4. Preparação de soluções diluídas de ácidos e bases fortes

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1 21 4. Preparação de soluções diluídas de ácidos e bases fortes 1 Objetivos O propósito deste experimento é o da preparação de uma solução aquosa diluída de um ácido forte, pelo método da diluição de soluções concentradas em estoque, e o da preparação de uma solução aquosa diluída de uma base forte, a partir do soluto sólido. O experimento também almeja que aluno torne-se apto a transferir volumes de líquidos com uma pipeta graduada; efetuar cálculos para determinar o volume de uma solução concentrada em estoque a ser tomado para se preparar uma solução diluída; efetuar cálculos visando determinar a massa necessária de uma base para preparar uma solução diluída desta; utilizar balões volumétricos para preparar soluções. 2 Conceitos fundamentais Uma solução é uma mistura homogênea de duas ou mais substâncias, sendo que uma delas é considerada, geralmente, como sendo o solvente, o meio no qual a outra substância, o soluto, é dissolvida. Com relação ao estado físico de seus componentes, existem muitos tipos possíveis de pares soluto-solvente, por exemplo, gás em gás, líquido em líquido, sólido em líquido, gás em líquido, líquido em sólido, gás em sólido e sólido em sólido. As soluções de que nos recordamos com mais facilidade são soluções que têm um líquido como solvente. Em particular, soluções, cujo solvente líquido é a água (soluções aquosas) merecem especial atenção devido a sua importância em química industrial, analítica e fisiológica. 2.1 Concentração ou composição de soluções As relações entre as porções de soluto e de solvente em uma solução líquida, ou entre porções de soluto e solução, podem ser expressas de diferentes maneiras:

2 22 Fração em massa do soluto (uma composição): é dada pela relação massa de soluto/massa da solução e é usualmente transformada numa percentagem, conhecida como título, τ; assim, uma solução aquosa de H 2 SO 4 com título 70% contém 70g de H 2 SO 4 em cada 100 g de solução; Concentração de soluto em massa: é dada pela relação massa de soluto/volume de solução, com unidades g/l ou kg/l; Concentração de soluto em quantidade de matéria (molaridade, M): número de moles do soluto por litro da solução. Trata-se da unidade de concentração mais comum, sendo expressa na unidade mol/l. Essa é a relação que será usada nesta experiência para expressar a concentração de solutos; A fração molar, X: A fração molar de um componente numa solução é definida como o quociente entre o número de moles deste componente e o número total de moles de todos os componentes da solução; Molalidade, m: A molalidade de uma solução se define como o número de moles do soluto por quilograma do solvente e tem unidade mol/kg. É utilizada sempre que se quer ter uma relação que não dependa da temperatura. 2.2 Soluções de ácidos e bases fortes Não há talvez outra classe de soluções aquosas tão importante como aquela envolvendo ácidos e bases. Existem três teorias principais para definir ácidos e bases, as teorias de Arrhenius, de Brosted-Lowry e de Lewis. Como se trata meramente de um caso de definição, não se pode dizer que uma é mais correta que a outra. Assim, utilizamos a teoria mais conveniente para solucionar um determinado problema químico. Para atender aos objetivos desta experiência, a teoria de Arrhenius é suficiente. Segundo Arrhenius, um ácido é qualquer substância que, quando dissolvida em água pura, aumenta a concentração de íons hidrogênio, H + (mais precisamente, íons hidroxônio, H 3 O + ), enquanto uma base é uma substância que aumenta a concentração de íons hidróxido, OH - (aq), quando dissolvida em água pura. Ácidos fortes são aqueles capazes de gerar grande quantidade de íons H 3 O + e ácidos fracos, aqueles que só conseguem

3 23 gerar pequenas quantidades. Esse mesmo raciocínio se aplica às bases, de modo que uma base forte é aquela que gera grandes quantidades de íons OH - e uma base fraca, aquela que só gera pequenas quantidades. O HCl (ácido clorídrico ou cloreto de hidrogênio) é um dos ácidos fortes mais utilizados nos laboratórios de química. À temperatura ambiente o HCl é um gás que quando borbulhado (dissolvido) em água, se ioniza completamente, levando à formação de íons H 3 O + : HCl(g) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + Cl - (aq) Assim, o ácido clorídrico é comercializado na forma de uma solução concentrada de íons H 3 O + e Cl -. Este tipo de solução é chamado de solução concentrada em estoque. O NaOH (hidróxido de sódio ou soda cáustica) é um típico exemplo de uma base forte e é encontrado comercialmente na forma de um sólido esbranquiçado. Esse sólido se dissolve em água, produzindo íons hidroxila: NaOH(s) + H 2 O(l) Na + (aq) + OH - (aq) 3 Instruções específicas parar a realização da experiência 3.1 Técnicas de manipulação (a) (b) (c) Figura 1. Pipetas a) volumétrica e b) graduada; c) balão volumétrico Para o preparo das soluções serão utilizados a pipeta e o balão volumétrico. A pipeta é utilizada para transferir volumes conhecidos de líquidos. Os dois tipos mais comuns de pipetas são as volumétricas (ou de transferência) e as graduadas (ver Fig. 1a-b). As pipetas volumétricas são calibradas para transferir um volume fixo e são, usualmente, construídas com as capacidades de 0,5, 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100 e 200 ml. As pipetas graduadas são calibradas para transferir um volume variado, que se determina pela diferença entre os volumes indicados antes e depois da

4 24 transferência. Uma pipeta graduada de 10 ml pode, por exemplo, ser utilizada para transferir 5,6 ml, iniciando-se a transferência na marca de 1,0 ml e terminando na marca de 6,6 ml. No passado, a operação de pipetagem envolvia o enchimento da pipeta por sucção com a boca. Esse procedimento, entretanto, não é mais recomendado porque é perigoso e anti-higiênico, podendo causar acidentes graves, como intoxicações ou queimaduras por soluções ácidas ou básicas. A forma mais prática de evitar o uso da boca é a utilização de um pipetador de borracha (também chamado pêra de borracha), que nada mais é que um bulbo de borracha no qual se pode fazer vácuo (seu professor lhe explicará como utilizá-la adequadamente). Usando a pêra de borracha, sugue o líquido acima da marca de aferição. Cuidado! Certifique-se que, durante a pipetagem, a ponta da pipeta seja mantida abaixo do nível da solução. Caso contrário, ao se fazer a sucção, o líquido já acondicionado na pipeta alcançará a pêra de borracha. Idealmente, é desejável que se descarte um ou dois volume de líquido para remover traços de resíduos deixados na pipeta em operações prévias (seu professor lhe dirá se este procedimento é ou não necessário no correspondente experimento). Após encher a pipeta pela terceira vez, passe a marca de calibração, rapidamente retire a pêra e coloque seu dedo indicador sobre a boca da pipeta. Limpe o excesso de líquido na parte externa da pipeta com um pano/papel de limpeza. Toque a ponta da pipeta na parte interna do béquer (se sua solução estiver acondicionada em um béquer) e escoe o líquido até que a parte inferior do menisco atinja o centro da marca de aferição. A pipeta deverá tocar o béquer durante o escoamento do líquido; desse modo, evita-se que fique alguma gota de líquido suspensa na ponta da pipeta quando o menisco atingir a marca de aferição. Transfira a pipeta para o recipiente desejado e escoe-a enquanto a ponta da pipeta é mantida encostada na parede do recipiente. Depois que a pipeta terminar de escoar, mantenha-a encostada na parede do recipiente por alguns segundos para se certificar de que todo o líquido escoou. Não sopre a última gota. Finalmente, retire a pipeta com um movimento de rotação para remover qualquer líquido aderido a sua ponta.

5 25 Líquidos que exalam vapores nocivos (solução concentrada em estoque de HCl, por exemplo) devem ser pipetados dentro de uma capela de exaustão. Os balões volumétricos são balões de fundo chato e gargalo comprido calibrados para conter determinados volumes de líquidos (ver Fig.1c). A maioria dos balões volumétricos traz a marca TC 20 o C, que significa que o balão foi calibrado para conter o volume indicado a 20 o C. Ao se preparar uma solução, o soluto (quer seja sólido, líquido ou sua solução concentrada) deve ser inicialmente dissolvido em um copo de béquer, utilizando-se um volume de solvente inferior ao volume final de solução a ser preparada. Em seguida, essa solução deve ser transferida para um balão volumétrico de volume igual ao que se deseja preparar a solução; então, adiciona-se solvente até que o volume da solução atinja a marca indicativa no pescoço do balão. Em operações que exijam alta exatidão, o volume final deveria ser ajustado com o uso de uma pipeta e não com o frasco lavador. Preparada a solução, a mesma deve ser homogeneizada invertendo-se o balão volumétrico (bem tapado) diversas vezes. Cuidado!!! Não comprima as extremidades apicais do balão volumétrico entre as mãos. 3.2 Cálculos para o preparo de soluções Nesta experiência preparar-se-á soluções diluídas de um ácido (HCl) e de uma base (NaOH) fortes, esta a partir de um soluto sólido, aquela a partir de uma solução concentrada do soluto. A quantidade do precursor a ser tomada, depende do volume da solução e da concentração desejados Solução a partir de soluto sólido Suponha que desejamos preparar 250 ml (volume desejado) de uma solução aquosa de hidróxido de potássio, KOH, 0,100 mol/l (concentração desejada). Para obter um litro da solução 0,100 M deveríamos diluir 0,100 mol de KOH em um volume de 1 L de solução. Para preparar apenas 250 ml necessitamos de um quarto desta quantidade, ou seja 0,0250 mol de KOH. Agora temos que determinar qual é a massa de KOH que corresponde à quantidade de matéria 0,0250 mol. A massa molar do KOH é 56,10 g/mol. Assim, se 1 mol de

6 26 KOH corresponde a uma massa de 56,10 g, então 0,0250 mol equivale a 1,40 g de KOH. Portanto, para preparar 250 ml de solução aquosa de KOH de concentração 0,100 mol/l, basta dissolver em água 1,40 g de KOH e levar o volume da solução até 250 ml Solução a partir da solução concentrada do soluto Suponha, agora, que se necessite preparar 500 ml de uma solução aquosa de ácido nítrico (HNO 3 ), cuja concentração em quantidade de matéria seja 0,100 mol/l, a partir de solução concentrada em estoque de título 68% e densidade 1,503 g/ml. Inicialmente se calcula a quantidade de matéria de HNO 3 que deverá estar em 500 ml de solução de concentração 0,100 mol/l. Se para preparar 1 L de solução é necessário 0,100 mol de HNO 3, para preparar 500 ml será necessário a metade desta quantidade, ou seja, 0,0500 mol de HNO 3. Utilizandose a massa molar do HNO 3 (63,012 g/mol) pode-se, então, calcular a massa do soluto que corresponde a 0,0500 mol de HNO 3. Se 1 mol de HNO 3 corresponde a uma massa de 63,012 g, 0,0500 mol corresponderá a uma massa de 3,15 g. Bem, mas que volume da solução concentrada (68%) contém está quantidade em massa? Para determiná-lo far-se-á uso do título e da densidade da solução concentrada em estoque. O título permite que se calcule qual é a massa de solução concentrada em estoque que contém essa massa (3,15 g) de HNO 3. Como o título da solução estoque é 68%, cada 100 g da solução concentrada em estoque contém 68 g de HNO 3. Proporcionalmente, a quantidade de 3,15 g de HNO 3 estará contida em 4,6 g de sua solução concentrada em estoque. Finalmente, basta, através da densidade, obter o volume de solução concentrada em estoque que corresponde a esta massa (4,6 g). A densidade da solução estoque é 1,503 g/ml, isto é, 1,503 g corresponde a 1 ml de solução concentrada. Assim, 4,6 g da solução estoque corresponde a um volume de 3,1 ml. Portanto, para preparar 500 ml de solução aquosa de HNO 3 de concentração 0,100 mol/l, basta adicionar 3,1 ml da solução concentrada em estoque e levar o volume de solução até 500 ml. (Observe que os cálculos desenvolvidos acima foram realizados com o número

7 27 correto de algarismos significativos) 4 Materiais e reagentes Pipetas graduadas de 10 ml Balões volumétricos Becker de 250 ml Funil comum Pêra de borracha Baqueta de vidro Espátula Pisseta Ácido clorídrico concentrado Hidróxido de sódio em lentilhas 5 Procedimento experimental Inicialmente, para as soluções que deverão ser preparadas (seu professor lhe dirá quais as concentrações das soluções que deverão ser preparadas), efetue os cálculos para determinar a massa de soluto e/ou volume de solução concentrada em estoque. O volume final de solução deverá ser aquele do balão volumétrico que lhe for colocado à disposição para o uso. Antes de iniciar o preparo das soluções, mostre ao seu professor os cálculos realizados. Para preparar a solução de base (NaOH; M = 39,997g/mol) a partir de soluto sólido, inicialmente pese a massa determinada. A seguir, dissolva a mesma em água destilada num copo de béquer (observe se há desprendimento de calor). Caso a solução tenha se aquecido, espere até que ela volte à temperatura ambiente; então, transfira esta solução para o balão volumétrico (utilize um funil comum ou um bastão de vidro para direcionar o fluxo da solução). Enxágüe o copo de béquer com água destilada e adicione as águas de lavagem à solução, no balão. Com o auxílio de um frasco lavador contendo água destilada, complete o volume até que a parte inferior do menisco esteja tangenciando a marca no pescoço do balão correspondente ao seu volume nominal. Tampe o balão e o inverta várias vezes a fim de que a solução seja homogeneizada. A seguir, transfira a solução para um frasco devidamente etiquetado com o nome de um dos componentes de seu grupo, com a fórmula da base e a concentração da solução (as soluções preparadas serão utilizadas no próximo experimento). Enxágüe o

8 28 balão volumétrico três vezes com água de torneira, duas vezes com água destilada e ele estará pronto para ser usado na preparação de outra solução aquosa. Para preparar a solução de ácido (HCl; M = 36,461 g/mol) retire o volume calculado de solução concentrada em estoque (τ = 37%; ρ = 1,18 g/ml) usando uma pipeta graduada com o auxílio de uma pêra de borracha. Transfira lentamente esse volume de solução para um copo de béquer já contendo água destilada (observe se há desprendimento de calor). Caso a solução tenha se aquecido, espere que ela volte à temperatura ambiente. A seguir, proceda como no caso da solução de base. Após guardar as soluções preparadas, lave bem todo o material utilizado e os guarde nos seus locais de armazenamento. Se houver tempo, inicie a confecção do relatório. 6 Pontos que devem ser considerados por ocasião da confecção do relatório 1) Apresente, pormenorizadamente, os cálculos que o conduziram a determinar a quantidade de soluto necessário para a preparação de cada solução proposta. Empregue o número correto de algarismos significativos. 2) As concentrações das soluções preparadas são exatamente iguais àquelas desejadas? Existem fatores que poderiam introduzir erros? Quais são estes fatores? 3) Quais são os limites de erro da pipeta e do balão volumétrico utilizados no preparo das duas soluções? Expresse os erros percentuais associados às medições que você realizou com a pipeta e o balão volumétrico. 4) Por que se faz necessário pipetar o ácido ao béquer contendo água e não diretamente ao balão volumétrico? 5) Por que não se deve jamais adicionar água a uma solução concentrada de ácido? 6) Se tomarmos uma alíquota de 10,0 ml da solução preparada e avolumarmos

9 29 para 100 ml de solução, que concentração de soluto em quantidade de matéria obteríamos? 7 Provocação Você deve ter observado que a dissolução do hidróxido de sódio em água é um processo exotérmico (ocorre com liberação calor). Quando se aquece uma mistura de hidróxido de sódio e água, a formação da solução é acelerada. Entretanto, o princípio de Lê Chatelier, prevê que se qualquer tentativa de alteração na temperatura, concentração e/ou pressão for perpetrada a um sistema em equilíbrio, o sistema reagirá de forma a minimizar tal perturbação. Assim, deveríamos esperar que o aumento da temperatura causasse uma diminuição da solubilidade do NaOH na água dificultando a dissolução da base, pois a maneira que o sistema teria para minimizar a perturbação (aumento de temperatura) seria absorvendo energia térmica através da formação do NaOH sólido a partir de seus íons em solução. Como podemos explicar esta aparente contradição? 8 Referências HARRIS, D.C. Análise química quantitativa. Rio de Janeiro: LTC, p [Apresenta discussão sobre as técnicas de uso de materiais volumétricos, bem como sobre seus correspondentes limites de erro. KOTZ, J. C.; TREICHEL Jr., P. Química e reações químicas. Tradução de J. A. P. Bonapace e O. E. Barcia. 4. ed. Rio de Janeiro: LTC, v. 1, p [Apresenta discussão sobre ácidos, bases e soluções] MAHAN, B. H.; MYERS, R. J. Química: um curso universitário. Tradução de H. I. Toma (Org) et al. 4. ed. São Paulo: Edgard Blucher, p (reimpressão 2003) [Apresenta discussão sobre ácidos, bases e soluções] SILVA, R. R.; BOCCHI, N.; ROCHA FILHO, R. C. Introdução à química experimental. São Paulo: McGraw-Hill, 1990.