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Universidade Federal do Rio de Janeiro Centro de Ciências Matemáticas e da Natureza Instituto de Química - Departamento de Química Analítica Apostila de Química Analítica Farmacêutica Experimental II IQA234 – Noturno Versão 2 Autores: Daniella L. Vale Rodolfo S. Barboza Revisado por: Bianca P. Pinto Maiara O. Salles 1 1. Regulamentos e critério do curso______________________________ Não será permitida a entrada do aluno no laboratório após 10 (dez) minutos do início da aula; A falta à aula prática implicará em nota 0 (zero) nas atividades desenvolvidas no dia, sendo esta nota contabilizada no cálculo da média dos relatórios; É obrigatório o uso do material de segurança laboratorial, tal como jaleco (ou guarda-pó), calçado fechado e óculos de segurança (ver Item 2); É expressamente proibido beber, comer, fumar e usar lentes de contato nas dependências do laboratório (ver Item 2); O relatório relativo à aula prática deverá ser entregue, impreterivelmente, na aula subsequente à aula de realização da prática; atrasos implicarão em nota 0 (zero); Os relatórios não serão devolvidos, sendo assim, seria de boa prática que o aluno guardasse uma fotocópia do mesmo, e as notas serão divulgadas no final do curso; Observação: no início do período letivo os alunos receberão as chaves dos armários contendo o material de laboratório sobre os quais ficarão responsáveis durante o desenvolvimento da disciplina. Junto à chave, os alunos receberão os termos de compromisso, nos quais se comprometerão a devolver, no final do período letivo, todo o material intacto. Qualquer dano ao material recebido pelo aluno, assim como, ao material de uso comum do laboratório, deverá ser reparado pelo aluno. O critério do curso segue a seguinte equação: 𝑀𝐹 = 𝑃𝑇𝑃 + 𝑃𝑃 + 𝑀𝑅 3 Onde: MF = Média Final PTP = Média das Provas de Teoria da Prática PP = Prova Prática MR = Média dos Relatórios Critério: Se, MF ≥ 5,0, então, APROVADO; Se, MF < 5,0, então, REPROVADO. 2 2. Segurança laboratorial______________________________________ O trabalho em um laboratório envolve necessariamente um grau de risco, pois alguns acidentes podem acontecer. A adoção rigorosa de normas laboratoriais é imprescindível. As normas apresentadas a seguir corroboram na prevenção e/ou minimização de acidentes: 1. Conheça o seu laboratório. Saiba a localização dos equipamentos de segurança disponíveis, como por exemplo, cobertor antifogo, lava-olhos, extintores de incêndio, entre outros. Aprenda a utilizar adequadamente cada equipamento e não hesite em usar caso necessário. Caso não possa manipulá-lo de maneira correta, acione de pronto a brigada de incêndio do Centro de Tecnologia (CT-UFRJ) (Telefone: 2562-7777); 2. Use os óculos de segurança. O risco potencial de danos sérios e talvez permanentes faz que seja obrigatório o uso de proteção para os olhos, o tempo todo, por estudantes, professores e visitantes. As lentes de contato nunca devem ser usadas no laboratório porque os vapores podem reagir com elas, tendo um efeito danoso para os olhos; 3. A maior parte dos produtos químicos usados em laboratórios é tóxica; alguns são muito tóxicos e outros, tais como soluções de ácidos e bases concentradas, são altamente corrosivos. Evite o contato com a pele. Caso ocorra, lave imediatamente a área afetada com grandes quantidades de água corrente. Se uma solução corrosiva for derramada sobre a roupa, remova o traje imediatamente; 4. Nunca realize um experimento sem autorização; 5. Nunca trabalhe sozinho no laboratório; certifique-se de que haja sempre alguém à vista; 6. Nunca leve comida ou bebida para o laboratório. Não tome líquidos em recipientes de vidro laboratoriais. Não fume dentro do laboratório; 7. Use calçado adequado (não usar sandálias). Prenda o cabelo apropriadamente. Utilize o jaleco (guarda pó); 8. Seja extremamente cuidadoso ao tocar objetos que tenham sido aquecidos. Vidro quente é indistinguível do frio; 9. Utilize sempre a capela de exaustão quando os vapores tóxicos ou gases nocivos possam ser envolvidos. Seja cauteloso ao realizar testes para determinar odores; use a mão para puxar os vapores em direção ao nariz; 3 10. Descarte as soluções e produtos químicos como orientado. Em muitas localidades, é ilegal despejar soluções contendo metais pesados e solventes orgânicos na pia. 11. Notifique imediatamente o professor em caso de acidentes, ferimentos, dentre outros problemas. 4 3. Cronograma do curso_______________________________________ Quadro 3.1. Cronograma das aulas e atividades da disciplina Química Analítica Quantitativa Experimental I – IQA234 Número de ordem Prática / Atividade Data 1 Apresentação do Curso (ementa e laboratório); aula teórica sobre gravimetria. ____/____/____ 2 Dosagem de açúcares redutores totais (método de Munson & Walker modificado). ____/____/____ 3 Aula teórica sobre volumetria; preparo das soluções de hidróxido de sódio e ácido clorídrico. ____/____/____ 4 Padronização das soluções de hidróxido de sódio e ácido clorídrico. ____/____/____ 5 Determinação da acidez do vinagre. ____/____/____ 6 Determinação de ácido fosfórico comercial. ____/____/____ 7 Determinação da pureza do ácido acetilsalicílico (Aspirina) ____/____/____ 8 Mistura alcalina: determinação do teor de carbonato e bicarbonato. ____/____/____ 9 Prova de teoria da prática 1 ____/____/____ 10 Permanganometria: análise de água oxigenada comercial. ____/____/____ 11 Iodometria: determinação de hipoclorito de sódio em água sanitária comercial. ____/____/____ 12 Precipitimetria: determinação de cloreto em soro fisiológico. ____/____/____ 13 Compleximetria: Leite de Magnésia ____/____/____ 14 Prova de Teoria da Prática 2 e Prova Prática ____/____/____ 5 4. Análise quantitativa_________________________________________ A química analítica é uma ciência de medição que consiste em um conjunto de ideias e métodos poderosos que são úteis em todos os campos da Ciência. As informações requeridas em uma análise passam pelas subdivisões básicas da química analítica: a análise qualitativa que estabelece a identidade química das espécies presentes em uma amostra, e a análise quantitativa que determina as quantidades relativas das espécies, ou analitos (componentes de uma amostra a serem determinados), em termos numéricos. As medidas analíticas quantitativas desempenham um papel fundamental em muitas áreas da Ciência, sendo uma análise quantitativa típica, uma prática que envolve uma sequência de etapas, mostradas no fluxograma da Figura 4.1. Em alguns casos, uma ou mais dessas etapas podem ser omitidas. Por exemplo, se a amostra for líquida podemos evitar a etapa de dissolução. Calculamos os resultados de uma análise quantitativa, a partir de duas medidas: a massa ou o volume de uma amostra que esteja sendo analisada; e a medida de alguma grandeza que é proporcional à quantidade de analito presente na amostra, como por exemplo, intensidade de luz ou corrente elétrica. O estudo guiado pelo presente material abrange apenas as medidas de massa (gravimetria) ou de volume (volumetria) na determinação dos analitos nas amostras a serem analisadas. Os métodos gravimétricas determinam a massa do analito ou de algum composto quimicamente a ele relacionado. Em um método volumétrico, mede-se o volume da solução contendo reagente em quantidade suficiente para reagircom todo o analito presente. O cálculo das concentrações dos analitos a partir dos dados experimentais é, em geral, relativamente fácil, particularmente com as calculadoras e computadores modernos. Essa etapa é apresentada na penúltima etapa da Figura 4.1. Esses cálculos são baseados nos dados experimentais crus (na forma em que foram originalmente obtidos) coletados na etapa de medida, nas características dos instrumentos de medida e na estequiometria das reações químicas envolvidas. 6 Figura 4.1. Fluxograma mostrando as etapas envolvidas em uma análise quantitativa. Seleção do método Obtenção da amostra A amostra é solúvel? Propriedade mensurável? Realização da dissolução química Mudança da forma química Eliminação das interferências Processamento da amostra Estimativa da confiabilidade dos resultados Cálculo dos resultados Medida da propriedade X Sim Sim Não Não 7 5. Algarismos significativos___________________________________________ Os algarismos significativos são aqueles que têm importância na exatidão de um número. Se, por exemplo, expressarmos o número 0,006263, teremos sete algarismos, porém, apenas os quatro últimos serão significativos, uma vez que os zeros à esquerda não influenciam na exatidão deste número. Já no caso do número 4,5500, temos cinco algarismos, sendo todos significativos, pois os zeros à direita conferem uma maior exatidão. Os exemplos a seguir mostram números com quatro algarismos significativos: 56,00 - 0,2301 - 0,00001000 - 1034. Números que estejam em notação científica, terão como algarismos significativos todos os algarismos presentes, com exceção da própria potência. Temos como exemplo: 780,0 = 7,800 x 102. Ambos possuem os algarismos 7800 seguidos, como sendo os quatro algarismos significativos, e a potência de dez apenas "moverá" a vírgula, não afetando a quantidade de algarismos significativos. Observação: zeros à esquerda não são algarismos significativos, como em: 0,00000000003 - Apenas um algarismo significativo 5.1 Algarismos duvidosos Ao realizar a medição de algum objeto, nunca teremos a medida exata do mesmo. Uma régua comum, por exemplo, possui divisões de centímetros e milímetros. Ao medir um lápis nota-se que o comprimento dele tem 13,5 cm, pois, aparentemente, ele fica em cima dessa medida. Porém, não podemos ter certeza quanto ao algarismo 5 desse número. Poderia ser 13,49 ou 13,51. Então este último algarismo é chamado de duvidoso. Em qualquer número, o algarismo duvidoso será o último algarismo significativo, contando da esquerda para direita. Vejamos os exemplos a seguir: 9,9999998 - Possui 8 algarismos significativos, sendo o algarismo duvidoso o 8; 14,79234320 - Possui 10 algarismos significativos, sendo o algarismo duvidoso o 0; 1,00000 - Possui 6 algarismos significativos, sendo o algarismo duvidoso o 0; 0,008965 - Possui 4 algarismos significativos, sendo o algarismo duvidoso o 5. 5.2 Aproximações: As aproximações ou arredondamentos realizados em valores numéricos que expressam resultados de análises quantitativas são de extrema importância devido ao grau 8 de precisão requerido e ao que determinada técnica oferece. Com isso, o valor numérico de um resultado sempre deverá apresentar os algarismos necessários e suficientes para a tradução correta do fenômeno considerado. A quantidade de algarismos significativos sempre deverá ser definida pela precisão do instrumento de medida e do método utilizado. Sendo assim, é a representação dos valores que se tem certeza mais o que não se tem certeza, sendo este último apenas uma estimativa (seria o algarismo duvidoso). Normalmente, a incerteza associada ao algarismo duvidoso deve estar dentro do intervalo que abrange mais ou menos o valor da precisão do instrumento, definindo-se assim, o número de dígitos em uma medida. Se o instrumento de medida não tiver a precisão conhecida, costuma-se usar como precisão a menor medida de escala do instrumento dividido por dez. Na prática, o procedimento utilizado para o arredondamento é o seguinte: Quando o algarismo imediatamente seguinte ao último algarismo a ser conservado for inferior a 5, o último algarismo a ser conservado permanecerá sem modificação. Exemplo: 1,3333 arredondado à primeira decimal tornar-se-á 1,3. Quando o algarismo imediatamente seguinte ao último algarismo a ser conservado for superior a 5, ou, sendo 5, for seguido de no mínimo um algarismo diferente de zero, o último algarismo a ser conservado deverá ser aumentado de uma unidade. Exemplo: 1,6666 arredondado à primeira decimal tornar-se-á: 1,7. 4,8505 arredondados à primeira decimal tornar-se-á: 4,9. Quando o algarismo imediatamente seguinte ao último algarismo a ser conservado for 5 seguido de zeros, dever-se-á arredondar o algarismo a ser conservado para o algarismo par mais próximo. Consequentemente, o último a ser retirado, se for ímpar, aumentará uma unidade; se for par o algarismo a ser conservado, ele permanecerá sem modificação. Exemplo: 4,5500 arredondados à primeira decimal tornar-se-ão: 4,6. 4,8500 arredondados à primeira decimal tornar-se-ão: 4,8. 5.3 Contas respeitando os algarismos significativos Em somas e subtrações deve-se respeitar a posição do algarismo duvido, ou seja, limitar o resultado ao número de casas decimais do número que contém menos casas decimais. 9 Observação: toda conta de soma e subtração deve ser realizada com os valores expressos na mesma unidade. Exemplo: deseja-se somar os volumes de água destilada (10,40 cm3), etanol (20,2 cm3) e acetona (33,278 cm3). Qual seria o resultado fisicamente correto para o volume da mistura (considerando que não haja contração ou expansão do volume)? Resposta: observa-se qual das parcelas possui o menor número de casas decimais. No caso, é a parcela 20,2 cm3, que possui apenas uma casa decimal. Esta parcela não será alterada. As demais serão arredondadas de modo a ficarem com uma casa decimal. Assim: 10,40 cm3 10,4 cm3 20,2 cm3 20,2 cm3 33,278 cm3 33,3 cm3 Somatório 63,9 cm3 Em multiplicações e divisões deve-se respeitar a quantidade de algarismos significativos do valor que contém o menor número de algarismos significativos. Exemplo: qual seria a área de um quadrado de lados iguais a 10,1 cm e 2,5 cm? Resposta: o resultado da multiplicação de ambas as parcelas é 25,25 cm2. No entanto, 2,5 cm é o fator que apresenta a menor quantidade de algarismos significativos (apenas 2); logo o valor 25,25 cm2 deverá ser arredondado para 25 cm2. 10 6. Vidrarias e outros instrumentos______________________________ Muitas pessoas estão familiarizadas com as peças comuns de vidrarias de laboratório, como o béquer, o erlenmeyer, o tubo de ensaio e a proveta. Esses recipientes de vidro se destinam a aquecer, misturar e manusear as soluções, mas normalmente não servem para determinar volumes com exatidão. Uma medida de volume pode ser obtida de maneira confiável (altas precisão e exatidão) por meio de dispositivos especialmente projetados para medições analíticas, tais como, balões volumétricos, pipetas volumétricas, buretas, entre outros. O equipamento volumétrico é marcado pelo fabricante para indicar não apenas a sua forma de calibração, mas também a temperatura na qual a calibração se aplica restritamente: TD para dispensar (to deliver); como exemplo, temos a pipeta volumétrica e a bureta, que são normalmente calibradas para dispensar; e TC para conter (to contain); como exemplo, temoso balão volumétrico que é calibrado para conter um certo volume. A composição do vidro influencia na qualidade da vidraria. Tipos de materiais de vidro incluem os de Classe A e Classe B. O recipiente Classe A é fabricado com vidros Pyrex, borossilicato ou Kimax para menores tolerâncias (ver Tabelas 6.1, 6.2 e 6.3). As tolerâncias das vidrarias pertencentes à Classe B (econômica) são aproximadamente duas vezes superiores às de Classe A. 6.1 Balões volumétricos Dispositivos que servem para preparar soluções diluídas a um volume específico. A forma geral de um balão volumétrico consiste de um longo pescoço superior com uma parte inferior arredondada e um fundo plano para acomodar soluções. O topo do pescoço contém uma abertura onde uma tampa pode ser colocada quando se vai homogeneizar o conteúdo de frasco. Há também uma linha gravada no pescoço, que indica onde o menisco da solução deverá estar localizado quando o volume de líquido no frasco for igual ao volume declarado (Figura 6.1). Figura 6.1. Balão volumétrico. 11 O procedimento correto de uso de um balão volumétrico é bastante simples. Primeiramente, verifique se o recipiente está limpo e livre de quaisquer rachaduras ou outras imperfeições. A seguir, coloque nele uma pequena quantidade do solvente a ser utilizado e, então, adicione a amostra (previamente solubilizada no solvente de trabalho no caso de amostras sólidas). Após a transferência quantitativa da amostra, adicione solvente (ainda sem encher totalmente o balão). Repousando o balão sobre uma superfície plana e firme, e também, que permita que a marca de aferição riscada no pescoço do balão fique nivelada aos seus olhos para evitar erros de paralaxe, qualquer volume de solvente necessário para completar o volume do balão deve ser cuidadosamente adicionado. Ante a proximidade da linha de calibração, recomenda-se que o solvente seja adicionado gota a gota. Quando a base do menisco do solvente estiver exatamente sobre a linha, o frasco deverá ser fechado e a solução homogeneizada através de repetidos movimentos de inversão (pelo menos oito vezes). Tabela 6.1. Tolerâncias de frascos volumétricos Classe A. Capacidade, mL Tolerâncias, mL 5 ±0,02 10 ±0,02 25 ±0,03 50 ±0,05 100 ±0,08 250 ±0,12 500 ±0,20 1000 ±0,30 2000 ±0,50 6.2 Pipetas volumétricas Uma pipeta volumétrica é um dispositivo de aspiração, de vidro, de volume determinado que apresenta uma zona central mais larga e que, enchendo-se por sucção, serve para transvasar (dispensar) líquidos (Figura 6.2). As pipetas volumétricas podem apresentar um só traço superior (pipeta volumétrica de tempo) ou dois traços - um superior e outro inferior (pipeta volumétrica de sopro). Figura 6.2. Pipeta volumétrica. 12 As capacidades mais frequentes são 5, 10, 20, 25, e 50 mililitros. Para aspirar o líquido para a pipeta usa-se um dispositivo de sucção (pró-pipete, macrocontrolador, entre outros) até o líquido ultrapassar a marca indicativa do volume pretendido nominal da pipeta (marca de aferição). Ao manusear a pipeta volumétrica deve-se ter o cuidado de manter a pipeta na posição vertical e em uma altura que permita que o traço de marcação do volume fique ao nível dos olhos para evitar efeitos de paralaxe. Deve-se ainda ter em atenção de secar a ponta da pipeta com papel apropriado antes da aferição do volume, uma vez que gotículas do líquido aliquotado pode permanecer na parede externa da pipeta e ser dispensado no frasco coleto. Após secagem da ponte e aferição até a marca na parte superior da pipeta, dispense o líquido para o frasco coletor. Deve-se ter cuidado com a forma de transvasar o líquido, apoiando a ponta da pipeta na parede lateral do recipiente. 6.2.1 Tipos de pipetas Segundo a norma ISO 835, existem no mercado pipetas volumétricas que podem possuir um tempo especificado para o descarte do líquido ou podem ser de sopro, dependendo da sua identificação e tipo. As normas ABNT 1769:2007 e ASTM E969-02 mencionam sobre a codificação em faixas e cores para cada tipo de pipeta dependendo da sua faixa de escala e divisão. Isso quer dizer que cada pipeta tem sua cor e quantidade de faixas específicas para o seu tipo. Aqui, nos ateremos a mostrar somente as características dos instrumentos encontrados nos laboratórios de graduação do DQA/UFRJ. Pipeta Volumétrica de um traço (tempo de 15s) A leitura dessa pipeta é feita ajustando-se o menisco no ponto marcado (no alto da pipeta), indicando o volume desejado. Nesse tipo de pipeta também é descartado todo seu líquido. Normalmente, as pipetas deste tipo são com tempo especificado de 15 segundos, ou seja, após todo o líquido ter sido dispensado, aguarda-se no mínimo 15 segundos e encosta-se a ponta da pipeta na parede do frasco coletor para a retirada da última gota. 13 Pipetas com dois traços (pipetas de sopro) Não é comum esse tipo de pipeta ser apresentado nas normas mais usuais. Porém, é de conhecimento dos fabricantes e dos laboratórios que operam com ela, que esses dois traços gravados no alto do corpo da pipeta, caracterizam uma pipeta de sopro. A leitura dessa pipeta é feita ajustando-se o menisco no ponto máximo desejado, em toda a faixa da escala até o seu descarte total. Sempre que se completar o descarte do líquido da pipeta no ponto desejado, deve ser assoprada a última gota que restar na ponta da pipeta. Possíveis erros: como dito anteriormente, se o equipamento for usado de maneira inadequada, é bem provável que sejam encontradas várias diferenças nos resultados das medições. Foram analisadas algumas medições, usando o equipamento com seu manuseio correto, e com possíveis erros que podem ser cometidos pelo desconhecimento do equipamento, como: Uma pipeta comum sem sopro ser assoprada no descarte da última gota do líquido em sua ponta; Uma pipeta de sopro não ser assoprada no final do descarte do seu líquido; Uma pipeta de tempo especificado de 15 segundos, ser assoprada em vez de aguardar 15 segundos na hora do descarte de seu líquido; Não se levar em consideração o tempo especificado de 15 segundos de uma pipeta na hora do descarte do seu líquido. Tabela 6.2. Tolerâncias de pipetas de transferência Classe A. Capacidade, mL Tolerâncias, mL 0,5 ±0,006 1 ±0,006 2 ±0,006 5 ±0,01 10 ±0,02 20 ±0,03 25 ±0,03 50 ±0,05 100 ±0,08 14 6.3 Buretas Uma bureta consiste em um tubo de vidro calibrado para abrigo do titulante (ou mesmo do titulado em uma titulação inversa), mais a válvula pela qual a vazão do líquido é controlada (Figura 6.3). As buretas, assim como as pipetas graduadas, tornam possível o escoamento de qualquer volume até a capacidade máxima do dispositivo. A precisão alcançável com uma bureta é substancialmente maior que a precisão de uma pipeta graduada. Figura 6.3. Bureta. Em um laboratório de Química Quantitativa onde a volumetria é a técnica predominante, a utilização correta de uma bureta é de suma importância. Para tanto, o analista precisa de instruções de uso e de treinamento. Vejamos algumas instruções para o uso de uma bureta: Uma bureta precisa ser escrupulosamente limpa antes de seu uso; além disso, sua válvula não deve estar vazando. 1. Limpeza: limpe perfeitamente o tubo da bureta com detergente e uma escova grande. Enxague completamente com água corrente e então passe água destilada; 2. Lubrificação da torneira: cuidadosamente, remova toda a graxa antiga da torneira de vidro e seu tambor com uma toalhade papel e seque ambas as partes completamente. Engraxe-a ligeiramente, tomando cuidado para evitar a área adjacente ao furo. Coloque a torneira no tambor e gire-a vigorosamente com uma leve pressão para dentro; 3. Preenchimento: tenha a certeza de que a torneira esteja fechada. Adicione 5 ou 10 mL do titulante (ou mesmo do titulado em uma titulação inversa) e, cuidadosamente, gire a bureta para molhar seu interior completamente. Deixe o líquido escoar pela ponta da bureta. Repita este procedimento pelo menos mais duas vezes. Em seguida, encha a bureta bem acima da marca zero. Libere a ponta de bolhas de ar girando rapidamente a torneira e permitindo que pequenas quantidades do líquido sejam escoadas. Finalmente, seque a ponta da bureta com uma toalha de papel e baixe o nível do líquido até a marca zero; 15 6.4. Titulação: certifique-se de que a ponta da bureta esteja dentro do frasco de titulação. Introduza o titulante em constante gotejamento com vazão moderada inicialmente. Agite o frasco de titulação constantemente para garantir reação completa. Diminua a vazão à medida que a titulação avança; adicione o titulante gota a gota nas proximidades do ponto final (incrementos menores que uma gota podem ser adicionados permitindo-se a formação de uma gota na ponta da bureta e então tocando a ponta na parede do frasco. Essa gota parcial é combinada com a totalidade do líquido por lavagem da parede com água destilada ou simples agitação). Quando parecer que apenas mais algumas gotas são necessárias para atingir o ponto final, enxágue as paredes do recipiente. Atingido o ponto final, deixe o titulante drenar da parede interna da bureta (pelo menos 15 segundos). Então, anote o volume final o mais próximo de 0,01 mL. Tabela 6.3. Tolerâncias de buretas Classe A. Capacidade, mL Tolerâncias, mL 5 ±0,01 10 ±0,02 25 ±0,03 50 ±0,05 100 ±0,20 Observação: na primeira prática deste curso, faremos a análise termogravimétrica de açucares redutores. Sendo assim, faz-se necessária breve apresentação de alguns instrumentos utilizados para esta análise. São eles: balança analítica, cadinho filtrante, dessecador e estufa. - Balança analítica: uma balança analítica é um instrumento usado na determinação de massas com uma capacidade máxima que varia de 1 g até alguns quilogramas, com alta precisão e exatidão. Alguns fatores podem influenciar a medida de massa em uma balança analítica: temperatura, eletrificação de recipientes, adsorção de umidade do ar (tanto pela amostra como pelo recipiente) e calibração da balança. 16 Observação: a tara é a massa de um frasco de amostra vazio. Tarar é o processo de ajuste da balança para apresentar leitura zero na presença da tara. Importante: a pesagem de objetos cuja temperatura é diferente da temperatura ambiente pode resultar em erros significativos. Isso pode ocorrer por dois fatores. Correntes de convecção podem exercer um efeito de empuxo sobre o prato da balança, fazendo com que a força exercida sobre o prato se torne menor do que deveria ser de fato. Além disso, o ar aquecido pesa menos do que o mesmo volume de ar sobre temperaturas mais baixas, também diminuindo o valor da medida. Esse tipo de erro pode sofrer variações de medida na ordem de 10 a 15 mg. Portanto, objetos aquecidos devem ser resfriados a temperatura ambiente antes de serem pesados. Técnicas de pesagem a. Pesagem por adição: é a técnica de pesagem mais comumente utilizada. Esta técnica consiste na pesagem do recipiente vazio (MR) e posteriormente na pesagem do recipiente com a amostra (MC). A massa da amostra (MA) é obtida por: MC = MR + MA MA = MC – MR Importante: a pesagem por adição não é adequada para mensurar massas de substâncias voláteis, higroscópicas ou que não sejam completamente transferíveis. b. Pesagem por diferença: esta técnica consiste na pesagem do recipiente com a amostra (MC) e posteriormente do recipiente após a retirada da amostra (MR). A massa da amostra (MA) é obtida por: MA= MC – MR Importante: a pesagem por diferença é adequada para mensurar a massa de substâncias voláteis, higroscópicas ou que não sejam totalmente transferíveis. - Cadinho filtrante: os cadinhos filtrantes são recipientes munidos de placas porosas de vidro sinterizado ou porcelana configurando o meio filtrante do corpo do instrumento. 17 São utilizados em processos de filtração de precipitados com tamanhos maiores que o tamanho de poro. Evitam-se as as soluções fortemente alcalinas, pois as mesmas podem atacar o vidro. - Dessecador: é um dispositivo para a secagem de substâncias ou objetos. Para minimizar a absorção de umidade, os materiais secos são armazenados em dessecadores, enquanto se resfriam. A base de um dessecador contém um agente químico de secagem, como o cloreto de cálcio anidro, por exemplo, que normalmente é coberto com uma tela e um prato de porcelana com furos, para acomodar os objetos. - Estufa: é um dispositivo que possui por objetivo acumular e conter o calor em seu interior, mantendo assim, uma temperatura maior em seu interior que no meio externo. Normalmente composta de uma caixa e uma fonte de calor. 18 7. Gravimetria_______________________________________________ A análise gravimétrica se fundamenta na formação de um produto cuja massa pode ser relacionada com a massa da substância alvo, ou seja, da espécie que está sendo analisada (analito). Sendo assim, em uma análise gravimétrica, a massa de uma determinada substância é usada para calcular a quantidade de analito presente na amostra original. Existem várias maneiras de realizar uma análise gravimétrica, mas todas elas envolvem medição de massa. A Tabela 7.1 mostra várias estratégias utilizadas nessa análise. Os métodos gravimétricos mais tradicionais determinam a massa de uma substância medindo a massa de um precipitado ou de um sólido correlacionado que contenha essa substância em uma relação conhecida. Esse método geralmente envolve a adição de um agente de precipitação (ou precipitante) para que se forme o sólido mensurável, cuja massa possa ser usada para calcular a quantidade do analito de interesse. Outros dois tipos de análise gravimétrica são a análise de combustão e a análise termogravimétrica. Em ambos os casos, as medições da massa se combinam com a formação ou com a perda de substâncias químicas voláteis. No caso da análise de combustão, uma amostra é queimada para liberar gases como dióxido de carbono e água, que são então recolhidos e pesados para que se determine o teor de carbono e de hidrogênio da amostra original. Em uma análise termogravimétrica, uma amostra é aquecida de forma controlada, e a alteração em sua massa é medida de acordo com a temperatura à medida que libera componentes voláteis. Tabela 7.1. Tipos gerais de métodos gravimétricos. Tipo de método Exemplo Medição da massa de um sólido que se forma com a precipitação de um analito presente em uma solução. Análise gravimétrica tradicional Medição do ganho de massa devido à coleta de uma substância química volátil perdida por uma amostra. Análise de Combustão Medição da variação na massa de uma amostra de acordo com a variação de temperatura. Análise termogravimétrica É conveniente mencionar algumas vantagens da análise gravimétrica tradicional: a. É exata e precisa quando se usam as balanças analíticas modernas; 19 b. É fácil controlar as possíveis fontes de erro, pois os filtrados podem ser ensaiados para verificar se a precipitação foi completa, e os precipitados podem ser examinadosem busca da presença de impurezas; c. As determinações podem ser feitas com aparelhos relativamente baratos. 7.1 Gravimetria por precipitação A gravimetria de precipitação ou tradicional pode ocorrer através de uma reação ácido-base (mais usual), ou através de uma reação redox. O precipitado é tratado (filtração, lavagem e secagem) e depois tem sua massa mensurada em uma balança de alta precisão. O agente precipitante deve ser o mais seletivo possível, de preferência específico (incomuns). Existem técnicas para aumentar a seletividade do agente precipitante como a variação do pH, da temperatura e adição de outras espécies que formam complexos com a espécie química interferente da análise. Observação: normalmente o precipitado formado é um composto diferente da espécie a ser analisada. Sendo assim, utiliza-se uma relação estequiométrica para se quantificar a espécie química analisada através da obtida. Características desejáveis para o precipitado: - A espécie química formada deve ser muito pouco solúvel no solvente utilizado e no de lavagem para que a sua perda durante a análise seja insignificante. - Para aumentar a precipitação da espécie química a ser analisada deve-se adicionar agente precipitante em excesso, porém deve-se ter cuidado para que não haja efeitos colaterais, como a formação de um complexo solúvel. Observação: solubilidade envolve um equilíbrio químico. O Kps da espécie formada deve ser pequeno o suficiente (geralmente inferior a 10-8), para que o que fique em solução seja insignificante para ser analisado pela balança. 20 - O precipitado deve possuir composição definida para que após sua pesagem a espécie de interesse seja quantificada, de forma confiável, através de cálculos estequiométricos. O precipitado obtido não pode ser higroscópico, não deve ter facilidade de agregar impurezas, não deve se decompor com facilidade e a reação de precipitação não pode formar uma mistura de precipitados. - O precipitado deve estar sob uma forma apropriada de pesagem ou ser facilmente convertido a uma. Como exemplo, temos o Fe(OH)3, que é um sólido gelatinoso de difícil filtração e pesagem (não se pode saber o quanto de água está aderida à sua estrutura), não podendo ser utilizado para fins gravimétricos. No entanto, podemos convertê-lo ao seu respectivo óxido (Fe2O3 – ideal para este fim), através do aumento da temperatura (procedimento conhecido por calcinação). - O precipitado deve ser formado a uma temperatura relativamente baixa e deve ser estável a uma temperatura relativamente alta para que não seja necessário o controle da temperatura durante o processo. - É conveniente que o agente precipitante forme com a espécie um precipitado de massa elevada a partir de pequena quantidade da espécie, pois assim é possível medir na balança pequena quantidade da espécie, ou seja, quanto menor for a relação entre a massa da espécie a massa de precipitado formado maior é a sensibilidade da análise. - Essa relação entre a massa da espécie e a massa de precipitado formado chama-se fator gravimétrico (F), que pode ser definido como a quantidade de massa da espécie para 1g da massa de precipitado, ou seja, é uma constante que demonstra a relação entre essas massas. F = me / mp onde: me = massa da espécie; e mp = massa do precipitado formado. 21 Outra maneira de fazer essa relação é : F = (W x MMe) / MMp MMe = massa molar da espécie; W = quantidade de átomos da espécie que estão contidos em uma molécula de precipitado; MMp = massa molar do precipitado. As duas relações demonstradas são a mesma, pois a proporção entre espécie e molécula tem que ser mantida, lei das proporções definidas, Prost. 22 Prática 01: Dosagem de açucares redutores totais (método de Munson & Walker modificado) As aldoloses reagem com o licor de Felhing reduzindo o Cu2+ a Cu2 2+ na forma de Cu2O o qual é quantificado gravimetricamente. No casod dos polímeros não redutores, como a sacarose, se faz necessário uma hidrólise prévia para que o monômero redutor seja liberado. 2𝐶𝑢2+ + 4𝑂𝐻− + 𝑅 − 𝐶𝑂𝑂𝐻 ⟶ 𝐶𝑢2𝑂 + 𝑅 − 𝐶𝑂𝑂𝐻 + 2𝐻2𝑂 1. Procedimento da análise gravimétrica: 1.1. Preparo de soluções a. Solução padrão de glicose: pesar cerca de 1,0 g de glicose P.A. ao 0,1 mg, diluir em água destilada e avolumar até 100,00 mL em balão volumétrico; b. Solução de Felhing A: pesar 34,6 g de CuSO4.5H2O, dissolver em água destilada e diluir a 500 mL. Deixar em repouso durante 24 horas e filtrar em cadinho de Gouche G- 17; c. Solução de Felhing B: pesar 173 g de sal de Rochelle (NaKC4H4O6.4H2O) e 50 g de NaOH, dissolver em água destilada e diluir a 500 mL. Deixar em repouso durante 24 horas em frasco de plástico e filtrar em cadinho de Gouche G-17. 1.2. Procedimento de hidrólise da sacarose No caso de açúcares redutores do tipo da sacarose, torna-se necessária uma etapa de pré- tratamento, que no caso seria a hidrólise. O protocolo é constituído das seguintes etapas: a. Aliquotar 2,00 mL de solução amostra, adicionar 2 mL de HCl a 10% e aquecer por 10 minutos entre 60-65°C; b. Após o resfriamento da solução, adicionar 2 mL de NaOH a 10% e proceder a análise. 23 1.3. Determinação do fator gravimétrico do Cu2O a. Transferir 10,00 mL de solução padrão de glicose para um bécher de 150 mL; b. Adicionar 20 mL de licor de Felhing previamente preparado (10 mL de Felhing A + 10 mL de Felhing B); c. Adicionar 20 mL de água destilada e aquecer à ebulição por cerca de 5 minutos; d. Esperar a solução esfriar, filtrar em cadinho de gouche G-17 previamente tarado; e. Lavar o precipitado com 10-20 mL de água destilada a 60°C, e na sequência com iguais volumes de etanol e depois acetona; f. Levar o sistema "cadinho + precipitado" à estufa a 105°C durante o tempo de 30 minutos (ou em forno microondas em potência máxima por 5 minutos). g. Esfriar em dessecador por, aproximadamente, 20 minutos e pesar o sistema na mesma balança analítica; h. Repetir as etapas "f" e "g" até obtenção de peso constante; i. Calcular o fator gravimétrico da reação. 1.4. Determinação do teor de açúcares redutores totais a. Transferir 10,00 mL da solução em estudo para um bécher de 150 mL; b. Adicionar 20 mL de licor de Felhing previamente preparado (10 mL de Felhing A + 10 mL de Felhing B); c. Adicionar 25 mL de água destilada e aquecer à ebulição por cerca de 5 minutos; d. Esperar a solução esfriar, filtrar em cadinho de gouche G-17 previamente tarado; e. Lavar o precipitado com 10-20 mL de água destilada a 60°C, e na sequência com iguais volumes de etanol e depois acetona; f. Levar o sistema "cadinho + precipitado" à estufa a 105°C durante o tempo de 30 minutos (ou em forno microondas em potência máxima por 5 minutos). 24 g. Esfriar em dessecador por, aproximadamente, 20 minutos e pesar o sistema na mesma balança analítica; h. Repetir as etapas "f" e "g" até obtenção de peso constante. Observação: após o aquecimento da amostra já com o licor de Felhing, a solução sobrenadante deverá apresentar coloração azul (o que indica excesso ligeiro do reagente - licor de Felhing). Caso este comportamento não seja observado, adicionar mais 10 mL de Licor de Felhing e aqueça novamente. 2. Cálculos: a. Calcular o teor (%) de açúcares redutores totais na amostra. Observação 1: este método é aplicável a qualquer açúcar redutor, sendo necessário a determinação do seu fator gravimétrico. Observação 2: caso o açúcar analisado seja a sacarose, para expressar o teor (%ART) em gramas de sacarose,deve-se multiplicar o valor da %ART por 95% (percentual de hidrólise da sacarose). 3. Observações da prática: _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 25 _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 26 8. Volumetria_________________________________________________ Os métodos titulométricos incluem um amplo e poderoso grupo de procedimentos quantitativos baseados na medida da quantidade de um reagente de concentração conhecida que é consumida pelo analito. A titulometria volumétrica (volumetria) envolve a medida de volume de uma solução de concentração conhecida necessária para reagir essencial e completamente com a substância que se deseja quantificar (cujo volume de solução seja fixo). O processo inverso também pode ser realizado. Uma solução padrão (titulante) refere-se a um reagente de concentração conhecida que é usado para se fazer uma análise volumétrica. Uma titulação é realizada pela lenta adição de uma solução padrão de uma bureta, ou outro aparelho dosador com mesma precisão, a uma solução de substância alvo até que a reação entre os dois seja julgada completa. É importante registrar que as “posições” das soluções podem ser invertidas. 8.1. Parâmetros importantes Ponto de equivalência: em uma titulação é o ponto teórico alcançado quando a quantidade adicionada de titulante é quimicamente equivalente à quantidade de analito na amostra. Ponto final: na impossibilidade de determinação do ponto de equivalência, estima- se sua posição aproximada pela observação de variações físicas associadas com a condição de equivalência. Portanto, o ponto final de uma titulação seria o ponto onde se diz que as quantidades de titulante e titulado são equivalentes experimentalmente (é um parâmetro experimental). Erro de titulação: todo esforço é feito para que quaisquer diferenças de volumes entre o ponto de equivalência e o ponto final sejam minimizadas, porém, sempre existirá um erro associado chamado erro de titulação. Sendo assim, o erro de titulação seria a diferença entre o valor teórico (ponto de equivalência) e o valor experimental (ponto final). Indicadores: substâncias que promovem as alterações físicas visíveis na região de equivalência entre titulado e titulante permitindo a determinação do ponto final. As alterações típicas do indicador incluem, geralmente, a mudança de cor do sistema analisado ou o aparecimento ou desaparecimento de turbidez. 27 8.2 Requisitos para uma "boa" titulação: a. A reação inerente do processo deve ser capaz de ser descrita em um único processo químico, bem definido, não podendo ocorrer reações paralelas entre a substância em análise e espécies coadjuvantes presentes no meio reacional, uma vez que este problema impossibilitaria a quantificação do analito; b. A reação deve ocorrer rapidamente, para evitar a ultrapassagem do ponto final da titulação. Caso a reação seja muito lenta, teríamos de esperar o tempo de finalização reacional a cada adição, sem a garantia de uma boa prática devido à última adição de titulante poder ultrapassar o volume necessário. Reações de neutralização e complexação são instantâneas, porém as de precipitação e oxirredução podem ser muito lentas (neste caso, existe a possibilidade de serem aceleradas). c. O sistema deve possuir um meio satisfatório para sinalização do ponto final da titulação. 8.3 Padrões primários Um padrão primário é uma substância altamente purificada que serve como material de referência em volumetria. A precisão do método é criticamente dependente das propriedades dessa substância. Os seguintes requisitos são importantes para um padrão primário: a. Alta pureza; b. Estabilidade à atmosfera; c. Ausência de água de hidratação para que a composição do sólido não se altere com as variações na umidade; d. Custo baixo; e. Solubilidade razoável no meio de titulação; f. Massa molar razoavelmente grande para que o erro relativo associado com a pesagem do padrão seja minimizado. 28 Observação: um padrão secundário é um composto cuja pureza pode ser estabelecida por análise química e que serve como material de referência para os métodos titulométricos de análise. 8.4 Soluções padrão e soluções padrão secundário Uma solução padrão é aquela cuja estabilidade é suficiente para que sua concentração seja determinada uma única vez. São obtidas através da solubilização de substâncias padrão primário. A solução padrão ideal para um método titulométrico deve: a. Reagir rapidamente com o analito para que o tempo requerido entre as adições de titulante seja mínimo; b. Reagir de forma completa com o analito para que o ponto final possa ser obtido satisfatóriamente; c. Sofrer uma reação seletiva com o analito que possa ser descrita por uma reação balanceada. Poucos reagentes apresentam-se de forma perfeitamente ideal. No caso das substâncias que não apresentam tais características, o procedimento correto é fazerdeterminações das concentrações das soluções todas as vezes que as mesmas forem utilizadas. A este processo dá-se o nome de padronização (processo no qual a solução a qual se deseja determinar a concentração é titulada contra um volume conhecido de uma solução padrão primário ou em alguns casos de uma solução padrão secundário previamente analisado). Uma solução que é padronizada contra um padrão primário ou secundário, geralmente, é chamada de solução padrão secundário, e está sujeita a incertezas maiores que a da solução padrão primário. Os tipos de titulometrias volumétricas que serão abordados ao longo desta disciplina serão: volumetria de neutralização, volumetria de precipitação, volumetria de oxirredução e volumetria de complexação. 8.5 Indicadores Uma maneira de detectar o ponto final de uma titulação é através do uso de indicadores visuais, que são espécies químicas que mudam de cor. No caso da neutralização os 29 indicadores são ácido ou bases orgânicas (fracos para não influenciar na titulação, dando preferência a reação entre titulante e titulado) onde a forma associada tem uma cor e a dissociada (seu par conjugado) possui outra cor. Como se trata de um ácido ou uma base fraca, estes possuem constante de equilíbrio e este é deslocado de acordo com o pH do meio, prevalecendo assim uma de suas formas. H-Ind H+ In- KHInd = [H+] x [Ind-] / [HInd] Logo: pH= pKa - log[HIn] / [In-] Para que o olho humano possa perceber a variação de cor do indicador é necessário que a relação entre [HIn] / [In-] seja 10 ou 1/10, onde: - Se a relação for 10 percebe-se a cor da forma associada; - Se for 1/10 percebe-se a cor da forma dissociada. Podemos dizer que: - Para [HIn] / [In-] = 10, então: pH= pKHInd – 1 - Para [Hin] / [In-] = 1/10, então: pH = pKHInd + 1 Sendo assim, pH = pKHInd ± 1. Este intervalo de pH é o que chamamos de faixa de viragem do indicador. Observação: a relação de 10/1 e 1/10 é uma generalização, essa relação varia de indicador para indicador, sendo assim, uma aproximação. No entanto, como na faixa de pH de viragem se estabelece a relação entre as concentrações das espécies químicas em que se pode ver a predominancia de uma sobre a outra, e esta proporção entre uma e a outra deve ser semalhante, sendo a relação estabelecida para a predominância de cada espécie uma inverso da outra, ou seja, – log[HIn]/[In-] deve dar valores iguais, sendo um negativo e outro positido, logo estes valores devem ser equidistantes do pKHInd. 30 Práticas referentes à volumetria de neutralização A volumetria de neutralização lança mão das reações de neutralização (acidimetria ou alcalimetria), ou seja, incluem a titulação de bases livres, ou de bases formadas pela hidrólise de sais de ácidos fracos, por uma solução padrão de ácido (acidimetria) e a titulação de ácidos livres, ou de ácidos formados pela hidrólise de sais de bases fracas, por uma base padrão (alcalimetria). As reações envolvem a combinação dos íons hidrogênio (hidrônio) e hidróxido para formar água. Além disso, devem incluir também, titulações em solventes não aquosos, a maioria das quais envolve compostos orgânicos. Prática 02: Preparo e padronização de solução de hidróxido de sódio (NaOH), aproximadamente, 0,1M. 1. Preparo de uma solução aproximadamente 0,1 M de NaOH: 1.1. Colocar cerca de 300 mL de água destilada em um cilindro graduado (proveta) com capacidade para 500 mL e transferir com pipeta graduada _______ mL de uma solução concentrada e límpida de hidróxido de sódio para o cilindro; 1.2. Completar o volume com água destilada até o traço de referência e homogeneizar a solução com o auxílio de um bastão de vidro; 1.3. Guardar a solução preparada em um frasco de polietileno limpo e previamente rinsado com a mesma. 2. Padronização pelo biftalato de potássio: 2.1 Preparo da amostra a. Calcular a massa necessária de biftalato de potássio puro para preparar 100 mL de solução 0,1 M. Pesar em balança analítica com precisão de 0,1 mg; b. Dissolver em pequena quantidade de água destilada à temperatura de aproximadamente 60°C (com pouca agitação para evitar absorção de CO2 do ar); c. Transferir, quantitativamente, a solução preparada no item anterior para um balão volumétrico de 100 mL. Aferir com água destilada e homogeneizar a solução. 2.2 Titulação a. Preparar a bureta com a solução de NaOH ~0,1 M; 31 b. Tranferir 10,00 mL da solução de biftalato de potássio para um erlenmeyer de 250 mL com o auxílio de uma pipeta volumétrica; c. Acrescentar ao erlenmeyer 30 mL de água destilada e 2 gotas do indicador fenolftaleína (faixa de viragem na escala de pH: 8,0-10,0); d. Titular a solução de biftalato de potássio com a solução preparada de NaOH, até a viragem do indicador (de incolor para rosa); e. Repetir o procedimento de titulação até que se encontre dois volumes concordantes; 3. Cálculos: Dados: MM(C6H4COOK.COOH) = 204,22 g.mol -1 MM(NaOH) = 40,00 g.mol-1 a. Calcule a molaridade da solução de biftalato de potássio; b. Calcule a molaridade da solução de NaOH. 4. Observações da prática: _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 32 Prática 03: Preparo e padronização de solução de ácido clorídrico (HCl), aproximadamente, 0,1M. 1. Preparo de uma solução aproximadamente 0,1 M de HCl: 1.1. Colocar cerca de 300 mL de água destilada em um cilindro graduado (proveta) com capacidade para 500 mL e com auxílio de um bastão de vidro transferir _______ mL de uma solução concentrada e límpida de ácido clorídrico para o cilindro (procedimento deve ser realizado em capela); 1.2. Completar o volume com água destilada até o traço de referência e homogeneizar a solução com o auxílio de um bastão de vidro; 1.3. Guardar a solução preparada em um frasco de vidro limpo e previamente rinsado com a mesma. 2. Padronização pela solução de NaOH previamente preparada: 2.1 Titulação a. Preparar a bureta com a solução de NaOH padronizada; b. Transferir 10,00 mL da solução de ácido clorídrico para um erlenmeyer de 250 mL com o auxílio de uma pipeta volumétrica; c. Acrescentar ao erlenmeyer 30 mL de água destilada e 2 gotas do indicador fenolftaleína (faixa de viragem na escala de pH: 8,0-10,0); d. Titular a solução de ácido clorídrico com a solução preparada de NaOH, até a viragem do indicador (de incolor para rosa); e. Repetir o procedimento de titulação até que se encontre dois volumes concordantes. 3. Cálculos: Dados: a. Calcule a molaridade da solução de ácido clorídrico; 4. Observações da prática: __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 33 _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 34 Prática 04: Determinação da acidez do vinagre O vinagre é o produto resultante da fermentação de certas bebidas alcoólicas, particularmente do vinho. Na fermentação do vinho, microrganismos da espécie Mycoderma aceti transformam o álcool etílico em ácido acético. Após a fermentação, o vinho fica com cerca de 4 a 5 % de ácido acético, recebendo então o nome de “vinagre” (“vinho azedo”). O teor de CH3COOH no vinagre é determinado volumetricamente titulando-se certa quantidade de vinagre com uma solução padrão de hidróxido de sódio. Usa-se uma solução de fenolftaleína como indicador, a fim de se ver o fim da reação. Neste tipo de titulação (cuja reação é completa), o ponto de equivalência é superior a 7 devido o sal formado (que está em solução aquosa), derivar de um ácido fraco e uma base forte. Como o ácido é fraco, sua base conjugada é forte, ocorrendo a hidrólise alcalina do mesmo, formando íons hidroxila e aumentando o pH. 𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝐻(𝑎𝑞) + 𝑁𝑎𝑂𝐻 ⇌ 𝑁𝑎 +𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂(𝑎𝑞) − + 𝐻2𝑂(𝑙) 1. Preparação da solução de vinagre a. A partir do teor de ácido acético indicado no rótulo do frasco de vinagre, calcular a concentração, aproximada, de ácido acético em mol.L-1; b. Calcular a alíquota de vinagre necessária para preparar 100 mL de uma solução 0,1 mol.L-1; c. Transferir, quantitativamente, o volume de vinagre para um balão volumétrico de 100,00 mL. Aferir o balão com água destilada e homogeneizar. 2. Determinação da acidez total no vinagre a. Zerar a bureta previamente rinsada, com a solução padronizada de NaOH; b. Transferir uma alíquota de 10,00 mL da solução de trabalho (solução diluída de vinagre) para um erlenmeyer de 250 mL, com auxílio de uma pipeta volumétrica; c. Adicionar 30 mL de água destilada e 2 gotas de fenolftaleína; 35 d. Titular a solução de ácido acético com a solução preparada de NaOH, até a viragem do indicador (de incolor para rosa); e. Repetir o procedimento de titulação até que se encontre dois volumes concordantes. 3. Cálculos: Dados: MM(NaOH) = 40,00 g.mol-1 MM(CH3COOH) = 60,05 g.mol -1 a. Molaridade da solução de vinagre; b. Teor em % p/v de ácido acético no vinagre 4. Observações da prática: _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 36 Prática 05: Dosagem de H3PO4 em ácido fosfórico comercial Titulações de ácidos polipróticos são análogas as de ácidos monopróticos, visto anteriormente. Porém, possuem algumas considerações. As curvas de ácidos polipróticos possuem teoricamente uma inflexão para cada hidrogênio lábil. Porém, a separação destas inflexões depende dos valores absolutos e relativos de suas sucessivas constantes de ionização. Para que se possa titular separadamente cada hidrogênio ácido de um ácido poliprótico e para que cada faixa de inflexão se associe a uma faixa de pH convenientemente grande é necessário que a relação entre as constantes seja maior ou igual a 104. Caso seja menor, a titulação será simultânea. No caso da titulação do ácido fosfórico em meio aquoso existem os seguintes equilíbrios: 𝐻3𝑃𝑂4 ⇌ 𝐻 + + 𝐻2𝑃𝑂4 − 𝐾1 = 6,9 . 10 −3 𝐻2𝑃𝑂4 − ⇌ 𝐻+ + 𝐻𝑃𝑂4 2− 𝐾2 = 6,2 . 10 −8 𝐻𝑃𝑂4 2− ⇌ 𝐻+ + 𝑃𝑂4 3− 𝐾2 = 4,8 . 10 −13 𝐻2𝑂 ⇌ 𝐻 + + 𝑂𝐻− 𝐾𝑤 = 1,0 . 10 −14 Observação: não existem prótons desassociados em um meio, porém H+ está sendo usado nas equações acima para fins didáticos. Neste caso, como a relação entre K1/K2 = 1,2x10 5, o primeiro e o segundo hidrogênio podem ser titulados separadamente. Em relação ao segundo e terceiro hidrogênios, como K2/K3 > 10 4, podem ser titulados separadamente,porém, o terceiro hidrogênio não pode ser titulado, uma vez que não se pode esquecer da presença do solvente no meio (H2O). O produto iônico da água, a 25 °C e 1 atm. é 10-14, ou seja, sua relação com K3 é menor do que 104 e, portanto, não se poderia saber durante a titulação se o H+ titulado é proveniente da ionização da água ou do HPO4 2-. É importante observar que na titulação de ácido poliprótico, assim como qualquer outra titulação ácido-base, a variação do meio é a variação de pH. Portanto, o indicador 37 visual utilizado deve ser um indicador ácido-base, com uma viragem próxima ao ponto de equivalência que se quer visualizar. Como a escolha do indicador dependerá do ponto de equivalência deve-se, portanto, deve-se antes de escolhê-lo calcular os pontos da curva. Ponto de equivalência da titulação do primeiro hidrogênio: 𝐻3𝑃𝑂4 + 𝑁𝑎𝑂𝐻 ⇌ 𝑁𝑎 + + 𝐻2𝑃𝑂4 − + 𝐻2𝑂 𝐻2𝑃𝑂4 − ⇌ 𝐻+ + 𝐻𝑃𝑂4 2− 𝐻2𝑃𝑂4 − + 𝐻+ ⇌ 𝐻3𝑃𝑂4 [HPO4 2- ] = [H+] + [H3PO4] K2 = [H2PO4 -][H+] / [H3PO4] [H3PO4 ] = [H2PO4 -][H+] / K2 K3 = [H +][HPO4 2-] / [H2PO4 -] [HPO4 2-] = K3[HPO4 2-] / [H+] Substituindo em [HPO4 2-] = [H+] + [H3PO4]; temos: K2[H2PO4 -] / [H+] = [H+] + [H3PO4][H +] / K2 K1K2[H2PO4 -] = K2[H +]2 + [H2PO4 -][H+]2 K1K2[H2PO4 -] = [H+]2 (K2 + [H2PO4 -]) [H+]2 = K1K2 [H2PO4 -] / (K2 + [H2PO4 -]) Como [H2PO4 -] é muito maior do que K2, K2 + [H2PO4 -] = [H2PO4 -]; logo: [H+]2 = K1K2 [H2PO4 -] / [H2PO4 -] [ H+ ]2 = K1K2 pH = ½ (pK1 + pK2) pH = 4,67 38 Na titulação do segundo hidrogênio para se achar o pH do ponto de equivalência tem-se: 𝐻2𝑃𝑂4 − + 𝑁𝑎𝑂𝐻 ⇌ 𝑁𝑎+ + 𝐻𝑃𝑂4 2− + 𝐻2𝑂 𝐻𝑃𝑂4 2− ⇌ 𝐻+ + 𝑃𝑂4 3− 𝐻𝑃𝑂4 2− + 𝐻+ ⇌ 𝐻2𝑃𝑂4 − [PO4 3-] = [H+] + [H2PO4 -] K2 = [HPO4 2-][H+] / [H2PO4 -] [H2PO4 -] = [HPO4 2-][H+] / K2 K3 = [H +][PO4 3-] / [HPO4 2-] [PO4 3-] = K3[HPO4 2-] / [H+] Substituindo em [PO4 3-] = [H+] + [H2PO4 -]; temos: K3[HPO4 2-] / [H+ ] = [H+] + [HPO4 2-][H+] / K2 K2K3[HPO4 2-] = K2[H +]2 + [HPO4 2-][H+]2 K2K3[HPO4 2-] = [H+]2 (K2 + [HPO4 2-]) [H+]2 = K2K3[HPO4 2-] / (K2 + [HPO4 2-]) Como [HPO4 2-] é muito maior do que K2, K2 + [HPO4 2-] = [HPO4 2-]; logo: [H+]2 = K2K3[HPO4 2-] / [HPO4 2-] [H+]2 = K2K3 pH = ½ (pK2 + pK3) pH = 9,96 39 1. Preparo da solução de ácido fosfórico: a. Calcular o volume de ácido fosfórico (H3PO4 P.A.) necessário, a partir das indicações do rótulo (normalmente, densidade = 1,71 g mL-1 e % m/m = 85,0), de modo a preparar 250,0 mL de solução 0,05M; b. Transferir, com pipeta volumétrica ou com bureta, o volume calculado de ácido para um balão volumétrico de 250,0 mL. Aferir com água destilada e homogeneizar. 2. Titulação do primeiro hidrogênio (pH = 4,7): a. Encher a bureta, previamente rinsada, com a solução padronizada de NaOH. b. Transferir com pipeta volumétrica 10,00 mL da solução preparada para um erlenmeyer de 250 mL. Adicionar 50 mL de água destilada e 2-3 gotas do indicador verde de bromo- cresol (pH de 3,8/amarelo a 5,4/azul); c. Titular a solução preparada com a solução padrão de NaOH até a viragem do indicador de amarelo para esverdeado; d. Repetir até obter, pelo menos, dois volumes concordantes. 3. Titulação do primeiro hidrogênio e do segundo hidrogênio (pH = 9,7): a. Encher a bureta, previamente rinsada, com a solução padronizada de NaOH. b. Transferir com pipeta volumétrica 10,00 mL da solução preparada para um erlenmeyer de 250 mL. Adicionar 50 mL de água destilada e 2-3 gotas do indicador timolftaleína (pH de 8,3/incolor a 10,5/azul pálido); c. Titular a solução preparada com a solução padrão de NaOH até a viragem do indicador de incolor para azul; d. Repetir até obter, pelo menos, dois volumes concordantes. 4. Cálculos: Dados: MM(H3PO4) = 98,00 g.mol -1 40 a. Verificar a relação entre os volumes médios obtidos nas duas titulações. Calcular a percentagem de H3PO4 a partir do volume da titulação dos hidrogênios titulados. 5. Observações da prática: _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 41 Prática 06: Determinação da pureza do ácido acetilsalicílico (Aspirina) O ácido acetilsalicílico é um fármaco utilizado como anti-inflamatório, antipirético, analgésico e antiplaquetário. Quando puro, é um pó de cristalino branco, pouco solúvel na água, facilmente solúvel no álcool e solúvel no éter. Um dos medicamentos mais famosos à base de ácido acetilsalicílico é a Aspirina, sendo este o medicamento mais conhecido e consumido em todo o mundo. Em 1999 a Aspirina completou cem anos. O ácido acetilsalicílico se hidrolisa quando tratado com uma solução quente de hidróxido de sódio, formando acetato de sódio e salicilato de sódio, conforme a equação a baixo: 𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝐶6𝐻4𝐶𝑂𝑂𝐻 + 2𝑁𝑎𝑂𝐻 Δ → 𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝑁𝑎 + 𝐶6𝐻4(𝑂𝐻)𝐶𝑂𝑂𝑁𝑎 + 𝐻2𝑂 Quando se usa excesso de hidróxido de sódio, esse excesso de base que não reagiu com o ácido acetilsalicílico, pode ser quantificado pela titulação com HCl padronizado. Uma vez conhecidos o número total de mols da base adicionada e o número total de mols de base em excesso, se pode determinar a quantidade necessária do mesmo para reagir equivalentemente com o ácido acetilsalicílicoatravés da estequiometria associada 1. Preparo da amostra: a. Colocar em um erlenmeyer de 250 mL um comprimido de Aspirina de 100 mg. b. Adicionar com pipeta volumétrica 25,00 mL de hidróxido de sódio 0,1 mol L-1; c. Aquecer por 20 minutos à ebulição a solução resultante; d. Deixe esfriar a solução. 2. Titulação: a. Encher a bureta, previamente rinsada, com a solução padronizada de HCl; b. Adicionar 50 mL de água destilada ao erlenmeyer já frio; 42 c. Adicionar 2 gotas do indicador fenolftaleína no erlenmeyer contendo a amostra; d. Titular a solução remanescente de NaOH (excesso) com a solução padrão de HCl, até a viragem do indicador (de incolor para rosa); e. Repetir até obter, pelo menos, dois volumes concordantes. 3. Cálculos: Dados: MM (𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝐶6𝐻4𝐶𝑂𝑂𝐻) = 180,14 g.mol -1 a. Calcular a pureza do ácido acetilsalicílico presente na Aspirina. 4. Observações da prática: ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 43 44 Prática 07: Misturas alcalinas (Determinação do teor de carbonato e NaOH) Foi estudado até o momento a titulação de ácidos e bases fortes e fracos e posteriormente polipróticos. De maneira análoga pode-se também titular misturas de ácidos e bases. Nesta prática será abordada a mistura alcalina, podendo o mesmo raciocínio ser aplicado para mistura de ácidos. Mistura alcalina Como exemplos de misturas alcalinas possíveis na disciplina temos: (1) NaOH + HCO3 - + CO3 2-; (2) NaOH+ HCO3 -; (3) HCO3 - + CO3 2- e; (4) NaOH + CO3 2-. No entanto, não são todas as misturas que podem existir. Como exemplo, as misturas (1) e (2) não mantém a identidade, ou seja, não permanece na mistura exatamente o que se foi colocado, pois NaOH reage com HCO3 - formando carbonato. No caso da adição da combinação citada as espécies reagiram entre si formando uma nova espécie e somente uma das espécies inicias pode continuar existindo se a mesma estivesse em excesso em relação a outra. No caso da mistura (3) tem-se o par ácido base conjugado, sendo assim, mantém- se a identidade do sistema. Em relação a mistura (4) tem-se duas bases que não irão reagir entre si. - Indicadores utilizados para cada ponto final: Fenolftaleína: faixa de viragem: 8,0 – 10 de incolor para rosa Alaranjado de metila (metilorange): faixa de viragem: 3,1 – 4,4 de vermelho para amarelo As titulações podem ser acopladas (quando se titula sequencialmente o conteúdo do erlemeyer apenas adicionando o segundo indicador), ou desacoplada (quando após a primeira titulação utiliza-se uma nova alíquota com segundo indicador). 45 Possíveis misturas: 1° Caso: misturados NaOH + Na2CO3 Observação: sendo x e y volumes de titulante usados para cada reação. Onde volume de titulante usado na primeira titulação (V1) V1 = x+y Se a titulação for desacoplada, o volume de titulante usado na segunda titulação (V2) será: V2= x+2y, então: V2= V1- y + 2y x=V1 - y V2= V1+y x= V1-V2 + V1 y=V2-V1 x= 2V1-V2 E para as equações existirem: 2V1>V2>V1 Se a titulação for acoplada, o volume de titulante usado na segunda titulação (V2) será: V2= y. 46 Primeiro ponto de equivalência [HCO3 -] = Ct.y/Va+Vt Kh = [H2CO3][OH -] / [HCO3 -] = Kw/K1 [H2CO3] = [OH -] pOH = ½ (pKw – pK1 - log [H2CO3]) Segundo ponto de equivalência [H2CO3] = Ct.2y/Va+Vt H2CO3 H + + HCO3 - K1 = [H +][HCO3 -] / [H2CO3] pH = ½ (pK1 – log [H2CO3]) 2° Caso: misturados NaHCO3 + Na2CO3 Observação: sendo x e y volumes de titulante usados para cada reação. Onde volume de titulante usado na primeira titulação (V1) V1 = y Se a titulação for desacoplada, o volume de titulante usado na segunda titulação (V2) será: V2= x+2y, então: 47 x = V2-2y x = V2-2V1 E para as equações existirem: V2>2V1 Se a titulação for acoplada, o volume de titulante usado na segunda titulação (V2) será: V2= x+y. Primeiro ponto de equivalência HCO3 - + H2O H2CO3 + OH - Observação: como a constante de hidrólise (Kh) do bicarbonato (HCO3 -) é significativamente maior do que a constante de ionização do mesmo (K2), precisamos considerá-la. Kh = [H2CO3][OH -] / [HCO3 -]= Kw/K1 [HCO3 -] = (Ct.y + [NaHCO3].Va) / V1+Va [H2CO3] = [OH -] pOH = ½ (pKw – pK1 - log[H2CO3] Segundo ponto de equivalência H2CO3 H + + HCO3 - K1= [H +][HCO3 -] / [H2CO3] [H2CO3] = Ct.V2/Va+Vt pH= ½ (pK1 – log [H2CO3]) 48 3° Caso: solução contendo apenas NaCO3 Onde volume de titulante usado na primeira titulação (V1) V1 = x Se a titulação for desacoplada, o volume de titulante usado na segunda titulação (V2) será: V2= 2x, então: V2 = 2V1 Se a titulação for acoplada, o volume de titulante usado na segunda titulação (V2) será: V2= x, então: V1 = V2 Primeiro ponto de equivalência [HCO3 -] = Ct.x/Vt+Va Kh = [H2CO3][OH -] / [HCO3 -] = Kw/K1 [H2CO3] = [OH -] pOH = ½ (pKw – pK1 - log[H2CO3]) Segundo ponto de equivalência: 49 [H2CO3] = Ct.V2/Va+Vt H2CO3 H + + HCO3 - K1= [H +][HCO3 -] / [H2CO3] pH= ½ (pK1 – log [H2CO3]) 4° Caso: solução contendo apenas NaHCO3 V1 = 0 V2 = x Ponto de equivalência [H2CO3]= Ct.V2/Va+Vt H2CO3 H + + HCO3 - K1= [H +][HCO3 -] / [H2CO3] pH= ½ (pK1 – log [H2CO3]) Observação: é de suma importância ter em mente que V1 é o volume da titulação com o indicador fenolftaleína e V2 é o volume da titulação com o indicador metilorange. Como o bicarbonato é titulado só em pH mais ácido, ou seja, não se altera no pH da fenolftaleína, o volume de titulante para fenolftaleína nesse caso é zero. Observação: a titulação desacoplada é uma titulação onde se titula com o primeiro indicador, descarta-se a alíquota utilizada e utiliza-se uma nova para a titulação com o segundo indicador. 50 Esta prática será a determinação de hidróxido de sódio e carbonato de sódio em soda cáustica. Trata-se de uma solução de hidróxido de sódio (NaOH), que devido reação com gás carbônico (CO2) atmosférico, possui carbonato de sódio (Na2CO3) como impureza. Portanto, a prática tem como objetivo determinar o teor destas espécies químicas na solução. 1. Determinação analítica 1.1. Titulação no primeiro ponto de equivalência a. Rinsar e zerar a bureta com solução padronizada
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