EXPERIÊNCIA 02- CONDUTIVIDADE DE ELETRÓLITOS

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1 EXPERIÊNCIA 02- CONDUTIVIDADE DE ELETRÓLITOS Objetivos: Utilizar adequadaente u condutivíetro. Medir a condutividade de eletrólitos fracos e fortes. Calcular o grau de dissociação e a constante de dissociação de eletrólitos fracos. I. Introdução Medidas de condutância elétrica perite diferenciar eletrólitos fracos e fortes. Eletrólitos fortes segue a lei de Kohlrausch enquanto que eletrólitos fracos são descritos pela lei de diluição de Ostwald. Exainando a dependência da condutividade co a concentração é possível deterinar a condutividade de eletrólitos a ua diluição infinita e desta fora calcular o grau de dissociação e a constante de dissociação de eletrólitos fracos. II. Teoria A resistência R de u condutor unifore co ua seção transversal é proporcional ao copriento l e inversaente proporcional a seção transversal da área A do condutor, equação. R =. l l = A κ. A = L ρ Equação A constante da substância ρ, é conhecida coo resistência específica. κ é a condutância específica ou condutividade e L a condutância. Noralente usa-se ρ para condutores etálicos e κ para eletrólitos. Desta fora a condutividade para ua solução de eletrólitos é dada pela Equação 2, onde κ te diensões: Ω - c -. No sistea SI o síbolo para condutância é S (sieens) e a unidade de condutividade é siees por etro (S - ). Onde S = Ω -. l = = R A l L A κ ou L A κ l = Equação 2 Ao edir condutividade de ua solução, as diensões da célula (copriento e área entre os eletrodos, figura ao lado) pode ser deterinadas. Contudo, a célula é noralente calibrada co ua solução de condutividade conhecida e a razão da edida da condutividade a ser tabulada da solução conhecida fornece diretaente a razão do copriento pela seção transversal da célula A l. Esta razão é tabé conhecida coo a constante da célula e é deterinada usando soluções de KCl de condutividade conhecidas. A constante da célula a ser usada noralente já foi deterinada pelo fabricante e pode ser encontrada no anual do aparelho. Contudo co o tepo a constante da célula pode udar portanto deve ser verificada sepre que for usada. De acordo co a Equação 2 a condutância lida no aparelho é ultiplicada pela constante da célula. A condutividade da água é diinuída da condutividade deterinada. As Figuras a e b ostra a dependência da concentração co a condutividade deterinada para o KCl e o ácido acético.

2 200 κ μs/c 500 κ μs/c (a) (b) C KCl, ol/l C HAc, ol/l Figura : (a) Condutividade da solução de KCl versus concentração. (b) Condutividade da solução de ácido acético versus concentração. A condutividade não é apropriada para coparar eletrólitos devido a forte dependência e relação a concentração dos esos. Para este propósito é elhor deterinar a condutividade olar. Esta é deterinada a partir da condutividade específica κ e da concentração c da substância na solução eletrolítica confore Equação κ 0 κ ( Sc ) 2 2 = = = = = Ω 3 c ( ) Sc ol c ol c olc Eq. 3 O valor de 0 3 ultiplicando κ transfora ol.l - para ol.c -3. Quando exainaos a dependência da concentração na condutividade de eletrólitos observaos que a condutividade basicaente auenta co a concentração devido ao auento do núero de cargas (íons) e solução. Esta dependência é ilustrada na Figura, para o KCl e ácido acético. A condutividade olar aproxia-se do liite auentando a diluição. Esta é conhecida coo a condutividade a diluição infinita. A dependência da concentração co a condutividade olar e eletrólitos fortes foi definida por Kohlrasusch através da Equação 4. = k c Equação 4 De acordo co a lei de Kohlrausch, trata de eletrólitos fortes, graficando a condutividade olar do KCl versus a raiz quadrada da concentração (Figura 2) deve resultar e duas retas. A partir da interseção co o eixo y deterina-se a condutividade olar a ua diluição infinita. De acordo co a lei de diluição de Ostwald, eletrólitos fracos não se dissocia copletaente e possue condutividade enor do que 50 eletrólitos fortes. Co o auento da concentração o equilíbrio de dissociação é deslocado na direção das oléculas não Sc2/ol dissociadas. O grau de dissociação α de eletrólitos fracos é o quociente da condutividade olar dividido pela condutividade olar a diluição infinita (Equação 5). α Equação 5 = C 0.35 ol/l Fig. 2: Condutividade olar do KCl versus a raiz quadrada da concentração.

3 A lei de diluição de Ostwald é valida para eletrólitos fracos, peritindo desta fora calcular a constante de dissociação ( K ). K 2 α. c = = α ( 2. c ) Equação 6 O valor liite da condutividade olar de eletrólitos fracos a diluição infinita é alcançada a concentrações extreaente baixas não sendo possível, portanto, fazer-se edidas exatas nestas concentrações. E conseqüência, não pode ser obtido pelas curvas extrapoladas a partir de / c, para eletrólitos fracos. A Equação 7 é derivada para resolver a lei de diluição de Ostwald para estes casos; = + K.(. c ) 2 Equação 7 Da equação 7 pode ser observado que existe ua relação linear entre o inverso da condutividade, o produto da condutividade olar e a concentração de eletrólitos fracos. A Figura 3 ostra esta relação para o ácido acético. Ainda a lei de diluição de Ostwald ostra que a condutividade olar a diluição infinita pode ser obtida da intersecção co a ordenada / sobre c oo C Fig. 3: Inverso da condutividade olar do ác. acético versus o produto da cond. olar e a concentração. III. Procediento Preparar 00 L das soluções de KCl e ác. acético nas concentrações abaixo a partir da diluição de ua solução concentrada ( M). Solução Conc. (M) 0,0 0,050 0,00 0,0075 0,0050 0,0025 0,000 0, ,00050 Exeplos: - Preparar a solução ( 0, M ) transferindo 0 L da solução estoque M para u balão de 00 L e copletar o volue co água. Use a relação M V = M 2 V 2. Lebre-se que o volue V 2 é o volue final da solução igual a 00 L. - Para preparar a solução dois você deve diluir a solução e assi sucessivaente. Cuidado para não isturar as soluções, nuere os balões. - O eso procediento deve ser seguido para prepara as soluções tanto de KCl coo de CH 3 COOH.

4 Medidas da condutividade - O aparelho de edidas consiste da célula, do condutivíetro e do eletrodo, abos acoplados a u agitador agnético co u agneto para agitar a solução. - A célula do condutivíetro, o agneto e o eletrodo deve ser lavados e enxaguados co água destilada várias vezes antes de iniciar o experiento. - Antes de iniciar as edidas é necessário calibrar o condutivíetro co a solução padrão (KCl). Verifique se o aparelho está edindo e edindo e S ou μs. - Medir tabé a condutividade da água antes de coeçar as edidas. - Ligue o agitador co velocidade oderada durante as edidas. - Manter a teperatura controlada a 25 o C durante os experientos. - Iportante: Medir a condutividade das soluções preparadas iniciando sepre co a solução ais diluída e enxaguando a célula e o eletrodo co a solução antes das edidas. Obs: Veja coo tratar ou arazenar corretaente os resíduos quíicos gerados neste experiento. IV. Questionário e cálculos. Mostrar graficaente a dependência da condutividade elétrica de KCl e CH 3 COOH co a concentração. (Fig. ) 2. Calcular a condutividade olar (eq. 3), para o KCL e ác. Acético, utilizando os valores edidos. 3. Deterinar a condutividade olar a diluição infinita graficaente, Fig. 2 (Eq. 4), para o KCl e Fig. 3 (Eq. 7), para o ác. Acético. 4. Deterinar a constante de dissociação do ácido acético pelo gráfico (Fig. 3, Eq. 7). 5. Deterinar o grau de dissociação do ác. acético para as várias concentrações, eq Discuta as leis de Kohlrausch e de Ostwald para eletrólitos fortes e fracos. 7. Que tipo de resíduos quíicos fora gerados neste experiento e coo fora tratados ou arazenados. Explique. V. Dados da literatura para coparação (25 o C) HAc = 390,5 S.c 2.ol - Ka =,9 x 0-5 = 49,86 S.c 2.ol - KCl VI.Bibliografia ) Moore, W.J.; Físico-Quíica, Ed. Edgard Blucher, SP, Vol. 2, pg , 976 2) Van Holde, K. E.; Bioquíica Física, Ed. Edgard Blucher, SP, pg , ) Shaw, D.J.; Introdução `a Quíica dos colóides e de superfícies, Ed. Edgard Blucher, SP, pg.2-20, ) R. Chang, Physical Che. Whit Appllic. To Biol. Systes. 2 o Ed ) N.Baccan, J.C. de Andrade, E.S. Godinho e J.S. Barone, Quíica Analítica Quantitativa Eleetar. 2 o Ed ) Voguel, Análise Quíica Quantitativa, 5 o Ed., LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., R.J., ). P.W. Atkins, Physical Cheistry, 4 th Ed. Oxford University Press, 990.

5 FFUP Física Aplicada 200/20 Mestrado Integrado e Ciências Faracêuticas Disciplina de Física Aplicada Aulas Laboratoriais Trabalho laboratorial n.º 7 Estudo da Condução Eléctrica e Soluções

6 FFUP Física Aplicada 200/20 OBJECTIVOS: Aplicar conceitos sobre electricidade, instalar u circuito eléctrico e utilizá-lo na avaliação da condução eléctrica e resistividade de soluções aquosas BREVE REFERÊNCIA A ALGUNS CONCEITOS FUNDAMENTAIS Alguas substâncias quando e eio aquoso são capazes de conduzir electricidade porque se dissocia produzindo iões co carga eléctrica (catiões e aniões), sendo então designadas de electrólitos. Se u capo eléctrico for aplicado na solução, os iões igrarão para o eléctrodo co carga contrária à sua, proovendo a passage de ua corrente eléctrica. Diversos parâetros afecta a ovientação dos iões e solução coo seja o grau de ionização, a concentração do electrólito e a natureza do solvente. Se ua solução de u electrólito conduz corrente eléctrica é designada de electrolítica. Se tal não ocorre ou ocorre e uito pequena extensão, é designada de não-electrolítica. Apesar de a água ser ua dos solventes ais utilizados e peritir a dissociação de uitas substâncias, u grande núero de solventes pode ser utilizados na produção de soluções electrolíticas, ou seja soluções e que ocorre dissociação de espécies quíicas dissociáveis e capazes de conduzir corrente eléctrica, sendo usual classificar essas soluções e função da capacidade de condução da corrente eléctrica coo electrólitos fortes e fracos. Nos condutores electrónicos a resistência auenta co o auento da teperatura. Já nos condutores electrolíticos a resistência diinui co o auento da teperatura, diinuição da viscosidade e do grau de hidratação dos iões e solução. Na avaliação da resistência de u electrólito há que ter e conta as características da célula de edida, noeadaente, a área dos eléctrodos e a distância que os separa. Ao ser aplicada ua tensão entre os eléctrodos a corrente que flui irá depender não só da resistência da solução as tabé dos referidos parâetros. O cálculo da resistência de ua solução pode ser feito co base na lei de Oh (V = RI) sendo por sua vez R ua função da resistência específica da solução ou resistividade (ρ), da área dos eléctrodos (S) e da distância entre eles (L). Assi a resistência será dada por:!=# $ % A condutividade (ou condutância específica) de ua solução é função da concentração dos iões e solução. No caso de soluções ideais, existe ua relação linear entre a condutividade específica e a raiz quadrada da concentração sendo a linearidade Maria da Conceição Branco Montenegro / Rui A. S. Lapa / João A. V. Prior

7 FFUP Física Aplicada 200/20 apenas observada para soluções diluídas de electrólitos fortes. No caso de electrólitos fracos não há linearidade. A condutividade olar ( ' ) perite expressar a dependência da condutância de ua solução e função da sua condutividade (k) e da concentração: ' = 000 k(s. c2 ) C(ol. c 7 ) =S.c 8.ol 2 =Ω 2 c 8 ol 2 Através da equação de Kohlrausch é possível estabelecer ua relação entre a condutividade olar e a concentração de u electrólito forte ' = : k C que perite calcular o valor da condutividade olar para ua diluição infinita ( : ); no caso de electrólitos fracos, utiliza-se a equação de Ostwald: = + ' : (>? : ) 8 ' A sendo K d a constante de dissociação do electrólito. Maria da Conceição Branco Montenegro / Rui A. S. Lapa / João A. V. Prior 2

8 FFUP Física Aplicada 200/ EXECUÇÃO LABORATORIAL 7.2. Equipaento e soluções a ensaiar: - Fonte de tensão alterna - Eléctrodos - Copo - Suporte de eléctrodos - Fios eléctricos - HCl (0, ol/l); - CH 3 COOH (0, ol/l) - Sacarose (0, ol/l) - Sulfato de cobre (0, ol/l) Modo de proceder Instale os eléctrodos no suporte e ligue cada u dos eléctrodos à fonte de tensão usando os fios de cobre; 2 Deite no copo ua das soluções até à arca; 3 Mergulhe os eléctrodos na solução; 4 Ligue a fonte de tensão alterna e regule sucessivaente para tensões de 3, 6 e 2 V, anotando para cada valor da tensão, o valor da corrente indicada pelo aperíetro; 5 Calcule a resistência da solução (considere que a resistência dos condutores usados é desprezável); 6 Repita o procediento para todas as outras soluções; 7 Meça a área dos eléctrodos be coo a distância entre eles; 7 Calcule a resistência específica das soluções; 8 Elabore u relatório sucinto co os resultados obtidos. Maria da Conceição Branco Montenegro / Rui A. S. Lapa / João A. V. Prior 3