Introdução aquimica analitica

Prévia do material em texto

Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
QUÍMICA ANALÍTICA I 
GQI 104 
UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS 
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso 
1 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
2 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
3 
BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA 
 
--- HAGE, D.S.; Carr, J.D.; Química Analítica e Análise Quantitativa. 1ª 
Ed São Paulo: , Pearson, 2012. 707p. 
--- A. Vogel,Química Analítica Qualitativa, Ed. Mestre Jou, São Paulo, 1981 
 --- O.A. Ohlweiler, Química Analítica Quantitativa Vol. 1, 3ª Ed., LTC Editora, Rio 
de Janeiro, 1981 
--- D.A. Skoog, D.M. West, F.J. Holler, S.R. Crouch, Fundamentos de Química 
Analítica, Cengage Learning, São Paulo, 2011. 
 --- D.C. Harris, Análise Química Quantitativa, 5ª Ed., LTC, Rio de Janeiro, 2001. 
 
NORMAS DA DISCIPLINA 
 
-- A avaliação será efetuada na forma de provas teóricas, individuais e sem 
consulta, e trabalho(s). 
-- Serão aplicadas três (3) provas teóricas e haverá trabalho(s) extra-classe e 
questões surpresas no início ou final de algumas aulas (ver pesos no SIG). 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
4 
-- Caso o índice de reprovação seja maior que 30%, haverá uma prova 
substitutiva. Essa prova deverá substituir a nota da prova na qual o aluno teve o 
menor rendimento, e abrangerá todo o conteúdo abordado no semestre. A nota 
final recuperada não será maior que 60. 
 
-- Caso o aluno perca alguma prova ou teste, a reposição deverá ser solicitada 
em até cinco dias úteis, na secretaria do departamento de química e também por 
email para o professor (marciopedroso@dqi.ufla.br). A reposição só será aceita 
com motivo comprovado, nos casos cobertos por lei (como prevê a resolução 
CEPE nº 42). Essa prova será realizada fora do horário de aula. 
 
-- As respostas das provas deverão ser feitas à caneta (para cálculos, o valor final 
deve estar à caneta). Respostas a lápis não serão corrigidas. 
 
-- É vedado o empréstimo de calculadoras durante a prova, bem como o uso de 
celulares ou portar outros materiais não permitidos. Caso o aluno seja flagrado 
portando/utilizando tais materiais, o mesmo receberá nota ZERO e a nota não 
poderá ser substituída. 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
5 
 
-- O aluno que apresentar baixo rendimento ou dificuldade de compreensão deve 
procurar o monitor para solucionar dúvidas específicas. Caso necessário, o aluno 
deverá procurar o professor. Dúvidas serão discutidas, no máximo, até 3 dias 
antes da realização das provas. 
 
-- O ambiente virtual de aprendizagem (AVA) será o meio de comunicação oficial 
para avisos e envio de material. 
 
-- Exercícios e trabalhos devem ser produzidos em folha almaço ou papel para 
impressão (A4, carta, ofício...). 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
6 
Introdução à Química Analítica 
A química analítica é uma ciência de medição que consiste em um 
conjunto de idéias e métodos poderosos que são úteis em todos os 
campos da ciência. 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
7 
Introdução à Química Analítica 
Procura obter respostas ou informações que servirão para definir os 
CONSTITUINTES de uma AMOSTRA sob aspectos QUALITATIVOS e 
QUANTITATIVOS dentro do menor tempo possível e de menor custo. 
A análise qualitativa revela a 
identidade dos elementos e 
compostos de uma amostra. 
A análise quantitativa indica a 
quantidade de um analito 
presente em uma amostra. 
Química analítica I teórica: 
equilíbrio químico voltado para 
íons em solução aquosa; cálculos 
relacionados à concentração das 
espécies 
Química analítica I prática: 
análise qualitativa através 
reações entre íons em solução 
aquosa; cálculos teóricos são 
necessários para ocorrer a 
reação esperada 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
8 
Introdução à Química Analítica 
Uma substância só dissolverá em um solvente se o somatório das interações soluto-
solvente for maior que as interações soluto-soluto 
Várias moléculas do solvente podem cercar o soluto: SOLVATAÇÃO 
Dissolução do NaCl: somatório 
das interações íon-dipolo (água) 
maior que interação íon-íon 
O mesmo é válido para sacarose 
e outros sais polares ou iônicos; 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
9 
Introdução à Química Analítica 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
10 
Dissolução de NaCl em água: forma íons 
Dissolução de sacarose em água: não se formam íons 
Se a espécie forma íons em solução, chamamos de eletrólito 
Se a espécie não forma íons em solução, chamamos de não-
eletrólito 
Lembrar que ambos estão 
solvatados em água 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
11 
Eletrólitos fortes: solutos que dissociam totalmente; todo soluto estará na 
forma de íons quando dissolvidos em solução; 
NaCl em água estará na forma de íons (Na+(aq) + Cl
-
(aq)) 
Se representar NaCl(aq), lembrar que está dissolvido e dissociado 
Eletrólitos fracos: solutos que praticamente não dissociam em solução; 
maior parte continua na forma original e apenas pequena parte dissocia 
Ácido ácetico (HAc) em água estará em sua maior parte na forma 
associada (HAc) e pequena parte na forma de íons (H+(aq) + Ac
-
(aq)) 
Seta simples 
Seta dupla 
NaCl(aq) Na
+
(aq) + Cl
-
(aq) 
HAc(aq) H
+
(aq) + Ac
-
(aq) 
H2O(l) H
+
(aq) + OH
-
(aq) 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
12 
Equação iônica simplificada: Apenas íons que realmente participam da 
reação; íons expectadores descartados 
HCl(aq) + NaOH(aq) H2O(l) + NaCl(aq) 
H+(aq) + Cl
-
(aq) + Na
+
(aq) + OH
-
(aq) H2O(l) + Na
+
(aq) + Cl
-
(aq) 
H+(aq) + OH
-
(aq) H2O(l) (equação iônica) 
Pb(NO3)2 (aq) + 2KI (aq) PbI2(s) + 2KNO3 (aq) 
Pb2+(aq) + 2NO3
-
(aq) + 2K
+
(aq) + 2I
-
(aq) PbI2(s) + 2K
+
(aq) + 2NO
-
3 (aq) 
Pb2+(aq) + 2I
-
(aq) PbI2(s) (equação iônica) 
QUAL O PRODUTO DE UMA NEUTRALIZAÇÃO? 
QUAL O PRODUTO DE PRECIPITAÇÃO? 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
13 
Conceitos fundamentais: EQUILÍBRIO QUÍMICO 
CO2(g) + H2O H2CO3(aq) 
Qual sistema está em 
equilíbrio? 
- Reversibilidade de reações: teoricamente, todas as reações são 
reversíves; entretanto, algumas reações como queimar um pedaço de 
papel ou fritar um ovo são processos que, na prática, não são reversíveis. 
- Todas as reações reversíveis tendem para um estado de equilíbrio 
dinâmico, podendo haver a formação de muito ou pouco produto; 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
14 
- Equilíbrio dinâmico: velocidade da reação de formação de produtos 
(direta) é igual a velocidade de formação dos reagentes (inversa); estado 
de máxima estabilidade (termodinâmica). 
aA + bB cC + dD 
Vd = kd[A]
a[B]b 
Vi = ki[C]
c[D]d 
direto 
inverso 
- Lei da ação das massas: 
Início da reação: apenas A e B no sistema – vd é máxima e vi é zero 
Decorrer da reação: diminui concentração de A e B (diminui vd) e 
aumenta concentração de C e D (aumenta vi), até atingir o equilíbrio 
dinâmico, no qual vd = vi 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
15 
Vd = Kd[A]
a[B]b = Ki[C]
c[D]d = Vi
 
Rearranjando as constantes, temos: 
Kd [C]
c[D]d 
 = = Keq 
 
Ki [A]
a[B]b 
CONSTANTE DE EQUILÍBRIO 
Para soluções, as concentrações são expressas em mol L-1 e essa 
expressão só é válida para sistemas ideais. 
A maioria das reações química NUNCA TERMINAM, ou seja: 
 - se reagentes são misturados eles não são convertidos totalmente 
 emprodutos; 
 - se produtos são misturados eles não são convertidos totalmente 
 em reagentes 
 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
16 
Se Keq >> 1, significa que 
quando o equilíbrio é 
atingido há muito mais 
produtos que reagentes 
(PRODUTO FAVORECIDA) 
aA + bB cC + dD 
Se Keq << 1, significa que 
quando o equilíbrio é 
atingido há muito mais 
reagentes que produtos 
(REAGENTE FAVORECIDA) 
 
aA + bB cC + dD 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
17 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
18 
Guldberg e Waage: medida da pressão total e das quantidades individuais 
2 SO2 + O2 2 SO3 
- A constante de equilíbrio estabelece uma relação entre a concentração 
dos componentes de um sistema em equilíbrio, independente da 
quantidade ou existência de reagentes e produtos. 
- A posição de um equilíbrio químico é independente do caminho pelo qual 
o equilíbrio é atingido. 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
19 
Se misturarmos apenas os reagentes puros ou 
se tivermos apenas os produtos puros, após um 
tempo a quantidade de reagentes e produtos 
presentes, de acordo com a expressão química, 
sempre tenderá para uma mistura cuja 
composição está de acordo com a constante de 
equilíbrio da reação numa determinada 
temperatura 
2 SO3 
2 SO3 2 SO2 + O2 
2 SO2 + O2 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
20 
aA = atividade da substância A 
[A] = concentração da substância A 
fA = coeficiente de atividade
 
Para espécies iônicas há desvio da idealidade e a constante de equilíbrio 
depende da concentração de todas espécies presentes no sistema (até de 
espécies que não participam do equilíbrio). 
O conceito de ATIVIDADE permite trabalhar fora da idealidade. A atividade 
de uma substância (a) é definida por: 
aA = [A] fA
 
- A verdadeira constante de equilíbrio é dada pelo quociente das atividades 
 
Keq = = x
 
aC
c . aD
d 
aA
a . aB
b 
[C]c.[D]d fC
c . fD
d 
fA
a . fB
b [A]a.[B]b 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
21 
- Além disso, são válidas as seguintes convenções: 
 
1) Para um gás perfeito, a atividade é dada pela pressão do gás; 
 
2) Quando há uma segunda fase separada do sistema (líquido ou sólido), 
sua atividade é unitária (a =1); ainda, é tolerável adotar a atividade do 
solvente como 1; 
 
3) A atividade de um soluto é igual à sua concentração para solução 
muito diluída (aproxima-se da idealidade); 
 
 
Quando o sistema se aproxima da 
idealidade, fA → 1 e, logo, aA = [A]. 
 
Assim, para soluções diluídas pode-se usar 
concentrações em vez de atividade 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
22 
- O valor da constante de equilíbrio é fixo a uma dada temperatura; assim, 
o único fator que altera o valor da constante é a temperatura. Os demais 
fatores (pressão, concentração) apenas alteram a posição do equilíbrio 
(maior quantidade de produtos ou de reagentes, mas a constante 
permanece constante) 
- Energeticamente SIM! Constante de equilíbrio fornece informação sobre 
as concentrações no equilíbrio (TERMODINÂMICA) , porém, não há 
nenhuma informação se a reação é rápida o suficiente para ser útil ou 
ocorrer (CINÉTICA) 
A transformação de diamante em grafite é espontânea? 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
23 
- Descreva a constante de equilíbrio (em termos de concentração) para as 
seguintes reações: 
1) Dissociação do ácido clorídrico (HCl) 
2) Dissociação do ácido fosfórico (H3PO4) – equação global 
3) Dissolução do AgCl em seus íons 
4) Dissolução do Ag2SO4 em seus íons 
5) Oxidação de H2 para H
+ e redução do Cu2+ para Cu0 
6) Redução do MnO4
- para Mn2+ e oxidação de Fe2+ para Fe3+ 
 
 
REAÇÃO QUÍMICA 
CONSTANTE DE EQUILÍBRIO 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
24 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
25 25 
Quociente da Reação (Q): Descreve a 
tendência em formar mais produtos ou mais 
reagentes, a partir da composição REAL da 
mistura da reação. 
 [C]
c[D]d 
Q = 
 [A]
a[B]b 
O “Q” é similar à “K”, entretanto, usa-se as 
concentrações das espécies em um 
determinado instante. 
Reagentes 
tendem a 
formar 
produtos 
produtos 
tendem a 
formar 
reagentes 
Reação em 
Equilíbrio 
AO MISTURAR ALGUMAS ESPÉCIES, COMO SABER SE O SISTEMA ESTÁ 
EM EQUILÍBRIO OU SE HAVERÁ A TENDÊNCIA DE FORMAR MAIS 
PRODUTOS OU MAIS REAGENTES? 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
Se Q < K as concentrações dos reagentes naquele instante são 
maiores que no equilíbrio. A única forma de diminuir as concentrações 
dos reagentes é através da reação química direta: os reagentes serão 
consumidos e haverá a formação de mais produtos. 
Comparando-se K e Q, pode-se predizer a tendência de uma reação 
química: 
Se Q > K as concentrações dos produtos naquele instante são maiores 
que no equilíbrio. A única forma de diminuir as concentrações dos 
produtos é através da reação química inversa: os produtos serão 
consumidos e haverá a formação de mais reagentes. 
Se Q = K as concentrações dos produtos e reagentes naquele instante 
são iguais às concentrações no equilíbrio. Não há nenhuma tendência 
de formar mais produtos ou reagentes. 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
27 
- Segundo Le Châtelier, a posição de um equilíbrio sempre é alterada na 
direção que alivia a perturbação que é aplicada a um sistema. 
- O efeito da ação das massas representa um deslocamento na posição 
do equilíbrio provocada pela adição de um dos reagentes ou produtos a 
um sistema. Observe que não há modificação no valor de Keq 
AO ADICIONAR UMA ESPÉCIE SOBRE UMA REAÇÃO EM EQUILÍBRIO 
DINÂMICO, COMO SABER SE A POSIÇÃO DO EQUILÍBRIO SERÁ 
ALTERADA E PREVER SE HAVERÁ A FORMAÇÃO DE MAIS PRODUTOS OU 
MAIS REAGENTES? 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
28 
Quando uma perturbação exterior é aplicada ao sistema em equilíbrio 
dinâmico, ele tende a se ajustar para reduzir ao mínimo o efeito da 
perturbação 
 
 
 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
29 
- Usando as reações e as constantes de equilíbrio do exercício anterior, 
indique se a seguinte perturbação irá alterar a posição do equilíbrio 
químico e o que é esperado. 
1) Adição de H+ sobre HCl 
Não ocorrerá alteração, pois HCl é ácido forte e estará ~100% ionizado 
2) Adição de H+ sobre ácido fosfórico 
 H3PO4 3H
+ + PO4
3- 
 Ocorrerá perturbação. A adição de H+ aumenta a concentração de 
produtos, aumentando a velocidade inversa. Assim, haverá formação de 
mais reagentes e consumo de parte dos produtos até que as 
concentrações de todas as espécies voltem a satisfazer o valor da Keq. 
Em outras palavras, o ácido ficará menos dissociado que antes. 
3) Adição de Cl- sobre solução saturada de AgCl 
4) Adição de Ag2SO4 sobre solução saturada de Ag2SO4 
5) Adição de OH- na reação do exercício anterior “5” 
6) Adição de Fe3+ na reação do exercício anterior “6’ 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
30 
REVISÃO DE SOLUÇÕES 
 
• Definir: mistura, solução, solução saturada, solução supersaturada, 
equilíbrio heterogêneo, concentração mol L-1, concentração %(m/v) 
• De uma solução de NaCl a 15% (m/v) transferimos 20 mL para outro 
frasco e diluímos a 200 mL. Desta solução pipetamos 5 mL. Qual é a 
massa de NaCl contida nos 5 mL? 
• 10 mL de uma solução de NaOH 5 mol L-1 são misturados com 90 mL 
de KOH 2 mol L-1. Qual a concentração da nova solução em: a) [K+] ? 
b) [OH-] ? (R. a) 1,8 mol L-1; b) 2,3 mol L-1) 
• Quantos gramas de NaCl deveremos pesar para preparar 915 mL de 
uma solução que contenha 25% (m/v)de Cl-? (R. 376,95 g) 
• Foram misturados 250 mL de uma solução de KCl 1%(m/v) com 400 
mL de uma solução NaCl 4000 mg L-1. Qual a concentração da nova 
solução, em mol L-1, para: a) Na+; b) K+; c) Cl- (R. a) 0,042; b) 
0,0516; c) 0,0935) 
• 50 mL de HCl 0,1 mol L-1 são misturados com 100 mL de KOH 0,2 mol 
L-1. A solução resultante é ácida ou básica? Calcule a concentração, em 
mol L-1, de Cl-, K+, H+ e OH-. 
 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
31 
REVISÃO DE EQUILÍBRIO QUÍMICO 
 
• Ler livros de química geral sobre o conteúdo apresentado. 
• Reações em solução aquosa 
• Estequiometria e nomenclatura de sais 
 
• Xerox do Hage e Carr: item 6.2 não será cobrado na disciplina, mas é 
importante ler para entender a nomenclatura do livro. 
 
• Exercícios do Hage e Carr: fazer do 1-3, 32-56 e 59 (aguns tem 
resposta). 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
32 
-BALANÇO DE MASSA (deveria ser balanço de concentrações!) 
Relaciona as concentrações de equilíbrio das espécies em solução umas com 
as outras e com a concentração analítica dos solutos (CA) 
O número de átomos/íons/moléculas de um certo tipo deve permanecer 
constante durante em situação de equilíbrio químico 
Ex. Solução de ácido acético 0,1 mol L-1 
Balanço de 
massa para o 
ácido acético 
0,1 = [HAc] + [Ac-], não é possível dizer quanto de 
ácido acético está em cada forma (associada ou 
dissciada), mas sabe-se que a soma das duas formas 
deve ser igual á concentração analítica (CHAC)
 
HAc(aq) H
+
(aq) + Ac
-
(aq) 
Concentração analítica: concentração de todas as formas; CHAc = 0,1 mol L
-1 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
33 
Ex. Solução saturada de BaSO4: a solubilidade molar do sal é “S” mol L
-1 
Balanço de massa 
para o sulfato de 
bário: 
S = [SO4
2-] + [HSO4
-], de todo SO4
2- que dissolveu 
parte permanece intacto e parte se transforma em 
HSO4
- 
S = [Ba2+], todo bário que dissolveu 
permanece como Ba2+ 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
34 
Balanço de massa para NH3 
Ex. Solução saturada de AgBr em NH3 0,01 
mol L-1 
Balanço de massa para Ag+ 
Todo o NH3 dissolvido, que corresponde a 0,01 mol L
-1, deve estar nas 
diferentes formas descritas. Observe que espécies que contenham 2 mols 
de NH3 na estrutura devem ter sua concentração multiplicada por 2 
 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
35 
Grau de dissociação para eletrólitos fracos 
O grau de dissociação pode ser calculado através da fração (a) das 
moléculas que estão na forma dissociada/ionizada. Toda fração é 
simbolizada por a e representa uma parte dividido pelo todo. 
a = número de moléculas em uma determinada forma 
número total de moléculas 
O ácido acético pode estar em duas formas em solução: na forma 
associada/protonada (HAc) ou na forma dissociada/ionizada (Ac-). 
O grau de dissociação do ácido acético pode ser calculado pelo aAc-, ou 
seja, pela fração das moléculas de ácido acético que se encontram 
dissociadas/ionizadas. 
HAc(aq) H
+
(aq) + Ac
-
(aq) 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
36 
Observe que ao multiplicar aAc- por 100, tem-se a porcentagem do 
ácido na forma dissociada/ionizada. 
Para eletrólitos fracos, o grau de dissociação varia com a concentração: 
quanto mais diluída for a solução, mais dissociada estará a espécie 
aAc- = número de moléculas na forma Ac
- = [Ac-] 
número total de moléculas [HAc] + [Ac-] 
HAc em água estará na forma de íons (H+(aq) + Ac
-
(aq)) e sua maior 
parte estará na forma associada (HAc); logo aAc- << 1 
Se a = 0, não há dissociação; a espécie é um não-eletrólito 
a HF = 0,085 a HAc = 0,013 a HCN = 0,0001 [0,01 mol L-1] 
Prof. Marcio Pozzobon Pedroso – DQI / UFLA - 2012 
37 
A fração de ácido acético na forma associada/protonada pode ser 
calculada por aHAc: 
aHAc = número de moléculas na forma HAc
 = [HAc] 
 número total de moléculas [HAc] + [Ac-] 
Nota 1: alguns livros usam a notação a0, a1, a2 .... fazendo referência 
ao número de prótons que o ácido liberou. Para o H3PO4 a0 
corresponde à fração na forma de H3PO4, a1 corresponde à H2PO4
- 
(perdeu 1 próton), a2 corresponde à HPO4
2- (perdeu 2 próton) e a3 
corresponde à PO4
3- (perdeu 3 próton) 
Nota 2: no cálculo de a, tanto as moléculas do numerados quanto às 
do numerador estão dissolvidas no mesmo volume. Logo, pode-se falar 
em número de moléculas ou em concentração (em mol L-1).