E-books PCNA. Vol. 1 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 5 SOLUÇÕES

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1 E-books PCNA Vol. 1 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 5 SOLUÇÕES

2 1 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 5 SUMÁRIO Capítulo Soluções Unidades de concentração Concentração comum (C) Concentração molar ou Molaridade (M) Partes por milhão (ppm) Título, Porcentagem em massa (t) Título, Porcentagem em volume (tv) Normalidade (N) Densidade (d) Diluição Mistura de Soluções Solubilidade Fenômenos de saturação Coeficiente de solubilidade Curva de solubilidade EXERCÍCIOS PROPOSTOS GABARITO Página 1

3 2 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 5 Apresentação Ao chegar à UFPA, você tem a possibilidade de cursar gratuitamente cursos de nivelamento em Ciências Básicas (Física, Química e Matemática). Assistindo às aulas no próprio ambiente em que cursará sua graduação, isso auxiliará você a adquirir o conhecimento necessário para enfrentar melhor o programa curricular do seu curso. Então seja Bem-vindo ao Curso de Nivelamento em Química Elementar do PCNA. Este é o quinto de uma série de o i t o E-books que vão lhe acompanhar durante o curso, o professor utilizará este material como apoio às suas aulas e é fundamental que você o leia e acompanhe as atividades propostas. A série E-books PCNA-Química foi desenvolvida com o propósito de apresentar o conteúdo do curso de Química Elementar. Neste fascículo você irá encontrar o conteúdo de Soluções. É bom lembrar que não se pode aprender Química sem alguns pré-requisitos, que muitas vezes não valorizamos por acharmos simples e descomplicados, todavia, atenção e compreensão se fazem necessária. Página 2

4 3 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 5 Capítulo 5 5. Soluções São misturas homogêneas de duas ou mais substâncias. Nas soluções, o componente que está presente em menor quantidade é o soluto, enquanto, o componente predominante é chamado solvente. São encontradas em três estados físicos: sólidas, líquidas e gasosas. As soluções são divididas em: Diluídas: a proporção do soluto é pequena em relação ao solvente. Concentradas: a proporção do soluto é grande em relação ao solvente. Homogêneas: São aquelas que apresentam um aspecto uniforme, com uma única fase (monofásicas). Heterogêneas: São aquelas que apresentam mais de uma fase Unidades de concentração Podemos estabelecer diferentes relações entre a quantidade de soluto, de solvente e de solução. Tais relações são denominadas genericamente concentrações. Onde: Índice 1 para o soluto Índice 2 para o solvente Sem índice para a solução Página 3

5 4 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO Concentração comum (C) Relação entre a massa do soluto em gramas e o volume da solução em litros. C = m1 V (g/l) (5.1) Concentração molar ou Molaridade (M) Relação entre o número de mol do soluto e o volume da solução em litro. M = m1 Massa molar V (5.2) M = n1 V ( mol L ) (5.3) Exemplo 5.1: Um acadêmico do curso de Química necessita preparar uma solução de ácido bórico (H3BO3) 0,5 mol/l para ser utilizada como fungicida. Para preparar tal solução, ele dispõe de 2,5 g do ácido. Qual deve ser o volume, em ml, de solução com a concentração desejada que possa ser preparado utilizando toda a massa disponível? Página 4

6 5 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 5 Solução: Com o valor da molaridade determinado e a massa do ácido conhecido, podemos calcular o volume da solução a partir da equação (5.2). É necessário, assim, conhecer a massa molar do ácido bórico. Obtida com auxílio de uma tabela periódica, o valor aproximado da massa molecular é 62 g/mol. Arranja-se a equação (5.2), deixando em evidência o volume. V = m Massa molar x M = 62 g mol 2,5 g. 0,5 mol L = 0,0806 L = 80,6 ml Logo, deve ser adicionado solvente até que a solução desejada tenha um volume de 80,6 ml Partes por milhão (ppm) Relação entre uma quantidade muito pequena de soluto dissolvida em quantidade muito grande de solvente. p. p. m = m1 m2 (mg/kg) (5.4) Título, Porcentagem em massa (t) Quociente entre a massa do soluto e da solução. Sua resposta é dada em porcentagem. Página 5

7 6 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 5 t = m1 m ou t = m1 m1+m2 (5.5) Exemplo 5.2: Em 200g de solução alcoólica de fenolftaleína contendo 8,0% em massa de soluto. Qual a massa de fenolftaleína, em gramas, contida na solução? Solução: Para resolver esse problema, aplica-se a equação (5.5), evidenciando a massa do soluto, sendo nosso a grandeza que queremos determinar. m1 = t x m = 0, g = 16 g g. A massa de fenolftaleína na solução alcoólica é de Título, Porcentagem em volume (tv) Quociente entre o volume do soluto da solução. Sua resposta é dada em porcentagem. t V = v1 v (5.6) Exemplo 5.3: Na cidade de São Paulo (SP), por exemplo, a qualidade do ar é considerada inadequada se o teor de monóxido de carbono (CO) atingir 15 ppm (V/V). Nessa Página 6

8 7 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 5 situação, qual é o volume de CO existente em cada metro cúbico de ar? Solução: O ppm é uma forma de expressar uma concentração qualquer. Quando se trata de gases é normal representá-los pela equação (5.6), sendo o valor do título em ppm (10-6 ). Logo a equação rearranjada, fica da seguinte forma: 15x10 6 = v1 1m 3 Para calcular o volume de CO basta evidenciar v1. v1 = 15x m 3 = 15x10 6 m³ = 15 cm³ Portanto, para cada metro cúbico de ar, 15 cm³ são de monóxido de carbono. Outra forma de compreender o problema é expressar o volume em outra unidade. Logo, em 1000 L (1 m³) de ar, 15 ml (15 cm³) são de CO Normalidade (N) Relação entre o número de equivalente-grama do soluto pelo volume da solução. Página 7

9 8 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 5 N = Número de equivalente grama (ne) Volume (V) (5.7) ne = Massa (m1) Equivalente grama (E) (5.8) E = Massa molar (MM) X (5.9) O X representa para: Os ácidos, o número de hidrogênios ionizáveis; As bases, o número de hidróxidos; Os sais, o total de valência dos cátions ou ânions; Os óxidos, o total de valência do elemento combinado com oxigênio, etc. Exemplo 5.4: Qual a massa de ácido sulfúrico (H2SO4) contida em 80 ml de sua solução 0,1 N? Solução: Para calcular a massa do ácido em questão, primeiramente, combinam-se as equações (5.7), (5.8) e (5.9). N = m1. X MM. V Página 8

10 9 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 5 Deixando a massa em evidência, obtemos a seguinte equação: m1 = N. MM. V X Com a normalidade e volume da solução conhecidos, resta apenas os valores da massa molar e do X. Com o auxílio de uma tabela periódica, obtêm-se o valor de 98 g/mol para a massa molecular do ácido sulfúrico. O valor de X requer uma análise equação de ionização do ácido. H 2 SO 4 2H + + (SO 4 ) 2 Chega-se a conclusão de que dois íons de hidrogênio são ionizados para cada molécula de ácido sulfúrico. Logo, o valor de X é 2. m1 = 0,1 mol L g. 98 mol 2. 0,08 L = 0,392 g Portanto, a massa de ácido sulfúrico na solução é de 0,392 g Densidade (d) A densidade da solução relaciona a massa como volume da própria solução. Ela indica a massa da solução correspondente a uma unidade de volume (por exemplo: 1 Página 9

11 10 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 5 mililitro). A densidade da solução não é uma forma de expressar a concentração da solução. d = m V ( g ml ) (5.10) 5.2. Diluição Diluir uma solução, significa adicionar a ela uma porção do próprio solvente puro. Nesse procedimento o volume e a concentração das soluções são variáveis, no entanto, a quantidade de soluto permanece constante. Em relação à Concentração comum: Ci Vi = Cf Vf (5.11) Em relação à Molaridade: Em relação ao Título: Mi Vi = Mf Vf (5.12) ti Mi = tf Mf (5.13) Página 10

12 11 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO Mistura de Soluções Se não ocorrer reação química, podem-se ter dois tipos de misturas: Solutos e solventes iguais Solução A + Solução B = Solução Final CA. VA + CB. VB = Cf(VA + VB) (5.14) Solutos diferentes e solventes iguais Ocorre a diluição dos dois solutos. Concentrações finais dos solutos serão menores que as iniciais. As quantidades permanecem constantes, porém eles estarão dispersos num volume maior Solubilidade A dissolução de uma substância depende de inúmeros fatores, entre eles, da polaridade das moléculas e de suas ligações. De um modo geral, os solventes polares dissolvem melhor solutos também polares, do mesmo modo que os solutos apolares se dissolvem melhor solventes apolares, ou seja: Semelhante dissolve semelhante. Página 11

13 12 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO Fenômenos de saturação Em função do ponto de saturação, classificamos as soluções em: Não-saturadas (ou insaturadas): Contém uma quantidade de soluto inferior ao coeficiente de solubilidade, numa dada quantidade de solvente, a uma determinada temperatura. Saturadas: Contém uma quantidade de soluto igual ao coeficiente de solubilidade, numa dada quantidade de solvente, a uma determinada temperatura. Supersaturadas: Contém a quantidade de soluto superior ao coeficiente de solubilidade, numa dada quantidade de solvente, a uma determinada temperatura inicial. Após o aquecimento da solução, o corpo de fundo se solubiliza, deixando a solução supersaturada Coeficiente de solubilidade Adicionando gradativamente um determinado soluto em um solvente, à pressão e temperatura constante e sob agitação contínua, verifica-se que, em dado momento o soluto não se dissolve mais. A partir deste ponto, qualquer quantidade adicional de soluto precipitará. Dizemos, então, que a solução atingiu seu coeficiente ou grau de solubilidade. Página 12

14 13 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO Curva de solubilidade São gráficos que apresentam a variação dos coeficientes de solubilidade das substâncias em função da temperatura. Figura 5.1 Curva de solubilidade do nitrato de prata em água. Fonte: FELTRE, Ricardo. Química - v ed. - São Paulo: Moderna, Página 13

15 14 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 5 Figura 5.2 Curvas de solubilidade de vários sais em água. Fonte: FELTRE, Ricardo. Química - v ed. - São Paulo: Moderna, Existem diferentes comportamentos de solubilidade em gráficos, porém, para interpretá-los a regra geral resumese a: quem está encima da curva do gráfico está saturado com corpo de fundo, quem está na curva, saturado, e quem está abaixo, insaturado. Página 14

16 15 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 5 EXERCÍCIOS PROPOSTOS Aqui estão questões relacionadas ao capítulo estudado. É importante o esforço para resolver todas as questões. Em caso de dúvidas os monitores do programa estão prontos para lhe ajudar. Bons estudos! 1) O monitoramento da concentração de glicose (C6H12O6) plasmática é um exame clínico importante na medicina preventiva, sendo o diagnóstico considerado normoglicêmico (regular) quando os valores da concentração encontram-se entre 70 e 100mg/dL. Os exames de dois pacientes confirmaram a concentração de glicose em 1,8 x 10-3 mol/l (paciente 1) e 7,2 x 10-3 mol/l (paciente 2). Diante destas informações, o diagnóstico dos pacientes 1 e 2 indica, respectivamente, um quadro: a) hipoglicêmico e hiperglicêmico. b) hipoglicêmico e normoglicêmico. c) normoglicêmico e hiperglicêmico. d) normoglicêmico e hipoglicêmico. e) hiperglicêmico e hipoglicêmico. 2) A concentração de íons fluoreto em uma água de uso doméstico é de 5,0x10-5 mol/litro. Se uma pessoa tomar 3,0 litros dessa água por dia, ao fim de um dia, a massa de fluoreto, em miligramas, que essa pessoa ingeriu é igual a: (Dado: Massa molar de fluoreto = 19,0 g/mol) Página 15

17 16 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 5 3) Uma solução aquosa de ácido sulfúrico (H2SO4), para ser utilizada em baterias de chumbo de veículos automotivos, deve apresentar concentração igual a 4 mol/l. O volume total de uma solução adequada para se utilizar nestas baterias, que pode ser obtido a partir de 500 ml de solução de H2SO4 de concentração 18mol/L é igual a: 4) Misturando-se 20 ml de solução de NaCl, de concentração 6,0mol/L, com 80mL de solução de NaCl, de concentração 2,0 mol/l, são obtidos 100 ml de solução de NaCl, de concentração, em mol/l, igual a quanto? 5) Quatro tubos contêm 20 ml (mililitros) de água cada um. Coloca-se nesses tubos dicromato de potássio (K2Cr2O7) nas seguintes quantidades: Massa de K2Cr2O7 (g) Tubo A 1,0 Tubo B 2,5 Tubo C 5,0 Tubo D 7,0 A solubilidade do sal, a 20 C, é igual a 12,5 g por 100 ml de água. Após agitação, em quais dos tubos coexistem, nessa temperatura, solução saturada e fase sólida? Página 16

18 17 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 5 GABARITO 1) Letra C. 2) 2,85 mg. 3) 2,25 L. 4) 2,8 mol/l. 5) Tubos C e D. Página 17