E-books PCNA Vol. 1 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 5 SOLUÇÕES
1 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 5 SUMÁRIO Capítulo 5 ------------------------------------------------------ 3 5. Soluções ---------------------------------------------------- 3 5.1. Unidades de concentração --------------------------- 3 5.1.1. Concentração comum (C) -------------------------------- 4 5.1.2. Concentração molar ou Molaridade (M) --------------- 4 5.1.3. Partes por milhão (ppm) --------------------------------- 5 5.1.4. Título, Porcentagem em massa (t) ---------------------- 5 5.1.5. Título, Porcentagem em volume (tv)-------------------- 6 5.1.6. Normalidade (N) ------------------------------------------ 7 5.1.7. Densidade (d)---------------------------------------------- 9 5.2. Diluição ------------------------------------------------- 10 5.3. Mistura de Soluções ---------------------------------- 11 5.4. Solubilidade -------------------------------------------- 11 5.4.1. Fenômenos de saturação -------------------------------- 12 5.4.2. Coeficiente de solubilidade ----------------------------- 12 5.4.3. Curva de solubilidade ----------------------------------- 13 EXERCÍCIOS PROPOSTOS ----------------------------- 15 GABARITO ---------------------------------------------------17 Página 1
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
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. 5.1. 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
4 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 5 5.1.1. 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) 5.1.2. 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
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. 5.1.3. 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) 5.1.4. Título, Porcentagem em massa (t) Quociente entre a massa do soluto e da solução. Sua resposta é dada em porcentagem. Página 5
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 = 0,08. 200 g = 16 g g. A massa de fenolftaleína na solução alcoólica é de 16 5.1.5. 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
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 = 15x10 6. 1 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. 5.1.6. Normalidade (N) Relação entre o número de equivalente-grama do soluto pelo volume da solução. Página 7
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
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. 5.1.7. 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
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
11 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 5 5.3. 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. 5.4. 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
12 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 5 5.4.1. 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. 5.4.2. 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
13 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 5 5.4.3. 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. 2-6. ed. - São Paulo: Moderna, 2004. Página 13
14 QUÍMICA ELEMENTAR CAPÍTULO 5 Figura 5.2 Curvas de solubilidade de vários sais em água. Fonte: FELTRE, Ricardo. Química - v. 2-6. ed. - São Paulo: Moderna, 2004. 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
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
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
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