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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA BAHIA– IFBA LICENCIATURA EM QUÍMICA QUÍMICA GERAL EXPERIMENTAL I ANA BEATRIZ DOS SANTOS VIEIRA NOVAES LETÍCIA VIEIRA FERRAZ DE BRITO LIDIANE DUTRA BRITO PATRICK FÉLIX DE OLIVIERA THIAGO PRADO LINDMAN RENDIMENTO DE UMA REAÇÃO DE PRECIPITAÇÃO – ESTEQUIOMETRIA VITÓRIA DA CONQUISTA – BAHIA 2017 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA BAHIA– IFBA LICENCIATURA EM QUÍMICA QUÍMICA GERAL EXPERIMENTAL I ANA BEATRIZ DOS SANTOS VIEIRA NOVAES LETÍCIA VIEIRA FERRAZ DE BRITO LIDIANE DUTRA BRITO PATRICK FÉLIX DE OLIVIERA THIAGO PRADO LINDMAN RENDIMENTO DE UMA REAÇÃO DE PRECIPITAÇÃO – ESTEQUIOMETRIA RELATÓRIO APRESENTADO AO PROFESSOR ALESSANDRO SANTOS SANTANA COMO AVALIAÇÃO PARCIAL DA DISCIPLINA QUÍMICA GERAL I, REFERENTE AO ROTEIRO DE PRÁTICA NÚMERO 10. Vitória da Conquista – Bahia 2017 1 INTRODUÇÃO Reação química pode ser entendida como o processo em que substâncias iniciais (reagentes) reagem produzindo novas substâncias (produtos). Existem diversos tipos de reações químicas, dentre os quais é possível citar: reação de combustão, reação de decomposição, reação neutralização, reação de precipitação, etc. As reações de precipitação caracterizam-se pela formação de precipitados em uma solução aquosa. Precipitado é um sólido que não se dissolve na solução, seja pela concentração (ou saturação) ou pela diferença de polaridade. Dependendo da densidade do precipitado, ele irá afundar ou flutuar. Uma reação de precipitação produz um produto insolúvel em água, conhecido como precipitado. Os reagentes dessas reações são geralmente compostos iônicos solúveis em água. Quando essas substâncias se dissolvem em água, consequentemente, dissociam-se para fornecer cátions e ânions apropriados. Se o cátion de um dos compostos puder formar um composto insolúvel com o ânion do outro composto na solução, ocorre a reação de precipitação. (KORTZ;TREICHEL; W EAVER. 2008 . p.153) Estequiometria, do grego stoikheion (elemento) e metron (medida), é o cálculo que relaciona as quantidades de reagentes e produtos presentes em uma reação, utilizando uma equação química. O cálculo estequiométrico é baseado no entendimento das massas atômicas e na lei de conservação de massa, descoberta por Laviosier, que afirma que “A massa total de uma substância presente ao final de uma reação química é a mesma massa total do início da reação” (BROWN, 2005, p. 67). Exemplo: 𝑯𝟐 + 𝑶𝟐 ⟶ 𝑯𝟐𝑶 A equação apresentada acima não está de acordo com a lei de conservação de massa, ou seja, a massa dos produtos não é igual à massa dos reagentes. Desta maneira, é necessário balanceá-la de modo a obter equilíbrio químico. 𝑯𝟐 + 𝟐𝑶𝟐 → 𝟐𝑯𝟐𝑶 Como dito anteriormente, para entender o cálculo estequiométrico, é necessário ter entendimento prévio da massa atômica. A massa atômica depende do número de prótons, nêutrons e elétrons presentes numa determinada espécie, mas os átomos são tão pequenos que é impossível medir a massa de um único átomo. Contudo, é possível “determinar experimentalmente a relação de massa entre dois átomos.” (CHANG, 2010, p. 57) Desta maneira, estabeleceu-se uma convenção que determina que a massa atômica é medida em unidades de massa atômica (u), “definida como a massa igual a exatamente 1/12 da massa de um átomo de carbono-12. [...] Por convenção, estabeleceu-se que a massa atômica do carbono-12 é igual a 12u ” (Idem, ibidem). Em uma molécula, a soma das massas atômicas dos átomos presentes na molécula determina a massa molecular. Além de ser utilizado como referência de massa, o carbono-12 é utilizado como base para o mol, uma unidade de medida utilizada para expressar massa. De acordo com o Sistema Internacional de Unidades (SI), o mol é a quantidade de uma substância que contém tantas entidades elementares – sejam elas átomos, moléculas, etc – quanto 12g de átomos de carbono- 12. O número de átomos presentes em 12g de carbono-12 foi descoberto experimentalmente pelo cientista italiano Amedeo Avogadro e é chamado número de Avogadro (𝑁𝐴), em sua homenagem. O valor desse número é: 𝑵𝑨 = 6.022 x 𝟏𝟎 𝟐𝟑 𝒎𝒐𝒍−𝟏 Para prever as quantidades das substâncias que participam de uma reação química, utiliza-se o cálculo estequiométrico. Para efetuar um cálculo estequiométrico é necessário escrever a equação envolvida, balancear a equação, relacionar os coeficientes em mols e, por fim, estabelecer uma relação entre os dados para resolver o problema apresentado. Exemplo: 7 mols de álcool etílico (C2H6O) reagem com O2 e entram em combustão. Quantas moléculas de O2 serão consumidas nesta reação? 1° escrever a reação: C2H6O + O2 → CO2 + H2O 2° balancear a equação: 1 C2H6O + 3 O2 → 2 CO2 + 3 H2O 3° Estabelecer as proporções: 1 mol de C2H6O -------- 3 mols de O2(g) 7 mols de C2H6O -------- x x = 21 mols de O2 Sabemos que em 1 mol de moléculas há 6,02 * 1023 moléculas, então: 1 mol -------- 6,02 * 1023 21 mols ------ x x = 1,26 * 1025 1,26 * 1025 moléculas de O2 são consumidas na reação. 2 PARTE EXPERIMENTAL Materiais e Reagentes 02 vidros de relógio 02 provetas 03 bastões de vidro 02 béqueres Funil de vidro Papel filtro Balança Analítica Suporte Universal Estufa Bico de Bunsen Tripé de ferro Tela de Amianto Estufa Cloreto de bário Cromato de potássio Água destilada (H2O) Anel de Ferro Procedimentos Pesou-se 0,80g de cromato de potássio (𝐾2𝐶𝑟𝑂4) utilizando-se um vidro relógio e a balança analítica. Em seguida, transferiu-se o 𝐾2𝐶𝑟𝑂4 para um béquer de 250ml e adicionou- se 100 ml de água destilada, medida em uma proveta de 100 ml, e então fez-se a dissolução com o auxílio do bastão de vidro. Figura 1: Cromato de Potássio Em seguida, pesou se 0,60g de cloreto de bário (𝐵𝑎𝐶𝑙2) em um béquer de 250ml, e acrescentou-se 50ml de água destilada medida em proveta. Como na solução anterior, a dissolução foi feita com auxílio do bastão de vidro. Figura 2: Cloreto de Bário Submeteu-se a solução de cromato de potássio ao processo de fervura utilizando o bico de Bunsen, o tripé de ferro e a tela de amianto e, em seguida, adicionou-se sobre ela a solução de cloreto de bário. Figura 3 Solução entre cromato de potássio e cloreto de bário Figura 4: Solução de cromato de potássio iniciando a fervura. Enquanto a solução de 𝐾2𝐶𝑟𝑂4 fervia, pesou-se o papel filtro na balança analítica, e o resultado obtido foi de 1,0480g. Após a mistura das duas soluções citadas anteriormente, adaptou-se o anel de ferro em um suporte universal, e encaixou-se um funil de vidro, onde adaptou-se o papel filtro. Filtrou-se a solução resultante de modo que todo o precipitado foi transferido para o filtro. Figura 4: Suporte universal, anel de ferro e funil de vidro. Completado o processo de filtração, o precipitado retido no papel filtro foi então levado à estufa para secar a 150ºC durante 15 minutos. Figura 5: Precipitado obtido após a filtragem e a secagem. 3 Resultados e Discussões Inicialmente, foram dissolvidos 0,80g de cromato de potássio em 100mL de água destilada, obtendo-se uma solução de tonalidade amarelo-alaranjada. Como a sua solubilidadeé de 637 g/L (20° C), essa pequena quantia é facilmente dissolvida, mesmo com pouca de água. A solução é aquecida para garantir que a reação com a próxima solução seja realizada da melhor forma possível, pois o aquecimento interfere nas forças intermoleculares e permite que haja uma quebra nas ligações, fazendo o cromato de potássio se dissolver completamente. A reação é representada pela seguinte equação: 𝐾2𝐶𝑟𝑂4 (𝑠) 𝐻2𝑂 → 2𝐾 (𝑎𝑞) + + 𝐶𝑟𝑂4 (𝑎𝑞) 2− Na segunda solução foram dissolvidos 0,60g de cloreto de bário em 50mL de água destilada, que também é facilmente dissolvido, já que sua solubilidade é de 375 g/L (20° C). A reação pode ser representada da seguinte maneira: 𝐵𝑎𝐶𝑙2 (𝑠) 𝐻2𝑂 → 𝐵𝑎 (𝑎𝑞) +2 + 2𝐶𝑙 (𝑎𝑞) − Ao se misturar as duas soluções obtém-se cromato de bário que, por possuir uma solubilidade muito baixa, precipita no fundo do béquer, e cloreto de potássio que, por possuir uma solubilidade maior, continua difuso na solução. Tal processo por ser representado pela seguinte equação: 𝐾 (𝑎𝑞) + + 𝐶𝑙 (𝑎𝑞) − → 𝐾𝐶𝑙 𝐵𝑎 (𝑎𝑞) +2 + 𝐶𝑟𝑂4 (𝑎𝑞) 2− → 𝐵𝑎𝐶𝑟𝑂4 (𝑠) Ou, de maneira mais simplificada: 𝐾2𝐶𝑟𝑂4 + 𝐵𝑎𝐶𝑙2 → 2𝐾𝐶𝑙 + 𝐵𝑎𝐶𝑟𝑂4 Em seguida, pesou-se o papel filtro a ser utilizado e obteve-se o resultado de 1,0480g. Ao filtrar a solução, é possível coletar, no papel utilizado como filtro, o precipitado de cromato de bário. O precipitado retido no papel filtro foi então levado à estufa durantes 15 minutos a 150ºC, de modo a eliminar, com o calor, a umidade restante e qualquer impureza que possa ter acompanhado o cromato de bário. Pesou-se novamente o papel filtro, dessa vez com o precipitado, e o resultado obtido foi 1,5540g. Calculando a diferença do peso do papel entre antes e depois de coletado o precipitado sobre ele, é possível saber a quantidade de cromato de bário que não foi dissolvido pela água, que foi de 0,506g. Utilizando a lei de Lavoisier, sobre a conservação de massas, a cada 194g de cromato de potássio e cada 208g de cloreto de bário, obtêm-se 253g de cromato de bário e 149g de cloreto de potássio. Como no experimento foram utilizados 0,80g e 0,60g de cloreto de bário e cromato de bário, respectivamente, utiliza-se o composto com menor massa, no caso o cromato de bário, para os cálculos. Como a cada 208g de cloreto de bário se obtém 253g de cromato de bário, é feito um cálculo em proporção para se saber o quanto de cromato de bário se obtêm com 0,60g de cloreto de bário: 208g de cloreto de bário 0,60g de cloreto de bário = 253g de cromato de bário xg de cromato de bário 𝑥 ≅ 0,72g de cromato de bário Pela quantidade de cloreto de bário obtém-se cerca de 0,72g de cromato de bário. Como foi-se preparado 0,80g de cromato de potássio em 100mL de água destilada e 0,60g de cloreto de bário em 50mL de água destilada, obtêm-se uma solução de 150mL. Como obteve-se, teoricamente, 0,72g de cromato de bário, é necessário saber quanto de cromato de bário é precipitado no fundo. Segundo o IFA – Institute for Occupational Safety and Health of the German Social Accident Insurance, o cromato de bário possui 0,34 g/l de solubilidade em água. Logo é necessário saber quanto do composto será precipitado. 0,34𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑟𝑜𝑚𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑏á𝑟𝑖𝑜 𝑥𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑟𝑜𝑚𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑏á𝑟𝑖𝑜 = 1000𝑚𝐿 𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎 150𝑚𝐿 𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎 𝑥 = 0,051𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑟𝑜𝑚𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑏á𝑟𝑖𝑜 150mL de água só dissolvem cerca de 0,051g de cromato de bário. Como a quantidade obtida é de 0,72g, basta tirar a diferença entre a quantidade dissolvida e a obtida para saber a quantidade que será precipitada. 0,72𝑔 − 0,051𝑔 = 0,669𝑔 O que seria obtido, teoricamente, de precipitado de cromato de bário seria 0,669g. Porém obteve-se 0,506g de precipitado de cromato de bário. Calculando a desigualdade entre o valor obtido teoricamente e o valor obtido na prática, tem-se 0,163g de cromato de bário de diferença. 0,506𝑔 0,669𝑔 × 100% ≅ 75,6% Obteve-se um rendimento de cerca de 75,6% de precipitado de cromato de bário, entre os valores obtidos de forma teórica e pratica. 4 Questionário 1) Escreva a equação química correspondente à reação observada. Indique o precipitado formado. Primeiramente, dissociou-se em água o cromato de potássio e o cloreto de bário em água destilada. 𝐾2𝐶𝑟𝑂4 (𝑠) 𝐻2𝑂 → 2𝐾 (𝑎𝑞) + + 𝐶𝑟𝑂4 (𝑎𝑞) 2− 𝐵𝑎𝐶𝑙2 (𝑠) 𝐻2𝑂 → 𝐵𝑎 (𝑎𝑞) +2 + 2𝐶𝑙 (𝑎𝑞) − Ao misturar ambas as soluções obtem-se: 𝐾 (𝑎𝑞) + + 𝐶𝑙 (𝑎𝑞) − → 𝐾𝐶𝑙 𝐵𝑎 (𝑎𝑞) +2 + 𝐶𝑟𝑂4 (𝑎𝑞) 2− → 𝐵𝑎𝐶𝑟𝑂4 (𝑠) De maneira resumida: 𝐾2𝐶𝑟𝑂4 + 𝐵𝑎𝐶𝑙2 → 2𝐾𝐶𝑙 + 𝐵𝑎𝐶𝑟𝑂4 Da mistura de cromato de potássio e o cloreto de bário obtém-se cloreto de potássio e cromato de bário. Segundo o IFA – Institute for Occupational Safety and Health of the German Social Accident Insurance, o cloreto de potássio possui 347 g/l de solubilidade em água (20° C) e o cromato de bário possui apenas 0,34 g/l de solubilidade em água (20° C), ou seja, o cromato de bário satura a solução primeiro, precipitando no fundo. 2) Qual a finalidade de se aquecer a solução de cromato de potássio? A finalidade de aquecer a solução de cromato de potássio é favorecer a dissolução. A reação entre o cromato de potássio e o cloreto de bário é endotérmica, ou seja, necessita absorver calor para reagirem e resultarem em cloreto de potássio e cromato de bário. Soma-se a isso o fato de que com o aumento da temperatura da solução aumenta-se a energia cinética dos átomos, ou seja, eles se movimentam com mais intensidade, o que facilita no choque entre os átomos e, portanto, na reação, na junção dos átomos para a formação das moléculas. 3) Por que a filtração deve ser realizada com o máximo cuidado? Por duas razões. Primeiro, para evitar que o precipitado vaze pelos lados do filtro, o que resultaria em uma perda deste. E segundo, para evitar que o filtro de papel se rasque, que também perderia o precipitado. 4) Qual a finalidade de se lavar o precipitado obtido com água destilada? A água destilada não contém outras substâncias que possam reagir com o precipitado. O fato de se lavar é para se aproveitar o máximo possível do precipitado, “resgatando” o pouco restante no fundo do béquer. 5) Calcule o rendimento teórico da reação. Calcule o rendimento prático. Compare o resultado prático com o calculado teoricamente. Calcule o rendimento percentual da reação. Utilizando a lei de Lavoisier, sobre a conservação de massas, a cada 194g de cromato de potássio e cada 208g de cloreto de bário, obtêm-se 253g de cromato de bário e 149g de cloreto de potássio. Como no experimento foram utilizados 0,80g e 0,60g de cloreto de bário e cromato de bário, respectivamente, utiliza-se o composto com menor massa, no caso o cromato de bário, para os cálculos. Como a cada 208g de cloreto de bário se obtém 253g de cromato de bário, é feito um cálculo em proporção para se saber o quanto de cromato de bário se obtêm com 0,60g de cloreto de bário: 208g de cloreto de bário 0,60g de cloreto de bário = 253g de cromato de bário xg de cromato de bário 𝑥 ≅ 0,72g de cromato de bário Pela quantidade de cloreto de bário obtém-se cerca de 0,72g de cromato de bário. Como foi-se preparado 0,80g de cromato de potássio em 100mL de água destilada e 0,60g de cloreto de bário em 50mL de água destilada, obtêm-se uma solução de 150mL. Como obteve-se, teoricamente, 0,72g de cromato de bário, é necessário saberquanto de cromato de bário é precipitado no fundo. Segundo o IFA – Institute for Occupational Safety and Health of the German Social Accident Insurance, o cromato de bário possui 0,34 g/l de solubilidade em água. Logo é necessário saber quanto do composto será precipitado. 0,34𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑟𝑜𝑚𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑏á𝑟𝑖𝑜 𝑥𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑟𝑜𝑚𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑏á𝑟𝑖𝑜 = 1000𝑚𝐿 𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎 150𝑚𝐿 𝑑𝑒 á𝑔𝑢𝑎 𝑥 = 0,051𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑟𝑜𝑚𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑏á𝑟𝑖𝑜 150mL de água só dissolvem cerca de 0,051g de cromato de bário. Como a quantidade obtida é de 0,72g, basta tirar a diferença entre a quantidade dissolvida e a obtida para saber a quantidade que será precipitada. 0,72𝑔 − 0,051𝑔 = 0,669𝑔 O que seria obtido, teoricamente, de precipitado de cromato de bário seria 0,669g. Porém obteve-se 0,506g de precipitado de cromato de bário. Calculando a desigualdade entre o valor obtido teoricamente e o valor obtido na prática, tem-se 0,163g de cromato de bário de diferença. 0,506𝑔 0,669𝑔 × 100% ≅ 75,6% Obteve-se um rendimento de cerca de 75,6% de precipitado de cromato de bário, entre os valores obtidos de forma teórica e pratica. 6) Discuta as causas dos desvios, que porventura forem encontrados, entre o resultado prático e o teórico. Existem fatores que influenciam na diferença dos resultados, tais como: Impurezas nos compostos; Perda dos compostos na hora do manuseio e da filtragem; Perda dos compostos na transferência entre os béqueres; Reação entre os compostos que não ocorrem de forma completa, ou seja, a massa dos reagentes não foi completamente convertida em produtos. 7) Numa queima de 30 gramas de grafite puro obteve-se dióxido de carbono com 90% de rendimento. Qual foi a massa de produto encontrada? Grafite puro é composto de carbono. Para a queima é necessário oxigênio, o que resulta em gás carbônico. Se só existe 90% de rendimento significa que apenas 27g dos 30g de grafite são queimados como pode-se observar no cálculo a seguir: 30𝑔 𝑥 = 100% 90% 𝑥 = 27𝑔 Segundo a lei de Lavoisier, sobre a conservação de massas: “A soma das massas das substâncias reagentes é igual à soma das massas dos produtos da reação”. Logo é necessário se calcular a quantidade de oxigênio que irá reagir com as 27g de carbono. Temos que 1 mol de carbono mais 1 mol de oxigênio reagem e formam 1 mol de dióxido de carbono. 𝐶(𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑡𝑒) + 𝑂2 (𝑔) → 𝐶𝑂2 (𝑔) Ou seja, a cada 12g de carbono são necessários 32g de oxigênio para ser ter 44g de dióxido de carbono. 12𝑔 𝑑𝑒 𝐶(𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑡𝑒) + 32𝑔 𝑑𝑒 𝑂2 (𝑔) → 44𝑔 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 (𝑔) Como somente 27g de carbono são queimados são precisos 72g de oxigênio para se obter 99g de dióxido de carbono. 12𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 27𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 = 32𝑔 𝑑𝑒 𝑜𝑥𝑖𝑔ê𝑛𝑖𝑜 𝑥𝑔 𝑑𝑒 𝑜𝑥𝑖𝑔ê𝑛𝑖𝑜 𝑥 = 72𝑔 𝑑𝑒 𝑜𝑥𝑖𝑔ê𝑛𝑖𝑜 Assim sendo: 27𝑔 𝑑𝑒 𝐶(𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑡𝑒) + 72𝑔 𝑑𝑒 𝑂2 (𝑔) → 99𝑔 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 (𝑔) Obtém-se como rendimento 99g de produto, ou seja, 99g de dióxido de carbono. 5 Conclusão Os experimentos realizados em laboratório possibilitaram a observação, na prática, de uma reação de precipitação. De acordo com o experimento realizado, foi possível concluir que a quantidade de produto obtido experimentalmente é menor do que a quantidade esperada teoricamente. Tal fenômeno pode ser atribuído a uma série de fatores, tais como: perda do produto durante a reação, que pode acontecer por má qualidade dos equipamentos ou até mesmo por erro do; reagentes que não são completamente puros; podem ocorrer, ainda, reações paralelas à “reação principal”, consumindo parte dos reagentes; dentre outros motivos. Contudo, o experimento foi satisfatório no que diz respeito a conhecer e compreender uma reação de precipitação, 6 Referência Bibliográfica KOTZ,John C. et AL. Química geral e reações químicas. 6 ed .[S.I.] Cengagelearning, 2008