Concentração de Soluções em Química

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CARIRI
CURSO DE eNGENHARIA DE MATERIAIS
DISCIPLINA: QUÍMICA GERAL PARA ENGENHARIA
PROF. MARCELO SANTIAGO
MATERIAL DE ESTUDO: SOLUÇÕES
Definição de Solução:
	Uma solução é uma mistura homogênea de um soluto (substância a ser dissolvida) distribuída através de um solvente (substância que efetua a dissolução). Existem soluções nos três estados físicos: gás, líquido ou sólido. Ar é uma solução gasosa de N2, O2 e quantidades muito menores de outro gases. Muitas ligas metálicas são soluções sólidas, como o aço. As soluções mais familiares são aquelas no estado líquido, especialmente as que usam água como solvente. Soluções aquosas são as mais importantes para propósitos analíticos. Um dos aspectos mais importantes é a preparação e a expressão da concentração de soluções.
Expressões da Concentração de uma Solução
Concentração significa quanto soluto está presente em um volume ou massa específica.
As unidades SI para concentração (C) são:
mol/m3, quando a massa molar for conhecida, 
kg/m3, se a massa molar não for conhecida. 
Múltiplos dessas unidades são; mol/dm3, mmol/dm3, mg/kg etc. (volumes podem também ser expressos em litros).
UNIDADES DE CONCENTRAÇÃO
1. MOLARIDADE OU CONCENTRAÇÃO MOLAR
	A molaridade de uma solução da espécie A, é o número de moles de essa espécie contidos em 1 L de solução (NÃO em 1 L de solvente). Sua unidade é M, que tem dimensões de mol L-1, ou, milimoles (mmol ou10-3 mol) de um soluto por mililitro (mL ou 10-3 L) de solução:
		 Molaridade = 
 Eq. 1
Relembrando que o Nº de moles de uma substância está relacionado a seu peso em gramas através do peso molecular (PM), teremos:
No mols = 
; No milimols = 
 Eq. 2
Substituindo Eq. 2 em 1:
M = 
 Eq. 3
			
Ex. 1.Achar a molaridade de uma solução aquosa que contém 2,30 g de álcool etílico (EtOH; C2H5OH) (PM = 46,07 g mol-1) em 3,50 L.
Calcular o Nº de mol em 2,30 g de EtOH:
1 mol EtOH ------------------ 46,07 gramas
 X ------------------ 2,3 gramas
	 
X = 0,049 mol de EtOH
2.	Para obtermos a concentração molar:
	
	M = 0,04992 mol/3,50 L = 0,0143 M
Ex 2.	Como se prepara 0,150 L de uma solução 0,500 M de NaOH, a partir de NaOH sólido e água.
1.	Calcularemos o número de moles de NaOH requeridos.:
		Nº mol NaOH necessários = 0,150 L x 
						 = 0,0750 mol NaOH
		Massa de NaOH requerida = 0,075 mol x 
R: você deveria pesar 3,00 g de NaOH e dissolver em água suficiente para fazer 0,150 L (150 mL) de solução.
INFLUENCIA DA TEMPERATURA NA MOLARIDADE:
Uma solução aquosa diluída expande-se aproximadamente 0,02 % por grau centígrado quando aquecida perto dos 20 ºC. Conseqüentemente, os moles de soluto por litro (molaridade) diminuem pelo mesmo percentual.
2. MOLALIDADE
		A molalidade m, se define como o número de moles de soluto por quilograma de solvente. A maior vantagem desta unidade, muito utilizada na medição de grandezas físicas, é que ela é independente da temperatura, enquanto a molaridade dependente da temperatura. 
Unidade: mol/kg ou molal
Obs.: Numa solução aquosa diluída, 1L de solução contém aproximadamente 1L de água, ou seja, 1Kg de água. Dessa forma o número de mols de soluto por litro de solução (molaridade) é aproximadamente igual ao número de mols do soluto por quilograma de água (molalidade).
3. Concentração Percentual (%)
	A percentagem (partes por cem) de uma substância em uma solução freqüentemente exprime-se como porcentagem em peso, que se define como
			Percentagem em peso (p/p) = 
	Note o uso de p/p para denotar que a razão nesta unidade de concentração é peso/peso. Uma solução 40 % (p/p) de etanol em água contém 40 g de etanol em 100 g (NÃO mL) de solução, e se prepara misturando 40 g de etanol com 60 g de água.
	Outras unidades comuns são: volume por cento (% v/v) e peso-volume (% p/v) por cento 
			Percentagem em volume (v/v) = 
 Percentagem peso-volume (p/v) = 
	As unidades p ou v, então, sempre devem ser especificadas. Quando não se especifica, assume-se que a unidade é p/p.
	Percentagem em peso e em volume são valores relativos e, como tal, NÃO dependem das unidades de peso ou volume utilizadas, sempre que ambos, numerador e denominador, tenham as mesmas unidades
Ex. 3.	O HCl comercial está rotulado 37,0 %, o que implica porcentagem em peso. Sua densidade, também chamada de gravidade específica, é 1,18 g mL-1. 
Achar a molaridade do HCl;
A massa de solução que contém 0,100 mol de HCl; e
O volume de solução que contém 0,100 mol de HCl.
Uma solução a 37 % contém 37,0 g de HCl em 100 g de solução. A massa de 1 L de solução é
(1 000 mL)
�� EMBED Equation.3 = 1 180 g 
	A massa de HCl em 1180 g de solução é:
	
(1180 g solução) = 437 g HCl
Dado que o peso molecular do HCl é 36,461, a molaridade do HCl é
	
�� EMBED Equation.3 
Visto que 0,100 mol de HCl é igual a 3,65 g, a massa de solução que contém 0,100 mol é 
3.	O volume de solução contendo 0,100 mol de HCl é
	
4. Partes por milhão e correlatos
	Porcentagem rara vez é usada para exprimir concentrações muito pequenas devido, presumivelmente, à inconveniência de usar zeros ou potencias de 10 para rastrear a vírgula decimal. Para evitar este inconveniente os químicos com freqüência mudam o multiplicador à razão do peso ou volume.
	Aceitando que % (p/p) pode ser chamado de PARTES POR CEM, a definição óbvia de PARTES POR MILHÃO (ppm) é
				ppm = 
	Observar que as unidades de peso no numerador e denominador devem concordar.
	Para concentrações ainda menores que ppm, usa-se ppb, partes por bilhão ou ppt, partes por trilhão. O que muda é o multiplicador da razão entre os pesos:
				ppb = 
				ppt = 
	Quando a concentração do soluto é da ordem de uns poucos ppm ou menor, a solução é, praticamente, puro solvente e terá uma densidade essencialmente igual àquela do solvente. Se o solvente é água, sua densidade 1,00 g solução/mL solução. Isto significa que 1 L de solução pesará 1,0 kg ou 1000 g. Então
				ppm = 
Por exemplo, uma solução a 25 ppm contém 25 mg de soluto em 1 L de solução.
Ex 4.	Uma amostra de água de mar cuja d = 1,02 g mL-1 contém 17,8 ppm de NO3-. Calcule a molaridade de nitrato na água.
	Molaridade é mol L-1 e 17,8 ppm significa que a água contém 17,8 g de NO3- por grama de solução. 1L de solução pesa:
		Massa solução = V (mL) x d (g mL-1) = 1000 x 1,02 = 1020 g
Então, 1 L de solução contém:
		g de NO3- = 
 g NO3-
A molaridade é
		
5. Fração molar (xn)
Fração Molar do Soluto (x1): é a razão estabelecida entre o número de mols de moléculas do soluto (n1) e o número de mols de moléculas da solução (n).
Fração Molar do Solvente (x2): é a razão estabelecida entre o número de mols de moléculas do solvente (n2) e o número de mols de moléculas da solução (n).
Obs.: x1 + x2 = 1
Obs.: A Fração molar não possui unidade
6. OSMOLARIDADE 
		Usada em publicações de bioquímica e medicina, define-se como o número total de partículas dissolvidas por litro de solução. Para não eletrólitos, como glicose, a osmolaridade é igual a molaridade. Para o eletrólito forte CaCl2 a osmolaridade é igual a três vezes a molaridade, já que cada peso fórmula de CaCl2 fornece 3 moles de íons em solução (Ca2+ + 2Cl-). O plasma sangüíneo é 0,308 osmolar.
7. Razão solução-diluente
		Às vezes a composição duma sol. diluída se especifica em função do volume duma solução mais concentrada e o volume do solvente usado para fazer a diluição. O volume da primeira separa-se do volume do outro usando dois pontos (:). Assim, uma solução de HCl 1 : 4 contém 4 volumes de água por cada volume de HCl concentrado.
	Este método é frequentemente ambíguo por a concentração da solução original nem sempre é óbvia ao leitor. Infelizmente, as vezes 1 : 4 interpreta-se como: dilua 1 volume com 3 volumes. Para evitar estaambiguidade, recomenda-se usar 1 + 3.
8. FUNÇÕES p 
	Cientistas expressam freqüentemente a concentração duma espécie em termos de sua função-p, ou valor-p. O valor-p é o logaritmo negativo (base 10) da concentração molar duma espécie. Então, para a espécie X, 
		pX = - log [X]
Como veremos, funções-p oferecem a vantagem de concentrações que variam numa faixa de até 10 ordens de magnitude serem expressas em termos de pequenos números positivos.
DILUIÇÃO DE SOLUÇÕES
	Com freqüência é necessário preparar uma solução diluída de um reagente a partir de uma solução mais concentrada. Uma equação muito útil para calcular o volume de reagente concentrado é
		M1 x V1 = M2 x V2 
	Devido a que M x V = (moles/L)(L) = MOLES esta equação simplesmente estabelece que os moles de soluto em ambas soluções é igual. A diluição acontece porque o volume muda.
	Dito de outra forma, o número de moles de soluto não muda quando diluímos, não importando o volume final da diluição. Em geral podemos escrever a equação anterior 
C1 x V1 = C2 x V2 = C3 x V3 = Cn x Vn = CONSTANTE
	Também, para se obter a quantidade de soluto a partir de um volume dado de solução
	 C x V vai nos dar o número de moles, equivalentes, g, mg, etc contidos em V litros de solução, dependendo das unidades da concentração C.
I. Concentração Comum:		
II. Molaridade:				
III. Título em Massa:			
IV. Fração Molar do Soluto:		
V. Molalidade:				
MISTURA DE SOLUÇÕES 
I. MISTURA DE SOLUÇÕES DE UM MESMO SOLUTO:
Obs.: Este caso de mistura de soluções é como se misturássemos dois copos de suco de maracujá. Imaginemos que um copo continha um suco "fraco" e outro copo um suco mais "forte", o suco resultante da mistura entre os dois copos de suco seria um suco intermediário entre os dois sucos iniciais, ou seja, mais forte que o suco fraco, porém mais fraco que o suco forte. O que ocorre na realidade é uma soma de solvente e de soluto, por isso as fórmulas:
 
II. MISTURA DE SOLUÇÕES DE SOLUTOS DIFERENTES QUE NÃO REAGEM ENTRE SI: 
Obs.: Este caso de mistura de soluções é como se misturássemos um copo de suco de maracujá com um copo de suco de goiaba, para fazermos um suco de "goiabajá". O que ocorre na realidade são duas diluições, ou seja após a misturas tanto o suco de maracujá como o suco de goiaba estarão mais fracos, pois na solução final a massa de maracujá e a massa de goiaba são as mesmas das soluções iniciais, porém a massa de água é a soma das massas da água do suco de maracujá com a massa da água do suco de goiaba, portanto concluí-se que a massa dos solutos permanecem constantes enquanto a massa da água aumenta o que caracteriza uma diluição tanto do suco de maracujá como do suco de goiaba.
Para a primeira solução, aqui chamada de solução A, usa-se a fórmula de diluição:
Para a segunda solução, aqui chamada de solução B, usa-se a fórmula de diluição:
Obs.: o mesmo raciocínio que foi usado para a molaridade, pode ser usado para concentração comum, título m massa, etc.
 
III. MISTURA DE DUAS SOLUÇÕES DE SOLUTOS DIFERENTES QUE REAGEM ENTRE SI: 
Utilizaremos o raciocínio com molaridade por ser a unidade de concentração mais usada:
Geralmente nesse tipo de mistura de soluções são usadas uma solução de ácido com uma solução de base, pois o ácido reage com a base produzindo sal e água, numa reação chamada de neutralização ou de salinificação.
A primeira coisa a fazer é escrever a equação química do processo e fazer o seu balanceamento.
Depois trabalhe através de um cálculo estequiométrico e utilize os procedimentos vistos para se resolver uma questão de cálculo estequiométrico. Verifique se não há reagente em excesso, o que poderá ocorrer, pois são misturadas quantidades de dois reagentes, que poderão não estar na proporção correta para reagirem completamente.
Questões
Demonstre as seguintes relações para cada concentração quando da diluição de soluções:
C.V = C’.V’
X1.nt = X1’.n’t, nt = número de moles total
Tp/p.m = T’p/p.m’
W.m2 = W.m’2
Demonstre as seguintes relações para cada concentração quanda da mistura de soluções de mesmo soluto:
C.V = C’.V’ + C’’.V’’
T.m = T’.m’ + T’’.m’’
W.m2 = W’.m’2 + W’’.m’’2
X1.nt = X’1.nt + X’’1.nt
Demonstre relações para conversão de unidades de concentração:
Molaridade para concentração comum
Molalidade para título peso / peso
Concentração comum para título peso / Volume
Molaridade para Título peso / Volume
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