Relatório de Condutividade de Eletrólitos

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Universidade Federal do Rio de Janeiro - Campus Macaé
Disciplina: Física-Química Experimental 1
Alunos: Diogo Paulo, Vanessa Queiroz e Guilherme Marques.
Experimento:
Condutividade de Eletrólitos
Março, 2014
Índice
Introdução, (página 3);
Objetivo, (página 7);
Materiais e Reagentes Utilizados, (página 7);
Procedimento Experimental, (página 8);
Resultados e Discussões, (página 8);
Conclusão, (página 15);
Bibliografia, (página 16);
Introdução 
A condutividade elétrica é usada para especificar o caráter elétrico de um material, ou seja, indica a facilidade com a qual um material é capaz de conduzir uma corrente elétrica, permitindo diferenciar eletrólitos fracos e fortes. Eletrólitos fortes seguem a lei de Kohlrausch enquanto que eletrólitos fracos são descritos pela lei de diluição de Ostwald. 
Eletrólito é toda a substância que, dissociada ou ionizada, origina íons positivos (cátions) e íons negativos (ânions), pela adição de um solvente ou aquecimento (ex. AB A++ B- ) .Desta forma torna-se um condutor de eletricidade. 
 Um ácido fraco é um ácido que não ioniza significativamente numa solução; ou seja, se o ácido, representado pela fórmula geral HA, quando dissolvido numa solução aquosa ainda restará uma quantidade significativa de HA não dissociado. Ácidos fracos dissociam como: 
As concentrações de equilíbrio de reagentes e produtos são relacionadas pela expressão da constante de acidez ou constante de dissociação ácida, (Ka): 
 Quanto maior o valor de Ka, mais é favorecida a formação de H+ e menor o pH da solução. O Ka dos ácidos fracos variam entre 1.8×10-16 e 55.5. Ácidos com um Ka menor que 1.8×10-16 são ácidos mais fracos do que a água. Ácidos com um Ka maior do que 55.5 são ácidos fortes e quase se dissociam totalmente quando dissolvidos em água. A grande maioria dos ácidos são ácidos fracos. 
A acidez pode também ser expressa pelo índice pKa: 
pKa = - log Ka = log 1/Ka 
Quanto menor o valor de pKa maior a acidez do ácido. 
 A resistência R de um condutor uniforme com uma seção transversal é proporcional ao comprimento l e inversamente proporcional a seção transversal da área A do condutor, equação 1. 
A constante da substância p, é conhecida como resistência específica e tem unidade de Ohm vezes metro ( m). A grandeza k é a condutividade (ou condutância específica) e é o inverso da resistividade, A condutividade para uma solução de eletrólitos, k, é dada pela Eq. 2, e, no sistema internacional, tem dimensões de 1/ m = S/m. Em geral nos condutivímetros o valor de k é dado em ou mS/cm. Normalmente usa-sep para condutores metálicos e k para soluções de eletrólitos. A grandeza L é chamada de condutância, o inverso da resistência, e sua unidade no sistema internacional é o Siemem. 
Onde é a constante da constante da célula condutométrica e depende da instrumentação utilizada. No sistema internacional y tem unidades de 1/m mas é comum também encontramos seu valor em unidades de 1/cm. Em geral os conditivímetros são construídos de tal forma que a constante das células condutométricas valores próximos da unidade. 
 A partir da Eq. 2 percebemos que se quisermos conhecer a condutância de uma solução,L = k / y, é necessário além de conhecer a condutividade medida k também conhecermos a constante da célula condutométrica. A célula condutométrica é normalmente calibrada com uma solução de condutividade conhecida. 
Uma análise cuidadosa permite nos afirmar que a condutividade não é a melhor grandeza para se comparar os eletrólitos devido sua forte dependência em relação a concentração dos mesmos (mais acentuada no caso dos eletrólitos fortes). Para este propósito é melhor determinar a condutividade molar . Esta é determinada a partir da condutividade específica do eletrólito que da concentração iônica total c (mol /cm3) da substância na solução eletrolítica conforme Eq. 3.
Quando examinamos a dependência da concentração na condutividade de eletrólitos observamos que a condutividade basicamente aumenta com a concentração devido ao aumento do número de cargas (íons) em solução.
 A dependência da concentração com a condutividade molar em eletrólitos fortes foi definida pela lei de Kohlrasusch: 
ondeé um coeficiente experimental é tem dimensão de S (cm7 mol3)0.5. 
De acordo essa lei, que é valida para baixas diluições, s por exemplo, fizermos um gráfico da condutividade molar do KCl versus a raiz quadrada da concentração (Fig 2) e, ajustarmos uma reta aos dados experimentais relacionados às soluções com grande diluição, podemos determinar pelo coeficiente linear o valor dee a partir do coeficiente angular o valor da constante .
Fig. 2: Condutividade molar do KCl versus a raiz quadrada da concentração 
A lei de Kohlrausch, formulada inicialmente em 1874, também afirma que em diluição infinita, a dissociação do eletrólito é completa e portanto, cada íon liberado contribui para a condutividade do eletrólito. Em outras palavras, a condutividade do eletrólito em diluição infinita é a soma algébrica da condutividade a diluição infinita dos seus constituintes iônicos .Com o aumento da concentração da solução, a lei torna-se inaplicável Kohlrausch por causa do aumento nas interações entre os íons, bem como outros motivos.
 Os eletrólitos fracos não se dissociam completamente e possuem condutividade menor do que eletrólitos fortes. Com o aumento da concentração o equilíbrio de dissociação é deslocado na direção das moléculas não dissociadas. O grau de dissociação, , de eletrólitos fracos é definido a partir do quociente da condutividade molar dividido pela condutividade molar a diluição infinita (Eq. 5). 
De acordo com a lei de diluição de Ostwald, eletrólitos fracos não se dissociam completamente e possuem condutividade menor do que eletrólitos fortes. Entre eles contam os ácidos fracos de Brønsted e bases fracas de Brønsted. A constante de dissociação ácida, Ka (mol cm-3), de um ácido fraco é definida pela da lei da diluição de Ostwald,é dada sob forma aproximada, pela seguinte expressão: 
O valor limite da condutividade molar de eletrólitos fracos a diluição infinita é alcançada a concentrações extremamente baixas não sendo possível, portanto, fazer-se medidas exatas nestas concentrações. Em conseqüência,  não pode ser obtido pelas curvas extrapoladas a partir de m/c, para eletrólitos fracos. Nestes casos, a partir da Eq. 6. obtemos uma expressão linear entre o inverso da condutividade, o produto da condutividade molar e a concentração de eletrólitos fracos. A equação 7 é derivada para resolver a lei de diluição de Ostwald para estes casos:
Da equação 7 observa-se que existe uma relação linear entre o inverso da condutividade, o produto da condutividade molar e a concentração de eletrólitos fracos. A Figura 3 mostra esta relação para o ácido acético. Ainda a lei de diluição de Ostwald mostra que a condutividade molar a diluição infinita pode ser obtida da intersecção com a ordenada 1/m sobre c.m.
Fig. 3: Inverso da condutividade molar do ácido acético versus o produto da condutividade molar com a concentração. 
Objetivo: 
Mostrar graficamente a dependência da condutividade elétrica de KCl e CH3COOH com a concentração.
Calcular a condutividade molar, para o KCl e CH3COOH, utilizando os valores medidos.
Determinar a constante de dissociação do ácido acético para cada solução preparada.
Materiais e Reagentes Utilizados:
- Condutivímetro 
- Balões volumétricos de 50 mL e 100 mL
- Béqueres 
- Cloreto de Potássio (KCl) 
- Solução de Ácido Acético (CH3COOH) 0,10 mol/L
- Pipetas Volumétricas de 10 mL e 25 mL
- Balança Analítica
Procedimento Experimental: 
Foi pesado KCl para a preparação de uma solução de 100 mL a uma concentração de 0,10 mol/L.
A partir da solução de KCl 0,10 mol/L foram feitas as soluções com as concentração mais diluídas, pela relação C1V1 = C2V2: 0,050 mol/L, 0,010 mol/L, 0,0050 mol/L, 0,0025 mol/L e 0,00125 mol/L.
Da mesma forma, foram feitas as soluções mais diluídasde CH3COOH, a partir da solução já preparada anteriormente, na concentração 0,10 mol/L de ácido acético, as concentrações foram as mesmas.
Com as soluções já preparadas de CH3COOH e KCl, mediu-se a condutividade, iniciando sempre da solução mais diluída para a mais concentrada.
Com os dados obtidos, foram feitas duas tabelas, uma com os dados do KCl em relação a concentração e a outra com o CH3COOH em relação a concentração, e assim construiu-se os seus respectivos gráficos.
Cálculou-se a condutividade molar , para o KCl e o CH3COOH.
Cálculou-se a constante de dissociação do ácido acético para cada solução preparada.
Resultados e Discussões:
O KCl (cloreto de potássio) é um sal, portanto um composto iônico, quando colocado em água sofrerá ionização liberando íons K+ e Cl-.Para fazer a solução de KCL a uma concentração de 0,10 mol/L foi pesado 0,74 g de KCl puro , e colocado em um balão volumétrico de 100 mL, adicionou-se água destilada até completar o balão.
A partir dessa primeira solução de KCl, e usando uma pipeta volumétrica e balões volumétricos de 50mL, foram preparadas outras soluções da seguinte maneira:
Para obter o KCl a uma concentração de 0,050 mol/L foi feita uma diluição. A quantidade do KCl a 0,10 mol/L foi alcançada através dos seguintes cálculos: 
C1 x V1 = C2 x V2
0,050 x 0,050 = 0,10 x V2
V2 = 25 mL
Este cálculo tem como objetivo conhecer a quantidade necessária que se deve coletar da solução de 0,10 mol/L de KCl para realizar a diluição e conseqüentemente, a produção da solução de 0,050 mol/L de KCl. Dessa maneira o volume que se deve coletar para produção de uma solução de 0,050 mol/L de KCl é de 25 mL. As diluições seguintes foram feitas da mesma maneira.
A partir da concentração e volume da solução de 0,050 mol/L aplicou-se o seguinte cálculo para a obtenção da quantidade necessária que se deve coletar para se produzir uma solução de concentração de 0,010 mol/L de KCl.
C1 x V1 = C2 x V2
0,010 x 0,050 = 0,050 x V2
V2 = 10 mL
A partir da concentração e volume da solução de 0,010 mol/L aplicou-se o seguinte cálculo para a obtenção da quantidade necessária que se deve coletar para se produzir uma solução de concentração de 0,0050 mol/L de KCl.
C1 x V1 = C2 x V2
0,005 x 0,05 = 0,01 x V2
V2 = 25 mL
A partir da concentração e volume da solução de 0,0050 mol/L aplicou-se o seguinte cálculo para a obtenção da quantidade necessária que se deve coletar para se produzir uma solução de concentração de 0,0025 mol/L de KCl.
C1 x V1 = C2 x V2
0,0025 x 0,05 = 0,005 x V2
V2 = 25 mL
A partir da concentração e volume da solução de 0,0025 mol/L aplicou-se o seguinte cálculo para a obtenção da quantidade necessária que se deve coletar para se produzir uma solução de concentração de 0,00125 mol/L de KCl.
C1 x V1 = C2 x V2
0,00125 x 0,05 = 0,0025 x V2
V2 = 25 mL
Da mesma forma que foram preparadas as soluções de KCl, fez-se com o CH3COOH, formando então a tabela abaixo de concentrações tanto para o KCl, tanto para o CH3COOH.
Tabela 1
	Solução
	1
	2
	3
	4
	5
	6
	Conc. (mol/L)
	0,1
	0,05
	0,01
	0,005
	0,0025
	0,00125
As medidas de condutividade foram realizadas com o KCl e depois com o CH3COOH, seguindo sempre a ordem da solução mais diluída para a mais concentrada.
Abaixo estão os dados obtidos experimentalmente para as soluções de KCl (Tabela 2), ao lado o gráfico da condutividade versus a concentração de Cloreto de Potássio:
	Conc. (mol/L)
	Condut. (10-6 S.cm-1)
	
	
	
	
	
	
	
	
	0,00125
	124,07
	
	
	
	
	
	
	
	0,0025
	253,4
	
	
	
	
	
	
	
	0,005
	508,5
	
	
	
	
	
	
	
	0,01
	953,5
	
	
	
	
	
	
	
	0,05
	5079
	
	
	
	
	
	
	
	0,1
	9764
	
	
	
	
	
	
	
	 Tabela 2:
	KCl
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
Com os dados obtidos experimentalmente, foi possível realizar os cálculos da condutividade molar do ácido acético, de todas as concentrações, a partir da equação abaixo:
Condutividade molar na concentração 1,25 x10-3 mol/L :
 = (1000 . 124,07 x10-6) / 0,00125 = 99,26 S.cm2.mol-1
Condutividade molar na concentração 2,5 x10-3 mol/L :
 = (1000 . 253,4 x10-6) / 0,0025 = 101,36 S.cm2.mol-1
Condutividade molar na concentração 5,0 x10-3 mol/L :
 = (1000 . 508,5 x10-6) / 0,005 = 101,7 S.cm2.mol-1
Condutividade molar na concentração 1,0 x10-2 mol/L :
 = (1000 . 953,5 x10-6) / 0,01 = 95,35 S.cm2.mol-1
Condutividade molar na concentração 5,0 x10-2 mol/L :
 = (1000 . 5049,0 x10-6) / 0,05 = 100,98 S.cm2.mol-1
Condutividade molar na concentração 1,0 x10-1 mol/L :
 = (1000 . 9764,0 x10-6) / 0,1 = 97,64 S.cm2.mol-1
Abaixo estão os dados obtidos experimentalmente para as soluções de CH3COOH (Tabela 3), ao lado o gráfico da condutividade versus a concentração de ácido acético:
	Conc. (mol/L)
	Condut. (10-6Scm-1)
	
	
	
	
	
	
	
	
	0,00125
	36,6
	
	
	
	
	
	
	
	0,0025
	60,4
	
	
	
	
	
	
	
	0,005
	90,71
	
	
	
	
	
	
	
	0,01
	134,6
	
	
	
	
	
	
	
	0,05
	298,5
	
	
	
	
	
	
	
	0,1
	430
	
	
	
	
	
	
	
	 Tabela 3:
	CH3COOH
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
	
Com os dados obtidos experimentalmente, foi possível realizar os cálculos da condutividade molar do ácido acético, de todas as concentrações, a partir da equação abaixo:
Condutividade molar na concentração 1,25 x10-3 mol/L :
 = (1000 . 36,6 x10-6) / 0,00125 = 29,28 S.cm2.mol-1
Condutividade molar na concentração 2,5 x10-3 mol/L :
 = (1000 . 60,4 x10-6) / 0,0025 = 24,16 S.cm2.mol-1
Condutividade molar na concentração 5,0 x10-3 mol/L :
 = (1000 . 90,71 x10-6) / 0,005 = 18,14 S.cm2.mol-1
Condutividade molar na concentração 1,0 x10-2 mol/L :
 = (1000 . 134,6 x10-6) / 0,01 = 13,46 S.cm2.mol-1
Condutividade molar na concentração 5,0 x10-2 mol/L :
 = (1000 . 298,5 x10-6) / 0,05 = 5,97 S.cm2.mol-1
Condutividade molar na concentração 1,0 x10-1 mol/L :
 = (1000 . 430 x10-6) / 0,1 = 4,3 S.cm2.mol-1
O ácido acético é um ácido fraco, portanto segue a lei de Ostwald, e sua constante de dissociação (ka) tem que estar por volta de 1.8×10-16 e 55.5, foi feita a verificação do ka de todas as concentrações do ácido acético para realizar a comparação com o padrão. Utilizaram-se as seguintes fórmulas:
Condutividade molar a diluição infinita: 390,5 S.cm2.mol-1
Grau de dissociação:
 
Lei de diluição de Ostwald, tem a seguinte expressão:
Concentração 1,25 x10-3 mol/L :
a = 29,28 / 390,5 = 0,075
Ka = (0,0752 . 0,00125) / (1 – 0,075)
Ka = 0,76 x10-5
Concentração 2,5 x10-3 mol/L :
a = 24,16 / 390,5 = 0,0619
Ka = (0,06192 . 0,0025) / (1 – 0,0619)
Ka = 1,02 x10-5
Concentração 5,0 x10-3 mol/L :
a = 18,14 / 390,5 = 0,0465
Ka = (0,04652 . 0,005) / (1 – 0,0465)
Ka = 1,13 x10-5
Concentração 1,0 x10-2 mol/L :
a = 13,46 / 390,5 = 0,0345
Ka = (0,03452 . 0,01) / (1 – 0,0345)
Ka = 1,23 x10-5
Concentração 5,0 x10-2 mol/L :
a = 5,97 / 390,5 = 0,0153
Ka = (0,01532 . 0,05) / (1 – 0,0153)
Ka = 1,19 x10-5
Concentração 1,0 x10-1 mol/L :
a = 4,3 / 390,5 = 0,011
Ka = (0,0112 . 0,1) / (1 – 0,011)
Ka = 1,22 x10-5
Com os cálculos, fez-se a comparação com os dados da literatura, e o ka que mais se aproxima de 1,9 x10-5 é o da solução de 0,01 mol/L que foi de 1,23 x10-5 , mas todos se aproximaram pela casa decimal.
Conclusão:
Apesar da condutividade não ser muito apropriada para realizar a comparação de eletrólitos devido a forte dependência em relação a concentração dos mesmos, por este propósito neste experimento foi determinadaa condutividade molar das amostras, que se mostrou de acordo com os seus padrões da literatura. O Cloreto de Potássio é um sal que realiza a total dissociação liberando íons e se mostrou um eletrólito bem forte, a análise no gráfico 1 demonstrou bem este grau de dissociação, sendo ele bem linear, e os cálculos apenas evidenciaram o fato do KCl ser um eletrólito forte como um sal costuma ser. Já o Ácido Acético se mostrou um eletrólito fraco, no gráfico 2 isso fica visível a curva não fica linear, não tem total dissociação em íons, o Ka do ácido acético medido experimentalmente ficou entre 1,23 x10-5 e Ka = 0,76 x10-5, o que permite dizer que ele é um ácido fraco, que também esta de acordo com a literatura. Por tanto este experimento é considerado muito proveitoso para se medir uma força de um ácido, tal como, a capacidade eletrolítica de uma molécula.
Bibliografia:
http://www1.univap.br/spilling/FQE2/FQE2_EXP7_Eletrolitos.pdf
Acessado em 23/03/2014
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAe5nUAG/condutividade-eletrolitos
Acessado em 23/03/2014
http://www.iqm.unicamp.br/graduacao/guima/QG100/qg10001sem09.pdf
Acessado em 23/03/2014
BACCAN, Nivaldo;Química Analítica Quantitativa Elementar. São Paulo: Edgard Blücher, 2000. 2ª Ed.