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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE CIÊNCIAS NATURAIS E EXATAS DEPARTAMENTO DE QUÍMICA SETOR DE QUÍMICA INORGÂNICA QUÍMICA GERAL EXPERIMENTAL MANUAL DE LABORATÓRIO PROFA. DRA. BÁRBARA TIRLONI PROF. DR. ERNESTO S. LANG PROF. DR. SAILER S. DOS SANTOS SANTA MARIA – RS 2018 2 SUMÁRIO I - INSTRUÇÕES GERAIS ............................................................................................ 3 II - SEGURANÇA DE LABORATÓRIO: NORMAS BÁSICAS ........................................ 7 III – GERENCIAMENTO E DESCARTE DE RESÍDUOS ............................................ 10 IV - ATIVIDADES EXPERIMENTAIS .......................................................................... 13 EXPERIMENTO 1: APRESENTAÇÃO DE EQUIPAMENTOS BÁSICOS DE LABORATÓRIO .......................................................................................................... 13 EXPERIMENTO 2: PROPRIEDADES DE SUBSTÂNCIAS IÔNICAS E MOLECULARES ......................................................................................................... 19 EXPERIMENTO 3: CROMATOGRAFIA DE PAPEL ............... ..... ............................. 26 EXPERIMENTO 4: CRISTALIZAÇÃO ........................................................................ .35 EXPERIMENTO 5: PREPARO DE UM INDICADOR DE pH ....................................... 39 EXPERIMENTO 6: REAÇÕES QUÍMICAS – Aspectos Qualitativos ........................... 44 EXPERIMENTO 7: REAÇÕES ÁCIDO–BASE ............................................................ 50 EXPERIMENTO 8: REAÇÕES DE PRECIPITAÇÃO ................................................ 59 EXPERIMENTO 9: REAÇÕES DE OXIRREDUÇÃO .................................................. 67 EXPERIMENTO 10: PREPARO DE SOLUÇÕES ....................................................... 76 EXPERIMENTO 11: PADRONIZAÇÃO DE SOLUÇÕES ............................................ 84 EXPERIMENTO 12 : ANÁLISE ESTEQUIOMÉTRICA ............................................... 93 EXPERIMENTO 13: TERMOQUÍMICA .................................................................... 103 EXPERIMENTO 14: QUÍMICA DE COORDENAÇÃO ............................................... 108 V – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................... 112 3 I - INSTRUÇÕES GERAIS Introdução As atividades propostas para a disciplina de Química Geral Experimental visam proporcionar ao aluno conceitos sólidos de Química Geral e a oportunidade para trabalhar com autonomia e segurança em um laboratório de química. Procurar-se-á, para isto, não apenas desenvolver a habilidade no manuseio de reagentes e aparelhagens, mas também criar condições para uma avaliação crítica dos experimentos realizados. As práticas encontram-se diretamente ligadas aos tópicos discutidos nas aulas teóricas, estimulando-se assim a sedimentação do conhecimento em química. Durante a realização dos experimentos devem-se efetuar anotações sobre os fenômenos observados, das massas e volumes utilizados, tempo decorridos, condições iniciais e finais do sistema. Um caderno é necessário para essa finalidade, pois possibilitará uma descrição precisa das atividades de laboratório. Dinâmica das Aulas Práticas Leitura com antecedência, pelos alunos, do assunto a ser abordado na aula; Discussão inicial, com o professor, dos aspectos teóricos e práticos relevantes; Execução pelos alunos dos experimentos utilizando a apostila. Sendo assim, é indispensável a partir da primeira aula o uso da apostila; Interpretação e discussão dos resultados juntamente com o professor; Apresentação dos resultados de cada experimento no caderno. Planejamento das atividades Em um laboratório, todas as atividades necessitam de muita atenção, precisão e qualidade. É muito importante que se faça um planejamento prévio: Verificar o bom funcionamento dos equipamentos e instrumentos necessários ao trabalho; Avaliar as condições das vidrarias; Separar as substâncias químicas e as soluções necessárias; Avaliar se as condições dos laboratórios são favoráveis à execução das tarefas. Caderno de Laboratório Com objetivo de melhor aproveitamento da disciplina, cada aluno deverá ter um caderno de laboratório exclusivo para a disciplina. A finalidade de um caderno de 4 laboratório é manter um registro permanente do trabalho de laboratório, referente a cada uma das experiências realizadas. As anotações devem ser concisas, mas suficientemente completas para que possam ser lidas e entendidas por outras pessoas. Neste caderno deverão constar todas as informações necessárias para execução e compreensão do experimento a ser realizado. Os dados experimentais obtidos no laboratório devem ser registrados diretamente no caderno durante a execução dos trabalhos. Cada aluno deve ter um caderno de laboratório para registrar: medidas realizadas nos experimentos organizadas na forma de tabela; observações; cálculos; equações das reações químicas; interpretações de resultados; avaliações e conclusões dos experimentos desenvolvidos. As anotações deverão ser apresentadas de maneira clara, concisa e objetiva. Para se aproveitar o tempo ao máximo, muitas anotações podem ser feitas no caderno antes de ser iniciado o trabalho de laboratório. Exemplos: data do registro; título do experimento; objetivo da investigação; condições ambientes no momento da realização do experimento; enunciado do problema a investigar; resumo do procedimento; anotações realizadas na discussão prévia ao trabalho de laboratório; esquemas ordenando as operações a serem executadas; tabelas elaboradas para o registro de dados. As anotações a serem feitas após o trabalho de laboratório geralmente compreendem: representação gráfica dos dados, se necessário; cálculos; discussão dos resultados experimentais; conclusões. 5 Atividade Pré-Laboratório1* Antes de entrar no laboratório para desenvolver qualquer trabalho, um bom químico deve saber exatamente quais procedimentos deverão ser seguidos. Portanto, para que uma atividade experimental seja bem sucedida, é necessário que se faça um bom planejamento. Uma das formas de facilitar a interpretação de um roteiro experimental é representá-lo numa forma diagramática como um fluxograma. A seguir estão descritos os símbolos comumente utilizados para a montagem de fluxogramas: a) Os nomes, fórmulas e quantidades dos materiais iniciais (reagentes) são inscritos em um retângulo colocado no começo do diagrama. A partir da base do retângulo traça-se uma linha vertical que chega até a fase operacional seguinte: b) A adição de um reagente aos materiais iniciais é indicada por meio de uma seta perpendicular à linha vertical que une as duas fases do processo: c) Indica-se a retirada de uma porção da mistura reacional com uma seta que parte da linha vertical. A porção separada ficará entre duas linhas horizontais paralelas: d) As operações unitárias realizadas na mistura reacional que não impliquem em separação de componentes devem ser representadas pela interrupção da linha vertical, por duas linhas horizontais paralelas. A descrição da operação fica 1 *Adaptado de Manual de Instruções e Roteiros dos Experimentos, MATSUMOTO et al, 2013. 6 compreendida no espaço entre as duas linhas: e) Uma operação que implique na separação dos componentes da mistura é indicada traçando-se uma linha horizontal no fim da linha vertical. O nome da operação é escrito entre parênteses, debaixo da linha horizontal. Os produtos resultantes de uma separação são encerrados em retângulos, os quais são unidos por linhas verticais às extremidades da linhahorizontal: f) Os produtos resultantes de qualquer operação também são fechados em retângulos: Exemplo de fluxograma construído a partir das orientações descritas: 7 Nesta disciplina, a atividade pré-laboratório será desenvolvida no caderno de laboratório e consistirá na identificação do experimento (título, objetivos e página do manual), resolução das questões preliminares de cada experimento contidas no manual de laboratório, e construção do fluxograma dos procedimentos a serem realizados. A não realização da atividade pré-laboratório será penalizada na nota de participação em aula. II - SEGURANÇA DE LABORATÓRIO: NORMAS BÁSICAS A segurança no laboratório é uma responsabilidade que deve ser assumida por professores, monitores, técnicos e alunos, não sendo permitidas brincadeiras ou atitudes que possam provocar danos para si ou outras pessoas. Embora não seja possível enumerar todas as causas de possíveis acidentes em um laboratório, existem alguns cuidados que são considerados básicos e que se observados ajudam a evitá-los. REGRAS GERAIS: 1. É PROIBIDO comer, beber ou fumar no laboratório; 2. Deve-se evitar trabalhar sozinho no laboratório, a presença de outras pessoas será sempre uma valiosa ajuda em caso de acidentes; 3. Somente será permitida a entrada de alunos no laboratório após ou juntamente com o professor. É OBRIGATÓRIO O USO DE JALECO E ÓCULOS DE SEGURANÇA, ALÉM DE CALÇA COMPRIDA, SAPATO FECHADO E CABELO PRESO (PARA QUEM TEM CABELO LONGO). 4. Faça uso dos EPI’s (equipamentos de proteção individual) necessários; 5. Leia com atenção o protocolo experimental antes de executá-lo. Em caso de dúvida discuta o assunto com o professor, monitor ou técnico antes de tentar fazer o experimento; 6. Faça apenas as experiências indicadas pelo professor. Caso deseje tentar qualquer modificação do roteiro experimental discuta com o professor antes de fazê-lo; 7. Se você usa lente de contato não trabalhe no laboratório utilizando as lentes. Durante o experimento use óculos de grau. 8. Procure conhecer o mapa do laboratório para localizar equipamentos de segurança, tais como, chuveiro de emergência, lava olhos, extintores, caixa de areia e caixa de primeiros socorros. Procure conhecer como funcionam os equipamentos antes de usá-los; 9. Conheça o tipo de extintores de incêndio no laboratório; 8 10. Localize as saídas de emergência; 11. Não trabalhe com material imperfeito ou quebrado; 12. Conserve sempre limpo os equipamentos, vidraria e sua bancada de trabalho. Evite derramar líquidos, mas se o fizer, limpe o local imediatamente; 13. Gavetas e portas dos armários devem ser mantidas sempre fechadas quando não estiverem sendo utilizadas; 14. Lave suas mãos frequentemente durante o trabalho prático, especialmente se algum reagente químico for respingado. 15. Leia com atenção os rótulos dos frascos de reagentes químicos para evitar pegar o frasco errado. Certifique-se de que o reagente contido no frasco é exatamente o citado no roteiro experimental; 16. Nunca coloque de volta no frasco os reagentes não utilizados. Não coloque objeto algum nos frascos de reagentes, exceto o conta-gotas de que alguns são providos ou pipetas colocadas especificamente ao lado direito dos frascos; 17. Evite contato físico com qualquer reagente químico. Seja cuidadoso ao manusear substâncias corrosivas tais como ácidos e bases; 18. A diluição de ácidos concentrados deve ser feita adicionando-se o ácido lentamente, com agitação constante, sobre a água e NUNCA ao contrário (água sobre o ácido). O ácido adicionado lentamente sobre a água e sob constante agitação permite que o calor liberado no processo seja absorvido e/ou dissipado no meio. 19. Rotular imediatamente qualquer reagente ou solução preparada e amostras coletadas. 20. Nunca deixe frascos contendo reagentes químicos inflamáveis próximos a chama; 21. Não deixe nenhuma substância sendo aquecida por longo tempo sem supervisão; 22. O bico de Bunsen deve permanecer aceso somente enquanto estiver sendo utilizado; 23. Não deixe recipientes quentes em lugares em que possam ser pegos inadvertidamente. Lembre-se de que o vidro quente tem a mesma aparência do vidro frio; 24. Use a capela para experiências que envolvam o uso ou liberação de gases ou vapores tóxicos ou corrosivos; 25. Não aqueça tubos de ensaios com a extremidade aberta voltada para si mesmo ou para alguém próximo. Sempre que possível o aquecimento deve ser feito na capela. 26. Não pipete de maneira alguma nenhum tipo de líquido com a boca. Use sempre a "pêra de borracha" para pipetar; 9 27. Nunca coloque o nariz próximo do frasco para sentir o cheiro de substâncias químicas. Caso necessite cheirar alguma substância, deixe-a longe e abane suavemente. 28. Em caso de possuir alguma alergia, estar grávida ou qualquer outro problema médico que possa ser afetado quando exposto a determinados reagentes químicos, comunique imediatamente ao professor; 29. Comunique ao professor, monitor ou técnico sempre que notar algo anormal no laboratório. 30. Em caso de ACIDENTE comunique ao professor imediatamente. Ele deverá decidir sobre a gravidade e tomará as atitudes necessárias. 31. O descarte de resíduos deverá ser efetuado em recipientes adequados separando-se os diversos tipos de resíduos gerados em categorias definidas anteriormente com o professor responsável. Este cuidado é muito importante para a posterior recuperação das substâncias que compõe cada atividade experimental e diminuição da geração de resíduos químicos, promovendo maior segurança, menor desperdício de reagentes e conservação da natureza pela não contaminação do meio ambiente. 32. Ao término do período de laboratório, lave o material utilizado, limpe sua bancada de trabalho e verifique se os equipamentos estão limpos e desligados.1-2 EM CASO DE ACIDENTE, NÃO SE APAVORE, PROCURE AJUDA O MAIS RÁPIDO POSSÍVEL. Acidentes e primeiros socorros As substâncias citadas abaixo podem ser encontradas na Caixa de Primeiros Socorros. As medidas sugeridas são emergenciais e a vítima deve ser encaminhada a um médico o mais rápido possível. QUEIMADURA Causadas por CALOR - quando LEVES aplicar pomada de Picrato de Butesin ou similar e quando GRAVES devem ser cobertas com gaze esterilizada previamente umedecida com solução aquosa de bicarbonato de sódio 5%. Causadas por ÁCIDO - deve-se lavar imediatamente a região atingida com bastante água durante pelo menos 5 minutos. Em seguida tratar com solução de bicarbonato de sódio a 1% e lavar novamente com água. Secar o local e aplicar mertiolate. 10 Causadas por BASE - deve-se lavar imediatamente a região atingida com bastante água durante pelo menos 5 minutos. Em seguida tratar com solução de ácido acético 1% e novamente lavar com água. Secar o local e aplicar mertiolate. ÁCIDO NOS OLHOS - deve-se lavar com bastante água durante aproximadamente 15 minutos e aplicar solução de bicarbonato de sódio 1%. BASE NOS OLHOS - deve-se lavar com bastante água durante aproximadamente 15 minutos e aplicar uma solução de ácido bórico 1%. INTOXICAÇÃO POR GASES - remover a vítima para um ambiente arejado e deixar descansar. Segurança no laboratório http://www.cdc.gov/niosh/ipcs/icstart.html Neste site há informações a respeito da periculosidade das substâncias, formas adequadas de manipulação, métodos de tratamento de resíduos, referência a legislação, e normas técnicas. O site é mantido pelo National Institute of Occupational Safety and Health, e é possível acessá-lo em 14 línguas diferentes, entre elas, o espanhol e o inglês.1 III – GERENCIAMENTO E DESCARTE DE RESÍDUOS O controle da poluição tem sido um dos maiores desafios ambientais do mundo atual. O reconhecimento de que a ação do homem contribui para deterioração domeio ambiente natural e dos recursos naturais tem sido comum, fazendo com que os países, tanto desenvolvidos quanto em desenvolvimento, busquem alternativas em relação à restauração do meio ambiente natural. A adoção de estratégias relacionadas à preservação ambiental, observadas atualmente nas mais elementares atividades humanas, é resultante de uma evolução da conscientização dos cidadãos e empresas sobre os danos causados por diversas atividades domésticas. Esse avanço se fez notório, sobretudo, nas últimas duas décadas, sendo uma das preocupações principais a questão da geração de resíduos sólidos, líquidos ou gasosos que, de uma maneira ou de outra, têm seu destino final na atmosfera, nos solos e nos corpos d’água. Em relação aos resíduos químicos de um modo geral, as indústrias são as maiores geradoras em termos de volume e periculosidade. Entretanto, é inegável que a geração de resíduos não é exclusividade das indústrias, uma vez que em http://www.cdc.gov/niosh/ipcs/icstart.html 11 laboratórios de universidades, escolas e institutos de pesquisa também são gerados resíduos de elevada diversidade e volume reduzido, mas que podem representar 1% do total dos resíduos perigosos. Recentemente vem crescendo o interesse pela Química Limpa, através da qual as indústrias estão gradualmente trocando processos tradicionais por tecnologias ambientalmente corretas, sendo que as instituições de ensino e pesquisa estão montando programas de gerenciamento de resíduos. Essas atitudes são essenciais para que os danos ambientais e os riscos à saúde sejam minimizados. A implementação destes programas possibilita que os resíduos recuperados possam não somente ser sucessivamente reutilizados no mesmo processo em que foram gerados, como também serem transformados em matéria-prima. Em vista disso, torna-se necessário um “gerenciamento dos resíduos” gerados nos laboratórios durante as aulas práticas. Neste sentido têm-se como objetivos: fazer o registro dos resíduos provenientes nas aulas; elaborar rótulos para padronizar os frascos adequadamente para recolhimento e classificação dos diferentes tipos de resíduos; diminuir o consumo de regentes perigosos; substituir reagentes tóxicos por outros de menor toxidez; substituir experimentos que geram grande volume de resíduos (sem prejuízo didático) e conscientizar e sensibilizar os alunos para a questão ambiental. Gestão de resíduos no laboratório Vários critérios norteiam o gerenciamento de resíduos, aqui apresentado como: responsabilidade (ética) ambiental; mudança de mentalidade na formação de novos cidadãos; encorajamento da segurança nos laboratórios; economia de recursos; conformidade com a legislação; coerência de postura da academia diante dos problemas ambientais. Para minimizar os resíduos nas aulas de Química Geral Experimental buscaram-se as seguintes práticas: Reavaliação das atividades experimentais, toxicidade e quantidades; Adoção de microescala para as atividades imprescindíveis, mais atividades em grupos em detrimento das individuais; Adoção do reuso: utilizar um resíduo de atividade experimental como insumo para outras, sem que haja necessidade de qualquer tratamento; Os resíduos gerados no laboratório serão segregados conforme os itens descritos a seguir, evitando-se ao máximo a mistura de resíduos, visando realizar a 12 operação dentro dos critérios de segurança individual e coletivo. Os resíduos químicos serão segregados no laboratório em recipientes adequados, devidamente identificados por tipo de composto com rótulos padronizados. A segregação dos resíduos é realizada levando em consideração as seguintes correntes: 1) Solventes orgânicos não halogenados: todos os solventes que possam ser utilizados ou recuperados, tais como alcoóis e cetonas (etanol, acetona, etc.). Os solventes como etanol e acetona poderão ser recuperados no laboratório por destilação. 2) Solventes orgânicos halogenados: todos solventes e misturas contendo solventes halogenados (clorofórmio, diclorometano, etc.). Esses solventes são segregados em recipientes especiais devidamente identificados para o tratamento e/ou disposição final. 3) Solventes orgânicos halogenados contaminados com metal. Esses solventes são segregados em recipientes especiais devidamente identificados para o tratamento e/ou disposição final. 4) Solventes orgânicos contaminados com metal. Esses solventes são segregados em recipientes especiais devidamente identificados para o tratamento e/ou disposição final. 5) Resíduos sólidos: papel filtro, algodão e outros. Esses resíduos sólidos são segregados em recipientes especiais devidamente identificados para o tratamento e/ou disposição final.2 Alguns dos resíduos gerados são soluções fracamente ácidas ou alcalinas, as quais podem ser diluídas, neutralizadas e descartadas diretamente na pia. No entanto, alguns resíduos podem ser reutilizados como insumos na disciplina. Os demais resíduos devem ser segregados no laboratório em recipientes adequados, devidamente identificados por tipo de composto com rótulos padronizados. 13 IV – ATIVIDADES EXPERIMENTAIS EXPERIMENTO 1: APRESENTAÇÃO DE EQUIPAMENTOS BÁSICOS DE LABORATÓRIO 14 EXPERIMENTO 1: APRESENTAÇÃO DE EQUIPAMENTOS BÁSICOS DE LABORATÓRIO1-3 Objetivos - Ter conhecimento dos equipamentos mais comumente utilizados em laboratórios de Química e necessários para a realização dos experimentos propostos Introdução A execução de qualquer experimento na Química envolve geralmente a utilização de uma variedade de equipamentos de laboratório, na maioria muito simples, porém com finalidade específicas. O emprego de um dado equipamento ou material depende dos objetivos e das condições em que a experiência será executada. Abaixo foram colocadas as relações de materiais e algumas utilizações e nas páginas seguintes, você encontrará imagens de quase todos esses materiais. Faça a correspondência adequada e tente encontrar outras utilizações para cada um desses materiais. 1. Material de vidro ( ) Tubo de ensaio – utilizado para efetuar reações químicas em pequena escala, principalmente testes de reações. ( ) Béquer – recipiente com ou sem graduação, utilizado para o preparo de soluções, aquecimento de líquidos, recristalização, etc. ( ) Frasco de Erlenmeyer ou frasco cônico – frasco utilizado para aquecer líquido ou fazer titulações. ( ) Kitassato – frasco de paredes espessas, munido de saída lateral e usado em filtrações a pressão reduzida e reações que se deseja coletar um gás desprendido. ( ) Balão de fundo chato ou de Florence – utilizado para armazenar líquido e em destilações. ( ) Balão de fundo redondo – utilizado para aquecimento de líquidos e reações. ( ) Balão volumétrico – O tamanho deve ser escolhido tendo em vista o volume de líquido que irá conter. É calibrado para conter quantidades exatas de líquidos. Fornece medida de volumes com grande precisão. Utilizado no preparo e diluição de soluções. Nunca deve ser aquecido. 15 ( ) Proveta – frasco com graduações, destinado a medidas aproximadas de líquidos. ( ) Bureta – equipamento calibrado para medida precisa de volume de líquidos. Permite o escoamento do líquido e é muito utilizado em titulações. ( ) Pipeta – equipamento calibrado para medida precisa de volume de líquidos. Existem dois tipos: pipeta graduada (medidas precisas de volumes variáveis de líquidos) e pipeta volumétrica (medidas precisas de volumes fixos de líquidos). ( ) Funil - utilizado na transferência de líquidos de um frasco para o outro ou para efetuar filtrações simples. ( ) Vidro de relógio – usado geralmente para cobrir béquer contendo solução ou para evaporação em análise de líquidos, pesagem de sólidos, secagem de sólidosnão higroscópicos. ( ) Placa de Petri – usada para fins diversos. ( ) Dessecador – utilizado no armazenamento de substâncias quando se necessita de uma atmosfera com baixo teor de umidade. ( ) Pesa filtro – recipiente destinado à pesagem de sólidos. ( ) Bastão de vidro – utilizado na agitação e transferência de líquidos. ( ) Funil de separação – equipamento utilizado na separação de líquidos imiscíveis. Condensador – equipamento utilizado para condensação de vapores em destilações ou aquecimento sob refluxo. Os condensadores mais comuns são: ( ) condensador de tubo reto: apresenta uma superfície de condensação pequena e por isso não é apropriado para o resfriamento de líquidos de ponto de ebulição baixo. ( ) condensador de bolas: empregado em refluxos. Contribui para que os vapores do solvente sejam condensados e retornem ao balão de origem. ( ) condensador de serpentina: proporciona uma superfície de condensação maior e é usado principalmente no resfriamento de vapores de ponto de ebulição baixo. ( ) Balão de destilação com saída lateral – utilizado em destilações simples. ( ) Cuba de vidro – utilizada para banhos de gelo e fins diversos. ( ) Termômetro – usado para medidas de temperatura. 16 2. Material de porcelana ( ) Funil de Buchner – utilizado em filtrações a pressão reduduzida, devendo ser acoplado a um kitassato. ( ) Cápsula de porcelana – usada para efetuar evaporações de líquidos e secagem de sólidos. ( ) Cadinho – usado para calcinação de substâncias. ( ) Almofariz e pistilo – empregado para triturar e pulverizar sólidos. 3. Material Metálico ( ) Suporte Universal – sustentação de equipamentos em geral. ( ) Mufa – fixação de garras ao suporte universal. ( ) Garra – fixação de frascos (condensadores, frascos de kitassato, balões, etc.) ( ) Pinça de Mohr e de Hofmann - usadas para impedir ou reduzir o fluxo de líquidos ou gases através de tubos flexíveis. ( ) Pinça metálica - utilizada para segurar objetos aquecidos. ( ) Tela de amianto – Tela metálica, contendo amianto, utilizada para distribuir uniformemente o calor durando o aquecimento de recipientes de vidro à chama de um bico de gás. ( ) Triângulo de ferro com porcelana – usado principalmente como suporte em aquecimentos de cadinhos (aquecimento direto). ( ) Tripé – usado como suporte, principalmente de telas ou triângulos. ( ) Bico de gás (Bunsen) – fonte de calor destinado ao aquecimento de materiais não inflamáveis. ( ) Argola – usada para suporte de funil de vidro. ( ) Espátula – usada para transferir substâncias sólidas. ( ) Furador de rolhas – utilizado, quando necessário, para perfurar rolhas de cortiça e borracha. 4. Materiais Diversos ( ) Suporte (ou estante) – tubo para ensaios. ( ) Pinça de madeira ou prendedor – utilizado para segurar tubos de ensaio. ( ) Trompa d’água – dispositivo para aspirar o ar e reduzir a pressão no interior de um frasco. ( ) Pisseta – frasco plástico, geralmente contendo água destilada (ou outro 17 solvente), usado para efetuar a lavagem dos recipientes com jatos de líquido nela contido. ( ) Pera de borracha – utilizada para pipetar. ( ) Pipetador Pi-Pump – utilizado em diversos tipos de pipeta, apresenta uma roldana para um preciso controle do enchimento ou dispensação da pipeta. ( ) Estufa – utilizada para a secagem de materiais (por aquecimento), em geral até 200 ºC. ( ) Mufla ou forno – utilizado para calcinação de substâncias (por aquecimento), em geral até 1000 ou 1500 ºC. 18 19 EXPERIMENTO 2: PROPRIEDADES DE SUBSTÂNCIAS IÔNICAS E MOLECULARES 20 EXPERIMENTO 2: PROPRIEDADES DE SUBSTÂNCIAS IÔNICAS E MOLECULARES Pré-Laboratório – Para ser respondido no caderno de laboratório 1. Desenhe no seu caderno de laboratório um fluxograma que represente o procedimento deste experimento (veja item Procedimento). 2. Classifique cada uma das substâncias seguintes como eletrólito forte, eletrólito fraco ou não-eletrólito: (a) H2O, (b) KCℓ, (c) HNO3, (d) CH3COOH, (e) C12H22O11. 3. A passagem de eletricidade por uma solução eletrolítica é causada pelo movimento de: (a) apenas dos elétrons, (b) somente dos cátions, (c) só dos ânions, (d) pelos cátions e ânions. 4. Indique e explique quais dos seguintes sistemas são condutores de eletricidade: (a) NaCℓ sólido, (b) NaCℓ fundido, (c) solução aquosa de NaCℓ. 5. Dado um composto X solúvel em água, descreva como você poderia determinar se o composto é um eletrólito ou um não-eletrólito. Se fosse um eletrólito, como você poderia determinar se é forte ou fraco? 6.Explique por que uma solução de HCℓ em benzeno não conduz eletricidade mas em água conduz. Objetivos Ao final do experimento, o aluno deverá ser capaz de: - Verificar a natureza elétrica de espécies puras e em solução; - Analisar a condutividade em função da concentração de eletrólitos Introdução Muitas reações químicas e quase todas as reações bioquímicas ocorrem em meio aquoso. As substâncias (solutos) que se dissolvem em água (solvente) podem ser divididas em duas categorias (eletrólitos e não-eletrólitos), dependendo de suas capacidades em conduzir a corrente elétrica. Um eletrólito é uma substância que, quando dissolvida em água, produz uma solução capaz de conduzir eletricidade. Um não-eletrólito não conduz eletricidade quando dissolvido em água. A Figura 2.1 mostra um método fácil e direto de distinguir eletrólitos de não-eletrólitos. Um par de eletrodos de platina é imerso em um béquer contendo água. Para que a lâmpada se acenda, a corrente elétrica deve passar de um eletrodo para outro, completando assim o circuito. A água pura é um condutor de 21 eletricidade muito fraco. No entanto, se adicionarmos uma pequena quantidade de cloreto de sódio (NaCℓ), a lâmpada acende-se logo que o sal tenha se dissolvido na água. Quando o NaCℓ sólido, um composto iônico, se dissolve em água, seus íons Na+ e Cℓ– se separam. Os íons Na+ são atraídos para o eletrodo negativo e os íons Cℓ– para o eletrodo positivo. Esse movimento iônico é equivalente ao fluxo de elétrons ao longo de um fio metálico. Como a solução de NaCℓ conduz eletricidade, dizemos que o NaCℓ é um eletrólito. A água pura contém muitos poucos íons, por isso não conduz eletricidade. A comparação da intensidade da luz da lâmpada para as mesmas quantidades molares de diferentes substâncias dissolvidas ajuda-nos a distinguir entre eletrólitos fortes e fracos. Uma característica dos eletrólitos fortes é que se considera que o soluto está 100% dissociado nos seus íons em solução. (Por dissociação entende-se a quebra do composto em cátions e ânions). Dessa forma, podemos representar o cloreto de sódio dissolvido na água como NaCℓ(s) H2O → Na+(aq) + Cℓ–(aq) Eq. 1 Figura 2.1- (a) Solução não-eletrolítica; (b) Solução de um eletrólito fraco; (c) Solução de um eletrólito forte (Figura extraída de CHANG, R.; Química Geral - Conceitos Essenciais, 4ª Ed). Essa equação nos diz que todo o cloreto de sódio se dissolve e se separa em Na+ e Cℓ–; não há unidades NaCℓ não dissociadas em solução. A Tabela 2.1 apresenta alguns exemplos de eletrólitos fortes, eletrólitos fracos e não-eletrólitos. Compostos iônicos, como o cloreto de sódio, iodeto de potássio, KI, 22 e nitrato de cálcio, Ca(NO3)2, são eletrólitos fortes. É interessante observar que os fluidos do corpo humano contêm muitos eletrólitos fortes e fracos. A água é um bom solvente para compostos iônicos. Apesar de a água ser uma molécula eletricamente neutra, ela tem uma região positiva (os átomos de H) e uma região negativa (os átomos de O) ou "polos" positivos e negativos; por essa razãoa água é classificada como um solvente polar. Quando um composto iônico como o cloreto de sódio é dissolvido em água, a rede tridimensional dos íons no sólido é destruída, e os íons Na+ e Cℓ– se separam. Em solução, cada íon Na+ é rodeado por um número de moléculas de água orientadas com sua extremidade negativa na direção do cátion. Do mesmo modo, cada íon Cℓ– é rodeado por um número de moléculas de água orientadas com sua extremidade positiva na direção do ânion (Figura 2.2). O processo no qual um íon é rodeado por moléculas de água dispostas de determinada maneira é chamado de hidratação. A hidratação ajuda a estabilizar os íons em solução e evita a combinação entre cátions e ânions. Figura 2.2 - Hidratação dos íons Na+ e Cℓ– (Figura extraída de CHANG, R.; Química Geral - Conceitos Essenciais, 4ª Ed). Os ácidos e as bases são também eletrólitos. Alguns ácidos, incluindo o ácido clorídrico (HCℓ) e o ácido nítrico (HNO3), são eletrólitos fortes. Esses ácidos ionizam- se completamente em água; por exemplo, quando o gás cloreto de hidrogênio é dissolvido em água, formam-se íons H+ e Cℓ– hidratados: HCℓ(g) H2O → H+(aq) + Cℓ– (aq) Eq. 2 23 Tabela 2.1 - Classificação dos solutos em solução aquosa. ( Eletrólitos Fortes Eletrólitos Fracos Não-eletrólitos HCℓ CH3COOH CO(NH2)2 (uréia) HNO3 HF CH3OH (metanol) HCℓO4 HNO2 C2H5OH (etanol) H2SO4 NH3 C6H12O6 (glicose) NaOH H2O C12H22O11 (sacarose) Ba(OH)2 Compostos iônicos Adaptada de CHANG, R.; Química Geral - Conceitos Essenciais, 4ª Ed. Em outras palavras, todas as moléculas de HCℓ dissolvidas originam íons H+ e Cℓ– hidratados. Assim, quando escrevemos HCℓ(aq), entende-se que apenas estão presentes na solução íons H+(aq) e Cℓ–(aq), não havendo moléculas de HCℓ hidratadas. No entanto, alguns ácidos, como o ácido acético (CH3COOH), que dá ao vinagre o sabor ácido, não se ionizam completamente, sendo designados eletrólitos fracos. Representa-se a ionização do ácido acético como: CH3COOH(aq) ⇌ CH3COO – (aq) + H+(aq) Eq. 3 em que CH3COO – é denominado íon acetato. Utilizaremos o termo dissociação para os compostos iônicos e ionização para os ácidos e bases. Ao escrevermos a fórmula do ácido acético como CH3COOH, indicamos que o átomo de hidrogênio que sofre ionização se encontra no grupo COOH. A seta dupla ⇌ em uma equação química indica que a o processo representado pela equação é dinâmico, isto é, a reação pode ocorrer nos dois sentidos. Inicialmente, algumas moléculas de CH3COOH são quebradas originando íons CH3COO – e H+. À medida que o tempo passa, alguns dos íons CH3COO – e H+ podem se combinar formando moléculas CH3COOH. Por fim, atinge-se uma etapa em que as moléculas de ácido se quebram tão depressa quanto a combinação dos íons. Esse estado químico, em que não se observa qualquer transformação efetiva (embora uma atividade contínua se verifique em nível molecular), é denominado equilíbrio químico. Assim, o ácido acético é um eletrólito fraco porque sua ionização em água é incompleta. Pelo contrário, em uma solução de ácido clorídrico, os íons H+ e Cℓ– não têm tendência a combinar entre si para formar HCℓ molecular. Utiliza-se, portanto, uma seta simples nas equações químicas para representar ionizações completas.1 24 Nos experimentos 5-7 estudaremos três tipos de reações em meio aquoso (precipitação, ácido-base e oxirredução). Materiais e Reagentes 3 Béqueres de 100 mL Solução NH4OH(aq) 1,0 mol/L Sacarose Ácido acético glacial Água destilada Condutivímetro Solução CH3COOH(aq) 1,0 mol/L Solução NaCℓ(aq) 0,1 mol/L Procedimento Parte A - Verificação da natureza elétrica de espécies puras e em solução Transfira cerca de 30 mL de água destilada e deionizada para um béquer de 100 mL. Mergulhe dois eletrodos de cobre, previamente limpos, lavados e secos e conecte a fonte de corrente, como mostrado na Figura 2.3. Verifique a condutividade elétrica da água. Obs.: A condutividade elétrica da solução é medida pela intensidade da luz emitida pela lâmpada. Supondo que a luminosidade da lâmpada quando os eletrodos estão em curto circuito seja igual a um valor de condutividade 10, estime os valores dessa propriedade para cada caso. Figura 2.3 - Arranjo a ser utilizado nas medidas de condutividade das soluções. a) Adicione, ao béquer contendo água, uma ponta de espátula de sacarose; agite até haver a dissolução completa do sólido e meça a condutividade da solução; b) Transfira cerca de 30 mL de solução 1,0 mol/L de ácido acético para um béquer de 100 mL e meça a condutividade da mesma. Guarde essa solução; c) Repita o procedimento acima utilizando uma solução de hidróxido de amônio 1,0 mol/L; 25 d) Misture as soluções utilizadas em b e c e verifique a luminosidade da lâmpada. Compare com os resultados obtidos acima; e) Repita o procedimento utilizando uma solução de cloreto de sódio 0,1 mol/L; f) Lave o béquer com água, seque e transfira um volume de ácido acético glacial (ácido acético anidro) suficiente para cobrir cerca de 0,5 cm da extremidade dos eletrodos de cobre. Meça a condutividade. Em seguida, faça medidas durante a adição de água destilada (porções de 5 mL com agitação). Compare com o resultado em b. (cuidado: ácido acético glacial é corrosivo). Parte B - Condutividade em função da concentração de eletrólitos. Experimento a ser realizado pelos alunos, usando um condutivímetro. a) Com uma proveta, adicione aproximadamente 12 mL de uma solução de ácido acético 1 mol/L e 40 mL de água destilada a um béquer de 100 mL. Agite com um bastão de vidro, e meça a condutividade. b) Com uma pipeta graduada, adicione 3 mL de uma solução de hidróxido de amônio 1 mol/L ao béquer do item 1. Agite com um bastão de vidro. Meça a condutividade. c) Repita o procedimento do item 2 por mais 4 vezes. Anote o valor na Tabela a seguir. Discuta com o grupo as causas do comportamento da condutividade. Tabela 2.2 - Dados obtidos no experimento Quantidade adicionada de NH4OH Condutividade 0 mL 3 mL 6 mL 9 mL 12 mL 15 mL 18 mL Ao final do experimento: - Lave o material utilizado. - Faça a segregação e descarte adequados dos resíduos gerados. - Não jogue na pia materiais sólidos ou líquidos que possam contaminar o meio ambiente. Lembre-se que os resíduos químicos são responsabilidade de quem os gera. - Deixe sua bancada limpa e organizada! 26 EXPERIMENTO 3: CROMATOGRAFIA DE PAPEL 27 EXPERIMENTO 3: CROMATOGRAFIA DE PAPEL2,3 Pré-Laboratório – Para ser respondido no caderno de laboratório 1. Desenhe no seu caderno de laboratório um fluxograma que represente o procedimento deste experimento (veja item Procedimento). 2. Em um cromatograma de papel, uma mancha vermelha desloca-se 6 cm da origem enquanto a linha do solvente desloca-se 9 cm. Qual é o valor de Rf (fator de retardamento) para essa mancha? 3. Os valores de Rf de compostos polares aumentam ou diminuem quando a polaridade do solvente aumenta? Por que? 4. Ao se fazer uma cromatografia em papel de uma determinada amostra, que estávamos suspeitando que seria de íons cobre ou manganês, obtivemos um valor de Rf igual a 0,6. Pergunta-se: a) Se a distância do limite superior que a mistura solvente chegou à mancha que corresponde a posição da amostra foi de 2,0 cm, qual a distância desta mancha à posição de partida? b) Qual o procedimento para se tirar a dúvida se a amostra desconhecida contém íons cobre ou manganês? Objetivos Ao final do experimento, o aluno deverá ser capaz de: - Entender os princípios e aplicações da cromatografia; - Separar os pigmentos das tintas de canetas; - Identificar os íons metálicos de uma amostra desconhecida. Introdução Uma das técnicas de separação demistura bastante utilizada é a cromatografia. Esta técnica foi desenvolvida por Michael Tswett (botânico russo), no começo do século XX, passando através de uma coluna cromatográfica, preenchida com carbonato de cálcio (CaCO3), pigmentos extraídos de plantas. A cromatografia pode ser definida como um processo de migração diferencial em que um composto dissolvido é seletivamente retido pela fase estacionária. A cromatografia pode ser utilizada para a análise de misturas em seus componentes. É utilizada para separar e identificar (mediante a comparação com padrões) substâncias 28 no trabalho policial-químico, por exemplo, drogas e narcóticos podem ser identificados na urina ou em uma amostra do sangue. Para compreender o processo envolvido na cromatografia, é necessário compreender o que é fase. A palavra fase é derivada do grego e significa aparência. Se um sistema é totalmente uniforme, tanto na composição química quanto no estado físico (sólido, líquido ou gasoso), ele é dito homogêneo e constituído de uma única fase. O ar, o açúcar e a água são exemplos de sistemas de uma única fase (gasosa, sólida e líquida, respectivamente). Um sistema constituído de duas ou mais fases é chamado de heterogêneo. Assim, água e areia constituem um sistema heterogêneo, de duas fases (líquida e sólida). Nos processos cromatográficos estão sempre envolvidas duas fases, sendo que uma se locomove através da outra. Assim, a fase que se move denomina-se fase móvel e a que não se move denomina-se fase estacionária ou suporte. Como fase estacionária, empregam-se sólidos e líquidos. Os gases são usados, em geral, como fase móvel. Já os líquidos podem ser empregados como fases móveis ou estacionárias. Desta forma, quando um gás (fase móvel) se move através de um sólido (suporte), tem-se a cromatografia gás-sólido. Quando um líquido (fase móvel) se move através de um sólido (suporte), tem-se a cromatografia líquido-sólido. Analogamente, existem a cromatografia gás-líquido e a cromatografia líquido-líquido. A movimentação de um sólido através de outro sólido é muito difícil, não existindo, portanto, a cromatografia sólido-sólido. Os tipos de suporte sólido comumente utilizados são: alumina (óxido de alumínio), sílica (óxido de silício), giz (carbonato de cálcio) etc. Como fase líquida móvel empregam-se substâncias (etanol, benzeno, hexano, etc.), misturas (etanol-água, acetona-etanol, éter etílico-hexano etc.) ou soluções (butanol-água, ácido acético-água, etc.) comumente encontradas nos laboratórios. Quando se adiciona um composto a um sistema de duas fases, em geral, haverá uma interação preferencial do composto a ser identificado com uma das fases, o percurso percorrido pelo composto será diferente do percurso total percorrido pela fase móvel. Se o percurso percorrido pelo composto for menor que aquele percorrido pela fase móvel, diz que há uma maior adsorção do composto na fase estacionária (Figura 3.1) O fenômeno de adsorção ocorre por causa das interações (íon-dipolo, dipolo-dipolo ou ligações de hidrogênio) que existem entre o composto e as fases líquida móvel e sólida estacionária. 29 Se, a partir do ponto de aplicação da solução do composto desconhecido, a distância percorrida pela fase móvel for “dm” e a distância pelo composto for “ds”, o quociente entre ds e dm é denominado fator de retardamento, Rf.: Rf = ds dm A partir do valor Rf, é possível identificar uma substância, pois ele é característico dela. No entanto, deve-se levar em consideração que, quando elas são mudadas, o valor de Rf se altera. Ou seja, para cada combinação de fases empregada, o valor de Rf é característico de determinada substância. Note que valores de Rf próximos a 1 ou a 0 indicam a necessidade de escolha de outra fase estacionária ou outra fase líquida. Figura 3.1 - Exemplo de placa cromatográfica. (Figura extraída de http://www.quimicasuprema.com/2013/12/o-que-e-cromatografia.html). O conhecimento sobre a polaridade das moléculas das substâncias é muito importante na cromatografia em papel, a qual será trabalhada neste experimento. Sabe-se que as substâncias cujas moléculas são polares interagem mais intensamente com solventes polares. As substâncias apolares têm mais afinidade com solventes apolares. Assim, variando a polaridade do solvente, ou misturas de solventes, podem-se separar os componentes de uma amostra. Na cromatografia em papel se marca no papel com um lápis o ponto de partida da amostra a ser aplicada no papel que é colocado em um béquer fechado (cuba cromatográfica), com solvente suficiente para molhar apenas a parte inferior do papel, não tocando a amostra, http://www.quimicasuprema.com/2013/12/o-que-e-cromatografia.html) 30 conforme a Figura 3.2. O solvente sobe, por capilaridade, pelo papel separando os componentes da mistura. As manchas dos componentes da mistura que são menos adsorvidos ao papel deslocam-se mais do que os componentes mais adsorvidos ao papel. Figura.3.2 - Representação da montagem experimental da cromatografia em papel. A separação dos componentes de uma mistura na cromatografia de papel está baseada nas diferenças de solubilidade dos seus componentes na fase móvel e estacionária. Os componentes com menor solubilidade na fase estacionária têm um deslocamento mais rápido ao longo do papel. De outra parte, os componentes com maior solubilidade na fase estacionária serão consequentemente retidos e terão uma movimentação mais lenta. Portanto, o processo de separação envolve a interação dos solutos com as duas fases. Existem outros fatores que influenciam nas interações do soluto com as duas fases, como: adsorção na superfície da fase estacionária e carga do composto. Resumindo, temos que os vários componentes de uma mistura, devido a diferentes interações com a fase estacionária e móvel, são separados em seus componentes, mas para se reproduzir a análise cromatográfica precisamos utilizar as mesmas condições experimentais. 31 Materiais e Reagentes Solventes: etanol, 1-butanol e acetona 2 béqueres (500 e 250 mL) com as devidas misturas de solventes e tampados com vidro relógio Solução NH4OH(aq) a 2 mol/L 1 béquer de 250 mL e um vidro relógio Solução NH4OH(aq) a 6 mol/L 2 papéis filtro retangulares (9,5 x 17 cm e 7,5 x 14 cm) Solução HCℓ(aq) a 6,0 mol/L Tubos capilares (6 unidades) Régua milimetrada, grampeador e secador de cabelos Soluções dos íons metálicos: Fe3+, Cu2+, Co2+, Mn2+ e uma desconhecida (FeCℓ3(aq), CuCℓ2(aq), CoCℓ2(aq), MnCℓ2(aq) 1 mol/L) Procedimento Parte A - Utilização de tinta de caneta hidrocor a) Utilizando uma régua, trace uma linha reta com um lápis a 2,0 cm das extremidades do papel. Marque, em uma das extremidades, seis pontos equidistantes com um lápis ao longo da reta, numerando-os de 1 a 6; b) Faça pequenos pontos com cada uma das canetas seguindo a ordem das cores (vermelho, azul, amarelo, verde, marrom e preto), conforme demonstrado na Figura 3.3. Figura 3.3 - Cromatograma 1: canetas hidrocor. Solventes: 13 mL de etanol + 13 mL de 1-butanol + 13 mL de solução NH4OH(aq) 2 mol/L (proporção 1:1:1). c) Enrole o papel na forma de um cilindro e coloque grampos para manter a forma de cilindro. Obs: deixe um pequeno espaço (± 1mm) entre as duas extremidades de forma a não se tocarem; d) Em um béquer adicione 39 mL da mistura de solventes: 13 mL de etanol + 13 mL de 1-butanol + 13 mL de solução NH4OH(aq) 2 mol/L (fase móvel utilizada neste experimento); verm azul amarelo verde marrom preto 32 e) Com muito cuidado, coloque o cilindro de papel dentro do béquer contendo a mistura de solventes, encostando-o no solvente, sem encostar o solvente nas manchas de caneta. f) Cubra o béquer para evitar a evaporação da mistura de solventes e evite balança- lo. g)Quando a linha do solvente estiver quase alcançando a linha superior (± 1 cm) do cromatograma, remova-o do béquer e marque a posição da linha do solvente com um lápis. h) Remova os grampos e deixe-o secar naturalmente. i) Depois de seco faça um círculo com um lápis ao redor de cada mancha e calcule todos os Rf. Acrescente os dados na Tabela 3.1. Dados – Parte A (Cromatografia de canetas hidrocor) - Distância entre a origem e a linha do solvente _________mm Tabela 3.1 - Pigmentos ou manchas Caneta Cor Dist. Rf Cor Dist. Rf Cor Dist. Rf Cor Dist. Rf Vermelha Azul Amarela Verde Marrom Preta Parte B – Utilização de cátions em solução a) Comece o segundo cromatograma b) Utilizando outro papel e após marcar com um lápis a linha para as duas extremidades, faça pequenos pontos com as soluções dos íons metálicos e com a solução desconhecida, usando um tubo capilar (um capilar para cada solução), conforme a Figura 3.4. Encoste o tubo capilar na solução do íon metálico, esta subirá por capilaridade. Em seguida, encoste o tubo na posição marcada no papel, de modo que uma pequena quantidade da solução seja drenada marcando um ponto de 2 a 3 mm de diâmetro. 33 1 2 3 4 5 6 Fe3+ Cu2+ Co2+ Mn2+ Fe3+ Cu2+ Co2+ Mn2+ amostra desconhecida Figura 3.4 - Cromatograma 2: Cátions. Solventes: 7 mL de HCℓ(aq) 6 mol/L + 25 mL acetona. c) Grampeie o papel na forma de um cilindro, como você fez para o cromatograma anterior e coloque dentro do béquer contendo a mistura HCℓ/acetona (7 mL de solução HCℓ(aq) 6 mol/L e 25 mL de acetona). d) Cubra o béquer, como anteriormente, para evitar a evaporação da mistura de solventes. Atenção, o solvente sobe rapidamente nesta 2ª parte. e) Quando a linha do solvente estiver quase alcançando a linha superior (± 1 cm) do cromatograma, remova-o do béquer e marque a posição da linha do solvente com um lápis. f) Seque o cromatograma dos íons metálicos, ao ar quente utilizando um secador de cabelos. Circule com um lápis qualquer mancha no cromatograma e anote a cor na 1ª coluna da folha de dados dos íons (Tabela 3.2). g) Para “revelar todas as cores” desse cromatograma, coloque-o aberto sobre o béquer (na capela) contendo solução NH4OH(aq) 6 mol/L e cubra-o com um vidro de relógio por 5 minutos (repita o mesmo procedimento para a outra metade do cromatograma). Este processo de “revelação” se constitui de reações entre os cátions com moléculas de amônia (NH3). Marque a posição de qualquer mancha nova que aparecer e anote qualquer mudança na folha de dados da 2ª coluna – Tabela 3.2. h) Seque o cromatograma novamente demarcando e anotando a cor de cada mancha (anote na 3ª coluna da folha de dados – Tabela 3.2) i) Nos dois cromatogramas, marque a lápis cada mancha contornando-a, meça a distância da origem ao centro de cada mancha (ds) e a distância da origem a linha do solvente (dm). Calcule o Rf e anote na folha de dados. Dados – Parte B (Cromatografia dos íons) - Distância entre a origem e a linha do solvente _________mm 34 Tabela 3.2 - COR - Cromatografia dos íons Solução Íon Após 1ª secagem Após a revelação com NH3 Após a 2ª secagem Distância em mm Rf 01 Fe3+ 02 Cu2+ 03 Co2+ 04 Mn2+ 05 Fe3+ 05 Cu2+ 05 Co2+ 05 Mn2+ Amostra 06 Identidade da amostra (que íons estão presentes)? Questões 1. Indique quais os pigmentos que constituem: (a) cor preta, (b) a cor marrom. 2. Calcule o Rf para cada pigmento que compõe a tinta das canetas hidrocor com diferentes cores. 3. Calcule o Rf para cada íon metálico, a partir do cromatograma obtido. Qual a composição da amostra desconhecida? 4. Que pigmentos, se existirem, estão presentes na caneta marrom e na preta e não estão em nenhuma das outras canetas? 5. Examinando o seu cromatograma dos íons, quais são os íons, se mais de um, de sua amostra desconhecida? Ao final do experimento: - Lave o material utilizado. - Faça a segregação e descarte adequados dos resíduos gerados. - Não jogue na pia materiais sólidos ou líquidos que possam contaminar o meio ambiente. Lembre-se que os resíduos químicos são responsabilidade de quem os gera. - Deixe sua bancada limpa e organizada! 35 EXPERIMENTO 4: CRISTALIZAÇÃO 36 EXPERIMENTO 4 : CRISTALIZAÇÃO Pré-Laboratório – Para ser respondido no caderno de laboratório 1. Desenhe no seu caderno de laboratório um fluxograma que represente o procedimento deste experimento (veja item Procedimento). 2. De que maneira se efetua uma cristalização? 3. Para que é empregada a cristalização? 4. Apresente possibilidades para se tentar induzir a formação de cristais. Objetivos Ao final do experimento, o aluno deverá ser capaz de: - Compreender o processo de cristalização; - Efetuar cálculos de rendimento de uma reação química. Introdução Entende-se por cristalização, em sentido amplo, a passagem de uma substância de um estado qualquer ao estado cristalino e, em sentido restrito, a passagem de uma substância do estado dissolvido ao estado cristalino. A cristalização de uma substância química é um dos processos de purificação mais úteis à disposição do Químico. A obtenção de monocristais, normalmente, está associada com um altíssimo grau de pureza da substância. Existem diversas maneiras de efetuar uma cristalização, a mais simples consiste em dissolver a substância sólida em um solvente adequado a quente e resfriar a solução saturada obtida em recipientes chamados “cristalizadores” (béquer, balão, cuba, etc.) até a obtenção dos cristais. Evidentemente, o solvente deve ser inerte perante a substância a ser cristalizada. Sempre que possível, use solventes não agressivos ao meio ambiente (a Natureza agradece e você atende aos princípios da Química Verde). Preferivelmente, deve-se tentar a cristalização em solventes puros, porém em casos insatisfatórios recorre-se a misturas de solventes. Obtendo-se os cristais, deve-se separá-los das águas-mães por filtração (preferencialmente, sob pressão reduzida) e secá-los sob vácuo. Neste experimento, abordaremos processos de cristalização por resfriamento de soluções saturadas, e para tanto, sintetizaremos um sal misto, KAℓ(SO4)2·12H2O (alúmen de potássio). Alúmens são compostos iônicos que cristalizam a partir de soluções que contêm o ânion sulfato, um cátion trivalente, normalmente Aℓ3+, Cr3+ ou Fe3+ e um 37 cátion monovalente, geralmente K+, Na+ ou NH4 +. O alúmen de alumínio e potássio é utilizado, por exemplo, como “mordente” em tinturaria, na indústria de beneficiamento do couro, aglomerante para gesso e cosméticos. Sulfato duplo de alumínio e potássio, KAℓ(SO4)2·12H2O, na forma do mineral é denominado Calinita e encontra-se disponível na natureza. Por outro lado, podemos obter o mesmo composto na forma de cristais, que normalmente são octaédricos, quando se misturam duas soluções aquosas, quentes, de sulfato de alumínio e de sulfato de potássio e resfria-se a solução resultante. Materiais e Reagentes Aℓ2(SO4)3 K2SO4 Agitador magnético com aquecimento 2 Béqueres de 100 mL Funil Béquer de 50 mL Papel filtro Bastão de vidro Água destilada Procedimento Aℓ2(SO4)3(aq) + K2SO4(aq) + 24H2O(ℓ) 2KAℓ(SO4)2·12H2O(s) Eq. 4 Em um béquer, pese 3,42 g (__________ mol) de Aℓ2(SO4)3 e dissolva em 50 mL de água destilada quente. Mantenha o composto em solução (se necessário, use aquecimento brando). Em outro béquer, pese 1,74 g (__________ mol) de K2SO4 e dissolva em 8 mL de água destilada, como anteriormente. Adicione a solução de sulfato de potássio à solução de sulfato de alumínio. Durante esta operação tente manter a temperaturadas duas soluções em cerca de 80 ⁰C. Caso permaneça qualquer impureza sólida, filtre esta solução para um terceiro béquer. Deixe a solução resfriar lentamente, em repouso, até a formação de cristais do produto. Decante a solução, isole os cristais e seque-os sobre um papel de filtro. Quando secos, pese os cristais para saber a massa obtida do produto final e calcule o rendimento da reação.3 **Atividade opcional Crescimento de cristais a partir de sais inorgânicos simples, disponíveis comercialmente. http://youtu.be/FKCS1DvORug http://youtu.be/FKCS1DvORug 38 Ao final do experimento: - Lave o material utilizado. - Faça a segregação e descarte adequados dos resíduos gerados. - Não jogue na pia materiais sólidos ou líquidos que possam contaminar o meio ambiente. Lembre-se que os resíduos químicos são responsabilidade de quem os gera. - Deixe sua bancada limpa e organizada! 39 EXPERIMENTO 5: PREPARO DE UM INDICADOR DE pH 40 EXPERIMENTO 5: PREPARO DE UM INDICADOR DE pH Pré-Laboratório – Para ser respondido no caderno de laboratório 1. O que é um indicador ácido-base? 2. Quais fatores podem afetar a determinação do pH? 3. Quais as principais definições de ácidos e bases para soluções aquosas? Explique- as. 4. Uma mesma substância pode ser ácida e básica? Explique. 5.1 Introdução O pH é o potencial de hidrogênio de uma solução, e corresponde a uma escala relativa que determina se uma solução é neutra, ácida ou alcalina. O pH pode ser definido aproximadamente como o cologaritmo da concentração do íon oxônio, [H3O +], em solução, muitas vezes abreviado por [H+]. Essa definição está matematicamente representada na equação 5. pH = colog [H3O +] = log [H3O +] Eq. 5 Normalmente, a medida do pH de uma solução aquosa pode ser feita de duas maneiras: a) Com o auxílio de aparelhos denominados pHmetros, que medem a condutividade elétrica da solução e possuem uma escala graduada em valores de pH. b) Com o auxílio dos indicadores ácido-base. Um indicador de pH é uma substância que apresenta cores diferentes quando são adicionados ácidos ou bases, ou seja, que mudam de cor conforme a concentração de íons hidroxônio em solução. As mudanças de cor se devem a modificações estruturais que ocorrem nas substâncias em meios ácidos ou básicos. De acordo com a definição de Brönsted-Lowry, os indicadores são classificados como ácidos ou bases fracas. Assim, um indicador genérico de fórmula “HInd” apresenta o equilíbrio químico em solução aquosa representado na equação 6: HInd(aq) + H2O(ℓ) ⇌ H3O +(aq) + Ind(aq) Eq. 6 41 Com isso, o aumento ou a diminuição de espécies ácidas ou básicas no meio fará com que o equilíbrio se desloque para esquerda ou para a direita, e a cor resultante será dependente das concentrações relativas de HInd(aq) e Ind(aq), que são as espécies responsáveis pela coloração do meio. Assim, quanto maior for a acidez do meio, ou seja, quanto menor o pH, maior será a protonação do indicador e, consequentemente, maior será a concentração de HInd(aq). Já com o aumento do pH, ou seja, quanto maior a basicidade, essa forma do indicador vai sendo desprotonada, com o consequente aumento da concentração de Ind(aq). Existem muitos indicadores na natureza. Por exemplo, o mesmo composto é responsável pela cor vermelha das papoulas e pela cor azul das centáureas azuis: o pH da seiva é diferente nas duas plantas. A cor das hortênsias também depende da acidez da seiva, e pode ser controlada modificando-se a acidez do solo.5 A Tabela 5.1 mostra alguns dos indicadores comerciais, comumente utilizados nos laboratórios para indicação da natureza ácida ou básica de substâncias ou soluções. Tabela 5.1. Correspondência entre faixas de pH e cores dos indicadores.6 INDICADOR COR DA SOLUÇÃO pH DA SOLUÇÃO Vermelha < 3,1 Alaranjado de metila Alaranjado 3,1 – 4,4 Amarela > 4,4 Amarela < 6,0 Azul de bromotimol Verde 6,0 – 7,6 Azul > 7,6 Incolor < 8,0 Fenolftaleína Rósea 8,0 –10,0 Púrpura > 10,0 5.2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL I 5.2.1 Objetivo Extrair alguns corantes naturais e empregá-los como indicador de pH.7 42 5.2.2 Materiais Meia beterraba de tamanho médio, 20 Cravos-da-índia, Almofariz e pistilo, Cápsula de porcelana Suporte universal, Tela de amianto, Bico de Bunsen, Pipetas de Pasteur, Tubos de ensaio, Placa de Petri 5.2.3 Preparação (extração) dos indicadores 5.2.3.1 Beterraba Em uma placa de Petri, corte três fatias da beterraba e adicione água até cobrir metade das fatias. Pressione as fatias com bastão de vidro e repare que o corante irá se espalhar pela água. Após alguns minutos, estará pronto nosso primeiro indicador. 5.2.3.2 Cravo-da-índia No almofariz, coloque 20 cravos-da-índia e amasse, de modo a quebrar a casca. Adicione água e leve a uma fonte de calor. Repare que o corante irá se espalhar pela solução. Quando a mistura levantar fervura, desligue a fonte de calor. Aguarde esfriar, e colete o líquido sobrenadante, evitando coletar os pedaços de sólido. Assim, estará pronto o segundo indicador. 5.2.3.3 Repolho roxo Pique alguns pedaços do repolho e coloque num béquer, adicionando um pouco de etanol, macerando com pistilo ou bastão de vidro. Deixe descansar a mistura por alguns minutos. Decante o líquido para outro béquer. Estará pronto o último indicador natural. 5.3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL II 5.3.1 Objetivos Comparar a eficiência de indicadores naturais com os comercialmente disponíveis, examinando diferentes condições de pH.8 43 5.3.2 Materiais Água destilada - Solução de NaOH 0,1 mol/L Solução de HCℓ 0,1 mol/L Solução de acetato de sódio 0,1 e 1,0 mol/L Solução indicadora de alaranjado de metila Solução indicadora de azul de bromo-timol Solução indicadora de fenolftaleína Vinagre Água sanitária Suco de limão Soluções indicadoras alternativas preparadas no item 2 15 Tubos de ensaio Pipetas de Pasteur ou conta-gotas Pipeta volumétrica de 1 e 2 mL Balão volumétrico de 500 e 10 mL Béquer de 100 e 250 mL 5.3.3 Teste dos indicadores a) Coloque aproximadamente 2 mL de cada substância/solução do Quadro 1, em grupos de cinco (ou seis) tubos de ensaio, previamente identificados. b) Adicione a cada tubo 2-4 gotas de cada indicador; beterraba, cravo-da-índia, suco do repolho roxo, alaranjado de metila, azul de bromotimol, fenolftaleína. Anotar os resultados. c) Com suas observações e utilizando os dados constantes na Tabela 5, tente estabelecer uma relação de pH entre os indicadores naturais e os comerciais. Substâncias e soluções a serem testadas com os indicadores ácido-base de interesse. Água destilada Solução de NaOH 0,1 mol/L Solução de HCℓ 0,1 mol/L Solução de HCℓ diluída 1/500 Solução de acetato de sódio 1,0 mol/L Solução de acetato de sódio 0,1 mol/L Água mineral*** ***se possível, mais de uma marca Água sanitária Suco de limão Vinagre Vinagre diluído a 1/500 Ao final do experimento: - Lave o material utilizado. - Faça a segregação e descarte adequados dos resíduos gerados. - Não jogue na pia materiais sólidos ou líquidos que possam contaminar o meio ambiente. Lembre-se que os resíduos químicos são responsabilidade de quem os gera. - Deixe sua bancada limpa e organizada! 44 EXPERIMENTO 6: REAÇÕES QUÍMICAS – Aspectos Qualitativos 45 EXPERIMENTO 6 : REAÇÕES QUÍMICAS – Aspectos Qualitativos Pré-Laboratório – Para ser respondido no caderno de laboratório 1. Cite pelo menos dois tipos de fenômenosquímicos e físicos. 2. Faça o balanceamento e classifique as reações a seguir. Se for uma reação de precipitação, escreva a equação completa, a equação iônica, a equação iônica simplificada e os íons espectadores. Se for uma reação de neutralização, identifique o ácido e a base. a) Pb(NO3)2(aq) + KI(aq) b) BaCℓ2(aq) + K2SO4(aq) c) CaCℓ2(aq) + Na2CO3(aq) d) HCℓ(aq) + NaOH(aq) e) Mg(OH)2(s) + HCℓ(aq) f) HCℓ(aq) + Na2S(aq) g) HCℓ(aq) + NaHCO3(aq) Objetivos - Distinguir entre uma transformação física e uma química; - Aprender o significado de uma equação química balanceada; - Realizar algumas reações químicas envolvendo as principais funções inorgânicas (classificação de Arrhenius) e observar aspectos qualitativos relacionados às mesmas. Introdução O fenômeno pelo qual uma ou mais substâncias são transformadas em outra(s) é chamado de reação química. De maneira simplificada, podemos dizer que, durante uma transformação química, a entidade básica formadora da matéria (átomos) é conservada, no entanto, a maneira como as entidades estão arranjadas é modificada. Neste caso, as novas substâncias formadas apresentam propriedades diferentes; como, por exemplo, ponto de fusão e ponto de ebulição. Isso significa que a identidade química da substância foi alterada. Essas transformações podem ser escritas com uma equação química, que é uma “representação abreviada” da transformação ocorrida. As substâncias que estão sendo consumidas (reagentes) são escritas do lado esquerdo da equação e as 46 substâncias que estão sendo produzidas (produtos) são escritas do lado direito da equação. Uma seta () indica que está ocorrendo a transformação. O estado físico também pode ser representado entre parênteses: (s) = estado sólido; (ℓ) = estado líquido; (g) = estado gasoso; (v) = vapor; (aq) = meio aquoso. Quando etanol reage com o oxigênio (queima do álcool) ocorre a formação de gás carbônico e água. Esta reação pode ser representada por uma equação química da seguinte maneira: CH3CH2OH(ℓ) + 3O2(g) 2CO2(g) + 3H2O(v) Eq. 7 Verifique na equação química que representa esta reação que os elementos formadores das substâncias são os mesmos (C, H e O) e a quantidade de cada um é a mesma nos produtos e nos reagentes (a equação deve ser devidamente balanceada com respeito à massa e, quando for o caso de estarem presentes espécies iônicas, com respeito a cargas). No entanto, durante a reação os elementos são rearranjados. O simples fato de os átomos estarem rearranjados é mais do que suficiente para modificar, completamente, as propriedades das substâncias, conforme indica a Tabela 6.1. Tabela 6.1. Propriedades das substâncias Etanol Oxigênio Gás Carbônico Água Temperatura de fusão –114,1 °C –218,8 °C − 0 °C Temperatura de ebulição 78,5 °C –183 °C − 100 °C Temperatura de sublimação − − –78,5 °C − Nem sempre é fácil perceber a ocorrência de uma reação química. Às vezes, as mudanças podem ser lentas o suficiente para não as notarmos. Por exemplo, quando deixamos um pedaço de esponja de aço sobre uma pia molhada, se ficamos atentos, olhando para a esponja, nada iremos perceber. O nosso tempo de percepção não é suficiente para observarmos que está ocorrendo alguma transformação. No entanto, se olharmos para a esponja um ou dois dias depois, notaremos que ela enferrujou. Isso significa que uma reação precisa de um tempo para ocorrer, tempo esse que pode ser rápido ou muito longo. Em outros casos, as mudanças podem até ser rápidas, no entanto, não são perceptíveis aos nossos sentidos. Por exemplo, quando expomos um pedaço de alumínio metálico ao ambiente, ele oxida muito rápido em presença de oxigênio e água; no entanto, a camada de óxido de alumínio 47 (Aℓ2O3) que se forma na superfície é tão fina que nossos olhos não são capazes de identificá-la. Contudo, alguns aspectos revelam a ocorrência de uma reação química: Mudança de cor – é um indício muito forte de que está ocorrendo reação química; por exemplo, o escurecimento da superfície de um objeto de prata (oxidação da prata), o escurecimento de uma fruta, algo queimando, fogos de artifício, etc. Formação de um precipitado – quando em solução aquosa (ou outro solvente) temos a formação de um composto no estado sólido (precipitado), significa que uma reação química está ocorrendo. Por exemplo, se misturarmos uma solução de nitrato de chumbo(II) – Pb(NO3)2 – com outra de iodeto de potássio – KI – irá ocorrer a precipitação de iodeto de chumbo(II) – PbI2. Essa reação é facilmente observada pela presença de um sólido amarelo que se forma na solução. Produção de gás – a liberação de gás por um sistema é um bom indicativo de que alguma transformação química está ocorrendo. No entanto, é preciso muito cuidado, pois isso nem sempre é verdadeiro. Por exemplo, na fermentação dos açúcares produzindo álcool e gás carbônico, podemos observar o desprendimento do gás carbônico; trata-se de uma transformação química. Outro exemplo é quando colocamos bicarbonato de sódio, NaHCO3, em meio ácido (vinagre por exemplo); ocorre reação química com formação de gás carbônico que é facilmente verificado pela efervescência. No entanto, em alguns casos ocorre a formação de bolhas (de maneira mais lenta, sem efervescência) e não se trata de reação química, como por exemplo, quando o gás carbônico que estava dissolvido – CO2(aq) – em um refrigerante passa para o estado gasoso – CO2(g). Mudanças de temperatura – a ocorrência de uma reação química sempre está associada a uma variação de energia (a energia dos produtos é diferente da energia dos reagentes). Portanto, quando uma reação ocorre, podemos ter duas situações: a) liberação de energia – reação exotérmica (os produtos passam a ter energia menor que os reagentes); b) absorção de energia – reação endotérmica (os produtos passam a ter energia maior que os reagentes). Essa troca de energia associada a uma transformação química, normalmente, é na forma de energia térmica. Portanto, mudança de temperatura é um ótimo indício de reação química.1 A sistematização das reações químicas é uma estratégia muito importante para a previsão de métodos reacionais para a síntese de novas substâncias. Um dos primeiros cientistas a verificar similaridades entre os padrões de reatividade de 48 diferentes substâncias foi o sueco Svante Arrhenius. Ao observar diferentes reações em fase aquosa, ele classificou as substâncias em ácidos, bases, sais e óxidos.9 Materiais e reagentes Solução NaOH(aq) 0,1 mol/L Solução AgNO3(aq) 0,1 mol/L Solução HCℓ(aq) 0,1 mol/L Solução NaCℓ(aq) 0,1 mol/L Solução HCℓ (aq) 1 mol/L Fenolftaleína Solução H2SO4(aq) 0,1 mol/L CaO(s) Solução Ba(OH)2(aq) 0,01 mol/L CaCO3(s) Solução Zn(NO3)2(aq) 0,1 mol/L Procedimento 1. Reação entre ácido e base a) Coloque em um tubo de ensaio cerca de 2,0 mL de hidróxido de sódio 0,1 mol/L. A essa solução adicione 2 gotas de fenolftaleína. Coloque 2 mL de ácido clorídrico 0,1 mol/L na solução final. Anote a mudança de cor e escreva a reação ocorrida. Coloque uma gota de base depois uma gota de ácido, verifique a alteração da coloração. b) Medir 3,0 mL de solução 0,01 mol/L de hidróxido de bário em uma proveta, passar para um béquer de 50 mL, adicione 2 gotas de fenolftaleína. Adicione gotas de solução 0,1 mol/L de ácido sulfúrico até o ponto de equivalência. Observe a formação de um sal insolúvel e identifique a reação ocorrida. 2. Reação entre ácido e sal Coloque em um tubo de ensaio um pouco de carbonato de cálcio (cerca de 0,1 g) e adicione, com auxílio de uma pipeta, 3,0 mL de ácido clorídrico 1,0 mol/L. Observe o desprendimento de gás. Por que ocorreu desprendimento de gás? Escreva a reação ocorrida. 3. Reação entre base e sal Coloque em um tubo de ensaio 2,0 mL de nitrato dezinco 0,1 mol/L. Adicione 2,0 mL de hidróxido de sódio 0,1 mol/L. Observe o que ocorreu. Escreva a reação ocorrida. 49 4. Reação entre dois sais Coloque 2,0 mL de solução de nitrato de prata 0,1 mol/L em um tubo de ensaio e adicione 1,0 mL de cloreto de sódio 0,1 mol/L. Observe o que ocorreu. Escreva a reação ocorrida. 5. Reação entre óxido básico e água Coloque em um tubo de ensaio uma pequena porção de óxido de cálcio (cerca de 0,1 g) e adicione com auxílio de uma proveta, 10 mL de água destilada, agite até homogeneização. Com o auxílio de uma fita indicadora de pH, meça o pH da solução resultante. Adicione algumas gotas de fenolftaleína. Observa a mudança de coloração. Explique o que aconteceu. Escreva a reação ocorrida. 6. Reação entre óxido ácido e base (demonstrativo) Coloque em um tubo de ensaio 2,0 mL da solução formada no item 5. Faça borbulhar dióxido de carbono, assoprando com auxílio de uma pipeta, até aparecimento de cor. Adicione 1,0 mL de ácido clorídrico 0,1 mol/L. Observe e explique o fenômeno ocorrido. Escreva as reações ocorridas. Ao final do experimento: - Lave o material utilizado. - Faça a segregação e descarte adequados dos resíduos gerados. - Não jogue na pia materiais sólidos ou líquidos que possam contaminar o meio ambiente. Lembre-se que os resíduos químicos são responsabilidade de quem os gera. - Deixe sua bancada limpa e organizada! 50 EXPERIMENTO 7: REAÇÕES ÁCIDO–BASE 51 EXPERIMENTO 7 : REAÇÕES ÁCIDO-BASE Pré-Laboratório – Para ser respondido no caderno de laboratório 1. Identifique os pares ácido-base conjugados na reação entre a amônia e o ácido fluorídrico, em solução aquosa. 2. A concentração de íons OH- em certa solução amoniacal de limpeza doméstica é 0,0025 mol/L. Calcule a concentração de íons H+. 3. A concentração de íons H+ em uma garrafa de vinho de mesa era 3,2 x 10–4 mol/L logo depois de se tirar a rolha. Só metade do vinho foi consumida. A outra metade, depois de ter sido mantida em contato com o ar durante um mês, tinha uma concentração de íon hidrogênio igual a 1,0 x 10–3 mol/L. Calcule o pH do vinho nessas duas ocasiões. 4. O pH da água da chuva recolhida em certa região do nordeste dos Estados Unidos em dado dia era 4,82. Calcule a concentração do íon H+ na água da chuva. 5. O pH de uma solução 0,10 mol/L de ácido fórmico (HCOOH) é 2,39. Qual é o Ka do ácido? 6. Preveja as forças relativas dos oxiácidos em cada um dos seguintes grupos: (a) HCℓO, HBrO e HIO; (b) HNO3 e HNO2. 7. Classifique cada uma das seguintes espécies como ácido ou base de Brønsted ou ambos: (a) H2O, (b) OH –, (c) H3O +, (d) NH3, (e) NH4 +, (f) NH2 –, (g) NO3 -, (h) CO3 2–, (i) HBr, (j) HCN. 8. Qual(is) das seguintes afirmações é(são) verdadeira(s) para uma solução 0,10 mol/L de um ácido fraco HA? (a) O pH é 1,00. (b)[H+] > [A–] (c) [H+] = [A–] (d) O pH é inferior a 1,00. Objetivos - Apoiar a aprendizagem do conceito de ácidos e bases, por meio de experimentos simples em meio aquoso; Introdução Duas das mais importantes classes de compostos em toda a química são os ácidos e as bases. Participam de um número imenso de reações e procedimentos 52 analíticos nos laboratórios, nas indústrias e até em organismos vivos. O comportamento das reações entre ácidos e bases foi inicialmente identificado nos estudos de soluções de ácidos e bases em água e levou à definição de ácidos e bases de Arrhenius. Entretanto, descobriu-se posteriormente que reações entre ácidos e bases ocorrem em solventes diferentes de água e até mesmo na ausência de solventes e a definição inicial de Arrhenius precisou ser ampliada. A classificação de ácidos e bases pode ser feita de acordo com duas outras teorias: Ácidos e bases de Brønsted (ou Brønsted-Lowry): um ácido de Brønsted é um doador de íon H+ e uma base de Brønsted é um aceptor de íon H+. A base conjugada do ácido se forma quando o ácido doa o H+ e o ácido conjugado da base se forma quando a base aceita o H+. Ácidos e bases de Lewis: um ácido de Lewis é um aceptor de par de elétrons enquanto uma base de Lewis é um doador de par de elétrons. Quando uma base de Lewis doa um par de elétrons a um ácido de Lewis, as duas espécies compartilham um par de elétrons formando uma ligação covalente coordenada. Uma reação ácido-base de Lewis é, portanto, uma reação que envolve a doação de um par de elétrons de uma espécie para outra. A importância do conceito de Lewis está no fato de ser muito mais genérico que outras definições. As reações ácido-base de Lewis incluem muitas reações que não envolvem ácidos de Brønsted. Ácidos e Bases de Brønsted-Lowry Entre os diversos conceitos de ácidos e bases, aquele proposto por Johannes Brønsted e Thomas Lowry, em 1923, é um dos mais versáteis e práticos. Segundo essa teoria (Brønsted-Lowry) as reações ácido-base são reações químicas que envolvem a transferência de íons H+.9,10 Em uma reação ácido-base estão envolvidos dois pares de ácidos e bases conjugados (AH e A−) e (BH+ e B); em cada par, as espécies diferem entre si por um íon H+ (Eq. 8). O conceito de par ácido-base conjugado é uma extensão da definição de ácidos e bases de Brønsted. A base conjugada de um ácido de Brønsted é a espécie que se forma quando um íon H+ é retirado do ácido. De maneira contrária, um ácido conjugado é formado a partir da adição de um íon H+ à base de Brønsted. Todo ácido de Brønsted tem uma base conjugada e toda base de Brønsted tem um ácido conjugado. 53 HA + B ⇌ A− + BH+ Eq. 8 ácido 1 base 2 base 1 ácido 2 Por exemplo, o íon acetato (CH3COO −) é a base conjugada formada a partir do ácido acético (CH3COOH) e H2O é a base conjugada do ácido H3O +. CH3COOH(aq) + H2O(ℓ) ⇌ CH3COO −(aq) + H3O +(aq) Eq. 9 ácido 1 base 2 base 1 ácido 2 A definição de Brønsted-Lowry também nos permite classificar a amônia como uma base em razão de sua capacidade de aceitar um íon H+: NH3(aq) + H2O(ℓ) ⇌ NH4 +(aq) + OH−(aq) Eq. 10 base 1 ácido 2 ácido 1 base 2 Nesse caso, NH4 + é o ácido conjugado da base NH3 e o íon hidróxido OH – é a base conjugada do ácido H2O. Note que o átomo da base de Brønsted que aceita o íon H+ deve ter um par de elétrons isolado. É aceitável representar o íon H+ em solução aquosa tanto por H+ como por H3O +. A fórmula H+ é mais simples em cálculos que envolvem concentrações do íon hidrogênio e em cálculos que envolvem constantes de equilíbrio, enquanto H3O + é mais útil quando se discutem as propriedades ácido-base de Brønsted. Propriedades Ácido-Base da Água Uma das propriedades especiais da água é a capacidade de atuar tanto como ácido quanto como base. A água age como base em reações com ácidos, tais como HCℓ e CH3COOH, e atua como ácido em reações com bases, tais como NH3. A água é um eletrólito muito fraco e, portanto, um fraco condutor de eletricidade, mas sofre ionização em pequena extensão. H2O(ℓ) + H2O(ℓ) ⇌ H3O +(aq) + OH−(aq) Eq. 11 ácido 1 base 2 ácido 2 base 1 Em reações ácido-base, a concentração do íon hidrogênio ocupa um lugar chave, o seu valor indica a acidez ou basicidade de uma solução. Visto que usamos H+(aq) e H3O +(aq) indistintamente para representar o íon H+ hidratado, a constante de equilíbrio pode ser expressa como: 54 Kc = [H3O +][OH–] ou Kc = [H +][OH–] Para indicarmos que a constante de equilíbrio se refere à auto-ionização da água, substituímos Kc por Kw em que Kw é denominada constante do produto iônico, que é o produto das concentrações molares dos íons H+ e OH–, a dada temperatura.
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