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ROTEIRO DE ESTUDOS ORIENTADOS – REO3 DADOS DO COMPONENTE CURRICULAR Código e nome: GQI161 – Química experimental Docentes Responsáveis: Guilherme Max Dias Ferreira, Katia Júlia de Almeida, Mário César Guerreiro, Evanise Silva Penido Período do REO: 30/11/2020 a 13/12/2020 Grupo D: Jhonnata H, Matheus R, Gabriel, Marlon e Emanuel. 1.O que vamos estudar? Neste REO, estudaremos como determinar a densidade de líquidos e como aplicar conhecimentos químicos ao estudo de misturas binárias como o comercialmente conhecido álcool 70%. Estes conceitos envolvem as práticas 2 e 3 da apostila [referência 1]. 2.O que já sabemos e por que precisamos aprender? “Uma fábrica clandestina de álcool líquido (em tese, álcool 70%) foi fechada pela Polícia Civil de Araranguá, no bairro Jardim das Avenidas, nesta terça-feira, dia 24.” [referência 2] Notícias como esta tornaram-se evidentes diante do aumento dos números de casos do novo coronavírus no Brasil, que fizeram a procura por álcool 70% nas farmácias e supermercados se intensificar. Diante dessa problemática, é de extrema importância conhecer os métodos de aferição de qualidade de produtos químicos. Dentre as diversas propriedades das substâncias e misturas que vocês estudaram na disciplina de química geral, a densidade tem algumas aplicações interessantes na certificação de qualidade. Vocês devem saber que essa propriedade é definida pela razão entre a massa e volume de um sistema, dependendo de fatores como a temperatura e a pressão, assim como a concentração, quando a densidade de um sistema contendo mais de uma substância é analisada. Para obter, com precisão, o valor da densidade de uma substância ou mistura, tanto o volume como a massa precisam ser medidos de forma adequada. Usualmente, para trabalhos de precisão, emprega-se um aparelho denominado picnômetro. Também é possível utilizar instrumentos de medida direta da densidade, como um densímetro. Uma vez que pudermos medir precisamente o valor da densidade de um sistema, poderemos correlacionar essa propriedade, por exemplo, com a concentração de um soluto em uma mistura, usando isso para aferir padrão de qualidade de diferentes produtos, como etanol combustível ou álcool comercial 70%. 3.O que devemos fazer para aprender? Na prática de número 2 da apostila (página 34), você encontrará a descrição de métodos utilizados na determinação da densidade de líquidos. Enquanto na prática 2 vocês próprios construiriam, no laboratório, um densímetro a partir de materiais de baixo custo, ROTEIRO DE ESTUDOS ORIENTADOS – REO3 na prática 3 (página 41) vocês utilizariam o método do picnômetro para determinação ROTEIRO DE ESTUDOS ORIENTADOS – REO3 de densidade. É importante, num primeiro momento, que vocês conheçam esses importantes métodos de medida de densidade. Como não seremos capazes de ir ao laboratório, a familiaridade com as técnicas e vidrarias, nesse momento remoto, se dará por meio de esquemas e vídeos. Para cada um deles, elaboramos um pequeno roteiro de estudos com questões envolvendo os fundamentos por trás das técnicas, que se seguem nas seções A-D a seguir. Num primeiro momento, você fará uma leitura e reflexão, de forma individual, do roteiro de aprendizagem. Você verá que em cada seção há um conjunto de questões norteadoras e elas motivarão as discussões nos fóruns de discussões no Campus Virtual. Ao final do período de realização dessas discussões, as questões desse REO deverão ser entregues, na forma de um documento em PDF via campus virtual, por cada equipe. Vocês também utilizarão os conhecimentos para aplicar em uma situação problema de determinação do teor de álcool em uma amostra de álcool comercial 70%. Os detalhes sobre o que fazer seguem resumidos na Tabela 1. Tabela 1. Tarefas e datas importantes a se observar para realização deste REO.* Dia Importante Participação 30/11/2020 a 02/12/2020 Leitura e reflexão do REO, preparando-se para o fórum de discussão Individual 03/12/2020 a 06/12/2020 Participação no Fórum de discussão – Revisão dos conceitos Individual – Alunos respondem alunos e professor é mediador Segunda semana – dia e horário da aula de acordo com o SIG Aula via Google Meet – Uma sala virtual permanente será criada e o link disponibilizado no Campus Virtual Todos – Caso o estudante não consiga participar, a aula ficará gravada e o link disponibilizado no campus virtual 07/12/2020 a 13/12/2020 Enviar um documento com as respostas às questões do REO Grupo – o mesmo definido no REO1 *veja seção 4 (avaliações) para mais esclarecimentos sobre avaliações. Pedimos que para cada tipo técnica de medida de densidade avaliada nesse REO, você avalie cuidadosamente cada procedimento experimental descrito, prestando atenção às vidrarias e às técnicas utilizadas. A) Medidas de densidade usando densímetro Os densímetros comerciais são muito usados para determinação da densidade de diferentes líquidos. O princípio de funcionamento desses instrumentos baseia-se no equilíbrio de forças que se estabelece quando um corpo é imerso em um fluido. Leia a prática 2 da apostila (referência 1) para responder às questões que seguem: ROTEIRO DE ESTUDOS ORIENTADOS – REO3 A1) Quais forças estão envolvidas no equilíbrio de forças do densímetro quando ele é imerso em um líquido? R: Os densímetros são flutuadores com escala graduada que imersos em um líquido permite determinar a densidade em relação à água por leitura direta no nível de afloramento. Um corpo flutua quando ele se encontra em equilíbrio sob a ação conjunta apenas das forças de gravidade (força peso) e de empuxo . Para um corpo flutuante é satisfeita a condição P = I, ou seja, a força peso é igual ao empuxo, Quando um corpo flutua em equilíbrio o seu peso é igual ao empuxo. O peso sendo constante acarreta que o empuxo é constante. A2) Por que é importante definir uma constante (k) do densímetro? R: Sabemos que é essencial definir uma constante (k) do densímetro pois isso nos permitirá calcular a densidade do líquido de uma maneira mais fácil, isso por que: ρ = md.A.h E k = md.A , logo ρ = k.h . Por isso definir k de maneira correta é muito importante, por que como a densidade do líquido depende de k, se calculamos k de maneira incorreta teremos uma densidade completamente errada, oque mudaria o nosso resultado. Você pode verificar o processo de utilização de um densímetro comercial no vídeo disponibilizado pelo link https://www.youtube.com/watch?v=g03KIxGoadA. Observe atentamente as instruções de utilização e responda: A3) Por que é importante manipular o densímetro utilizando luvas? R: Para que a temperatura de nossas mãos não interfira na temperatura do líquido é necessário o uso de luvas para manipular o densímetro, para que não haja troca de calor, isso manteria o densímetro calibrado em 20ºC. A utilização de luvas evitaria trocas de calor A4) Por que o densímetro não pode entrar em contato com a parede nem com o fundo do recipiente em que a medida está sendo feita? R: Não encostamos o densímetro no recipiente e nem na parede para que as forças de contato não exerçam influência sobre este. Isto para que não hajam erro na medição da densidade já que para termos uma densidade calculada corretamente, o densímetro só deve ser influenciado pela sua própria força peso e pelo empuxo do líquido Um esquema da medida utilizando o densímetro é mostrado na Figura 1a e a escala de um densímetro comercialmente disponível no mercado é apresentada na Figura 1b: https://www.youtube.com/watch?v=g03KIxGoadA ROTEIRO DE ESTUDOS ORIENTADOS – REO3 ← (a) (b) Figura 1. Esquema de medida de densidade de um densímetro (a) e escala para um densímetro comercial (b). Perceba que a escala de medida do densímetro comercial pode variar, dependendoda geometria e da massa do instrumento. Baseado no esquema acima, responda: A5)* Qual a leitura de densidade na escala para a seta vermelha indicada no esquema? Forneça o valor com sua devida incerteza e unidade. R: (0,7450 +/- 0,0005) g/ml ROTEIRO DE ESTUDOS ORIENTADOS – REO3 A6) Para que o densímetro possa realizar leituras de líquidos com densidades maiores do que aquelas da escala mostrada no esquema da Figura 1, qual(is) da(s) parte(s) do instrumento (indicadas na Figura 1a) deveria(m) ser alterada(s)? Explique. R: Deve-se trocar o bulbo, o lastre e a haste graduada. quando utilizamos um aerômetro para latcínios, o lastro é de mercúrio, e tem uma forma diferente do densímetro mostrado na 1ª figura. B) Medidas de densidade usando picnômetro Outra maneira de determinar a densidade de líquidos é usando o método picnométrico, em que a massa e o volume do líquido são obtidos com precisão usando uma balança e um picnômetro. Leia os procedimentos 4.3.2A e 4.3.2B da apostila (prática 3 – página 41) e compare o que está descrito com o que é mostrado no vídeo disponível no link https://www.youtube.com/watch?v=IvLUPwIhxks (a partir do minuto 3:58). A partir da leitura do procedimento e do vídeo assistido, você deverá analisar e responder às seguintes questões: B1) Por que a tampa do picnômetro é formada por um capilar interno que permite o excesso de líquido extravasar? O método teria precisão se essa tampa não fosse utilizada. R: Pensamos que a tampa do picnômetro é formada por um capilar interno que permite o excesso de líquido extravasar para que o picnômetro fique cheio e sem nenhum excesso, oque evita um volume maior do que ele pode manter. Se a tampa não fosse utilizada o método não teria tanta precisão, logo, é muito importante para que a massa do líquido dentro do picnômetro seja a mais precisa possível B2) Por que é importante secar a parte externa do picnômetro antes de realizar a medida da massa do conjunto picnômetro + líquido? R: É necessário secar a parte externa do picnômetro antes de realizar a medida das massa do conjunto picnômetro + líquido para que o líquido que extravasou não seja adicionado a massa do sistema (picnômetro + líquido). Considere que no procedimento de calibração do picnômetro (4.3.2A – página 42), os valores obtidos para cada etapa são aqueles mostrados na Figura 2. Figura 2. Medidas de massas para a calibração de um picnômetro. Considerando que a medida acima foi realizada a 20°C (densidade da água a 20°C = 0,99823 ± 0,00005 gmL-1), responda: https://www.youtube.com/watch?v=IvLUPwIhxks ROTEIRO DE ESTUDOS ORIENTADOS – REO3 B3) Qual o valor do volume do picnômetro calibrado? Mostre os cálculos realizados e determine a incerteza associada à medida. R: Densidade da água : (0,99823 ± 0,00005)g/ml Massa do picnômetro vazio : (17,529 ± 0,001)g Massa do picnômetro com água destilada : (27,932 ± 0,001)g Massa da água : ( 27,932 – 17,529 = 10,403) δágua : √((0,001)² + (0,001)²) = √0,000001 +0,000001 = √0,000002 = 0,00142g Massa da água destilada : (10,403 ± 0,00142)g Calculando o volume: 0,99823 = 10,403/V → V = 10,421 Incerteza do volume : ∆V/V = √((0,00142/10,421) ² + (0,00005/0,99823)² ) O volume será : V = (10,421 ± 0,00219)ml B4) Explique a importância de se realizar a calibração do picnômetro antes de cada conjunto de medidas. R: Uma vez que o equipamento traz melhores resultados em condições semelhantes de sua calibração inicial, é importante calibrá-lo antes de cada conjunto de medidas para diminuir erros durante o processo. Agora, considere que na realização do procedimento 4.3.2B (prática 3 – página 42) a massa do picnômetro + líquido de densidade desconhecida foi medida, encontrando-se o valor de 26,995 ± 0,001 g. Responda: B5) Qual a densidade desse líquido? Mostre os cálculos realizados e determine a incerteza associada à medida R: Massa do picnometro + Massa liquido:(26,995±0,001)g Volume: 10,421±0,00219 ρ do liquido= 26,995/10,421 = 2,590g/ml δρ= √(1/10,421)^2 (0,001)^2+ [-26,995/(10,421)^2]^2(0,00219)^2 δρ= √0,00009+0,00296 δρ= 0,03050 ρ = (2,590 ± 0,0301)g/ml ROTEIRO DE ESTUDOS ORIENTADOS – REO3 . C) Relacionando densidade e concentração de soluções – Curva analítica Uma curva que relaciona uma propriedade de uma solução com a concentração de uma determinada espécie naquela solução é chamada de curva analítica. Assim, é possível estabelecer uma correlação entre a densidade de soluções de etanol (álcool etílico) e a concentração desse componente na solução, estabelecendo uma curva de correlação entre essas duas propriedades. A Tabela 2 traz os dados de densidade de soluções de etanol em função do teor desse componente, expresso em porcentagem em volume, em misturas água-etanol: Tabela 2. Dados de densidade de soluções de etanol em função do teor desse componente, a 20°C.* Teor de etanol / % (v/v) d / gmL-1 0 0,99287 10,0 0,98393 20,0 0,97480 30,0 0,96383 40,0 0,94480 50,0 0,92756 100,0 0,80893 *Retirado de: Peixoto et al., Miniprojeto para ensino de química geral experimental baseado na fermentação do caldo de cana-de-açúcar, /Química nova, 35 (8), 2012. Antes de analisar o tratamento dos dados da Tabela 2, precisamos discutir o que é o teor expresso em % (v/v). Existem diversas formas de expressar a concentração de um componente numa solução (concentração molar, molalidade, porcentagem em massa, etc.). Vocês devem ter visto esse conteúdo quando estudaram soluções na disciplina de Química Geral e podem relembrá-lo no link disponível na referência 3 – Capítulo 6, seção 6.5. Após relembrar esses conceitos, responda: C1) Explique como se calcula a concentração de uma solução em unidade de %(v/v)? R: Sendo %(v/v) a representação da quantidade de soluto por 100 mL de solução, ao termos X %(v/v) , significa que temos x mL de soluto e (100 – X) mL de solvente. C2) Como você imagina que se deve fazer no laboratório para preparar uma solução de etanol com contração de 70% (v/v) de etanol dispondo de água destilada, álcool etílico de alto grau de pureza e as vidrarias necessárias? Dê o máximo de detalhes que conseguir imaginar, levando em consideração as vidrarias que seriam adequadas para esse fim. R: Pegar um primeiro béquer com volume de 100 mL e despejar 70 mL de álcool etílico nele. Depois pegar 30 mL de água destilada e colocar em um segundo béquer com volume de 50 mL. Por fim derramar o conteúdo do segundo béquer no primeiro béquer e promover a mistura. ROTEIRO DE ESTUDOS ORIENTADOS – REO3 Utilizando essas informações, você deve analisar o comportamento da densidade das misturas etanol + água em função do teor desse componente fazendo as seguintes atividades: C3) Esboce, utilizando um software adequado, o gráfico da densidade em função do teor de etanol (dados da Tabela 2). Qual a forma da curva obtida? Que tipo de função matemática [y=f(x)] pode descrever esse comportamento? R: R: Curvas de densidade versus concentração são lineares. A função matemática que corresponde a esse comportamento é a do tipo y=ax+b. C4) Encontre, utilizando a regressão estatística adequada, a equação da função matemática proposta na questão C3. R: y = -515,67x + 521,68 Agora imagine que você é o perito que vai avaliar a adulteração de concentração de etanol em álcool comercial 70% (v/v) de um lote que foi apreendido, como na notícia descrita no início desse REO. Você então opta por, inicialmente, medir a densidade da amostra sob investigação, de forma a calcular a concentração do etanol na solução utilizando a curva analítica construída a partir da Tabela 2. 0 20 40 60 80 100 120 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Te o r d e Et an o lDensidade Teor de etanol em função da densidade Series1 Linear (Series1) ROTEIRO DE ESTUDOS ORIENTADOS – REO3 C5) Se a densidade da amostra supostamente adulterada for 0,8662 g mL-1, qual será o valor da concentração de etanol na amostra calculada a partir da curva analítica? Assumindo erros experimentais dos quais todo experimento é passível, esse valor está de acordo com o esperado? R: y = -515,67(0,8662)+521,68 y = 75,00 Sim, o resultado foi de acordo com o esperado, como mostra o gráfico abaixo: C6) Apenas o teste de densidade é suficiente para certificar a qualidade do etanol comercial? Justifique. R: Sim, além de analisarmos o aspecto e a coloração, podemos realizar um teste com uma proveta em solução com NaCL, caso haja alguma adulteração no etanol. Visto que a densidade é uma grandeza específica e não geral, ela pode ser usada para identificar e diferenciar as substâncias. Por exemplo, a água é o único líquido puro e incolor que possui a densidade igual a 1,0 g/cm2 em condições normais de temperatura. A densidade de misturas depende da quantidade de cada componente. Por essa razão, essa grandeza é uma propriedade muito utilizada para testar a qualidade de alguns produtos líquidos, tais como os combustíveis e o leite. É por isso que, na maioria dos postos de combustíveis, há um densímetro na bomba de combustível do etanol. D) Preparo de solução de etanol 70% Procure em sua casa ou em anúncios na internet um rótulo de álcool comercial. Você verá que em alguns casos esses rótulos expressam a concentração em unidades de 0GL e 0INPM. Assim, inicialmente, é recomendável pesquisar sobre o significado de 0GL e 0INPM. Após essa investigação inicial, pense no significado de uma mistura identificada como álcool 70 0GL. Pesquise sobre o valor que seria indicado caso essa mistura fosse identificada em termos de 0INPM. É possível, com instrumentos adequados, preparar essa mistura a partir de um álcool comercial com quantidade 0.8662, 75 0 20 40 60 80 100 120 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Te o r d e Et an o l Densidade Teor de Etanol em Função da Densidade ROTEIRO DE ESTUDOS ORIENTADOS – REO3 menor de água. É importante entender que o que é denominado álcool comercial, corresponde a uma mistura de água e álcool. Assista o vídeo seguinte para continuar os estudos: https://www.youtube.com/watch?v=jGFvOGA3HuI Faça a leitura do arquivo: https://www.incoterm.com.br/media/2010/01/5682-manual.pdf O referido arquivo corresponde a um manual de instruções de um alcoômetro (de Gay- Lussac) contendo uma tabela de correção de leitura em função da temperatura. Após verificar o material citado, responda os itens abaixo: D1) Ao misturar 70 mL de etanol puro a 30 mL de água destilada, processo exotérmico, não será produzida, precisamente, uma mistura que possa ser identificada como álcool 70 0GL. Explique por quê. R: Por ser uma reação exotermica, que atua como liberação de calor isso resulta na variação de temperatura assim afetando o resultado da medida do grau GL. D2) Para preparar adequadamente uma mistura de álcool 70 0GL, diferentemente do procedimento descrito em D1, uma proveta contendo 70 mL de etanol puro deve receber água destilada em quantidade suficiente, em dada temperatura, até que atingir a marca de 100 mL. O que justifica esse procedimento? R: Fazendo com que a água adicionada esteja de acordo com a temperatura, garantimos que o grau correto de GL seja atingido. D3) A concentração de soluções aquosas que contêm razões em volume (molL-1, gL-1 ou % v/v) se mantém constante com aumento da temperatura, a partir de 40C e 1 atm? Justifique sua resposta. R: Não, devido a uma variação de temperatura que pode mudar a concentração das propiedades da água na mistura D4) Tendo por base o item anterior, qual tendência geral pode ser observada a partir da tabela de correção de um alcoômetro (vide manual) com aumento da temperatura (para concentração em % fixa)? O que pode justificar essa tendência? R: Aumentando a temperatura da concentração o alcool diminui, pois de acordo com a lei dos gases ideais aumentar a temperatura a densidade diminui fazendo com que o resultado seja alterado da concentração. 4. Que produtos devem ser gerados e como serão avaliados? Como produto de avalição, vocês deverão participar dos fóruns de grupo de discussão que envolverão as questões desse REO. Esses fóruns consistirão em perguntas que o professor deixará como norteadoras para a discussão. A partir das discussões realizadas, cada equipe deverá enviar um documento com as respostas das questões do REO até o dia 13/12/2020. Esse documento deve ser enviado via Campus Virtual, em local específico para isso, seguindo as instruções dadas em momento oportuno – cabe ressaltar que o documento deve estar devidamente formatado, contendo tanto as perguntas quanto as respostas do REO, e ser enviado na extensão .pdf. Este roteiro tem valor total de 8% da nota do semestre, sendo 2% destinados para a participação no Fórum de Discussão e 6% para o documento contendo as respostas às questões desse REO. https://www.youtube.com/watch?v=jGFvOGA3HuI https://www.incoterm.com.br/media/2010/01/5682-manual.pdf ROTEIRO DE ESTUDOS ORIENTADOS – REO3 5. Referências [1] – Apostila de Química Geral Experimental – Universidade Federal de lavras - Semestre 2020/1 – Disponível no Campus Virtual. [2] - Araranguá: fábrica de álcool líquido falso é fechada - https://tnsul.com/2020/geral/ararangua-fabrica-de-alcool-liquido-falso-e-fechada/ Acesso: 09/06/2020. [3] - Farrell, Frederick A. Bettelheim; William H. Brown; Mary K. Campbell; Shawn O. Introdução à química geral: Tradução da 9ª edição norte-americana. Cengage Learning Brasil, 2016-10-25. [Minha Biblioteca]. OBS: Para acessar o Link da referência 3, primeiro entre em MINHA BIBLIOTECA com seu login institucional e depois copie e cole o link (https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788522126354/pageid/181) na barra de endereços do seu navegador. https://tnsul.com/2020/geral/ararangua-fabrica-de-alcool-liquido-falso-e-fechada/ http://www.biblioteca.ufla.br/pergamum/biblioteca_s/php/login_usu.php?flag=minhabiblioteca_redirect.php https://integrada.minhabiblioteca.com.br/%23/books/9788522126354/pageid/181 1.O que vamos estudar? 2.O que já sabemos e por que precisamos aprender? 3.O que devemos fazer para aprender? A) Medidas de densidade usando densímetro B) Medidas de densidade usando picnômetro C) Relacionando densidade e concentração de soluções – Curva analítica D) Preparo de solução de etanol 70% 4. Que produtos devem ser gerados e como serão avaliados? 5. Referências
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