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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO Química Experimental Bacharelado em Ciências Biológicas Prof.ª Ester Ribeiro Gouveia SUMÁRIO 1. Apresentação da disciplina 3 2. Procedimento de trabalho no laboratório 3 3. Principais materiais e equipamentos de laboratório 6 4. Precisão e exatidão 10 5. Medidas de volumes 12 6. Soluções 15 7. Medidas de massas 19 8. Técnicas de filtração 22 9. Volumetria 25 10. Ácidos e bases 27 11.Tampões 30 12. Determinação da umidade no micro-ondas 34 13. Espectroscopia no ultravioleta/visível 35 14. Bibliografia 39 3 1. APRESENTAÇÃO DA DISCIPLINA A carga horária semanal desta disciplina é de duas horas, estando a mesma baseada principalmente em atividades práticas. O número máximo de faltas é igual a sete, e isso implica que cada aluno só poderá faltar até três dias durante o semestre. Nas aulas práticas, de acordo com o cronograma distribuído no início de cada semestre, os experimentos serão realizados conforme procedimento entregue em cada aula. O uso de caderno de laboratório, calculadora científica, jaleco, calças compridas e sapatos fechados são obrigatórios em todas as aulas. 2. PROCEDIMENTO DE TRABALHO NO LABORATÓRIO 2.1 Regras básicas O trabalho num laboratório químico só é efetivo quando realizado conscientemente e com compreensão da sua teoria. Além disso, toda atividade experimental requer que o experimentador SEJA CUIDADOSO E ESTEJA ATENTO. Mesmo um experimento aparentemente inofensivo, pode resultar em consequências sérias quando planejado de maneira imprópria. Todo grupo terá um LUGAR NO LABORATÓRIO (BANCADA), QUE DEVERÁ SER MANTIDO LIMPO E ARRUMADO. Somente os materiais necessários ao experimento deverão permanecer sobre a bancada. O estudante, antes de iniciar o trabalho de laboratório deve: Conhecer todos os detalhes do experimento que irá realizar Ter conhecimento sobre as propriedades das substâncias a serem utilizadas Familiarizar-se com a teoria relativa ao tópico em estudo Ter um protocolo experimental escrito envolvendo todas as atividades a serem realizadas. 4 Vestir jaleco e óculos de segurança sempre que trabalhar no laboratório (itens de uso pessoal que devem ser providenciados pelo aluno). 2.2 Regras de Segurança Realize todo o trabalho com substâncias voláteis na capela. Trabalhe longe de chamas quando manusear substâncias inflamáveis. Use os óculos protetores de olhos, sempre que necessário. Use sempre jaleco com mangas compridas. Não fume, não coma ou beba no laboratório. Evite trabalhar sozinho, e fora das horas de trabalho convencionais. Não jogue material insolúvel nas pias. Use um frasco de resíduo apropriado. Não trabalhe com material imperfeito, principalmente o de vidro que contenha pontas ou arestas cortantes. Feche com cuidado as torneiras de gás, evitando o seu escapamento. Não prove ou ingira drogas ou reagentes de laboratório. Não aspire gases ou vapores. Comunique imediatamente a professora qualquer acidente ocorrido. 2.3 Manuseio de Produtos Químicos Nunca manusear produtos sem estar usando o equipamento de segurança adequado para cada caso. Usar sempre material adequado. Não faça improvisações. Comunicar qualquer acidente ou irregularidade ao professor. Não pipetar, principalmente, líquidos cáusticos ou venenosos com a boca. Use os aparelhos apropriados. Não transportar produtos químicos de maneira insegura, principalmente em recipientes de vidro e entre aglomerações de pessoas. Ler o rótulo antes de abrir a embalagem. Verificar se a substância é realmente aquela desejada. Abrir as embalagens em área bem ventilada. 5 Tomar cuidado durante a manipulação e uso de substâncias químicas perigosas, utilizando métodos que reduzam o risco de inalação, ingestão e contato com pele, olhos e roupas. Fechar hermeticamente a embalagem após a utilização. Evitar a utilização de aparelhos e instrumentos contaminados. Não comer, beber ou fumar enquanto estiver manuseando substâncias químicas. Lavar as mãos e as áreas expostas regularmente. 6 3. PRINCIPAIS MATERIAIS E EQUIPAMENTOS DE LABORATÓRIO Fig. 1: Béquer – aquecimento de líquidos, dissolução de sólidos, etc. Fig. 2: Erlenmeyer – aquecimento de líquidos, titulação, cultivos de microrganismos, etc. Fig. 3: Proveta – medidas aproximadas de volumes fixos de líquidos. Fig. 4: Funil comum – transferência de líquidos e filtração por gravidade. Fig. 5: Pipeta graduada – medir volumes variáveis de líquidos. Fig. 6: Pipetas volumétricas – medir volumes fixos de líquidos. Fig. 7 :Tubo de ensaio – reações químicas e bioquímicas, cultivos de microrganismos. Fig. 8: Tela de amianto – distribuir uniformemente o calor em aquecimentos. Fig. 9: Cadinho de porcelana – aquecimento à seco (calcinações) no bico de Bunsen e mufla. 7 Fig. 10: Bico de Bunsen – aquecimentos em laboratório. Fig. 11: Estante para tubos de ensaio – suporte para tubos de ensaio. Fig. 12: Tripé de ferro – sustentar a tela de amianto. Fig. 13: Funil de decantação – separação de líquidos imiscíveis Fig. 14: Placa de Petri – fins diversos Fig. 15: Pisseta – frasco lavador Fig. 16: Dessecador – esfriar substâncias em ausência de umidade. Fig. 17: Balão volumétrico – preparar e diluir soluções Fig. 18: Anel para funil – sustentação Fig. 19: Garra metálica – sustentação Fig. 20: Suporte universal - Fig. 21: Bureta – análises volumétricas 8 Figura 22. Bomba a vácuo - Utilizado para aplicação de vácuo e ar comprimido. Para vácuo, tem utilização em evaporadores rotativos, estufas a vácuo, dessecadores e filtrações etc Figura 23. Centrífuga - Acelera a sedimentação (decantação) de sólidos em suspensão em líquidos. Figura 24. Estufa bacteriológica - Equipamento utilizado para incubação de meios de cultura inoculados e monitoramento de crescimento microbiano. Figura 25. Estufa de secagem e esterilização - Utilizada para secagem e esterilização de material e vidrarias em geral. 9 Figura 26. Destilador de Água - Utilizado no processo de purificação da água. Figura 27. Incubadora refrigerada com agitação orbital - Utilizada para incubação de amostras que necessitem de agitação orbital e temperatura controlada; como meios de cultura para crescimento de microrganismos. 10 4. PRECISÃO E EXATIDÃO Precisão A precisão descreve a reprodutibilidade das medidas, isto é, a proximidade entre os resultados que foram obtidos exatamente da mesma forma. Geralmente, a precisão de uma medida é prontamente determinada simplesmente pela repetição da medida em réplicas da amostra. Três termos são amplamente empregados para descrever a precisão de um conjunto de dados de réplicas: desvio padrão, variância e coeficientede variação. Estes três termos são uma função de quanto um resultado individual xi difere da média, o que é denominado desvio em relação à média, di. Observe que os desvios em relação à média são calculados desconsiderando-se o sinal. Valores muito próximos entre si indicam uma precisão em suas medidas. Para medir a precisão pode-se utilizar o cálculo do desvio padrão: Onde: s: desvio padrão da amostra x1: primeiro valor medido x2: segundo valor medido xn: último valor medido : valor médio N: número de valores medidos N -1: graus de liberdade. O número de graus de liberdade indica o número de resultados independentes que fazem parte do cálculo do desvio padrão. Um desvio padrão pode ser considerado grande ou pequeno dependendo da ordem de grandeza da variável. Uma maneira de se expressar a variabilidade dos dados sem a influência da ordem de 11 grandeza da variável é através do coeficiente de variação (CV), definido por: e também conhecido como desvio padrão relativo em termos percentuais (DPR%). O CV é: Interpretado como a variabilidade dos dados em relação à média. Quanto menor o CV mais homogêneo é o conjunto de dados. Adimensional, isto é, um número puro, que será positivo se a média for positiva; será zero quando não houver variabilidade entre os dados, ou seja, o desvio padrão é zero. Usualmente expresso em porcentagem, indicando o percentual que o desvio padrão é menor ou maior do que a média. Um CV é considerado baixo (indicando um conjunto de dados razoavelmente homogêneo) quando for menor ou igual a 25%. Entretanto, esse padrão varia de acordo com a aplicação. Exatidão A exatidão indica a proximidade da medida do valor verdadeiro, ou aceito, e é expressa pelo erro. A exatidão mede a concordância entre um resultado e o valor aceito e a precisão descreve a concordância entre os vários resultados obtidos da mesma forma. A precisão pode ser determinada medindo as réplicas da amostra. A exatidão é com freqüência mais difícil de ser determinada porque o valor verdadeiro é geralmente desconhecido. A exatidão é expressa em termos do erro absoluto ou erro relativo. O erro absoluto E, na medida de uma quantidade x, é dado pela equação: Onde xv é o valor verdadeiro, ou aceito, da quantidade. Observe que se mantém o sinal no erro absoluto. O sinal negativo indica que o resultado experimental é menor que o valor aceito, enquanto que o sinal positivo indica que o resultado experimental é maior que o valor aceito. Em geral, o erro relativo é uma quantidade mais útil que o erro absoluto. O erro relativo percentual é dado pela expressão: Quanto menor for o erro relativo (ER), mais exata é a medida. 12 5. MEDIDAS DE VOLUMES As medidas de volume aproximadas são efetuadas geralmente com provetas graduadas, béqueres com escala, enquanto que as medidas volumétricas exatas, com aparelhos volumétricos (pipetas, balões volumétricos e buretas). A prática de análise volumétrica requer a medida de volumes líquidos com elevada precisão. Para efetuar tais medidas são empregados vários tipos de aparelhos, que podem ser classificados em duas categorias: a) Aparelhos calibrados para dar escoamento a determinados volumes (pipetas e buretas); b) Aparelhos calibrados para conter um volume líquido (balões volumétricos). OBS: a leitura de volumes de líquidos claros deve ser feita pela parte inferior e a de líquidos escuros pela parte superior. a) Balões volumétricos: Os balões volumétricos são balões de fundo chato e gargalo comprido, calibrados para conter determinados volumes de líquidos. O traço de referência marcando o volume pelo qual o balão volumétrico foi calibrado é gravado sobre a meia-altura do gargalo. A distância entre o traço de referência e a boca do gargalo deve ser relativamente grande para permitir a fácil agitação do líquido, quando, depois de completado o volume até a marca, se tem de homogeneizar uma solução. Assim, o ajustamento do menisco ao traço de referência poderá ser feito com maior exatidão. O traço de referência é gravado sob a forma de uma linha circular, de sorte que, por ocasião da observação, o plano tangente à superfície inferior do menisco tem que coincidir com o plano do círculo de referência. Os balões volumétricos são construídos para conter volumes diversos, os quais são os de 5, 10, 25, 50, 100, 250, 500, 1000 e 2000 mL. Estes materiais são usados na preparação de solução de concentração conhecida. b) Pipetas Existem duas espécies de pipetas, volumétricas ou de transferência (para dar escoamento a um determinado volume líquido) e graduadas ou cilíndricas (para livrar volumes variáveis de líquidos). As pipetas volumétricas são construídas por um tubo de vidro com um bulbo na parte central. O traço de referência é gravado na parte do tubo acima do bulbo. A extremidade inferior é afilada e o 13 orifício deve ser ajustado de modo que o escoamento não se processe rápido demais. As pipetas volumétricas são construídas com as capacidades de 1, 2, 5, 10, 15, 20, 50, 100 e 200 mL. As pipetas graduadas consistem de um tubo de vidro estreito e, geralmente graduadas em 0,1 mL. São usadas para medir pequenos volumes líquidos com elevada exatidão. Para se encher uma pipeta, coloca-se a ponta no líquido e faz-se sucção com um instrumento apropriado. Deve-se ter o cuidado de manter a ponta da pipeta sempre abaixo do nível do líquido. Para se escoar os líquidos, deve-se colocar a pipeta na posição vertical, com a ponta encostada na parede do recipiente que vai receber o líquido e aperta-se na indicação da pêra até que o líquido escoe totalmente. Não se deve soprar uma pipeta. c) Buretas As buretas servem para dar escoamento a volumes variáveis de líquidos. São construídas de tubo de vidro uniformemente calibrados, graduados em 0,1 mL. São providas de dispositivos permitindo o fácil controle de escoamento. O dispositivo consiste de uma torneira de vidro entre o tubo graduado e a ponta afilada da bureta ou de uma pinça apertando o tubo de borracha ligado, de um lado, ao tubo graduado e, de outro, a um tubo de vidro afilado que funciona como ponta de bureta. As buretas podem ser dispostas em suportes universais. As buretas mais utilizadas são as de 50 mL. As que têm torneira de vidro são preferidas às de pinça. Estas últimas não podem ser usadas no caso de soluções capazes de atacar a borracha, como as soluções de permanganato de potássio e iodo. Para o uso com soluções que possam sofrer o efeito da luz, são recomendadas buretas de vidro castanho (âmbar). A ponta da bureta deve ser estreita, para que possa sair somente aproximadamente 50 mL por minuto, estando a torneira totalmente aberta. As buretas são usadas na análise volumétrica, de acordo com as seguintes recomendações: 1. A bureta limpa e vazia é fixada a um suporte na posição vertical; 2. Antes de usar o reagente, deve-se agitar o frasco que o contém, pois não é raro haver na parte superior do mesmo, gotas de água condensada; 3. A bureta é lavada duas vezes com porções de 5 mL do reagente em questão, que são adicionados por meio de um funil; cada porção é deixada escoar completamente antes da adição da seguinte; 14 4. Enche-se então, a bureta até um pouco acima do zero da escala e remove-se o funil; 5. Abre-se a torneira ou afrouxa-se a pinça para encher a ponta e expulsar todo o ar e, deixa-se escoar o líquido, até que a parte inferior do menisco coincida exatamente com adivisão zero. Procedimento Experimental: 1. Medir 100 (ou 50) mL de água num béquer de 100 (ou 50) mL e transferir para um balão volumétrico de 100 (ou 50) mL; 2. Repetir o procedimento mais duas vezes; 3. Medir 100 (ou 50) mL de água num erlenmeyer de 100 (ou 50) mL e transferir para um balão volumétrico de 100 (ou 50) mL; 4. Repetir o procedimento mais duas vezes; 5. Calcular a precisão das medidas realizadas com cada vidraria. Se o CV for menor ou igual a 5 %, calcular o erro relativo, utilizando o valor médio das três medidas como o valor medido, na equação do Erro relativo. 15 6. SOLUÇÕES A matéria pode ser dividida em duas classes: substâncias puras e misturas. - Elementos: é uma substância (por exemplo, carbono, hidrogênio e ferro) que consiste em átomos idênticos. - Composto: é uma substância pura formada por dois ou mais elementos em proporções fixas em massa. Por exemplo, a água é um composto formado de hidrogênio e oxigênio, na proporção de 2:1, enquanto que, o sal de cozinha é formado de sódio e cloro, na proporção de 1:1. - Misturas: é uma combinação de duas ou mais substâncias puras. Uma importante diferença entre mistura e composto é que as proporções em massa dos elementos de um composto são fixas, enquanto, na mistura, as substâncias puras podem estar presentes em qualquer proporção Matéria – qualquer coisa que ocupa espaço e tem massa. Misturas – uma combinação de duas ou mais substâncias puras. Substância pura – composição fixa; não podem ser purificadas. Fisicamente separáveis em Elementos não podem ser subdivididos por meio químico ou físico. Compostos elementos unidos em proporções fixas. Mistura homogênea composição totalmente uniforme. Mistura heterogênea composição não uniforme. 16 em massa. Por exemplo, sangue, manteiga, gasolina, sabão, o metal de um anel, o ar e a terra são misturas de substâncias puras. - Mistura homogênea e heterogênea: se uma mistura for totalmente uniforme no nível molecular, ela será denominada mistura homogênea ou, o que é mais usual, solução. Ar filtrado e água do mar, por exemplo, são ambas as soluções transparentes. Entretanto, na maioria das rochas, podem-se ver regiões distintas separadas uma das outras por limites bem definidos. Essas rochas são misturas heterogêneas. Outro exemplo é a mistura de areia e açúcar. Também é possível distinguir entre os dois componentes; a mistura não ocorre no nível molecular. Assim, misturas são classificadas com base em sua aparência a olho nu. - Soluções: quando se pensa em solução, normalmente se pensa em um líquido. As soluções líquidas, como o açúcar e a água, é o tipo mais comum, mas há também soluções de gases ou sólidos (Tabela 1). De fato, todas as misturas de gases são soluções. Como as moléculas de gás estão bem separadas uma das outras, e há muito espaço vazio entre elas, dois ou mais gases podem se misturar em quaisquer proporções. Como a mistura ocorre em nível molecular, sempre forma uma solução, isto é, não há misturas heterogêneas de gases. Com sólidos ocorre o oposto. Ao serem misturados sólidos, quase sempre se obtém uma mistura heterogênea. Como pedaços microscópicos de sólidos ainda contêm bilhões de partículas (moléculas, íons ou átomos), não há como obter mistura em nível molecular. Misturas homogêneas de sólidos (ou ligas), tais como o latão, não existem, mas são feitas pela fusão dos sólidos, misturando os componentes fundidos e permitindo que a mistura solidifique. Tabela 1. Os tipos mais comuns de soluções. Soluto Solvente Aparência da solução Exemplo Gás Em Líquido Líquido Água carbonada Líquido Em Líquido Líquido Vinho Sólido Em Líquido Líquido Água salgada Gás Em Gás Gás Ar Sólido Em Sólido Sólido Ouro (14quilates) 17 Quando uma solução consiste em um sólido ou gás dissolvido em um líquido, o líquido é chamado solvente e o sólido ou gás é chamado de soluto. Um solvente pode ter vários solutos nele dissolvidos, até de diferentes tipos. Um exemplo comum é a água mineral, em que gases (dióxido de carbono e oxigênio) e sólidos (sais) são dissolvidos no solvente, a água. Quando um líquido é dissolvido em outro, pode surgir uma dúvida sobre qual é o solvente e qual é o soluto. Aquele que aparece em maior quantidade geralmente é chamado solvente. - Características das soluções 1. A distribuição das partículas em uma solução é uniforme: cada parte da solução tem exatamente a mesma composição e as mesmas propriedades de todas as outras partes. Essa é, de fato, a definição de homogêneo. 2. Os componentes de uma solução não se separam em repouso: uma solução de vinagre, por exemplo, nunca se separa. 3. Uma solução não pode ser separada em seus componentes por filtração: tanto o solvente como o soluto atravessa o papel de filtro. 4. Dados qualquer soluto e solvente, é possível preparar soluções com muitas composições diferentes: podemos facilmente preparar uma solução de1 g de glicose em 100 g de água, ou 2 g, ou 6 g, ou qualquer outra quantidade de glicose até o limite da solubilidade. 5. As soluções são quase sempre transparentes: podem ser incolores ou coloridas, mas geralmente podemos ver através delas. Soluções sólidas são exceções. 6. Soluções podem ser separadas em componentes puros: métodos comuns de separação incluem destilação e cromatografia. - Solubilidade: a solubilidade de um sólido em um líquido é a quantidade máxima de sólido que se dissolverá em uma dada quantidade de determinado solvente, a certa temperatura. Cada sólido tem uma solubilidade diferente em cada líquido. O mesmo acontece com gases dissolvidos em líquidos. Alguns líquidos são praticamente insolúveis em outros líquidos (gasolina em água), ao passo que são solúveis até certo limite (éter dietílico em água). - Solução saturada, insaturada e supersaturada: quando um solvente contem todo o soluto que ele pode manter em uma determinada temperatura, a solução é dita saturada. Qualquer solução que contenha uma quantidade menor do soluto é insaturada. Se forem adicionados mais soluto a uma 18 solução saturada, a uma temperatura constante, aparentemente nenhum sólido adicional vai se dissolver, pois a solução já contem todo o soluto que pode conter. Por outro lado, uma solução supersaturada contém mais soluto no solvente do que normalmente pode conter em uma dada temperatura sob condições de equilíbrio. Uma solução supersaturada não é estável; quando de algum modo perturbada, seja por vibração quando é sacudida ou por agitação, o excesso de soluto precipita e, assim, a solução retorna ao equilíbrio e torna-se apenas saturada. - Unidades de concentração: a quantidade de um soluto dissolvido em uma dada quantidade de solvente, isto é, a concentração da solução, pode ser expressa de várias maneiras. Concentração comum – é a relação entre a massa do soluto (grama - g) e o volume da solução (litros - L). ___________________________________________________________ Densidade – é a relação entre a massa da solução e o volume da solução, geralmente em mL ou cm3. ___________________________________________________________ Concentração molar ou molaridade – é a relação entre o número de moles do soluto e o volume da solução (litros). ___________________________________________________________Como o número de moles é a relação entre a massa e o mol de um composto, temos: ___________________________________________________________ Uma solução 1 molar é aquela que apresenta 1 mol de soluto em 1 litro de solução. 19 7. MEDIDAS DE MASSAS Na maioria das análises, uma balança analítica precisa ser utilizada para se obter massas altamente exatas. As balanças de laboratório menos exatas também são empregadas para as medidas de massa quando a demanda por confiabilidade não for crítica. 7.1 Tipos de balanças analíticas Por definição, uma balança analítica é um instrumento usado na determinação de massas com uma capacidade máxima que varia de 1 g até alguns quilogramas, com uma precisão de pelo menos 1 parte em 105 em sua capacidade máxima. A precisão e a exatidão de muitas balanças analíticas modernas excedem a 1 parte em 106 em sua capacidade total. As balanças analíticas mais comumente encontradas (macrobalanças) têm uma capacidade máxima que varia entre 160 e 200 g. Com essas balanças, as medidas podem ser feitas com um desvio- padrão de ± 0,1 mg. As balanças semi-microanalíticas têm uma carga máxima de 10 a 30 g com uma precisão de ± 0,01 mg. Uma balança microanalítica típica tem capacidade de 1 a 3 g e uma precisão de ± 0,001 mg. 7.2 Precauções no uso de uma balança analítica A balança analítica é um instrumento delicado que você precisa manusear com cuidado. Observe as seguintes instruções gerais no trabalho com uma balança analítica, não obstante a marca ou modelo: a) Verificar se a balança está nivelada observando através de um nível em forma de bolha. Para nivelar a balança giram-se os pés localizados na parte frontal da mesma (depende da balança); b) Centralize tanto quanto possível a carga no prato da balança; c) Não se deve pesar material cujo peso seja mais ou menos próximo da capacidade da balança; d) Proteja a balança contra a corrosão. Os objetos a serem colocados sobre o prato devem ser limitados a metais inertes, plásticos inertes e materiais vítreos; e) Consulte o professor se julgar que a balança precisa de ajustes; f) Mantenha a balança e seu gabinete meticulosamente limpos; 20 g) Se durante a operação partículas cair no prato, retirá-las imediatamente; h) Sempre deixe que um objeto que tenha sido aquecido retorne à temperatura ambiente antes de pesá-lo; i) Utilize uma pinça para prevenir a absorção da umidade de seus dedos por objetos secos; j) A balança eletrônica quando não está em uso deverá estar desligada. OBS: A tara é a massa de um frasco de amostra vazio. Tarar é o processo de ajuste da balança para apresentar leitura zero na presença da tara. 7.3 Dispositivo associado à pesagem - dessecadores A secagem em estufa é a maneira mais comum de se remover umidade de sólidos. Essa abordagem não é apropriada para substâncias que se decompõem ou para aquelas nas quais a água não é removida na temperatura da estufa. Para minimizar a absorção de umidade, os materiais secos são armazenados em dessecadores, enquanto se resfriam. Um dessecador é um dispositivo para a secagem de substâncias ou objetos. A Figura 28 apresenta um dessecador típico. A base contém um agente químico de secagem, como o cloreto de cálcio anidro, o sulfato de cálcio anidro. As superfícies de vidro esmerilhado são finamente recobertas com graxa. Quando se remove ou se recoloca a tampa de um dessecador, faz-se uso de um movimento de deslizamento para minimizar a perturbação da amostra. Uma vedação é alcançada por uma pequena rotação e pressão sobre a tampa já posicionada. Figura 28. Componentes de um dessecador típico. OBS: a secagem até massa constante é um processo no qual um sólido sofre um ciclo envolvendo etapas de aquecimento, resfriamento e pesagem até que seu peso torne-se constante na faixa de 0,2 a 0,3 mg. Tampa Superfícies de vidro esmerilhadas Dessecante Prato do dessecador Base 21 Procedimento Experimental: 1. Preparar uma solução de acetato de sódio 0,2 M em balão de 100 mL. Qual a massa de sal necessária para esta solução? 2. Preparar uma solução de ácido acético 0,2 M em balão de 100 mL. Qual o volume de ácido concentrado que deve ser utilizado? 3. Qual o volume de acetato de sódio 0,2 M necessário para a preparação de uma solução 0,05 M, utilizando um balão volumétrico de 25 mL? 4. Se você tivesse preparado uma solução 0,15 M, quanto de ácido concentrado você deveria adicionar aos 100 mL para que a concentração final fosse 0,2 M? 22 8. TÉCNICAS DE FILTRAÇÃO Filtração é a operação de separação de um sólido, de um fluido no qual está suspenso, pela passagem do líquido ou fluido através de um meio poroso capaz de reter as partículas sólidas. Numa filtração qualitativa e dependendo do caso, o meio poroso poderá ser uma camada de algodão, tecido, polpa de fibras quaisquer, que não contaminem os materiais, mas o caso mais frequente é papel de filtro qualitativo. Para as filtrações quantitativas, usa-se geralmente papel de filtro quantitativo, ou placas de vidro sinterizado. Em qualquer um dos casos há uma grande quantidade de porosidade a ser selecionada, dependendo da aplicação. Os papéis de filtro para fins quantitativos diferem dos qualitativos, principalmente por serem quase livres de cinzas (na calcinação). Estes papéis existem na forma de discos e apresentam várias porosidades: 1. Faixa preta – textura aberta e mole que filtra rapidamente. Usos: precipitados grossos e soluções gelatinosas; 2. Faixa branca – precipitados médios tipo sulfato de bário; 3. Faixa azul – precipitados finos como o sulfato de bário formado à frio; 4. Faixa vermelha – para materiais que tendem a passar para a solução ou suspensões coloidais; 5. Faixa verde – no caso anterior quando se exige dupla folha da faixa vermelha; 6. Fino – filtração de hidróxidos do tipo de alumínio e ferro. A filtração e a transferência do material retido no béquer devem ser feitas conforme as Figuras 29 e 30, respectivamente. Figura 29. Filtração comum. 23 Figura 30. Transferência do precipitado com o auxílio de uma pisseta. A filtração com funil de Buchner deve ser efetuada com sucção com o auxílio de uma bomba de vácuo e kitassato. No fundo do funil, sobre a placa plana perfurada é adaptado o disco de papel de filtro molhado, aderido devido à sucção. A sucção acelera a filtração, especialmente para precipitados gelatinosos. Um esquema de uma filtração com funil de Buchner é apresentada na Figura 31. Figura 31. Esquema de uma filtração com funil de Buchner. A filtração de suspensões microbianas é feita em membrana com 0,2 ou 0,45 m de diâmetro de poro também se utilizando uma bomba de vácuo. A Figura 32 apresenta um esquema de uma filtração com membrana. 24 Figura 32. Esquema de uma filtração com membrana. A equação a seguir é utilizada para a determinação da concentração (em g/L), após filtração de uma suspensão. )( ))(( 12 LV gmm C Onde: m2 – massa de sólidos (em grama) m1 – massa da membrana ou papel de filtro quantitativo (em grama) V – volume filtrado (em litro) Procedimento Experimental: 1. Pesar 0,1 g de fermento biológico e dissolver em 70 mL de água destilada; 2. Transferir para um balão volumétrico de 100 mL; 3. Lavar todo o resíduo que ficar no béquer e transferir a água de lavagem para o balão volumétrico;4. Aferir o menisco com água destilada; 5. Filtrar 10 mL em membrana de celulose (0,2 m), previamente tarada, utilizando um suporte para filtração à vácuo; 6. Colocar a membrana numa estufa de secagem a 80ºC, durante 24 horas; 7. Pesar a membrana em balança analítica, após esfriar em dessecador por 30 minutos; 8. Expressar o resultado de concentração em g/L; 9. Determinar a precisão da medida; 10. Calcular o erro relativo, considerando o valor de referência a concentração do fermento biológico no balão volumétrico. 25 9. VOLUMETRIA Para determinar a concentração de um ácido ou de uma base, um método chamado titulação é utilizado. A titulação utiliza o fato de que ácidos são neutralizados por bases para formar sal e água. Quando se adicionam números iguais de equivalentes-grama de base e de ácido, a solução mudará de cor em função da presença de um indicador ácido-base. Esta mudança de cor indica o ponto final da titulação e é chamado de ponto de viragem ou ponto de equivalência e o número de íons H+ é igual ao nº de íons OH-. O ponto quando a base neutraliza completamente um ácido (ou vice versa) pode ser detectado com um indicador, que muda de cor com um excesso de íons H+ ou OH-. Procedimento Experimental: Figura 33. Reação do Biftalato de Potássio com Hidróxido de Sódio. 1. Lavar a bureta duas vezes com NaOH que é adicionado por meio de um funil; 2. Deixar escoar livremente cada porção antes da adição da seguinte; 3. Colocar o NaOH na bureta até um pouco acima do zero da escala; 4. Abrir e fechar a torneira rapidamente para evitar a formação de bolhas de ar e para encher a ponta da bureta; 5. Pesam-se 0,2 g de biftalato de potássio (KHC8H4O4) em erlenmayer de 250 mL, colocam-se 10 mL de água destilada e três gotas de fenoftaleína; 6. Colocar o erlenmeyer sob a bureta e um papel de filtro sob o erlenmeyer para verificar o ponto de viragem com mais facilidade; 7. Segurar a torneira da bureta com a mão esquerda e o gargalo do erlenmeyer com a mão direita; 8. Usando a mão esquerda, abrir cuidadosamente a torneira da bureta e gotejar a solução de NaOH na solução de biftalato de potássio, com agitação branda; 9. Após a viragem do indicador de incolor para coloração rósea, calcular o volume de NaOH gasto na titulação; 10. Determinar a concentração de NaOH pela análise dimencional. 26 Procedimento Experimental: Figura 34. Reação do Ácido Acético com Hidróxido de Sódio. 1. Lavar a bureta duas vezes com NaOH que é adicionado por meio de um funil; 2. Deixar escoar livremente cada porção antes da adição da seguinte; 3. Colocar a base na bureta até um pouco acima do zero da escala; 4. Abrir e fechar a torneira rapidamente para evitar a formação de bolhas de ar e para encher a ponta da bureta; 5. Colocar num erlenmeyer de 250 mL, 10 mL de CH3COOH; 6. Adicionar 2 gotas de solução de fenolftaleína; 7. Colocar o Erlenmeyer sob a bureta e um papel de filtro sob o Erlenmeyer, para verificar o ponto de viragem com mais facilidade; 8. Usando a mão esquerda, abrir cuidadosamente a torneira da bureta e gotejar a solução de NaOH na solução de CH3COOH, com agitação branda; 9. Após a viragem do indicador de incolor para coloração rósea, calcular o volume de NaOH gasto na titulação; 10. Determinar a concentração de CH3COOH pela análise dimencional. 27 10. Ácidos e Bases O conceito de Arrhenius de ácidos e bases define um ácido como qualquer substância que pode aumentar a concentração do íon hidrônio, H3O +, em solução aquosa. Por outro lado, uma base é uma substância que aumenta a concentração do íon hidróxido em água. Assim, HCl é um ácido, porque reage com a água de acordo com a equação, Um exemplo de uma base de Arrhenius é o NaOH, um composto iônico contendo íons Na+ e OH-. Em água, ela sofre dissociação: A definição de ácidos e bases, em termos dos íons hidrônio e hidróxido em água, é muito restrita, porque limita a discussão do fenômeno ácido-base apenas a soluções aquosas. Uma abordagem mais geral foi proposta por BrǾnsted e Lowry. Eles definiram ácido como uma substância capaz de doar um próton (isto é, um íon hidrogênio, H+) a outra substância. Base, então, foi definida como uma substância capaz de aceitar um próton de um ácido. De maneira mais simples, ácido é um doador de próton e base é um receptor de próton. A reação ácido-base de BrǾnsted-Lowry ocorre, por exemplo, quando HCl é adicionado à água. Nesta reação, o HCl está atuando como um ácido, pois está doando um próton à molécula de água. A água, por outro lado, está se comportando como uma base, por aceitar um próton do ácido. Se tivermos uma solução de HCl concentrado e a aquecermos, expulsaremos o HCl gasoso. Em outras palavras, podemos inverter esta reação de tal forma que H3O + e Cl- reajam entre si, para produzir HCl e H2O. Esta reação inversa é, também, uma reação de BrǾnsted-Lowry, com o íon hidrônio servindo como ácido, por doar seu próton, e com o íon cloreto funcionando como base, por aceitá-lo. Assim, podemos olhar a reação do HCl com a água como um equilíbrio, onde temos dois ácidos e duas bases, um de cada lado, em ambos os lados da seta, Ácido Base Ácido Base 28 Estas duas substâncias estão relacionadas entre si pela perda ou pela aquisição de um simples próton e constituem um par ácido-base conjugado. Dizemos que o Cl- é a base conjugada do ácido HCl e, do mesmo modo, HCl é o ácido conjugado da base Cl-. Nesta reação, também constatamos que H2O e H3O + formam um par conjugado. A água é a base conjugada do H3O + e este é o ácido conjugado do H2O. Observa-se que os membros de um par conjugado diferem apenas em um próton. Em um par conjugado, o ácido tem um hidrogênio a mais que a base. A água em solução aquosa de HCl funcionou como base e funciona como ácido em solução aquosa básicas, como por exemplo, de amônia. Uma substância que pode atuar de ambas as formas, dependendo das condições, é chamada de anfiprótica ou anfótera. A água sofre reação de auto-ionização na qual a transferência de um próton, entre duas moléculas semelhantes, produz um par de íons: A reação para a auto-ionização da água é, muitas vezes, simplificada, omitindo-se a molécula de água que capta o H+, O íon hidrogênio e o íon hidróxido entram em muitos equilíbrios, além da dissociação da água; portanto, freqüentemente, é necessário especificar suas concentrações em solução aquosa. Essas concentrações podem variar desde valores relativamente altos até valores muito pequenos (10 M até 10- 14 M); por isso, foi instituída uma notação logarítmica para simplificar a expressão dessas quantidades (o símbolo p denota “logaritmo negativo de”). Em geral, para uma quantidade X, Por exemplo, se desejamos indicar a concentração do íon hidrogênio em uma solução, falamos de pH, definido como 29 Numa solução em que a concentração do íon hidrogênio é 10-3M, temos, portanto, Em uma solução neutra, [H+] = [OH-] = 10-7 M e pH = 7,0. Em uma solução ácida, a concentração do íon hidrogênio é maior que 10-7 M (por exemplo, 10-3 M) e o pH é menor que 7,0. Do mesmo modo, em soluções básicas, [H+] é menor que 10-7 M (por exemplo, 10-10 M) e o pH é maior que 7,0. O pH de uma solução é convenientemente medido eletronicamente usando-se um pHmetro. Mergulham-se os eletrodos do aparelho na solução a ser testada e lê-se o pH. Quando umácido é adicionado à água e doa um próton, o pH aumenta com relação ao pH inicial do ácido, uma vez que houve perda de H+. Da mesma forma, quando uma base é adicionada à água, ocorre a recepção de um próton da água e o pH diminui com relação ao pH inicial da base. Algumas propriedades dos ácidos e bases são: 1. Neutralização – ácidos e bases reagem um com o outro para cancelar ou neutralizar suas características ácidas ou básicas; 2. Reações com indicadores – certos corantes orgânicos chamados indicadores, possuem cores diferentes, dependendo do meio onde estejam se ácido ou básico; 3. Catálise – muitas reações químicas são catalisadas pela presença de ácidos ou bases. Obs.: indicadores são substâncias que possuem a propriedade de mudar de cor em função da concentração de íons H3O +. 30 11. TAMPÕES Qualquer solução que contenha um ácido fraco e uma base fraca tem a capacidade de absorver pequenas quantidades de um ácido forte ou de uma base forte com uma variação muito pequena no pH. Quando pequenas quantidades de um ácido forte são adicionadas, estas são neutralizadas pela base fraca, enquanto que pequenas quantidades de uma base forte são neutralizadas pelo ácido fraco. Tais soluções são chamadas de tampões, pois resistem a variações significativas no pH. Um tampão cujo pH seja menor que 7, geralmente, pode ser preparado misturando-se um ácido fraco com um sal derivado do ácido fraco, como, por exemplo, ácido acético e acetato de sódio. O mesmo raciocínio pode ser utilizado para um tampão com pH maior que 7. Em um tampão ácido, a concentração de H+ (e o pH) são determinados pelas concentrações relativas do ácido fraco e sua base conjugada (que é o ânion). Por exemplo, para o ácido acético, temos Resolvendo para o , temos: Onde Ka é a constante de dissociação do ácido. Os ácidos mais fortes têm constantes de dissociação maiores. Os valores de pKa são análogos ao de pH e são definidos pela equação: 31 Quanto mais fortemente um ácido se dissocia, menor é o seu pKa. A relação quantitativa entre o valor de pH, a ação tamponante da mistura do ácido fraco com sua base conjugada e o pKa do ácido fraco é dada pela equação de Henderson-Hasselbalch. Esta equação é simplesmente uma forma útil de redefinir a expressão para a constante de dissociação de um ácido. Para a dissociação de um ácido fraco HÁ em H+ e A-, a equação de Henderson-Hasselbalch pode ser derivada como segue: Resolvendo-se para : Calculando-se o logaritmo negativo dos dois lados: Substituindo-se por pH e por pKa: Invertendo-se a fração , inverte-se o sinal, e obtém-se a equação de Henderson-Hasselbalch: que pode ser escrita em sua forma genérica, como 32 A equação de Henderson-Hasselbalch possibilita calcular o pKa de qualquer ácido fraco a partir da razão molar entre as espécies doadora de prótons e receptora de prótons em qualquer pH dado. Também é possível calcular o pH de um par ácido-base conjugado com um dado pKa e em uma dada relação molar, e, ainda, calcular a razão molar entre o doador e o receptor de prótons em qualquer pH dado, conhecendo-se o pKa do ácido fraco. Para o tampão de ácido acético-acetato de sódio, temos a equação de Henderson-Hasselbalch, reescrita como: Numa solução tampão de ácido acético-acetato de sódio, existem moléculas inteiras de : Por outro lado, o sal está totalmente dissociado: Adicionando um ácido qualquer a esta solução, seus H+ serão imediatamente consumidos pelo primeiro equilíbrio, deslocando a reação para a esquerda. Assim, a acidez não aumenta e o pH não varia. Não faltará o íon comum ( ), pois também virá da dissociação do sal do tampão. Da mesma forma, adicionando-se uma base qualquer à solução tampão, seus OH- serão imediatamente consumidos pelos H+ da reação, formando água. Assim, a basicidade também não aumenta e o pH não varia. Não faltarão H+ para reagir com os OH- da base adicionada, uma vez que o ácido acético é um ácido fraco e ainda terão moléculas inteiras deste ácido que continuarão se ionizando e fornecendo H+. 33 Procedimento Experimental: 1. Misturar 14,8 mL da solução A (ácido acético 0,2 M em balão de 500 mL. Qual o volume de ácido utilizado? O aluno encontrará esta solução já preparada) com 35,2 mL da solução B; 2. Completar o volume para 100 mL; 3. Calcular as novas concentrações do ácido e do sal; 4. Utilizando a equação de Henderson-Hasselbalch, calcular o pH desta solução. Considere que o pKa do ácido acético é 4,76; 5. Medir o pH e comparar com o valor encontrado pela equação; 6. Calcular o erro relativo, considerando o valor encontrado na equação como sendo o valor real. 34 12. DETERMINAÇÃO DA UMIDADE NO MICRO-ONDAS A determinação do teor de água em alimentos é uma das medidas mais importantes e utilizadas na análise de alimentos e se faz fundamental para a adequada armazenagem desses. O teor de água pode ser classificado em água superficial, que se refere à água livre ou presente na superfície externa do alimento, facilmente evaporada e água adsorvida, referente à água ligada encontrada no interior do alimento, sem combinar-se quimicamente com o mesmo. O método convencional de secagem utiliza estufa como equipamento o que demanda entre 12 a 72 horas para completar a secagem. No Brasil, o método oficial para determinação de umidade é o de estufa a 105 °C ± 3 °C durante 24 horas, estabelecido pelo Ministério da Agricultura. No entanto, alguns métodos alternativos vêm sendo investigados e dentre esses se tem a utilização do forno de micro-ondas doméstico como equipamento, o que demanda de 10 a 14 minutos. Esta técnica tem como benefício direto a redução do tempo de análise, do gasto de energia e facilidade de adoção. Procedimento Experimental: A turma será dividida em grupos, os quais farão os experimentos em replicata. Cada grupo terá três placas de Petri previamente taradas (105 °C durante 24 horas). Serão pesados dois gramas de farinha de trigo nas três placas e as mesmas deverão passar por um processo de secagem para determinação da umidade em micro-ondas. Para isso, essas serão submetidas a uma escala crescente de tempo (30s, 60s, 90s, 120s, 150s, 180s, 210s, 240, 270s e 300s) com variação de 30 segundos a 500 W. Após cada um desses tempos os recipientes serão pesados e a umidade deverá ser calculada. Com esses valores será possível gerar um gráfico massa (g) versus tempo (s). Espera-se que seja possível visualizar a queda da massa ao longo do tempo. Obs.: Todas as pesagens deverão ser realizadas em balança fechada e com ar-condicionado desligado. 35 13. ESPECTROSCOPIA NO ULTRAVIOLETA/VISÍVEL Conceitos fundamentais A luz, em todas as suas formas (raios X, luz visível, radiação UV ou infravermelha e ondas de rádio e televisão), é chamada de radiação eletromagnética. Ela viaja através do espaço a uma velocidade constante c, chamada de velocidade da luz igual a 3x108 m/s. A forma como a luz caminha é a de onda. As ondas são caracterizadas pela intensidade ou amplitude, pelo comprimento (), que é a distância entre dois picos ou dois vales consecutivos, e, pela frequência (), que é o número de picos que passam por um dado ponto por segundo. c A radiação eletromagnética (luz) na parte visível do espectro(porção do espectro eletromagnético, cuja radiação pode ser captada pelo olho humano), possui comprimento de onda dado em nm, que se estende de 400 até cerca de 700 nm (Figura 35). O espectro visível pode ser subdividido de acordo com a cor, com vermelho nos comprimentos de onda maiores e violeta nos comprimento de onda menores. Figura 35. Espectro visível. 36 A radiação ultravioleta é a radiação eletromagnética com comprimento de onda menor que o da luz visível (190 a 400 nm). O nome significa “além do violeta”, pelo fato que a cor violeta é a cor visível com menor comprimento de onda (Figura 36). Figura 36. Espectro ultravioleta. Princípio A luz da lâmpada passa através de uma célula de fluxo e bate num diodo (componente eletrônico formado por supercondutores, que possibilitam a circulação de corrente), que mede a intensidade da luz, I. Geralmente, a luz da lâmpada é também direcionada para um diodo de referência para a medida da intensidade original da luz, I0. O detector eletrônico então converte o sinal dos dois diodos em absorbância A, que é transmitida ao sistema de dados. A - absorbância I - Intensidade da luz I0 - Intensidade original da luz C - concentração do composto na célula de fluxo – absortividade molar (coeficiente de extinção molar) – mede a intensidade de absorção. Lcf - comprimento da célula de fluxo A absorção da luz é o resultado de uma transição eletrônica. Como as ligações sigma são muito fortes, a energia necessária para uma transição eletrônica é muito grande. Uma vez que a quantidade de energia necessária à transição eletrônica é inversamente proporcional ao comprimento de onda, grupos saturados (que têm apenas ligações sigma) absorvem em comprimentos de onda muito baixos (menores que 140 nm). I I A 0log cfLCA 37 hE E – Energia h – constante de Planck Logo, c hE Grupo cromóforo – grupo insaturado covalente que apresenta absorção característica na região do ultravioleta (ou do visível). Ex: alcenos, alcinos, anéis aromáticos; ligações duplas C e O, N, S; ligações duplas N e N, O; ligações duplas S e O. Procedimento Experimental: Uma curva de calibração pode ser construída, pela relação entre a absorbância e a concentração conhecida de um dado composto. A próxima etapa é a da previsão, na qual o sinal de resposta obtido para a amostra é usado para prever a concentração desconhecida, a partir da curva de calibração ou pela equação de melhor ajuste. Então a concentração do composto na amostra original é calculada pela aplicação dos fatores da diluição apropriados decorrentes das etapas de preparação da amostra. A ordenada é o eixo da variável dependente (resposta método), enquanto que a abscissa é a variável independente (concentração do composto). Como é típico e normalmente desejado, o gráfico se aproxima de uma linha reta (Figura 37). 38 Figura 37. Exemplo de uma curva de calibração. 1. Preparar uma solução padrão de glicose na concentração de 20 g/L, utilizando balão de 50 mL; 2. Preparar oito soluções a partir da solução do item 1, nas seguintes concentrações: 0,05; 0,1; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1 e 1,2 g/L; 3. Colocar 0,5 mL de cada uma das soluções de glicose, em tubos de ensaio com tampa e adicionar 1,0 mL do ácido dinitrosalicílico; 4. Aquecer por 5 minutos a 100 ºC, utilizando um banho maria em bico de Bunsen; 5. Resfriar os tubos em banho de gelo; 6. Adicionar 10 mL de água destilada; 7. Repetir o procedimento adicionando 20 mL de água destilada; 8. Ler as absorbâncias em espectrofotômetro UV/VIS a 540 nm; 9. Preparar um “branco”, substituindo-se a solução de glicose por 0,5 mL de água destilada. Obs: os resultados das absorbâncias devem ser plotados contra os valores de concentração de glicose em g/L e a linha de tendência (linear) deve ser traçada através dos pontos formados. Construir duas curvas, uma para a adição de 10 e outra para a adição de 20 mL de água. Obs: O teste de DNS (ácido dinitrosalicílico) baseia-se na reação entre o açúcar redutor e o ácido 3,5-dinitrosalicílico (cor amarelo), que é reduzido a um composto colorido avermelhado, o ácido 3-amino-5-nitrosalicílico, oxidando o monossacarídeo redutor (Figura 38). 39 Figura 38. Reação de oxidação da carbonila pelo DNSA (Miller, 1959). 14. BIBLIOGRAFIA 1. Brady, J. E.; Humiston, G. E. Química Geral, vol. 1 e 2, Livros Técnicos e Científicos Editora, 2ª edição, 1986. 2. Bettlheim, F. A.; Brown, W.; Campbell, M. K.; Farrel, S. O. Introdução à Química Geral, Orgânica e Bioquímica, Tradução da 9ª Edição Norte-Americana, Cengage, 2012. 3. Fiorotto, N. R.; Técnicas Experimentais em Química – Normas e Procedimentos, Érica, 1ª edição, 2014. 4. Trindade, D. F.; Oliveira, F. P.; Banuth, G. S.; Bispo, J. G. “Química Básica Experimental”, Cone, 2010.
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