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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA BACHARELADO EM ENGENHARIA ELETRÔNICA FÁBIO FUDOLI, LEONARDO FURINI, MATEUS CAMPOS PRÁTICA 5: TESTES DE SOLUBILIDADE E MISCIBILIDADE RELATÓRIO DE ATIVIDADE PRÁTICA DA DISCIPLINA DE QUÍMICA CAMPO MOURÃO 2016 Suma´rio 1 Introduc¸a˜o 3 1.1 Solubilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Miscibilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 Parte Experimental 5 2.1 Solubilidade de diferentes solutos em diferentes solventes . . . . . . . . 5 2.2 Comparando a solubilidade de substaˆncias em a´gua . . . . . . . . . . . 5 2.3 Efeito da temperatura sobre a solubilidade . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.4 Solubilidade da gasolina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.5 Solubilidade do iodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3 Resultados e Discusso˜es 7 3.1 Experimento da Solubilidade de Diferentes Solutos em Diferentes solventes 7 3.2 Experimento da Solubilidade de Substaˆncias em A´gua . . . . . . . . . . 8 3.3 Experimento do Efeito da Temperatura Sobre a Solubilidade . . . . . . 9 3.4 Experimento da Solubilidade da gasolina . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3.5 Experimento da Solubilidade do Iodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4 Concluso˜es 10 REFERE^NCIAS 11 1 Introduc¸a˜o Quando uma reac¸a˜o qu´ımica ocorre entre dois a´tomos, seus ele´trons na camada de valeˆncia sa˜o reorganizados de maneira que uma forc¸a de atrac¸a˜o ou ligac¸a˜o qu´ımica ocorre entre estes a´tomos. Existem dois tipos gerais de ligac¸o˜es, ioˆnica e covalente, e suas formac¸o˜es podem ser mostradas pelas estruturas de Lewis. (KOTZ; TREICHEL; TOWNSEND, 2012, p.345, traduc¸a˜o nossa). A ligac¸a˜o qu´ımica e´ a junc¸a˜o de dois a´tomos e quando esta ligac¸a˜o se forma, o arranjo resultante de dois nu´cleos e seus ele´trons tem menos energia do que a energia total dos a´tomos separados. Se o abaixamento da energia pode ser obtido pela transfereˆncia completa de um ou mais ele´trons de um a´tomo para o outro, formam-se ı´ons e o composto mante´m-se pela atrac¸a˜o eletrosta´tica entre eles. Pode-se chamar essa atrac¸a˜o de ligac¸a˜o ioˆnica. (ATKINS; JONES, 2012, p.55). ja´ a polaridade de uma mole´cula refere-se a`s concentrac¸o˜es de cargas da nuvem eletroˆnica em volta da mesma. O momento dipolar ou momento dipolo ele´trico e´ o vetor resultante da soma dos vetores polaridade. Uma mole´cula apolar apresenta a soma vetorial dos vetores polarizac¸a˜o associados a todas as ligac¸o˜es covalentes polares nula. Uma mole´cula polar apresenta a soma vetorial dos vetores polarizac¸a˜o associados a todas as ligac¸o˜es covalentes polares na mole´cula diferente de zero. As mole´culas polares possuem maior concentrac¸a˜o de carga negativa numa parte da nuvem e maior concentrac¸a˜o de carga positiva em outro extremo. Nas mole´culas apolares a carga eletroˆnica esta´ uniformemente distribu´ıda, ou seja, na˜o ha´ concentrac¸a˜o de carga. (VALDERRAMA; ROMERO; SUZUKI, 2016). 1.1 Solubilidade Para Brown et al. (2014, p.530, traduc¸a˜o nossa), uma soluc¸a˜o e´ formada quando uma substaˆncia dispersa uniformemente em outra. Esta habilidade das substaˆncias em formar soluc¸o˜es dependem de dois fatores: a tendeˆncia natural das substaˆncias de misturar e se espalhar em grandes volumes e tambe´m dependem do tipos de interac¸o˜es intermoleculares envolvidas no processo de soluc¸a˜o. Qualquer uma das forc¸as intermoleculares podem influenciar na solubilidade. Na figura 1 pode-se observar as quatro forc¸as intermoleculares agindo sobre mole´culas de heptano + pentano caracterizando forc¸a de London/dispersa˜o, acetona + clorofo´rmio caracterizando uma interac¸a˜o dipolo-dipolo, etanol + a´gua e´ uma ligac¸a˜o de hidrogeˆnio e por fim o ca´tion Na+ interagindo com mole´culas de a´gua caracterizando a forc¸a ı´on- dipolo. Geralmente, a substaˆncia que esta´ presente em maior proporc¸a˜o em uma soluc¸a˜o e´ denominada de solvente, sendo a que esta´ presente em menor proporc¸a˜o e´ denominada de soluto. Os treˆs tipos de interac¸a˜o entre mole´culas que sa˜o envolvidas na formac¸a˜o de uma soluc¸a˜o sa˜o: ∙ Soluto-Soluto interac¸o˜es entre part´ıculas de soluto deve ser superada para dis- persar as part´ıculas de soluto atrave´s do solvente; 3 Figura 1: Exemplos das forc¸as de ligac¸a˜o. Fonte: Brown et al. (2014). ∙ Solvente-Solvente interac¸o˜es entre as part´ıculas de solventes devem ser supe- rados para criar espac¸o para as part´ıculas de soluto no solvente; ∙ Solvente-soluto interac¸o˜es entre soluto e solvente ocorrem com a mistura das part´ıculas. Em geral, substaˆncia polar dissolve substaˆncia polar e na˜o dissolve substaˆncia apo- lar. Substaˆncia apolar dissolve substaˆncia apolar e na˜o dissolve substaˆncia polar. A solubilidade e´ a medida da capacidade que um solvente tem em dissolver um soluto em uma dada temperatura, e´ representada pela concentrac¸a˜o da soluc¸a˜o saturada do segundo no primeiro podendo ser expressa em g/L ou g/mL. (VALDERRAMA; RO- MERO; SUZUKI, 2016). 1.2 Miscibilidade Miscibilidade e´ a habilidade de duas ou mais substaˆncias l´ıquidas misturarem entre si e formarem uma ou mais fases. Mistura e´ o conjunto de duas ou mais substaˆncias puras. Quando duas substaˆncias sa˜o insolu´veis, elas formam fases separadas quando misturadas; o melhor exemplo conhecido disto e´ a mistura o´leo-a´gua. Por outro lado, a a´gua e o a´lcool et´ılico sa˜o solu´veis em quaisquer proporc¸o˜es, enquanto que algu- mas outras combinac¸o˜es de substaˆncias sa˜o parcialmente solu´veis. (VALDERRAMA; ROMERO; SUZUKI, 2016). L´ıquidos que se misturam em quaisquer proporc¸o˜es como por exemplo, a´gua e ace- tona, sa˜o misc´ıveis. A gasolina que e´ uma mistura de hidrocarbonetos e´ imisc´ıvel em a´gua. Como os hidrocarbonetos sa˜o substaˆncias apolares a atrac¸a˜o molecular entre a´gua e gasolina na˜o e´ forte o suficiente para formar uma soluc¸a˜o. 1.3 Objetivos Este experimento tem como objetivo principal estudar a polaridade de diferentes substaˆncias a partir da solubilidade e miscibilidade destas. 4 2 Parte Experimental Neste cap´ıtulo sera˜o descritos as etapas executadas e os materiais utilizados com base no roteiro de atividade pra´tica de Valderrama, Romero e Suzuki (2016). 2.1 Solubilidade de diferentes solutos em diferentes solventes Utilizando dos materiais fornecidos pelo laborato´rio de qu´ımica da UTFPR, como be´quers, pipetas graduadas, tubos de ensaio, bico de bulsen, entre outros materiais e substaˆncias, foi realizado primeiramente a enumerac¸a˜o de tubos de ensaio para os quinze experimentos. Cada tubo com a´gua sendo o solvente era numerado com o algarismo um, sem seguida a letra do seu soluto. A para NaCl, B para Iodo, C para Naftaleno, D para o´leo de soja e E para Parafina. A quantidade dos so´lidos foi adotada como uma ponta de espa´tula e algumas gotas para o o´leo de soja, todos em 1ml de solvente. O tubo de ensaio dois tinha como solvente o hexano e o tubo de ensaio treˆs, etanol. Os tubos de ensaio foram agitados e o resultado deste experimento pode ser visua- lizado atrave´s de uma tabela no cap´ıtulo de Resultados e Discusso˜es. 2.2 Comparando a solubilidade de substa^ncias em a´gua Materiais e Reagentes: ∙ 3 Tubos de ensaio; ∙ So´lidos (CuSO4.5H2O e CaSO4.2H2O); ∙ A´gua destilada; ∙ Cloreto de Ba´rio (BaCl2); ∙ Funil de vidro e filtro de papel. Primeiramente foi colocado uma ponta de espa´tula de CuSO4.5H2O (sulfato de cobre penta-hidratado), substaˆncia azul brilhante em um tubo de ensaio. O mesmo procedimento foi repetido com o CaSO4.2H2O (sulfato de ca´lcio dihidratado). Dentro destes dois tubos deensaio foram colocadas 3ml de a´gua destilada e a mistura foi agitada. Apo´s esta etapa, a soluc¸a˜o com sulfato de ca´lcio foi filtrada com o aux´ılo de um funil e um filtro de papel e despejada em um novo tubo de ensaio. 2ml de BaCl2 (cloreto de ba´rio) em concentrac¸a˜o de 5% foi adicionada neste tubo. 2.3 Efeito da temperatura sobre a solubilidade Materiais e Reagentes: 5 ∙ Tubo de ensaio; ∙ KNO3 (nitrato de pota´ssio); ∙ A´gua destilada; ∙ bico de bulsen e be´quer. Este experimento indica como a temperatura influencia a solubilidade de substaˆncias. Primeiramente foram adicionadas 2,5g de KNO3 (nitrato de pota´ssio) e 5ml de a´gua destilada. Um be´quer contendo a´gua destilada foi aquecido, e o tubo de ensaio con- tendo a mistura de KNO3 com H2O foi colocada em banho maria. Apo´s a mistura se solubilizar, esta foi deixada em repouso ate´ esfriar e suas observac¸o˜es sera˜o mostradas no cap´ıtulo de Resultados e Discusso˜es. 2.4 Solubilidade da gasolina Materiais e Reagentes: ∙ 3 Tubos de ensaio; ∙ Gasolina; ∙ Etanol; ∙ Agua destilada. Treˆs tubos de ensaio foram separados para este experimentos. Cada um enumerado de um a` treˆs contendo as seguintes misturas: ∙ Tubo de ensaio 1: 3ml de a´gua + 1ml de etanol; ∙ Tubo de ensaio 2: 3ml de a´gua + 1ml de gasolina; ∙ Tubo de ensaio 1: 3ml de etanol + 1ml de gasolina; Foram feitas observac¸o˜es sobre estas misturas em cada um dos tubos de ensaio. 2.5 Solubilidade do iodo Materiais e Reagentes: ∙ Tubo de ensaio; ∙ Cristais de Iodo; ∙ KI (iodeto de pota´ssio); ∙ A´gua Destilada; 6 ∙ CHCl3 (clorofo´rmio). Neste experimento, primeiramente, foi colocado um pequeno cristal de iodo num tubo de ensaio contendo 2mL de a´gua destilada. Apo´s observar o ocorrido, foi adicio- nado um pequeno cristal de KI (iodeto de pota´ssio) e o tubo de ensaio foi novamente agitado. Em seguida, foi adicionada 1ml de CHCl3 (clorofo´rmio) ao tubo e a soluc¸a˜o foi agitada. 3 Resultados e Discusso˜es Neste cap´ıtulo sera˜o apresentados as discusso˜es sobre os resultados obtidos, bem como uma comparac¸a˜o destes resultados com os encontrados na literatura. 3.1 Experimento da Solubilidade de Diferentes Solutos em Di- ferentes solventes Neste experimento foram testadas quinze combinac¸o˜es de solvente/soluto e obser- vadas suas propriedades. A tabela 1 mostra os resultados obtidos. Solvente/Soluto NaCl(a) Iodo(b) Naftaleno(c) O´leo de Soja(d) Parafina(e) A´gua(1) Solu´vel Insolu´vel Insolu´vel Insolu´vel Insolu´vel Hexano(2) Insolu´vel Solu´vel Parcial Solu´vel Insolu´vel Etanol(3) Parcial Solu´vel Insolu´vel Insolu´vel Insolu´vel Tabela 1: Resultados obtidos. Fonte: Autoria Pro´pria. As justificativas de cada mistura sa˜o: ∙ 1-A = A´gua + NaCl: Substaˆncia polar (a´gua) dissolve substaˆncia polar (sal); ∙ 1-B = A´gua + Iodo: Substaˆncia polar em uma substaˆncia apolar (I2), na˜o solu´vel; ∙ 1-C = A´gua + Naftaleno: Substaˆncia polar em uma substaˆncia apolar (Naftaleno e´ um hidrocarboneto), na˜o solu´vel; ∙ 1-D = A´gua + O´leo de Soja: Substaˆncia polar em uma substaˆncia apolar, na˜o solu´vel; ∙ 1-E = A´gua + Parfina: Substaˆncia polar em uma substaˆncia apolar, na˜o solu´vel; ∙ 2-A = Hexano + NaCl: Substaˆncia apolar em uma substaˆncia polar, na˜o solu´vel; 7 ∙ 2-B = Hexano + Iodo: Substaˆncia apolar em uma substaˆncia apolar, e´ solu´vel; ∙ 2-C = Hexano + Naftaleno: Substaˆncia apolar em uma substaˆncia apolar, foi parcialmente solu´vel devido as proporc¸o˜es de mistura; ∙ 2-D = Hexano + O´leo de Soja: Substaˆncia apolar em uma substaˆncia apolar, solu´vel, ja´ que e´ uma das substaˆncias usadas para extrair o o´leo da soja; ∙ 2-E = Hexano + Parafina: na˜o solu´vel pois na˜o ha´ ligac¸a˜o com o hexano (forc¸a intermolecular); ∙ 3-A = Etanol + NaCl: Parcialmente solu´vel pois o etanol e´ uma substaˆncia meio polar e o NaCl e´ polar; ∙ 3-B = Etanol + Iodo: Parcialmente solu´vel pois o etanol e´ uma substaˆncia meio polar e o I2 e´ apolar; ∙ 3-C = Etanol + Naftaleno: Parcialmente solu´vel pois o etanol e´ uma substaˆncia meio polar e o naftaleno e´ apolar; ∙ 3-D = Etanol + O´leo de Soja: devido ao etanol ser parcialmente apolar e o o´leo ser apolar, ocorre uma pequena soluc¸a˜o, mas na˜o o suficiente para ser considerado solu´vel. ∙ 3-E = Etanol + Parafina: so´ e´ solu´vel em dietil-e´ter, e´ter, benzeno e em certos e´steres. 3.2 Experimento da Solubilidade de Substa^ncias em A´gua Neste experimento verificou-se a solubilidade do sulfato de cobre penta-hidratado e do sulfato de ca´lcio dihidratado em a´gua. Com uma ponta de espa´tula de cada um destes so´lidos em um tubo de ensaio pra cada, adicionou-se 3ml de a´gua. Notou-se que as soluc¸o˜es com CuSO4.5H2O e CaSO4.2H2O ficaram um pouco de res´ıduo no fundo. A soluc¸a˜o de CuSO4.5H2O apresentou uma colorac¸a˜o azul e a de CaSO4.2H2O branca. Ao adicionar mais 3ml de a´gua em cada tubo, notou-se a completa dissoluc¸a˜o de CuSO4.5H2O em a´gua e pouco res´ıduo de CaSO4.2H2O no outro tubo. Logo apo´s, a soluc¸a˜o de CaSO4.2H2O em a´gua foi filtrada atrave´s de um funil e filtro de papel para outro tubo de ensaio. O filtrado apresentou-se transparente. Em seguida, adicionou-se 2ml de BaCl2 (cloreto de ba´rio) ao filtrado, e o mesmo apresentou-se de colorac¸a˜o branca novamente. Quando a soluc¸a˜o de CaSO4.2H2O foi filtrada, por ser pouco solu´vel em a´gua, ficou boa parte retira no filtro, por isso a soluc¸a˜o apresentou-se transparente. Ao adicionar 2ml de BaCl2, uma reac¸a˜o aconteceu fornecendo CaCl2(aq) + BaSO4(s), tornando a soluc¸a˜o numa colorac¸a˜o branca com precipitado no fundo. 8 3.3 Experimento do Efeito da Temperatura Sobre a Solubili- dade Neste experimento foi poss´ıvel observar o quanto a temperatura influencia na solu- bilidade dos elementos. Neste caso, KNO3 (nitrato de pota´ssio) so´ foi solu´vel quando a temperatura da a´gua quase atingiu o ponto de ebulic¸a˜o. Isto ocorre pois existe uma curva de solubilidade para o composto KNO3 em a´gua que varia diretamente com a temperatura. A figura 2 mostra essa curva. Figura 2: Exemplos das forc¸as de ligac¸a˜o. Fonte: Raimundo (2015). Em aproximadamente 100oC e´ poss´ıvel solubilizar 250g de KNO3 em 100g de a´gua. Esta solubilidade diminui exponencialmente ao longo da diminuic¸a˜o da temperatura conforme foi poss´ıvel observar quando o tubo foi retirado do banho maria e deixo em repouso para esfriar. 3.4 Experimento da Solubilidade da gasolina Neste experimento, verificou-se a solubilidade da gasolina em diferentes compostos, bem como o etanol e a´gua tambe´m foram verificados. Primeiramente, adicionou-se 1ml de Etanol em 3ml de a´gua. Observou-se que a mistura apresentou-se totalmente solu´vel. Segundo Kotz, Treichel e Townsend (2012, p.553, traduc¸a˜o nossa) a´gua e etanol podem ser misturados em quaisquer proporc¸o˜es e ainda apresentar uma mistura homogeˆnea. Um exemplo o etanol comercializado em postos de combust´ıvel conte´m uma pequena porcentagem de a´gua, por isso e´ chamado de etanol hidratado. Na segunta etapa, adicionou-se 1ml de gasolina em 3ml de a´gua. Foi poss´ıvel notar que na˜o houve uma mistura, a gasolina ficou bem separada da a´gua. Isto ocorre pois, a a´gua e´ um composto polar e a gasolina, derivada do petro´leo e´ um hidrocarboneto, portanto, apolar. Pela regra do “semelhante dissolve semelhante”, esta mistura na˜o e´ poss´ıvel. Para Kotz, Treichel e Townsend (2012, p.554, traduc¸a˜o nossa) as atrac¸o˜es de a´gua-hidrocarbonetos sa˜o fracas. As mole´culas do hidrocarboneto na˜o conseguem romper as atrac¸o˜es a´gua-a´gua. 9 Por u´ltimo, foi adicionada 1ml de gasolina em 3ml de etanol. Notou-se que a gasolina foi solu´vel no a´lcool. Isto ocorre pois, o etanol por apresentar caracter´ısticas apolares, dissolve o hidrocarboneto (gasolina) muito bem. No Brasil, o etanol e´ misturadoem gasolina (cerca de 20% e´ etanol) para baratear, aumentar sua octanagem e diminuir a emissa˜o de poluentes. (NOVACANA, 2016). Pore´m, este etanol misturado a gasolina e´ em sua versa˜o anidro, ou seja, sem qualquer adic¸a˜o de a´gua. 3.5 Experimento da Solubilidade do Iodo Neste experimento, verificou-se a solubilidade do iodo em a´gua. Assim como visto na sec¸a˜o 3.1, Iodo (I2) mostrou-se insolu´vel em a´gua. Por ser um composto apolar, isto era esperado. Um cristal de iodeto de pota´ssio (KI) foi adicionado a soluc¸a˜o e o tubo foi agitado. Foi poss´ıvel observar a solubilidade do KI em a´gua, que e´ alta pois KI e´ oriundo de uma ligac¸a˜o ioˆnica o que caracteriza um composto polar, se dissolvendo enta˜o em a´gua. Ainda, na adic¸a˜o de KI, este faz com que o Iodo presente no fundo se solubilize com a a´gua. Formando ı´ons K+(aq) + I−3 (aq). Ao adicionar 1ml de Clorofo´rmio (CHCl3) a soluc¸a˜o apresentou duas fases. A de cima era castanha-avermelhada, e a de baixo, roxa. Notou-se que o clorofo´rmio, por ser apolar, ligou-se as mole´culas de I2 que na˜o foram completamente solubilizadas formando o composto apolar CCl3I(aq) + HI(aq) de colorac¸a˜o roxa. E em cima, ficaram os compostos polares K+(aq) + I−3 (aq). 4 Concluso˜es Nesta atividade, foi poss´ıvel observar diversos fenoˆmenos que envolvem desde ve- rificar os tipos de ligac¸o˜es (ioˆnica/convalente) e polaridade. Notou-se que algumas substaˆncias sa˜o solu´veis em a´gua e outras na˜o, bem como para outros solventes. Foi poss´ıvel observar tambe´m o efeito da temperatura sobre a solubilizac¸a˜o, como no caso do experimento com o KNO3 (nitrato de pota´ssio) que se solubilizou melhor quando a a´gua estava quase em ponto de ebulic¸a˜o e voltando a seu estado original quando a a´gua esfriou. Ja´ no experimento que a gasolina foi misturada a a´gua e etanol, ficou clara a regra do “semelhante dissolve semelhante” quando esta se solubilizou no etanol mas na˜o no etanol. Este por sua vez, exibiu sua carater´ıstica “bipolar” sendo solu´vel tanto em a´gua (polar) como na gasolina (apolar). Pode-se concluir que este experimento pra´tico foi de suma importaˆncia para auxiliar no aprendizado das polaridades dos elementos, solubilidade e reac¸o˜es. 10 Refere^ncias ATKINS, P. W.; JONES, L. Princ´ıpios de Qu´ımica-: Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente. 5. ed. Porto Alegre, RS: Bookman Editora, 2012. BROWN, T. L. et al. Chemistry: the central science. 13. ed. Upper Saddle River, NJ: Pearson, 2014. KOTZ, J. C.; TREICHEL, P. M.; TOWNSEND, J. Chemistry and chemical reactivity. 8. ed. Belmont, CA: Cengage Learning, 2012. NOVACANA. Anidro ou hidratado: diferenc¸as. 2016. Dispon´ıvel em: ⟨https: //www.novacana.com/etanol/anidro-hidratado-diferencas/⟩. Acesso em: 15/09/2016. RAIMUNDO. Lista de exercicios - Quimica. 2015. Dis- pon´ıvel em: ⟨http://quimicaevestibular.com.br/caderno-bom/ lista-de-quimica-para-2o-ens-medio-1o-trimestre-2015/⟩. Acesso em: 15/09/2016. VALDERRAMA, P.; ROMERO, R.; SUZUKI, R. Apostila de Qu´ımica Experimental. Campo Mourao, PR, 2016. 11 Sumário Introdução Solubilidade Miscibilidade Objetivos Parte Experimental Solubilidade de diferentes solutos em diferentes solventes Comparando a solubilidade de substâncias em água Efeito da temperatura sobre a solubilidade Solubilidade da gasolina Solubilidade do iodo Resultados e Discussões Experimento da Solubilidade de Diferentes Solutos em Diferentes solventes Experimento da Solubilidade de Substâncias em Água Experimento do Efeito da Temperatura Sobre a Solubilidade Experimento da Solubilidade da gasolina Experimento da Solubilidade do Iodo Conclusões REFERÊNCIAS