Produto de Solubilidade

Produto de Solubilidade Hidróxido de Cálcio Rui Pedro Lousa das Neves Bioquímica Grupo 3 Coimbra 31 /3/99

Introdução Este trabalho prático destina-se ao estudo do produto de solubilidade do hidróxido de cálcio. Pretende-se verificar se este é ou não constante quando, a uma mesma temperatura, é alterada a concentração de uma das espécies iónicas envolvidas (parte 1 do trabalho ) e qual se se verifica algum efeito de força iónica quando se adiciona um outro sal ( parte 2 do trabalho ). Cálculos Preparação de soluções Solução de Hidróxido de Sódio - NaOH: M (KOH) = 39,80 g/mol Concentração C pretendida = 0,1 M Volume v = 250 ml n = C. v n = 0,025 mol m = n. M m = 0,995 g Solução de Ácido Clorídrico - HCl M (HCl) = 36,50 g/mol 35,5%(m/m) ρ = 1,190 g.cm -3 Concentração C pretendida = 0,1 M Volume v = 200 ml n = C. v n = 0,02 mol m = n. M m = 0,73 g massa c/ impurezas = m / grau de pureza = 2,06 g v = m / ρ = 1,73 ml

Solução de KHC 8 O 4 H 4 para aferição de 15 ml de NaOH NaOH Volume (v) a aferir = 15 ml Concentração C 0,1 M n = C. v n = 1,5 x 10-3 mol KHC 8 O 4 H 4 Como n(naoh) = n(khc 8 O 4 H 4 ) M (KHC 8 O 4 H 4 ) = 204,2 g/mol n requeridos = 1,5 x 10-3 mol m = n / M m = 0,3063 g Aferição da solução de NaOH com KHC 8 O 4 H 4 Massa (m) de KHC 8 O 4 H 4 medida = 0,308 g M (KHC 8 O 4 H 4 ) = 204,2 g/mol n = m / M n =1,51 x 10-3 mol Volume (v) de NaOH gasto = 15,6 ml C = n / v C = 0,0967 M Titulação da solução de HCl com NaOH A titulação é neste caso necessária porque o volume de HCl requerido é tão pequeno que qualquer imprecisão na sua medida causa variação considerável na concentração da solução. Como é esta a solução que iremos utilizar para a titulação dos iões hidróxido, que afinal é o principal objectivo do nosso trabalho, é importante que a concentração da solução de HCl seja perfeitamente conhecida. Volume (v) de NaOH gasto = 15,3 ml Concentração C de NaOH = 0,0967 M n = C. v n = 1,48 x 10-3 mol Volume (v) de HCl titulado = 15,00 ml C = n / v C = 0,0986 M

Preparação das soluções de NaOH (diluições da solução de NaOH inicialmente preparadas) 0,01 M Volume (v) a preparar = 100,0 ml n = C. v n = 0,001mol Concentração C da solução de NaOH inicial = 0,0967 M v = n / C v =10,3 ml Foram medidos 10 ml, por isso a solução apresenta uma concentração de 0,00967 M 0,025 M Volume (v) a preparar = 100,0 ml n = C. v n = 2,5 x 10(-3) mol Concentração C da solução de NaOH inicial = 0,0967 M v = n / C v =25,8 ml Foram medidos 25 ml, por isso a solução apresenta uma concentração de 0,0242 M 0,05 M Volume (v) a preparar = 100,0 ml n = C. v n = 5 x 10(-3) mol Concentração C da solução de NaOH inicial = 0,0967 M v = n / C v =51,7 ml Foram medidos 50 ml, por isso a solução apresenta uma concentração de 0,0484 M

1ª Parte Titulação dos iões OH - presentes numa solução aquosa de NaOH, de várias concentrações, saturada de Ca(OH) 2 [ ] em NaOH Volume de Solução Volume de HCl gasto 1 0 25 ml 10,1 2 0,00967 25 ml 12,1 3 0,0242 25 ml 14,3 4 0,0484 25 ml 16,3 Cálculo do produto de solubilidade Segundo a reacção Ca(OH) 2 Ca 2+ + 2 OH - vemos que em solução saturada, a concentração de iões OH- será dupla da de iões Ca Ainda, pela reacção HCl + OH - Cl - + H 2 O Podemos ver que a estequiometria dos iões OH e do HCl é de 1 para 1 Solução 1 Volume gasto = 10,1 ml n = C. v n = 9,96 x 10-4 mol [ Ca ] = ½ x [ OH] = = 0,0199 M C = n / v C = 0,0398 M = 3,15 x 10-5

Solução 2 Volume gasto = 12,1 ml n = C. v n = 1,19 x 10-3 mol [ Ca ] = ½ x [ OH] = = 0,0190 M C = n / v C = 0,0477 M concentração de OH - provenientes do C = 0,0477 0,00967 = 0,0380 M Solução 3 = = 0,0190. 0,0477 2 = 4,32 x 10-5 Volume gasto = 14,3 ml n = C. v n = 1,41 x 10-3 mol [ Ca ] = ½ x [ OH] = = 0,0161 M C = n / v C = 0,0564 M Concentração do OH - proveniente do C = 0,0564 0,0242 = 0,0322 M Solução 4 = 0,0161. 0,0564 2 = 5,12 x 10-5 Volume gasto = 16,3 ml n = C. v n = 1,61 x 10-3 mol [ Ca ] = ½ x [ OH] = =7,94 x 10-3 M C = n / v C = 0,0642 M Concentração do OH - proveniente do C = 0,0659 0,0484 = 0,0159 M = 0,00794. 0,0642 2 = 3,27 x 10-5

2ª Parte Titulação dos iões OH - presentes numa solução aquosa de NaOH, de várias concentrações, saturada de Ca(OH) 2 e com uma concentração de NaCl de 0,1 M [ ] em NaOH Volume de Solução Massa de NaCl Volume de HCl gasto 1 0 25 ml 0,588 12,0 2 0,00967 25 ml 0,582 13,1 3 0,0242 25 ml 0,588 15,0 4 0,0484 25 ml 0,585 16,4 Cálculo do produto de solubilidade As estequiometrias utilizadas são iguais ás anteriormente apresentas Solução 1 Volume gasto = 12,0 ml n = C. v n = 1,18 x 10-3 mol [ Ca ] = ½ x [OH] = = 0,0236 M C = n / v C = 0,0473 M = 5,30 x 10-5 Solução 2 Volume gasto = 13,1 ml n = C. v n = 1,29 x 10-3 mol [ Ca ] = ½ x [OH] = = 0,0210 M C = n / v C = 0,0517 M Concentração de OH - proveniente do C = 0,0517 0,00967 = 0,0420 M = 0,0210. 0,0517 2 = 5,61 x 10-5

Solução 3 Volume gasto = 15,0 ml n = C. v n = 1,48 x 10-3 mol [ Ca ] = ½ x [OH] = = 0,0175 M C = n / v C = 0,0592 M Concentração de OH - proveniente do C = 0,0592 0,0242 = 0,0350 M = 0,0175. 0,0592 2 = 6,13 x 10-5 Solução 4 Volume gasto = 16,4 ml n = C. v n = 1,62 x 10-3 mol [ Ca ] = ½ x [OH] = = 8,15 x 10-3 M C = n / v C = 0,0647 M Concentração de OH - proveniente do C = 0,0647 0,0484 = 0,0163 M = 0,00815. 0,0647 2 = 3,41 x 10-5

Cálculo do coeficiente de actividade das espécies implicadas Os cálculos seguintes referem-se á determinação do coeficiente de actividade dos iões presentes na solução 1 da 2ª parte do trabalho. Ks =ϒ 1 [ Ca ]. ϒ 2 [OH] 2 [ Na + ] Z Na = 1+ Esta concentração devém toda do NaCl : n = m / M = 0,588 / 58,5 = 0,01 mol C = n / v = 0,01 / (0,025 + 0,012 ) = 0,272 M [ OH - ] Z OH = 1- O nº de moles é igual ao nº de moles de H + presente no titulante : C = n / v = 1,18. 10-3 / (0,025 + 0,012 ) = 0,032 M [ Cl - ] Z Cl = 1- O nº de moles total vem da soma do nº de moles vindo do NaCl e do HCl : C = n / v = ( 0,0986 x 0,012 + 0,01) / (0,025 + 0,012 ) = 0,302 M [ Ca 2+ ] Z Ca = 2+ Como o OH - presente no meio provém apenas do Ca(OH) 2, assim como o Ca 2+, então a concentração deste último será metade da do primeiro. C = 0,032 / 2 = 0,016 M I = ½ Z i 2. C i I = ½ ( 1 x 0,272 + 1 x 0,302 + 1 x 0,032 + 4 x 0,016 ) I = 0,2126 - log ϒ i = 0,51. Z i 2. I ϒ 1 = antilog -(0,51. 4. I ) = = 10-0,51. 4. 0,461 = = 0,115 ϒ 2 = antilog -(0,51. 1. I ) = = 10-0,51. 1. 2,253 = = 0,582 No quadro seguinte estão apresentados os coeficientes de actividade das espécies presentes nas restantes soluções. [ Na + ] [Cl - ] [OH - ] [Ca 2+ ] I ϒ 1 ϒ 2 Solução 2 0,267 0,289 0,034 0,014 0,323 0,0692 0,513 Solução 3 0,266 0,287 0,037 0,0109 0,317 0,0710 0,516 Solução 4 0,271 0,281 0,039 4,92.10-3 0,305 0,0747 0,523

Conclusão Neste quadro estão apresentados todos os produtos de solubilidade calculados anteriormente: Solução 1 Solução 2 Solução 3 Solução 4 Parte 1 3,15 x 10-5 4,32 x 10-5 5,12 x 10-5 3,27 x 10-5 Parte 2 5,30 x 10-5 5,16 x 10-5 6,13 x 10-5 3,41 x 10-5 (2 1) 2,15 x 10-5 8,4 x 10-6 1,01 x 10-5 1,4 x 10-6 Podemos a partir do quadro tirar algumas ilações: 1 - O produto de solubilidade não se manteve constante; 2 - É também observável que os produtos de solubilidade calculados para a 1ª parte são todos inferiores aos seus correspondentes da 2ª parte. Contrariamente ao que se pretendia e se esperava observar, o produto de solubilidade tanto ao longo da 1ª como da 2ª parte do trabalho não se manteve constante. Tal facto leva-nos a pensar que a falta de precisão entre os resultados obtidos se deverá ás titulações realizadas. Durante as várias titulações feitas verificou-se que o ponto de equivalência era atingido um pouco inesperadamente e bastante repentinamente após várias e sucessivas falsas viragens ( a cor da solução não mudava de forma progressiva mas sim repentinamente). A imprecisão surge muito provavelmente pela interpretação do verdadeiro ponto de equivalência como apenas mais uma falsa viragem. Como o produto de solubilidade traduz o grau de dissolução que um determinado composto apresenta numa determinada solução, quanto á segunda observação feita a partir do quadro, podemos dizer que o sal é mais solúvel na solução contendo NaCl para além de NaOH. Tal deve-se á força a que os iões Ca +2 e OH - ficam sujeitos pela presença dos iões Na + e Cl - em solução. A esta força chamamos força iónica e podemos dizer que é devida á presença de iões de outra espécie em solução que reforçam a acção de solvatação feita pela água. A acção desta aparece aproximadamente quantificada no quadro a cima apresentado na linha 2-1. Ainda referente a essa força, fomos calcular os coeficientes de actividade dos iões em causa nas soluções da segunda parte do trabalho: Solução 1 Solução 2 Solução 3 Solução 4 ϒ 1 0,115 0,0692 0,0710 0,0747 ϒ 2 0,585 0,513 0,516 0,523

Quanto a estes resultados oferece-nos dizer que os valores obtidos para ϒ 1 são um pouco inferiores aos esperados no entanto os obtidos para ϒ 2 parecem-nos perfeitamente aceitáveis. É de notar também que exceptuando os valores da solução 1, a um aumento da concentração das espécies em solução corresponde um aumento do coeficiente da actividade. Tal já seria de esperar visto que para um mesmo Ks quanto maiores forem os coeficientes, menores serão as concentrações das espécies provenientes apenas da dissociação do sal. De resto, ao longo do trabalho verificámos que embora a constante produto de solubilidade vá apresentando uma variação não uniforme ( nem sempre decrescente nem sempre crescente) a solubilidade do sal vai diminuindo de solução em solução em cada parte do trabalho. Tal fica bem expresso pela concentração de Ca 2+ no meio que decresce com o aumento da presença de iões OH - em solução e é devido ao chamado efeito do ião comum que faz deslocar o equilíbrio que tínhamos inicialmente, sem NaOH em solução, para o lado dos reagentes: Ca(OH) 2. Estes foram os resultados obtidos pelos outros grupos para o produto de solubilidade do Ca(OH) 2 referente á 1ª solução da 1ª parte do trabalho. Grupo2 Grupo 3 Grupo 4 Grupo 7 Grupo 10 Valor tabelado 9,9 x 10-7 3,16 x 10-5 2,05 x 10-5 4,26 x 10-5 1,1 x 10-4 8,0 x 10-6 Antes de qualquer apreciação dos valores apresentados neste quadro é bom salientar que o valor tabelado é o Ks do hidróxido de cálcio para uma temperatura de 25º C, e o nosso trabalho foi realizado a 19º C. Como na generalidade os sais são mais solúveis a temperaturas mais elevadas, o produto de solubilidade deste sal a 19º C será um pouco inferior ao valor tabelado apresentado. Quanto a estes resultados, podemos dizer que apenas o do grupo 10 e talvez o do grupo 2 se distanciem um pouco demais do valor tomado como verdadeiro ( mas é bom ter em conta que estamos a falar de valores na ordem dos 10-5 e 10-6 e o que á primeira vista pode parecer muito distanciado, pode afinal não o ser ). No geral posso afirmar que o trabalho realizado pelo meu grupo foi satisfatório embora ao ver os valores de Ks obtidos ache que, com um pouco mais de calma e atenção na realização das titulações, podíamos ter obtido valores mais exactos. Bibliografia Chang, Raymond, Química, McGraw-Hill, 1994 5