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CENTRO UNIVERSITÁRIO NORTE DO ESPÍRITO SANTO QUÍMICA GERAL EXPERIMENTAL PROFESSORA ANA NERY FURLAN MENDES RELATÓRIO Nº 03 EXPERIMENTO 9 DESLOCAMENTO DO EQUILIBRIO QUÍMICO Igor Gomes da Silva Pedro Ribeiro Figueiredo Couto São Mateus – ES / 2018 1. INTRODUÇÃO Este experimento teve como objetivo verificar a influência da concentração, temperatura e íon comum no deslocamento do equilíbrio químico. Dizemos que uma reação reversível atinge o equilíbrio químico quando as concentrações dos reagentes e produtos não variam mais. Isso quer dizer que embora a reação esteja ocorrendo ainda, a velocidade da formação de produtos (reação direta) é igual à velocidade da formação de reagentes (reação inversa). Neste estado de equilíbrio, dizemos que Q = K. Sendo: Q = [A]a × [B]b / [C]c × [D]d para uma reação: a A + b B ↔ c C + d D Obs.: Assumindo que sólidos e líquidos (solventes) não participam do equilíbrio. O único fator que altera a constante de equilíbrio é a temperatura. No entanto, segundo o princípio de Le Chatelier, a reação tenderá a reduzir ao mínimo o efeito de uma perturbação externa, deslocando o sentido da reação química. Essa perturbação pode ocorrer por efeito de aumento ou diminuição de temperatura (varia com a natureza da reação, endotérmica ou exotérmica), subtração ou adição de um íon comum à reação (produto ou reagente) e também aumento ou redução de pressão para equilíbrio de gases. Este experimento é compreendido em duas partes: A e B. A parte A se baseia principalmente no uso dos reagentes Dicromato de Potássio (K2Cr2O7) e Cromato Sódio (Na2CrO4) com Ácido Clorídrico (HCl), Cloreto de Bário (BaCl2) e Hidróxido de Sódio (NaOH) a fim de observar o deslocamento por efeito do íon comum, provocando alteração na cor da solução segundo a reação: Cr2O7 2- + H2O 2 CrO42- + 2 H+ (aq) (l) (aq) (aq) onde a predominância do íon dicromato é responsável pela cor laranja, enquanto o íon cromato é responsável pela cor amarela. Para o equilíbrio acima, será utilizado somente o H+ provido do HCl ou OH- do NaOH. Com a utilização do Cloreto de Bário no sistema acima, teremos uma reação mais complexa com a formação de precipitado: BaCr2O7 (aq) BaCrO 4(s) ( solúvel ) ( insolúvel ) Na parte B do experimento, foi utilizado Nitrato de Cobalto (Co(NO3)2), Ácido Clorídrico (HCl) e água destilada (H2O) para avaliar o comportamento do equilíbrio químico sob a influência de íon comum e temperatura. Esta parte foi dividida em 3 etapas: B1, B2 e B3, para melhor praticidade. Segue abaixo a reação dos íons participantes do equilíbrio de interesse: Co 2+ + 4 Cl- 2 CoCl42- (aq) (aq) (aq) ( rosado ) ( azul ) 2. METODOLOGIA O experimento consiste primordialmente na seleção de materiais e equipamentos para o preparo das soluções e montagem do sistema de resfriamento e aquecimentos das amostras na parte B. Para este experimento foram utilizados os materiais: 1 Espátula, 1 Bastão de Vidro, 2 Béquers de 250mL, 8 Tubos de Ensaio de ± 30mL, 1 Estante de tubos de ensaio, 2 Pipetas graduadas de 10mL, 2 Pipetadores de borracha (Pera), 6 Pipetas pasteur de plástico de aproximadamente 5mL, 1 chapa aquecedora e 1 bandeja. Os reagentes utilizados foram: Água Destilada (H2O), Ácido Clorídico (HCl) 1M e 12M, solução de Hidróxido de Sódio (NaOH) 1M, solução de Dicromato de Potássio (K2Cr2O7) 0,05M, solução de Cromato Sódio (Na2CrO4) 0,05M, solução de Nitrato de Cobalto (CoNO3) 0,25M, Nitrato de Cobalto (CoNO3) sólido, Ácido Clorídrico (HCl), Cloreto de Potássio sólido (KCl), solução de Cloreto de Bário (BaCl2) 0,05M e solução de Nitrato de Prata (AgNO3) 0,1M. A fim de obter um texto menos extenso, os reagentes envolvidos serão expressos por suas fórmulas moleculares. Com todos os itens à disposição, o experimento foi iniciado com as soluções previamente preparadas pelo responsável do laboratório, bem como a disposição de gelo para banho de resfriamento. Inicialmente os reagentes foram distribuídos sequencialmente pela bancada, reservando o Ácido Clorídrico concentrado na capela devido à sua volatilidade. Preparou-se um béquer com água a ser colocado sobre a chapa aquecedora para o aquecimento das soluções nos tubos de ensaio e outro béquer para as amostras que vão banho de gelo, preparado com uma bandeja repleta de gelo. Como o caráter do experimento é qualitativo, a temperatura não foi medida à rigor, bastando que banho estivesse suficientemente quente e frio para cada etapa. 2.1. PARTE A Disponíveis todos os itens, foi dado início à parte A do experimento. Iniciou-se o procedimento, com o auxílio de uma pipeta pasteur para cada substância, adicionando 2mL de Na2CrO4 0,05M nos tubos previamente enumerados 1,5 e 6. O mesmo foi feito com K2Cr2O7 0,05M nos tubos 2, 3 e 4. Posteriormente foi adicionado: 2mL de HCl 1M ao tubo 1; 2mL de NaOH 1M ao tubo 2; 2mL de BaCl2 0,05M e 2mL de HCl 1M ao tubo 3; 2mL de BaCl2 0,05M e 2mL de HCl 1M ao tubo 4; 2mL de BaCl2 0,05M e 2mL de HCl 1M ao tubo 5; 2mL de BaCl2 0,05M e 2mL de HCl 1M ao tubo 6. Inicialmente as soluções 1, 5, 6 apresentaram a cor amarela oriunda da solução de Na2CrO4, enquanto a soluções 2,3 e 4 de K2Cr2O7 apresentaram a cor laranja. Após a adição dos reagentes seguida de uma leve agitação, obteve-se significante mudança no aspecto da cor das soluções. Os resultados serão discutidos em outro tópico. Encerradas as observações, seguiu-se para o descarte adequado das soluções a limpeza rigorosa dos tubos de ensaio para serem utilizados novamente. 2.2. PARTE B A parte B do experimento foi dividida em 3 etapas subsequentes: B1, B2 e B3. A etapa B1 inicia com o preparo de soluções utilizando duas pipetas graduadas de 10ml e um pipeta pasteur, esta para o Co(NO3)2, aquelas para HCl e H2O respectivamente. As soluções contém diferentes alíquotas de Co(NO3)2 0,25M, HCl 12M e água destilada (H2O) para se observar o efeito do íon comum no deslocamento do equilíbrio pela cor apresentada. Segue que as alíquotas foram: No tubo 1, foram adicionados 2,5mL de Co(NO3)2 e 5mL de H2O; No tubo 2, foram adicionados 2,5mL de Co(NO3)2, 2mL de HCl e 3mL de H2O; No tubo 3, foram adicionados 2,5mL de Co(NO3)2, 3mL de HCl e 2mL de H2O; No tubo 4, foram adicionados 2,5mL de Co(NO3)2, 3,5mL de HCl e 1,5mL de H2O; No tubo 5, foram adicionados 2,5mL de Co(NO3)2, 4mL de HCl e 1mL de H2O; No tubo 6, foram adicionados 2,5mL de Co(NO3)2 e 5mL de HCl. Em cada tubo foi adquirido uma solução com cor distinta das outras, caracterizando um comportamento reacional diferente para cada equilíbrio. Tomando a solução que apresenta a coloração intermediária, prosseguiu-se com a divisão desta mesma solução em três parte iguais. A solução dividida foi a número 4, pois a coloração lilás é uma mistura equilibrada de magenta e ciano (azul) segundo a escala CMYK de cor pigmento utilizada na indústria e em softwares gráficos como CorelDraw e Adobe Photoshop. Uma das três soluções foi reservada para padrão de comparação enquanto as outras seguiram para o tratamento térmico: a segunda foi resfriada no béquer em banho de gelo e a terceira aquecida em banho maria no béquer sobre a chapa aquecedora. Após 2 minutos de tratamento térmico, as soluções foram retiradas do banho ao qual estavam submetidase logo foi observador uma mudança brusca de cor quando comparadas à solução reservada. Juntou-se as soluções novamente para prosseguir à etapa B2. Na etapa B2, a solução intermediária foi dividida em 4 partes. Reservando uma para referência, foi adicionado respectivamente cristais Co(NO3)2 no tubo 1, KCl no tubo 2 e AgNO3 no tubo 3.Observou novamente alterações no aspecto das soluções. Prossegue-se então à etapa B3, onde foi utilizado o tubo 6 da etapa B1. O volume da solução contida no tubo de ensaio 6 foi dobrado adicionando 7,5mL de H2O utilizando a mesma pipeta graduada já utilizada anteriormente. Observou-se esmaecimento e mudança da cor original da solução. Assim como na parte A, os resultados da parte B serão discutidos no próximo tópico. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os dados obtidos ao longo do experimento serão abordados aqui. Na parte A do experimento, houve alteração de cor pelo deslocamento do equilíbrio químico segundo o Quadro 1. Quadro 1. Resultados de mudança de cor da parte A. TUBO Substância Inicial Cor Inicial Cor com BaCl2 Cor Final 1 Cromato Amarelo - Laranja 2 Dicromato Laranja - Amarelo 3 Dicromato Laranja Laranja fosco Laranja 4 Dicromato Laranja Laranja fosco Amarelo forte fosco 5 Cromato Amarelo Amarelo claro fosco Laranja 6 Cromato Amarelo Amarelo fosco Amarelo claro fosco Retomando as reações apresentadas na introdução do relatório Cr2O7 2- + H2O 2 CrO42- + 2 H+ (aq) (l) (aq) (aq) LARANJA AMARELO BaCr2O7 (aq) BaCrO4(s) ( solúvel ) ( insolúvel ) Podemos entender o como ocorreu o descolamento do equilíbrio: K = [CrO42-(aq)]2 + [H+(aq)]2 / [Cr2O72-(aq)] No tubo 1 a adição de HCl acrescentou o íon comum H+ à reação, deslocando o equilíbrio para a esquerda, favorecendo a produção de reagentes, por isso a mudança de cor amarela para a laranja. Assim, no final, [Cr2O72-(aq)] e [H+(aq)] aumentaram e [CrO42-(aq)] diminuiu em relação à solução inicial. No tubo 2 a adição de NaOH acrescentou o íon OH- à reação, reagindo com o íon H+ e produzindo H2O. A retirada de um produto (H+) e a adição de um reagente (H2O) deslocou o equilíbrio para a direita, favorecendo a reação direta, por isso a mudança de cor laranja para a amarela. Portanto, no final, [CrO42-(aq)] aumentou e [Cr2O72-(aq)] e [H+(aq)] diminuíram em relação à solução inicial. Para os próximos tubos pode-se observar as seguintes reações: Cr2O7 2- + Ba2+ BaCr2O7 (aq) 2CrO42- + Ba2+ BaCrO4 (s) No tubo 3 a adição de BaCl2 provocou a reação com o íon Cr2O7 2-, produzindo BaCr2O7 e BaCrO4. No entanto não houve alteração significativa no equilíbrio pois nenhum íon comum foi retirado ou adicionado desproporcionalmente, permanecendo a cor alaranjada da espécie predominante da solução, no entanto turva, pois BaCrO4 não é solúvel em água. Seguindo da adição de HCl, a solução voltou ao aspecto límpido, mantendo a cor laranja devido ao deslocamento do equilíbrio no sentido inverso pela adição do íon comum H+, favorecendo a formação de BaCr2O7 que é mais solúvel. Infere-se que no final [BaCr2O7(aq)], [Cr2O72-(aq)] e [H+(aq)] aumentaram e [CrO42- (aq)] e [BaCrO4(s)] diminuíram em relação à solução inicial devido à reação. No tubo 4 a adição de BaCl2 provocou a reação com o íon Cr2O7 2-, produzindo BaCr2O7 e BaCrO4. No entanto não houve alteração significativa no equilíbrio pois nenhum íon comum foi retirado ou adicionado desproporcionalmente, permanecendo a cor alaranjada da espécie predominante da solução, no entanto turva pois BaCrO4 não é solúvel em água. Seguindo da adição de NaOH, a solução tornou-se mais opaca e amarelada, evidenciando o deslocamento do equilíbrio no sentido direto da reação pelo consumo do íon H+ e produzindo H2O, favorecendo a formação de CrO42-, consequentemente de BaCrO4 que é insolúvel. A precipitação colabora ainda mais para o deslocamento para a direita pois retira um produto comum do equilíbrio reacional. Infere-se que no final [BaCrO4(s)], [CrO42-(aq)] e [OH- (aq)] aumentaram e [Cr2O72-(aq)], [BaCr2O7(aq)] e [H+(aq)] diminuíram em relação à solução inicial devido à reação. No tubo 5 a adição de BaCl2 provocou a reação com o íon CrO42-, produzindo BaCr2O7 e BaCrO4. No entanto não houve alteração significativa no equilíbrio pois nenhum íon comum foi retirado ou adicionado desproporcionalmente, permanecendo a cor amarela da espécie predominante da solução, no entanto turva, pois BaCrO4 não é solúvel em água. Seguindo da adição de HCl, a solução voltou ao aspecto límpido, mudando para a cor laranja devido ao deslocamento do equilíbrio no sentido inverso pela adição do íon comum H+, favorecendo a formação de BaCr2O7 que é mais solúvel. Infere-se que no final [BaCr2O7(aq)], [Cr2O72-(aq)] e [H+(aq)] aumentaram e [CrO42- (aq)] e [BaCrO4(s)] diminuíram em relação à solução inicial devido à reação. No tubo 6 a adição de BaCl2 provocou a reação com o íon CrO42-, produzindo BaCr2O7 e BaCrO4. No entanto não houve alteração significativa no equilíbrio pois nenhum íon comum foi retirado ou adicionado desproporcionalmente, permanecendo a cor amarelada da espécie predominante da solução, no entanto turva, pois BaCrO4 não é solúvel em água. Seguindo da adição de NaOH, a solução manteve seu aspecto, evidenciando o deslocamento do equilíbrio no sentido direto da reação pelo consumo do íon H+ e produzindo H2O, favorecendo a formação de CrO42-, consequentemente de BaCrO4. Infere-se portanto que no final [BaCrO4(s)], [CrO42-(aq)] e [OH- (aq)] aumentaram e [Cr2O72-(aq)], [BaCr2O7(aq)] e [H+(aq)] e diminuíram em relação à solução inicial devido à reação. Na parte B do experimento, foi observado uma série de diferenças entre as soluções submetidas aos processos de cada etapa. Na etapa B1, foi importante considerar a concentração dos reagentes após a diluição para compreender suas cores. Segue os cálculos: Para os íons Co2+ n = V * M n = 0,0025 * 0,25 = 0,000625 mols Mf = 6,25∗10−4 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑉𝑓 Mf = 6,25∗10−4 𝑚𝑜𝑙𝑠 0,0075 𝐿 Mf = 8,3*10-2 mols/L Para o HCl: Tubo 1 n = V * M n = 0,005 * 12 = 0,06 mols Mf = 0,06 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑉𝑓 Mf = 0,06 𝑚𝑜𝑙𝑠 0,0075 𝐿 Mf = 8 mols/L Tubo 2 n = V * M n = 0,003 * 12 = 0,036 mols Mf = 0,036 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑉𝑓 Mf = 0,036 𝑚𝑜𝑙𝑠 0,0075 𝐿 Mf = 4,8 mols/L Tubo 3 n = V * M n = 0,002 * 12 = 0,024 mols Mf = 0,024 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑉𝑓 Mf = 0,024 𝑚𝑜𝑙𝑠 0,0075 𝐿 Mf = 3,2 mols/L Tubo 4 n = V * M n = 0,0015 * 12 = 0,018 mols Mf = 0,018 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑉𝑓 Mf = 0,018 𝑚𝑜𝑙𝑠 0,0075 𝐿 Mf = 2,4 mols/L Tubo 5 n = V * M n = 0,001 * 12 = 0,012 mols Mf = 0,012 𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑉𝑓 Mf = 0,012 𝑚𝑜𝑙𝑠 0,0075 𝐿 Mf = 1,6 mols/L No Quadro 2 os resultados serão melhor exemplificados: Quadro 2. Resultados de mudança de cor e concentração das substâncias após diluição da Parte B2. TUBO Volume de Co(NO3)2 0,25M Volume de HCl 12M Volume de H2O Volume Total COR Conc. Mol/L Co2+ HCl 1 2,5 mL 0 mL 5 mL 7,5 mL Rosa claro 8,3*10-2 8 2 2,5 mL 2 mL 3 mL 7,5 mL Rosa 8,3*10-2 4,8 3 2,5 mL 3 mL 2 mL 7,5 mL Magenta 8,3*10-2 3,2 4 2,5 mL 3,5 mL 1,5 mL 7,5 mL Lilás 8,3*10-2 2,4 5 2,5 mL 4 mL 1 mL 7,5 mL Azul 8,3*10-2 1,6 6 2,5 mL 5 mL 0 mL 7,5 mL Azul escuro 8,3*10-2 0Reação: Co2+ + 4 Cl- 2 CoCl42- (aq) (aq) (aq) ( rosado ) ( azul ) Tomando a reação acima, observa-se a influência do íon comum cloreto (Cl-) no deslocamento do equilíbrio químico: K = [CoCl42-(aq)]2 / [Co2+(aq)] + [Cl-(aq)]4 de modo que a longo que a concentração do íon Cl- aumenta, maior é o deslocamento no sentido direto da reação, pois adição de HCl no sistema reacional fornece o íon comum dos reagentes participantes. Concluindo que a medida que a solução se torna mais azulada e menos rosada, maior é a concentração de CoCl42- e menor a concentração de Co2+. É valido pontuar que íon Co2+, quando em meio aquoso, está coordenado à água, conferindo a coloração avermelhada à medida que o íon é hidratado. Reação: [Co(H2O)6]2+ + 4 Cl- 2 CoCl42- + 6 H2O (aq) (aq) (aq) (l) Desse modo, a adição de H2O também promove o deslocamento do equilíbrio para a esquerda, acentuando a coloração avermelhada, pois é substância participante do equilíbrio, neste caso como produto. Compreende-se então que a medida que o íon Co2+ é desidratado, mais azulado e menos rosado ele se torna. Seguindo ainda a etapa B1, conforme citado na metodologia, a solução 4 que apresentava a cor lilás foi separada para ser submetida ao tratamento térmico, revelando os seguintes aspectos demonstrados no Quadro 3: Quadro 3. Tratamento térmico da solução 4. TUBO PADRÃO AQUECIDO RESFRIADO COR FINAL Lilás Azul Rosa Variação da cor em função da temperatura permite caracterizar a reação termodinamicamente. Visto que o aumento de temperatura levou a solução 4 ficar azul, infere-se que a reação direta é endotérmica, pois é favorecida pela absorção de energia na forma de calor; enquanto que reação inversa é exotérmica pois é favorecida pela retirada de calor provocada pelo resfriamento. Conclui-se que Keq aumenta com o aumento da temperatura. Assim é possível especular também como se varia a concentração dos íons segundo o Quadro 4. Quadro 4. Variação da concentração por ação da temperatura CONCENTRAÇÃO ÍON AQUECIMENTO RESFRIAMENTO Co2+ Diminuiu Aumentou Cl- Diminuiu Aumentou CoCl42- Aumentou Diminuiu Dando sequência para a etapa B2, na qual a mesma solução 4 foi redividida em quatro partes para submeter outras perturbações ao equilíbrio químico por adição de íons comuns. De acordo com Quadro 5 a seguir, pode-se observar a mudança de cor de função da adição de cristais de KCl, cristais de Co(NO3)2 ou gotas de AgNO3. Quadro 5. Mudança de cor por influência de adição KCl, Co(NO3)2 ou AgNO3. TUBO 1 (com KCl) 2 (com Co(NO3)2) 3 (com AgNO3) 4 (PADRÃO) COR FINAL Roxo escuro Azul Claro Lilás claro e turvo Lilás Como nos experimentos anteriores, a mudança de cor evidenciou novamente o deslocamento do equilíbrio por adição de íons comuns à solução. No tubo 1, o roxo escuro manifestado demonstra que a adição de cristais de Co(NO3)2 adicionou os íons Co2+, favorecendo a formação de produtos. No tubo 2, o aspecto azulado evidencia novamente o deslocamento do equilíbrio no sentido direto da reação por adição do íon Cl- fornecido pelos cristais de KCl. No tubo 3, a cor lilás se manteve, no entanto, clara e turva, evidenciando a formação de precipitado por reação do Cl- com o íon Ag+ formando Cloreto de Prata (AgCl) que ainda se mantinha suspenso, segue a reação: Ag+(aq) + Cl-(aq) AgCl(s) Com base no que foi constatado, o Quadro 6 demonstra a variação da concentração dos íons presentes neste experimento para o equilíbrio deslocado. Quadro 6. Variação de concentração no equilíbrio por adição KCl, Co(NO3)2 ou AgNO3. ÍON TUBO 1 + KCl TUBO 2 + Co(NO3)2 TUBO 3 + AgNO3 TUBO 4 padrão [Co2+] Diminuiu Aumentou Aumentou - [Cl-] Aumentou Diminuiu Diminuiu - [CoCl42-] Aumentou Aumentou Diminuiu - Por fim, na etapa B3, após a adição de 7,5mL de H2O à solução 6 da etapa B1, foi observado a formação de duas fases, uma rosada e uma azul, que logo se uniram após leve agitação, causado esmaecimento da cor azul. Em soluções aquosas os íons Co2+ (avermelhados) estão coordenados na forma [Co(H2O)6]2+ causando a coloração rosada à solução. Assim, pela reação já citada anteriormente: [Co(H2O)6]2+ + 4 Cl- 2 CoCl42- + 6 H2O (aq) (aq) (aq) (l) Observou-se que a adição de produto (H2O) deslocou o equilíbrio para a esquerda, favorecendo a formação do complexo de Cobalto hexahidratado. Portanto foi inferido que a concentração de [Co(H2O)6]2 aumentou e a de CoCl42- diminuiu. 4. CONCLUSÃO Conclui-se que este tipo de experimento tem diversas utilidades em diferentes áreas da química, destacando-se na química qualitativa. Entender como uma solução se comporta na presença de outras substâncias, muitas vezes um indicador, acelera processos e descomplica etapas em rotinas laboratoriais de qualidade. Um exemplo é a análise qualitativa de qualidade do leite. Ao receber um leite de um produtor rural, o próprio transportador pode verificar a qualidade do leite, uma vez que a acidez é um parâmetro importante de qualidade do leite. Ao adicionar 5mL de solução de Alizarol 72ºGL à 5mL de leite cru, sob leve agitação, rapidamente se obtém uma mudança no aspecto do leite. Se o leite estiver ácido, a amostra se torna amarela e coalhada, enquanto que se o leite estiver bom, a cor lilás se mostrará. Assim é possível rapidamente evitar transtornos com árduo e caro transporte de muitos litros de leite de má qualidade, senão estragado. Manipular o equilíbrio químico de modo a obter mais produtos ou reagentes é extremamente importante para o rendimento de qualquer processo, sobretudo industrial. Como a constante retirada de um produto de um sistema reacional a fim de permanecer o equilíbrio deslocado para a direita, aumentando a eficiência do processo e de toda cadeia produtiva. 5. BIBLIOGRAFIA Embora não haja citações diretas ou indiretas, os livros abaixo foram consultados para a contextualização da conclusão e compreender os fenômenos físico-químicos observados. DALVA, Eliane. Análise Físico-Químicas e microbiológicas do Leite. 1ªEd. 2011 VOGEL - Análise Química Quantitativa, 5ª Ed.,Editora Mestre Jou: São Paulo, 1981. (páginas: 286; 393)
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