UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT DEPARTAMENTO DE QUÍMICA DQMC Disciplina: Química Geral Experimental QEX0002 Prática 05 Determinação Da Massa Molar Do Magnésio 1. Introdução O magnésio é um metal alcalino-terroso de cor branco prateado bastante resistente, duro e leve (no seu estado puro é o mais leve de todos os metais conhecidos). Quando pulverizado, pode entrar facilmente em ignição exibindo uma chama branca intensa bastante característica. Por ser bastante reativo, não é encontrado em sua forma elementar na natureza, mas sim ligado a outros elementos químicos principalmente sob a forma de sais e óxidos. O magnésio metálico, assim como os demais metais alcalino-terrosos, reage prontamente com ácidos fortes para gerarem seus respectivos sais junto com a evolução de hidrogênio nascente (H 2(g) ). Esta última propriedade nos será útil no experimento a ser realizado. 1.1 Gases Ideais e Mistura de Gases Para discutir as transformações que ocorrem em um sistema, é necessário definir precisamente suas propriedades antes e depois da transformação. Isto se faz pela especificação do estado do sistema, ou seja, um conjunto particular de condições de pressão (P), temperatura (T), número de mols de cada componente (n) e suas formas físicas (gás, líquido ou sólido). As grandezas P, T e V são chamadas variáveis de estado, pois servem para determinar o estado físico de qualquer sistema em questão. Há alguns casos em que as inter-relações entre funções de estado podem ser expressas sob a forma de uma equação. No caso de um gás ideal, por exemplo, a equação responsável por este fato é a equação de Clapeyron (1): PV = nrt (1) Onde: P é a pressão V é o volume n é o número de mols R é a constante dos gases ideais T é temperatura absoluta Os valores de R (constante universal dos gases ideais) podem variar em função das unidades das outras grandezas dispostas na equação de Clapeyron. 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 Vale lembrar ainda que o número de mols de uma substância (n) é a razão entre a massa desta referida quantidade de substância e sua massa molar: n = m MM (2) Como estaremos trabalhando com a evolução e coleta de um gás em determinadas condições experimentais esta relação entre variáveis será bastante útil durante os cálculos. No caso de uma mistura de gases ideais, cada gás do sistema exercerá uma pressão parcial, P i, que corresponde a pressão do gás como se ele estivesse sozinho no sistema. Segundo a Lei de Dalton para os gases ideais temos: P i = x i. P (3) onde x i é a fração molar do gás na mistura e P é a pressão total da mistura gasosa. A fração molar x i pode ser expressa ainda pela razão entre o número de mols da substância em questão n i e o número de mols total da mistura gasosa n. x i = n i n (4) Por fim, o somatório das pressões parciais (P n ) é definido como a pressão total do sistema (P) segundo a equação (5) a seguir: P = P 1 + P 2 + + P n = P i n i=1 (5) 1.2 Fundamentos de Hidrostática Admita os pontos B e C no interior de uma massa fluida, supondo-a em equilíbrio estático e sujeita à ação da gravidade conforme ilustrado na Figura 1 a seguir: Figura 1. Fluido em equilibro estático sujeito à ação da gravidade.
P B e P C indicam as pressões nos pontos B e C, respectivamente; g é a aceleração da gravidade local; ρ é a massa específica do líquido; e h (h B h C ) é a distância vertical entre os pontos B e C, respectivamente. Desta forma, demostra-se que a diferença de pressão entre os pontos B e C é dado por: P B P C = ρ. g. h ou P B = P C + ρ. g. h (6) A equação (6) é descrita como Lei de Stevin ou Equação Fundamental da Hidrostática, indicando que a pressão depende somente da profundidade abaixo da superfície livre do líquido. A Figura 2 (a seguir) mostra diversos recipientes com diferentes formas e orientações espaciais interconectados, porém a um mesmo ponto de altura h a pressão observada é sempre a mesma não importando em qual terminal ela esteja sendo medida. Figura 2. Verificação do Paradoxo hidrostático ou Princípio de Stevin. O excesso de pressão atmosférica, P P atm denomina-se pressão manométrica, P g, logo: P g = ρ. g. h (7) Desta forma, uma vez que muitos medidores de pressão indicam em relação ao ambiente (a atmosfera em muitos casos), em geral é mais conveniente usar a pressão manométrica. A pressão atmosférica padrão é a pressão média ao nível do mar. A pressão atmosférica local, em qualquer elevação, pode ser medida por um barômetro. O modelo mais comum empregado é o barômetro de mercúrio, com escalas em uma das extremidades, Figura 3. Uma simples balaço de força entre a superfície externa do fluido (P atm ) e a pressão interna no tubo (P vap + ρ.g.h) fornece: P atm = P vap + ρ. g. h (8) onde P vap é a pressão de vapor do fluido em questão.
Figura 3. Um barômetro do séc. XIX (esquerda) e um esquema geral de um barômetro de mercúrio (direita). A pressão absoluta simplesmente envolve a soma da pressão atmosférica com a pressão manométrica: P abs = P atm + ρ. g. h (9) 2. Objetivos Determinar a massa molar do magnésio através da coleta de gás hidrogênio desprendido na sua reação com o ácido sulfúrico. Utilizar conceitos tais como a Lei dos gases ideais, misturas gasosas e princípios de hidrostática para efetuar os cálculos pertinentes. 3. Pré-laboratório a) Defina ácido forte e ácido fraco. b) Um mol de qualquer gás ocupa um volume de 22,4 L nas CNTP. Nestas condições qual o valor da temperatura (T) e pressão (P)? c) Defina pressão parcial de um gás. d) O que você entende por pressão de vapor da água? Por que ela varia com a temperatura? e) Prove que 1 Pa = 1 kg m -1 s -2. f) Demonstre que o valor de R = 62,36 Torr L mol -1 K -1.
4. Materiais e Métodos 4.1 Materiais e reagentes 01 béquer de 600 ml Funil sem haste Gaze 01 Proveta 100 ml Grampeador 01 béquer de 250 ml Régua de pelo menos 20 cm H 2 SO 4 concentrado Mg (s) em fita 4.2 Procedimento Experimental Com o auxílio de uma semi-analítica, pese entre 40 e 80 mg de fita de magnésio. A seguir, coloque a amostra em um pedaço quadrado de gaze e grampeie as bordas para evitar a saída do metal ao mergulha-lo na água. Coloque o conjunto (gaze + Mg) no fundo do béquer de 600 ml e cubra-o com o funil sem haste como indicado na Figura 4. Encha o béquer com água até atingir ¾ de sua capacidade máxima e emborque a proveta de 100 ml totalmente cheia de água não deixando bolhas de ar dentro da mesma. Fixe a proveta verticalmente utilizando uma garra e suporte universal. Depois do sistema montado, adicione lentamente dentro do béquer de 600 ml, 6 ml de ácido sulfúrico concentrado com o auxílio de uma pipeta. Essa adição deve ser feita bem próxima à borda do funil para que o ácido entre rapidamente em contato com o magnésio. Tome cuidado para não introduzir bolhas de ar no sistema. Espere até que todo o metal tenha reagido e agite cuidadosamente o sistema para deslocar eventuais bolhas de hidrogênio retidas no funil. Anote o volume de gás coletado efetuando a leitura na proveta invertida, bem como a temperatura próxima a boca da proveta. Com o auxílio de uma régua meça a altura da coluna de água restante. Figura 4. Esquema de Cheque a pressão atmosférica do dia com o auxílio de um barômetro. montagem do sistema para Depois de efetuadas todas as medidas, lave o material utilizado e deixe a medida do volume de gás bancada organizada. coletado em uma proveta.
5. Resultados e Questionário Complete o quadro abaixo com todos os dados coletados durante o experimento: Massa de magnésio utilizada (g) Volume de H 2 produzido (L) Altura da coluna d água (m) Temperatura da água (K) Pressão Barométrica (mmhg) Densidade da água (kg m -3 ) (vide Tabela 1) Pressão parcial do vapor de água (vide tabela 2) Resultados calculados: Pressão exercida pela coluna d água (Pa) Pressão exercida pela coluna d água (mmhg) Pressão parcial do H 2(g) (mmhg) Volume de H 2(g) na mistura gasosa (L) Massa molar do magnésio encontrada (g mol -1 ) Erro relativo encontrado (%) Composição dos Gases em % molar (H 2 ) Composição dos Gases em % molar (H 2 O) Composição dos Gases em massa (H 2 ) Composição dos Gases em massa (H 2 O) Com base nas observações feitas, dados coletados e resultados calculados responda as seguintes questões: a) Por que ao adicionar o ácido sulfúrico concentrado, este desce através da água e consegue então entrar em contato com a fita de magnésio prensa a gaze? b) Equacione quimicamente a reação observada escrevendo as reações de oxidação, redução bem como a reação global. c) Por que os íons sulfato não são essenciais no momento em que as equações químicas redox são escritas neste caso? d) Dado o esquema ao lado onde um gás foi coletado sobre uma coluna d água de altura h, podemos dizer que a pressão da coluna d água, a pressão do vapor de água e a pressão do gás em questão estão sendo equilibradas por que tipo de pressão? Relacione matematicamente estas quantidades. e) Por que é comum o uso de mercúrio em barômetros e não simplesmente uma coluna d água? Para responder a pergunta calcule em metros, a altura de uma coluna d água equivalente a 760 mmhg a 25 o C.
f) Por que, a partir do volume de H 2 coletado é possível calcular a massa molar do magnésio? Que relação é esta? g) Por que no experimento deve-se determinar a pressão parcial do gás hidrogênio? h) Suponha que 0,157 g de certo gás coletado sobre água ocupe um volume igual a 135 ml a 25 o C e 745 mmhg. Considerando um comportamento ideal, determine a massa molar do gás. ANEXOS Tabela 1. Variação da massa específica (ρ) da água em função da temperatura (T). t ( o C) ρ (kg m -3 ) t ( o C) ρ (kg m -3 ) 0 999,8 40 992,2 4 999,8 50 988,0 5 1000,0 60 983,2 10 1000,0 70 977,8 15 999,7 80 971,8 20 999,1 90 965,3 25 998,2 100 958,4 30 997,0 Tabela 2. Variação da pressão de vapor da água (P H2O ) em função da temperatura (T). t ( o C) P H2O (mmhg) t ( o C) P H2O (mmhg) 0 4,579 30 31,824 2 5,294 35 42,175 4 6,101 40 55,324 6 7,013 45 71,880 8 8,045 50 92,510 10 9,209 55 118,04 12 10,518 60 149,38 14 11,987 65 187,54 16 13,634 70 233,70 18 15,477 75 289,10 20 17,535 80 355,10 22 19,827 85 433,60 24 22,377 90 525,76 25 23,800 95 633,90 26 25,209 100 760,00 28 28,349