Relatório FQ exp II - Condutividade de Eletrólitos

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
INSTITUTO DE QUÍMICA - DEPARTAMENTO DE FÍSICO-QUÍMICA
FÍSICO-QUÍMICA EXPERIMENTAL II
Condutividade de Eletrólitos (CE)
Nomes: Daniela Kern e Manoela Souto Data: 15/12/2023
Professor responsável: Lázaro dos Santos Turma/Grupo: C/F2
Resumo
Neste experimento determinou-se a condutividade molar a diluição infinita (Λ0) de
um eletrólito forte (HCl), bem como do valor de pKa de um eletrólito fraco (ácido
acético). Para isso, foi monitorada a condutividade de soluções diluídas de cada um
desses ácidos em função da concentração. As medidas foram realizadas a 27,0 °C,
a partir do gotejamento de soluções 0,05 mol.L-1 dos eletrólitos estudados em um
volume conhecido de água. Para o HCl obteve-se Λ0 = 524,0 S.cm2 .mol-1, com erro
relativo de 18,29% em relação ao valor tabelado. Para o ácido acético, o pKa
calculado foi de 3,778 e o erro em relação ao valor de referência foi de 20,57%.
Cálculos e Resultados
Para esse experimento, foi necessário gotejar, com uma pipeta pasteur, soluções
de um eletrólito fraco e um eletrólito forte em água, para observarmos a mudança da
condutividade da solução. Para isso, foram pesadas 20 gotas de água em triplicata
para estimar o peso e volume de uma gota. Os resultados estão apresentados na
tabela 1.
Tabela 1. Medidas de massa de 20 gotas de água, realizadas a 27 °C
Como observado na tabela 1, foi calculado a média da massa de uma gota, e com
esse valor foi possível calcular o volume da mesma, através da equação 1 e do
valor tabelado [1] da densidade da água a 27ºC.
9,5/10,0
(1)ρ = 𝑚
𝑉
Foi considerado que o volume da gota das soluções são iguais ao volume da gota
de água, tendo em vista que se tratam de soluções bastante diluídas.
Iniciamos o experimento com a medida da condutividade do eletrólito fraco,
utilizamos o ácido acético, sendo que o objetivo era a determinação do pKa. Foi
colocado 150mL de água deionizada em um béquer e a primeira medida de
condutividade foi da água pura, que posteriormente foi descontada para levarmos
em conta apenas a condutividade dos eletrólitos. Após essa medida, foi adicionado
gotas da solução de ácido acético 0.05 mol/L, conforme descrito no roteiro e na
tabela 2. As adições ocorreram sob agitação, que era desligada para a realização
da leitura.
Ainda na tabela 2, foi calculado o volume de solução adicionado em cada etapa e
com esse dado foi calculado a concentração, evidenciaremos os cálculos para a
primeira adição, os demais foram feitos de maneira análoga.
(2)𝑉
𝑎𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜
= 𝑛º 𝑑𝑒 𝑔𝑜𝑡𝑎𝑠 𝑥 𝑉
𝑔𝑜𝑡𝑎
𝑉
𝑎𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜
= 2 𝑥 0, 024
𝑉
𝑎𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜
= 0, 048
(3)𝑉
𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙
= 𝑉
á𝑔𝑢𝑎
+ 𝑉
𝑎𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜
𝑉
𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙
= 150𝑚𝐿 + 0, 048𝑚𝐿
𝑉
𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙
= 150, 048𝑚𝐿
(4)𝐶
1
𝑥 𝑉
1
= 𝐶
2
𝑥 𝑉
2
 
𝐶
2
= 0,05𝑥0,048
150,048 
𝐶
2
= 1, 33𝑥10−5𝑚𝑜𝑙/𝐿 
𝐶
2
= 1, 33𝑥10−8𝑚𝑜𝑙/𝑚𝐿 
Aplicando os cálculos acima para todas concentrações analisadas e multiplicando
o valor da condutividade do eletrólito (keletrólito) por 10-6 para converter a unidade de
μS/cm para S/cm, obtemos os dados da tabela 2.
O gráfico, então, foi plotado usando as concentrações em mol/cm3 versus o k em
S/cm conforme os dados da tabela 2, representado na figura 1.
Tabela 2. Condutividade da célula e eletrólito em diferentes concentrações de ácido acético.
Figura 1. Gráfico da condutividade em função da concentração do eletrólito fraco.
Como o ácido acético é um eletrólito fraco ele não se ioniza completamente,
formando um equilíbrio entre as moléculas e os íons na solução. O grau de
ionização pode ser obtido em função da constante de equilíbrio de dissociação
representado pela equação 5.
(5)𝐾
𝑎
= 𝑎2 𝑥 𝑐
(1−α)
Sendo C a concentração do eletrólito, α o grau de ionização e Ka a constante de
ionização do ácido.
O grau de ionização, por sua vez, é descrito pela equação 6.
(6)α = Λ
Λ
0
Combinando a equação 5 e 6, chegamos na equação 7 que, por sua vez, é possível
relacionar de forma linear a condutividade molar e a constante de ionização do
ácido fraco.
(7)1
Λ = 1
Λ
0
+ Λ𝑥𝐶
(Λ
0
)2
Com os dados da tabela 2, podemos utilizar a equação 8 para calcular a
condutividade molar. Utilizaremos a primeira adição para exemplificar o cálculo.
(8)Λ = 
𝑘
𝑒𝑙𝑒𝑡𝑟ó𝑙𝑖𝑡𝑜
𝐶
Λ = 2,47𝑥10−6
1,58𝑥10−8
Λ = 155, 93 𝑆. 𝑐𝑚2. 𝑚𝑜𝑙−1
1
Λ = 6, 41𝑥10−3 𝑚𝑜𝑙. 𝑆−1. 𝑐𝑚−2
O resultado dos cálculos da equação 8 se encontram na tabela 3.
Tabela 3. Condutividade molar do eletrólito.
melhorar a identificação das
tabelas
aleix
Realce
Figura 2. Gráfico da condutividade molar em função da condutividade do eletrólito fraco.
Podemos calcular o Λ0 usando o coeficiente linear da equação da reta.
1
Λ0 = 0, 0077
Λ0 = 129, 87 𝑆. 𝑐𝑚2. 𝑚𝑜𝑙−1
Com o valor de Λ0podemos calcular o valor de Ka usando o coeficiente angular da
reta.
1
(Λ0)² 𝑥 𝐾
𝑎
= 355, 12
𝐾
𝑎
= 1, 67𝑥10−4𝑚𝑜𝑙. 𝑐𝑚−3
(9)𝑝𝐾𝑎 =− 𝑙𝑜𝑔(𝐾𝑎)
pKa=3,778
Conhecendo o valor tabelado para o pKa do ácido acético [2], foi calculado o erro
relativo de acordo com a equação 10.
(11)𝐸
𝑟𝑒𝑙
= 
𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟
𝑡𝑎𝑏𝑒𝑙𝑎𝑑𝑜 
− 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟
𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙| |
𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟
𝑡𝑎𝑏𝑒𝑙𝑎𝑑𝑜
* 100
𝐸
𝑟𝑒𝑙
= 4,756− 3,778| |
4,756 * 100
𝐸
𝑟𝑒𝑙
= 20, 57%
O mesmo procedimento experimental foi realizado usando o HCl como eletrólito
forte. Os cálculos para determinar o volume adicionado, volume final da solução,
concentração e condutividade do eletrólito foram realizados de maneira análoga ao
anteriormente descrito para o ácido acético. Os resultados experimentais e cálculos
estão na Tabela 4.
Não foi feito o ajuste da condutividade molar
pela diferença de temperatura
Tabela 4. Condutividade da célula e eletrólito em diferentes concentrações de ácido acético.
A partir dos dados presentes na Tabela 4, foi plotado o gráfico da Figura 3:
Figura 3. Gráfico da condutividade em função da concentração do eletrólito forte.
Em soluções muito diluídas, eletrólitos fortes estão completamente dissociados e
seguem a lei de migração independente de Kohlrausch, pois as interações
interiônicas podem ser consideradas nulas.
𝛬 = 𝛬0 − ( 𝑘 × √𝐶) (12)
O valor da condutividade molar a diluição infinita pode ser obtido a partir da
inclinação da reta de k em função de C, pois em soluções diluídas o segundo termo
da Equação 12 é muito pequeno, e Λ é aproximadamente igual a Λ0. O valor obtido
graficamente para 𝛬0do HCl foi de 524,0 S.cm2 .mol-1.
O valor tabelado para a condutividade molar do ácido clorídrico é de 425,95 S.cm2
.mol-1 para a temperatura de 25 °C [3]. Para fazer a comparação do valor obtido
experimentalmente e o tabelado, é preciso corrigir o valor do dado tabelado para a
temperatura de trabalho, que foi de 27,0 °C. Utilizaremos a Equação 13, onde T é a
temperatura de trabalho:
𝛬0
c = 𝛬0 + 0,02 x 𝛬0 x (T - 25,0) (13)
𝛬0
c = 425,95 + 0,02 x 425,95 x (27,0 - 25,0)
𝛬0
c = 442,99 S.cm2 .mol-1
A partir do valor corrigido, podemos calcular o erro relativo dos valores:
Errorel = (524,0 - 442,99 / 442,99) x 100
Errorel = 18,29%
Discussão e Conclusão
Na faixa de concentrações obtidas a condutividade molar do eletrólito forte (HCl)
praticamente constante, portanto foi possível estimar a condutividade do mesmo à
diluição infinita. Da mesma forma, baixas concentrações do eletrólito fraco
(CH3COOH) permite utilizar a lei de Otswald para calcular o pKa do mesmo.
Nesse experimento, o gotejamento feito com auxílio de uma pipeta Pasteur
acarreta erro, pois não se pode determinar o verdadeiro volume de solução
eletrolítica adicionada. Isso porque o tamanho de uma gota depende de diversos
fatores, entre eles o ângulo de gotejamento, que é de difícil reprodutibilidade.
Portanto, essa é a principal causa de erro desse experimento. Esse problema
poderia ser solucionado pelo uso de pipetadores volumétricos automáticos, que
permitissem a adição de pequenos volumes fixos.
Os gráficos 1 e 2 apresentaram um comportamento esperado para eletrólitosfracos, pois apesar da condutividade de uma solução aumentar em função da
quantidade de portadores de cargas presentes, sabemos que os eletrólitos fracos
não se dissociam completamente, e com o aumento da concentração o equilíbrio se
desloca no sentido da molécula não ionizada, diminuindo o grau de ionização, que
por sua vez, diminui a condutividade molar da solução. Mas, mesmo com essa
diminuição da proporção de moléculas ionizadas, a condutividade aumentou com a
concentração, devido ao aumento de íons presentes na solução. Com os cálculos
descritos no relatório, foi obtido um valor de pKa experimental de 3,778, que
representa um erro de 20,57% do valor tabelado.
O aumento da condutividade com a concentração foi mais pronunciado (maior
inclinação da reta) para o HCl, por se tratar de um eletrólito forte que está
completamente dissociado. Trabalhando-se com concentrações baixas, foi possível
estimar a condutividade molar à diluição infinita (Λ0). Plotando-se o gráfico de
condutividade versus concentração do eletrólito (Figura 3) e fazendo o ajuste linear
dos dados, foi possível obter Λ0 pelo coeficiente angular da reta, com valor de 524,0
S.cm2 .mol-1 O valor obtido experimentalmente foi maior que o tabelado, com erro
relativo de 18,29%.
Referências Bibliográficas
[1] CRC Handbook of Chemistry and Physics 95th Edition. Capítulo 6, pg. 6-8.
[2] "Dissociation Constants of Organic Acids and Bases", in CRC Handbook of Chemistry
and Physics, David R. Lide, ed., CRC Press, Boca Raton, FL, 2005.
[3] "Equivalent Conductivity of Electrolytes in Aqueous Solution", in CRC Handbook of
Chemistry and Physics, David R. Lide, ed., CRC Press, Boca Raton, FL, 2005