Relatorio 6 - Volumetria Acido Base

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS
QUÍMICA ANALÍTICA EXPERIMENTAL
PROF. RENATO LAJARIM
EXPERIMENTO 6 – Determinação do Conteúdo de Nitrogênio em Polímeros
Enrico Schiavo
Fernando Augusto
Flora Sati
23/10/2013
1 - Introdução
Volumetria Ácido-Base: consiste no processo de titulação de um ácido ou uma base. A titulação é o processo usado para se determinar a concentração de uma solução A, por meio da reação de determinado volume de A com outra solução B, de concentração e volume conhecidos. A concentração é encontrada com a fórmula:
Ca x Va = Cb x Vb
Análise Titrimétrica: refere-se à análise química quantitativa efetuada pela determinação do volume de uma solução (solução padrão), cuja concentração é exatamente conhecida, que reage quantitativamente com um volume conhecido da solução que contém a substância a ser determinada. O peso da substância a ser determinado é calculado a partir do volume da solução que foi usado, da equação química e das massas moleculares relativas aos compostos que reagem.
Titulação Processo de combinar a solução padrão até que a reação esteja completa.
Ao seu término a substância a ser determinada está titulada.
Ponto de equivalência ou estequiométrico Ponto exato em que a titulação ocorre.
Ponto final da titulação Depois de a reação entre a substância e a solução padrão estar praticamente completa, o indicador deve provocar uma modificação visual nítida (ou alteração de cor) do líquido que está sendo titulado. O ponto em que isto ocorre é o ponto final da titulação.
Titulação ideal Ponto estequiométrico = Ponto final da titulação.
	Condições para que a reação seja adotada na análise titrimétrica:
1) Deve ser uma reação simples, expressa por uma equação química; a substância a ser titulada deve reagir completamente com o reagente, em proporções estequiométricas ou equivalentes.
2) A reação deve ser relativamente rápida. Em alguns casos, pode ser necessária a adição de um catalisador para aumentar a velocidade da reação.
3) No ponto de equivalência deve haver alteração de alguma propriedade física ou química da solução.
4) Deve-se dispor de um indicador que, pela alteração de propriedade física, possa definir o ponto final da reação.
	Método de KJELDAHL: Embora existam outros métodos químicos e físicos para a determinação do nitrogênio orgânico, o processo de Kjeldahl ainda é muito usado e é uma técnica muito confiável, com rotinas bem estabelecidas. 
O conceito básico do método é o da digestão do material orgânico, como proteínas, pelo ácido sulfúrico e um catalisador, a fim de converter todo o nitrogênio orgânico a sulfato de amônio em solução. Alcalinizando-se a mistura, toda a amônia pode ser destilada com o vapor de água e o destilado alcalino que se obtém pode ser titulado por ácido padrão.
	Função dos reagentes:
Ácido Sulfúrico (d = 1,84 mg/mL) Parte dele é reduzido à dióxido de enxofre, o qual reduz o material nitrogenado à amônia.
Sulfato de cobre cristalizado (CuSO4.5H2O) e mercúrio metálico Catalisadores da reação de digestão.
Sulfato de sódio anidro (Na2SO4) É adicionado pra aumentar a temperatura da mistura em reação e acelerar a digestão.
Solução de sulfeto de sódio (Na2S) ou potássio É adicionado na destilação e reage com o cobre formando um precipitado preto.
Solução padrão de hidróxido de sódio (785,0 g/L) Antes da destilação é adicionado para reagir com o sulfato de amônia para liberar somente a amônia, que, posteriormente, será destilada.
Solução de ácido bórico (40g/L) A amônia liberada é coletada em solução de ácido bórico para que, reagindo entre si, ocorra a formação do borato de amônio e evite a evaporação da mesma.
Solução de indicador misto Verde de bromocresol e vermelho de metila.
Solução de HCl (0,01M) Reagirá com o borato de amônio e determinar o volume de nitrogênio encontrado na amostra.
	Decomposição dos compostos orgânicos nitrogenados pela digestão com ácido sulfúrico: O carbono e o hidrogênio do material orgânico são oxidados a dióxido de carbono e água. Uma parte do ácido sulfúrico é reduzida a dióxido de enxofre, que reduz o material nitrogenado à amônia. A amônia combina-se com o ácido sulfúrico, permanecendo como sulfato de amônio, uma substância com alto ponto de ebulição. 
No processo de digestão adiciona-se sulfato de cobre e mercúrio para agirem como catalisadores. O sulfato de sódio é adicionado para aumentar a temperatura da mistura em reação e acelerar a digestão.
- Digestão:
 /\ Na2SO4, CuSO4
CaHbNc (s) + H2SO4 ----------------------- a CO2 (evapora) + b/2 H2O + c NH4HSO4-
A amônia gerada na digestão é posteriormente destilada após a adição de hidróxido de sódio, sendo coletada em uma solução de ácido bórico com o indicador misto (composto por verde de bromocresol e vermelho de metila) em baixa temperatura. 
A coleta da amônia gasosa deve ser realizada em solução de ácido bórico, pois estes reagem entre si formando o borato de amônia. Esta reação impede a evaporação da amônia evitando assim, a perda de nitrogênio.
- Destilação por arraste de vapor:
c NH4HSO4 + NaOH --------- c NH3 (evapora) + c Na2SO4 + c H2O
c NH3 + (c+d) H3BO3 ------ c NH4H2BO3 + d H3BO3
Pode-se então fazer a titulação da amônia diretamente, com solução padrão de ácido forte, pois o ácido bórico é muito fraco e afeta pouco a concentração do íon hidrogênio durante a titulação. É necessário, entretanto, que o frasco receptor da amônia destilada seja mantido resfriado durante a destilação, pois o borato de amônio é volátil.
A análise volumétrica permite que se calcule, através da estequiometria da reação, a quantidade de mol existente na amostra.
- Titulação:
c NH4H2BO3 + c HCl ------- c NH4Cl + c H3BO3
2- Procedimento experimental por tópicos
1) Digestão da amostra: Amostra (polímero nylon 6-6) + Na2SO4 + CuSO4 + H2SO4 
Obs: CuSO4: catalisador.
 Na2SO4: propriedade coligativa, atua abaixando a pressão de vapor da mistura, permitindo que esta seja aquecida a uma temperatura maior sem que entre em ebulição. Desta maneira não se perde o H2SO4.
Reação I:
 /\ Na2SO4, CuSO4
CaHbNc (s) + H2SO4 ---------------------- a CO2 (evapora) + b/2 H2O + c NH4HSO4-
(nylon 6-6) 
A reação I pode ser escrita sob a forma de:
 /\ catalis. 
Amostra + H2SO4 -----------------> CO2 (evapora) + H2O + SO2 + NH3
 (Excesso)
NH3 + H2SO4 ------ NH4HSO4-
2) Resfriar a solução.
3) Destilação: adicionar NaOH – o NaOH eleva o pH da solução permitindo que seja possível a retirada da amônia – e em excesso ele neutraliza o H2SO4 e eleva o pH. O sulfeto de sódio (Na2S) reage com o cobre da amostra formando um precipitado preto.
c NH4HSO4 + NaOH --------- c NH3 (evapora) + c Na2SO4 + c H2O
A amônia gerada na destilação deve ser coletada em uma solução de ácido bórico, forma-se o borato amônio (volátil, por isso o frasco deve ser mantido resfriado).
c NH3 + (c+d) H3BO3 + ind. misto ------ c NH4H2BO3 + d H3BO3
4) Titulação: transferiu-se a solução do frasco digestor para um balão volumétrico de 100 mL, completando o volume com água destilada. Pipetou-se 20 mL dessa solução, que foi transferida para o frasco digestor e adicionou-se 20 mL de ácido bórico. Titulou-se com a solução padronizada de HCl, pois o ácido bórico é muito fraco e quase não afeta a concentração de H+ durante a titulação, que terá a mudança de coloração vermelha para violeta.
Titulação: 
c NH4+H2BO3- + c H+Cl- ------- c NH4+ + c Cl- + c H3BO3
3- Resultados e discussão
Na preparação dos frascos de Kjeldahl foram colocados, além de 0,1125g da amostra de Nylon 6-6, objeto do nosso estudo, 2,0064g de Na2SO4, 0,6034g de CuSO4 e 5mL de H2SO4 concentrado. Foi realizada, então, a dissolução da amostra em alta temperatura durante 30minutos. Nesta etapa ocorre a seguinte reação:
	No aparelho de destilação da amônia, esta foi recolhida em solução de ácido bórico segundo a seguinte reação de formação da amônia:
Evaporando-se a amônia e recolhendo-a no ácido, por 30 minutos, temos:
	Em seguida realizamos a titulação com ácido clorídrico para determinação da quantidade de nitrogênio na solução inicial:
Como o volume de ácido clorídrico é conhecido (21 mL), podemos calcular a quantidade de ácido bórico reagido com a amônia recolhida:
21 mL x 0,01 mol/L x 1L/1000mL = 0,00021 mol de HCl
	Portanto, foram utilizados 0,00021 mol de H2BO3-, que correspondem estequiometricamente a 0,00021 mol de NH3 (MM = 17 g/mol):
	Essa quantidade está contida em 20 mL de solução, então em 100 mL temos:
n = 0,00021 x 100 / 20 = 0,00105 mols NH3
	A massa de N presente é calculada:
m = 0,00105 x 14 = 0,0147 g N
	Como partimos de uma amostra inicial de 0,1125g de Nylon 6-6, podemos calcular a porcentagem de nitrogênio na amostra:
(0,0147 g / 0,1125 g) x 100 = 13,1 % de nitrogênio.
4- Conclusão 
	Verificou-se a presença de 13,1% de nitrogênio na amostra de Nylon 6-6. Provavelmente houve falhas na titulação do borato de amônio, pois esta etapa necessita de certa habilidade para ser bem executada. A mudança de coloração que ocorre ao final da titulação é muito rápida, por isso, provavelmente mais ácido clorídrico foi misturado à solução do que o necessário para neutralizá-la, causando uma imprecisão considerável no resultado.