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Universidade de São Paulo Faculdade de Filosofia, ciências e Letras de Ribeirão Preto Departamento de Química Bacharelado em Física Médica Experimento 3 pH e Indicadores Objetivos Essa aula tem como objetivo proporcionar aos estudantes uma compreensão mais aprofundada sobre as propriedades dos ácidos e das bases, bem como sobre as formas de medição do pH. Alguns objetivos específicos que podem ser alcançados em uma aula prática sobre pH e indicadores de pH são: 1. Compreensão do conceito de pH: A aula prática pode ajudar os estudantes a entender o que é o pH, como ele é medido e como as soluções ácidas e básicas são identificadas. 2. Familiarização com os indicadores de pH: Os estudantes podem aprender sobre os diferentes tipos de indicadores de pH e como eles funcionam. Eles podem aprender a identificar quando um indicador muda de cor e como interpretar essa mudança de cor em relação ao pH da solução. 3. Medição do pH de soluções: Os estudantes podem aprender a medir o pH de diferentes soluções usando diferentes métodos, como papel indicador, indicadores líquidos ou eletrodos de pH. Eles podem aprender como calibrar e usar os equipamentos de medição do pH. 4. Compreensão das propriedades ácidas e básicas: Os estudantes podem aprender sobre as propriedades ácidas e básicas de diferentes soluções e como elas afetam o pH. Eles podem aprender a distinguir entre ácidos fortes e fracos e bases fortes e fracas. 5. Aplicação em outras áreas: Os estudantes podem entender como o conhecimento sobre pH e indicadores de pH pode ser aplicado em outras áreas, como na agricultura, na indústria alimentícia, na medicina e em outras áreas da ciência. Em resumo, a aula prática sobre pH e indicadores de pH é importante porque ajuda os estudantes a entender conceitos básicos de química e a aplicá-los em situações práticas. Além disso, ela ajuda a desenvolver habilidades importantes, como medição precisa, observação cuidadosa e interpretação de dados. Introdução É importante saber qual o pH de uma solução? Em certas circunstâncias, dependendo do que se pretende fazer em um experimento é fundamental conhecer o valor do pH da solução. Em reações ácido-base sabemos quando a reação termina pelo valor do pH da solução.Existem várias maneiras de se determinar o pH de uma solução aquosa de acordo com a precisão que se espera do resultado da medida. As mais simples envolvem a utilização de papel indicador de tornassol (PIT), Papel indicador Universal (PIU) e soluções de indicadores. O papel indicador de tornassol indicará apenas se a solução é ácida ou básica. Já o uso do papel indicador universal ou de soluções de indicadores, permite verificar se a solução é ácida ou básica, bem como quantificar aproximadamente sua acidez ou basicidade. Para determinações mais precisas são utilizados aparelhos relativamente sofisticados denominados pHmetros ou potenciômetros. Indicadores de pH geralmente são ácidos ou bases orgânicas fracas que possuem a propriedade de ter uma cor na sua forma não ionizada e outra cor na sua forma ionizada. conforme as equações abaixo: HIn → H+ + In- (Cor A) (Cor B) InOH → In+ + OH- (Cor C) (Cor D) Como pode ser observado nestas duas equações, cada indicador ácido-base possui uma determinada coloração que depende da concentração hidrogeniônica da solução. Assim, de acordo com a equação 1, em meio ácido, o equilíbrio está deslocado para a esquerda e o indicador apresentará a cor A. À medida que se adiciona uma base a esta solução, a concentração de H3O+ é reduzida e o equilíbrio será deslocado para a direita. Nestas condições o indicador apresentará a cor B. A variação de cor entre as duas formas do indicador não é brusca, ela ocorre em um certo intervalo de pH (geralmente 1 a 2 unidades), que é característico de cada indicador. Esse intervalo de pH onde ocorre a mudança de cor do indicador é denominado de zona de viragem ou zona de transição do indicador. Corantes orgânicos (indicadores ou não) têm estrutura geralmente complexa, porque é necessário haver muitas duplas ligações (C=C, C=O, C=N, etc) conjugadas para que uma molécula possa absorver luz visível (e assim apresentar-se colorida). pHmetro O pHmetro é um aparelho capaz de realizar medidas elétricas, possuindo um tipo especial de eletrodo apropriado para mergulhar em soluções aquosas. Após calibrar o aparelho, mergulha-se o eletrodo em uma solução de pH desconhecido e o aparelho fará todas as conversões necessárias, fornecendo o pH da solução como leitura direta de um instrumento de ponteiro (analógico) ou em mostrador digital. Os eletrodos são peças de vidro complexas e muito delicadas, contendo soluções (tipos solução de KCl, de calomelano, etc), condutores metálicos, membranas muito frágeis de vidro poroso, e devem ser mantidos sempre mergulhados em líquidos apropriados. A calibração do pHmetro é feita mergulhando-se seu eletrodo em uma solução de pH bem determinada e constante (tampões). Em geral são necessárias duas soluções (pH 4 e pH 7 e/ou pH 10) dependendo do modelo do pHmetro. A temperatura é um fator que afeta as medidas de pH. Por isso, os pHmetros costumam ter compensação para a temperatura (em aparelhos mais sofisticados essa compensação é feita automaticamente: o próprio aparelho mede a temperatura e corrige a leitura de acordo com o valor medido. Materiais e reagentes Os experimentos serão efetuados utilizando soluções de: ácido clorídrico (HCl) ácido acético (CH3COOH) cloreto de sódio (NaCl) acetato de amônio (CH3COONH4) cloreto de amônio (NH4Cl) hidróxido de sódio (NaOH) hidróxido de amônio (NH4OH) acetato de sódio (CH3COONa) todas elas de concentração 0,1 M. Papel Indicador de Tornassol (PIT) Papel Indicador Universal (PIU) Procedimento experimental Utilização do papel indicador. O pH das soluções descritas deverá ser inicialmente determinado utilizando o Papel Indicador de Tornassol (PIT) e em seguida o Papel Indicador Universal (PIU). Os resultados deverão ser anotados na tabela que segue. Os papéis devem ser mergulhados diretamente nas soluções. A técnica correta é mergulhar um bastão de vidro na solução e tocar o papel com a ponta do bastão. Isto evitará a contaminação das soluções com o corante existente no papel. Antes de mergulhar o bastão em outra solução ele deverá ser lavado com água destilada. Utilização de soluções de indicadores. O objetivo do experimento é determinar o pH aproximado das soluções de HCl, CH3COOH, NaCl, CH3COONH4, NH4Cl, NaOH, NH4OH e CH3COONa utilizando os seguintes indicadores: Violeta de metila (VM) Alaranjado de metila (AM) Vermelho de metila (VM) Vermelho neutro (VN) Azul de timol (AT) Amarelo de Alizarina (AA). 1. Preparar um conjunto de 8 tubos de ensaio cada um contendo aproximadamente 1,0 mL de cada uma das soluções conforme mostrado na tabela. 2. Adicionar 3 gotas do indicador especificado a cada um dos tubos de ensaio e anotar sua cor. Lavar os tubos com água destilada e repetir o procedimento usando agora um outro indicador e assim por diante. Com o auxílio da tabela de zona de viragem de indicadores, determinar ao intervalo de pH (∆pH) correspondente a esta solução. Solução HCl HAc NaOH NH4OH NaCl NH4Cl NaHAc NH4HAc PIT PIU VM AM MV VN AT AA ∆pH Ex: Considerando que você colocou o indicador fenolftaleína nos tubos contendo uma solução A e outro tubo contendo a solução B. No tubo contendo a solução A esta ficou incolor enquanto que no tubo contendo B a solução ficou vermelha. Como interpretar os resultados? Usando a tabela de viragem dos indicadores observa-se que a fenolftaleína muda de incolor para violeta avermelhado no intervalo de pH entre 8,2 e 9,6. No caso de A a solução ficou incolor, então o pH deve ser menor que 8,2. No caso de B a solução ficou vermelha, então o pH deve ser maior que 9,6. Utilização do pHmetro O pHmetro é um equipamento que permite determinar diretamente o pH de uma solução através da comparação do pH dessa solução com o pH de uma solução padrão. Para determinar o pH de cada uma das soluções colocar3 mL da solução em um tubo de ensaio e medir diretamente o pH dessa solução no pHmetro. Anotar os valores obtidos na tabela que segue e compará-los com a faixa de pH obtida com a utilização da tabela de zona de viragem de indicadores. Solução HCl HAc NaOH NH4OH NaCl NH4Cl NaHAc NH4HAc pH Medidas de pH durante a titulação de um ácido Embora a titulação de 50 mL de HCl 0,1 M gaste exatamente a mesma quantidade de NaOH que 50 mL de HAc 0,1 M a solução de HCl é muito mais ácida que a de HAc. Isto ocorre porque sendo um ácido forte o HCl está completamente dissociado enquanto o HAc, por ser um ácido fraco, encontra-se parcialmente dissociado. Conseqüentemente, o pH de uma solução que contém HAc será sempre mais alto que aquele da solução de HCl. Cada grupo deverá pipetar 25 mL da solução de HCl em um béquer e em seguida adicionar 75 mL de água destilada. Após a agitação da solução determinar o pH utilizando um pHmetro. Adicionar ao béquer 5,0 mL da solução de NaOH, agitar bem e medir o pH, anotando o valor na tabela abaixo. Repetir este procedimento até que tenha sido adicionado em total de 30 mL de NaOH. Repetir esse procedimento, empregando agora a solução de ácido acético e anotar os resultados na tabela. NaOH (mL) pH da solução de HCl pH da solução de HAc 0 5 10 15 20 25 30 Questões. 1. Compare as medidas de pH efetuadas com ambos os ácidos. Como você explica as diferenças observadas? 2. Compare os volumes empregados em ambos os casos. Considerando a resposta anterior, como você analisa os resultados que obteve? 3. Porque os pH das soluções de HCl e HAc são diferentes se ambas têm a mesma concentração? 4. Como se explica os diferentes pH obtidos para as soluções salinas? 5. Escreva uma equação química que explique estes resultados. O que está acontecendo em solução aquosa? Tabela de viragem Indicador Faixa de viragem Mudança de cor Violeta de metila 0,1- 1,6 Amarelo- azul Azul de timol* 1,2- 2,8 Vermelho- amarelo Púrpura de m-cresol* 1,2- 2,8 Vermelho- amarelo 4-dimetilazobenzeno 2,9- 4,0 Vermelho –alaranjado Azul de bromofenol 3,0-4,6 Amarelo-violeta avermelhado Vermelho do Congo 3,0-5,2 Violeta azul-alaranjado Alaranjado de metila 3,1-4,4 Vermelho- alaranjado Verde de bromocresol 3,8-5,4 Amarelo-azul Indicador misto 5 4,4-5,8 Violeta avermelhado-verde Vermelho de metila 4,4-6,2 Vermelho –alaranjado Tornassol 5,0-8,0 Vermelho-azul Púrpura de Bromocresol 5,2-6,8 Amarelo - púrpura Vermelho de Bromofenol 5,2-6,8 Alaranjado- púrpura Azul de Bromotimol 6,0-7,6 Amarelo- azul Vermelho de fenol 6,4-8,2 Amarelo-vermelho Vermelho neutro 6,8-8,0 Vermelho-azul- alaranjado Vermelho de Cresol 7,0-8,8 Amarelo-púrpura Púrpura de m-cresol* 7,4-90-,0 Amarelo-púrpura Azul de Timol 8,0-9,6 Amarelo-azul Fenolftaleína 8,2-9,8 Incolor-violeta avermelhado Timolftaleína 9,3-10,5 Incolor –azul Amarelo de Alizarina 10,-12,1 Amarelo-castanho Azul de Epsilon 11,6-13,0 Alaranjado-violeta Índigo carmim 11,5-14,0 Azul- amarelo * Exibem mais de uma viragem Discuta as observações da prática no relatório. ⇒ Material comum de laboratório: finalidade e condições de uso. O relatório será baseado na apresentação dos seus resultados e nas discussões incluídas nas questões. Limpeza de material volumétrico A limpeza de vidraria mais simples pode ser feita lavando-a com detergente, enxaguando com bastante água da torneira e, finalmente enxaguando com água destilada. Esta última operação é essencial porque a água de torneira contém apreciável quantidade de materiais dissolvidos e em suspensão, que não serão removidos se você não passar água destilada, colocando na estufa um béquer enxaguado apenas com água de torneira, quando ele secar você vai ver pequenas manchas (geralmente brancas) de substâncias que estavam dissolvidas e cristalizaram. No entanto, apenas a lavagem descrita não é suficiente em trabalhos de maior precisão. O vidro costuma adquirir uma persistente camada superficial de gordura e outros materiais que repelem água. Uma fina camada de água que fica na superfície, depois de escorrer, se retrai, formando gotas de tamanho considerável, que não escorrem facilmente. Assim, gotas podem ficar no gargalo do balão volumétrico e não estão incluídas no volume medido do liquido mas podem perturbar o resultado de medidas mais precisas. Para remoção dessa camada superficial é suficiente enxaguar a vidraria com álcool ou acetona. Para limpezas rigorosas se utiliza soluções de limpeza que algumas vezes podem ser reutilizadas e outras devem ser descartadas logo após serem utilizadas uma única vez. Como secar material volumétrico Quando o material volumétrico estiver molhado com o mesmo líquido cujo volume se vai medir na há prejuízo na medida. Porém, caso você precise medir o volume de acetona, por exemplo, e utilizar uma proveta molhada com água o líquido resultante não será mais acetona, e você não poderá mais saber qual o volume de acetona mediu. Na dúvida sobre a necessidade ou não de secar um material, seque. Material volumétrico não deve ser fortemente aquecido, pois pode perder sua aferição. Admite-se porém um aquecimento suave, como por exemplo, em estufa a no máximo 80 °C, ou com um secador de cabelos. É preferível secar o material volumétrico á temperatura ambiente, mas para isso é necessário tempo (geralmente de um dia par ao outro). Se você tiver que secar um material volumétrico em pouco tempo enxágüe-o antes com acetona ou álcool, deixe escorre bem e coloque na estufa a 80°C,ou seque co o secador de cabelos.