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Nota do relatório: 8,5 Universidade Federal do Rio de Janeiro – UFRJ Centro Tecnológico – CT Instituto de Química - IQ Curso: Bacharel em Química 2015/2 Alunos: Andressa Carvalho e Mariana Gomes Professor: Roberto Salgado Amado Disciplina: Química Geral Experimental II Data do experimento: 03 de novembro de 2015 SOLUÇÕES 1. Introdução Solução é uma mistura homogênea formada por dois ou mais componentes, sendo impossível distinguir individualmente cada um de seus componentes por sua aparência uniforme e homogênea. As soluções são compostas por moléculas ou íons comuns, podendo ser gasosa como o ar, líquida como a água do mar e sólida, como as ligas metálicas. Para preparar uma solução é preciso que uma substancia se dissolva em outra e isso acontece pelo processo de dissolução, que é uma alteração das moléculas que estão presentes no soluto e solvente, ou seja, as soluções se formam quando as interações entre as partículas do soluto e do solvente possuem módulos comparáveis em magnitude com as que existem entre as partículas do soluto ou entre as partículas do solvente. Isso justifica o fato de que substâncias com polaridades muito diferentes não se dissolvem, já que as interações entre eles não superam as interações existentes entre suas próprias partículas. Alguns fatores afetam a dissolução, como a temperatura, sua interferência acaba fazendo com que tenha uma temperatura a cada valor para a solubilidade – Capacidade de uma substância de se dissolver em outra -. Durante o processo de dissolução também existe uma liberação (reação exotérmica) ou absorção de calor (reação endotérmica), isto se deve a diferenças na interação soluto-solvente, soluto-soluto e solvente-solvente. A capacidade de solubilização no que diz respeito a dissolução de um sólido em um líquido é limitada, ou seja, existe um máximo de soluto que podemos dissolver em certa quantidade de um solvente. Esse limite é chamado de Coeficiente de Solubilidade (Cs), que varia de acordo com a temperatura. Essa variação do Cs em função da temperatura é representada por um gráfico chamado curva de solubilidade, a análise desse gráfico ajuda a entender melhor a influência da temperatura na solubilidade. Quando há na solução a quantidade de soluto dissolvida é menor que o máximo permitido pelo Cs, é chamada de solução insaturada; se a quantidade for igual ao máximo permitido pelo Cs, é chamada solução saturada e se a quantidade de soluto for maior do que o permitido pelo Cs, é chamada solução supersaturada. 2. Objetivo Determinar curva de solubilidade do sal nitrato de potássio (KNO3) e observar os fatores que influenciam a solubilidade de um composto em outro. 3. Procedimentos Experimentais 3.1.Materiais e Reagentes Os seguintes equipamentos e vidrarias disponíveis no laboratório foram utilizados: Balança analítica Bastão de vidro Becker de 250 mL e 50 mL Cápsula de porcelana Espátula Estante de tubo de ensaio Placa de aquecimento Termômetro digital Tubos de ensaio As seguintes substâncias, disponíveis no laboratório, foram utilizadas: Acetato de cálcio (Ca(CH3COO)2) Acetato de sódio anidro (CH3COONa) Acetato de sódio hidratado (CH3COONa.3H2O) Ácido sulfúrico concentrado (H2SO4) Água destilada Bromo (aquoso) Cloreto de amônio (NH4Cl) Etanol (C2H5OH) Éter de petróleo Iodo (aquoso) Nitrato de potássio (KNO3) 3.2.Parte experimental. Os experimentos foram divididos em duas partes, primeiro foi realizado uma curva de calibração para o sal nitrato de potássio em diferentes temperaturas. Depois foi realizado diversos experimentos a fim de observar fatores capazes de influenciar na solubilidade. I. Curva de solubilidade do sal nitrato de potássio (KNO3) Para se construir uma curva de solubilidade para o sal nitrato de potássio, foi dividido a turma em duplas sendo que cada uma deveria testar a solubilidade desse sal em diferentes temperaturas. A presente dupla incubiu-se de testar a solubilidade do sal em uma temperatura de cerca de 50 ºC. Para iniciar o experimento, verteu cerca de 13 mL em um bécker ao qual foi deixado em banho maria até que atingisse a temperatura desejada, isto é, 50 ºC. Quando essa temperatura manteve-se constante dentro do béquer adicionou nitrato de potássio até que satura-se a a solução, ou seja, até que solubilizado a quantidade máxima de sal. Sabe-se que a solução é saturada quando há corpo de fundo quando não consegue ser solubilizado. A solução ficou em repouso até que decantasse todo o sal. Em seguida, o sobrenadante foi transferido para uma cápsula de porcelana limpa e tarada na qual foi pesada a fim de saber a massa da solução. Por fim, colocou-se a cápsula de porcelana em uma placa de aquecimento para evaporar o líquido e deixar apenas o sal de nitrato, assim sabe-se a quantidade de sal dissolvido. Pesou-se este sal em uma balança analitica e por meios dos cálculos apresentados no item 4.I. foi possível encontrar a solubilidde do sal em 100 g de água a 50 ºC. II. Preparo de solução supersaturada Em um tubo de ensaio colocou-se 1,56 g de acetato de sódio hidratado, pesado previamente em uma balança analítica, com 0,5 mL de água destilada. Depois foi aquecido em banho maria até a solubilização total. Em seguida, após o resfriamento da solução, adicionou-se um cristal de acetato de sódio hidratado e anotou-se as observações. III. Calor de dissolução Primeiro colocou-se, em um tubo de ensaio, 1 mL de água destilada em um tubo de ensaio com 2 gotas de ácido sulfúrico concentrado. Em seguida, em outro tube de ensaio, colocou-se 1 mL de água destilada em um tubo de ensaio com alguns cristais de cloreto de amônio e observou-se e registrou-se os resultados em ambos tubos. IV. Verificação da influência da temperatura na solubilidade Como requirido pelo roteiro de trabalho, pesou-se previamente 1,51 g de nitrato de potássio e verteu-o a um tubo de ensaio, em um banho maria, para solubilizá-lo em 1 mL de água destilada. Depois, deixou-se a solução resfriar e registrou-se as observações. Para um fim análogo, aqueceu-se, em banho maria, um tubo de ensaio com uma solução saturada de acetato e cálcio e observou-se o resultado. V. Identificação de líquidos miscíveis e imicíveis O objetivo deste experimento é identificar se ocorre separação entre os liquidos misturados em tubos de ensaios. Primeiro misturou-se água e etanol. Depois, em outro tubo de ensaio, misturou-se água e éter de petróleo. Em um terceiro tubo de ensaio, adiciou-se uma solução de bromo aquoso e depois uma solução de éter de petróleo e agitou. Por fim, em um quarto tubo e ensaio misturou-se uma solução aquosa de iodo com éter de petróleo. Registrou-se a miscibilidade dos quatros experimentos realizados. 4.Resultados e Discussão Segue abaixo as observações registradas dos respectivos experimentos citados no item 3.2. I. Curva de solubilidade do nitrato de potássio A curva de calibração foi apresentada pela quantidade de gramas de soluto em 100 g de solvente, neste caso, água destilada. A relação foi feita pelas massas das substâncias, pois o volume seria pouco confiável, considerando a ausência de calibração dos instrumentos de medição de volume, sua expansão e outros fatores. Primeiro pesou-se a cápsula de porcelana vazia e, a partir dessa massa, subtraiu-se as massas seguintes obtendo os valores, em gramas, da solução, do soluto e do solvente. Assim, os dados obtidos na pesagem estão representados na Tabela1. Ressalva que os a massa da solução foi obtida em uma temperatura de 50 °C. Tabela 1. Massas da solução de nitrato de potássio diluído em 50 °C. Parâmetro Massa Peso da cápsula vazia 55,45 g Peso da cápsula com a solução de KNO3(aq) 69,85 g Peso da cápsula com sal de KNO3 63,31 g Peso da solução de KNO3(aq) 14,4 g Peso do sal de KNO3 7,86 g Peso da água destilada 6,54 g Sabendo que a massa de referência do solvente é de 100 g de água, foi calculada em uma regra de três a quantidade de sal de nitrato de potássio que solubilizaria em 100 g de água a 50 °C. Para isso, sabia-se que 7,86 g de sal solubilizam, a 50°C, em 6,54 g de água como relatado na Tabela 1. Proporcionalmente 120,2 g de nitrato de potássio solubilizaria em 100 g de água, como calculado a seguir: 7,86 𝑔 𝑑𝑒 𝐾𝑁𝑂3 − 6,54 𝑔 𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎 𝑥 𝑔 𝑑𝑒 𝐾𝑁𝑂3 − 100 𝑔 𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎 𝑥 = 120,2 𝑔 𝑑𝑒 𝐾𝑁𝑂3 Após os cálculos realizados por cada dupla de alunos responsável pela solubilização desse sal, foram obtidos os seguintes dados referentes ao experimento: Tabela 2. Resultados obtidos da solubilidade do sal KNO3 em diferentes temperaturas. Solubilidade do KNO3 Temperatura Solubilidade 0 °C 16,18 g / 100 g de H2O 10 °C 22,28 g / 100 g de H2O 27 °C 47,08 g / 100 g de H2O 42 °C 83,30 g / 100 g de H2O 50 °C 120,2 g / 100 g de H2O Tratando os dados da tabela, foi realizado um gráfico para a curva de calibração, que está representado na figura 1. Nota-se que a solubilidade cresce à medida que a temperatura aumenta isso geralmente acontece quando o soluto é dissolvido com absorção de calor, o que chamamos de dissolução endotérmica. Figura 1. Curva de solubilidade do sal de KNO3 em 100 g de água. II. Preparo de solução supersaturada Durante o preparo da solução super saturada , foi observado que a reação ficou mais fria, ou seja, estava recebendo energia do meio, processo endotérmico. O sal não solubilizou completamente até ser aquecido em banho maria. Em seguida, após total solubilidade com o aumento da temperatura, resfriou o tubo de ensaio em um banho de gelo e o sal não voltou a precipitar. Porém, ao se adicionar o cristal de acetato a solução cristalizou devido a nucleação, isto é, perturbação no sistema, a união do acetato com o sódio formam os cristais. III. Calor de dissolução Durante o experimento utilizando ácido sulfúrico, notou-se que a solução aquecia o tubo de ensaio demonstrando ser uma solução exotérmica, ou seja, libera calor para o ambiente, sendo sua reação: 𝐻2𝑆𝑂4(𝑙) + 2𝐻2𝑂(𝑙) → 2𝐻3𝑂(𝑎𝑞) + + 𝑆𝑂4 2− (𝑎𝑞) + 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 Já o experimento que se utilizou cloreto de amônio houve o processo inverso. A solução resfriou o tubo de ensaio, apesar de ter sido pouco perceptivo ao tato, demonstrando ser uma solução endotérmica, isto é, absorve calor do ambiente, sendo sua reação: 𝑁𝐻4𝐶𝑙(𝑠) + 𝐻2𝑂(𝑙) + 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 → 𝑁𝐻4𝑂𝐻(𝑎𝑞) + 𝐻𝐶𝑙(𝑎𝑞) IV. Verificação da influência da temperatura na solubilidade Pôde ser observado que o a quantidade de nitrato de potássio adicionada não solubilizou completamente a temperatura ambiente, porém, comm o aumento da temperatura, o sal solubilizou. Depois de resfriado, a solução permaneceu solubilizada. A solubilização do acetato de cálcio em temperatura ambiente também não ocorreu completamente e ao aumentar a temperatura o sal precipitou. Todavia o sal solubilizou completamente quando resfriado. 0 10 27 42 50 y = 13.2x - 13.8 R² = 0.9873 0 10 20 30 40 50 60 16,18 g 22,28 g 47,08 g 83,30 g 120,2 g Tí em p er at u ra ( °C ) g de KNO3/ 100 g de H20 Curva de Solubilidade Curva de Solubilidade Linear (Curva de Solubilidade) O processo de dissolução envolve um gasto de energia para o rompimento das interações entre os íons do soluto e das interações entre moléculas de solvente. Essas duas etapas são, portanto, endotérmicas. Além disso, ocorre liberação de energia em função da formação de interações soluto-solvente (etapa exotérmica). Para que a dissolução ocorra, a energia envolvida nas etapas endotérmicas deve ser comparável à energia da etapa exotérmica. Dependendo da magnitude da energia envolvida nessas etapas, a dissolução pode ser endotérmica ou exotérmica. A dissolução do acetato de cálcio em água é um processo exotérmico, que pode ser representado pelo seguinte equilíbrio: 𝐶𝑎(𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂)2(𝑠) → 𝐶𝑎(𝑎𝑞) 2+ + 2𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂(𝑎𝑞) − ∆𝐻 < 0 Para esse equilíbrio, o aumento da temperatura, segundo o princípio de Le Chatelier, provoca um deslocamento do equilíbrio no sentido de minimizar a perturbação, o que favorece a reação inversa, levando à precipitação do acetato de cálcio. V. Identificação de líquidos miscíveis e imiscíveis Ao misturar as substâncias, obteve-se as seguintes observações: Mistura de água destilada e etanol: Os líquidos são miscíveis entre si, não havendo formação de fases. As interações intermoleculares na solução são de ligações hidrogênio e ambas as substâncias são polares, por isso são misciveis. Mistura de água destilada com éter de petróleo: Apresentou duas fases quando misturada. Isso se dá a diferença de polaridade entre as moléculas de água e de éter de petróleo. Uma vez que o éter de petróleo é uma mistura de vários hidrocarbonetos, principalmente pentano e hexano, ele é uma substância apolar. Já a água e muito polar, assim não houve interação entre as substâncias. Como a água é mais densa que o éter de petróleo, pertence a fase inferior e o éter, menos denso, fase superior. Mistura de bromo aquoso com éter de petróleo: Apresentou duas fases quando misturados. Os liquidos são imicíveis, porque alcanos, como o pentano e hexano presentes no éter de petróleo, são um tanto inertes em relação as reações de halogenação. Para reagir com Bromo e formar uma mistura homogênea, deveria conter presença de luz (Luz Ultravioleta, aproximadamente 200 - 400 nm). A luz foto-decompõe as moléculas de Br2 formando átomos Br que sãomuito mais reativos. Assim, a fase inferior, de cor amarela, contém o bromo devido a densidade da água presente na solução de bromo aquoso, e a fase superior, de cor vermelha, contém o éter de petróleo. Mistura de iodo aquoso com éter de petróleo: Apresentou três fases fases quando misturados, logo os líquidos são imíciveis. A fase superior, fina e vermelha, era o iodo, pois era menos denso. O éter de petróleo extrai o iodo da fase aquosa, porém eles não são imíciveis. Assim a fase intermediária, cor violeta, é o éter de petróleo. Como pôde ser observado quando a água foi misturada com o éter de petróleo, essa ficou na fase inferior, de cor amarela. Notou-se que a fase superior era fina e isso corresponde a quantidade de iodo presente na soução. Através desse experimento, foi possível entender a influência das interações intermoleculares, da luz e da polaridade na solubilidade das misturas. 5. Conclusão Como requerido pelo roteiro de trabalho, o objetivo foi alcançado e foi realizado a curva de calibração do sal de nitrato de potássio, assim como foi observado a influencia na solubilização em diversos fatores, tais como: natureza das interações solvente-solvente, soluto-soluto e soluto-solvente, e também da temperatura. Durante o experimento envolvendo KNO3, possíveis erros nos resultados podem ter derivado da contaminação do usuário com material, assim como da ausência de calibração dos equipamentos utilizados. O presente grupo teve dificuldades com a solução em repouso, pois o sal era depositado nasparedes do béquer. Assim como, a evaporação do solvente e a decantação do sal também contribuíram para possíveis erros no valor final. Como solução, dever-se-ia estudar a influência desses fatores e atribuir uma incerteza combinada ao valor. Os experimentos que se seguiram necessitavam de observações sensoriais, como tato e visão. Por isso, não foi requerido precisão nas observações. O experimento foi de grande valia para o aprendizado do aluno, uma vez que a solubilidade está sempre presente na vida de um profissional de química. 6. Bibliografia [1] Só quimica. Soluções. Disponível em: <http://www.soq.com.br/conteudos/em/solucoes/> Acesso: 8 de novembro de 2015 [2] LUZ, Luiz Molina. InfoEscola. Soluções. Disponível em: <http://www.infoescola.com/ quimica/solucoes/> Acesso em: 8 de novembro de 2015 [3] CARDOSO, Mayara Lopes. Solubilidade. Disponível em < http://www.coladaweb.com /química/fisico-quimica/solubilidade> Acesso em 12 de novembro de 2015 [4] SOLDANHA, Caroline. Solubilidade x Temperatura. Disponível em <http://webeduc. mec.gov.br/portaldoprofessor/quimica/cd3/conteudo/recursos/13_experimento/Sol_temp.pdf > Acesso em 15 de novembro de 2015
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