Calor medio de solução

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Universidade Estadual De Ponta Grossa.
Licenciatura Em Química
Termodinâmica.
CALOR MÉDIO DAS SOLUÇÕES.
Guilherme B.Schmitke
Ponta Grossa.
2018.
Calor Médio de Solução
Introdução:
	O ramo da química que estuda a transferência de calor envolvida nas reações, misturas, mudança de estado, entre outras, é a Termoquímica, que busca seus fundamentos nos princípios da Termodinâmica. Na química, a palavra Calor está relacionada com a troca de energia que ocorre entre dois corpos que possuem temperaturas diferentes quando entram em contato. Nesse caso, o calor (energia) é transferido daquele que possui maior temperatura para aquele que possui menor temperatura. A energia recebida por um corpo aumentará o movimento de suas moléculas, fazendo com que sua temperatura aumente. É importante saber que, cada substância, de certa forma, contém energia, armazenada em forma de energia cinética ou potencial. Numa solução, um soluto tende a liberar ou absorver calor do solvente, isso pode ser observado de acordo com o Calor de Solução. 
	Desse modo, uma reação exotérmica, possui ∆H negativo (∆H < 0). E uma reação endotérmica, possui ∆H positivo (∆H > 0). Sendo que, a variação de entalpia em um processo depende apenas do estado inicial e final, e não do tipo do processo. 
	O processo de solução ou diluição de substâncias em um solvente, geralmente vem acompanhado de um efeito térmico, devido a interação entre as moléculas. É necessário considerar que o efeito térmico é contabilizado a uma determinada concentração que se mantem fixa durante o processo de diluição ou contabilizado como o somatório no total do calor envolvido no processo de dissolução. 
Muitas vezes se pode determinar a variação da entalpia sem utilizar especificamente um calorímetro. Numa solução saturada, a uma determinada temperatura, existe um equilibro entre a forma cristalina e a forma dissolvida. Com a variação da temperatura, a concentração da solução pode variar. O calor de solução pode ser determinado por se conhecer que a variação da fração molar do soluto na solução saturada, em função da temperatura, é, a partir da equação de Van`t Hoff, a pressão constante, dada por:
Onde ∆H° é o calor padrão de solução por mol à temperatura T. 
	Ou seja, o calor de solução é a variação de entalpia que acontece durante a dissolução de 1 mol de uma dada substância numa determinada quantidade de solvente, originando uma concentração específica, geralmente diluição infinita. E uma grandeza molar é, portanto, a contribuição (por mol) que uma substância faz a uma propriedade total da mistura. O volume parcial molar, , de uma substância J, especificamente, representa a contribuição que J faz ao volume total da mistura. Sendo que a fração molar do soluto numa solução é a razão:
Entre o número total de moléculas-grama constituintes da solução. 
Objetivo:
Determinar o calor médio de solução do ácido benzoico em água baseado na dependência de sua solubilidade com a temperatura.
Parte Experimental:
Materiais e Reagentes:
Béquer 
5 Erlenmeyers
Balança semi-analítica
Bureta;
Cuba de gelo;
Ácido benzóico;
Hidróxido de sódio;
Fenolftaleína;
Água destilada
Procedimento Experimental
Pegou-se certa quantidade da solução de ácido benzoico em cinco temperaturas diferentes. (Cerca de 2 colheres);
Aferiu-se a massa da solução de cada amostra;
Diluiu-se em 20 mL de água e adicionou-se 3 gotas de fenolftaleína.
Por fim, titulou-se cada amostra para ver a concentração de ácido benzóico em cada uma delas, para assim analisar a solubilidade do ácido em relação a temperatura.
Resultados e Discussão
	Uma solução saturada de ácido benzoico foi preparada previamente à quente com agitação, regulou-se o termômetro para as temperaturas nas quais foram determinadas as solubilidades do ácido benzoico (80°C,60°C,40°C,23ºC e 11ºC), em seguida com o auxílio de uma concha retirou-se alíquotas evitando a retirada dos cristais, colocou-se as amostras em erlenmeyers respectivamente numerados (1,2,3,4,5). Colocou-se então cerca de 20 mL de água e três gotas do indicador fenolftaleína. 
	Iniciou-se uma titulação com NaOH previamente padronizado (0,1 mol/L) e anotou-se o volume utilizado para cada alíquota de ácido benzoico e temperatura.
Tabela 1: Dados experimentais.
	Erlenmeyer
	Temperatura (ºC)
	Erlenmeyer vazio (g)
	Erlenmeyer c/ HBz(g)
	Massa Total(HBz)g
	Volume NaOH(mL)
	1
	80ºC
	130,67
	140,83
	10,16
	14
	2
	60°C
	124,3
	139,02
	14,72
	12,9
	3
	40°C
	135,3
	148,05
	12,75
	5,5
	4
	23°C
	133,9
	145,27
	11,37
	3
	5
	11°C
	144,1
	156,7
	12,6
	4,5
Fonte: Autores,2018.
	Observa-se na Tabela 1, que se pesou o Erlenmeyer antes e após o acréscimo do ácido, e pela diferença entre as massas encontra-se a massa do C6H5COOH, porém devido a solução estar misturada com água (solvente), pode-se considerar que o valor da massa é igual ao volume, ex:10,16g = 10,16 mL.
A reação que ocorreu entre o C6H5COOH e o NaOH foi a seguinte:
Formou-se o Benzoato de Sódio e água, desta forma tem-se uma reação de estequiometria 1:1, logo o número de mols de NaOH gastos para neutralizar o ácido é o mesmo número de mols deste ácido contido no erlenmeyer.
Usando-se os dados do experimento realizaram-se os seguintes cálculos: a) Concentração do ácido benzoico b) Quantidade de matéria do ácido benzoico na alíquota no erlenmeyer c) Massa de ácido benzoico na alíquota no erlenmeyer d) Massa de água na alíquota e) Quantidade de matéria da água f) Fração molar do ácido benzoico na alíquota.
 Como a fórmula química do ácido benzoico é C7H6O2 sua massa molar é 122,12 g/mol. Com estes dados foi possível realizar os cálculos citados acima, os quais apresentam seus resultados expostos na Tabela 2.
Tabela 2: Cálculos dos dados experimentais
	Erlenmeyer
	CHBZ (mol.L-1)
	nHBZ (mol)
	mHBZ (g)
	mH2O (g)
	nH2O (mol)
	XHBZ
	1
	0,138
	1,4 x 10-3
	0,171
	10
	0,55
	2,54x10-3
	2
	0,088
	1,29x10-3
	0,158
	14,5
	0,80
	1,60x10-3
	3
	0,043
	5,5x10-4
	0,07
	13
	0,72
	7,63x10-4
	4
	0,026
	3x10-4
	0,04
	11,3
	0,62
	4,9x10-4
	5
	0,036
	4,5x10-4
	0,05
	12,5
	0,69
	6,51x10-4
 Fonte:Autores,2018.
Em uma solução saturada, a uma determinada temperatura, existe um equilibro entre a forma cristalina e a forma dissolvida. Com a variação da temperatura, a concentração da solução pode variar, fato que ocorreu no experimento, com a diminuição da temperatura houve uma menor concentração do ácido em estudo, no frasco cinco ocorreu um aumento em relação ao quatro, isto pode ser verificado por algum erro experimental, como pesagem errada do frasco, quantidade de ,soluto maior colocada. 
Com os valores definidos da fração molar do ácido benzoico em cada alíquota, pode-se calcular o log x, como mostra a Tabela 3.
Tabela 3: Dados para representação gráfica
	 Erlenmeyer
	T (ºC)
	T (K)
	1/T (K-1)
	XHBZ
	log X
	1
	80
	353
	2,83 x 10-3
	2,54x10-3
	-2,60
	2
	60
	333
	3,00x 10-3
	1,60x10-3
	-2,80
	3
	40
	313
	3,19 x 10-3
	7,63x10-4
	-3,12
	4
	23
	296
	3,37 x 10-3
	4,9x10-4
	-3,30
	5
	11
	284
	3,52 x 10-3
	6,51x10-4
	-3,18
 Fonte: Autores,2018.
O calor-padrão médio (∆Hº) de solução pode ser estimado pela melhor reta correspondente à variação do log da fração molar do ácido benzóico pelo inverso da temperatura, conforme o Gráfico 1.
 Fonte: Autores,2018.
Para a determinação do calor-padrão médio (∆Hº) de solução do C7H6O2 utilizou-se a equação de Van’t Hoff, a pressão constante:
Onde o valor R equivale a 8,314 J.mol-1.K-1
	A equação de Van’t Hoff é equivalente a equação da reta (y = ax + b), na qual o termo y corresponde a log X, - ΔH°/2,303 R ao coeficiente angular “a” da reta, 1/T ao “x’ e K ao b. 
	Observando o gráfico acima, foi possível calcular a equação da reta, sendo que esta é dada por y = -0,166x-2,502. Percebe-se que o valor de correlação linear, R² =0,8182 , o que representa uma linearidade satisfatória dos valores encontrados, já que quanto mais próximo de 1,0000 mais próxima da linearidade está à disposição dos pontos. Em posse do coeficiente angular da reta, realizou-se o cálculo do calor-padrão médio de solução do ácido benzóico:
∆H°= 0,166.
∆Hº=3,17842 J.mol-1 ou 3,17842 x10-3 kJ mol-1
	Pode-se analisar que o valor da ∆Hº=3,17842 x10-3 kJ mol-1, trata-se de uma reação endotérmica (ΔH >0), resultado que condiz com o experimento realizado.
	Contudo, há erros experimentais verificados, dentre eles pode-se citar o erro na titulação, o tempo de transferência entre os líquidos, base e ácido, o tempo de transferência do ácido para dentro do erlenmeyer, o volume das soluções, vidrarias terem sido pesadas erradas e o termômetro verificado errado. Para a correção desses supostos erros, seria necessária maior rapidez no momento da transferência da solução ácida para o erlenmeyer, termômetros mais precisos, uma verificação correta do mesmo, maior precisão nos volumes das soluções, maior cuidado ao realizar a titulação.
	O aumento ou diminuição da solubilidade em função da temperatura respeita o princípio de Le Chatelier.
	A Tabela 4 mostra a determinação da solubilidade do ácido benzoico em 100g de água.
Tabela 4 – Valores para determinação da solubilidade do HBz em cada amostra.
	Temperatura (°C)
	mH2O (g)
	mHBZ (g)
	Solubilidade
(g soluto/100g solvente)
	80
	10
	0,171
	1,71
	60
	14,5
	0,158
	1,09
	40
	13
	0,07
	0,54
	23
	11,3
	0,04
	0,35
	11
	12,5
	0,05
	0,4
 Fonte: Autores,2018.
	A solubilidade é a concentração de um soluto que permite ser solvatado por um solvente a determinada temperatura formando uma solução saturada, isto é, quando atingiu o estado de equilíbrio entre a solução e a concentração de soluto. O Gráfico 2, representa os valores de solubilidade em função da temperatura em relação ao ácido benzoico.
 Fonte: Autores,2018.
	
	Sabe-se que na maioria dos casos a solubilidade das substâncias aumenta com o aumento da temperatura ou diminui com a diminuição da mesma, exceto nos sólidos inorgânicos este efeito varia muito, é o caso do NaCl, sua solubilidade (g/100g de água) é pouco afetada com o aumento da temperatura, devido as ligações iônicas. 
	Já o C7H6O2 é um composto orgânico e sua solubilidade é afetada com o aumento da temperatura, a dissolução deste sal é um processo endotérmico, a absorção de calor implica em deslocamento do equilíbrio para a direita.
C7H6O2(s) + H2O(l) + Calor C7H6O2(aq)
	Com isso aumenta a massa do ácido benzoico na fase aquosa, ou seja, sua solubilidade aumenta com a temperatura, porém com a diminuição da temperatura ocorre a cristalização do composto, devido à baixa solubilidade, fato que ocorreu no experimento. Então a curva de solubilidade do C7H6O2 é dita ascendente, pois o composto é dissolvido com a absorção de calor, e insolúvel em baixa temperatura.
Conclusão
	Para um resultado mais preciso a fim de determinar o calor médio de solução, utilizou-se cinco variações de temperaturas (80°C,60°C,40°C,23ºC e 11ºC), a partir do equilíbrio entre a forma precipitada e a forma dissolvida da solução saturada de ácido benzóico em determinadas temperaturas, foi possível determinar a entalpia média de solução para este ácido. 
	Após determinar alguns parâmetros experimentais foi possível realizar o cálculo da fração molar do ácido benzóico na alíquota para posterior cálculo do coeficiente angular da reta através da equação de Van’t Hoff, que nos permitiu encontrar a entalpia média da solução de ácido benzóico, a qual foi ∆Hº=3,17842 x10-3 kJ mol-1, tratando-se de uma reação endotérmica (ΔH >0), resultado que condiz com o experimento, já que à medida que diminuiu a temperatura (80°C,60°C,40°C,23ºC e 11ºC) a solubilidade(1,71g,1,09g,0,54g,0,35g,0,4g)do ácido benzóico em água diminuiu respectivamente, ocasionando a cristalização do mesmo.
	Dessa forma, o objetivo da aula foi atingido e os erros obtidos podem ser provenientes de eventual, erros na leitura do ponto de viragem durante a titulação, de pesagem da amostra, na retirada de alíquotas do ácido benzóico entre outros.
Questões:
O que é solução saturada?
Soluções saturadas contêm uma quantidade de soluto dissolvido igual à sua solubilidade naquela temperatura, isto é, excesso de soluto, em relação ao valor do coeficiente de solubilidade (Cs), não se dissolve, e constituirá o corpo de fundo.
Como variou a solubilidade do ácido benzoico com a temperatura?
Quanto maior a temperatura, maior a solubilidade do Ácido Benzoico.
Como foi detectada, experimentalmente, a variação da solubilidade do ácido benzoico com a temperatura?
Observou-se através dos cálculos de concentração feitos com os dados obtidos na titulação.
A mesma técnica experimental poderia ser utilizada caso a solubilidade diminuísse com a temperatura?
Sim, pois aumentaria a concentração do ácido na solução conforme a mesma fosse resfriada, ou diminuiria conforme fosse aquecida.
Como são relacionadas, matematicamente, a solubilidade com a temperatura? Como relacionar essas grandezas linearmente?
A solubilidade e a temperatura são diretamente proporcionais, ou seja, em um gráfico (temperatura X fração molar) obtêm-se uma reta. 
Como a partir da relação matemática entre a solubilidade e a temperatura pode ser calculado o calor médio de solução? Descreva em detalhes.
O calor de solução pode ser calculado conhecendo-se a variação da fração molar na solução saturada em função da temperatura, que é dada matematicamente pela equação de vant’ Hoff, a pressão constante, por: 
O calor padrão médio de soluço pode então ser estimado pela inclinação da reta log X versus T-1.
Qual o método adequado para relacionar dados experimentais que deveriam se comportar linearmente, mas que, durante o experimento, são sujeitas a pequenos erros?
Deve-se calcular a média aritmética dos dados obtidos para encontrar um valor médio que deve ser o resultado mais provável. Graficamente, pode-se utilizar a linha de tendência.
Como é calculada a unidade de medida de concentração fração molar?
Fração molar é a relação estabelecida entre o número de mol de uma determinada matéria e o número de mol de toda a mistura em que a matéria está inserida. A letra que representa essa relação é o X maiúsculo.
X = número de mol da matéria Y 
     Número de mol da mistura
O que é calor padrão de solução por mol?
O calor de solução é a variação de entalpia que acontece durante a dissolução de 1 mol de uma dada substância numa determinada quantidade de solvente, originando uma concentração específica, geralmente diluição infinita.
Por que se tinha que evitar a entrada de cristais do soluto na pipeta?
Pois os cristais não estão dissolvidos, e para se calcular a quantidade de soluto dissolvido deve-se utilizar uma solução saturada, e assim, com alguns cristais, aumentaria a concentração do soluto no momento da titulação.
Por que se deveria equilibrar termicamente a pipeta com a solução a ser pipetada?
Pois se a pipeta estiver numa temperatura mais baixa ela irá cristalizar o acido dentro da pipeta e assim altera a quantidade de acido dissolvido na amostra coletada.
Por que se fez a pesagem de cada alíquota tomada?
Para se calcular a quantidade de mols de Ácido Benzoico em cada alíquota tomada.
Era problemático o fato da pipeta não ser calibrada para medir volumes a temperaturas relativamente altas?
Sim, pois devido à alta temperatura da solução, a pipeta poderia ter seu volume alterado, resultando em resultados errados.
Para que serve a fenolftaleína?
A fenolftaleína serve como indicador e é utilizado na titulação do Ácido Benzoico. Após o Hidróxido de Sódio consumir todo o ácido benzoico, a fenolftaleína, indica a presença do excesso de hidróxido de sódio, e assim que toda a quantidade de ácido foi consumida, sendo possível assim, determinar a quantidade de ácido presentena solução.
Discuta as principais fontes de erro do experimento.
Os principais erros desse experimento podem ocorrer devido a erros na coleta das alíquotas de Ácido Benzoico dissolvido, devido a ele tender a recristalização, e assim, ter uma certas quantidades de cristais sólidos na solução.
O Ácido succínico, C4H6O4, dissolvesse em 100g de água segundo a tabela
	0°C
	0
	12,5
	25
	37,5
	50
	Solubilidade em g soluto/
100g de solvente
	2,75
	4,92
	8,35
	14,00
	21,40
Considerando que a dissociação do Ácido é desprezível, determine o calor médio de solução do ácido succínico, com água.
Fazendo o gráfico podemos calcular a equação da reta. E encontraremos a.
Desta forma:
Equação da reta : y = 0,2237x + 0,2343
Referências:
RUSSEL, J. B. Química Geral, Vol. 1, 2ª ed, Makron Books São Paulo:1994.
BRADY J. E. &amp; Humiston G.E., Química Geral. Vol. 1, 2ªed. LTC, Rio de Janeiro:1986.
CASTELLAN, G. W., Fundamentos de Físico-Química, 1ªed., LTC, Rio de Janeiro:1996.
REGER, D; GOODE, S; MERCER, E. Química: princípios e aplicações. Fundação Calouste Gilbenkian. Lisboa, 1997. 
CASTELLAN, G. Fundamentos de físico-química.1° ed. Rio de Janeiro. Editora LTC,2003.
ATKINS, P. Fisico-Quimica, 7º ed, Rio de Janeiro: LTC, 2002. 
ATKINS, P., LORETTA, J. Princípops de Quimica, Questioando a vida moderna e o meio ambiente. 3º ed. – Porto Alegre: Bookman 2006.
LENZI,E.,et al.;Química Geral Experimental. Freira Bastos Editora, Rio de Janeiro,2004