Universidade Fernando Pessoa Faculdade de Ciências e Tecnologia Química Geral Estudo de alguns factores que afectam o equilíbrio de precipitação. Efeito da diluição no equilíbrio entre o PbCl₂ sólido e uma solução saturada dos seus iões Docente: Dulce Gomes Engenharia do Ambiente (2º Ano) Turma EPQ Data de entrega do relatório: 21-04-2009. Relatório elaborado em 15-04-2009 pelo grupo 2, constituído pelos alunos: André Andrade nº 18990 Assinatura: Pedro Sousa nº 19013 Assinatura: Filipe Pereira nº 18931 Assinatura:
Índice 1.Resumo... 3 2.Introdução... 3 3.Materiais e Métodos... 5 4.Resultados Experimentais... 7 5.Discussão dos Resultados... 9 6.Conclusões... 11 7.Bibliografia... 12 Apêndice... 13 2
1.Resumo Equilíbrios de precipitação de substâncias pouco solúveis são frequentemente observados quer em processos industriais, quer no nosso quotidiano. Surgiu por isso a necessidade de uma análise quantitativa dos equilíbrios de solubilidade, ou seja, da previsão das quantidades que se dissolvem em determinadas condições. Constataram-se diferenças na reacção de nitrato de chumbo com cloreto de sódio e na diluição desta mistura, essencialmente em termos de solubilidade das soluções e da formação ou não de precipitados. Com a realização do trabalho experimental objecto deste relatório, podemos concluir que as observações registadas durante a execução do trabalho corresponderam às previsões do que era suposto acontecer. 2.Introdução A elaboração do trabalho experimental objecto deste relatório consistiu numa primeira fase na reacção de nitrato de chumbo (Pb(NO₃)) com cloreto de sódio (NaCl), observando-se a formação ou não de um precipitado, e numa segunda fase procedeu-se à diluição da solução formada anteriormente, observando-se o efeito que essa diluição provoca no equilíbrio da mesma. Os principais objectivos da realização deste trabalho são: identificação de alguns factores que alteram a solubilidade de uma solução; estudo do efeito da diluição no equilíbrio entre o PbCl₂ sólido (sal) e uma solução saturada dos seus iões; relacionar o quociente de reacção (χ) com a formação ou não de um precipitado, através da sua comparação com o produto de solubilidade (Kps); relacionar os valores do quociente de reacção com a extensão das reacções químicas realizadas no trabalho experimental. Como foi referido anteriormente, em primeiro lugar reagiu-se nitrato de chumbo (Pb(NO₃)) com cloreto de sódio (NaCl), verificando-se se esta reacção se trata de uma reacção de precipitação, ou seja, se ocorre a formação de um produto insolúvel, denominado de precipitado. A solubilidade de um composto, que se define como o limite que uma dada substância se consegue dissolver num determinado solvente a uma 3
dada temperatura, é geralmente indicada pelo valor do seu produto de solubilidade (Kps), e quanto menor for o valor de Kps menos solúvel é o composto (e-escola) Então, tendo em conta a quantidade de soluto dissolvido num determinado solvente e a solubilidade deste, podemos classificar as soluções em (e-escola): soluções saturadas: aquela que contém a quantidade máxima de soluto que é capaz de se dissolver; soluções insaturadas: aquela que contém menos soluto do que aquele que é capaz de se dissolver; soluções sobressaturadas: aquela que contém uma quantidade maior de soluto do que aquela que se consegue dissolver. Mas para se prever se na mistura de duas soluções forma-se ou não um precipitado é necessário recorrer ao cálculo do quociente de reacção (χ), que por comparação com o produto de solubilidade irá permitir prever o que deveria ocorrer. O cálculo do quociente de reacção efectua-se através do produto das concentrações dos iões do precipitado formado, elevados aos respectivos coeficientes estequiométricos. Deste modo, é possível avaliar se um determinado sistema se encontra ou não numa situação de equilíbrio e prever a sua evolução. Surgem então três situações distintas: χ < Kps, significa que estamos em presença de uma solução não saturada ou insaturada, isto é, não houve formação de um precipitado; χ = Kps, significa que estamos em presença de uma solução saturada, ou seja, atingiu-se o limite máximo de dissolução, não havendo precipitação; χ > Kps, significa que estamos em presença de uma solução sobressaturada, ou seja, não é possível dissolver mais soluto e há formação de precipitado. Mas nem só para prever se uma mistura de soluções forma ou não um precipitado é necessário o cálculo do quociente de reacção. O quociente de reacção por comparação com o produto de solubilidade irá permitir também determinar qual a extensão das reacções químicas que estão a ocorrer e qual o sentido dominante da progressão das mesmas. Podem então surgir três situações distintas (TP Unidade 1): χ < Kps, o sistema não está em equilíbrio e a reacção vai evoluir no sentido directo, consumindo-se reagentes e formando-se produtos, até que χ = Kps. 4
χ = Kps, o sistema está em equilíbrio. χ > Kps, o sistema não está em equilíbrio e a reacção vai evoluir no sentido inverso, consumindo-se produtos e formando-se reagentes, até que χ = Kps. Deve ainda referir-se que existem vários factores que podem afectar o equilíbrio químico de uma reacção e consequentemente o seu equilíbrio de precipitação, sendo que neste relatório irá ser estudado essencialmente o efeito que uma diluição, e a consequente diminuição da concentração das espécies envolvidas, provoca no equilíbrio de precipitação. Outros factores que afectam o equilíbrio de precipitação como o efeito do ião comum, a variação do ph das soluções ou a influência dos equilíbrios de complexação não se aplicam ao trabalho experimental objecto deste relatório. Até mesmo a temperatura, que é um dos mais importantes factores que podem afectar o equilíbrio de precipitação, não é tida em conta, porque como não é conhecida considerase que ambas as soluções (de nitrato de chumbo e cloreto de sódio) estavam à mesma temperatura e que após a sua mistura esta se manteve (Atkins, 2006, p.345) Em suma, a realização do trabalho experimental objecto deste relatório é de grande importância, porque equilíbrios de precipitação são frequentemente observados no nosso quotidiano e as reacções de precipitação são muito úteis em aplicações industriais e científicas pelo facto de através destas reacções ser produzido um sólido que pode ser removido da solução por filtração, decantação ou centrifugação (Atkins, 2006, p.324). 3.Materiais e Métodos Reagentes e Material Água desionisada Solução aquosa de nitrato de chumbo 0.5 M: 15 ml Solução aquosa de cloreto de sódio 0.5 M: 15 ml Gobelés de 250 ml: 1 Pipetas graduadas de 5.0 ml: 2 Varetas de vidro: 1 5
Procedimento experimental 1.Medir com uma pipeta graduada 5,0 ml de solução aquosa de nitrato de chumbo 0,5 M e transferi-la para um gobelé. 3.Observar, registar e escrever a equação química que traduz as alterações que se observam. 2.Medir com uma pipeta graduada 5,0 ml de solução aquosa de cloreto de sódio 0,5 M e juntá-la ao conteúdo do mesmo gobelé. 4.Adicionar água destilada ao gobelé de modo a diluir o conteúdo até que o volume da mistura perfaça cerca de 150 ml. 5.Agitar, observar e registar. 6
4.Resultados Experimentais Tabela 1: Tabela com as equações químicas que representam as reacções ocorridas e com as observações registadas durante a execução do trabalho. Reacção ocorrida Equação química Observações 1) Nitrato de Chumbo 0.5 M (5,0 ml) + Cloreto de Sódio 0.5 M (5,0 ml) 2) Nitrato de Chumbo 0.5 M (5,0 ml) + Cloreto de Sódio 0.5 M (5,0 ml) + Água (140 ml) Pb(NO₃)₂ (aq) + 2NaCl (aq) PbCl₂ (s) + 2NaNO₃ (aq) Inicialmente surgiu uma cor branca por toda a mistura, mas após algum tempo, formou-se um precipitado da mesma cor no fundo do gobelé. Ao adicionar água e agitar a solução, o precipitado que se tinha formado anteriormente dissolveu-se, formando-se uma mistura homogénea. Tabela 2: Escrita das semi-equações da equação química 1) Reagentes Produtos (I) Pb(NO₃)₂ (aq) Pb²+ (aq) + 2NO₃ (aq) (III) PbCl₂ (s) Pb²+ (aq) + 2Cl (aq) (II) NaCl (aq) Na+ (aq) + Cl (aq) (IV) NaNO₃ (aq) Na+ (aq) + NO₃ (aq) Observações da reacção do nitrato de chumbo com cloreto de sódio Figura 1: Formação de precipitado de PbCl₂ e arranjo das moléculas intervenientes na sua formação. 7
Observações da diluição da mistura formada Figura 2: Solução diluída da mistura formada, com a respectiva dissolução do precipitado. Através da equação química da reacção 1), identificamos o cloreto de chumbo (PbCl₂) como sendo o precipitado formado e consideramos como valor de referência para o seu produto de solubilidade: Kps = 1,7 x 10 ⁵ (25º C) (Trabalho experimental nº 7). Cálculo do quociente de reacção logo após a mistura das soluções de nitrato de chumbo e de cloreto de sódio Em primeiro lugar é necessário calcular o número de moles de nitrato de chumbo (Pb(NO₃)₂) e de cloreto de sódio (NaCl), sabendo que ambos possuem uma concentração de 0,5 M e que foram gastos 5,00 ml de cada uma das soluções. Obtém-se então o mesmo número de moles para ambas as soluções, de 0,0025 mol (1) [Cálculos realizados em apêndice]. Posteriormente e pela estequiometria das semi-equações (I) e (II) sabe-se que o número de moles de NaCl é igual ao número de moles do ião Cl e que o número de moles de Pb(NO₃)₂ é igual ao número de moles do ião Pb²+. Sendo assim, o número de moles de Cl é de 0,0025 M e o número de moles de Pb²+ é de 0,0025 M. Com o número de moles de Pb²+ e Cl calculou-se a concentração destes iões na mistura das soluções de nitrato de chumbo e cloreto de sódio, possuindo esta um volume de 10 ml, resultante da soma de volumes das duas soluções. Obteve-se desta forma uma concentração de 0,25 M tanto para o Pb²+ como para o Cl (2). Após o cálculo das concentrações de Pb²+ e Cl, e pela estequiometria da semi-equação (III) sabe-se que a concentração de Pb²+ mantém-se inalterada, com uma concentração 8
de 0,25 M, mas a concentração de Cl é o dobro da concentração calculada no passo anterior, passando para 0,5 M. Por fim calculou-se o quociente da reacção (χ), através da concentração dos iões Pb²+ e Cl elevados aos seus coeficientes estequiométricos, obtendo-se um quociente de reacção igual a 0,0625 (3). Cálculo do quociente de reacção após a diluição Ao efectuar-se uma diluição, a quantidade de solvente (água) aumenta, mas a quantidade de soluto permanece constante. Sendo assim, o número de moles de soluto antes da diluição é igual ao número de moles de soluto no final da diluição, sabendo-se desta forma que o número de moles de Pb²+ é de 0,0025 mol, e o número de moles de Cl é também de 0,0025 mol. Através do número de moles de Pb²+ e Cl e sabendo que ao efectuar a diluição o volume total da mistura aumentou para 150 ml, calculamos as concentrações de Pb²+ e Cl após a diluição. Realizando os cálculos (4), obteve-se a mesma concentração para ambas as espécies químicas, sendo esta de 0,0167 M. Após o cálculo das concentrações de Pb²+ e Cl, e pela estequiometria da semi-equação (III) sabe-se que a concentração de Pb²+ mantém-se inalterada, com uma concentração de 0,0167 M, mas a concentração de Cl é o dobro da concentração calculada no passo anterior, passando para 0,0334 M. Por fim calculou-se o quociente da reacção (χ), através da concentração dos iões Pb²+ e Cl elevados aos seus coeficientes estequiométricos, obtendo-se um quociente de reacção igual a 1,86 10 M (5). 5.Discussão dos Resultados Numa primeira fase do trabalho experimental objecto deste relatório, ao reagir-se nitrato de chumbo (Pb(NO₃)₂) com cloreto de sódio (NaCl), ocorreu uma reacção de precipitação, obtendo-se como produtos de reacção um precipitado, o cloreto de chumbo (PbCl₂) e o nitrato de sódio (NaNO₃). Devido à formação de um precipitado, podemos então designar esta solução formada como sendo uma mistura heterogénea, pois apresenta uma fase líquida e uma fase sólida (Chang, 2005 p.138-139). Os iões que dão origem ao nitrato de sódio, o Na+ e o NO₃, como não participam na reacção de precipitação, apenas mantendo-se em solução, são considerados iões 9
espectadores. Já o PbCl₂, o precipitado formado, surge devido ao facto de a concentração de iões Pb²+ e Cl aumentar durante a mistura de nitrato de chumbo e cloreto de sódio, levando a que as colisões entre si sejam mais frequentes e originando a formação do precipitado (Dean, 1999 p. 323). Este precipitado, PbCl₂, é um sal simples, isto é, um composto iónico constituído por um único tipo de catião (Pb²+) e um único tipo de anião (Cl ), e é uma excepção de um cloreto que não é solúvel em água. A baixa solubilidade do PbCl₂, é também demonstrada pelo seu baixo valor de Kps (1,7*10 ⁵) (Dean, 1999 p. 326). Observa-se então que pelo facto de ter ocorrido uma reacção de precipitação encontramo-nos na presença de uma solução sobressaturada, onde não é possível dissolver mais soluto, formando-se um precipitado, o que é também indicado pelo facto do valor de coeficiente de reacção logo após a mistura das soluções de nitrato de chumbo e de cloreto de sódio (0,0625) ter sido superior ao valor de Kps do cloreto de chumbo (1,75*10 ⁵). Quanto à extensão da reacção ocorrida, e tendo em conta o facto do valor de χ ser superior ao valor de Kps, esta não se encontra em equilíbrio, deslocando-se a reacção no sentido inverso. Na segunda fase do trabalho experimental objecto deste relatório procedeu-se à diluição da solução preparada inicialmente, com a adição de água como solvente. Ao adicionarmos bastante água para diluir a solução que contém o precipitado, a energia envolvida nas interacções que mantêm os iões de Pb²+ e Cl juntos diminui, de tal forma que esta energia passa a ser menor que a energia envolvida nas interacções entre a água e o PbCl₂. Desta forma, o PbCl₂ é quebrado em iões que são atraídos pelas moléculas de água, diluindo-se na solução e tornando esta numa solução homogénea. (Atkins, 2006 p. 499) Ora, ao diluir-se a solução, a energia que mantêm os iões de Pb²+ e Cl juntos diminui, mas também a sua concentração vai diminuir bruscamente, levando a que consequentemente o coeficiente de reacção após a diluição também diminua (1,86*10 ⁵). Sendo o coeficiente de reacção após a diluição um valor inferior ao valor de Kps do cloreto de chumbo (1,7*10 ⁵), leva a que, tal como antes da diluição, a reacção ocorrida não se encontre em equilíbrio, mas ao contrário desta, a reacção desloca-se no sentido directo, até que um estado de equilíbrio seja atingido. O facto de o valor de coeficiente de reacção ser inferior mas muito próximo do valor de Kps leva a que, e tal como acontece no trabalho experimental, a solução após ser diluída 10
atinja um limite de saturação (χ = Kps), de forma a atingir um estado de equilíbrio, aumentando assim a sua solubilidade e fazendo com que o precipitado formado se dissolva. Observa-se então que a execução de uma diluição sobre uma solução pode afectar o seu equilíbrio químico e consequentemente o seu equilíbrio de precipitação, essencialmente devido ao facto de as espécies químicas envolvidas diminuírem a sua concentração. Este fenómeno é um fenómeno contrário ao efeito do ião comum que consiste no aumento da concentração de uma das espécies químicas envolvidas, aumentando assim o coeficiente de reacção, deslocando a reacção no sentido inverso e levando à formação de um precipitado. Uma diluição provocou o efeito contrário e fez com que o precipitado formado se dissolvesse (Chang, 2005 p.670-671). 6.Conclusões Com a realização do trabalho experimental objecto deste relatório, podemos concluir que as observações registadas durante a execução do trabalho corresponderam às previsões do que era suposto acontecer, sendo isto demonstrado pela comparação dos valores de coeficiente de reacção e de Kps após a mistura das soluções de nitrato de chumbo e de cloreto de sódio e após a diluição da mesma. Podemos também concluir que o equilíbrio que se estabelece entre dois compostos quando misturados, depende em grande parte da concentração dos iões envolvidos na reacção de precipitação. Por fim, podemos concluir, que a mistura de duas substâncias (neste caso nitrato de chumbo e de cloreto de sódio) em que ocorre a formação de um precipitado, pode através de uma diluição, atingir um limite de saturação, de forma a atingir um estado de equilíbrio, levando a que o precipitado se dissolva. 11
7.Bibliografia Atkins, P. (2006). Physical Chemistry. Oxford, Oxford University Press. Chang, R. (2005). Química. 8ª ed. Madrid, McGraw-Hill Companies. Dean, J. (1999). Lange s Handbook of Chemistry. 15ª ed. Tennessee, McGraw- Hill Companies. Principais Noções de Solubilidade (Química) e-escola. [Em linha]. Disponível em http://www.e-escola.pt/topico.asp?hid=350. [Consultado em 14/04/2009]. TP Unidade1 EquilibrioQuimico.pdf. [Em linha]. Disponível em https://elearning.ufp.pt/access/content/group/b7f774bf-4361-4037-a082-478ceedc158e/teórico-prática/tp_unidade1_equilibrioquimico.pdf. [Consultado em 14/04/2009]. Trabalhos Práticos de Química Geral: Trabalho experimental nº 7. [Em linha]. Disponível em https://elearning.ufp.pt/access/content/group/b7f774bf-4361-4037-a082-478ceedc158e/pr%c3%a1tica/protocolos%20qger%202008-09%20fct.pdf. [Consultado em 14/04/2009]. 12
Apêndice (1) [Pb(NO₃)₂] = 0,5 mol/l ; V(Pb(NO₃)₂) = 5,00 ml = 0,005 L [NaCl] = 0,5 mol/l ; V(NaCl) = 5,00 ml = 0,005 L [Pb(NO₃)₂] = n ( ) V ( ) n ( ) =[Pb(NO₃)₂] V ( ) n ( ) =0,5 mol/l 0,005 L=0,0025 mol [NaCl]= n V n =[NaCl] V n =0,5mol/L 0,005 L=0,0025 mol (2) V =10 ml=0,01 L [Pb ]=n V [Pb ]=0,0025 mol 0,01 L=0,25 mol/l [Cl ]=n V [Cl ]=0,0025 mol 0,01 L=0,25 mol/l (3) χ=[pb ] [Cl ] χ=0,25 M (0,5M) χ=0,0625 (4) V =150 ml=0,15 L [Pb ]=n V [Pb ]=0,0025 mol 0,15 L=0,0167 mol/l [Cl ]=n V [Cl ]=0,0025 mol 0,15 L=0,0167 mol/l (5) χ=[pb ] [Cl ] χ=0,0167 M (0,0334M) χ=1,86 10 13