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INSTITUTO FEDERAL DA BAHIA – IFBA CAMPUS DE VITÓRIA DA CONQUISTA QUÍMICA GERAL I -Roteiro de aulas práticas- CURSO DE LICENCIATURA EM QUÍMICA 2º SEMESTRE DE 2012 2ª edição ii _______________________________________ INSTITUTO FEDERAL DA BAHIA – IFBA CAMPUS DE VITÓRIA DA CONQUISTA PRÁTICAS DE QUÍMICA GERAL I 1ª Edição (2011) elaborada por: Profª Adenilde Souza dos Passos 2ª Edição (2012) elaborada por: Prof° Maurício Silva Araújo 2012 _______________________________________ iii SUMÁRIO Normas para apresentação de relatório de práticas de laboratório da disciplina QGE I e critérios de avaliação............................................................................................1 PRÁTICA 01: Introdução ao laboratório...................................................................5 PRÁTICA 02: Medidas de volume...........................................................................7 PRÁTICA 03: Teste de chama...............................................................................10 PRÁTICA 04: Propriedades químicas dos elementos ..........................................12 PRÁTICA 05: Solubilidade de substâncias formadas por moléculas polares e apolares ...........................................................................................................................15 PRÁTICA 06: A fase líquida...................................................................................18 PRÁTICA 07: Previsão de reações químicas........................................................20 PRÁTICA 08: Preparo de solução e processo de diluição....................................22 1 Normas para apresentação de relatório de práticas de laboratório da disciplina de Química Geral Experimental e critérios de avaliação Os relatórios das práticas de laboratório da disciplina QGE I devem apresentar a seguinte estrutura básica: Capa - Título; Objetivos Introdução - Fundamentação teórica (NBR 10520/2002); Procedimentos - Parte experimental; Resultados e discussão (NBR 10520/2002); Conclusão; Referências bibliográficas.(NBR 6023/2002) Na capa deve conter o título da prática desenvolvida e as informações a cerca do(s) estudante(s), além da data da entrega do relatório. Os Objetivos devem ser divididos em Geral e Específicos: (i) o Objetivo Geral (normalmente escrito num único parágrafo) está relacionado com o “como” o conjunto experimento/teoria/prática pode contribuir para a capacitação, nesse caso, do licenciando; (ii) os Objetivos Específicos (normalmente escrito em tópicos) estão relacionados com o Objetivos Fundamentação teórica 2 que almeja-se concluir em relação àquele conjunto de experimentos e teorias. Importante ressaltar que os objetivos do experimento são DIFERENTES dos objetivos do relatório. Exemplo de Objetivo Geral: (do trabalho acadêmico Estudo dos Gases baseado no estudo das viscosidades e no experimento similar ao de Victor Meyer): “Analisar a importância das interações interpartículas a fim de comparar os comportamentos ideal e real de uma mistura de líquidos e, a partir dessa análise, avaliar o comportamento de misturas gasosas equivalentes contribuindo para o entendimento da relevância das relações do conhecimento teórico e prático do estudo dos gases para a formação do licenciado em Química.” Exemplo de Objetivos Específicos (do trabalho acadêmico Estudo dos Gases baseado no estudo das viscosidades e no experimento similar ao de Victor Meyer): “- Determinar o coeficiente de viscosidade de misturas e substâncias puras; - Interpretar os coeficientes de viscosidade com base nas interações interpartículas e geometria das moléculas; - Discutir a influência das forças de coesão e adesão na fluidez de líquidos; - Comparar as viscosidades de líquidos e gases.” Na Introdução/Fundamentação Teórica devem ser apresentados os conceitos teóricos (definições, equações) e hipóteses necessárias para o desenvolvimento do experimento. TODAS as teorias que aparecerão na discussão devem estar presentes aqui. Pode-se, inclusive, contar uma história sobre a prática/reagente/produto/substância/método/etc, desde que cada conhecimento científico apresentado contenha a respectiva referência, seja como citação direta ou indireta segundo a NBR 10520/2002. É necessário descrever todos os materiais (reagentes, equipamentos, vidrarias, etc) utilizados na execução do experimento, a descrição seqüencial e detalhada do procedimento experimental e o esquema do aparato experimental. CUIDADO: Os procedimentos experimentais devem descrever o que, de fato, foi feito, e não “o que deve ser feito”. Esta consideração é relevante por que, às vezes, os materiais e métodos utilizados diferem dos descritos no roteiro experimental. Deve-se ter cuidado com a pessoa e tempo verbais utilizados na confecção do relatório experimental – TODO o corpo do texto deve seguir somente um tempo e pessoa. Os Resultados podem ser apresentados nas formas de tabelas e gráficos, desde que devidamente nomeados. O procedimento utilizado para efetuar os cálculos também deve ser apresentado. Quando o esquema de cálculos for repetitivo, deve ser ilustrado o 3 roteiro de cálculos apenas para o primeiro dado apresentado na tabela. As unidades dimensionais devem ser padronizadas utilizando o SI (ou que for conveniente). A investigação da correlação entre variáveis deve ser feita por meio da análise estatística e também deve ser apresentada nos resultados. A Discussão se refere à qualidade dos resultados obtidos, possíveis fontes de erros e a validação, ou não, das hipóteses. Sempre à luz de teorias e referenciais deve-se fazer um comentário crítico, comparativo e explicativo dos resultados obtidos – desde que devidamente referenciados segundo a NBR 10520. A Conclusão (geralmente escrita em um ou dois parágrafos) está ESTREITAMENTE RELACIONADA COM OS OBJETIVOS do seu relatório. Nas referências bibliográficas deve-se incluir toda a relação de material bibliográfico utilizado na confecção do relatório, segundo a NBR 6023/2002. Exemplos importantes na confecção do relatório: a) Equações: Deverão ser numeradas em algarismos arábicos, escritas com o mesmo tipo e tamanho de letra. Exemplo: Observação: O número da equação deve ser alinhado no lado direito do texto, enquanto que a equação deve ser alinhada no lado esquerdo (ou centro) do texto. b) Tabelas: Deverão ser centralizadas no texto, identificadas com algarismos arábicos. O título da tabela deve ser iniciado em letra minúscula e a palavra tabela juntamente com o número que a identifica deve ser escrito em negrito e maiúscula. Exemplo: c) Figuras: Deverão ser centralizadas no texto, identificadas com algarismos arábicos, o título da figura deve ser iniciado com letra maiúscula e a palavra figura juntamente com o número que a identifica deve ser escrito em negrito e maiúscula. O texto deve se referir à figura. Exemplo: 4 O relatório será avaliado de acordo com os seguintes critérios: - Coerência/coesão/clareza textuais: 10%; - Formatação/Organização: 10%; - Objetivos/Conclusões: 5%; - Introdução (Fundamentação Teórica)/Linguagem: 25%; - Procedimentos: 5%; - Resultados e Discussão/Linguagem 40%; - Referências/Citações: 5%. OBSERVAÇÃO: Relatórios idênticos (ou copiados de fontes quaisquer SEM a devida referência) terão nota automaticamente anulada. 5 PRÁTICA 01: INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIOINTRODUÇÃO Os laboratórios de ensino são essencialmente semelhantes aos laboratórios de pesquisa ou de uma indústria, mas diferem nas finalidades e em outras particularidades. Nesta aula você conhecerá o laboratório de Química Geral onde, provavelmente, fará o seu primeiro contato com equipamentos, materiais, reagentes e métodos de trabalho. Os conhecimentos, as habilidades e atitudes que aqui você desenvolverá serão úteis, não apenas durante o Curso de graduação, mas, também, nas suas atividades profissionais. Uma ênfase especial será dada à segurança no trabalho. Um laboratório de química poderá tornar-se um local perigoso quando nele se tem uma conduta inadequada. Você conhecerá as normas gerais de segurança para os laboratórios de ensino de química; os procedimentos específicos serão abordados no transcorrer de cada aula e em cada experiência. A adoção de medidas de segurança no trabalho é uma exigência legal: todas as Instituições, com um número mínimo de trabalhadores, são obrigadas a constituir uma Comissão Interna de Prevenção de Acidentes (CIPA), encarregada de planejar, implantar e manter um sistema específico de segurança. É muito importante que todas as pessoas que lidam num laboratório tenham uma noção bastante clara dos riscos existentes e de como diminuí-los. Nunca é demais repetir que o melhor combate aos acidentes é a sua prevenção. O descuido de uma única pessoa pode por em risco todos os demais no laboratório. Por esta razão, as normas de segurança descritas abaixo terão seu cumprimento exigido. Acima disto, porém, espera-se que todos tomem consciência da importância de se trabalhar em segurança, do que só resultarão benefícios para todos. OBJETIVOS: Conhecer as instalações do laboratório; Conhecer as Normas Gerais de Segurança; Identificar os materiais e equipamentos usuais de laboratório. MATERIAIS: - Balança; - Balão volumétrico; - Béquer 50, 100 e 250 mL; - Bico de gás; - Bureta; - Erlenmeyer; - Fósforo; - Garra metálica; - Pinça metálica; - Pinça para tubo; - Pipeta graduada; - Pipeta volumétrica; - Suporte para tubo; - Tela de amianto; 6 - Termômetro; - Tripé ou aro metálico; - Tubo de ensaio; - Outros materiais disponíveis. PROCEDIMENTOS: 1- O professor fará exposição e, quando couber, demonstração sobre: a) O laboratório (instalações, sistemas elétrico, hidráulico, de gás, de exaustão, etc.). b) Segurança no Trabalho (normas gerais de segurança, sistema de segurança do laboratório). c) Identificação e cuidados com materiais e equipamentos do laboratório: Vidrarias, bico de gás, balanças, termômetros e outros materiais de uso corrente em um laboratório. 2- Após a exposição do professor, os alunos ficarão à vontade para examinar as instalações, os aparelhos e os materiais apresentados. QUESTIONÁRIO: 1. Por que se deve trabalhar de jaleco (guarda pó) no laboratório? 2. Por que é importante conhecer as instalações e as normas de funcionamento de um laboratório? 3. O que é uma “capela”? Qual é a sua utilidade? 4. Quais os cuidados que se deve ter no descarte de reagentes em pias? 5. Por que não se deve adicionar água sobre ácidos em procedimentos experimentais? 7 PRÁTICA 02: MEDIDAS DE VOLUME INTRODUÇÃO: Medir é comparar uma grandeza com um padrão. Toda medida está intrinsecamente sujeita a incertezas (erros); as fontes de incerteza são associadas ao aparelho utilizado e ao analista. A incerteza pode ser expressa de várias maneiras: pelo erro absoluto, que é a diferença entre o valor da grandeza e o da medida; pelo erro relativo, que é o erro absoluto dividido pelo valor da medida; pelo erro percentual, que é o erro relativo multiplicado por cem; etc. Nos casos em que o conhecimento da incerteza for importante, ela deve ser expressa junto com a medida: (15,30 ± 0,02) mL, por exemplo. Na disciplina Química Geral Experimenta I, não haverá necessidade de explicitar o erro (o estudo devidamente aprofundado e fundamentado das incertezas tem espaço na disciplina Química Analítica I). Porém, uma medida deve, sempre, ser expressa com a sua unidade (padrão de comparação) e o número correto de algarismos significativos (AS), ou a quantidades de dígitos que têm significado em uma quantidade medida ou calculada. Quando se usam AS, a incerteza está associada ao último dígito. No exemplo acima, o valor real da medida está entre 15,28 mL e 15,32 mL, logo se faz conveniente expressar o dado com 4 algarismos significativos pois a incerteza está relacionada ao 4 dígito. As operações envolvendo AS devem apresentar resultados contendo o mesmo número de algarismos significativos do dado com menor quantidade destes, pois é impossível obter um dado mais preciso do que os dados os quais foram fontes para sua obtenção. Cada vidraria e equipamento possui uma dada precisão. Para medir volumes de líquidos, os aparelhos denominados volumétricos possuem aferição referente a determinada capacidade. São utilizados dependendo da necessidade de maior ou menor precisão e da atribuição (conter ou transferir). Erros mais comuns: Medição de volume de soluções quentes. Uso de instrumento inadequado para medir volumes. Uso de instrumento molhado ou sujo. Formação de bolhas nos recipientes. Controle indevido da velocidade de escoamento. Erro de paralaxe. 8 Erro de material Para se analisar e interpretar resultados de uma experiência torna-se necessário o conhecimento na precisão das medidas. É importante saber que sucessivas medidas de uma mesma grandeza não dão resultados iguais, ainda que feitas cuidadosamente. Para que a medida se aproxime da real e que contenha a menor margem de erro, é necessário que se determine o limite de erro do aparelho: esse limite é igual à metade da menor divisão da escala. Exemplo: Para se determinar o erro de um material graduado é necessário: a) Separar duas marcas de graduação, que indique um volume determinado. b) Contar o número de divisões entre essas marcas de graduação. c) Dividir o volume dado entre essas duas marcas de graduação pelo número de divisões correspondentes. Tomando-se, por exemplo, uma proveta de 10 mL, separando-se duas marcas (2 e 3) temos o volume de 1mL. Após contar as divisões encontraremos 10 divisões. Teremos: divisão/mL1,0 divisões10 mL1 divisãoMenor Cálculo do limite de erro: mL05,0 2 mL1,0 errodeLimite 9 OBJETIVOS: 1) Utilizar aparelhos volumétricos e expressar corretamente as medidas de volume. Operar com algarismos significativos. 2) Utilizar a análise dimensional para converter unidades. MATERIAIS E REAGENTES: Água destilada Balão volumétrico Bureta Proveta Béquer Pipeta graduada Régua Pipeta volumétrica PROCEDIMENTO: 1. Anote com os respectivos desvios, a capacidade de cada um dos seguintes aparelhos apresentados na tabela a seguir: Aparelho Limite de erro Capacidade Bureta Proveta Pipeta graduada Becker 2. Meça 20 mL de água destilada em uma bureta e transfira para um Becker de capacidade 100 mL; 3. Repita o procedimento 2 substituindo o becker de 100 mL por: a) Um becker de50 mL; b) Uma proveta de 100 mL; 4. Medir 100 mL de água destilada em um béquer e transfira-a quantitativamente para um balão volumétrico de 100 mL. Houve coincidência de resultados? Esperava-se coincidência de resultados? 5. Medir 10 mL de água destilada em um Becker; com uma pipeta graduada retire uma alíquota de 10 mL; 6. Repita o procedimento 5 com uma pipeta volumétrica. 7. Utilizando uma régua, meça o volume de diferentes objetos disponíveis; 8. Em seguida, utilizando o princípio de Arquimedes, meça o volume dos mesmos objetos. OBS: Todos os dados devem ser expressos com os respectivos algarismos significativos. 10 PRÁTICA 03: TESTE DE CHAMA INTRODUÇÃO: A radiação eletromagnética é a emissão e transmissão de energia na forma de ondas eletromagnéticas. Em 1873, James Clerk Maxwell sugeriu que a luz visível era constituída por ondas eletromagnéticas, que por sua vez, possuem uma componente de campo elétrico e um componente de campo magnético, perpendiculares entre si e com mesma velocidade de propagação. As contribuições de Maxwell (mesmo que fundamentadas na Mecânica Clássica), a teoria quântica proposta por Max Planck no início do século XX, bem como o estudo do efeito fotoelétrico por Albert Einstein abriram caminho para a “solução” de uma incógnita da física desde o século XVIII: os espectros de emissão dos átomos. Com argumentos baseados nas interações eletrostáticas e nas leis do movimento de Newton, Niels Bohr propôs uma explicação satisfatória, até então, para o fenômeno de emissão do átomo de hidrogênio: o elétron de um átomo de H pode apenas apresentar valores específicos de energias, como mostra a equação de Rydberg: 𝐸𝑛 = −𝑅 1 𝑛2 (1) Onde, Rh é a constante de Rydberg, e n é um número inteiro denominado número quântico principal. Segundo Bohr, a energia absorvida (de frequência específica) pelo elétron o faz mover-se de um estado de menor energia – caracterizado por um menor valor de n – para um de maior energia – n maior. Analogamente, o retorno ao nível de energia inicial é acompanhado por uma emissão de fótons. A energia transferida pode ser determinada por: ∆𝐸𝑛 = −𝑅 1 𝑛𝑓 2 − 1 𝑛 𝑖 2 = 𝜈 (2) Onde h é a constante de Plank e 𝜈 é a frequência da radiação eletromagnética emitida ou absorvida. OBJETIVOS: Observar a emissão de luz de diferentes frequências por diversos materiais aquecidos em uma chama; Relacionar o fenômeno com o modelo atômico de Bohr para o átomo de hidrogênio. MATERIAIS E REAGENTES: Cloreto de cálcio, cloreto de cobalto(II), cloreto de sódio, sulfato de cobre(II) e cloreto de potássio; 2 béqueres de 100 mL; 5 fios de platina, ou de níquel – cromo (de resistência de chuveiro); Solução de ácido clorícrico 0,1 molL-1; 11 5 placas de petri. Espátula Bico de Bunsen (ou lamparina) Pinça para tubo de ensaio PROCEDIMENTOS: 1) Colocar uma pequena amostra de cada sal com o auxílio de uma espátula em 5 placas de Petri diferentes (se houverem mais sais, serão necessárias novas placas); 2) Acender a chama do bico de Bunsen (ou lamparina) e calibrar a entrada de ar para obter uma chama azulada quase transparente; 3) Limpar os fios metálicos que serão utilizados no experimento, mergulhando-os em solução de HCl 0,1 molL-1 e em seguida, com o auxílio de uma pinça de tubo de ensaio, aquecendo-os em rubro na chama do bico de Bunsen. Esse processo deve ser repetido até que não haja mudança na coloração da chama do bico de Bunsen; 4) Mergulhar o fio limpo em água destilada e, em seguida, tocar a ponta úmida do fio na porção de NaCl contida na placa de Petri. (Certificar que uma pequena quantidade do sal está presente na ponta do fio).; 5) Levar, UTILIZANDO A PINÇA, o fio com a amostra até a chama; 6) Anotar o resultado na tabela abaixo. Comparar seu resultado com os resultados dos outros grupos. 7) Repetir os procedimentos 1-6 para os demais sais. Sal Cor esperada Cor observada NaCl CaCl2 CuSO4 KCl CoCl2 Questionamentos para auxiliar na Fundamentação Teórica/Discussão: Por que, no teste de chama, os sais de metais diferentes apresentam colorações diferentes? Como se explica o brilho colorido de fogos de artifícios? De onde vem as cores? O que é cor? E cor complementar? Como funciona a lâmpada de filamento? Por que alguns postes têm luz amarelada, enquanto outros, esbranquiçada? Qual a diferença entre fluorescência, fosforescência, bioluminescência e quimioluminescência? Como se 12 explica o funcionamento de dispositivos que (des)ativam “sozinhos”, tais como lâmpadas de postes que ascendem à noite, portas que se abrem automaticamente ou torneiras que acionam na presença de alguém? NÃO SE LIMITAR APENAS A RESPONDER OS QUESTIONAMENTOS. Tais questões servem para mostrar possíveis diretrizes e contextos a serem explorados na confecção do relatório. PRÁTICA 04: PROPRIEDADES PERIÓDICAS DOS ELEMENTOS INTRODUÇÃO: A Tabela Periódica atual é resultado do trabalho e estudo de inúmeros cientistas ao longo da história, que fundamentando-se em diferentes conhecimentos, a partir de observações ou experimentações, organizaram os elementos químicos em ordem crescente de número atômico a fim de reproduzir suas propriedades ao longo de períodos. Desse modo, átomos de elementos químicos pertencentes ao mesmo grupo possuem propriedades químicas semelhantes. Isto ocorre devido às suas configurações eletrônicas do nível energético mais externo serem iguais - pelo menos entre os elementos representativos. Dentre as propriedades periódicas dos elementos podemos destacar duas muito importantes: energia de ionização e afinidade eletrônica. Elas são diretamente relacionadas à reatividade química e ao poder oxidante e redutor das substâncias simples. A capacidade redutora de um metal pode ser avaliada pelo seguinte ciclo termodinâmico: (I)Calor de sublimação M(s) M(g) (II)Energia de Ionização (III) Calor de hidratação Mn+(aq)+ ne- Mn+(g)+ ne- Observe que a etapa global de formação dos íons Mn+(aq) corresponte a soma das outras etapas: M(s) M n+ (aq)+ ne - equivale a soma (I) + (II) + (III). 13 A energia de ionização é uma das etapas envolvidas na avaliação da força redutora de uma substância simples. Assim, a capacidade de um metal ser um agente redutor numa reação está estreitamente relacionada com a facilidade com que seus átomos perdem elétrons. De maneira análoga, a força oxidante das substâncias das substâncias simples formadas por halogênios deve ser avaliada através das energias envolvidas no ciclo a seguir: ½ Calor de Fusão ½ Calor de vaporização (I) ½ Energia de ligação 1 2 𝑋2(𝑠) 1 2 𝑋2(𝑎𝑞 ) 1 2 𝑋2(𝑎𝑞 ) 𝑋(𝑔) (II) Afinidade Eletrônica 1 (III) Calor de hidratação 𝑋(𝑎𝑞 ) − 𝑋(𝑔) − Observe que a etapa global de formaçãodos íons 𝑋(𝑎𝑞 ) − corresponde à soma das outras etapas: 1 2 𝑋2(𝑔) − + 𝑒− → 𝑋(𝑎𝑞 ) − equivale a soma (I) + (II) + (III). OBJETIVOS: Analisar alguns dos fatores que influenciam os poderes oxidantes e redutores de substâncias simples; Relacionar os poderes oxidantes e redutores das substâncias às propriedades periódicas dos elementos químicos; Discutir a ação antioxidante da vitamina C. MATERIAL E REAGENTES: - Placa de petri; - Proveta de 50 mL; - Solução de fenolftaleína; - Espátula; - Pinça Metálica; - Papel de filtro; -Tubos de ensaio; - KI 0,1 mol/L; - Sódio metálico; 1 A afinidade eletrônica da espécie em questão foi arbitrariamente definida com energia liberada na estabilização de um elétron no nível de valência. Isso não indica que todos os processos semelhantes serão acompanhados com liberação de energia. 14 - Fita de magnésio; - Lixa para metal; - Vitamina C (ácido ascórbico); - Solução de cloro (água sanitária). PROCEDIMENTOS Parte I: 1) Com o auxílio de uma pinça metálica, retirar um pequeno pedaço de sódio metálico. Em seguida, colocar sobre um papel de filtro e cortá-lo com uma espátula. Observar suas características; 2) Usar um dos pedaços de sódio (do tamanho de um grão de arroz) e colocá-lo numa cápsula de porcelana com água aproximadamente 20 mL e algumas gotas de fenolftaleína. Observar; Parte II: 3) Tomar um pedaço de 2 a 3 cm de fita de magnésio e lixar; 4) Em um tubo de ensaio, colocar 5 mL de água destilada e 1 a 2 gotas de fenolftaleína. Observar a coloração; 5) Colocar a fita de magnésio limpa no tubo de ensaio preparado no item 2 e observar. Parte III: 6) Tomar um tubo de ensaio e colocar cerca de 2 mL de solução aquosa de iodeto de potássio; 7) Adicionar água de cloro gota a gota e observar a coloração. Parte IV: 8) Tomar um pequena porção (ponta de espátula) de ácido ascórbico (vitamina C) e colocar num tubo de ensaio; 9) Adicionar cerca de 2 mL de solução de iodeto de potássio; 10) Adicionar água de cloro gota a gota. Compare com os resultados observados no experimento III. 15 Questionamentos para auxiliar na Fundamentação Teórica/Discussão: Utilize a linguagem química para descrever todos os fenômenos dos experimentos. O que pode ser discutido a respeito da transformação que ocorre quando o sódio entra em contato com a água? Qual das substâncias possui maior poder redutor dentre o sódio e o magnésio metálicos? Qual a relação entre o poder redutor da substância e a energia de ionização do átomo? Qual substância tem maior poder oxidante: o cloro ou o iodo? É possível relacionar o poder oxidante das substâncias com alguma propriedade periódica dos átomos? Qual seria? E como seria essa relação? Discuta com base nas propriedades do ácido ascórbico a capacidade antioxidante da vitamina C. Consulte a referência complementar “A importância da vitamina C através dos tempos”. PRÁTICA 05: SOLUBILIDADE DE SUBSTÂNCIAS COMPOSTAS POR MOLÉCULAS POLARES E APOLARES INTRODUÇÃO Os átomos, apesar da neutralidade eletrônica, são em sua maioria espécies instáveis e reativas que tendem a se combinar a fim de adquirir estabilidade eletrônica (oito ou dois elétrons no nível de valência) e/ou estabilidade energética podendo, em alguns compostos, não apresentarem as configurações eletrônicas citadas e, mesmo assim, adquirir estabilidade. Ligações químicas podem envolver átomos iguais ou diferentes. Além disso, terem naturezas distintas como a ligação entre um átomo metálico e um não metálico. Cada átomo possui propriedades intrínsecas (que foram discutidas na prática “Propriedades Químicas dos Elementos”) e propriedades relativas, tais como a eletronegatividade, que consiste na tendência relativa de um átomo atrair para si os pares de elétrons envolvidos em uma ligação química. A polarização da ligação causa na molécula uma distorção na nuvem de elétrons fazendo assim uma separação de densidade eletrônica que podemos chamar de polos (ou cargas parciais), pois o vetor momento dipolo é não nulo. Podemos assim dizer: quando a ligação for estabelecida entre dois átomos de igual eletronegatividade não ocorre distorção desta nuvem de elétrons e a molécula não terá polos definidos (momento dipolo nulo) e, quando há uma diferença na eletronegatividade entre os dois átomos que 16 formam a ligação química, ocorre a formação de cargas parciais na molécula.2 Resumidamente podemos dizer que, moléculas que não possuem polos parciais são não polares ou apolares, e moléculas que possuem polos parciais são polares. A molécula de HCl, por exemplo, apresenta diferença de eletronegatividade entre seus átomos constituintes, logo o par de elétrons compartilhado na maior parte do tempo se encontra mais próximo do átomo mais eletronegativo, gerando sobre esse átomo uma carga parcial (polo parcial) negativa e por consequência, uma carga parcial positiva na região diametralmente oposta da molécula. O vetor momento dipolo pode ser descrito pela equação: 𝜇 = 𝛿 𝑥 𝑟 (III) Onde, 𝜇 é o momento dipolo em Debye (1,34x 10-30 C.m), 𝛿 é a intensidade da carga parcial (em C), e r é a distância entre os centros de carga. As moléculas polares ou apolares, numa substância, interagem umas com as outras, num balanço das forças atrativas e repulsivas – regiões com maior densidade eletrônica de uma molécula atraem regiões que apresentam a densidade de carga positiva de moléculas circunvizinhas. Esta aproximação é mantida pelas forças intermoleculares (entre moléculas) que, a depender da intensidade do momento dipolo podem ser fortes ou fracas (figura 1). As interações intermoleculares interferem diretamente em todas as propriedades físicas: solubilidade em dado solvente, ponto de fusão, densidade, ponto de ebulição, dureza, entre outras. MATERIAIS E REAGENTES 7 Tubos de ensaio; Suporte para tubos de ensaio; Espátula; .Béquer; 2 Note que no exemplo citado a molécula é diatômica. Para moléculas com maior número de átomos, o fator geometria torna-se tão relevante quanto o momento dipolo. 17 Água destilada (H2O); Álcool etílico (CH3CH2OH); Acetona (CH3COCH3); Hexano (CH3CH2CH2CH2CH2CH3); Iodo (I2); Iodeto de potássio (KI). PROCEDIMENTOS 1) Enumere os tubos de ensaios de um a sete. a- No tubo 1 coloque cerca de 2 mL de água destilada e acrescente cerca de 2mL de álcool etílico. Agite, observe e anote o que aconteceu. Houve solubilização? O tubo de ensaio aqueceu? b- No tubo 2 coloque cerca de 2 mL de água destilada e acrescente cerca de 2 mL de acetona. Agite, observe e anote o que aconteceu. Houve solubilização? O tubo de ensaio aqueceu? c- No tubo 3 coloque cerca de 2 mL de água destilada e acrescente cerca de 2 mL hexano. Agite, observe e anote o que aconteceu. Houve solubilização? O tubo de ensaio aqueceu? d- No tubo 4 coloque cerca de 2 mL de água destilada e acrescente uma pequena porção de iodo. Agite, observe e anote o que aconteceu. Houve solubilização? e- No tubo 5 coloque cerca de 2 mL de água destilada e acrescente uma pequena porção de iodeto de potássio. Agite, observe e anote o que aconteceu. Houve solubilização? f- No tubo 6 coloque cerca de 2 mL de hexano e acrescente uma pequena porção deiodo. Agite, observe e anote o que aconteceu. Houve solubilização? g- No tubo 7 coloque cerca de 2 mL de hexano e acrescente uma pequena porção de iodeto de potássio. Observe e anote o que aconteceu. Houve solubilização? 2) No tubo 3 adicione uma pequena porção de iodo, agite e observe o que acontece. Explique sua observação. 3) No tubo 5 adicione uma pequena porção de iodo, agite e observe o que acontece. Explique sua observação. 18 PRATICA 06: A FASE LÍQUIDA INTRODUÇÃO Grande parte das reações químicas de interesse para estudo ocorre em fase aquosa ou em outros solventes líquidos. Com base nos modelos de representação para os estados físicos da matéria, um líquido assemelhasse ao sólido no que se refere à proximidade de suas partículas constituintes, mas ao mesmo tempo, se parece com um gás, pois suas partículas não estão precisamente ordenadas. Um líquido é constituído de espécies químicas que se movem constantemente e caoticamente. Cada uma dessas espécies sobre bilhões de colisões por segundo sem, no entanto, se separarem completamente, uma vez que as forças atrativas impedem o livre movimento, limitando a difusão dessas partículas, ao contrário do gás. Algumas propriedades dos líquidos, tais como a tensão superficial e capilaridade, úteis para possíveis caracterizações, são consequência direta das propriedades das espécies constituintes, seja um composto iônico, metálico ou molecular. A tensão superficial pode ser descrita qualitativamente como a força que representa a tendência de um líquido de minimizar sua área superficial em decorrência do desequilíbrio de forças atrativas das espécies na superfície. A capilaridade é o resultado do balanço entre as forças de atração entre as partículas constituintes da substância (forças de coesão) e as interações destas com as paredes do recipiente (geralmente um tubo capilar) que as contém – forças de adesão. Nesse experimento busca-se observar algumas propriedades que caracterizam o estado líquido e estudar a relação existente entre algumas propriedades de um líquido, a polaridade e o tipo de interação interpartículas existente entre suas moléculas. MATERIAIS E REAGENTES • Permanganato de potássio (solução diluída); • Água; • Gelo; • Hexano; • Detergente doméstico; • Chapa de aquecimento; • Tubo de ensaio grande (3); • Porta tubo de ensaios; • Placa de Petri; 19 • Bastão de vidro; • Tubo de vidro; • Becker (100 mL, 500 mL); • Seringa; • Lâmina de barbear. PROCEDIMENTOS 1) Parte I: Difusão em estado líquido a) Enumere três tubos de ensaio; coloque no tubo 1 água previamente resfriada (use o gelo se necessário) até ¾ do seu volume; no tubo 2 o mesmo volume de água à temperatura ambiente; e no tubo três, a mesma quantidade de água previamente aquecida; b) Usando o porta tubo de ensaio, coloque uma folha de papel branco por trás dos tubos; c) Adicione simultaneamente uma gota de permanganato de potássio em cada um dos tubos de ensaio; d) Observe o percurso das gotas; 2) Parte II: Tensão Superficial a) Preencha uma placa de petri com água destilada; b) Disponha, cuidadosamente, na posição horizontal, a lâmina de barbear sobre a superfície líquida; c) Agite a água utilizando o bastão de vidro. Cuidado para não tocar a lâmina; d) Adicione uma gota de detergente à água e continue agitando. Observe. 3) Parte III: Pressão de Vapor a) Aqueça cerca de 100 mL de água até uma temperatura de aproximadamente 60 ºC; b) Utilizando uma seringa, retire uma alíquota da água aquecida até cerca de ½ da capacidade do instrumento; c) Segure firmemente a saída da seringa com um dos dedos e, com cuidado, puxe o êmbolo. Observe. 20 4) Parte IV: Capilaridade/Forças de adesão e coesão a) Em um Becker de 100 mL, coloque cerca de 40 mL de água; b) Repita o procedimento com hexano; c) Mergulhe a extremidade de um tubo capilar, na posição vertical na superfície da água; d) Repita o procedimento com o hexano. Observe qual dos dois líquidos atingiu uma altura maior. Observe também o formato do menisco. PRATICA 07: PREVISÃO DE REAÇÕES QUÍMICAS INTRODUÇÃO Como muitas reações químicas de interesse acontecem em soluções aquosas, faz- se necessária a distinção de solutos (substância presente em solução em menor quantidade) em duas categorias: eletrólitos e não-eletrólitos. Um eletrólito é uma substância que, quando dissolvida em água, produz uma solução capaz de conduzir eletricidade. Um não-eletrólito não conduz eletricidade quando dissolvido em água. Desse modo, substâncias que sofrem ionização (ácidos de Arrhenius) ou dissociação iônica (substâncias iônicas e bases de Arrhenius) são exemplos de eletrólitos. A extensão na qual uma substância se ioniza (ou dissocia) em solução aquosa revela se tal composto é um eletrólito forte ou fraco: água, ácidos fracos, bases e sais pouco solúveis são exemplos de eletrólitos fracos. Para prever o acontecimento de reações químicas em solução aquosa, uma regra geral pode ser utilizada: a reação acontece na direção da formação do eletrólito mais fraco. Um exemplo é a reação entre o ácido acético e o hidróxido de potássio. É possível prever que a reação acontece devido à formação de um eletrólito mais fraco: apesar do ácido acético ser um ácido fraco, a água é um ácido ainda mais fraco (as constantes de hidrólise – Kw – são fundamentais para justificar tal afirmação). 𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝐻 𝑎𝑞 + 𝐾𝑂𝐻 𝑎𝑞 → 𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝐾 𝑎𝑞 + 𝐻2𝑂(𝑙) (1) A reação (1) pode ser escrita no modelo de equação iônica, na qual são explícitas as espécies como íons livres: 𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂 − 𝑎𝑞 + 𝐻+ 𝑎𝑞 + 𝐾+ 𝑎𝑞 + 𝑂𝐻− 𝑎𝑞 → 𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂 − 𝑎𝑞 + 𝐾+ 𝑎𝑞 + 𝐻2𝑂(𝑙) (2) 21 Note que o ânion acetato e cátion potássio aparecem em ambos os lados da equação sem sofrer nenhuma alteração. Por isso, nesse caso, são chamados íons espectadores. Algumas vezes é conveniente expressar somente as espécies que participam da reação a fim de salientar a transformação. Para isso usa-se a equação iônica simplificada, que adaptando à reação (2), fica: 𝐻+ 𝑎𝑞 + 𝑂𝐻−(𝑎𝑞) → 𝐻2𝑂(𝑙) MATERIAIS E REAGENTES • 3 Tubos de ensaio pequenos; • 3 béckeres (50 mL); • 3 pipetas; • Porta tubos de ensaio. • Soluções de reagentes disponibilizadas pelo professor. PROCEDIMENTOS 1) A partir dos grupos de reagentes abaixo relacionados, escreva as equações iônicas de todas as possibilidades de reações entre cada par de reagentes; 2) Justifique a ocorrência ou não das reações; 3) Faça a comprovação prática de todos os processos – em um tubo de ensaio coloque aproximadamente 2 mL de um dos reagentes e adicione lentamente 2 mL do outro; 4) Anote as observações; 5) Apresente em aproximadamente 5 minutos os resultados obtidos; 6) Quando necessário, discutir quais as maneiras de comprovar a ocorrência da reação. GRUPO I: Hidróxido de sódio, ácido clorídrico, nitrato de chumbo II; GRUPO II: Amônia, ácido sulfúrico, carbonato de sódio; GRUPO III: Cloreto de amônio, hidróxido de sódio, nitrato de bário; GRUPO IV: Iodeto de potássio, hidróxido de sódio, nitrato de chumbo. 22 PRÁTICA 08: PREPARO DE SOLUÇÃO E PROCESSO DE DILUIÇÃO INTRODUÇÃO Muitas reações químicas são processadas com os reagentes dissolvidos, pois isso aumenta a superfície de contato entre tais partículas, favorecendo o acontecimento de colisões. Esse tipo de sistema constitui uma mistura homogênea ou SOLUÇÃO. Uma solução é composta por um solvente (substânciaem que se dissolve) e um soluto (substância que será dissolvida). Um exemplo de solução é a água salgada, onde o solvente é a água e os solutos são os sais dissolvidos. A água é o mais importante dos solventes, pois é capaz de dissolver grande número de outras substâncias. Ela é denominada de SOLVENTE UNIVERSAL. As soluções onde a água é o solvente são chamadas de SOLUÇÕES AQUOSAS. Estas possuem relevante importância na Química pois muitos processos acontecem em sistemas similares. Freqüentemente, a solubilidade de uma substância em um dado solvente pode ser aumentada mediante aquecimento. A solubilidade de uma substância, que pode ser determinada experimentalmente, é normalmente catalogada em livros de referência (Handbook) em gramas de soluto em cada 100 gramas de solvente numa temperatura específica. Muitas vezes é importante conhecer as quantidades dos solutos dissolvidos em uma dada quantidade de solvente ou da solução total. Existem diversas maneiras de expressar a relação entre as quantidades de soluto e solvente em soluções, dentre as quais são demasiado importantes as seguintes: • Relação entre a quantidade de matéria de uma substância e a quantidade de matéria da mistura - É denominada fração em quantidade de matéria ou fração molar (xi); • Concentração em massa - Relação entre a massa da substância em grama e o volume da mistura em litros; • Concentração em quantidade de matéria (Cx ou [x]) - Relação entre a quantidade de matéria da substância x e o volume da solução em litros. Em alguns casos, as soluções são estocadas ou comercializadas em concentrações elevadas, e em casos específicos necessitamos fazer uma diluição para alcançar a concentração desejada. Assim, o método de diluição da solução estoque é 23 bastante útil. Basta apenas acrescentar determinado volume de solvente a uma quantidade específica da solução estoque para se chegar à nova concentração desejada. OBJETIVOS Compreender a natureza e importância das soluções; distinguir tipos de soluções; compreender o conceito de solubilidade; aprender a fazer diluições; MATERIAIS E REAGENTES Balão volumétrico (100 mL, 250 mL); bastão de vidro; Becker (2, 100 mL; 1, 250 mL); bureta 25 mL; 2 pipetas graduadas 10 mL; Balança analítica, água destilada, cloreto de cobalto II, permanganato de potássio, cloreto de sódio, ácido clorídrico 3 molL-1, funil, espátula, termômetro, placa de petri. PROCEDIMENTOS 1) Determinação de solubilidade em g de soluto/100 g de solvente a) Nesse procedimento, devem-se escolher as melhores vidrarias para (i) escoar uma quantidade conhecida de volume de solvente a uma massa previamente medida de soluto o mais lentamente possível até que se atinja um mínimo volume de solvente. (ii) Faz-se fundamental determinar a densidade do solvente na temperatura do experimento para relacionar o volume com a massa de tal constituinte. Com os dados obtidos, obtém- se a solubilidade. Os resultados devem ser apresentados para os colegas. 2) Preparo de solução a partir de um reagente sólido b) Nessa etapa deve-se utilizar o conceito de concentração em quantidade de matéria para selecionar as melhores vidrarias a fim de preparar uma solução de concentração conhecida. Deve-se (i) pesar a massa da substância sólida (soluto) referente à solução problema, (ii) diluir num bécker com uma pequena quantidade de solvente e (iii) transferir para o balão volumétrico de capacidade adequada. (iv) Então, homogeneíza-se a solução e (v) a rotula com: soluto e natureza do solvente, concentração, nome do(s) analista(s), data, disciplina. 24 3) Preparo de solução pelo método da diluição c) Nessa etapa, utilizar-se-á o método da diluição com o uso de uma solução de concentração conhecida a fim de se obter uma solução menos concentrada. Para isso, (i) devem-se escolher quais vidrarias são mais adequadas para a transferência de um volume previamente determinado de solução mais concentrada para o balão volumétrico de capacidade especificada. (ii) Então o balão é preenchido com água destilada. Em seguida, (iii) homogeneíza-se a solução e a rotula com: soluto e natureza do solvente, concentração, nome do(s) analista(s), data, disciplina. GRUPO I: Determinar com o método 1) a solubilidade do NaCl à temperatura ambiente. GRUPO II: Preparar utilizando o método 2) uma solução 0,1 molL-1 de CoCl2. Determine a concentração em massa dessa solução. GRUPO III: Preparar, utilizando o método 2), uma solução 0,1 molL-1 de KMnO4. Determine a concentração em massa dessa solução. GRUPO IV: Preparar pelo método 3) uma solução 0,16 molL-1 de HCl. Determine a percentagem em volume dessa solução. Todos os resultados deverão ser apresentados em laboratório. NÃO INICIE QUALQUER PROCEDIMENTO SEM O CONSENTIMENTO E SUPERVISÃO DO PROFESSOR! 25 Referências Bibliográficas • CHANG, R. Química: Conceitos Essenciais. 6 ed. São Paulo. Ed. McGraw-Hill. 2006. • ATKINS, P.; JONES, L. Princípios de Química: Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente. Editora Bookman, 2006. • BRADY, J.E & HUMISTON, G.E. Química geral. Volume 1 e 2. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 1986. • RUSSEL, J.B. Química Geral. Volume 1 e 2. São Paulo. McGraw-Hill, 1992. • BROWN, Theodore L.; LEMAY, H. Eugene; BURSTEN Bruce E. Química: a ciência central. Ed. Pearson Education. • BOHR, N. Sobre a constituição de átomos e moléculas. Lisboa: fundação calouste gulbenkian, 1989. • BUENO, W. et alli.; Química Geral. São Paulo. Editora McGraw-Hill do Brasil LTDA., 1978 • MAHAN, B.H. Química: um curso universitário. 2ª ed. São Paulo. Editora Edgard Blucher LTDA, 1978. • QUAGLIANO, J.V. e VALLARINO, L.M. Química. 3a ed. Rio de janeiro: Editora Guanabara Dois, 1985 • BRAATHEN, P. C. Química Geral. 2 Ed. Viçosa, MG. Edições CRQ-MG, 2010. • SKOOG, D. A. et al. Fundamentos de Química Analítica. Trad. Marco Grassi. São Paulo: Cengage Learning, 2008. • BRAATHEN, P. C., RUBINGER, M. M. M. Experimentos de Química com Materiais Alternativos de Baixo Custo e Fácil Aquisição. 1 Ed. Viçosa, MG: Ed UFV, 2006. • FIORUCCI, A. R.; SOARES, M. H. F. B; CAVALHEIRO, E. T. G.; A importância da vitamina C na sociedade através dos tempos. Rev. Química nova na escola, n. 17, maio 2003, p. 3-7.
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