grupos.) C2H6 (c) Eteno (etileno). Quando dois átomos de carbono estão conectados por uma ligação dupla, todos os átomos ligados aos átomos de carbono estão no mesmo plano; e a molécula é achatada. C2H4 Fonte: Reece et al. (2015, p. 59). #PraCegoVer Fórmula estrutural, modelo do esfera e bastão e modelo espacial dos hidrocarbonetos metano (1C), etano (2C) e eteno (2C). 117 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA Muitos hidrocarbonetos são de fonte natural encontrados em plantas, ani- mais e seus fósseis; outros hidrocarbonetos são de fonte sintética quando pre- parados em laboratórios. Usamos hidrocarbonetos todos os dias, principal- mente como combustíveis, como gás natural, acetileno, propano, butano e os principais componentes da gasolina, óleo diesel e óleo para aquecimento. Os conhecidos plásticos polietileno, polipropileno e poliestireno também são hidrocarbonetos. Podemos distinguir vários tipos de hidrocarbonetos por di- ferenças na ligação entre os átomos de carbono. Isso leva a diferenças nas ge- ometrias e na hibridização dos orbitais de carbono formando uma variedade de compostos copropriedades completamente diferente. VERSATILIDADE DO CARBONO QUANTO AO COMPRIMENTO, RAMIFICAÇÃO, LIGAÇÃO DUPLA E PRESENÇA DE ANÉIS AROMÁTICOS Variação do comprimento da cadeia Etano Propano Variaçãodo tipo de ligação Variação de ramificação Variação dos arranjos cíclicos Butano 2-Metilpropano Ciclo-hexano Benzeno 1-Buteno 2-Buteno Fonte: Reece et al. (2015, p. 59). #PraCegoVer: Diferentes combinações da ligação carbono-carbono mostrando a versatilidade estrutural do carbono formando tanto compostos lineares, ramificados cíclicos, aromáticos. 118 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 Propriedades física e química dos hidrocarbonetos As propriedades físicas dos alcenos e alcinos são geralmente semelhantes às dos alcanos ou cicloalcanos com igual número de átomos de carbono. Alcinos têm pontos de ebulição mais altos do que alcanos ou alcenos, porque o campo elétrico de um alcino, com seu número aumentado de elétrons π mantidos fracamente, é distorcido mais facilmente, produzindo forças de atração mais fortes entre as moléculas. Os hidrocarbonetos têm eletronegatividade semelhante porque nas moléculas orgânicas existem apenas ligações Carbono-Carbono e ligação Carbono-hidrogenio. A ausência de compostos mais eletronegativos justifica essa característica. Em relação aos pontos ponto de ebulição (PE) e ponto de fusão (PF). Há uma relação direta entre o tamanho da cadeia e do valor dessas propriedades físico- química. A presença de ramificações nas cadeias carbônicas pode diminuir drasticamente os PE e PF. Os alcenos reagem com uma variedade muito mais rica de compostos do que os alcanos. A reação característica dos alcanos é a substituição; aquela de alcenos e alcinos é a adição à ligação dupla ou tripla. A hidrogenação é a adição de hidrogênio molecular (H2) a uma ligação múltipla, que converte alquenos em alcanos. A reação ocorre a uma taxa conveniente apenas na presença de certos catalisadores de metal finamente divididos, como níquel (Ni), platina (Pt), paládio (Pd) ou ródio (Rh). 119 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA 6.1.2 COMPOSTOS AROMÁTICOS Os hidrocarbonetos aromáticos, como o benzeno, também são compostos formados apenas por carbono e hidrogênio. Eles são sistemas de anel plano que contêm orbitais p continuamente sobrepostos. Os elétrons no anel de benzeno têm propriedades energéticas especiais que fornecem ao benzeno propriedades físicas e químicas marcadamente diferentes dos alcanos. Ori- ginalmente, o termo aromático foi usado para descrever esta classe de com- postos porque eram particularmente perfumados. No entanto, na química moderna, o termo aromático denota a presença de um anel muito estável que confere propriedades diferentes e únicas a uma molécula. Os compostos aromáticos são geralmente não polares e imiscíveis com água. Como muitas vezes não são reativos, são úteis como solventes para outros compostos não polares. As ligações duplas em compostos aromáticos têm menor probabili- dade de participar de reações de adição do que aquelas encontradas em al- cenos típicos. Em vez disso, os compostos aromáticos cíclicos sofrem reações de substituição eletrofílica (reações nas quais o anel atua como um nucle- ófilo para um eletrófilo adequado). Para estudar propriedades estruturais e De forma geral, a reatividade química dos hidrocarbonetos gira em torno das ligações PI, quanto maior o número de elétrons π maior será reatividade do hidrocarboneto Dessa forma, a reatividade pode ser estimada em ordem decrescente da seguinte forma: alcinos> alcenos> alcanos. Para saber mais sobre os hidrocarbonetos, estude os capítulos 3 (compostos orgânicos – alcanos e cicloalcanos), 4 (Estereoquímica de Alcanos e Cicloalcanos), 7 (Alcenos - Reações e Síntese), 8 (Alcinos - Uma Introdução à Síntese Orgânica) e 9 (Estereoquímica) do livro de química orgânica combo (McMurry J., 2011). 120 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 reações em compostos aromáticos, por favor, consulte os capítulos 14, 15 e 16 do livro “Química orgânica: estrutura e função” (Volhard, 2013) intitulados Sis- temas Pi Deslocalizados, benzeno e aromaticidade e Ataque Eletrofílico nos Derivados do Benzeno, respectivamente. QUIRALIDADE DO CARBONO SP3 Um dos aspectos interessantes da química orgânica é que ela é tridimen- sional. Uma molécula pode ter uma forma no espaço que pode contribuir para suas propriedades. As moléculas podem diferir na maneira como os áto- mos estão dispostos - a mesma combinação de átomos pode ser montada de mais de uma maneira. Esses compostos são conhecidos como isômeros. Os isômeros são moléculas com as mesmas fórmulas moleculares, mas dife- rentes arranjos de átomos. Existem vários tipos diferentes de isômeros que serão descritos e um fluxograma pode ajudá-lo a determinar quais tipos de isômeros estão presentes. Os hidrocarbonetos n-butano e isobutano, por exemplo, são isômeros consti- tucionais e são os únicos possíveis para a fórmula C4H10. Esses isômeros sur- gem devido à possibilidade de ramificação em cadeias de carbono. Em um deles, os átomos de carbono estão em uma cadeia linear, enquanto no outro a cadeia é ramificada. Como os isômeros são compostos diferentes, eles po- dem ter propriedades físicas e químicas diferentes. Por exemplo, o n-butano tem um ponto de ebulição mais alto (−0,5 ° C [31,1 ° F]) do que o isobutano (−11,7 ° C [10,9 ° F]) (Figura A). Outro tipo de isomeria é a que ocorre em torno da ligação dupla C=C. Há rotação livre em torno das ligações simples carbono- -carbono (C – C) nos alcanos. Em contraste, a estrutura dos alcenos requer que os átomos de carbono de uma ligação dupla e os dois átomos ligados a cada átomo de carbono estejam todos em um único plano, e que cada átomo de carbono duplamente ligado esteja no centro de um triângulo. Esta parte da estrutura da molécula é rígida; a rotação em torno de átomos de carbono duplamente ligados não é possível sem romper a ligação. Considere o alceno com a fórmula estrutural condensada CH3CH = CHCH3. O cis-2-buteno possui ambos os grupos metil no mesmo lado da molécula. O trans-2-buteno tem os grupos metil em lados opostos da molécula (Figura B). Uma molécula con- tendo um carbono com quatro grupos diferentes resultam em uma molécula quiral, e o carbono é referido como um centro quiral, assimétrico ou estereo- gênico (Figura C). 121 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA DIFERENTES COMBINAÇÕES DA LIGAÇÃO CARBONO-CARBONO A B C Isômeros estruturais Butano Isobutane Isômeros cis-trans (E/Z) Cis-2-Butene (Z)-but-2-ene centro quiral Isômeros R/S (R)-Ácido láctico (S)-Ácido láctico Enantiômeros: têm imagem especular não sobreponível Fonte: Adaptado de Reece et al. (2015, p. 61). #PraCegoVer: Diferentes combinações da ligação carbono-carbono destacando a versatilidade isomérica que pode acontecer de varias formas devido à presença de carbono quiral, dupla ligação, ramificação, etc A quiralidade é derivada da palavra grega χειρ (kheir) que significa “mão”. Diz- -se que um objeto é quiral se o objeto e sua imagem no espelho não forem sobreponíveis, assim como nossas mãos direita e esquerda. Agora você deve estar se perguntando o que queremos dizer com ‘não sobreponíveis’. Quando a imagem espelhada do objeto é colocada sobre o objeto original e eles não se sobrepõem (Figura C). Compostos orgânicos, moléculas criadas em torno de uma cadeia de átomos de carbono (mais comumente conhecida como estrutura de carbono), de- sempenham um papel essencial na química da vida. Essas moléculas deri- vam sua importância da energia que carregam, principalmente na forma de energia potencial entre as moléculas atômicas. Uma vez que tal força poten- cial pode ser amplamente afetada devido a mudanças no posicionamento atômico, é importante entender o conceito de um isômero, uma moléculaque compartilha a mesma composição atômica que outra, mas diferindo no arranjo estrutural. Estereoisômeros são isômeros que diferem no arranjo es- 122 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 pacial dos átomos, ao invés da ordem de conectividade atômica. Um de seus tipos mais interessantes de isômero são os estereoisômeros de imagem no espelho, um conjunto não sobreposto de duas moléculas que são a imagem no espelho uma da outra. A existência dessas moléculas é determinada pelo conceito conhecido como quiralidade. Talvez já no ensino médio, você pode ter ouvido falar sobre moléculas quirais. Moléculas quirais, como açúcares, aminoácidos e a maioria das outras biomo- léculas, vêm em pelo menos duas formas que são imagens espelhadas uma da outra e que não são iguais, chamadas de par de enantiômeros (Figura C). Por definição, existem dois tipos de estereoisômeros: geométricos e ópticos. Os isômeros geométricos diferem na (s) posição (ões) relativa (s) dos substi- tuintes em uma molécula rígida. A rotação simples sobre uma ligação σ C – C em um alceno, por exemplo, não pode ocorrer devido à presença da ligação π. Os substituintes são, portanto, rigidamente travados em um arranjo espacial particular. Assim, uma ligação múltipla carbono-carbono, ou em alguns casos um anel, evita que um isômero geométrico seja prontamente convertido no outro. Os membros de um par isomérico são identificados como cis ou trans, e a interconversão entre as duas formas requer a quebra e a reforma de uma ou mais ligações. Como sua diferença estrutural faz com que tenham proprie- dades físicas e químicas diferentes, os isômeros cis e trans são, na verdade, dois compostos químicos distintos. Isômeros ópticos são moléculas cujas estruturas são imagens de espelho, mas não podem ser sobrepostas umas às outras em qualquer orientação. Os isômeros ópticos têm propriedades físicas idênticas, embora suas proprieda- des químicas possam diferir em ambientes assimétricos. Moléculas que são imagens espelhadas não sobrepostas umas das outras são chamadas de qui- rais (pronuncia-se “ky-ral”, do grego cheir, que significa “mão”). Exemplos de alguns objetos quirais familiares são suas mãos, pés e ouvidos. Para adquirir uma visão ampla desse assunto importantíssimo, por favor, faça uma revi- são a cerca de estereoquímica no capítulo 9 livro de química orgânica combo (McMurry J., 2011, 270-310). 123 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA 6.1.3 ALCOÓIS E ÉTERES A incorporação de um átomo de oxigênio em moléculas contendo carbono e hidrogênio leva a novos grupos funcionais e novas famílias de compostos. Quando o átomo de oxigênio está ligado por ligações simples, a molécula é um álcool ou éter. Os álcoois são derivados de hidrocarbonetos nos quais um grupo –OH substi- tuiu um átomo de hidrogênio. Embora todos os álcoois tenham um ou mais grupos funcionais hidroxila (–OH), eles não se comportam como bases como NaOH e KOH. NaOH e KOH são compostos iônicos que contêm íons OH–. Os álcoois são moléculas covalentes; o grupo –OH em uma molécula de álcool está ligado a um átomo de carbono por uma ligação covalente. ÁLCOOL ETÍLICO VERSUS ÉTER ETÍLICO Fonte: Elaborado pela autora (2020). #PraCegoVer: Diferentes combinações da ligação carbono-oxigênio mostrando a versatilidade estrutural do carbono formando alcoóis e éteres. 124 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 Propriedades e classificação estrutural de álcoois e éteres Como regra geral, as substâncias polares ou iônicas se dissolvem em solventes polares; as substâncias não polares se dissolvem em solventes não polares. Como resultado, os hidrocarbonetos não se dissolvem na água. Freqüentemente, eles são considerados imiscíveis na água. Os álcoois, como eram de se esperar, têm propriedades entre os extremos dos hidrocarbonetos e da água. Quando a cadeia de hidrocarbonetos é curta, o álcool é solúvel em água. À medida que a cadeia de hidrocarbonetos se torna mais longa, o álcool se torna menos solúvel em água. Uma das extremidades das moléculas de álcool tem tanto caráter não polar (C-H) que é considerada hidrofóbica. A outra extremidade que contém um grupo -OH pode formar ligações de hidrogênio com moléculas de água vizinhas e, portanto, é considerado hidrofílico. À medida que a cadeia de hidrocarbonetos se torna mais longa, o caráter hidrofóbico da molécula aumenta e a solubilidade do álcool em água diminui gradualmente até se tornar essencialmente insolúvel em água. O etanol é um álcool primário porque há apenas um grupo alquil ligado ao carbono que carrega o substituinte OH. A estrutura de um álcool primário pode ser abreviada como RCH2OH, onde R representa um grupo alquil. O álcool isopropílico, por sua vez, encontrado no álcool de fricção é um álcool secundário, que possui dois grupos alquil no átomo de carbono com o substituinte OH (R2CHOH). Um exemplo de um álcool terciário (R3COH) é o álcool terc-butílico (ou t-butílico) ou 2-metil-2-propanol. Outra classe de álcoois são os fenóis, nos quais um grupo OH está ligado a um anel aromático. Existem diferenças importantes entre as propriedades físicas e químicas dos álcoois e dos éteres. Considere éter dietílico e 1-butanol, por exemplo, que são isômeros constitucionais com a fórmula C4H10O. 125 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA ISÔMEROS FUNCIONAL DA FÓRMULA MOLECULAR C4H10O – ÉTER VERSUS ÁLCOOL C4H10O CH3CH2OCH2CH CH3CH2CH2CH2OH Ponto de ebulição (°C) 34,5 117,2 Densidade (g/mL) 0,7138 0,8098 Solubilidade em água insolúvel solúvel Fonte: Elaborada pela autora (2020). A diferença fundamental entre esses compostos é a presença de grupos OH no álcool que faltam no éter. Como as ligações de hidrogênio não podem se formar entre as moléculas do éter, o ponto de ebulição desse composto é mais de 80 ° C mais baixo do que o álcool correspondente. Como não há ligações de hidrogênio para organizar a estrutura do líquido, o éter é significativamente menos denso que o álcool correspondente. Para saber mais sobre alcoóis e éteres, estude os capitulos 8 (Grupo Funcional Hidroxila: Álcoois) 9 (Outras Reações dos Álcoois e a Química dos Éteres) do livro do Volhard, 2013. E, para conhecer outras funções orgânicas biologicamente importantes acesse a página 63 do livro de Reece et al., 2015. 126 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 6.2 REAÇÕES EM CARBONOS Como todos nós sabemos, quando carbono é queimado no ar para dar dióxido de carbono, é chamado de combustão. Quando o metano (CH4) é queimado na presença de oxigênio, ele nos fornece dióxido de carbono, calor e luz. Mas, a versatilidade do carbono permite que o mesmo reaja também com água e ar (oxigênio). E, também o permite uma infinidade de reações orgânicas que envolvem fazer novas ligações químicas e quebrar velhas ligações químicas. Veremos mais sobre isso de forma resumida a partir desse tópico. Visão geral dos tipos de reações orgânicas As reações de compostos orgânicos podem ser organizadas amplamente de duas maneiras: 1. Quais os tipos de reações e 2. Como essas reações ocorrem De forma resumida, os tipos de reações que os compostos orgânicos sofrem podem ser divididos em quatro categorias, a saber: Em uma reação de adição, o número de ligações σ na molécula de substrato aumenta, geralmente à custa de uma ou mais ligações π. O inverso é verdadeiro para as reações de eliminação, ou seja, o número de ligações σ no substrato diminui e novas ligações π são frequentemente formadas. As reações de substituição, como o nomeindica, são caracterizadas pela substituição de um átomo ou grupo por outro átomo ou grupo. Uma reação de rearranjo gera um isômero e, novamente, o número de ligações normalmente não muda. Para saber mais sobre os tipos de reações orgânicas, exemplos, exercícios e mecanismo de reações orgânicas, faça uma revisão sobre reações orgânicas, no capítulo 5 do livro do (McMurry J., 2011). 127 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA 6.2.1 REAÇÃO DO CARBONO COM ÁCIDOS, ÁGUA E O AR O grafite reage com o ácido nítrico concentrado à quente para formar ácido melítico, C6(COOH)6. As reações entre grafite e hidrogênio que são termo qui- micamente desfavoráveis podem ocorrer em uma extensão mensurável sob condições em que os produtos da reação são rapidamente removidos ou o sistema é extinto. O carbono, seja como grafite ou diamante, não reage com a água em condições normais. No entanto, em condições especiais de altas temperaturas, o carbono irá reagir com a água, formando uma mistura de hi- drogênio (H2, 50%), monóxido de carbono (CO, 40%), dióxido de carbono (CO2, 5%), nitrogênio e metano (N2 + CH4, 5%). ( ) ( ) ( ) ( ) ( )2 2 2 2 3 3 s g g g gC H O CO CO H+ → + + O carbono, como a grafite, queima, formando óxidos de carbono gasosos. O diamante, quando aquecido a 600-800 ° C, também queima, formando óxi- dos de carbono gasosos. Em quantidades suficientes de O2, o carbono forma CO2 (dióxido de carbono). Isso é chamado de combustão completa: ( ) ( ) ( )2 2 s g gC O CO+ → Em quantidades insuficientes de O2, o carbono forma CO (monóxido de car- bono). Isso é chamado de combustão incompleta: ( ) ( ) ( )2 2 s g gC O CO+ → 6.2.2 REAÇÃO DO CARBONO COM HALOGÊNIOS O grafite reage com o flúor, F2, (quantidade em excesso) em altas temperatu- ras, formando uma mistura de CF4, C2F6 e C5F12. ( ) ( ) ( )2 4 2 6 5 12 s g gC F CF C F C F ∆→+ + + À temperatura ambiente, a reação com o flúor resulta em uma mistura chamada «fluoreto de grafite». Esta é uma mistura não estequiométrica com a fórmula CFx (0,68 <x <1). O composto é preto quando x é baixo, prateado em x = 0,9 e incolor quando x está em torno de 1. 128 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 6.2.3 REAÇÃO DE CARBONO COM AMIDA DE SÓDIO O carbono reage com a amida de sódio a 500-600 ° C, formando cianeto de sódio: ( ) ( ) ( ) ( )2 2 s g s lC NaNH NaCN H ∆ +→+ PREVISÃO DE ACIDEZ E BASICIDADE DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS Nesse tópico vamos falar sobre o que está por trás das tendências de acidez para diferentes moléculas e discutir os fatores importantes que influenciam o caráter ácido-base dos compostos orgânicos. Sabe-se que a medida de pKa é uma das medidas mais importantes que você pode aprender na química orgânica. A constante de acidez Ka (e seu logaritmo negativo pKa) é uma me- dida extremamente útil de predição de acidez. Por que os valores de pKas são tão importantes? Porque todo nucleófilo é potencialmente uma base e vice- -versa. O resultado final é que qualquer fator que estabilize a base conjugada resultará em aumento da acidez. Podemos usar esse fator como base para prever tendências de acidez ou ba- sicidade. Lembre-se de que o papel de uma base é compartilhar um par de elétrons com um próton, resultando em uma nova ligação a esse próton. Uma molécula que pode doar elétrons mais prontamente será, portanto, uma base mais forte. (Existem alguns fatores adicionais que não consideraremos neste nível.) Como sabemos que bases mais fortes têm ácidos conjugados mais fra- cos, podemos aplicar essa mesma análise para determinar a acidez também. Muitos fatores podem influenciar a capacidade de uma molécula de doar elé- trons. A “Basicidade” é um conceito que versa sobre a “estabilidade de um par de elétrons não-compartilhado”. Primeiro, vamos nos concentrar em átomos individuais e pensar sobre as tendências associadas à posição de um elemen- to na tabela periódica. Por exemplo, nessa série que compõe os átomos do segundo período da tabela periódica C, N, O e F. 129 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA SERIE DE TENDÊNCIA DE ESTABILIDADE DOS C, N, O E F (2° PERÍODO DA TABELA PERIÓDICA) Quanto mais estável for um par de elétrons, menos básico ele será. Quanto menos estável for um par de elétrons solitário, mais básico será. Menos estável Mais estável Fonte: Elaborada pela autora (2020). #PraCegoVer: Ao comparar átomos na mesma linha da tabela periódica, quanto mais eletronegativo for o átomo doador de elétrons, menos ele estará disposto a compartilhar esses elétrons com um próton, portanto, mais fraca é a base Os fatores mais comuns que influenciam a basicidade de compostos or- gânicos são ressonância, raio atômico, eletronegatividade e efeito indutivo. Consideramos cada um deles a seguir. (Esses mesmos fatores também in- fluenciam a nucleofilicidade). Raio atômico Por exemplo, na seguinte reação, qual a direção que a reação aconteceria? A reação seria favorecida para a direita ou para a esquerda? + H2O H-F + OH desfavorecida favorecida F Ora, o íon fluoreto é o mais estável nesta série porque é o mais eletronegativo; o carbono é o menos estável porque é o menos eletronegativo. Por isso, pu- demos dizer que o H-F era o mais ácido, pois tinha a base conjugada mais estável. E H-CH3 (metano) era o menos ácido, porque tinha a base conjugada menos estável. Portanto, neste caso, numa reação de (F–) com H2O seria a me- nos favorecida, porque F– é o mais estável. E a reação do H3C– com H2O seria a mais favorecida, porque H3C– é o menos estável. Um esclarecimento: essas são reações de equilíbrio químico. Então, o termo “favorecido” aqui é a exten- são em que o equilíbrio favoreceria os produtos da direita. O mesmo principio se aplica para compostos orgânicos simples etano, metilamina e etanol, ou mesmo para biomoléculas mais complexas com as mesmas funcionalidades, por exemplo, as cadeias laterais dos aminoácidos alanina (alcano), lisina (ami- na) e serina (álcool). 130 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 Ressonância Diz-se que uma molécula tem ressonância quando sua estrutura não pode ser adequadamente descrita por uma única estrutura de Lewis. Como a res- sonância influencia a capacidade de uma base de compartilhar elétrons com um próton? A ressonância pode deslocar este par de elétrons que a base pode usar para formar a nova ligação com o próton. Essa deslocalização de elétrons aumenta a estabilidade da base. Maior estabilidade resulta em menor reati- vidade. Uma base que tem deslocalização de ressonância do par de elétrons que é compartilhado com o próton será, portanto, menos básica do que uma base sem este recurso. Como uma base mais fraca tem um ácido conjugado mais forte, um composto cuja base conjugada desfruta de estabilização de ressonância será mais ácido. PKA DE ALGUNS ÁCIDOS CARBOXÍLICOS TÍPICOS pKa 4.7 4.3 4.2 R = -CH3 pKa 3.9 4.3 4.4 - F 3.3 3.9 4.1 - Cl 2.9 3.8 4.0 - Br 2.8 3.8 4.0 -OCH3 4.1 4.1 4.5 -NO2 2.2 3.53.4 Fonte: Adaptada da Tabela de pKa de Bordwell “Hans Reich’s Collection. Bordwell pKa Table, 2020.” #PraCegoVer: Os pKa de alguns ácidos carboxílicos típicos estão listados na tabela. Substituintes eletronegativos próximos ao grupo carboxila agem para aumentar a acidez. 131 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA Eletronegatividade Lembre-se de que a eletronegatividade é a medida da atração de um átomo pelos elétrons. Quanto maior a eletronegatividade, maior a atração. Podemos estender essa ideia ainda mais e concluir que os átomos com maior eletro- negatividade serão menos inclinados a compartilhar seus elétrons com um próton. Assim, aumentar a eletronegatividade do átomo que compartilha um par de elétrons diminuirá a basicidade. Bases mais fracas têm ácidos conju- gados mais fortes, então concluímos que, à medida que a eletronegatividade de um átomo aumenta a acidez do próton ligado também aumenta. Os pa- res solitários que são compartilhados com um próton residem em C, N, O e F. Destes, o carbono é o menos eletronegativo (mais disposto a compartilhar elétrons), então CH3 - (íon meteto) é a base mais forte. O flúor é o mais ele- tronegativo, então F- (íon fluoreto) é o menos disposto a doar elétrons (a base mais fraca). No geral, a ordem de eletronegatividade é C (2,5) <N (3,0) <O (3,5) <F (4,0), então a ordem de basicidade é CH3 - (base mais forte)> NH2 -> HO-> F-. A relação entre a basicidade conjugada e a acidez é inversa, então a ordem da acidez é: CH4 (ácido mais fraco) <NH3 <H2O <HF (ácido mais forte). Os valo- res reais de pKa concordam com esta previsão: CH4 pKa 51 (ácido mais fraco), NH3 (pKa 38), H2O (pKa 15,7) e HF (pKa 3,2). Efeito indutivo Que efeito sobre a basicidade é visto quando as diferenças estruturais não se limitam ao átomo que compartilha o par de elétrons? Exemplo: Como a acidez do ácido acético (CH3CO2H) é alterada quando um dos hidrogênios do grupo metil é substituído por um átomo de cloro para produzir ácido cloroa- cético (ClCH2CO2H)? Alternativamente, o que isso faz com a basicidade relati- va do íon acetato (CH3CO2 -) versus o íon cloroacetato (ClCH2CO2 -)? VALORES DE PKA DA “HANS REICH’S COLLECTION Fonte: Elaborada pela autora (2020). #PraCegoVer: Diferentes combinações da ligação carbono-oxigênio mostrando a versatilidade estrutural do carbono formando álcoois e éteres. 132 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 Essa diferença estrutural não altera a eletronegatividade ou o raio atômico dos átomos de oxigênio que compartilham um par de elétrons com um próton, nem altera o número de contribuintes de ressonância. Uma nova explicação é necessária. Lembre-se de que o papel de uma base é compartilhar um par de elétrons com um próton para formar uma nova ligação covalente. Quan- to menos densidade de elétrons disponível (ou seja, menos carga negativa), mais difícil é para o átomo compartilhar este par de elétrons. Qual o efeito da substituição do hidrogênio pelo cloro na densidade de elétrons dos átomos de oxigênio? O cloro é mais eletronegativo que o carbono, então o cloro puxa a densidade do elétron do átomo de carbono adjacente. Este átomo de car- bono, por sua vez, pega emprestado a densidade do elétron do carbono car- bonílico vizinho e assim por diante. O efeito final é que o átomo de cloro atrai a densidade do elétron para si e para longe do grupo carboxilato. A densidade de elétrons reduzida do grupo carboxilato significa menor basicidade. Assim, prevemos que ClCH2CO2 - seja uma base mais pobre do que CH3CO2- e, por extensão, ClCH2CO2H seja um ácido mais forte do que CH3CO2H. Os valores reais de pKa são 2,86 para ClCH2CO2H (ácido mais forte) e 4,76 para CH3CO2H (ácido mais fraco). O efeito de um átomo ou grupo de átomos na densidade do elétron em uma porção remota da molécula é chamado de efeito indutivo. CONCLUSÃO Nessa unidade apresentamos um esboço das principais facetas estruturais da química orgânica, particularmente aquelas que dizem respeito a alguns dos principais grupos químicos de moléculas orgânicas. O número de compostos orgânicos conhecidos é tão grande que um estudo sistemático da estrutura e das reações é essencial. Vimos que enquanto o carbono (C) e o hidrogênio (H) formam a base das mo- léculas orgânicas, a rica diversidade e especificidade das interações entre as moléculas biológicas e de drogas surge da presença de heteroátomos (N, O, S, P, haletos) quando eles se combinam com C e H para formar vários grupos funcionais. Nesta unidade, nos preocupamos principalmente com a teoria estrutural que está no cerne do estudo da química orgânica, pois é com base nisso que os fatos sobre milhões de compostos diferentes são coletados e organizados de maneira sistemática. 133 MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA Partindo do conhecimento básico adquirido nessa unidade, o aluno será ca- paz de observe as reações orgânicas e fazer a si mesmo as seguintes per- guntas: quais ligações foram rompidas e quais se formaram? Uma vez que se conhecem as características de todos os grupos funcionais e os pontos es- truturais passiveis de sofrer algum tipo de reação é, possível realizar um es- quema organizacional que ajuda a catalogar as reações químicas e, de forma mais fácil lembrar as reações que serão possíveis para cada grupo químico. 134 QUÍMICA ANALÍTICA E ORGÂNICA MULTIVIX EAD Credenciada pela portaria MEC nº 767, de 22/06/2017, Publicada no D.O.U em 23/06/2017 REFERÊNCIAS ALVES BARRETO DE MORAES, M.; CARLOS AFONSO, J.; MARIA BRAGA GOMES, L. Análise química de carbonatos de cálcio fabricados entre 1902 e 2002. 2015, p. 27–28. Disponível em: ht- tps://www.abq.org.br/rqi/2014/746/RQI-746-pagina27-Artigo-Tecnico.pdf. Acesso em: 4 dez. 2020. ARENAS-LAGO, D. et al. Multianalytical approach for the assessment of toxic element distribution in soils from mine and quarry areas. In: Assessment, Restoration and Reclamation of Mining Influenced Soils. [S. l.]: Elsevier Inc., 2017. p. 33–62. E-book. 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