UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE CIÊNCIAS EXATAS DEPARTAMENTO DE QUÍMICA CQ 028 FÍSICO QUÍMICA GERAL Aula 2.1 Soluções: Classificação. Solubilidade. Unidades de concentração (% em massa, concentração g/L, em quantidade de matéria, fração de quantidade de matéria, molalidade. Diluição e mistura de soluções. Análise volumétrica. Profa. Regina Maria Queiroz de Mello www.quimica.ufpr.br/rmqm SOLUÇÕES Uma solução é uma dispersão homogênea de duas ou mais substâncias. O constituinte presente em maior quantidade é denominado solvente e os demais são chamados de solutos. As dispersões que apresentam as partículas do disperso (soluto) com um diâmetro inferior a 10 Å são denominadas soluções. Quando este diâmetro situa-se entre 10 e 1000 Å, temos dispersões coloidais. Ex.: gelatina, goma arábica, fumaça, entre outros. Quando as partículas do disperso possuem diâmetro superior a 1000 Å, temos dispersões grosseiras. Ex.: o "leite de magnésia“: dispersão de hidróxido de magnésio (aglomerados de íons Mg2+ e OH-) em água. (Ref.: ) Alda Maria Pawlowsky et al - Manual Didático “Experimentos de Química Geral , Ed. UFPR, 2ª ed,1998 Parte introdutória do livro do Atkins: Princípios de Química Características da soluções: Nas soluções, as partículas do soluto não se separam do solvente sob a ação de ultracentrífugas, não são retidas por ultrafiltros e não são vistas através de microscópios potentes. Os instrumentos citados conseguem separar, reter e visualizar as partículas do soluto numa dispersão coloidal. Já na dispersão grosseira, as partículas do soluto são separadas, retidas e visualizadas com auxílio de instrumentos comuns. Portanto, numa solução, o soluto e o solvente constituem uma fase única e toda mistura homogênea (aquela cujo aspecto é uniforme ponto a ponto) constitui uma solução. Classificação das soluções com relação à quantidade de soluto dissolvido (a) Solução insaturada: Contém, numa certa temperatura, uma quantidade de soluto dissolvido menor que a sua solubilidade nesta temperatura Ex: solubilidade do acetato de sódio: 123,5g /100g de água a 20oC. Uma solução que contém 80 g desse sal dissolvidos em 100 g de água a 20oC é uma solução insaturada. (b) Solução saturada: Contém, numa dada temperatura, uma quantidade de soluto dissolvido igual à sua solubilidade nesta temperatura. Uma solução saturada pode (ou não) apresentar corpo de fundo (excesso de soluto precipitado). Ex: 123,5 g de acetato de sódio em 100 g de água a 20oC. (c) Solução supersaturada: Contém, numa dada temperatura, uma quantidade de soluto dissolvido maior que a sua solubilidade nesta temperatura (solução metaestável). Uma solução supersaturada pode ser obtida por aquecimento de uma solução saturada com corpo de fundo, seguido por resfriamento lento para evitar a precipitação do excesso de soluto Ex.: 124,0 g de acetato de sódio dissolvidos em 100 g de água a 20oC. Classificação das soluções com relação ao estado físico (a) Soluções sólidas: o solvente é sempre sólido e o soluto pode ser sólido, líquido ou gasoso. Ex.: prata de lei: o solvente é o cobre (Cu(s)) e o soluto é a prata (Ag(s)) aço: o solvente é o ferro (Fe(s)) e o soluto é o carbono (C(s)) (b) Soluções líquidas: o solvente é sempre líquido e o soluto pode ser sólido, líquido ou gasoso. Ex.: salmoura: o solvente: água – soluto: cloreto de sódio sólido. vinagre: o solvente: água – soluto: ácido acético líquido. solução aquosa de oxigênio: soluto: oxigênio gasoso. (c) Soluções gasosas: o solvente e o soluto são gases. Ex.: o ar é uma mistura de muitos gases - oxigênio, gases nobres, vapor de água, dióxido de carbono, entre outros solubilizados em nitrogênio gasoso. Soluções iônicas (ou eletrolíticas) e Soluções moleculares (ou não eletrolíticas) Um eletrólito é uma substância que forma íons em solução, assim soluções iônicas ou eletrolíticas são aquelas que possuem íons dissolvidos. Os sólidos iônicos solúveis em água são eletrólitos; os ácidos são moléculas que formam íons quando se dissolvem. As soluções eletrolíticas conduzem a eletricidade. Ex.: solução de NaCl. Quando o NaCl entra em contato com a água (à esquerda), os íons se separam e se espalham pelo solvent (à direita). As moléculas de água estão representadas pelo fundo azul H2 O NaCl (s) Na (aq) Cl (aq) Um não eletrólito é uma substância que não forma íons em solução e se dissolve para dar uma solução não eletrolítica. Soluções não eletrolíticas não conduzem a eletricidade. Ex.: soluções de acetona e glicose e grande parte dos compostos orgânicos. H2 O CH3OH ( l ) CH3OH ( l ) Eletrólitos fortes e fracos Eletrólito forte é o que está presente sob a forma de íons em solução. São eles: ácidos fortes, bases fortes e compostos iônicos solúveis . Ex.: HCl(aq), NaOH(aq), NaCl(aq). Eletrólito fraco é o que apresenta baixo grau de ionização em solução. São eles: ácidos fracos e bases fracas. Ex.: CH3COOH(aq), NH4OH(aq). Uma das formas de distinguir entre eletrólitos fortes e fracos, é medir sua capacidade de conduzir a eletricidade. Em mesma concentração em mol.L-1, um eletrólito forte é melhor condutor que um eletrólito fraco. água pura HAc 0,1 mol.L-1 NaCl 0,1 mol.L-1 Reações de precipitação Nestas reações, forma-se um produto sólido insolúvel quando duas soluções eletrolíticas são misturadas. Na equação química usamos (aq) para indicar substâncias dissolvidas em água e (s) para indicar o sólido que se precipitou. Ex.: AgNO3 (aq) + NaCl (aq) → AgCl (s) + NaNO3 (aq) Equações iônicas: Mostram todos os íons envolvidos. Ex.: Ag+(aq) + NO3- (aq) + Na+(aq) + Cl- (aq) → AgCl (s) + Na+(aq) + NO3- (aq) Equações iônicas simplificadas: Não exibem os íons espectadores. Ex.: Ag+(aq) + NO3- (aq) + Na+(aq) + Cl- (aq) → AgCl (s) + Na+(aq) + NO3- (aq) Íons espectadores: Na+(aq) e NO3- (aq) Ex.: Ag+(aq) + Cl- (aq) → AgCl (s) Ex.: Escreva a reação iônica simplificada para a reação de precipitação de iodato de bário a partir de soluções de nitrato de bário e iodato de amônio. Ba(NO3 )2 (aq) 2NH4IO3 (aq) Ba(IO3 )2 (s) 2NH4NO3 (aq) Ba 2 (aq) 2NO3 (aq) 2NH4 (aq) 2IO3 (aq) Ba(IO3 )2 (s) 2NH4 (aq) 2NO3 (aq) 2 Resp.: Ba (aq) 2IO3 (aq) Ba(IO3 )2 (s) Análise gravimétrica É um exemplo de aplicação das reações de precipitação. Nesse caso, um composto insolúvel precipita, o depósito é filtrado e pesado e a quantidade de subtância em uma das soluções originais é calculada. Tal análise pode ser usada, por exemplo, para monitorar a quantidade de um metal pesado que existe em amostras de água. Ex.: Uma amostra de 0,200g contém apenas NaCl e BaCl2. Tal amostra foi dissolvida em água e adicionou-se ácido sulfúrico até não formar mais precipitado. Filtrou-se o precipitado (BaSO4) e após secagem, constatou-se que a massa era de 0,0643 g. Que porcentagem da mistura era constituída de BaCl2? Dados: M(BaCl2) = 208,23 g.mol-1 M(BaSO4) = 233,38 g.mol-1 ácido sulfúrico = reagente em excesso cloreto de bário = reagente limitante 2NaCl(aq) H2SO 4 (aq) Na 2SO 4 (aq) 2HCl(aq) BaCl2 (aq) H2SO 4 (aq) BaSO 4 (s) 2HCl(aq) 208,23 g ------------------------ 233,38g x ------------------------ 0,0643g x = 0,05737g 0,200 g ------------- 100% 0,05737 g -------------- x X = 28,7 % Reações com formação de produto gasoso Ex.: Na 2CO3(aq) 2HCl(aq) H2CO3(aq) 2NaCl(aq) H2CO3(aq) H2O( l ) CO 2 (g) Reações de neutralização H(aq) OH (aq) H2O( l ) Ex.: HCl(aq) NaOH(aq) H2O( l ) NaCl(aq) Reações redox Zn(s) CuSO 4 (aq) Cu(s) ZnSO 4 (aq) Zn(s) CuSO 4 (aq) Cu(s) ZnSO 4 (aq) Zn(s) Cu2 (aq) Cu(s) Zn2 (aq) Agente oxidante = CuSO4 (aq) ou Cu2+(aq) Agente redutor = Zn(s) Outro ex.: reação entre dicromato de potássio e cloreto ferroso em meio ácido: Agente oxidante = Cr2O72- (aq) ou K2Cr2O7 (aq) Agente redutor = Fe2+(aq) ou FeCl2 (aq) Unidades de concentração A concentração de uma solução é a relação entre a quantidade do soluto e a quantidade do solvente ou da solução. Uma vez que as quantidades de solvente e soluto podem ser dadas em massa, volume ou quantidade de matéria, há diversas formas de se expressar a concentração de soluções. As relações mais utilizadas são: (a) Concentração em gramas por litro Esse termo é utilizado para indicar a relação entre a massa do soluto (m), expressa em gramas, e o volume (V), da solução, em litros: mi C V Ex.: O hipoclorito de sódio, NaClO, produz uma solução alvejante quando dissolvido em água. A massa de NaClO contida numa amostra de 5,00 mL de alvejante foi determinada como sendo igual a 150 mg. Qual é a concentração (em gramas por litro) do hipoclorito de sódio nesta solução? mi 150 x10 3 g 1 C 30 , 0 g . L V 5,00 x10 3L (b) Concentração em quantidade de matéria (ou de substância) É a relação entre a quantidade de matéria do soluto (nsoluto) e o volume da solução (V), expresso em litros. No passado, esta unidade era denominada molaridade ou concentração molar. Atualmente, por recomendação da International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), o emprego desses termos deve ser evitado. A quantidade de matéria do soluto (nsoluto, anteriormente chamada “número de mols”) é a relação entre a massa do soluto (msoluto) e a sua massa molar (M), expressa em g / mol ni C V n m M Ex.: Qual é a concentração (em quantidade de matéria) da solução que contém 9,8 g de ácido sulfúrico em água suficiente para 10,0 litros de solução? n m C M 9,8g 0,099918mol 1 98,08g.mol ni 0,099918mol 9,9918 x10 3 mol.L1 V 10,0L C 1,0 x10 2 mol.L1 (c) Molalidade Esta relação é utilizada sempre que se pretende expressar concentrações independentes da temperatura, pois é expressa em função da massa (e não do volume) do solvente. A molalidade de uma solução é calculada como o quociente entre a quantidade de matéria do soluto (nsoluto, expressa em mol) e a massa total do solvente (expressa em quilogramas, kg): ni b msolvente (kg) Ex.: 1,275 g de glicose (C6H12O6) foram dissolvidos em 63,59 g de água. Qual a molalidade da solução? Dado: M (C6H12O6) = 180,16 g.mol-1 b b ni msolvente (kg) m M msolvente (kg) 1,275g 1 0 , 1113 mol . kg 180,16 g.mol 1x 63,59 x10 3 kg (d) Fração em mol Muito utilizada em cálculos físico-químicos, a fração em mol (x) de um componente A em solução (previamente denominada “fração molar”), é a razão da quantidade de matéria do componente (ncomponente) pela quantidade de matéria total de todas as substâncias presentes na solução (ntotal): xi ni n i ni ntotal n x n i i i i total n total 1 n total Ex.: Uma solução é preparada dissolvendo 16,6624 g de naftaleno sólido em 200,0 mL de benzeno (d = 0,87865 g.mL-1). Calcule a fração em mol do naftaleno. nnaf m 16,6624 g 0,1300023 mol M 128,17g.mol 1 mbenz d.V 0,87865 g.mL1x 200,0mL 175,73g nbenz m 175,73g 2,24969 mol 1 M 78,113g.mol x naf 0,1300023 0,1300023 2,24968 0,05463 x naf x naf nnaf n total (e) Composição percentual (título) Um método bastante usual de expressão da concentração baseia-se na composição percentual da solução. Esta unidade de concentração relaciona a massa (m) ou o volume (V) do soluto com a massa ou o volume do solvente ou da solução, conduzindo a notações tais como: 10% (m/m); 10% (m/V) ou 10% (V/V). A relação m/m corresponde à base percentual mais usada na expressão da concentração de soluções aquosas concentradas de ácidos inorgânicos (como o ácido clorídrico, o ácido sulfúrico e o ácido nítrico Exemplos: - 100 g de solução concentrada de HCl a 36% (m/m) contêm 36 g de cloreto de hidrogênio e 64 g de água. - O ácido sulfúrico concentrado adquirido no comércio contém cerca de 98% (em massa) de soluto (H2SO4 líquido), ou seja, 100 g do ácido comercial contêm 98 g de H2SO4 e 2 g de água Ex.: Calcule a massa de HCl contida numa amostra de 210 g de ácido clorídrico concentrado de título igual a 37% (m/m). 37 g HCl ------------------- 100 g de solução concentrada x ------------------- 210 g de solução concentrada x = 77,7 g m = 78 g de HCl Ex.: O rótulo de um frasco de HCl concentrado possui os seguintes dados no rótulo: 37,4% (m/m), densidade de 1,18 kg.L-1 e massa molar igual a 36,46 g.mol-1. Calcule: (a) a molalidade , (b) a concentração em mol.L-1 e (c) a fração em mol do HCl nessa solução. (a) 1180 g em 1L de solução 1180 g 100% x 37,4% x 441,32g msolvente 1180 g 441g 739g b b ni msolvente (kg) m M msolvente (kg) 441,32g 1 16 , 4 mol . kg 36,46 g.mol 1x739 x10 3 kg (b) (c) C n m 441,32g 1 12 , 1 mol . L V M V 36,46g.mol 1x1,00L nHCl m 441,32g 12,104mol 1 M 36,46g.mol nágua m 739g 41,021mol 1 M 18,015g.mol n 12,104mol x 0,228 n tot 12,104mol 41,021mol Diluição e mistura das soluções Diluir uma solução significa adicionar a ela mais solvente, não alterando a massa do soluto. O princípio básico da diluição é que tanto a massa quanto o número de mol do soluto é o mesmo na alíquota da solução concentrada e na diluída. Solução concentrada Solução diluída Massa do soluto = m Concentração inicial = C1 Volume inicial = Vi m = C1V1 Então: Massa do soluto = m Concentração final = C2 Volume final = V2 m = C2V2 C1V1 = C2V2 onde C é a concentração em g.L-1 Solução concentrada Quantidade de matéria do soluto = n Concentração inicial = C1 Volume inicial = Vi n = C1V1 Solução diluída Quantidade de matéria do soluto = n Concentração final = C2 Volume final = V2 m = C2V2 Então: C1V1 = C2V2 onde C é a concentração em mol.L-1 Mistura de soluções sem reação química Como não há reação química, o volume final é a soma do volume das soluções. C1V1 + C2V2 = CfVf Ex.: Qual a concentração de uma solução de NaOH resultante da mistura entre 60 mL de uma solução de NaOH 5,0 mol.L-1 com 300 mL de uma solução de NaOH 2,0 mol.L-1? C1V1 C 2 V2 C f Vf 5mol.L1x 60mL 2mol.L1x300mL C f x360mL 300mol.L1.mL 600mol.L1.mL C f x360mL 900mol.L1.mL C f x360mL 900mol.L1.mL Cf 2,5mol.L1 360mL Mistura de soluções de solutos diferentes com reação química Nesse caso, precisamos analisar a estequiometria da reação e fazer os cálculos com a quantidade de substância envolvida. Ex.: Misturou-se 300 mL de HCl 0,40 mol.L-1 com 300 mL de NaOH 0,6 mol.L-1. Calcule a concentração em quantidade de substância das espécies presentes na solução final. 1HCl + 300 mL 0,4 mol.L-1 1NaOH → 1NaCl + 1H2O 300 mL ---0,6 mol.L-1 1HCl + Início: 0,12 mol Estequiometria: -0,12 Final: 0 CNaOH 1NaOH → 1NaCl + 0,18 mol -----0,12 +0,12 0,06 0,12 n 0,12 mol 0,2 mol.L1 V 0,6 L n 0,06 mol 0,1mol.L1 V 0,6 L CNaCl Obs.:Desconsideramos a água deste cálculo porque ela é o solvente. 1H2O Obs.: Como o NaOH estava em excesso, o HCl é o reagente limitante Titulação Uma das técnicas de laboratório mais comuns de determinação da concentração de um soluto é a titulação. As titulações normalmente são titulações ácido-base ou titulações redox. Na titulação, o volume de uma das soluções é conhecido e mede-se o volume da outra solução necessário para que a reação se complete. A solução a ser analisada é chamada de analito. Um volume conhecido do analito é transferido para um erlenmeyer através de uma pipeta e a solução de concentração conhecida é transferida para uma bureta. Então, goteja-se tal solução até que todo o analito tenha reagido. Tal ponto estequiométrico é detectado através do uso de indicadores ácido-base. A solução contida na bureta é o titulante. A determinação da concentração pela medida do volume é chamada de análise volumétrica. No momento em que o indicador muda de cor, a titulação é interrompida. Anota-se o volume gasto na bureta e através de cálculos adequados, determinase a concentração do analito. Ex.: Em um experimento de determinação do teor de ácido acético (HAc, CH3COOH) no vinagre, um aluno titulou uma amostra de 3,00 mL de vinagre e gastou 20,00 mL de uma solução de NaOH 0,100 mol.L- 1, usando fenolftaleína como indicador. Considerando que toda a acidez do vinagre é devida apenas ao ácido acético, calcular a concentração de ácido acético no vinagre e expressá-la em: a) quantidade de matéria por litro de solução b) gramas por litro de solução c) porcentagem em massa por volume Dado: Massa molar do CH3COOH = 60,0 g.mol-1 Reação: CH3COOH(aq) + NaOH CH3COONa(aq) + H2O(l) Ex.: A concentração de ferro em minérios pode ser determinada por titulação redox com KMnO4. O minério é dissolvido em HCl e formam-se íons Fe(II) que reagem com o permanganato: 5Fe 2 (aq) MnO 4 (aq) 8H (aq) 5Fe 3 (aq) Mn2 (aq) 4H2O( l ) O ponto estequiométrico é atingido quando todo o Fe(II) reagiu e a detecção é feita porque a cor do permanganato persiste. Uma amostra de 0,202g de minério foi dissolvida em HCl e a solução resultante utilizou 16,7 mL de KMNO4 0,0108 mol.L-1 para atingir o ponto estequiométrico. Responda: (a) Qual a massa de íons ferro (II) presente na amostra? (b) Qual a porcentagem em massa de ferro presente na amostra de minério? nMnO C.V 0,0108mol.L1x16,7 x10 3 L 1,804 x10 4 mol 4 5 Fe 2 1MnO 4 x 1,804 x10 4 mol x 9,02 x10 4 mol m n M 9,02 x10 4 mol x 55,845 g.mol 1 0,0504 g 0,202g 100% 0,0504 g x x 25,0%(m / m) Exercícios 1) A solubilidade do hidróxido de bário octahidratado é de 5,6 g/100 g de água. Usando a aproximação de que 100 g de água é igual a 100 mL de solução, expresse a concentração de uma solução saturada dessa base em: (a) Concentração em gramas por litro (b) Concentração em quantidade de matéria (c) Molalidade (d) fração em mol Dado: M(Ba(OH)2) = 315,46 g.mol-1 (R.: 56 g.L-1; 0,18 mol.L-1; 0,18 mol.kg-1, 0,031) 2) Calcule a concentração (em quantidade de matéria) das seguintes soluções: (a) 0,248 mol de cloreto de sódio em 250,00 mL de solução. (b) 102,6 g de açúcar comum (sacarose, C12H22O11) em 500 mL de solução. (c) solução de ácido sulfúrico a 93,3% (m/m), com densidade absoluta igual a 1,829 g/mL. (d) solução de ácido nítrico a 32,2% (m/m), com densidade absoluta igual a 1,195 g/mL. Dados: M(NaCl) = 58,44 g.mol-1 M(C12H22O11) = 342,24 g.mol-1 M(H2SO4) = 98,079 g.mol-1 M(HNO3) = 63,01 g.mol-1 (R.: 0,992 mol.L-1; 0,600 mol.L-1; 17,4 mol.L-1; 6,11 mol.L-1) 3) Sob condições apropriadas, acetileno (C2H2) e ácido clorídrico reagem para formar cloreto de vinila (C2H3Cl). Em uma determinada circunstância, 35,0 g de C2H2 são misturados com 51,0 g de ácido clorídrico. (a) Qual é o reagente limitante neste processo? (b) Quantos gramas de cloreto de vinila serão formados? (c) Quantos gramas do reagente em excesso restarão após o final da reação? Dados: M(C2H2) = 26,0 g.mol-1 M(C2H3Cl) = 62,5 g.mol-1 M(HCl) = 36,5 g.mol-1 (R.: acetileno; 84,1 g; 1,9g) 4) Responda as perguntas abaixo com relação à reação entre 3,823 g de NO(g) e 2,866g de O2: 2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) (a) Qual é o reagente limitante? (b) Quantos gramas de NO2(g) serão formados? (c) Quantos gramas do reagente em excesso restarão após o final da reação? Dados: M(NO) = 30,006 g.mol-1 M(O2) = 31,999 g.mol-1 M(NO2) = 46,0055 g.mol-1 (R.: NO; 5,861 g; 0,828 g) 5) Calcule o volume de solução de HCl 6,00 mol.L-1 necessários para preparar 50,0 mL de HCl 0,200 mol.L-1? R.: 1,67 mL 6) Calcule o volume de água a ser adicionado a 25,0 mL de uma solução 0,500 mol.L-1 de KOH para preparar uma solução cuja concentração é de 0,350 mol.L-1? R.: 10,7 mL 7) Uma amostra de hidróxido de sódio comercial de massa igual a 9,00 g foi dissolvida em água suficiente para 1000,00 cm3 de solução. Uma alíquota de 20,00 cm3 desta solução foi titulada com 19,70 mL de solução de H2SO4 0,0750 mol/L. Calcule a pureza (ou a percentagem m/m) da amostra de hidróxido de sódio utilizada. Dado: M(NaOH) = 40,0 g.mol-1 R.: 65,7 % 8) Numa titulação ácido-base, 25,00 mL de uma solução de hidróxido de sódio de concentração desconhecida neutralizam completamente 24,60 mL de solução de HCl 0,200 mol/L. Calcule a concentração da solução alcalina e expresse-a em: (a) quantidade de matéria de NaOH por litro de solução; (b) gramas de NaOH por litro de solução; (c) percentagem (m/v) do soluto na solução Dado: M(NaOH) = 40,0 g.mol-1 R.: 0,0197 mol.L-1 ; 0,787 g.L-1; 0,0787%(m/v) 9) Uma amostra de 20,0 mL de NaOH foi titulada por 45,7 mL de H2SO4 0,500 mol.L-1. Qual a concentração do NaOH? R.: 2,28 mol.L-1 10) O ácido ascórbico (vitamina C) é um ácido diprótico de fórmula molecular C6H8O6. Cem miligramas (100,0 mg) de um suplemento vitamínico contendo esse ácido foram titulados com 15,20 cm3 de solução de hidróxido de sódio 0,0201 mol/L. Calcule a percentagem em massa de ácido ascórbico na amostra analisada. Dado: M(C6H8O6) = 176,12 g.mol-1 R.: 26,9 %