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1 RIBEIRÃO PRETO OUTUBRO – 2017 RELATÓRIO DE FÍSICO-QUÍMICA CONDUTIVIDADE ELÉTRICA BIANCA LIRA SILVA SANTOS BRUNA PEREIRA PENACHIN CLARA RIBEIRO COSTA SILVA ELAINE FIGARO ROSINO ISADORA SOARES MOURO MILENA MARTINS COTRIM PAULO ROBERTO ABRAMO FILHO THAIS GUIMARÃES PROCOPIO RIBEIRÃO PRETO OUTUBRO – 2017 2 SUMÁRIO 1- INTRODUÇÃO ............................................................................................ 3 1.1. ELETRÓLITOS ..................................................................................... 3 1.2. LEIS BÁSICAS ..................................................................................... 3 1.3. ELETRÓLITOS FORTES ...................................................................... 5 1.4. ELETRÓLITOS FRACOS ..................................................................... 6 1.5. TEORIA DA DISSOCIAÇÃO ELETROLÍTICA DE ARRHENIUS ......... 6 1.6. TEORIA DE DEBYE - HÜCKEL ........................................................... 7 2- OBJETIVOS ................................................................................................ 8 3- MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................................... 9 3.1. MATERIAIS ......................................................................................... 9 3.2. MÉTODOS ............................................................................................ 9 4- RESULTADOS .......................................................................................... 11 5- DISCUSSÃO ............................................................................................. 16 5.1. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ................................................... 16 5.2. DESAFIO ............................................................................................ 17 5.3. POSSÍVEIS ERROS ........................................................................... 17 6- CONCLUSÃO ............................................................................................ 19 7- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................... 20 3 1- INTRODUÇÃO 1.1. ELETRÓLITOS Podemos dizer que um eletrólito é um tipo de material que, quando dissolvido em um solvente (geralmente água), produz uma solução que conduz eletricidade. Em geral, os eletrólitos são soluções de ácidos, bases ou sais. Por isso, recebem o nome de soluções iônicas. No entanto, é possível encontrarmos eletrólitos sólidos e também gasosos. Soluções eletrolíticas podem ter origem da dissolução de polímeros sintéticos e polímeros biológicos (como o DNA e polipeptídeos). Um exemplo ilustrativo é o sal de cozinha. Quando diluído em água acontece a dissociação eletrolítica, representada da seguinte forma: O sal de cozinha ficou dissociado formando dois conjuntos de íons, o íon Cloro e o íon Sódio. Mediante um campo elétrico aplicado, cada um dos íons se moverá em sentidos opostos. Nos eletrólitos, a corrente é constituída pelo movimento dos dois tipos de íons e em sentidos opostos. 1.2. LEIS BÁSICAS A habilidade de um eletrólito de conduzir eletricidade nos permite um meio de estudar o comportamento iônico em solução, uma vez que é possível deslocar esses íons pela aplicação de uma diferença de potencial entre eletrodos imersos na solução. A medida da condutividade requer o uso da corrente alternada, a fim de eliminar os efeitos da eletrólise, que gera modificações na composição da solução. A 1ª Lei de Ohm estabelece que a corrente elétrica que flui através de um meio é diretamente proporcional à diferença de potencial elétrico (V) através 4 do meio e indiretamente proporcional à resistência (R) do meio, dada pela equação: I = corrente elétrica (A) V = potencial elétrico (V) R = resistência (ohms) Pela 2ª Lei de Ohm, temos que a resistência de um condutor é diretamente proporcional ao comprimento do condutor e inversamente proporcional à área da secção transversal, à temperatura constante, dada pela equação: R = resistência (Ω.cm) ρ = resistência específica (Ω.cm) l = comprimento do condutor (cm) a = área do condutor (cm²) A condutância (C) de um condutor é definida como sendo o inverso de sua resistência, dada pela equação: k = condutância específica (Ω-1 cm-1) C = condutância [Siemens (S)] l A k l A R C 11 a l R R V I Na figura ao lado, temos uma célula de condutância típica, onde a razão l/A é a chamada constante da célula, sendo a mesma para todas as soluções. Aqui, A é a área dos eletrodos e l é a distância entre eles. A condutância especifica (k) é uma característica específica de um material, sendo um indicativo da facilidade com que o material é capaz de conduzir uma corrente elétrica, sendo determinada pelo inverso da resistência, pela equação: 5 Porém, as condutâncias específicas de soluções de concentrações diferentes vão diferir, visto que um mesmo volume das soluções terá números diferentes de íons. Portanto, é preferível trabalhar com a condutância molar (m). Utilizamos também a condutância equivalente (), que é expressa em número de cargas individuais que são transportadas. Para isso, devemos analisar se é um eletrólito univalente (como o NaCl, na Figura 1), onde cada íon carrega uma carga unitária, ou se é um eletrólito bivalente, como o MgSO4, onde cada íon carrega 2 cargas. Para o NaCl, a condutância equivalente é a mesma que a condutância molar, enquanto que para o MgSO4, a condutância equivalente será metade da condutância molar. A condutância equivalente é dada pela equação: = condutância equivalente (Ω-1 mol-1 cm² / Ω-1 equiv-1 cm²) k = condutância específica (Ω-1 cm-1) C = concentração (mol L-1) 1.3. ELETRÓLITOS FORTES São substâncias 100% ionizadas em solução, e sabemos que a condutância equivalente diminui com a concentração a partir de um máximo à diluição infinita, sendo esta diminuição uma função linear de √C (Kohlrausch), e deve-se à diminuição da mobilidade dos íons. Ʌo pode ser obtida em um gráfico Ʌ em função de √C, extrapolando a concentração para 0. Esta relação não é válida para os eletrólitos fracos, em virtude da abrupta inclinação das curvas a baixas concentrações, e estes serão determinados por outro método. Para eletrólitos fortes, temos a seguinte relação: 6 1.4. ELETRÓLITOS FRACOS Estes não estão completamente ionizados em solução. No caso de eletrólitos fracos o valor de o não pode ser obtido por extrapolação para diluição infinita, mas pode ser calculado a partir de resultados obtidos com eletrólitos fortes. o,HR = o, HCl + o, NaR - o, NaCl A condutância depende do número de íons em solução (como já discutido anteriormente), portanto do grau de ionização do eletrólito (α). O grau de dissociação em eletrólitos fortes é aparente. Em eletrólitos fracos, o aumento observado na condutância equivalente com a diluição é devido principalmente ao aumento da proporção de íons presentes, correspondente ao maior grau de dissociação nas soluções diluídas. O grau de dissociação é dado por: = grau de dissociação = condutância equivalente (Ω-1 mol-1 cm² / Ω-1 equiv-1 cm²) = condutância equivalente em diluição infinita (Ω-1 mol-1 cm² / Ω-1 equiv-1 cm²) 1.5. TEORIA DA DISSOCIAÇÃO ELETROLÍTICA DE ARRHENIUSArrhenius propôs que uma substância, ao ser dissolvida em água, divide- se em partículas menores. Essa divisão resulta em uma solução que pode conduzir corrente elétrica ou não. Quando a divisão extrapola as moléculas, surgem partículas com carga elétrica denominadas íons, e consequentemente esta solução passará a conduzir corrente elétrica. Quando Arrhenius publicou esta teoria ainda não havia conhecimento de prótons, elétrons e nêutrons nem distinção entre uma substância molecular e uma iônica, portanto as suas conclusões foram de que os eletrólitos em solução dissociavam-se em partículas com cargas elétricas e que a soma das cargas era 7 0, resultando em uma solução eletricamente neutra. Posteriormente, Arrhenius identificou os íons que existiam nas soluções e criou a definição de ácidos, bases e sais e formulou outros conceitos mais completos, como a Lei de Brönsted- Lowry e a Lei de Lewis. Além dessas descobertas, Arrhenius também provou que quanto maiores as concentrações dos íons na solução e maior a velocidade com que se deslocam, maior é a quantidade de eletricidade passando através da solução. Portanto, maior será sua condutividade elétrica. Também provou que a dissociação é um processo reversível e o seu grau varia de acordo com o grau de diluição, sendo a dissociação dos eletrólitos praticamente completa em diluições infinitas. 1.6. TEORIA DE DEBYE - HÜCKEL Em 1923, P. Debye e E. Hückel elaboraram uma teoria que avançou os estudos das soluções eletrolíticas através de um modelo bastante simples. O principal motivo do desvio da idealidade das soluções eletrolíticas se deve às atrações interiônicas, isto é, por causa das atrações eletrostáticas entre os íons carregados. Cada íon positivo fica circundado por vários íons negativos e cada íon negativo fica circundado por vários íons positivos, portanto os íons estariam rodeados de cargas opostas. Cada aglomerado iônico comporta-se na solução como se fosse uma única partícula, portanto os eletrólitos fortes em solução estão completamente ionizados, mas parcialmente dissociados, e isto explica os desvios apresentados pelas soluções de eletrólitos fortes. Para trabalharmos com a Atração Interiônica devemos considerar eletrólitos fortes, visto que estes são 100% dissociados em íons na solução, e devemos trabalhar sempre em soluções diluídas. 8 2- OBJETIVOS • Estudar os procedimentos utilizados para a determinação da condutividade de soluções aquosas. • Analisar a qualidade da água através da medida da condutividade elétrica. • Analisar a influência da concentração na condutância de eletrólitos fracos e fortes. • Determinar as condutividades de soluções de cloreto de potássio e ácido acético, para um grande intervalo de concentração. • Calcular, com base nos dados obtidos, o grau de ionização de cada concentração de ácido acético. 9 3- MATERIAIS E MÉTODOS 3.1. MATERIAIS -Condutivímetro; -Balança; -Espátula; -Termômetro; -8 pipetas de 10 ml; -8 balões volumétricos de 100 ml; -Solução de cloreto de potássio; -Solução de ácido acético; -Água destilada; -Água mineral; -Água de torneira; -Água de Milli Q; -Água de osmose reversa. 3.2. MÉTODOS - Calibração do aparelho: Lavar a célula com água destilada e secar com papel absorvente macio sem que o papel encoste-se às platinas. Mergulhar então a célula e o sensor de temperatura na solução padrão e aguardar até que a leitura estabilize, pressionando em seguida a tecla “Cal” (C). O equipamento pedirá a solução tampão da configuração e a constante da célula, etiquetada na mesma. Pressione “OK” e o aparelho iniciará o processo de calibração – o equipamento não será calibrado, informando ao usuário, caso ocorra algum problema com a célula ou com a solução tampão, evitando calibrações erradas. Se tudo estiver correto o aparelho informará o valor real da constante K da célula. Por fim, apertar qualquer tecla para voltar à medição. 10 Deve-se repetir a operação caso o valor obtido esteja muito diferente do padrão. Observação: Não é necessário se preocupar com a temperatura, uma vez que a compensação é feita de maneira automática pelo aparelho. -Realização das medidas: Lavar a célula com água destilada e enxugar, tomando muito cuidado para não tocar nas platinas. Mergulhe, então, a célula e o sensor na solução a ser estudada e aguarde a estabilização da leitura. Para uma nova medição lave novamente a célula com água destilada e enxugue. 11 4- RESULTADOS Tabela 1 -Tabela de Condutividade, Condutância Equivalente e grau de dissociação obtidos experimentalmente Considerando que no experimento do grupo 1 não há a necessidade de nenhuma conta, apenas a conversão dos valores de condutividade fornecidos pelo condutivímetro, começamos pelo experimento do grupo 2, que é descobrir a condutividade, a condutância equivalente e o α aparente em diversas concentrações do KCl. A condutividade é medida pelo aparelho e a condutância equivalente é calculada por: 𝚲 = 𝟏𝟎𝟎𝟎 ∗ 𝒌 𝑪 - Para KCl a uma concentração de 0,1000N, temos k=0,008726, portanto, para calcular sua condutância equivalente: 12 𝚲 = 𝟏𝟎𝟎𝟎 ∗ 𝟎, 𝟎𝟎𝟖𝟕𝟐𝟔 𝟎, 𝟏 = 𝟖𝟕 - Para KCl a uma concentração de 0,0250N, temos k=0,002897, portanto, para calcular sua condutância equivalente: 𝚲 = 𝟏𝟎𝟎𝟎 ∗ 𝟎, 𝟎𝟎𝟐𝟖𝟗𝟕 𝟎, 𝟎𝟐𝟓𝟎 = 𝟏𝟏𝟔 - Para KCl a uma concentração de 0,0025N, temos k=0,000331, portanto, para calcular sua condutância equivalente: 𝚲 = 𝟏𝟎𝟎𝟎 ∗ 𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟑𝟑𝟏 𝟎, 𝟎𝟎𝟐𝟓 = 𝟏𝟑𝟐 - Para KCl a uma concentração de 0,0005N, temos k=0,000078, portanto, para calcular sua condutância equivalente: 𝚲 = 𝟏𝟎𝟎𝟎 ∗ 𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟕𝟖 𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟓 = 𝟏𝟓𝟕 - O α aparente é dado por: 𝜶 = 𝚲 𝚲𝟎 - E por KCl ser um eletrólito forte, ou seja, 100% dos íons se dissociam, para descobrirmos o Λ0 do KCl, realizamos o gráfico de condutância equivalente pela raiz da concentração das amostras, já que temos a relação: 𝚲 = 𝚲𝟎 − 𝒃√𝑪, extrapolando KCl para a concentração zero, ao determinar a equação da reta, assim, teríamos o valor de Λ0 na equação da reta: 13 Figura 1 - Gráfico de Condutância Equivalente x Raiz da Concentração - Logo a equação da reta obtida foi 𝑦 = −210,58𝑥 + 151,81 , onde 𝚲𝟎 = 𝟏𝟓𝟏, 𝟖𝟏. - Com o valor de 𝚲𝟎 = 𝟏𝟓𝟏, 𝟖𝟏, podemos calcular o α aparente para a concentração de 0,1000N: 𝜶 = 𝟖𝟕 𝟏𝟓𝟏, 𝟖𝟏 = 𝟎, 𝟓𝟕 - Calculando o α aparente para a concentração de 0,0250N: 𝜶 = 𝟏𝟏𝟔 𝟏𝟓𝟏, 𝟖𝟏 = 𝟎, 𝟕𝟔 - Calculando o α aparente para a concentração de 0,00250N: 𝜶 = 𝟏𝟑𝟐 𝟏𝟓𝟏, 𝟖𝟏 = 𝟎, 𝟖𝟕 - Calculando o α aparente para a concentração de 0,0005N: 𝜶 = 𝟏𝟓𝟕 𝟏𝟓𝟏, 𝟖𝟏 = 𝟏, 𝟎𝟑 14 Já no experimento do grupo 3, as soluções foram preparadas com HAc em diversas concentrações, e foi necessário encontrar a condutância equivalente e o Grau de Dissociação em todas concentrações. A condutividade é medida pelo aparelho e a condutância equivalente é calculada por: 𝚲 = 𝟏𝟎𝟎𝟎 ∗ 𝒌 𝑪 - Para HAc em concentração de 0,1000N, temos k=0,000466, portanto, para calcular sua condutância equivalente: 𝚲 = 𝟏𝟎𝟎𝟎 ∗ 𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟒𝟔𝟔 𝟎, 𝟏 = 𝟓 - Para HAc em concentração de 0,0250N, temos k=0,000232, portanto, para calcular sua condutância equivalente: 𝚲 = 𝟏𝟎𝟎𝟎 ∗ 𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟐𝟑𝟐 𝟎, 𝟎𝟐𝟓𝟎 = 𝟗 - Para HAc em concentração de 0,0025N, temos k=0,000071, portanto, para calcularsua condutância equivalente: 𝚲 = 𝟏𝟎𝟎𝟎 ∗ 𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟕𝟏 𝟎, 𝟎𝟎𝟐𝟓 = 𝟐𝟖 - Para HAc em concentração de 0,0005N temos k=0,000031, portanto, para calcular sua condutância equivalente: 𝚲 = 𝟏𝟎𝟎𝟎 ∗ 𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟑𝟏 𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟓 = 𝟔𝟐 - O grau de dissociação (α) é dado por: 𝜶 = 𝚲 𝚲𝟎 - Contudo, por HAc ser um eletrólito fraco, para descobrirmos Λ0, não podemos obtê-lo por extrapolação para diluição infinita dos resultados obtidos a 15 concentrações finitas. Porém podemos calcular Λ0 do HAc a partir de resultados de Λ0 de ácidos fortes por meio da Lei de Kohlrausch: o,HR = o, HCl + o, NaR - o, NaCl - Assim: Λ0 = 426,16 + 91,00 − 126,45 = 𝟑𝟗𝟎, 𝟕𝟏 - Com o resultado obtido através da Lei de Kohlrausch, Λ0 = 390,71 podemos calcular o grau de dissociação para cada concentração: - Para HAc 0,1N: 𝜶 = 𝟓 𝟑𝟗𝟎, 𝟕𝟏 = 𝟎, 𝟎𝟏𝟐 - Para HAc 0,0250N: 𝜶 = 𝟗 𝟑𝟗𝟎, 𝟕𝟏 = 𝟎, 𝟎𝟐𝟒 - Para HAc 0,0025N: 𝜶 = 𝟐𝟖 𝟑𝟗𝟎, 𝟕𝟏 = 𝟎, 𝟎𝟕𝟐 - Para HAc 0,0005N: 𝜶 = 𝟔𝟐 𝟑𝟗𝟎, 𝟕𝟏 = 𝟎, 𝟏𝟓𝟕 - A condutividade das águas foram: - Água Milli-Q: 0,0000011 - Água de osmose reversa: 0,0000015 - Água da Torneira: 0,0000015 - Água Mineral: 0,0002134 16 5- DISCUSSÃO 5.1. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Realizamos medidas de condutividade elétrica (k) para amostras de água de diferentes fontes e amostras de soluções aquosas de cloreto de potássio (KCl) e ácido etanoico (ác. Acético_HAc) a concentrações preestabelecidas conforme tabela anexa na seção resultados. Para a amostra de agua de Mili-Q (purificada em um sistema Milli-Q fornecido pela Millipore Corporation) concluímos que ela está dentro dos padrões para agua de condutividade (0 a 1µS/cm). Apesar do nome, ela possui poucos íons e baixíssima condutividade e, por isso, é utilizada em aplicações químicas de quantificação sem influência de impurezas. Por osmose reversa é possível reduzir ainda mais sua concentração iônica. A amostra analisada de agua por osmose reversa está dentro dos padrões para agua bi-destilada (1 a 2µS/cm). A amostra de agua potável apresentou 74,3µS/cm (para agua não destilada o ideal é acima de 10,0µS/cm) e a agua mineral 213,4µS/cm, bem acima do especificado pelo fornecedor (138,4µS). Lembrando que a agua mineral é rica em sais minerais auxiliando a nutrição e o bem-estar do organismo humano. Analisamos a condutância equivalente (Λ) para o KCl e o HAc, segundo a fórmula condutividade por concentração (Λ = k.1000/C). Esperávamos para uma diminuição da concentração iônica o aumento da condutância equivalente, conforme lei de Debye-Hückel haveria um aumento da atração interiônica e diminuiria a mobilidade dos íons (quanto menor a mobilidade menor a condutividade). O grau de dissociação (α) para eletrólitos fracos, como o HAc, calcula-se pela divisão entre condutância equivalente (Λ) e condutância equivalente à diluição infinita (Λ0). E Λ0 é calculada a partir de dados obtidos com eletrólitos fortes por meio da lei de Kohlrausch, que para o HAc será: Λ0, H3CCOOH = Λ0, HCl + Λ0, H3CCOONa – Λ0, NaCl . Obtivemos Λ0 = 390,71mho.cm2/eq grama . Já a Λ0 para eletrólitos fortes, como o KCl, obtém-se pelo coeficiente linear do gráfico condutância 17 equivalente versus raiz da concentração. Encontramos Λ0 = 151,81mho.cm2/eq grama. Assim, pudemos constatar efetivamente que a diluição favorece a dissociação e é acompanhada do aumento da condutância equivalente para eletrólitos fracos (base da teoria de Arrhenius). E a diminuição da concentração iônica acarretou o aumento da condutância equivalente como esperávamos. 5.2. DESAFIO Por que a condutância equivalente do KCl diminui com o aumento da concentração da solução? Isso ocorre devido ao fato que, com a adição de mais KCl na solução, os íons ficam mais próximos, havendo um aumento das interações intermoleculares, o que resulta na diminuição da mobilidade dos íons, acarretando na diminuição na condutância equivalente do KCl. Qual é a principal causa da redução da diminuição da condutância equivalente, com o aumento da concentração para o HAc? Como o HAc é um eletrólito fraco, o grau de dissociação diminui bruscamente em relação ao aumento da concentração da solução. Então, nessa situação, há uma diminuição no grau de dissociação devido a atrações interiônicas que diminui a mobilidade do íon, abaixando a condutância equivalente. 5.3. POSSÍVEIS ERROS • Durante a medição no equipamento, não começar as soluções das medições seguindo da menos concentrada para a mais concentrada. • Não lavar o aparelho ao final de cada ensaio. • Secar as placas de metal, o que pode acarretar na danificação do aparelho. • Não calibrar o aparelho antes do uso inicial. • Não observar corretamente as unidades fornecidas pelo aparelho. • Não realizar conversões das unidades de medida. • Não conferir a temperatura. • Erro inerente do equipamento. 18 • Erros das vidrarias utilizadas no preparo das soluções. • Não nomear os fracos para identificar cada amostra a ser medida, podendo confundi-las. 19 6- CONCLUSÃO Analisando os dados do experimento, conclui-se então que a água de Mili- Q e a água de osmose reversa estão dentro dos padrões esperados para águas puras, obtendo o mínimo de íons; também é possível observar que a água engarrafada obtém muito mais minerais do que o esperado, o rótulo da água mineral constava que aquela água tinha 138,4*10^-6 (S/cm), contudo o valor obtido no controle de qualidade realizado na aula foi de 213,4*10^-6(S/cm), ou seja, valor superior ao que informado pela marca. E no que se refere a água de torneira também obtém-se um valor razoável de íons, contudo valor mais baixo do que a água mineral. Analisando os dados dos eletrólitos fortes e fracos confirmou-se as teorias de Debye-Huckel (para eletrólitos fortes) e de Arrhenius (para eletrólitos fracos) se confirmam: quanto maior a concentração de íons menor é a condutividade, e para eletrólitos fracos, confirmou-se que quanto maior a concentração de íons, muito menor será a condutividade. 20 7- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Gil da Costa Marques, Eletromagnetismo, Eletrólitos e a Eletrólise. Disponível em: <https://midia.atp.usp.br/ensino_novo/eletromagnetismo/ebooks/eletrolitos_elet rolise.pdf>. Raymond Chang, Físico-Química para as Ciências Químicas e Biológicas, 3ª ed., trad. Elizabeth P. G. Arêas, Fernando R. Ornellas, 2008, vol.1. Teoria da Dissociação Eletrolítica. Disponível em: <https://www.maxwell.vrac.puc- rio.br/conteudos_mec/linhadotempo/arrhenius/teoria.html>.
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