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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 titulação
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