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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ ESCOLA POLITÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA NOME DO ALUNO ESTEQUIOMETRIA – SÍNTESE DO IODETO DE CHUMBO II CURITIBA 2013 NOME DO ALUNO ESTEQUIOMETRIA Relatório técnico apresentado na disciplina Química Geral II do Curso de Graduação em Engenharia Química da Pontifícia Universidade Católica do Paraná como forma parcial de avaliação referente a 2a parcial. Orientadora: Prof.ª Curitiba, setembro de 2013 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 3 1.1 ESTEQUIOMETRIA ..................................................................................... 3 1.2 IODETO DE POTÁSSIO .............................................................................. 4 1.3 NITRATO DE CHUMBO II ........................................................................... 4 1.4 IODETO DE CHUMBO II ............................................................................. 4 2 OBJETIVOS .......................................................................................................... 5 2.1 OBJETIVO GERAL ...................................................................................... 5 3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL .................................................................... 6 3.1 MATERIAL ................................................................................................... 6 3.2 REAGENTES ............................................................................................... 6 3.3 METODOLOGIA .......................................................................................... 6 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................ 7 5 CONCLUSÕES ................................................................................................... 11 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 12 ANEXO – MEMORIAL DE CÁLCULO ...................................................................... 13 3 1 INTRODUÇÃO A Estequiometria, também chamada de cálculo estequiométrico, é o cálculo das quantidades de reagentes e/ou produtos das reações químicas. Este cálculo pode ser feito utilizando-se mols, a massa, o volume e o número de átomos e moléculas, realizado como consequência da lei de Proust (lei das proporções definidas), executado, em geral, com auxílio das equações químicas relacionadas. (ROSENBERG, 2003) 1.1 ESTEQUIOMETRIA Para efetuar os cálculos estequiométricos, deve-se conhecer as proporções existentes entre os elementos que formam as diferentes substâncias. Estas proporções são perceptíveis pelo conhecimento das fórmulas das substâncias. É fundamental que se saiba a quantidade de produtos que pode ser formado à partir de uma determinada quantidade de reagentes. É importante também saber antecipadamente qual a quantidade de reagentes que deve ser utilizado para se obter uma determinada quantidade de produto. (ROSENBERG, 2003) O cálculo estequiométrico é representado por coeficientes estequiométricos, que fornecem a proporção de reagentes e de produtos, assim como enuncia a lei de Proust: “Toda substância apresenta uma proporção constante em massa, na sua composição e a proporção na qual as substâncias reagem e se formam é constante”. Com essa lei podemos prever as quantidades das substâncias que participarão de uma reação química. Outra importante lei foi enunciada por Lavoisier: “Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma”. Segundo essa lei, numa reação química realizada em sistema fechado, a soma das massas dos reagentes é igual e soma das massas dos produtos, por exemplo: sejam mA, mB, mC e mD as massas das substâncias A, B, C e D, participantes de uma reação expressa pela equação A + B C + D; de acordo com Lavoisier, mA + mB = mC + mD. (RUSSEL, 2006) Nas reações químicas, a estequiometria determina o reagente limitante, substância que é totalmente consumida durante a reação. Após o consumo deste, não é possível formar mais produto na reação. Em contrapartida, o reagente em excesso é a substância que não foi totalmente consumida durante a reação. (RUSSEL, 2006; CARVALHO, 1997) 4 1.2 IODETO DE POTÁSSIO O sal de potássio do ácido hidroiódico, conhecido como iodeto de potássio, é um sal inorgânico utilizado na indústria farmacêutica para tratamento do hipertireoidismo, e como protetor de radiação – protege a glândula tireóide das radiações na administração de radioisótopos do iodo. (VADE-MÉCUM, 2010) De fórmula KI, com massa de 166 g/mol, apresenta-se na forma de cristais brancos inodoros. Tem ponto de fusão de 723 ºC, ponto de ebulição 1.330 ºC, e é solúvel em água. (KINDUKERN, 2007) 1.3 NITRATO DE CHUMBO II O nitrato de chumbo II, dinitrato de chumbo ou apenas nitrato de chumbo é um sal inorgânico utilizado como matéria-prima para compostos de chumbo, fósforos de segurança e como agente anticorrosivo e pigmento para tintas. De fórmula Pb(NO3)2, com massa molar de 331,23 g/mol, apresenta-se na forma de cristais brancos translúcidos e inodoros. Tem ponto de fusão de 470 °C, e é solúvel em água. (CTE-UNICAMP, 2003; CETESB) 1.4 IODETO DE CHUMBO II O iodeto de chumbo II, ou apenas iodeto de chumbo é um sal inorgânico. De fórmula PbI2, com massa molar de 461,03 g/mol, apresenta-se na forma de cristais amarelos inodoros. Tem ponto de fusão de 402 °C, e é insolúvel em água. (CETESB) 5 2 OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GERAL Observar e analisar as implicações da estequiometria e conceitos oriundos desta na reação de nitrato de chumbo II e iodeto de potássio, sintetizando o iodeto de chumbo II. 6 3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.1 MATERIAL • balança semi-analítica; • 5 tubos de ensaio; • estante para tubos de ensaio; • 2 béqueres de 50 mL; • 5 funis de vidro; • 5 papéis filtro; • estufa; • régua; • suportes para funis; • 2 pipetas de 10 mL; 3.2 REAGENTES • água deionizada; • iodeto de potássio 0,5 M • nitrato de chumbo II 0,5 M 3.3 MÉTODOS Enumerou-se 5 tubos de ensaio, e transferiu-se 4 mL de iodeto de potássio 0,5 M para cada um. Após, adicionou-se a esses tubos dosagens diferentes de nitrato de chumbo II – de 0,5 mL, 1,0 mL, 2,0 mL, 3,0 e 4,0 mL – na sequência numérica previamente estipulada. Homogenizou-se e deixou-se em repouso por aproximadamente 10 minutos. No intervalo de tempo, preparou-se os funis nos aparatos para filtração gravimétrica, pesou-se os papéis de filtro e pregou-se. Terminado o tempo de repouso, mediu-se com a régua a altura que o precipitado alcançou no fundo de cada tubo de ensaio, e após filtrou-se o iodeto de chumbo II formado nas reações. Por fim, colocou-se o papel com o filtrado de cada tubo na estufa a 100 ºC por aproximadamente 20 min, e pesou-se o sal de cada um dos experimentos. 7 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO Antes de apresentar os devidos resultados experimentais, situaremos os mesmos dentro da mecânicada reação. A reação em questão, do iodeto de potássio com o nitrato de chumbo II, está apresentada abaixo, com seus devidos coeficientes estequiométricos: 2 KI(aq) + Pb(NO3)2(aq) 2 KNO3(aq) + PbI2(s) Para facilitar a leitura dos dados e análise dos mesmos, foram confeccionadas tabelas para acompanhar o passo-a-passo do experimento. A Tabela 1 apresenta os dados iniciais do procedimento, enquanto a Tabela 2 traz os dados iniciais do experimento, conforme podemos ver: Tabela 1 − Dados extraídos do procedimento Tubo de Volume de KI Volume de Pb(NO3)2 ensaio 0,5 M (mL) 0,5 M (mL) Tubo 1 4,0 0,5 Tubo 2 4,0 1,0 Tubo 3 4,0 2,0 Tubo 4 4,0 3,0 Tubo 5 4,0 4,0 Fonte: o autor, 2013 Tabela 2 − Dados experimentais I Tubo de ensaio Mols de KI Mols de Pb(NO3)2 Altura medida do precipitado (mm) Tubo 1 2,0 x 10-3 2,5 x 10-4 2,5 Tubo 2 2,0 x 10-3 5,0 x 10-4 7 Tubo 3 2,0 x 10-3 1,0 x 10-3 13 Tubo 4 2,0 x 10-3 1,5 x 10-3 16 Tubo 5 2,0 x 10-3 2,0 x 10-3 16 Fonte: o autor, 2013 8 Realizando alguns cálculos, que constam nos anexos, chegamos a uma primeira conclusão: nos dois primeiros experimentos, ocorridos nos tubos de ensaio 1 e 2, o nitrato de chumbo II é o agente limitante da reação; no tubo central a proporção estequiométrica é respeitada; e nos dois últimos tubos o agente limitante é o iodeto de potássio. Analisando esses primeiros dados, trazendo o conhecimento prévio da reação com as proporções estequiométricas e as informações acima, e considerando possíveis erros analíticos – impureza nos reagentes e no material, imprecisão do material e de análise, resquício de massa do precipitado nas paredes do tubo de ensaio, entre outros – observamos que a reação aconteceu um pouco além da proporção estequiométrica 2:1. Percebemos que a partir da proporção 2: ou 4:3 (tubo 4) não há mais depósito do sal de chumbo II, o que deveria ter cessado na proporção 2:1, pois a partir do tubo 4 o iodeto de potássio passa a ser o limitante, e sua quantidade é fixa. Para justificar essa discrepância sugerimos à priori que houve erro de medição, pois como estamos trabalhando com uma unidade de medida pequena (milímetros) e massa do precipitado pode ter ficado alojada na parede do tubo, conforme colocado acima, uma diferença de 3 mm poderia ser analisada incorretamente. Como uma segunda hipótese, podemos sugerir que o nitrato de chumbo II estava impuro, e continuou agindo até alguma quantidade de matéria entre 1,0 x 10-3 e 1,5 x 10-3 mols. O Gráfico 1 demonstra visualmente esses primeiros dados coletados do experimento: 9 Gráfico 1 – Altura do sólido no tubo versus quantidade de matéria Fonte: o autor, 2013 Na sequência da prática, após a filtragem e secagem na estufa, a Tabela 3 apresenta as massas encontradas do conjunto papel de filtro e iodeto de chumbo II: Tabela 3 − Dados experimentais II Tubo correlacionado Massa total (g) Massa do papel filtro (g) Massa do produto (diferença) (g) Tubo 1 1,188 1,029 0,159 Tubo 2 1,384 1,048 0,336 Tubo 3 1,715 1,058 0,657 Tubo 4 2,103 1,059 1,044 Tubo 5 1,868 1,078 0,790 Fonte: o autor, 2013 Verificando esses outros dados, deparamo-nos com um dado fora do padrão, pela lógica que vínhamos apontando anteriormente: a massa de precipitado no tubo 4 foi maior que a do tubo 5, e a do tubo 5 ficou próxima da do tubo 3, que representa a estequiometria padrão de 2:1. Diante deste fato, não obtivemos um respaldo teórico para sugerir alguma hipótese, porém podemos constatar que numa quantidade um pouco acima da estequiometria padrão houve mais depósito de iodeto de chumbo II, ou este sal e algum outro elemento intermediário, enquanto no excesso demasiado do nitrato de chumbo II (o dobro da quantidade de matéria), a quantidade ficou próxima da estequiometria padrão. Altura x Quantidade de Matéria 0 5 10 15 20 0,0025 0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 Nº de mols Pb(NO 3 ) 2 Al tu ra de P bI no tu bo ( ) m m 10 Uma hipótese arriscada seria relacionar a temperatura e a constante de solubilidade com esse resultado atípico, todavia necessitaríamos de mais estudo acerca disto. O Gráfico 2 mostra melhor os dados apresentados. Gráfico 2 – Massa versus quantidade de matéria. Fonte: o autor, 2013. Analisando os dados e os gráficos, o que pudemos constatar é que as melhores quantidades de matéria para obter o máximo de iodeto de chumbo II estão no tubo 4 – 2,0 x 10-3 mols de KI e 1,5 x 10-3 mols de Pb(NO3)2 – se pudermos afirmar que toda a massa final encontrada neste ensaio é de iodeto de chumbo II. Caso a afirmativa anterior seja inverídica, o melhor tubo e quantidades estão no tubo 3, de estequiometria padrão. Massa x Quantidade de Matéria 0 2 , 0 4 , 0 , 0 6 , 8 0 1 2 , 1 0,002 0,001 0,0015 0,0025 0 0,0005 Nº de mols Pb(NO 3 ) 2 M as sa de P bI ( g ) 11 5 CONCLUSÕES A estequiometria é a peça chave e a guia das reações químicas, tanto as mais simples como as mais complexas. Através dela podemos estudar dos mais diversos campos relacionados às reações, como a termodinâmica, cinética, equilíbrio, entre outros, e verificar anomalias no processo, como perdas despercebidas, usando-se do produto para encontrar a quantidade de reagente, e vice-versa. Além disto, podemos otimizar processos e buscar o maior e melhor rendimento, a sustentabilidade com reações paralelas de reciclagem, entre muitas outras utilidades. A lei de Proust e a lei de Lavoisier ajustam-se perfeitamente. A respeito dos resultados obtidos, conforme discussão apresentada, foi-nos uma novidade, visto que pela primeira análise poderíamos fechar um veredicto, mas com as duas obtivemos um resultado que nos surpreendeu. Concluímos que, primeiramente, necessitaríamos de uma duplicata ou uma triplicata para analisar melhor o resultado, se é anômalo ou verídico. Em segundo, a hipótese que podemos levantar e que foi colocada no final da discussão, diz a respeito da influência da temperatura no coeficiente de solubilidade dos reagentes, o que também demandaria mais estudo para ser respondido. E por fim, finalizamos comprovando a realidade da influência da estequiometria e a variação de rendimento das reações conforme as mudanças das quantidades de matéria dos reagentes. Reiteramos o aumento do entrosamento da bancada, o crescimento geral da turma, e o maior rigor com práticas quantitativas. 12 REFERÊNCIAS CARVALHO, G. C.; Química Geral. Vol. único. São Paulo: Scipione, 1997. 687 p. CETESB-SP. FIPQ – Iodeto de Chumbo. Disponível em: < http://sistemasinter.cetesb.sp.gov.br/produtos/ficha_completa1.asp?consulta=IODET O%20DE%20CHUMBO>. Acesso em 01 de nov. 2013. CETESB-SP. FIPQ – Nitrato de Chumbo. Disponível em: < http://sistemasinter.cetesb.sp.gov.br/produtos/ficha_completa1.asp?consulta=NITRA TO%20DE%20CHUMBO>. Acesso em 01 de nov. 2013. COORDENAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUENTES- UNICAMP. FISPQ – Nitrato de Chumbo II. 3 p. Disponível em: < http://www.fca.unicamp.br/portal/images/Documentos/FISPQs/FISPQ%20Nitrato%20 de%20chumbo%20II.pdf>. Acesso em 01 de nov. 2013. INDUKERN. FISPQ – IODETO DE POTÁSSIO. 4 p. Disponível em: <http://indukern.com.br/arquivosUP/519_IODETO_DE_POT%C3%81SSIO.pdf>. Acesso em 01 de nov. 2013. P.R. Vade-mécum de medicamentos (Cd-Rom). 16. ed. São Paulo: RGR, 2010. ROSENBERG, J. L.; EPSTEIN, L. M. Química Geral. 8 ed. Porto Alegre: Bookman, 2003. 368 p. RUSSEL, J. B. Química geral. 2. ed, v. 1. São Paulo: Pearson Makron Books, 2004. 614 p. 13 ANEXO – MEMORIAL DE CÁLCULO 1. Cálculos referentes às quantidades de mols dos reagentes 1.1 Iodeto de potássio (KI) • V de KI: 4,0 mL • M de KI: 0,5 mols/L • n = (0,5 mols/L) x (4,0 x 10-3L) = 0,2 x 10-3 mols 1.2 Nitrato de chumbo II [Pb(NO3)2] • V1 de Pb(NO3)2: 0,5 mL • M de Pb(NO3)2: 0,5 mols/L • n = (0,5 mols/L) x (0,5 x 10-3L) = 2,5 x 10-4 mols • V2 de Pb(NO3)2: 1,0 mL • M de Pb(NO3)2: 0,5 mols/L • n = (0,5 mols/L) x (1,0 x 10-3L) = 5,0 x 10-4 mols • V3 de Pb(NO3)2: 2,0 mL • M de Pb(NO3)2: 0,5 mols/L • n = (0,5 mols/L) x (2,0 x 10-3L) = 1,0 x 10-3 mols • V4 de Pb(NO3)2: 3,0 mL • M de Pb(NO3)2: 0,5 mols/L • n = (0,5 mols/L) x (3,0 x 10-3L) = 1,5 x 10-3 mols • V5 de Pb(NO3)2: 4,0 mL • M de Pb(NO3)2: 0,5 mols/L • n = (0,5 mols/L) x (4,0 x 10-3L) = 2,0 x 10-3 mols 14 2. Cálculos referentes ao agente limitante e em excesso Nºmols Fórmula : Coef . estequiométrico • Compara-se os valores da fórmula para cada reação, e o que for menor representa o agente limitante. 2.1 Iodeto de potássio (KI) • Fórmula = (0,2 x 10-3 mols) / (2) = 0,1 x 10-3 mols 2.2 Nitrato de chumbo II [Pb(NO3)2] • Fórmula1 = (2,5 x 10 -4 mols) x (1) = 2,5 x 10-4 mols - LIMITANTE • Fórmula2 = (5,0 x 10 -4 mols) x (1) = 5,0 x 10-4 mols - LIMITANTE • Fórmula3 = (1,0 x 10 -3 mols) x (1) = 1,0 x 10-3 mols - AMBOS LIMITANTES • Fórmula4 = (1,5 x 10 -3 mols) x (1) = 1,5 x 10-3 mols - EXCESSO • Fórmula5 = (2,0 x 10 -3 mols) x (1) = 2,0 x 10-3 mols - EXCESSO
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