Prática 04 Determinação Da Massa Molar De Um Líquido Volátil

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT DEPARTAMENTO DE QUÍMICA DQMC Disciplina: Química Geral Experimental QEX0002 Prática 04 Determinação Da Massa Molar De Um Líquido Volátil 1. Introdução Como dito no experimento anterior, gases não possuem forma nem volume definidos, consistindo em uma coleção de partículas (átomos, moléculas, íons elétrons, etc...) cujos movimentos são aproximadamente aleatórios. Quando temos espécies no estado gasoso (tais como vapores, por exemplo), seu estado pode ser definido por três grandezas: Pressão (P), volume (V) e temperatura (T), que são chamadas variáveis de estado. Sendo assim, só é possível saber o estado de gás quando os valores de P, V e T são exatamente conhecidos. Dito isso é importante termos em mente o que significam estas grandezas. 1.1 Transformação dos gases em sistemas fechados Sempre que houver uma alteração em pelo menos uma das três variáveis de estado (P, V, ou T), o gás em questão terá suas propriedades alteradas ou sofrerá uma mudança de estado. A rigor, nosso objeto de estudo restringe-se às transformações gasosas em sistemas fechados. Transformação isotérmica (Temperatura constante) Boyle-Mariotte: A relação entre a pressão e o volume de um gás, a temperatura constante, é expressa pela Lei de A temperatura constante, uma determinada massa de gás ocupa um volume inversamente proporcional a sua pressão. Desta forma, é importante observar ainda que, qualquer que seja a transformação gasosa, os estados inicial e final do gás são iguais. Assim, para este caso, é válida a relação expressa pela equação 1 abaixo: P i V i = P f V f (1) Transformação isobárica (Pressão constante) A relação entre o volume e a temperatura de um gás, a pressão constante, é expressa pela 1ª Lei de Charles e Gay-Lussac:

2 A pressão constante, o volume ocupado por uma massa de gás é diretamente proporcional a sua temperatura absoluta. Assim, para este caso, é válida a relação expressa pela equação 2 abaixo: V i T i = V f T f (2) Transformação isovolumétrica (Volume constante) Este tipo de transformação é também chamada de isométrica ou isocórica. A relação entre a pressão e a temperatura de um gás, a volume constante, é expressa pela 2ª Lei de Charles e Gay-Lussac: A volume constante, a pressão exercida por uma massa de gás é diretamente proporcional à sua temperatura absoluta. Assim, para este caso, é válida a relação expressa pela equação 3 abaixo: P i T i = P f T f (3) No caso de uma transformação gasosa ocorrer simultaneamente com a variação de pressão, volume e temperatura a Lei de Boyle-Mariotte e ambas as Leis de Charles/Gay-Lussac podem ser combinadas nos fornecendo uma relação que é conhecida equação geral dos gases. A equação 4 a seguir ilustra sua representação matemática: P i V i T i = P fv f T f (4) 1.2 A Lei de Avogadro e o Volume Molar Amadeo Avogadro ( ) foi advogado e físico italiano, sendo um dos primeiros cientistas a distinguir átomos e moléculas. Em 1811, trabalhando com gases, ele observou certa regularidade que não pôde provar na época por falta de instrumentos precisos, e que, por isso, ficou conhecida como Hipótese de Avogadro. Hoje esta hipótese pode ser comprovada experimentalmente e é reconhecida como Lei. Volumes iguais de gases diferentes nas mesmas condições de temperatura e pressão contêm o mesmo número de moléculas.

3 Como o volume de um gás depende da pressão e da temperatura em que o gás se encontra, só faz sentido falarmos em um volume determinado se antes fixarmos os valores de P e T. Para os químicos, há certo valor de P e T de interesse particular. Esse conjunto é então denominado condições normais de temperatura e pressão (CNTP). CNTP T = 273,15 K = 0 o C P = Pa = 1,0 atm = 760 mmhg Nestas condições específicas, constata-se experimentalmente que o volume ocupado por 1,0 mol de moléculas de qualquer gás é, em média, 22,4138 L ou, aproximadamente 22,4 L. A Tabela 1 abaixo ilustra alguns exemplos típicos: Tabela 1. Alguns valores de volume molar para gases selecionados. Gás Fórmula Massa (g mol -1 ) Volume molar (CNTP) Metano CH 4 16 g 22,377 L Oxigênio O 2 32 g 22,392 L Hélio He 4 g 22,396 L Nitrogênio N 2 28 g 22,403 L Hidrogênio H 2 2 g 22,432 L 1.3A Equação de Clapeyron Benoît Clapeyron ( ) foi um engenheiro e físico-químico francês considerado um dos fundadores da termodinâmica. Sua principal contribuição no campo da química foi, baseado em experimentos, propor uma equação que relaciona as três variáveis de estado de um gás (P, V e T) e um dado número de mols deste gás em questão. Na prática, a equação de Clapeyron resume as leis experimentais de Boyle-Mariotte, Charles, Gay-Lussac e a hipótese de Avogadro. A equação de Clapeyron (5) ou equação dos gases ideais é então comumente expressa da seguinte forma: PV = nrt (5) Onde P é a pressão, V é o volume, n é o número de mols e T é a temperatura do gás em questão. R e então descrito como a constante universal dos gases ideais e seu valor numérico é dependente das unidades das demais grandezas envolvidas no estudo em questão. Alguns valores comuns são: 8,314 J mol -1 K -1 0,0821 atm L mol -1 K -1 62,36 mmhg L mol -1 K -1 62,36 Torr L mol -1 K -1

4 Vale lembrar ainda que o número de mols de uma substância (n) é a razão entre a massa desta referida quantidade de substância (m) e sua massa molar (M) (equação abaixo): n = m M (6) Como iremos trabalhar com o vapor de uma substância volátil encerrada em um recipiente fechado no sentido de determinarmos experimentalmente sua massa molar, a equação (6) pode ser combinada com a equação (5) fornecendo então a seguinte expressão (7): M = mrt PV (7) 2. Objetivos Determinar a massa molar de um líquido volátil de composição centesimal conhecida utilizando a equação de estado dos gases ideais. 3. Pré-laboratório a) Defina massa molar. b) Qual a diferença entre fórmula centesimal, fórmula mínima e fórmula molecular? c) Defina líquido volátil e gás ideal. d) Uma amostra de CO 2 ocupa um volume de 34,0 L a 28ºC e 946 mmhg. Qual é o volume que este gás ocuparia na CNTP? e) Supondo que 5,00 g de O 2 a 35º C é encerrado em um recipiente com a capacidade de 6,00 L. Considerando o comportamento do gás como ideal, calcule a pressão do oxigênio em atm. f) A anilina é um composto orgânico utilizado para fabricar uma ampla variedade de produtos químicos tais como poliuretano, pigmentos e corantes sintéticos, herbicidas e explosivos. Sua fórmula molecular é C 6 H 7 N. Calcule a fórmula centesimal deste composto. g) A azidotimidina ou AZT é um fármaco utilizado com antirretroviral indicado para o tratamento de pacientes contaminados com o vírus HIV. Sua fórmula centesimal é C 44,94% H 4,90% N 26,21% O 23,95%. Com base nesta informação calcule sua fórmula molecular. h) A glicose é um dos carboidratos mais importantes na biologia e tem como fórmula centesimal a seguinte composição: C 40,00% H 6,71% O 53,29%. Calcule sua massa molar.

5 4. Materiais e Métodos 4.1 Materiais 01 béquer de 600 ml 01 Proveta de 100 ml 01 Balão de fundo redondo 100 ml Papel alumínio 01 Vidro relógio Placa de aquecimento com termo sensor 01 Proveta de 250 ml 4.2 Reagentes Líquidos voláteis de composição centesimal conhecida fornecidos pelo professor. 4.3 Procedimento Experimental (abaixo): Para que o experimento possa ser realizado, um aparato deve ser montado segundo a Figura 1 Figura 1. Esquema de montagem do experimento para determinação da massa molar de um vapor. Corte um quadrado de papel alumino com aproximadamente três centímetros de lado. Com o auxílio de um palito de dente faça um pequeno furo no centro. Utilize este papel alumínio para tampar a boca do balão de fundo redondo de 100 ml. Em seguida, pese conjunto (balão + papel alumínio). Pipete 4,0 ml do líquido volátil desconhecido colocando-o dentro do balão. Recoloque a tampa de papel alumínio firmando-a bem. Insira o balão tampado em um béquer de 600 ml e, com o auxilio de uma proveta, adicionar ao béquer 100 ml de água constituindo então um banho-maria. Em seguida, ligue a placa de aquecimento e ajuste a temperatura em 70 o C. O aquecimento deve ser mantido até que se perceba que o líquido volátil dentro do balão esteja na fase vapor. Neste instante a temperatura registrada. Aguarde 3 minutos e então remova o balão do banho e deixe-o esfriar. Seque-o com cuidado e então, quando o conjunto estiver à temperatura ambiente, pese-o. Ao fim, lave o balão e encha-o com

6 água até a boca até a capacidade total do mesmo. Verta a água em uma proveta de 250 ml e anote o volume obtido. Tabela de dados: Fórmula centesimal do líquido utilizado (%) Fórmula mínima calculada Massa de líquido restante no balão ao final do experimento Temperatura do banho-maria na total evaporação de líquido (K) Pressão atmosférica do dia (atm) Volume do balão (L) 5. Resultados e Questionário Com base nas observações feitas responda as seguintes questões: a) Determine a fórmula mínima da amostra de líquido volátil empregada no experimento. b) Calcule a massa molar experimental do líquido volátil empregado no experimento. c) Calcule o erro absoluto e relativo do valor encontrado. d) Por que é necessária a utilização de um líquido volátil no experimento? e) Explique por que a quantidade de líquido cuja massa molar deseja-se determinar não necessita ser estritamente conhecida. f) Considerando o procedimento indicado, pode-se usar tolueno como um líquido que se deseja determinar a massa molar ºC? g) Determinou-se através de uma experiência semelhante à realizada que a massa molar do metano é igual 15,03 g mol -1. Calcule o erro absoluto e o erro percentual desta medida. h) A fórmula molecular da cafeína é C 8 H 10 O 2 N 4. Em uma amostra com 0,150 mols de cafeína, quantos mols de átomos de O, H, C e N estão presentes?