Prévia do material em texto
AULA 01 – SEGURANÇA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Aula 01 – Segurança em laboratório Objetivos • Conhecer as normas de segurança para trabalho em um laboratório químico. • Reconhecer os símbolos de risco para produtos químicos. • Conhecer os procedimentos empregados em incêndios no laboratório químico. • Definir o conceito de rejeito químico e suas principais formas de disposição. • Familiarizar-se com os primeiros socorros em um laboratório químico. Introdução O laboratório é um ambiente de trabalho utilizado por estudantes, professores, técnicos, pesquisadores da área da Química e correlatas. Os laboratórios químicos possuem reagentes químicos, vidrarias específicas, cilindros de gás, sistemas de vácuo, equipamentos elétricos e eletrônicos. Para que as atividades no laboratório sejam seguras, todos devem seguir alguns princípios básicos que minimizam os riscos de acidentes. É necessário que todos os usuários conheçam e pratiquem as regras de segurança e que tenham bom senso, desde o início até o final das atividades. Nas páginas seguintes você encontrará essas recomendações; segui-las contribuirá para a segurança pessoal, coletiva e para sua formação profissional. Quando se trata de segurança em laboratórios, são muito empregados termos como: segurança do trabalho, risco, toxicidade, acidentes, prevenção de acidentes e equipamentos de segurança. Assim, será interessante defini-los antes de se estabelecer as regras de segurança. Segurança do trabalho: É o conjunto de medidas técnicas, administrativas, educacionais, médicas e psicológicas que são empregadas para prevenir acidentes eliminando condições inseguras do ambiente e instruindo ou convencendo usuários na implantação de práticas preventivas; Risco: É o perigo a que determinado indivíduo está exposto ao entrar em contato com um agente tóxico ou situação perigosa. Os riscos são divididos em 5 categorias: 1. Riscos de acidentes: qualquer fator que coloque o profissional em situação de perigo e possa afetar a sua integridade. Caracteriza-se por toda ação não programada, estranha ao andamento normal do trabalho; 2. Riscos ergonômicos: qualquer fator que possa interferir nas características psicofisiológicas do profissional causando desconforto ou afetando a sua saúde; 3. Riscos físicos: qualquer forma de energia a que os profissionais possam estar expostos (ruído, vibração, temperaturas extremas, raios-X ou substâncias radioativas, úmida, radiação não-ionizante); 4. Riscos químicos: a exposição a agentes ou substâncias químicas que possam penetrar no organismo através da pele, serem inalados ou ingeridos; 5. Riscos biológicos: a exposição às bactérias, fungos, vírus, parasitas entre outros. AULA 01 – SEGURANÇA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Acidentes: São todas as ocorrências não programadas, estranhas ao andamento normal do trabalho, das quais poderão resultar danos físicos ou funcionais e danos materiais e econômicos à instituição; Equipamentos de segurança: São os instrumentos que têm por finalidade evitar ou amenizar os riscos de acidentes. Os equipamentos de segurança individuais (EPI‘s) mais usados para a prevenção da integridade física do indivíduo são: óculos, máscaras, luvas, aventais, gorros, cremes. Equipamentos tais como capelas e blindagens plásticas que protegem a coletividade (EPC‘s). Normas de segurança • Sempre leia com atenção o roteiro da aula experimental antes do início do trabalho no laboratório. • Utilize os equipamentos de proteção individual (EPIs) indicados para o trabalho em laboratório. No mínimo, utilize jaleco de algodão e óculos de segurança. • Nunca use lentes de contato. Vapores corrosivos ou tóxicos podem ficar presos entre a lente e a córnea. • Use calça comprida. Não é permitido o uso de bermuda ou short. • Use sapatos fechados, de preferência de couro, que protegem contra respingos e quedas de objetos. Não é permitido o uso de chinelos, sandálias e sapatos de salto alto. • Caso tenha cabelos compridos, use-os sempre presos. • Evite usar braceletes, pulseiras e correntes. • Conheça a localização dos lava-olhos, chuveiros de emergência, extintores de incêndio e saídas de emergência. • Não coma, não beba nada e não fume no laboratório. • Não debruce ou sente sobre a bancada. • Mantenha apenas seu caderno/apostila, caneta e calculadora dobre a bancada. Não coloque bolsas, blusas e outros pertences sobre a bancada nem no chão. Utilize o espaço existente sob a bancada. • Nunca trabalhe sozinho no laboratório. • Verifique atentamente aos rótulos dos reagentes antes de sua utilização. • Não use produtos desconhecidos ou sem identificação. • Não brinque no laboratório. Esteja sempre atento ao experimento. • Não leve à boca nenhum reagente químico, nem mesmo o mais diluído. • Nunca pipete, aspirando com a boca, utilize sempre um pipetador (pera). • Consulte o professor antes de fazer qualquer modificação no procedimento experimental. • Se estiver manipulando mais de um reagente ao mesmo tempo, preste atenção para não trocar as tampas. • Utilize a capela de exaustão sempre que for trabalhar com líquidos ou reações que liberam gases tóxicos. • •Use luva ou um pano para proteger a mão ao inserir um tubo de vidro ou um termômetro numa rolha. • Não aqueça líquidos inflamáveis em chama direta. • Não use chama próxima a frascos contendo solventes inflamáveis. • Coloque o ácido concentrado na água para preparar soluções aquosas diluídas. Nunca faça o contrário. AULA 01 – SEGURANÇA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 • Ao manusear frascos de reagentes líquidos, incline-os de modo que o fluxo escoe do lado oposto ao rótulo. • Quando estiver aquecendo um tubo de ensaio, nunca o faça apontando sua boca para um colega ou para si mesmo. • Cuidado com equipamentos e vidrarias aquecidas. • Não jogue reagentes ou soluções na pia nem no lixo comum. Siga as orientações dos professores quando ao descarte dos materiais utilizados no experimento. • Nunca utilize material de vidro contendo trincas ou quebrado. • Ao término do trabalho no laboratório, lave as mãos com água e sabão. Classificação dos Produtos Químicos O Globally Harmonized System of Classification and Labeling of Chemicals (GHS) foi desenvolvido pela Organização das Nações Unidas (ONU) e é uma abordagem técnica empregada para definir e classificar os perigos específicos de cada produto químico para organizar e facilitar a comunicação da informação de perigo em rótulos e FISPQ´s (Fichas de Informação de Segurança para Produtos Químicos). No Brasil, estas normas são regulamentadas pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) sob a norma NBR 14725 (Produtos químicos - Informações sobre segurança, saúde e meio ambiente). Informações sobre propriedades químicas e físicas de produtos químicos podem ser pesquisadas na internet nos seguintes sites: • https://echa.europa.eu • https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/ • http://produtosquimicos.cetesb.sp.gov.br/Ficha • https://www.aiche.org/ccps/resources/chemical-reactivity-worksheet • https://www.cdc.gov/niosh/npg/ As substâncias químicas podem ser agrupadas, portanto, segundo suas características de periculosidade. Porém é importante lembrar que é muito complexa a harmonização de classificação e rotulagem dos produtos químicos perigosos, ou seja, as substâncias que têm propriedades capazes de produzir danos à saúde ou danos materiais. A classificação destas substâncias ou os símbolos de periculosidade são uma forma clara e rápida de identificar o perigo que elas representam. Segundo a NBR 14725, podemos utilizar nove pictogramas de perigos (símbolos) para representar os riscos associados às substâncias perigosas. O pictograma tem por objetivo transmitir, orientar, informar e divulgar mensagens de natureza informativa, extremamente simplificada.AULA 01 – SEGURANÇA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Tabela 1: Pictogramas de perigo e seus usos em produtos químicos, conforme recomendação da ABNT. Bomba explodindo Usado para explosivos instáveis, substâncias ou misturas autorreativas e peróxidos orgânicos. É importante mencionar que as temperaturas de detonação são muito variáveis. Ex: nitroglicerina (117 ºC); isocianato de mercúrio (180 ºC); trinitrotolueno (470 ºC). Chama Usado para substâncias e misturas inflamáveis, substâncias pirofóricas (se inflamam espontaneamente em contato com o ar), substâncias e misturas que em contato com a água liberam gases inflamáveis. Gases e líquidos com ponto de inflamação baixo e substâncias sólidas facilmente inflamáveis. Chama sobre círculo Usado para substâncias oxidantes e peróxidos orgânicos. As substâncias oxidantes. Apesar da grande maioria das substâncias oxidantes não ser inflamável, o simples contato delas com produtos combustíveis pode gerar um incêndio, mesmo sem a presença de fontes de ignição. Estes agentes desprendem oxigênio, favorecendo por si só a combustão. A reação química entre os oxidantes e compostos orgânicos podem ser vigorosas, ocorrendo grandes liberações de calor, podendo acarretar fogo ou explosão. Cilindro de gás Usado para gases (comprimidos, liquefeitos, refrigerados e dissolvidos) sob pressão. Os gases tendem a expandir-se indefinitivamente, assim, em caso de vazamento, os gases tendem a ocupar todo o ambiente. Os gases comprimidos são singulares, tendo em vista que representam tanto um risco químico, como um risco físico. Além do perigo inerente ao estado físico, os gases podem apresentar perigos adicionais, como por exemplo, inflamabilidade, toxicidade, entre outros. Corrosão Usado para substâncias que corroem metais ou que causam prejuízos sérios à pele e aos olhos. AULA 01 – SEGURANÇA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Tóxico Usado para substâncias de toxicidade aguda (oral, dérmica ou por inalação) e substâncias irritantes à pele. As substâncias tóxicas são capazes de provocar a morte ou danos à saúde humana se ingeridas, inaladas ou por contato com a pele, mesmo em pequenas quantidades. Ponto de exclamação Usado para substâncias de toxicidade aguda (oral, dérmica ou por inalação) e substâncias irritantes à pele. Substâncias irritantes ao trato respiratório, substâncias narcóticas e substâncias que causam sensibilização à pele. Perigo à saúde Usado para substâncias mutagênicas, carcinogênicas, tóxicas à reprodução. Substâncias tóxica por aspiração (fatal se ingerido e penetrar nas vias respiratórias). Meio ambiente Usado para substâncias que representam perigo ao meio ambiente e substâncias de toxicidade aquática crônica. Definições importantes: • Agente tóxico: substância que causa danos grave ou morte, através de uma interação físico-química com o tecido vivo. • Toxicidade: é a capacidade que uma substância tem de produzir dano a um organismo vivo com referência à quantidade de substância administrada ou absorvida, a maneira como a substância é administrada e distribuída no tempo (doses únicas ou repetidas), o tipo e a gravidade da lesão, o tempo necessário para produzir a lesão, a natureza do organismo afetado e outras condições relevantes. • DL50: dose de um agente químico ou físico (radiação) que causa a morte de 50% dos organismos em uma determinada população sob um conjunto definido de condições experimentais. As substâncias podem ser classificadas desde muito tóxicas a nocivas de acordo com seu valor de DL50, conforme tabela 2. A tabela 3 apresenta os valores de DL50 para algumas substâncias químicas. AULA 01 – SEGURANÇA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Tabela 2: Parâmetros na classificação de toxicidade Categoria DL50 para ratazanas (mg/kg massa corporal) Extremamente tóxico menor que 1 Altamente tóxico 1-50 Moderadamente 50-500 Levemente 500 a 5000 Praticamente não tóxico 5000 a 15000 Relativamente inofensivo Maior que 15000 Fonte: Derelanko, M.J; Auletta, C. S. Handbook of Toxicology, 3ª ed, CRC Press, 2014. Tabela 3: Valor da DL50 de algumas substâncias químicas. Substância química DL50 para ratazanas via oral (mg/kg massa corporal) Sacarose 29700 Álcool etílico 10600 Cloreto de sódio 3000 Cafeína 192 Nicotina 188 Fonte: Hazardous Substances Data Bank (HSDB) https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/source/hsdb Diagrama de Hommel O diagrama de Hommel ou diamante de perigo é utilizado pela Associação Nacional para Proteção contra incêndios dos Estados Unidos da América. Nesta simbologia, cada um dos losangos expressa um tipo de risco, ao qual será atribuído um grau de risco variando entre 0 e 4, conforme explicitado a seguir. http://pt.wikipedia.org/wiki/Sacarose http://pt.wikipedia.org/wiki/Cloreto_de_s%C3%B3dio http://pt.wikipedia.org/wiki/Cafe%C3%ADna AULA 01 – SEGURANÇA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Exemplos: Ácido sulfúrico Perclorato de amônio Rótulo de um produto químico O rótulo nos frascos de produtos químicos traz informações de utilidade básica e essencial para oferecer mais segurança e consequentemente diminuir o risco de acidentes para quem manuseia de alguma forma o produto, seja na armazenagem, no manejo, transporte e descarte. É importante salientar que as informações do rótulo são apenas básicas e primordiais, um detalhamento maior do conteúdo na embalagem é conseguido através da FISPQ (Ficha de Informações de Segurança de Produtos Químicos). Essa ficha contém as informações além das contidas no rótulo, por exemplo, informações em caso de acidentes, descarte dos resíduos etc. E ABC-Fornecedor Epicloridrina 2-(Clorometil)oxirano C3H5ClO CAS [106-89-8] MM 92,52 g mol-1 Teor : 99% Perigo H226 Líquido e vapores inflamáveis. H350 Pode causar câncer. H301+H311+H331 Tóxico se ingerido, em contato com a pele ou se inalado. H314 Causa queimadura severa à pele e dano aos olhos. H317 Pode causar uma reação alérgica na pele. 3 3 2 Declaração de precaução P201 Obter instruções especiais antes do uso. P210 Manter distante do calor/de faíscas/de chamas diretas/de superfícies quentes. – Não fumar. P280 Usar luvas de proteção/roupa de proteção/proteção para os olhos/proteção para o rosto. P301+P330+P331 SE ENGOLIDO: Lavar a boca. NÃO induzir ao vômito. P302+P352 SE NA PELE: Lavar com bastante água e sabão. P304+P340 SE INALADO: Remover a vítima para um ambiente de ar puro e permanecer em repouso em uma posição confortável para respirar. P305+P351+P338 SE NOS OLHOS: Lavar cuidadosamente com água durante vários minutos. Remover as lentes de contato, se presentes e de fácil remoção. Continue enxaguando. P309+P310 EM CASO DE exposição ou de indisposição: Contate imediatamente um CENTRO DE INFORMAÇÕES ANTIVENENOS ou um médico. A ficha de informação de segurança de produtos químicos (FISPQ) pode ser obtida por meio de telefone ou site. Telefone: +55 (32) 0000-0000 www.nome.da.empresa COR 3 0 2 COR 1 0 4 OXOXY AULA 01 – SEGURANÇA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Incêndio O fogo se resulta de uma reação química entre um combustível e um comburente (que pode ser o oxigênio do ar), frente a uma fonte de calor. Para extinguir o fogo deve-se suprimir um ou mais desses elementos. O fogo pode ser eliminado por: • Resfriamento (retirando calor) • Abafamento (retirando o comburente) • Isolamento (retirando o combustível) Classes de Incêndios: Segundo a Norma Regulamentadora No. 23 doMinistério do Trabalho (NR-23) os incêndios são classificados como: Classe A - são materiais de fácil combustão com a propriedade de queimarem em sua superfície e profundidade, e que deixam resíduos, como: tecidos, madeira, papel, fibras, etc.; Classe B - são considerados os inflamáveis os produtos que queimem somente em sua superfície, não deixando resíduos, como óleo, graxas, vernizes, tintas, gasolina, etc.; Classe C - quando ocorrem em equipamentos elétricos energizados como motores, transformadores, quadros de distribuição, fios, etc. Classe D - elementos pirofóricos como magnésio, zircônio, titânio. Cuidados para evitar incêndios 1. Não aquecer líquidos inflamáveis com chama de bico de Bunsen. 2. Certifique-se de que não há vazamento de gás e antes de acender o bico de Bunsen retire recipientes com líquidos inflamáveis para uma distância mínima de três metros. 3. Não conecte vários aparelhos em uma mesma tomada. 4. Não armazenar líquidos voláteis inflamáveis em refrigerador doméstico. Havendo necessidade, deve-se adquirir refrigerador à prova de explosão. 5. O aquecimento de líquidos inflamáveis deve ser feito em banho-maria ou em balões com mantas aquecedoras em perfeito estado de conservação. 6. Assegurar que os quadros da rede elétrica estejam em bom estado. AULA 01 – SEGURANÇA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 7. Armazenamento dos bujões de gás em local bem ventilado fora do prédio. 8. Solventes químicos não devem ser armazenados próximos a fornos, estufas e locais aquecidos. 9. Extintores pó ABC devem estar sempre à disposição. Cada pavimento deve possuir no mínimo uma unidade extintora de pó ABC que atenda a distância máxima a ser percorrida e capacidade extintora; ou duas unidades extintoras, sendo uma para incêndio classe A e outra para incêndio classe B e C, desde que atendam à distância máxima a ser percorrida e capacidade. Nos pavimentos onde houve necessidade de mais de um extintor, sendo atendida a condição anterior, os demais extintores poderão ser exclusivos para o risco a proteger. (capacidade extintora 3A 40BC) 10. Conforme a Instrução Técnica número 16 (IT16) do Corpo de Bombeiros Militar de Minas Gerais, os extintores devem estar localizados a uma distância de caminhamento de 15 metros, no máximo, um do outro. No máximo, a 5 metros da entrada principal de cada pavimento ou da edificação deverá existir um extintor. Devem estar afixados ao solo em suportes parafusados com 20 cm de altura ou presos a parede através de suporte específicos no máximo a 1,60 metros do solo e com a sinalização do extintor afixada a 1,80 metros. O piso deverá possuir uma área de 1m² demarcado abaixo do extintor livre de qualquer objeto pintado em vermelho e amarelo conforme IT15. Maiores informações podem ser encontradas no site: • http://www.bombeiros.mg.gov.br Procedimentos básicos para o caso de incêndio no laboratório 1-Se forem percebidos indícios de incêndios (fumaça, cheiro de queimado, estalidos etc.), aproxime-se a uma distância segura para ver o que está queimando e a extensão do fogo. 2-Mantenha a calma e avise o professor. 3-Identifique a classe do incêndio e utilize extintor adequado para o início do combate. 4-Caso o fogo fuja ao seu controle, saia do local, fechando todas as portas e janelas atrás de si, mas sem trancá-las, desligando a eletricidade, alertando os demais ocupantes do andar e informando os laboratórios vizinhos da ocorrência do incêndio. 5-Todos os fogos, independentemente do tamanho devem ser comunicados à Direção, após tomadas as providências iniciais. 6-Mantenha-se vestido, pois a roupa protege o corpo contra o calor e a desidratação. Nunca molhe suas roupas, pois a exposição ao calor pode provocar cozimento. 7-Procure alcançar o térreo ou as saídas de emergência do prédio, sem correr. 8-É da responsabilidade de cada chefe de laboratório conhecer os disjuntores de suas instalações. 9-Telefone para o Corpo de Bombeiros, 193. 10-Dê a exata localização do fogo, informando se este é um laboratório químico e que não vão poder usar água para combater incêndio em substância química e qual o tipo de combustível http://www.bombeiros.mg.gov.br/ AULA 01 – SEGURANÇA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 se incendiando, quantidade armazenada, quais produtos presentes no local e se há vítima no local. Tipos de Extintores: Extintor de pó para classes ABC É o extintor mais moderno no mercado, que atende a todas as classes de incêndio. O pó especial é capaz de combater princípios de incêndios em materiais sólidos, líquidos inflamáveis e equipamentos energizados. É o extintor usado atualmente nos veículos automotivos. Extintor de água pressurizada-gás: Indicado com ótimo resultado para incêndios de Classe “A”. Contraindicado para as Classes “B” e “C”. Processo de extinção: Resfriamento. Extintor de espuma: Indicado com ótimo resultado para incêndios de classe “B” e com bom resultado para a classe “A”. Contraindicado para a classe “C”. Processo de extinção: Abafamento. Um processo secundário é o resfriamento. Extintor de pó químico seco Indicado com ótimo resultado para incêndios de classe “C” e sem grande eficiência para a classe “A”. Não possui contraindicação. Processo de extinção: Abafamento. Extintor de gás-carbônico Indicado para incêndios de classe “C” e sem grande eficiência para a classe “A”. Não possui contraindicação. Processo de extinção: Abafamento. Incêndios de classe “D” requerem extintores específicos podendo, em alguns casos, ser utilizado o de gás carbônico (CO2) ou pó químico seco. AULA 01 – SEGURANÇA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 COMO SE DEVE PROCEDER AO USAR UM EXTINTOR • • Fonte: http://www.corpodebombeiros.sp.gov.br/internetcb/Downloads/Cartilha_de_Orientacao.pdf Resíduos Químicos O trabalho no laboratório de Química gera muitas vezes materiais residuais que podem ser caracterizados como perigosos, nesse caso, devem sofrer um tratamento criteriosos, ao passo que materiais não perigosos podem ser manejados com menor grau de complexidade. O termo “resíduo químico” é empregado para se definir um material residual remanescente de algum processo ou atividade e que, em princípio, pode ser reaproveitado em outro processo ou experimento com ou sem tratamento prévio. Já o “rejeito químico” é um material residual, que não tem utilidade, já que não apresenta possibilidade técnica ou econômica de uso, com ou sem tratamento, devendo ser tratado adequadamente para descarte no meio ambiente. AULA 01 – SEGURANÇA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Classificação do material residual No Brasil, o processo para classificar um material residual como perigoso deve seguir o recomendado pela ABNT NBR 10.004 e a consulta a seus oito anexos, apresentam, entre outros atos normativos, listagens de resíduos perigosos. Segundo a NBR 10.004:2004 os resíduos são classificados em: a) Classe I: Perigosos : São aqueles que podem apresentar riscos à saúde pública ou ao meio ambiente, em função de suas características de inflamabilidade, corrosividade, reatividade, toxicidade ou patogenicidade. b) Classe II: Não Perigosos: Classe II A: Não Inertes: São resíduos que não apresentam periculosidade, porém, não são inertes e podem ter propriedades como combustibilidade, biodegradabilidade ou solubilidade em água. Classe II B: Inertes: São resíduos que, submetidos ao teste de solubilização, não apresentam nenhum de seus constituintes solubilizados em concentrações superiores aos padrões de potabilidade da água. Forma correta de dispor um rejeito químico A disposição de rejeitos perigosos deve obedecer às leis e normas dos órgãos ambientais. A escolha da melhor forma leva em consideração fatores como a toxicidade, impacto ambiental e custos.Uma maneira para o descarte de rejeitos perigosos é um tratamento onde se anula sua toxicidade e assim o descarte poderá ser feito na pia. Se isso não for possível, o rejeito deverá ser tratado por outros métodos como a incineração ou ainda, estes rejeitos podem ser encaminhados a aterros industriais. Tratamento de materiais residuais Métodos de Tratamento Tratamento químico • neutralização ácido-base • precipitação química • oxidação/redução • adsorção em carvão ativado • troca iônica Tratamento físico • Separação de fases: sedimentação, filtração, floculação, centrifugação e decantação; • Transição de fases : destilação, evaporação e cristalização. Tratamento térmico • incineração • coprocessamento • combustão em caldeiras e fornos AULA 01 – SEGURANÇA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 • detonação • vitrificação Tratamento biológico • biorremediação Disposição no solo • aterro industrial Substituição de métodos e materiais Processos químicos são tradicionalmente geradores de problemas ambientais devido ao manejo de substâncias reconhecidamente perigosas que, muitas vezes, são descartadas de forma inadequada no ambiente. Entretanto, a Química Verde surgiu como uma proposta de minimizar a geração de resíduos e é definida como “a criação, o desenvolvimento e a aplicação de produtos e processos químicos para reduzir ou eliminar o uso e a geração de substâncias tóxicas”. A minimização de materiais residuais começa com decisões corretas na hora de planejar os experimentos e ensaios. É necessário avaliar previamente todo o potencial de periculosidade que envolve a adoção de um determinado experimento e, se prejudicial ao homem ou ao ambiente, pesquisar sobre métodos equivalentes alternativos, substituição de produtos por outros menos perigosos e mesmo verificar a possibilidade de reaproveitamento do material residual gerado. O planejamento de experimentos é uma das mais importantes estratégias de redução na fonte e deve ser incentivada em todo laboratório que faça uso de produtos químicos perigosos. Primeiros socorros: Queimaduras: Queimaduras causadas por calor seco (chama ou objetos aquecidos): Queimaduras leves, refrescar com água fria. No caso de queimaduras graves, refrescar com água fria e cobrir com gaze esterilizada umedecida, sem tocar o local com as mãos. Procurar um médico imediatamente. Nunca cubra a pele queimada com pasta de dente, manteiga, creme hidratante, maisena, etc., pois isso pode agravar o caso. O docente deverá sempre informar o procedimento adequado para o descarte dos materiais residuais produzidos em aula. AULA 01 – SEGURANÇA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Queimaduras por ácidos: Lavar imediatamente o local com água corrente em abundância durante cinco minutos. Em seguida, lavar com solução de bicarbonato de sódio a 10% e novamente com água. OBS: No caso de a queimadura ser muito severa lavar apenas com bastante água e procurar um médico. Queimaduras por álcalis: Lavar a área atingida imediatamente com bastante água corrente durante cinco minutos. Tratar com solução aquosa de ácido acético 1 % e lavar novamente com água. OBS: No caso de a queimadura ser grave lavar apenas com água e procurar um médico. Álcalis ou ácidos nos olhos: Lavar os olhos abundantemente com água limpa e após manter a pálpebra fechada. Não esfregar os olhos, não pingar colírios. Consultar um profissional de saúde, se necessário. Intoxicação por inalação de gases: Remover a vítima para um ambiente arejado, deixando-a descansar. Ingestão de substâncias tóxicas: Consultar a Ficha de Informação de Produtos Químicos (FISPQ*) do produto ingerido ou ligue para o CEATOX (0800 0148110). Siga as instruções e procure atendimento médico imediatamente. Identificação da substância e transporte ao hospital de referência o mais rápido possível. Referências Bibliográficas: 1. Golgher, M.; Segurança em Laboratório, CRQ-MG, Belo Horizonte-MG, 2006. 2. Figueiredo, D.V.; Manual para Gestão de Resíduos Perigosos de Instituições de Ensino e Pesquisa; Conselho Regional de Química de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2006. 3. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 14725-3: Produtos químicos — Informações sobre segurança, saúde e meio ambiente Parte 3: Rotulagem. Rio de Janeiro, 2017. 4. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 10004:2004: Resíduos sólidos – Classificação. Rio de Janeiro, 2004. 5. https://cetesb.sp.gov.br/emergencias-quimicas/aspectos-gerais/toxicologia/conceitos- basicos-de-toxicologia/, acessado em 20/02/2020. 6. Glossary for chemists of terms used in toxicology (IUPAC Recommendations 1993). https://doi.org/10.1351/pac199365092003, acessado em 20/02/2020. AULA 01 – SEGURANÇA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Exercícios para autoavaliação 1) Pesquise nos sites indicados no texto acima as FISPQ´s (Fichas de Informação de Segurança para Produtos Químicos) para o álcool etílico, propanona e ácido acético e construa o diagrama de Hommel para estas substâncias. 2) Quais substâncias não podem ser armazenadas juntos com: (a) ácido sulfúrico; (b) éter etílico e (c) hidrazina. Pesquise nos sites indicados no roteiro. 3) Por que não se deve usar lentes de contato no laboratório químico? 4) Cite dois equipamentos de proteção individual (EPI) e dois equipamentos de proteção coletiva (EPC) usados em um laboratório de química. 5) A dipirona sódica é encontrada no medicamento novalgina. Procure, na literatura, o valor da DL50 deste princípio ativo e compare com a DL50 do paracetamol. Qual composto é mais tóxico? AULA 02 – VIDRARIAS LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Aula 02 – Vidrarias, equipamentos e técnicas básicas de laboratório Objetivos • Identificar as principais vidrarias e equipamentos no laboratório químico. • Familiarizar-se com técnicas básicas usadas no laboratório químico. Introdução Antes de iniciar qualquer experimento em um laboratório químico, é importante familiarizar-se com os equipamentos disponíveis, conhecer seu funcionamento, indicação de uso e a maneira correta de manuseá-lo. A maioria dos equipamentos utilizados em laboratório é de vidro, portanto a manipulação deve ser feita cuidadosamente. Estes podem ser de vidro comum, borossilicato (pirex) ou de quartzo fundido. As vidrarias volumétricas, como bureta, pipetas volumétrica e graduada, são calibradas e, portanto, não devem ser aquecidas. A seguir apresentaremos alguns equipamentos básicos utilizados rotineiramente em laboratórios de química e suas funções. VIDRARIAS Tubo de ensaio: execução de reações químicas em pequena escala Béquer: dissolução de sólidos e aquecimento de líquidos. Erlenmeyer: aquecimento de líquidos e titulações. Funil comum: filtração simples, com auxílio de papel de filtro, e transferência de líquidos. Kitassato: filtração a pressão reduzida (ou filtração a vácuo) Proveta: medida de volumes de líquidos sem grande precisão. AULA 02 – VIDRARIAS LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Balão volumétrico: preparo de soluções com volumes precisos e prefixados. Balão de fundo redondo: sistemas de destilação, refluxo e evaporação a vácuo. Balão de fundo chato: aquecimento de líquidos em sistemas de destilação. Vidro de relógio: pesagem e cobertura de cápsula de porcelana ou béquer. Dessecador: utilizado para guardar substâncias em atmosfera com baixa umidade com auxílio de um agente de secagem (dessecante). Funil de separação ou decantação (funil de bromo): separação e extração líquido- líquido. Pipeta graduada: medidade volumes variáveis de líquidos com boa precisão dentro de uma determinada escala. Pipeta volumétrica: medidas precisas de volume fixo de líquidos. Bureta: utilizada em titulações na medida precisa de volume de líquidos através do escoamento controlado do líquido. Condensador: condensação de vapores produzidos no processo de destilação ou aquecimento sob refluxo. Existem condensadores de tubo reto (Liebig), de bolas e de serpentina. Bastão de vidro/baqueta: agitação de soluções e de líquidos e no auxílio para transferência de líquidos de um recipiente para outro. Placa de Petri: secagem de substâncias e cultura de microrganismos. 50 40 30 20 10 0 AULA 02 – VIDRARIAS LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 UTENSÍLOS DE PORCELANA Funil de Büchner: utilizado em filtrações a vácuo em conjunto com o kitassato. Cadinho: aquecimento de sólidos a altas temperaturas, calcinações. Pode ser também constituído de metal. Almofariz e pistilo: trituração e homogeneização de materiais sólidos. Pode ser também constituído de ágata. Cápsula: evaporação de líquidos. Pode ser aquecida na chama. UTENSÍLOS GERAIS Garra metálica Suporte universal Suporte universal: utilizado para dar sustentação aos materiais de laboratório. Garra metálica: fixação de vidrarias. Argola ou anel: suporte de funil de vidro em montagens de filtração e decantação. Mufa: fixação de garras metálicas ao suporte universal. Tripé: sustentação à tela de amianto ou ao triângulo de porcelana. Tela de amianto: utilizada para distribuir uniformemente o calor recebido da chama do bico de Bunsen para todo o recipiente. Pisseta ou frasco lavador: lavagem de diversos materiais. Em geral, contém água destilada, mas outros solventes podem também ser armazenados. AULA 02 – VIDRARIAS LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Pinça metálica: utilizado para segurar objetos aquecidos. Espátula: usada na transferência de substâncias sólidas. Suporte para tubos de ensaio: sustentação de tubos de ensaio na posição vertical. Pinça de madeira: utilizada para segurar tubos de ensaio. Trompa de vácuo: utilizada para reduzir a pressão no interior de um frasco, principalmente durante a técnica de filtração. Pipetador de borracha ou pera: utilizado para encher pipetas por sucção. EQUIPAMENTOS Agitador magnético com ou sem aquecimento: agitação de líquidos com auxílio de uma barra magnética movida por um campo magnético rotativo. Manta aquecedora: aquecimento de líquidos inflamáveis contidos em um balão de fundo redondo. Balança: utilizada para pesagem. Deve estar nivelada e ter manutenção e calibração periódica. Centrífuga: separação de misturas imiscíveis do tipo sólido-líquido, quando o sólido se encontra disperso no líquido. 0.00 0 g AULA 02 – VIDRARIAS LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Estufa: secagem de materiais em geral, principalmente vidrarias. Capela: Utilizada para manusear substâncias gasosas, tóxicas, irritantes, etc. Bomba de vácuo: redução da pressão no interior de um recipiente. Bico de Bunsen: aquecimento de materiais não inflamáveis O bico de Bunsen O bico de Bunsen, Figura 1, utiliza como combustível o gás liquefeito de petróleo (GLP) que é uma mistura de hidrocarbonetos e como comburente o gás oxigênio do ar atmosférico. Possui na sua base um regulador de entrada de ar - quando a chama é amarela, a combustão é incompleta e a chama apresenta temperatura relativamente baixa; com o aumento da entrada de ar a chama torna-se azul, mais quente e forma um cone interior distinto, mais frio. Figura 1: O bico de Bunsen e as zonas da chama Zona redutora: é uma zona intermediária, luminosa e forma um pequeno "cone", onde se inicia a combustão dos gases. Nesta zona forma-se monóxido de carbono, que se decompõe por ação do calor dando origem a pequenas partículas de carbono, que, sendo incandescentes, dão luminosidade à chama e espalham-se sobre a tela de amianto na forma de "negro de fumo". Região da chama de temperatura intermediária (530 ºC a 1540 ºC). Zona oxidante: zona externa de cor azulada, quase invisível, que compreende toda a região acima e ao redor da zona redutora. Os gases que são expostos ao ar sofrem combustão completa, formando gás carbônico e água. Região de maior temperatura (1540 ºC). Anel de regulagem de entrada de ar Válvula de controle do gás entrada do gás região mais fria 300 a 530 oC Zona oxidante região mais quente 1540 oC Zona redutora AULA 02 – VIDRARIAS LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Para acender o bico de Bunsen, segue-se o seguinte procedimento: Fechar completamente a entrada de ar Abrir lentamente a válvula de entrada de gás e aproximar a chama de um fósforo. Abrir lentamente o anel de regulagem para entrada de ar até se obter uma chama azulada (indicativo de combustão completa). AULA 02 – VIDRARIAS LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Técnicas básicas de laboratório Transferência de sólidos: não utilizar a mesma espátula para transferir amostras de substâncias diferentes. Este procedimento pode contaminar os reagentes. Transferência de líquidos: pode-se usar conta-gotas, bastão de vidro, funil de vidro e pipetas. Leitura do nível de um líquido - menisco: a medida do volume de líquidos é feita comparando-se o nível do líquido com as marcações nas paredes da vidraria. Para ler corretamente o nível de um líquido, é importante olhar pela linha tangente ao menisco, que é côncavo no caso de líquidos que aderem ao vidro, e convexo no caso de líquidos que não aderem ao vidro (mercúrio), Figura 2. O menisco consiste na interface entre o ar e o líquido a ser medido. Para líquidos incolores ou transparentes o seu ajuste deve ser feito de modo que o seu ponto central fique horizontalmente tangente ao plano da linha do traço de graduação, mantendo o plano de visão coincidente com esse mesmo plano para evitar o erro de paralaxe, Figura 3. Para líquidos escuros, a leitura é feita na parte superior do menisco. Figura 2: A – menisco côncavo, B - menisco convexo, C – leitura do menisco para soluções transparentes e D – leitura do menisco para líquidos escuros. Figura 3: Forma correta de se ler o volume de um líquido com a linha de visão tangencial ao centro do menisco. água mercúrio tr a n s p a re n te e s c u ro A B C D AULA 02 – VIDRARIAS LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Pipetador de borracha de três vias (pera): Possui três válvulas para a passagem de ar: A, S e E. Quando de pressiona a válvula A, ela se abre permitindo a retirada de ar do bulbo. Ao se pressionar a válvula S, o líquido, por sucção, entra na pipeta. A pipeta pode ser esvaziada pressionando-se a válvula E. Filtrações simples e a vácuo: a filtração é o processo usado para a separação de uma mistura heterogênea sólido-líquido. Figura 4 representa o esquema dos dois tipos de filtração. Figura 4: Esquema de filtrações simples (A - por gravidade) e a vácuo (B). Papel de filtro dobrado liso: é utilizado quando se deseja produzir uma filtração maislenta e o filtrado (líquido) é o que mais interessa no processo. Papel de filtro pregueado: é utilizado quando se deseja produzir uma filtração mais rápida e o sólido é o que mais interessa no processo. O pregueado apresenta maior superfície de contato entre a mistura e o papel. Figura 5 exibe os modos de preparo para o papel de filtro liso e pregueado. Bastão de vidro Mistura sólido-líquido Suporte universal funil Papel de filtro sólido béquer Solução filtrada Funil de Buchner Papel de filtro Kitassato vácuo A B A S E AULA 02 – VIDRARIAS LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 um pequeno rasgo confere maior aderência ao papel A B Figura 5: Modos de preparo para o papel de filtro liso (A) e pregueado (B). Decantação: utilizada na separação de dois líquidos não miscíveis (Figura 6). Figura 6: Esquema da técnica de decantação Centrifugação: utilizada para acelerar a sedimentação das fases. Destilação: utilizada para a separação de misturas, podendo ser simples ou fracionada (Figura 7). Em geral, a destilação simples é empregada para a separação de um líquido de impurezas não voláteis. A destilação fracionada é indicada para a separação de substâncias líquidas voláteis. AULA 02 – VIDRARIAS LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Figura 7: Destilação simples (A); destilação fracionada (B). (A) (B) AULA 02 – VIDRARIAS LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 PARTE PRÁTICA Procedimento 1: Transferência de líquidos Materiais e reagentes 01 Pipeta volumétrica (10 mL) 01 Béquer (50 mL) 01 Erlenmeyer (125 mL) 01 Bureta (25 mL) 01 Pipetador de 3 vias (pera) 01 suporte universal 02 garras 02 mufas Água destilada Medida de volume utilizando uma pipeta • Adicione aproximadamente 20 mL de água destilada no béquer. • Pressione a válvula A da pera, esvaziando-a. • Encaixe cuidadosamente a pipeta volumétrica na pera. • Mergulhe a ponta da pipeta no béquer contendo a água destilada. Mantenha a pipeta na posição vertical e pressione a válvula S da pera. O nível do líquido aspirado deve estar um pouco acima do volume desejado. • Para liberar o líquido e acertar o menisco, aperte a válvula E da pera. • Transfira os 10 mL de água destilada para o erlenmeyer. Para liberar o líquido, aperte a válvula E. • Após o uso, tire a pipeta e guarde a pera com ar (cheia). Medida de volume utilizando uma bureta • Prenda a bureta a um suporte universal, com auxílio de duas garras conforme figura ao lado. • Preencha a bureta com água destilada, usando um béquer para esta transferência. • Retire qualquer bolha de ar e acerte o zero. • Deixe escoar 12 mL recolhendo o líquido no Erlenmeyer. 30 29 28 27 5 4 3 2 1 0 10 9 8 7 6 15 14 13 12 11 20 19 18 17 16 25 24 23 22 21 26 AULA 02 – VIDRARIAS LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Procedimento 2: Pesagem e filtração simples Materiais e reagentes 01 vidro de relógio 02 béqueres (50 mL) 01 bastão de vidro 01 funil comum 01 proveta (25 mL) 01 almofariz com pistilo 01 suporte universal 01 garra anel de ferro 01 espátula 01 papel de filtro Balança digital Água destilada Pedaços de giz • Com auxílio de um almofariz e pistilo, triturar bastões de giz até completa pulverização. • Pesar 0,36 g do giz triturado sobre um vidro de relógio com auxílio de uma espátula (Muito cuidado para não derrubar sólido sobre a balança). • Transferir o pó de giz pesado para um béquer. • Medir 25 mL de água destilada em uma proveta e adicionar no béquer contendo o pó de giz. • Agitar a mistura com um bastão de vidro. • Montar a argola no suporte universal. • Dobre o papel de filtro como indicado na Figura 5(A). • Filtrar a mistura, utilizando a técnica de filtração simples. Procedimento 3: Decantação Materiais e reagentes 01 proveta (10 mL) 01 funil de decantação 01 béquer (50 mL) 01 garra anel de ferro 01 suporte universal Água destilada Hexano Solução de iodo (2 %) Bastão de vidro Mistura sólido-líquido Suporte universal funil Papel de filtro sólido béquer Solução filtrada Funil de Buchner Papel de filtro Kitassato vácuo A B AULA 02 – VIDRARIAS LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 • Fazer a montagem conforme Figura ao lado. Verificar se a torneira do funil de decantação está fechada. Verificar se a tampa está vedando adequadamente. • Em uma proveta, medir 10 mL de água destilada e adicioná-la a um béquer de 50 mL. • Adicionar 5 gotas de solução de iodo (2 %) no béquer contendo a água. Observe a coloração. • Com auxílio de uma proveta, meça 10 mL de hexano e adicione ao béquer contendo a mistura de água e iodo. • Transferir a mistura para o funil de decantação. • Tampar o funil e removê-lo do anel de ferro. Segurar a tampa e a torneira firmemente e inverter o funil de separação. Abrir lentamente a torneira para liberar a pressão. • Deixar o funil em repouso no anel de ferro até que as 2 fases se separem. • Remover a tampa e, abrindo a torneira, transferir cuidadosamente a fase inferior para o béquer. 1. O que acontece com a coloração das duas fases? Explique por que há mudança de cor. 2. Qual a fase recolhida no béquer? Dados de densidade (25 oC): Água: 0,9950 g cm-3 (https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/962) Hexano: 0,6606 g cm-3 (https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/8058) AULA 02 – VIDRARIAS LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Referência Bibliográfica: 1. Trindade, D.F.; Oliveira, F.P.; Banuth, G.S.L.; Bispo, J.G. Química Básica Experimental, Editora Icone, São Paulo, SP, 1998. (ISBN: 85-274-0511-3). 2. Vogel, A. I. Química Analítica Qualitativa, 5ª edição, Editora Mestre Jou, São Paulo, SP, 1981. (ISBN: 8587068016). 3. da Silva, R. R.; Bocchi, N.; Rocha-Filho, R. C.; Machado, P. F. L.; Introdução à Química Experimental, 3ª edição, EdUFSCar, São Carlos, SP, 2019. (ISBN: 978-85-906962-8-5). 4. Constantino, M. G.; da Silva, G. V. J.; Donate, P. M. Fundamentos de Química Experimental, 2ª edição, EDUSP, São Paulo, SP, 2011. (ISBN: 9788531407574). Exercícios para autoavaliação 1) No laboratório, utilizamos a filtração para a separação do pó de giz e água. Cite outra técnica de separação que pode ser empregada. 2) Pesquise as propriedades do tolueno, acetona e água em site de banco de dados de propriedades químicas como: pubchem (https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/) ou chemspider (http://www.chemspider.com/) e responda: a) Como separar uma mistura de água e tolueno? b) Como separar uma mistura de acetona e tolueno? 3) Quais as diferenças entre uma pipeta volumétrica e uma pipeta graduada? 4) Quais as diferenças entre um balão volumétrico e um balão de fundo redondo? 5) Cite 3 vidrarias volumétricas. 6) Qual o equipamento adequado para se aquecer uma mistura contendo etanol e acetona? https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/ http://www.chemspider.com/ AULA 03 – REPRESENTAÇÃO E INTERPRETAÇÃO LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Aula 03 –Representação e interpretação de resultados experimentais Objetivos • Analisar a medida de uma grandeza e sua representação; • Realizar operações matemáticas com algarismos significativos; • Elaborar e interpretar resultados experimentais por gráficos e tabelas; • Representar, por meio de um gráfico, a densidade de soluções de sacarose a diversas concentrações. Introdução O trabalho no laboratório de Química envolve a medida de grandezas físicas. A interpretação e a análise dos resultados experimentais são feitas a partir do levantamento e registro corretos dos dados obtidos. Para isso, precisamos estar atentos a alguns elementos que são muito importantes para a apresentação de um resultado, por exemplo:a precisão das medidas, os instrumentos de medidas, a medição das grandezas e a apresentação dos resultados. Esses pontos são de extrema relevância e em todas as aulas posteriores a esta, os dados experimentais deverão ser representados conforme as normas apresentadas nesta aula. Quando determinamos uma propriedade da matéria de forma quantitativa, esta está associada a um número que representa essa propriedade juntamente com sua unidade de medida da grandeza. O “Sistema Internacional de Unidades, SI” é amplamente utilizado em medidas científicas e uma tradução para o português pode ser encontrada em: http://www.inmetro.gov.br/inovacao/publicacoes/si_versao_final.pdf. O SI tem sete unidades básicas das quais todas as outras são derivadas, mostradas na tabela 1. http://www.inmetro.gov.br/inovacao/publicacoes/si_versao_final.pdf AULA 03 – REPRESENTAÇÃO E INTERPRETAÇÃO LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Tabela 1: Unidade de base do Sistema Internacional de Unidades, SI Grandeza de base Nome da unidade de base Símbolo da unidade base Comprimento metro m Massa kilograma kg Tempo, duração segundo s Temperatura termodinâmica Kelvin K Corrente elétrica ampere A Quantidade de substância mol mol Intensidade luminosa candela cd Fonte: https://www.bipm.org/en/measurement-units Prefixos são utilizados para expressar magnitudes muito grandes ou pequenas que envolvem números e são usados para indicar frações ou múltiplos decimais das unidades. Por exemplo, a distância entre o Sol e Plutão (60000000000000 m) pode ser expressa por 6 Tm (terametros). Os prefixos SI são mostrados na tabela 2. Tabela 2: Prefixos do Sistema Internacional de Unidades, SI Fonte: 1ª Edição Brasileira da 8ª Edição do BIPM (http://www.inmetro.gov.br/inovacao/publicacoes/si_versao_final.pdf). http://www.inmetro.gov.br/inovacao/publicacoes/si_versao_final.pdf AULA 03 – REPRESENTAÇÃO E INTERPRETAÇÃO LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Muitas vezes temos que usar números muito grandes ou muito pequenos. Por exemplo, a massa do próton é 0,00000000000000000000000167252 g ou a circunferência da Terra é aproximadamente 40000000 m. Para expressar esses números de forma mais conveniente, mais compacta, utilizamos a notação científica. Nesta notação, o número é representado por A × 10n, onde A é um número contendo um único digito diferente de zero à esquerda da vírgula e n é um número inteiro. Assim, a massa do próton pode ser expressa por 1,67252 × 10-24 g e a circunferência da Terra por 4 × 107 m. Um aspecto importante da notação científica é a comparação da ordem de grandeza de dois números. Por exemplo, a massa do próton (1,67252 × 10-24 g) é quatro ordens de grandeza maior que a massa do elétron (9,10938 × 10-28 g). A magnitude de uma grandeza é determinada pelos instrumentos de medidas e dependendo do instrumento, os valores podem ser mais ou menos precisos. Os algarismos corretos e o algarismo duvidoso constituem os “algarismos significativos”. O algarismo duvidoso está sempre na casa decimal em que se encontra o limite de erro do aparelho de medida utilizado. Por exemplo, em uma proveta de 50 mL, cuja menor divisão seja 1 mL, o limite de erro é de ± 0,5 mL. Então quando medimos um volume de 26,0 mL nesta proveta, o algarismo 0 corresponde ao algarismo duvidoso. Arredondamento de números Muitas vezes, a resposta de uma operação matemática contém mais algarismos do que os significativos. Nesse caso, devemos seguir as regras de arredondamento segundo a Norma ABNT NBR 5891. O arredondamento apenas no resultado final dos cálculos. 0,00001234000 Zeros à esquerda do primeiro dígito diferente de zero após o ponto decimal não são significativos Todos os números diferentes de zero são significativos Os zeros após o primeiro dígito diferente de zero em um decimal são significativos AULA 03 – REPRESENTAÇÃO E INTERPRETAÇÃO LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Quando o algarismo seguinte ao último a ser mantido é menor que 5, os algarismos indesejados são descartados e o último número é mantido. Por exemplo: arredondando o número 9,8124 para três algarismos significativos, teremos 9,81. Quando o algarismo seguinte ao último número a se mantido é maior que 5, ou 5 seguido de outros dígitos, o último número é aumentado de 1 e os algarismos indesejados são descartados. Por exemplo: arredondando o número 9,8164 para três algarismos significativos, teremos 9,82. Quando o algarismo seguinte ao último número a ser mantido é um 5 seguido de zeros ou é somente um 5, há duas possibilidades: Se o último algarismo a ser mantido for par, ele é inalterado. Ex: Para se arredondar 5,450 para dois algarismos significativos, obtém-se 5,4. Ao se arredondar 8,105 para três algarismos significativos, obtém-se 8,10. Se o último algarismo a ser mantido for ímpar, ele é aumentado de 1. Ex: Ao se arredondar 9,855 para três algarismos significativos, obtém-se 9,86. Operações aritméticas com algarismos significativos Adição e Subtração: o resultado deve ser representado com o mesmo número de casas decimais da parcela de menor número de casas decimais. 128,5 (uma casa decimal) + 31,69(duas casas decimais) 100 3,257 (três casas decimais ̶ 2,33 163,447 = 163,4 (uma casa decimal) 97,67 = 98 Multiplicação e Divisão: o resultado deverá ser apresentado com o mesmo número de algarismos significativos do componente de menor número de algarismos significativos. 3,49 × 8,2 = 28,618 = 29 3,49 : 4,602 = 0,758365... = 0,758 AULA 03 – REPRESENTAÇÃO E INTERPRETAÇÃO LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Quando realizamos uma medida precisamos estabelecer a confiança que o valor encontrado para a medida representa. Para representar corretamente a medida realizada devemos utilizar os algarismos significativos. O limite do erro corresponde à metade de sua menor divisão. Em uma balança analítica digital, onde o fundo de escala é 0,0001 g, o limite de erro é igual à menor divisão. Veja alguns exemplos a seguir: As medidas experimentais são sempre acompanhadas de erros, mesmo as medidas feita de maneira “correta”, ou seja, o “erro” da medida nem sempre é resultado de um erro do “operador”. O erro da medida é consequência de inúmeros fatores que incluem o limite de precisão do instrumento de medida ou método e as influências aleatórias. Os erros podem ser classificados como erros sistemáticos (erros determinados) e erros aleatórios (erros indeterminados). Os erros sistemáticos são aqueles que podem ser detectados e eliminados, possuem um valor definido. Estes erros podem ser originados por exemplo, da leitura incorreta de escala, erros operacionais, erro de metodologia, má calibração de equipamentos ou uso de reagentes contaminados. Os erros aleatórios se apresentam valores positivos ou negativos e decorrem de limitações do ser humano ao fazer medidas experimentais. Estas variações seguem uma distribuição gaussiana ou alguma outra lei estatística. Este tipo de erro está sempre presente, não pode ser medido nem completamente eliminado. AULA 03 – REPRESENTAÇÃO E INTERPRETAÇÃO LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Como erros sempre estão presentes nas medidas experimentais, o melhor que pode ser feito é repetir medidas diversas vezes usando um instrumento de medida e um método confiável. • A precisão da medida refere-se ao grau de concordância dos resultados individuais dentro de uma série de medidas (reprodutibilidade da medida). • A exatidão da medida refere-se ao grau de concordância do valor experimental com o valor verdadeiro (fidelidade da medida). Podemos elevar a precisão de uma medida aumentando o número de determinações (a medida de várias determinações merece mais confiança do que uma sódeterminação), enquanto a exatidão só pode ser alcançada, eliminando-se os erros sistemáticos. O erro absoluto é a diferença entre o valor exato (ou verdadeiro) da grandeza (VT) e o seu valor determinado experimentalmente (VE). 𝐸𝑎𝑏𝑠 = |𝑉𝑇 − 𝑉𝐸| O erro relativo: expressa a incerteza da medida. Se conhecermos o valor verdadeiro, podemos calcular facilmente o erro da medida (erro percentual ou erro relativo) que é expresso em porcentagem e é adimensional. 𝐸𝑟% = | 𝑉𝑇 − 𝑉𝐸 𝑉𝑇 | × 100 AULA 03 – REPRESENTAÇÃO E INTERPRETAÇÃO LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Se o valor teórico não for conhecido, deve-se medir várias vezes e por diferentes métodos a mesma grandeza, para se ter uma ideia da exatidão. A reprodutibilidade de uma medida usando sempre o mesmo método permite avaliar a precisão da mesma. Por meio de tratamento estatístico adequado dos resultados calcula-se o chamado desvio padrão da medida. Representação de dados experimentais Os resultados experimentais necessitam ser colocados, ou agrupados, de forma racional para auxiliar na interpretação qualitativa e quantitativa dos dados. Existem duas formas importantes de apresentá-los: tabelas e gráficos que, nos trabalhos acadêmicos devem seguir as normas da ABNT. Tabelas Uma tabela pode conter os seguintes elementos: legenda, cabeçalho e corpo; pode conter uma coluna indicadora e rodapé. A legenda deve conter uma descrição sucinta do que está contido na tabela. O cabeçalho é a parte superior da tabela e apresenta informações sobre o conteúdo de cada coluna. A coluna indicadora está sempre presente à esquerda e especifica o conteúdo das linhas, nem sempre a tabela contém uma coluna indicadora. O corpo da tabela é o espaço abaixo ao cabeçalho e à direita da coluna indicadora, onde se encontram os dados apresentados. As tabelas sempre devem ser delimitadas na parte de cima e na de baixo, utilizando traços na horizontal que podem ser um pouco mais fortes que os traços utilizados nas linhas da parte interna da tabela. Jamais se deve utilizar traços verticais para delimitar a tabela em suas partes externas. Utilize traços horizontais para delimitar o cabeçalho. Fonte: http://dx.doi.org/10.21577/0100-4042.20170662 Gráficos Um gráfico é uma maneira de se representar como uma grandeza varia à medida que uma outra grandeza também varia. Normalmente um gráfico tem dois eixos onde são representados os valores de cada uma das grandezas. O eixo horizontal é chamado de AULA 03 – REPRESENTAÇÃO E INTERPRETAÇÃO LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 abscissa, onde geralmente se representa a variável independente (aquela cujo valor é controlado no experimento). O eixo vertical é denominado ordenada e representa a variável dependente (cujo valor é determinado no experimento). Os gráficos devem conter um título ou legenda que apresenta uma breve descrição do que se trata o gráfico. Para traçar um bom gráfico, é necessário que todos os pontos caibam no gráfico e que as escalas na ordenada e na abcissa ocupem a maior porção da área escolhida para o gráfico, tanto em um papel milimetrado como na tela de um computador. A escala deve ser legível, deve ser possível localizar qualquer valor na escala. A distância entre o menor e o maior valor devem ser de pelo menos 75 % do tamanho total do eixo. Os pontos experimentais devem estar legíveis e indicados por símbolos como um círculo, por exemplo. Deve-se indicar os símbolos das grandezas correspondentes aos eixos e as respectivas unidades junto aos eixos. Quando for ajustar uma tendencia média nos pontos experimentais, faça de tal modo que passe pela maioria dos pontos. Se não for possível, faça com que cada lado da reta exista praticamente o mesmo número de pontos e o mais próximo possível. No caso de ter um ponto muito fora da curva, repita a medida ou então despreze este ponto ao traçar a média (mas indique-o no gráfico). Na figura abaixo, temos um exemplo de um gráfico, note que neste caso, o objetivo principal é extrapolar os dados experimentais para a temperatura de -273 oC e por isso a escala foi expandida. Nem sempre é necessário representar a origem nos gráficos. Fonte: Brown, TL; LeMay Jr, HE; Bursten, BE e Burge, JR, Química: a ciência central, 9a ed, Pearson, 2005. Gráfico 1: Volume de um gás em um sistema fechado como função da temperatura à pressão constante. AULA 03 – REPRESENTAÇÃO E INTERPRETAÇÃO LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Parte prática Procedimento 1: Medida de volume em diversas vidrarias Materiais e reagentes 01 béquer (50 mL) 01 proveta (25 mL) 01 erlenmeyer (125 mL) 01 pipeta graduada (10 mL) 01 bastão de vidro água destilada 01 proveta (50 mL) Pipetador de 3 vias (pera) Procedimento experimental • Medir 50,0 mL de água destilada utilizando uma proveta de 50 mL. • Transferir todo o líquido para um béquer de 50 mL. Verificar o volume obtido no béquer. • Em seguida, transferir o líquido contido no béquer para um erlenmeyer de 125 mL. Verificar o volume obtido. Observe os volumes em cada transferência. Os volumes são coincidentes? Explique. • Pipetar com auxílio de uma pipeta graduada 10 mL de água destilada e transferir a mesma para uma proveta de 25 mL Observe os volumes em cada transferência. Os volumes são coincidentes? Explique. Identifique dentre as vidrarias acima utilizadas àquelas que não possuem precisão e as que possuem precisão. Vidrarias sem precisão: Vidrarias de precisão: AULA 03 – REPRESENTAÇÃO E INTERPRETAÇÃO LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Para as vidrarias proveta e pipeta graduada, anote a forma correta de representar a medida do volume. Quantos algarismos significativos possuem estas medidas? Procedimento 2: Determinação da densidade de soluções de sacarose em função da concentração Materiais e reagentes Béqueres (50 mL) Pipetador de 3 vias (pera) Pipetas volumétricas (10 mL) Termômetro Soluções de sacarose: 4,0 %, 6,0 %, 8,0 %, 12 %, Balança digital 16 % e 20 % Procedimento experimental • Pesar um béquer de 50 mL e anotar a sua massa. • Pipetar, com o auxílio de uma pipeta volumétrica, 10,0 mL da solução de sacarose 4%. • Pesar o conjunto (béquer + solução) e anotar a massa • Repetir o procedimento para todas as soluções de sacarose. • Complete a tabela 1. Tabela 1: Determinação da massa de 10 mL de solução de sacarose Solução de sacarose (%) Massa do béquer (g) Massa total (g) Massa da solução (g) 4,0 6,0 8,0 12 16 20 • Medir a temperatura com auxílio de um termômetro. Anote a temperatura. Temperatura = ______________oC • Usando os dados da tabela 1, calcule a densidade das soluções de sacarose e complete a tabela 2. AULA 03 – REPRESENTAÇÃO E INTERPRETAÇÃO LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Tabela 2: Densidade de soluções de sacarose a _____ ºC Concentração de sacarose (%) Densidade (g/mL) 4,0 6,0 8,0 12 16 20 • Construa um gráfico, em papel milimetrado, com os dados representados na Tabela 2. Não se esqueça de indicar o título do gráfico, as grandezas e unidade nos eixos. AULA 03 – REPRESENTAÇÃO E INTERPRETAÇÃO LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Determinação da concentração de sacarose de uma solução desconhecida • Pesar um béquer de 50 mL e anotar sua massa. m = _______________ • Pipetar, com o auxílio de uma pipeta volumétrica, 10 mL da solução de sacarose de concentração “X” e transferir para o béquer. Anotar a massa total (béquer + solução). m = _________________ Calcular a densidade desta solução. • A partir do gráfico, determine a concentração da “solução X”. Concentração = _____________% Consulte, em site de banco de dados de propriedades químicas como: pubchem(https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/) ou chemspider (http://www.chemspider.com/) e responda: A densidade da sacarose pura e da água (solvente) e compare com as densidades obtidas para as soluções utilizadas no experimento. Os resultados estão coerentes? Por quê? Quais erros experimentais podem ter ocorrido neste procedimento experimental? Referência bibliográfica 1. Lenzi, E; Favero, L.O.B.; Tanaka, A.S.; Filho, E.A.V.; Silva, M.B. Química Geral Experimental, Freitas Bastos Editora, Rio de Janeiro, RJ, 2004. (ISBN: 85-353-0217-4). 2. Brown, TL; LeMay Jr, HE; Bursten, BE e Burge, JR, Química: a ciência central, 9a ed, Pearson,São Paulo, SP, 2005. (ISBN: 978-85-78918-42-0) 3. da Silva, R. R.; Bocchi, N.; Rocha-Filho, R. C.; Machado, P. F. L.; Introdução à Química Experimental, 3ª edição, EdUFSCar, São Carlos, SP, 2019. (ISBN: 978-85-906962-8-5). https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/ http://www.chemspider.com/ AULA 03 – REPRESENTAÇÃO E INTERPRETAÇÃO LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 4. Constantino, M. G.; da Silva, G. V. J.; Donate, P. M. Fundamentos de Química Experimental, 2ª edição, EDUSP, São Paulo, SP, 2011. (ISBN: 9788531407574). Exercícios para autoavaliação 1) Qual o número de algarismos significativos em cada uma das medidas de grandeza? (a) 0,00458 m (b) 1,0003 g (c) 978,0 L (d) 1,5890 × 10-4 kg. 2) Faça as seguintes operações e expresse sua resposta com o número apropriado de algarismos significativos: (a) 35,489 + 0,25 (b) 5,48947 × 45,78 (c) 0,098689/82,5 3) Um termômetro de álcool (em oC) é mostrado a seguir. Qual a temperatura marcada? Quantos algarismos significativos existem na medida? Qual o limite de erro? 4) Dois estudantes determinaram a porcentagem de ferro em uma amostra. Os resultados dos estudantes para três determinações foram: Estudante 1: 54,86 %; 55,69 % 55,23 % Estudante 2: 56,25%; 56,26%; 56,23% AULA 03 – REPRESENTAÇÃO E INTERPRETAÇÃO LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 A porcentagem real é 55,23 %. a) Calcule a porcentagem média para cada conjunto de dados e diga qual conjunto é mais exato, baseado na média. b) Qual dos dois conjuntos é mais preciso? Justifique sua resposta. AULA 04 – ESTRUTURA ELETRÔNICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Aula 04 – Estrutura eletrônica de átomos e moléculas Objetivos • Introduzir o conceito de energia quantizada, bem como dos fenômenos de fluorescência e fosforescência; • Obter o espectro da luz de diversos materiais a partir de um espectroscópio; • Identificar a presença de metais em sais através do teste de chamas. Introdução O cientista Niels Bohr aprimorou em 1913 o modelo atômico de Rutherford, baseado na teoria de que o átomo é composto por um núcleo contendo prótons e uma região extranuclear constituída de elétrons. Incorporando as ideias de Einstein sobre o efeito fotoelétrico e as de Planck sobre a quantização de energia, Bohr elaborou seu modelo atômico que explicava o espectro de linhas do átomo de hidrogênio. Surgiram assim os chamados Postulados de Bohr: • Os elétrons se movem ao redor do núcleo em órbitas circulares com raios e energias definidos; • Movendo-se em uma órbita estacionária, o elétron não emite nem absorve energia; • Ao passar de uma órbita para outra, o elétron emite ou absorve uma quantidade definida de energia chamada quantum de energia eletromagnética ou “fóton”. A energia da radiação eletromagnética (E) envolvida pode ser calculada através da equação de Planck: 𝐸 = ℎ𝑐 𝜆 Onde: h = constante de Planck = 6,63 x 10-34 J s; c = velocidade da luz no vácuo = 3,0 x 108 m s-1; λ = comprimento de onda. E pode ser expressa em termos de frequência (𝜐): 𝐸 = ℎ𝜐 em que 𝜐 = 𝑐/𝜆 A energia de um fóton depende apenas de sua frequência: quanto maior a frequência, menor o comprimento de onda e maior a energia. A luz visível (Vis) compreende a faixa de comprimento de onda de 400 a 750 nm (4,0x10-7 a 7,5 x 10-7 m), enquanto a radiação infravermelha (IV), invisível, está no intervalo entre 750 nm a 1000000 nm (7,5 x10-7 a 1,0x10-3 m); a radiação ultravioleta (UV) está compreendida entre 10 e 400 nm (1,0x10-8 a 4,0x10-7 m). O espectro eletromagnético pode ser observado na figura 1. AULA 04 – ESTRUTURA ELETRÔNICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Figura 1: Espectro eletromagnético (Fonte: Brown, T. L., Química: a ciência central, 9ª ed.) O modelo atômico de Bohr funciona muito bem para explicar o espectro de emissão do átomo de hidrogênio, Figura 2. Figura 2: Três possíveis transições eletrônicas de um elétron no átomo de hidrogênio A coloração da luz emitida depende da variação de energia envolvida na transição eletrônica. Assim, durante a emissão de um fóton com comprimento de onda próximo de 700 nm, uma coloração avermelhada deve ser observada. De acordo com suas propriedades físicas e efeitos biológicos, parte da radiação UV é dividida em três sub-regiões: UVA de 315 a 400 nm, UVB de 280 a 315 nm e UVC de 100 a 280 nm. Quando a luz solar atravessa a atmosfera, toda radiação UVC e aproximadamente 90% da radiação UVB são absorvidas pela camada de ozônio, vapor de água, oxigênio e dióxido de carbono presentes na atmosfera. A radiação UVA é pouco afetada pela atmosfera, então a radiação UV que chega à superfície terrestre é composta majoritariamente por UVA e UVB. Comercialmente, lâmpadas que emitem radiação UV são chamadas de lâmpadas de luz negra. AULA 04 – ESTRUTURA ELETRÔNICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 A luminescência é definida como a emissão espontânea de luz como resultado de uma transição eletrônica. A luminescência é o nome do fenômeno mais genérico que engloba a fluorescência e a fosforescência. O início de um processo de luminescência envolve a absorção de um fóton por uma molécula/íon e, consequentemente, a produção de um estado eletronicamente excitado (Figura 3). Isto significa dizer que a molécula/íon absorveu uma quantidade discreta de energia, suficiente para promover um elétron de um nível inferior para um nível superior de energia. A energia do fóton deve coincidir com aquela correspondente à transição eletrônica. Como a molécula/íon não pode permanecer indefinidamente no estado excitado, a energia absorvida pode ser dissipada através dos seguintes processos: Fluorescência – emissão do fóton de luz e retorno ao estado fundamental, essencialmente ocorre somente enquanto a substância é irradiada pela fonte de excitação; Fosforescência – o elétron excitado decai para um nível intermediário de energia e ocorre emissão de radiação do nível intermediário ao estado fundamental, e um tempo de vida de emissão mais longo que a fluorescência; Reação fotoquímica – a molécula sofre algum tipo de reação no estado eletronicamente excitado. Figura 3: Processos de absorção, fluorescência e fosforescência. Os vegetais verdes, a água tônica, a vitamina B2, a casca dos ovos marrons e até mesmo os sabões em pó têm em comum o fato de possuírem substâncias fluorescentes em sua composição. Já os mostradores de relógios e enfeites de quartos exibem o fenômeno da fosforescência. De uma forma bastante simplificada, podem-se distinguir os fenômenos com relação ao tempo de emissão da radiação: enquanto na fluorescência a emissão é instantânea e cessa quando a fonte de energia é desligada, na fosforescência o efeito pode durar horas, depois de desligada a fonte de excitação. Outro exemplo de transições eletrônicas pode ser observado através do teste de chama, que é um ensaio utilizado em química analítica para detectar a presença de alguns cátions metálicos em amostras de compostos, baseando-se no espectro de emissão característico de cada elemento. Seu princípio consiste do fato de que quando um determinado elemento químico é expostoa uma quantidade de energia (para a chama, energia em forma de calor), parte dos elétrons da camada de valência recebe esta energia e avança para um nível de energia mais elevado, alcançando um estado conhecido com estado excitado. Ao retornar do estado excitado AULA 04 – ESTRUTURA ELETRÔNICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 para o estado anterior (estado fundamental), os elétrons liberam a energia recebida em forma de radiação. Nesse contexto, cada elemento químico libera radiação em um comprimento de onda característico, visto que a quantidade de energia demandada por um elétron ao ser excitado é diferente para cada elemento. Para produzir a decomposição de uma luz composta de várias cores (frequências) Isaac Newton utilizou um prisma, que desvia em diferentes ângulos de emergência cada cor (comprimentos de onda) ao ser atravessado pelo feixe composto (Figura 4). Portanto, através de um prisma, é possível decompor a luz policromática nas luzes monocromáticas que a formam. Figura 4: Decomposição da luz por prisma. (Fonte: Brown, T. L., Química: a ciência central, 9ª ed.) AULA 04 – ESTRUTURA ELETRÔNICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Parte prática Procedimento 1: Observação do fenômeno de fluorescência Materiais e reagentes 04 béqueres (25 mL) 01 bastão de vidro 01 lâmpada UV (luz negra) 01 filtro de linha Almofariz e pistilo Solução de fluoresceína 0,10 g L-1 Comprimido de complexo B Água tônica Água destilada Etanol Folhas de hortelã Procedimento experimental a) Em um almofariz macerar algumas folhas de hortelã com aproximadamente 10 mL de etanol até se obter uma solução de coloração intensa. Retirar as folhas de hortelã e transferir a solução para um béquer; b) Em um almofariz macerar ¼ de comprimido de complexo B com aproximadamente 30 mL de água destilada, transferindo posteriormente a solução para um béquer; c) Transferir, para um béquer, aproximadamente 10 mL de solução de fluoresceína; d) Transferir, para um béquer, aproximadamente 10 mL de água tônica; e) Após, incidir sobre cada amostra luz negra (UV) e observar as cores; Apagar a luz do ambiente para melhor visualização. e) Anotar as cores na Tabela 1 relacionando cada amostra à substância química responsável pelo fenômeno da fluorescência. Tabela 1: Cor observada para algumas amostras em presença de luz negra. Amostra Substância fluorescente Cor na ausência da luz UV Cor sob luz UV Hortelã Clorofila Complexo B Riboflavina Fluoresceína Fluoresceína Água tônica Quinina AULA 04 – ESTRUTURA ELETRÔNICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Procedimento 2: Análise do espectro da luz a partir do espectroscópio Materiais e reagentes 03 tubos de ensaio 01 lâmpada incandescente 03 pipetas de Pasteur Água destilada 01 pinça de madeira Solução de corante azul 01 espectroscópio de bolso Solução de corante vermelho Procedimento experimental Figura 5. Representação de um espectroscópio simples. Um espectroscópio é um instrumento destinado a separar os diferentes componentes de um espectro óptico. Constitui- se essencialmente de uma fenda situada no plano focal de um colimador, um prisma ou rede de difração e um anteparo (tela) onde se projeta (imagem real) o feixe dispersado a) Posicionar a câmera do dispositivo móvel (celular, smartphone ou tablete) em frente a abertura do espectroscópio; b) Em seguida posicionar o lado da caixa que possui a fenda na direção da lâmpada incandescente; c) Fazer fotos com a câmera, procurando registrar a melhor imagem. Salvar as fotos para posterior comparação (Espectro da lâmpada incandescente); d) Adicionar aproximadamente 10 mL de solução azul em um tubo de ensaio e posicionar o tubo de ensaio entre a lâmpada incandescente e a fenda do espectroscópio. Registrar a imagem observada; e) Fazer fotos com a câmera, procurando registrar a melhor imagem. Salvar as fotos para posterior comparação (Espectro de absorção da luz do corante azul); e) Repetir o procedimento “d” substituindo por uma solução vermelhal. Registar a imagem observada (Espectro de absorção da luz do corante vermelho); f) Finalmente, repetir os procedimentos “d” e “e” usando somente água destilada no tubo de ensaio; g) Registrar as observações na Tabela 2. Pedaço de CD Entrada de luz Imagem do espectro AULA 04 – ESTRUTURA ELETRÔNICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Tabela 2: Registro das observações dos espectros obtidos no procedimento 2. Amostra Observação sobre o espectro obtido Lâmpada incandescente Solução azul Solução vermelha Água Procedimento 3: Teste de chama Materiais e reagentes 01 tubo de ensaio 01 vidro de relógio 01 pinça de madeira 01 fio níquel-cromo Bico de Bunsen Solução aquosa de HCl 3 mol L-1 Amostra A (sal sólido) Amostra B (solução de um sal) Amostra C (solução de um sal) Observação: Os sais contêm os seguintes metais: ou lítio, ou cálcio ou cobre. Procedimento experimental • Acender o bico de Bunsen de modo a obter uma chama azulada, onde três zonas distintas podem ser observadas (Figura 6); • Prender o fio de níquel-cromo em uma garra de madeira. Após, molhar o fio numa solução de HCl 3 mol L-1 e aquecer na chama. Este procedimento tem por objetivo fazer a decapagem do fio de níquel-cromo; • Em seguida molhar novamente o fio na solução de HCl 3 mol L-1 e posteriormente encostar o mesmo no sal A. Colocar o fio de níquel-cromo na zona externa da chama do bico de Bunsen e observar a cor; • Para os sais “B” e “C”, borrifar as soluções contidas nos frascos diretamente na chama do bico de Bunsen; AULA 04 – ESTRUTURA ELETRÔNICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 • Registrar as observações na Tabela 4. Utilize da tabela 3 para a detecção dos íons metálicos presentes em cada um dos sais analisados. Tabela 3: Coloração típica das chamas em relação à presença de alguns cátions no estado excitado. (Fonte: Gracetto, et al) Elemento Coloração da chama Antimônio Azul-esverdeado Arsênio Azul Bário Verde-amarelado Cálcio Alaranjado Chumbo Azul Cobre Verde Estrôncio Vermelho-tijolo Lítio Carmin Potássio Violeta Sódio Amarelo Tabela 4: Registro das observações dos espectros obtidos no procedimento 3. Amostra Coloração da chama Metal detectado Sal A Sal B Sal C Figura 6. Representação do experimento do teste de chama. Local da chama onde se deve colocar o fio de Ni-Cr (zona de fusão) AULA 04 – ESTRUTURA ELETRÔNICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Referência bibliográfica 1. Brown, TL; LeMay Jr, HE; Bursten, BE e Burge, JR, Química: a ciência central, 9a ed, Pearson,São Paulo, SP, 2005. (ISBN: 978-85-78918-42-0) 2. Atkins, P., Jones, L., Laverman, L. Princípios de Química: Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente, 7ª edição, Editora Bookman, Porto Alegre, 2018. (ISBN: 978- 85-8260-462-5). 3. Nery, A. L. P., Fernandez, C. Fluorescência e Estrutura Atômica: Experimentos Simples para Abordar o Tema, Química Nova na Escola, nº 19, 2004, p. 53-56. 4. Gracetto, A.C., Hioka, N., Filho, O.S. Combustão, chamas e testes de chama para cátions: proposta de experimento, Química Nova na Escola, nº 23, 2006, p. 43-48. Exercícios para autoavaliação 1. Os modelos atômicos de Dalton e Thomson podem explicar o fenômeno da luminescência? Explique. 2. Em que medida o modelo de Bohr explica a luminescência? 3. Para deixar os fogos de artifício coloridos, os fabricantes misturam à pólvora sais de diferentes elementos para que, quando detonados, produzam cores diferentes. Considerando os subníveis energéticos abaixo representados, qual a cor emitida pelo estrôncio quando submetido à chama no bico de Bunsen.4. Por que cada sal apresenta uma emissão de cor diferente ao ser aquecido no bico de Bunsen? Explique. Constante de Planck = 6,63x10 -34 J s Velocidade da luz = 3,0x10 8 m s -1 1 nm = 10 -9 m AULA 05 - ESTEQUIOMETRIA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Aula 05 –Estequiometria Objetivos • Determinar a estequiometria de uma reação através do método das variações contínuas; • Determinar a fórmula mínima de um composto, através de reação química, usando o mesmo método mencionado acima. Introdução Quando uma reação química é realizada em um laboratório, é necessário que se conheça as quantidades de reagentes a serem utilizadas. Para isso torna-se essencial o conhecimento estequiométrico, onde as equações balanceadas fornecem dados que ajudam na determinação quantitativa dos reagentes e dos produtos numa dada equação. Uma equação química é a representação de uma reação química. Por exemplo, a reação da prata com ácido nítrico pode ser representada como: 3Ag(s) + 4HNO3(aq) → 3AgNO3(aq) + NO(g) + 2H2O(l) As fórmulas (espécies) à esquerda da seta representam os reagentes, a seta indica a formação das espécies à direita, que representam os produtos formados. Os números na frente de cada fórmula são os coeficientes estequiométricos e indicam os números relativos de átomos, moléculas ou fórmulas unitárias constituintes das substâncias, que participam da reação química. Nas equações químicas balanceadas, os números de cada tipo de átomo são iguais em ambos os lados da equação química. As equações químicas devem especificar o estado de agregação dos reagentes e produtos. Os símbolos do estado de agregação são letras comumente colocadas entre parênteses ao lado direito das fórmulas de cada espécie química. (aq) solução aquosa (g) gasoso (l) líquido (s) sólido Um dos conceitos mais importantes da estequiometria é a lei de conservação das massas: a massa total de produtos de uma reação química deve ser a mesma que a massa total de reagentes. Em uma reação, o reagente que é completamente consumido é chamado de reagente limitante, pois ele é que limita a quantidade de produto formado. Os outros reagentes são então chamados de reagentes em excesso e podem ser recuperados. AULA 05 - ESTEQUIOMETRIA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Um método simples para determinar a estequiometria é o método das variações contínuas ou método de Job. Consideremos a sua aplicação no caso de 2 substâncias “A” e “B”, que podem ser moléculas ou íons, com formação do composto AxBy. xA+yB ⟶ AxBy O problema consiste em determinar os valores de “x” e “y”. Para isso, devem ser efetuados diversos ensaios, misturando-se quantidades variáveis de A e B, de modo que a soma das concentrações iniciais, na mistura, seja sempre a mesma (mesmo número de mols total de A e B para um mesmo volume final de mistura, em todos os ensaios). A quantidade do produto formado em cada ensaio deve ser medida por algum processo adequado. O método baseia-se, portanto, em verificar em qual condição há maior quantidade de produto. A relação entre os números de mols de A e B fornece a relação entre x e y e, no caso particular da equação acima, também a fórmula do composto AxBy. O método da variação contínua é de aplicação ampla, podendo ser usado para diferentes tipos de sistemas. No caso da formação de um produto gasoso, pode-se medir o volume de gás obtido. Caso a reação seja a exotérmica, pode-se determinar a quantidade de calor liberada; em outros casos, pode-se utilizar uma série de métodos instrumentais para a determinação de alguma propriedade físico-química do sistema como, por exemplo, medidas potenciométricas, condutimétricas, dentre outras. Outro aspecto da estequiometria é a determinação da quantidade de um reagente consumido. Neste caso, o reagente deve ser totalmente consumido por um outro, cuja quantidade empregada na reação pode então ser determinada. A partir da quantidade do reagente gasto é possível obter a quantidade do produto formado. As técnicas frequentemente empregadas são: volumetria (titulação) e gravimetria (pesagem de sólidos, precipitados). AULA 05 - ESTEQUIOMETRIA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Parte prática Procedimento: Determinação da fórmula mínima de um composto e estequiometria de reação Materiais e reagentes 06 tubos de ensaio 01 bastão de vidro 02 pipetas graduadas de 10 mL solução aquosa “A” 01 pera (pipetador de borracha) solução aquosa “B” 01 régua Procedimento experimental • Colocar, em uma estante de tubos de ensaio, seis tubos e numerá-los (1 a 6). • Conforme Tabela 1, adicionar em cada tubo de ensaio as quantidades respectivas das soluções “A” e “B”. O volume deve ser medido com uma pipeta graduada de 10 mL. • Misturar as soluções adicionadas aos tubos de ensaio, com o auxílio de um bastão de vidro, e deixar decantar por aproximadamente 20 minutos. • Medir, com uma régua, a altura do precipitado em cada tubo. Tabela 1. Volume das soluções dos reagentes “A” e “B”, bem como altura do precipitado. • Construa um gráfico da altura dos precipitados formados em função dos volumes das soluções “A” e “B” e, com base nas observações e nesse gráfico, determine a fórmula mínima do composto formado na reação ocorrida entre as soluções “A” e “B”. • Determine a estequiometria da reação ocorrida. Tubo Volume de solução “A” (mL) Volume de solução “B” (mL) Altura do precipitado (cm) 1 1,0 6,0 2 2,0 5,0 3 3,0 4,0 4 4,0 3,0 5 5,0 2,0 6 6,0 1,0 AULA 05 - ESTEQUIOMETRIA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 xA+yB ⟶ AxBy x = _______ e y = _______ AULA 05 - ESTEQUIOMETRIA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Referência bibliográfica 1. Brown, TL; LeMay Jr, HE; Bursten, BE e Burge, JR, Química: a ciência central, 9a ed, Pearson,São Paulo, SP, 2005. (ISBN: 978-85-78918-42-0) 2. Atkins, P., Jones, L., Laverman, L. Princípios de Química: Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente, 7ª edição, Editora Bookman, Porto Alegre, 2018. (ISBN: 978- 85-8260-462-5). Exercícios para autoavaliação 1. Conhecendo os reagentes presentes na solução “A” e na solução “B” escreva as equações químicas, completa e iônica, que representam a reação ocorrida. 2. Qual é o nome do precipitado formado na reação química? 3. Indique qual é o reagente limitante e em excesso em cada tubo. AULA 06 - SOLUÇÕES LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Aula 06 – Soluções: preparo e diluição Objetivos • Reconhecer as vidrarias volumétricas utilizadas no preparo de soluções; • Fazer cálculos da quantidade de reagentes sólidos ou líquidos necessários para o preparo de soluções; • Preparar soluções a partir de reagentes sólidos e líquidos; • Fazer cálculos envolvendo a diluição de soluções; • Preparar soluções através da diluição. Introdução No nosso cotidiano, vários dos produtos comercializados em supermercados e farmácias são soluções. Por exemplo, vinagre é muito usado como condimento que proporciona gosto e aroma aos alimentos e para conservar. O vinagre é uma solução aquosa de ácido acético, com acidez de no mínimo 4%. No laboratório e na indústria química, a maior parte das reações são feitas empregando-se soluções ou misturas de líquidos. Uma solução é uma mistura homogênea de duas ou mais substâncias. O componente que se apresenta em menor quantidade é chamada de soluto. Por outro lado, solvente é o componente em maior quantidade na solução. O termo concentração é usado para expressar a quantidade de soluto dissolvido em uma certa quantidade de solução ou de solvente. Quando preparamos uma solução, é comum preparar um determinado volume de solução com uma concentração definida de soluto. Por exemplo, preparamos 100 mL de uma solução de sulfato de cobre de umadeterminada concentração. Para isso, precisamos calcular qual a massa de sulfato de cobre que deve ser usada. As principais maneiras de se expressar a concentração em química são listados abaixo: Concentração em massa (C - g.L-1) C = m V Onde m = massa do soluto (g) V = volume da solução (L) AULA 06 - SOLUÇÕES LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Concentração em quantidade de matéria (molaridade - c – mol.L-1) 𝑀𝑜𝑙𝑎𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 = 𝑛 𝑉 𝑀𝑜𝑙𝑎𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 = 𝑚 𝑀 𝑉 Onde n = quantidade de matéria (em mols) m = massa do soluto (g) V = volume da solução (L) M = massa molar do soluto ( g mol-1) Fração mássica (percentual) Usualmente expressa como percentual peso/peso ou massa/massa (% p/p ou % m/m: massa em gramas de soluto em 100g de solução), percentual peso/volume ou massa/volume (% p/v ou % m/v: massa em gramas de soluto em 100 mL de solução) e percentual volume/volume (% v/v: volume em mL de soluto em 100 mL de solução). Partes por milhão (ppm) e partes por bilhão (ppb) Partes por milhão (ppm) representa quantas partes do soluto existem em um milhão de partes da solução. Por exemplo 1 mg de soluto em 1 kg de solução corresponde a 1 ppm. Partes por bilhão (ppb) representa quantas partes do soluto existem em um bilhão de partes da solução. Grau de pureza de um reagente Nenhum reagente apresenta 100 % de pureza. Os reagentes de alta pureza apresentam teores próximos a 100 %, informação esta que é encontrada no rótulo do reagente. Existem reagentes com teores diversos e essa informação deve ser levada em consideração para os cálculos na preparação de soluções. Por exemplo, o ácido sulfúrico concentrado possui 98 % em massa de ácido sulfúrico, e a solução de ácido clorídrico possui 37 % em massa de ácido clorídrico (37 g de HCl em 100 g de solução). Preparo de soluções As soluções podem ser insaturadas, saturadas ou supersaturadas. Esta classificação está relacionada com a quantidade de soluto dissolvido. Para defini-las, é preciso lembrar que a solubilidade de um soluto é a quantidade máxima da substância que pode dispersar-se numa certa massa de solvente a uma dada temperatura. AULA 06 - SOLUÇÕES LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Quanto ao estado físico, as soluções podem ser sólidas, líquidas ou gasosas. As soluções que serão preparadas nesta aula são líquidas, onde o solvente é a água. Prepararemos uma solução onde o soluto é um sólido e uma solução onde o soluto já está previamente dissolvido em água. As vidrarias volumétricas comumente usadas na preparação de soluções são o balão volumétrico e as pipetas (graduadas ou volumétricas). A leitura do volume é de fundamental importância neste processo. Lembre-se que a leitura do menisco deve ser feita na altura dos olhos para evitar o erro de paralaxe. Quando o soluto é um sólido, seguimos as seguintes etapas para a preparação de uma solução (Figura 1): 1. Pesar o soluto; 2. Dissolver o soluto em um béquer usando uma pequena quantidade de solvente; 3. Transferir quantitativamente para o balão volumétrico; 4. Completar o volume com o solvente; 5. Homogeneizar a solução; 6. Padronizar a solução, quando necessário; 7. Guardar as soluções em recipientes adequados e rotulados. Figura 1: Esquema de preparo de uma solução cujo soluto é um sólido 0.000 g (1) (2) (3) (4) (5) Lavar o béquer Transferência quantitativa AULA 06 - SOLUÇÕES LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Quando o soluto está em uma fase líquida, seguimos as etapas abaixo e representadas na Figura 2. 1. Medir o volume do soluto; 2. Transferir quantitativamente para o balão volumétrico; 3. Completar o volume com o solvente; 4. Homogeneizar a solução; 5. Padronizar a solução, quando necessário; 6. Guardar as soluções em recipientes adequados e rotulados. Figura 2: Esquema de preparo de uma solução cujo soluto está na fase líquida Diluição de soluções Diluir uma solução significa adicionar a ela mais solvente, não alterando a massa do soluto. O princípio básico da diluição é a que a quantidade de soluto é a mesma na alíquota da solução concentrada e na solução diluída final. Por exemplo, utilizando a concentração em quantidade de matéria (molaridade): MiVi = MfVf (1) (2) (3) (4) AULA 06 - SOLUÇÕES LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 A diluição de soluções deve seguir a seguinte ordem: 1. Medir o volume da solução concentrada a ser diluída; 2. Transferir quantitativamente para o balão volumétrico; 3. Completar o volume com o solvente; 4. Homogeneizar a solução; 5. Padronizar a solução, se necessário; 6. Guardar as soluções em recipientes adequados e rotulados. Parte prática Procedimento 1: Preparo de solução a partir de um soluto sólido Preparação de 100 mL de solução de hidróxido de sódio 0,1 mol.L-1 Materiais e reagentes 01 béquer (50 mL) Hidróxido de sódio P.A. 01 bastão de vidro Água destilada 01 balão volumétrico (100 mL) Balança 01 funil de vidro 01 espátula Procedimento experimental • Calcular a massa de NaOH necessária para preparação da solução. Qual a massa de NaOH a ser pesada para preparar 100 mL de solução de hidróxido de sódio 0,1 mol.L-1? Apresente os cálculos. • Pesar a quantidade calculada em um béquer de capacidade apropriada; • Adicionar aproximadamente 10 mL de água destilada ao béquer contendo o NaOH e dissolver o sólido com o auxílio de um bastão de vidro; • Transferir quantitativamente esta solução para um balão volumétrico de 100 mL com o auxílio do funil de vidro; • Efetuar pelo menos 4 lavagens do béquer e do funil de vidro com, no máximo, 10 mL de água destilada em cada lavagem, transferindo sempre para o balão volumétrico; • Completar o volume do balão volumétrico com água destilada até o traço de aferição; • Homogeneizar a solução; AULA 06 - SOLUÇÕES LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 • Rotular a solução e guardá-la para uso posterior. Expresse a concentração da solução de NaOH em % (p/v ou m/v). Procedimento 2: Preparo de solução a partir de um soluto na fase líquida Preparação de 100 mL de solução de ácido clorídrico 0,1 mol.L-1 Materiais e reagentes 01 pipeta graduada (1 mL) Ácido clorídrico P.A. 01 balão volumétrico (100 mL) Água destilada 01 pera (pipetador) Procedimento experimental Atenção: Devido a liberação de vapores de HCl(g), o manuseio de soluções concentradas de HCl deve ser efetuado na capela de exaustão. Nunca coloque água sobre o ácido concentrado. O calor produzido pela diluição pode causar a ebulição da água e consequentemente projeção de líquido. Verta o ácido sobre a água lentamente e sob agitação constante. • Calcular o volume de HCl concentrado necessário para preparação da solução. Qual o volume de HCl P.A a ser medido para preparar 100 mL de solução de ácido clorídrico 0,1 mol.L-1? Apresente os cálculos. Dados: Densidade da solução de HCl (37 %) = 1,19 g/mL Teor = 37 % (p/p) AULA 06 - SOLUÇÕES LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 • Com o auxílio de uma pipeta de volume apropriado, medir o volume de HCl concentrado calculado e transferir para um balão volumétrico de 100 mL, já contendo um pouco de água; • Adicionar, aos poucos, água destilada até completar o volume até o traço de aferição; • Homogeneizar a solução; • Rotular a solução e guardá-la para uso posterior. Procedimento 3: Diluição da solução de CuSO4 1,0 mol.L-1 Materiais e reagentes 01 pipeta volumétrica (10 mL) Solução de CuSO4 1,0 mol.L-1 01 balão volumétrico (100 mL) Água destilada 01 pera (pipetador) Procedimentoexperimental • Medir, com o auxílio de uma pipeta volumétrica 10,0 mL da solução de CuSO4 1,0 mol.L-1 recém preparada; • Transferir para um balão volumétrico de 100 mL; • Completar com água até o traço de aferição do balão volumétrico; • Homogeneizar a solução; • Rotular a solução e guardá-la para uso posterior. Qual a concentração da solução de CuSO4 diluída? Apresente os cálculos. AULA 06 - SOLUÇÕES LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Referência bibliográfica 1. Brown, TL; LeMay Jr, HE; Bursten, BE e Burge, JR, Química: a ciência central, 9a ed, Pearson,São Paulo, SP, 2005. (ISBN: 978-85-78918-42-0) 2. Atkins, P., Jones, L., Laverman, L. Princípios de Química: Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente, 7ª edição, Editora Bookman, Porto Alegre, 2018. (ISBN: 978- 85-8260-462-5). 3. Lenzi, E.; Favero, L.O.B.; Tanaka, A.S.; Vianna Filho, E. A.; Silva, M.B.; Gimenes, M.J.G. Química Geral Experimental, Editora Freitas Bastos, Rio de Janeiro, 2004. (ISBN: 85-353-0217-4). 4. Rocha-Filho, R.; da Silva, R.R. Cálculos Básicos da Química, 2ª edição, EdUFSCar, São Carlos, 2010. (ISBN: 978-85-7600-227-7). Exercícios para autoavaliação 1. Qual a massa de dextrose (C6H12O6) deve ser pesada para preparar 250 mL de uma solução de concentração 0,3 mol.L-1? 2. Por que usamos o balão volumétrico no preparo de soluções? Por que não podemos simplesmente medir o volume do solvente (em outra vidraria) e adicionar o soluto para preparar uma solução? 3. Seria possível usar uma pipeta volumétrica para medir o HCl no procedimento 2? 4. Qual a concentração em massa (g.L-1) da solução diluída de sulfato de cobre preparada no procedimento 3? 5. Qual o volume de uma solução de hidróxido de amônio (NH4OH) com teor de 25 % e densidade 0,91 g.mL-1 (20 oC) é necessário para preparar 50 mL de uma solução 0,75 mol.L-1? 6. Qual a molaridade de uma solução de HCl a 37 % (p/p), sabendo-se que a densidade do HCl é 1,19 g.mL-1? 7. A água do mar contém 2,7 % de sal (cloreto de sódio) (%m/v). Qual a molaridade de NaCl no oceano? AULA 07 – PROPRIEDADES FÍSICAS LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Aula 07 – Propriedades físicas e químicas das substâncias Objetivos • Reconhecer as diferentes propriedades das substâncias; • Compreender que as substâncias possuem propriedades que permitem distingui-las; • Avaliar os materiais com base em suas propriedades físicas e químicas. Introdução As substâncias podem ser caracterizadas por diferentes tipos de análises. A partir disso pode-se, então, atribuir suas diferentes propriedades. Por exemplo, as substâncias podem ter propriedades organolépticas, que podem ser percebidas por nossos sentidos, isto é: cheiro, sabor, cor, brilho, entre outras. Propriedades como massa e volume, são denominadas propriedades gerais, pois não possibilitam determinar qual é a substância em análise. Já algumas propriedades físicas e químicas são denominadas de propriedades específicas porque podem ser utilizadas para descobrir qual é a substância química em questão. Alguns exemplos são mostrados na Figura 1. Figura 1: Exemplos de substâncias químicas e suas propriedades. AULA 07 – PROPRIEDADES FÍSICAS LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Uma propriedade física pode ser medida ou observada sem alterar a composição química de uma substância. Coloração, dureza, ponto de fusão, ponto de ebulição, densidade são exemplos de propriedades físicas. As propriedades químicas estão relacionadas com a capacidade de uma substância se transformar em outra. A corrosividade, inflamabilidade, acidez, basicidade, solubilidade e toxicidade são exemplos de propriedades químicas. As propriedades físicas podem ser classificadas como propriedades extensivas e intensivas. Uma propriedade extensiva depende da quantidade de matéria. Por exemplo, a massa e o volume são propriedades extensivas. Uma propriedade intensiva não depende da quantidade de matéria, como por exemplo o ponto de fusão e a densidade. A densidade é uma grandeza intensiva e é uma das propriedades mais utilizadas na identificação dos materiais e na separação de misturas. Por exemplo, nos postos de combustíveis os densímetros permitem que o consumidor comprove a qualidade da gasolina que está sendo vendida; as cooperativas de leite usam de recurso semelhante para verificar se o leite não foi adulterado; quase todas as atividades mineradoras usam esta propriedade para separar minérios; empresas recicladoras de plásticos provenientes de coleta seletiva de lixo usam água para separar plásticos mais densos de plásticos menos densos. O conceito de densidade é muito mais amplo que o resultado de uma operação aritmética de divisão entre massa e o volume de uma substância. Ele está relacionado, por exemplo, aos conceitos de compressão e empacotamento dos átomos. Quanto maior for o empacotamento dos átomos, mais densa é a substância. Da mesma forma, quanto maior for a compressão sobre um objeto, maior será a sua densidade. Para determinar a densidade de um corpo sólido, que tem forma geométrica regular, pode-se recorrer a expressões matemáticas para o cálculo do volume. Se o Figura 2: Aparelhos para a determinação de densidade: (A) – picnômetro e (B) – densímetro. A B AULA 07 – PROPRIEDADES FÍSICAS LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 corpo sólido tiver forma geométrica irregular, o volume pode ser obtido com base no método de deslocamento do líquido (princípio de Arquimedes). Para determinar a densidade de um líquido pode-se utilizar do procedimento semelhante ao da determinação da densidade de sólidos, ou seja, conhecendo a massa e o volume do líquido, Figura 2A, ou medir diretamente utilizando densímetros com escalas apropriadas, Figura 2B. Outra propriedade das substâncias de grande importância refere-se às mudanças de estado físico, que são mostradas na Figura 3. Figura 3: Representação das mudanças de estado físico. Sólidos cristalinos são compostos de átomos, íons, ou moléculas num padrão geométrico altamente ordenado (matriz cristalina). Os átomos, íons ou moléculas são mantidos em suas posições por forças eletrostáticas, forças de London e/ou dipolo-dipolo. Quando um sólido puro cristalino é aquecido, os átomos, íons ou moléculas vibram mais e mais rapidamente até que numa temperatura definida o movimento térmico das partículas torna-se suficientemente grande para sobrepor as forças de atração. Então os átomos, íons ou moléculas atingem a um estado mais desordenado, o estado líquido. O ponto de fusão (p.f.), Figura 4A, é definido como a temperatura em que o primeiro cristal começa a fundir até a temperatura em que o último cristal desaparece (passagem do estado sólido para o estado líquido). Assim sendo o p.f. é, na verdade, uma faixa de fusão. Termodinamicamente, o p.f. é a temperatura na qual a pressão de vapor na fase sólida é igual à pressão de vapor na fase líquida, ou seja, quando estas duas fases estão em equilíbrio. A faixa de fusão de compostos puros é de 0,5 a 1,0ºC. Um sólido impuro funde em uma temperatura mais baixa e em uma faixa mais ampla do que o mesmo composto puro. Ademais, é conhecido que, se a substância estiver impura, a temperatura AULA 07 – PROPRIEDADES FÍSICAS LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 de fusão pode variar de 3,0 a 5,0oC do valor teórico. Para misturas, a temperatura de fusão sofre uma variação maior do que 5,0oC. Assim, o ponto de fusão de um sólido é útil tanto na identificação de uma substância como também é uma indicação de sua pureza. Conforme um líquido é aquecido, a pressão de vapor do líquido aumenta até o ponto onde ela se iguala à pressão aplicada (normalmente a pressão atmosférica). Neste ponto observa-se a ebulição do líquido. O ponto de ebuliçãonormal é medido a 760 mm Hg. Em uma pressão mais baixa, a pressão de vapor necessária para ocorrer a ebulição também será mais baixa, e o líquido entrará em ebulição a uma temperatura menor. Em outras palavras, o ponto de ebulição (p.e.), Figura 4B, pode ser definido como a temperatura na qual a pressão do vapor do líquido é igual à pressão externa na superfície do líquido. O ponto de ebulição (a uma determinada pressão) é uma propriedade característica de um líquido puro, da mesma maneira que o ponto de fusão é uma propriedade característica de um sólido cristalino puro. Entretanto, ao se determinar o ponto de ebulição a pressão deve sempre ser registrada, ao contrário das determinações de pontos de fusão. A B Figura 4: Esquema para determinação do (A) ponto de fusão e (B) ponto de ebulição. AULA 07 – PROPRIEDADES FÍSICAS LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Parte prática Procedimento 1: Determinação da densidade de um sólido Materiais e reagentes Esfera metálica paquímetro balança digital proveta de 10,00 mL água destilada Procedimento experimental a) Pesar a esfera metálica, disponível em sua bancada, e anotar a massa na Tabela 1. b) Medir o diâmetro da esfera, utilizando um paquímetro, e anotar o valor. c) Calcular então o volume da esfera, a partir da expressão matemática adequada ao formato da amostra, e anotar o valor na Tabela 1. Tabela 1: Massa e volume da esfera metálica Massa (g) Volume (cm3) d) Adicionar, CUIDADOSAMENTE, a esfera metálica a uma proveta contendo 5,00 mL de água e anotar a variação de volume. e) Calcular a densidade da esfera metálica a partir do uso do paquímetro e pelo princípio de Arquimedes, anotando os valores na Tabela 2. Tabela 2: Densidade da esfera metálica Paquímetro Arquimedes Você esperaria que os valores de densidade fossem idênticos? Justifique a sua resposta. Calcule o erro relativo do procedimento acima e informe se ele é aceitável. Procedimento 2: Determinação da densidade de líquidos Materiais e reagentes 01 picnômetro de 50 mL água destilada 01 béquer de 100 mL etanol P.A. 01 termômetro de álcool balança digital AULA 07 – PROPRIEDADES FÍSICAS LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Procedimento experimental a) Em um béquer de 100 mL, adicionar aproximadamente 80 mL de água destilada. b) Com o auxílio de um termômetro, medir a temperatura da água (T = ºC). c) Pesar cuidadosamente o picnômetro (com seu tubo capilar) seco e vazio (mP). d) Encher completamente o picnômetro com a água destilada do béquer. Tampar o picnômetro de maneira que o excesso de água escorra pelo capilar. Verificar se bolhas de ar não ficaram aprisionadas no interior do picnômetro. Se isso ocorrer, remova-as e preencha-o novamente. Enxugar com papel toalha as paredes externas do picnômetro. e) Pesar o picnômetro cheio com água (m1 – picnômetro + amostra). Depois descartar a água na pia. Atenção: cuidado para não sujar ou engordurar as paredes externas do picnômetro e para evitar que o líquido mude de temperatura com relação à ambiente. f) Posteriormente, lavar três vezes o picnômetro com um pequeno volume de etanol para remover os resíduos de água do seu interior. Descartar as alíquotas. g) Encher com o etanol, tomando os mesmos cuidados descritos no item “d”. h) Pesar o picnômetro cheio com etanol (m1 – picnômetro + amostra). i) Recolher o etanol no frasco indicado pelo professor. Tabela 3: Dados obtidos para determinação da densidade de líquidos amostra mP (g) m1 (g) massa da amostra (g) volume da amostra (mL) densidade (g/mL) H2O CH3CH2OH Tabela 4: Densidade da água em diferentes temperaturas. T(ºC) d (g/cm3) T(ºC) d (g/cm3) 10 0,999700 20 0,998203 11 0,999605 21 0,997992 12 0,999498 22 0,997770 13 0,999377 23 0,997538 14 0,999244 24 0,997296 15 0,999099 25 0,997044 16 0,998943 26 0,996783 17 0,998774 27 0,996512 18 0,998595 28 0,996232 19 0,998405 29 0,995944 AULA 07 – PROPRIEDADES FÍSICAS LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Compare os resultados experimentais com os teóricos e avalie as possíveis fontes de erro. Consulte o valor da densidade do etanol no rótulo do frasco do reagente. Procedimento 3: Determinação do ponto de fusão de uma amostra desconhecida Materiais e reagentes 01 béquer de 100 mL Suporte universal 01 termômetro de álcool Garra 01 tubo de ensaio Bico de Bunsen Água destilada Tela de amianto Procedimento experimental a) Montar o sistema para a determinação do ponto de fusão, da amostra fornecida, conforme a Figura 6. Figura 6: Esquema da aparelhagem para determinação do ponto de fusão b) Adicionar uma pequena quantidade da amostra desconhecida no tubo de ensaio e fixá-lo com uma garra no suporte universal. c) Adicionar 50 mL de água destilada no béquer. d) Aquecer o sistema gradualmente (aproximadamente 10°C/minuto, no início, e 2- 3°C/minuto quando chegar próximo do possível ponto de fusão), observando cuidadosamente a amostra. e) Determinar o ponto de fusão da amostra fornecida. AULA 07 – PROPRIEDADES FÍSICAS LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 A temperatura deve ser registrada quando a primeira gota de líquido se formar (temperatura de fusão inicial) e quando os últimos cristais de sólido desaparecem (temperatura de fusão final). O ponto de fusão pode ser expresso como: Faixa de temperatura de fusão = temperatura de fusão inicial até temperatura de fusão final ou como uma média: Ponto de fusão = (temperatura de fusão final)+(temperatura de fusão inicial) 2 f) Consultar a Tabela 5 para identificar a substância analisada. Tabela 5: Ponto de fusão de algumas substâncias Substância Ponto de fusão (°C) Ácido Palmítico 62,9 2,4-dinitrotolueno 70,0 Acetanilida 113,7 Ácido benzóico 122,1 Amostra desconhecida = ___________________________ Procedimento 4: Avaliação da cor e solubilidade de um sal inorgânico em função do grau de hidratação Materiais e reagentes 01 estante com tubos de ensaio Bico de Bunsen Espátula Sulfato de cobre penta hidratado Álcool metílico P.A. água destilada Procedimento experimental 1-Avaliação da cor a) Transferir uma pequena quantidade de CuSO4‧5H2O para um tubo de ensaio e aquecer na chama de um bico de Bunsen. Observar a variação de cor. b) Após a temperatura do tubo retornar à condição ambiente, adicionar algumas gotas de água destilada e observar novamente. AULA 07 – PROPRIEDADES FÍSICAS LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 2-Avaliação da solubilidade a) Em um tubo de ensaio contendo uma pequena quantidade do sal azul, adicionar 2 mL de álcool metílico P.A e testar a solubilidade. b) Em outro tubo de ensaio, transferir uma pequena quantidade do sal azul e aquecer até o desaparecimento da cor. Adicionar 2 mL de álcool metílico P.A e testar novamente a solubilidade. Explique por que o sal azul é mais solúvel em metanol do que o sal branco. Referências bibliográficas 1. Brown, TL; LeMay Jr, HE; Bursten, BE e Burge, JR, Química: a ciência central, 9a ed, Pearson,São Paulo, SP, 2005. (ISBN: 978-85-78918-42-0) 2. Atkins, P., Jones, L., Laverman, L. Princípios de Química: Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente, 7ª edição, Editora Bookman, Porto Alegre, 2018. (ISBN: 978- 85-8260-462-5). 3. Lenzi, E.; Favero, L.O.B.; Tanaka, A.S.; Vianna Filho, E. A.; Silva, M.B.; Gimenes, M.J.G. Química Geral Experimental, Editora Freitas Bastos, Rio de Janeiro, 2004. (ISBN: 85-353-0217-4). Exercícios para autoavaliação 1. Um prego com alguns gramas afunda ao ser colocado em água. Explique porque um navio com muitas toneladas de ferro não afunda na água do mar. 2. Se você tivesse uma mistura qualquer de água e etanol, entre quais valores a densidade poderia ser encontrada? Justifique a sua resposta. 3. A determinação do ponto de fusão de uma mistura pode nos levar a acreditar que se trata de um composto puro? Explique. 4. Qual seria o efeito no ponto de fusão observado experimentalmente se a amostra fosse: AULA 07 – PROPRIEDADES FÍSICAS LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 a. pobremente empacotada b. aquecida rapidamente 5. Informe se a frase abaixo está correta, justificando a sua resposta: “A cor de um composto deve-se a um fator físico, mas a variação da cor pode ocorrer devido a um fator químico” AULA 08 – CONDUTIVIDADE ELÉTRICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Aula 08 – Condutividade elétrica Objetivos • Reconhecer substâncias que são condutoras elétricas; • Compreender as condições para que haja condução de eletricidade; • Comprovar, experimentalmente, que algumas substâncias conduzem a corrente elétrica; • Relacionar a condutividade elétrica com as ligações químicas presentes nas substâncias. Introdução Por que os diversos materiais podem ter usos e comportamentos tão diferentes? A partir das propriedades macroscópicas, chegamos à idealização de modelos (propriedades microscópicas) que melhor expliquem os diferentes comportamentos das substâncias. Através destas propriedades macroscópicas abaixo destacadas podemos explicar as ligações químicas nos compostos. Nesta aula, vamos apenas analisar a condutividade elétrica, uma propriedade físico- química importante, observada para algumas substâncias. As propriedades elétricas dos materiais constituem importantes características que determinam suas aplicações. A eletricidade ligada à matéria tem a ver com a propriedade de um determinado material em conduzir a corrente elétrica. A manifestação desta propriedade pode ser verificada pela medida da condutividade elétrica que difere de um material de outro. Alguns Ligação Química Condutividade Elétrica Térmica PolaridadeSolubilidade AULA 08 – CONDUTIVIDADE ELÉTRICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 materiais são bons condutores elétricos, outros não, e podem ser classificados como condutores, semicondutores ou isolantes, Figura 1. (A) (B) Figura 1: A – Faixa de condutividade de diferentes classes de materiais. B – Estrutura de bandas eletrônicas para diferentes tipos de materiais. 1ª Lei de Ohm: a corrente elétrica (I) que percorre um circuito é diretamente proporcional voltagem (V) aplicada e inversamente proporcional à resistência total do circuito (R). 𝐼 = 𝑉 𝑅 As unidades para V, I e R são, respectivamente, volt (J/C), ampère (C/s) e ohm (V/A). 2ª Lei de Ohm: a resistividade elétrica (ρ) é independente da geometria da amostra e está relacionada a R: 𝜌 = 𝑅 𝐴 ℓ “ℓ” é a distância entre os dois pontos onde é medida a voltagem e “A” é a área da seção reta perpendicular à direção da corrente. A unidade de ρ é Ω.m. Condutividade elétrica (σ): é o inverso da resistividade, ou seja: 𝜎 = 1 𝜌 (Ω 𝑚)−1 O Siemens (S) é uma unidade do Sistema Internacional de Unidades (SI) que mede a condutividade elétrica e equivale ao inverso do ohm (Ω). Portanto a unidade de condutividade elétrica pode também ser expressa como S.m-1. A corrente elétrica pode ser entendida como o movimento ordenado de partículas eletricamente carregadas que circulam por um condutor, quando entre as extremidades desse condutor há uma diferença de potencial, ou seja, tensão. Em outras palavras, a tensão elétrica pode ser entendida como uma "força" responsável pela movimentação de elétrons. Os elétrons e a corrente elétrica não são visíveis a olho nu, mas podemos comprovar sua existência conectando, AULA 08 – CONDUTIVIDADE ELÉTRICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 por exemplo, uma lâmpada a um terminal de geração de corrente elétrica. Caso exista uma diferença de potencial entre os terminais do filamento de uma lâmpada, esta brilhará se ocorrer a circulação de uma corrente elétrica. Uma corrente se origina do fluxo de elétrons, o que é conhecido como condução eletrônica. Na condução iônica, o movimento de íons carregados é o que produz uma corrente. Este tipo de condução é observada em compostos iônicos. Condutividade em soluções iônicas A condutividade de soluções iônicas tem importância prática e fundamental. Sua importância prática deriva do desenvolvimento de dispositivos eletroeletrônicos e, enquanto a relevância fundamental reside estudo das propriedades dos íons em solução. Os eletrólitos são substâncias que em um meio de elevada constante dielétrica, como a água, dissociam-se em íons cátions e ânions que se movem na solução em direções opostas, estabelecendo a corrente elétrica. O íon positivo (cátion) é atraído pelo polo negativo (catodo) e o íon negativo (ânion) é atraído pelo polo positivo (anodo). A dissociação iônica pode ser total ou parcial. Na Figura 2 vemos uma representação simplificada de uma célula eletrolítica. Figura 2: Representação simplificada de uma célula eletrolítica A condutividade em uma solução eletrolítica depende do número de íons em solução e da mobilidade destes íons. Uma solução que não tenha nenhum íon não conduz eletricidade. A água pura tem íons em uma concentração muito baixa, portanto, tem uma certa condutividade, na ordem de μS cm-1. Quando eletrólitos são adicionados, a condutividade naturalmente aumenta. A condutividade não aumenta sempre na mesma proporção da concentração devido às interações entre íons na solução. Por exemplo, o fluxo de íons de carga positiva na direção do eletrodo negativo tende a aumentar a concentração de íons próximos ao eletrodo. Este aumento repele os próprios íons, diminuindo o fluxo, e portanto, a corrente. A dependência da condutividade com a concentração, portanto, geralmente tem um perfil semelhante ao apresentado na Figura 3. + - + - AULA 08 – CONDUTIVIDADE ELÉTRICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Figura 3: Perfil típico da condutividade de uma solução em função da concentração de eletrólito Existem dois tipos de eletrólitos; o eletrólito forte, que corresponde a uma substância completamente dissociada/ionizada em solução, caso do KCl (cloreto de potássio) e do HCl (ácido clorídrico), e o eletrólito fraco, caso do CH3COOH (ácido acético), que corresponde a uma substância parcialmente ionizada em solução. Quando a condutividade é medida para eletrólitos fracos, o grau de ionização é determinante. Um eletrólito fraco monoprótico participa de um equilíbrio de ionização do tipo HA(aq) ⇌ H+(aq) + A- (aq) Define-se o grau de ionização (α), ou porcentagem de ionização, por 𝛼 = [𝐴−] [𝐻𝐴] + [𝐴−] onde [HA] + [A-] = CA é a concentração total do eletrólito. Quanto maior o grau de ionização, mais forte é o ácido. Em geral, consideramos um ácido fraco quando o grau de ionização é menor que 5 %. Nos ácidos fortes, o α pode chegar a valores próximos a 100 %. A condutividade elétrica de uma substância depende da natureza da mesma, ou seja, da natureza das ligações químicas. Além disso, a condutividade elétrica também depende do estado físico das substâncias, ou seja: sólido, líquido ou se está em solução. Por exemplo, o NaCl (cloreto de sódio) no estado sólido (Figura 4A), é cristalino e os íons Na+ e Cl- estão em posições relativamente fixas e por isso não é em bom condutor. Quando o NaCl é aquecido até sua fusão, observa-se que este composto torna-se um condutor pois os íons apresentam mobilidade no C o n d u ti vi d ad e Concentração AULA 08 – CONDUTIVIDADE ELÉTRICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 estado líquido. O NaCl quando dissolvidoem água, apresenta-se dissociado: os cátions e ânions estão solvatados por moléculas de água (Figura 4B) e podem se mover na solução, e por isso esta solução é condutora. (A) (B) Figura 4: Representação do NaCl: A - estado sólido e B – em solução aquosa. O aparelho utilizado para medida da condutividade é o condutivímetro, muito empregado, por exemplo, na análise da qualidade da água, já que é possível relacionar a presença de minerais através da condutividade. Vários tipos de montagens podem ser construídas para estudar, experimentalmente, a condutividade elétrica das soluções. A Figura 5 mostra um tipo de montagem simples, com dois fios elétricos, uma lâmpada, um suporte para a lâmpada, dois eletrodos, um plug e um recipiente para colocar as soluções/amostras a serem analisadas. Figura 5: Montagem para verificação da condutividade elétrica (condutivímetro) 110 V béquer lâmpada líquido fios condutores AULA 08 – CONDUTIVIDADE ELÉTRICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Parte prática Procedimento 1: Condutividade elétrica de sólidos Materiais e reagentes 01 condutivímetro 01 lâmpada incandescente de 7 W 01 espátula de metal sacarose (C12H22O11) 01 prego cloreto de sódio (NaCl) 01 pedaço de madeira 02 vidros de relógio 01 pedaço de plástico Procedimento experimental a) Conectar uma lâmpada incandescente de 7 W e ligar o condutivímetro na tomada de 110 V, como esquematizado na Figura 5; b) Colocar os fios metálicos em contato com o prego deixando-os afastados por aproximadamente 3 cm um do outro; c) Desligar o dispositivo e realizar a limpeza dos eletrodos; d) Anotar suas observações na Tabela 1; e) Repetir o mesmo procedimento descrito em b), c) e d) para as outras amostras. Tabela 1: Condutividade elétrica em amostras sólidas. Amostra Conduz corrente elétrica? Explicação dos resultados Prego Madeira Plástico NaCl C12H22O11 Procedimento 2: Condutividade elétrica em líquidos Materiais e reagentes 01 condutivímetro água destilada 01 espátula de metal sacarose (C12H22O11) 01 lâmpada incandescente 7 W cloreto de sódio (NaCl) 04 béqueres (50 mL) etanol AULA 08 – CONDUTIVIDADE ELÉTRICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Procedimento experimental a) Adicionar em cada um dos 4 béqueres, disponíveis sobre sua bancada, as seguintes substâncias: • Béquer 1: 20 mL de água destilada; • Béquer 2: 20 mL de etanol P.A; • Béquer 3: uma ponta de espátula com sacarose em 20 mL de água destilada; • Béquer 4: uma ponta de espátula com cloreto de sódio em 20 mL de água destilada. b) Conectar uma lâmpada incandescente de 7 W e ligar o condutivímetro na tomada de 110 V; c) Mergulhar os eletrodos do condutivímetro em cada um dos béqueres, deixando-os afastados por aproximadamente 3 cm um do outro; d) Desligar o dispositivo e realizar a limpeza dos eletrodos entre cada medida; e) Anotar os resultados na Tabela 2. Tabela 2: Condutividade elétrica em amostras líquidas Amostra Conduz corrente elétrica? Explicação dos resultados Água destilada Etanol Solução aquosa de sacarose Solução aquosa de NaCl Procedimento 3: Verificação da força de ácidos através da condutividade elétrica Materiais e reagentes 01 condutivímetro água destilada 01 lâmpada incandescente de 7 W solução aquosa de ácido acético 0,5 mol.L-1 (CH3COOH) 02 béqueres (50 mL) solução aquosa de HCl 0,1 mol.L-1 Procedimento experimental a) Conectar a lâmpada de 7 W no condutivímetro e ligar o aparelho na tomada de 110 V. b) Em seguida, adicionar em cada um dos 2 béqueres, disponíveis sobre sua bancada, as seguintes soluções: • Béquer 1: 10 mL de solução de ácido acético 0,5 mol.L-1 • Béquer 2: 10 mL de solução de ácido clorídrico 0,1 mol.L-1 AULA 08 – CONDUTIVIDADE ELÉTRICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 c) Mergulhar os eletrodos do condutivímetro no béquer 1, deixando-os afastados por aproximadamente 3 cm um do outro; d) Anotar os resultados na Tabela 3; e) Desligar o dispositivo e realizar a limpeza dos eletrodos; f) Repetir os procedimentos c), d) e e) para a solução contida no béquer 2. Tabela 3: Força ácida através da condutividade Soluções ácidas Intensidade da luminosidade Conduz corrente elétrica? Explicação CH3COOH 0,5 mol.L-1 HCl 0,1 mol.L-1 Procedimento 4: Efeito da concentração na condutividade elétrica de soluções aquosas Materiais e reagentes 01 condutivímetro água destilada 01 lâmpada incandescente de 7 W solução aquosa de ácido acético 0,5 mol.L-1 (CH3COOH) 03 béqueres (50 mL) solução aquosa de NaCl 0,5 mol.L-1 02 balões volumétricos (50 mL) 01 pipeta graduada (10 mL) Procedimento experimental a) Conectar a lâmpada de 7 W no condutivímetro e ligar o aparelho na tomada de 110 V; b) Adicionar em um béquer de 50 mL, 40 mL de solução de NaCl 0,5 mol.L-1 e verificar a condutividade; c) Anotar na tabela 4 a intensidade da luminosidade da lâmpada: (+++) – intensidade mais forte, (++) – intensidade média, (+) – intensidade mais fraca; d) Desligar o dispositivo e realizar a limpeza dos eletrodos; e) Com o auxílio de uma pipeta graduada, transferir 5 mL da solução contida no béquer do item “b” (NaCl 0,5 mol.L-1) para um balão volumétrico de 50 mL e completar o volume com água destilada (1ª diluição); AULA 08 – CONDUTIVIDADE ELÉTRICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 f) Adicionar em um béquer de 50 mL, 40 mL de solução de NaCl (1ª diluição) e verificar a condutividade; g) Anotar na tabela 4 a intensidade da luminosidade da lâmpada. Desligar o dispositivo e realizar a limpeza dos eletrodos; Cálculo da concentração de NaCl (1ª diluição) h) Com o auxílio de uma pipeta graduada, transferir 10 mL da solução diluída 1 (item f) para um balão volumétrico de 50 mL e completar o volume com água destilada (2ª diluição); i) Adicionar em um béquer de 50 mL, 40 mL de solução de NaCl (2ª diluição) e verificar a condutividade; j) Anotar na tabela 4 a intensidade da luminosidade da lâmpada. Desligar o dispositivo e realizar a limpeza dos eletrodos. Cálculo da concentração de NaCl (2ª diluição) Tabela 4: Condutividade elétrica em função da concentração. Solução de NaCl Concentração (mol l-1) Intensidade da luminosidade da lâmpada Concentrada 1ª diluição 2ª diluição Por que as soluções apresentam diferentes intensidades de luminosidade? AULA 08 – CONDUTIVIDADE ELÉTRICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Procedimento 5: Condutividade elétrica em uma reação química Materiais e reagentes 01 condutivímetro solução aquosa de NH4OH 0,5 mol.L-1 01 lâmpada incandescente 7 W solução aquosa de ácido acético 0,5 mol.L-1 (CH3COOH) 01 béqueres (100 mL) indicador azul de bromotimol 01 pipeta de Pasteur suporte universal Agitador magnético garras Procedimento experimental a) Adicionar em um béquer, 5,0 mL de solução de hidróxido de amônio (NH4OH) 0,5 mol.L-1 e adicionar 2 gotas de azul de bromotimol; b) Anotar a cor da solução; c) Posicionar o béquer sobre o agitador magnético e inserir a barra de agitação na solução; d) Fixar os eletrodos do condutivímetro com auxílio de garras em um suporte universal de modo que fiquem submersos na solução; e) Conectar a lâmpada de 7 W no condutivímetro e ligar o aparelho na tomada de 110 V; f) Observar a intensidade da luminosidade da lâmpada do condutivímetro. Anotar; g) Adicionar gota a gota a solução de ácido acético 0,5 mol.L-1. Observar o que ocorre com a luminosidade da lâmpada do condutivímetro. Anotar; h) Continuar a adiçãode ácido acético 0,5 mol.L-1 até a mudança de coloração da solução. Por que o comportamento da intensidade da luminosidade da lâmpada antes da reação e após a adição de solução de ácido acético? Escreva a equação química para a reação química ocorrida. AULA 08 – CONDUTIVIDADE ELÉTRICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Referências bibliográficas 1. Brown, TL; LeMay Jr, HE; Bursten, BE e Burge, JR, Química: a ciência central, 9a ed, Pearson,São Paulo, SP, 2005. (ISBN: 978-85-78918-42-0) 2. Atkins, P., Jones, L., Laverman, L. Princípios de Química: Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente, 7ª edição, Editora Bookman, Porto Alegre, 2018. (ISBN: 978- 85-8260-462-5). D., CALLISTER,, W. e RETHWISCH, David G.. Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais - Abordagem Integrada, 4ª edição. Disponível em: Grupo GEN, Grupo GEN, 2014. Exercícios para autoavaliação 1. Qual a diferença entre condutividade eletrônica e condutividade iônica? 2. O cobre tem uma resistividade de 1,7 × 10-8 Ω m e o quartzo de 7,5 × 1015 Ω m. Qual destas substâncias tem maior condutividade elétrica? Explique a diferença de condutividade no cobre e quartzo com base nas ligações químicas. 3. Qual solução apresenta maior condutividade elétrica (1) solução de NH4OH 1,0 mol.L-1 ou (2) solução de NaOH 1,0 mol.L-1? Justifique sua resposta. AULA 09 – EQUILÍBRIO QUÍMICO LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Aula 09 – Equilíbrio químico Objetivos • Compreender o conceito de estado de equilíbrio químico; • Compreender o significado da constante de equilíbrio e sua representação; • Conhecer os principais fatores que afetam o estado de equilíbrio; • Empregar o princípio de Le Châtelier no deslocamento do equilíbrio químico; • Conhecer aplicações práticas sobre equilíbrios químicos. Introdução Em nosso cotidiano muitos sistemas se caracterizam como um equilíbrio químico. A formação de estalactites e as lentes fotocromáticas dos óculos são exemplos que estão relacionados à reversibilidade das reações químicas. As reações químicas são, em alguns casos, reações reversíveis que se processam em maior ou menor extensão. As reações químicas tendem para um estado de equilíbrio, chamado equilíbrio químico. Podemos analisar o equilíbrio químico do ponto de vista cinético ou termodinâmico. Aqui trabalharemos a abordagem cinética, ou seja, quando uma reação química começa a ocorrer, os reagentes são consumidos e começam a desaparecer com uma certa velocidade (v1), levando à formação do (s) produto(s), Figura 1. No momento em que começa a aparecer o(s) produto(s), num sistema fechado, estes começam a reagir entre si com uma velocidade (v2) muito pequena (no início v2 = zero) no sentido de regenerar os reagentes. Quando a velocidade v1 tende a diminuir, a velocidade v2 tende a crescer. Quando as duas velocidades forem iguais, isto é, v1 = v2, alcançamos o estado de equilíbrio. Este estado de equilíbrio é expresso por uma constante de equilíbrio, que estabelece quando v1 = v2. Figura 1: Variação das velocidades de reação em função do tempo numa reação química. (Adaptada de Brown, TL, et al. Química: a ciência central, 9a ed). AULA 09 – EQUILÍBRIO QUÍMICO LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Vamos analisar o seguinte exemplo: v1 H2(g) + I2(g) ⇌ 2HI(g) v2 Misturamos hidrogênio (H2) e iodo (I2) os quais vão reagir e produzir o produto, ácido iodídrico (HI). No momento da mistura (t=0) dá-se início à reação com velocidade v1 (máxima) que é diretamente proporcional à concentração dos dois reagentes. Ou seja: v1 ∝ [H2][I2] Introduzindo o conceito de constante de velocidade, k1: v1 = k1[H2][I2] No momento em que se começa a formar o produto HI, inicia-se a reação para formar (H2) e (I2) com uma velocidade v2. De forma semelhante: v2 ∝ [HI]2 v2 = k2[HI]2 Quando alcançado o estado de equilíbrio, v1 = v2, então: k1[H2][I2] = k2[HI]2 k1 k2 = K = [HI]2 [H2] [I2] K = Constante de equilíbrio O equilíbrio químico ocorre quando as reações opostas acontecem em velocidades iguais, e, portanto, é um estado dinâmico. O estado de equilíbrio é expresso pela constante de equilíbrio K. O valor da constante de equilíbrio (K) depende da temperatura e da estequiometria da reação. Para uma reação: aA + bB ⇌ cC + dD K = [C]c[D]d [A]a[B]b Para a reação de hidrogênio (H2) e iodo (I2) formando HI, na temperatura de 425 oC, temos que o valor da constante de equilíbrio é 55,64 (K é adimensional). [HI]2 [H2][I2] = K = 55,64 Vamos admitir que seja colocado em um balão fechado H2 e I2 suficiente para que as concentrações de cada um sejam iguais a 0,0175 mol.L-1, na temperatura acima informada. Com o decorrer do tempo, as concentrações de H2 e I2 diminuem, a de HI aumenta, e se atinge um estado de equilíbrio. Se os gases no balão forem analisados, encontra-se [H2] = [I2] = 0,0037 mol.L- 1 e [HI] = 0,0276 mol.L-1. Substituindo esses valores na expressão de equilíbrio, temos: AULA 09 – EQUILÍBRIO QUÍMICO LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 [HI]2 [H2][I2] = (0,0276)2 (0,0037)(0,0037) = 56 A razão acima terá sempre esse valor para experiências realizadas a 425 ºC. O equilíbrio químico pode ser classificado quanto ao tipo de sistema ou quanto à natureza dos reagentes e produtos em equilíbrio. Quanto ao tipo de sistema: ✓ Equilíbrio homogêneo: trata-se de um equilíbrio constituído de uma única fase. A síntese da amônia (processo Haber-Bosch), a partir do nitrogênio e hidrogênio, é um exemplo de equilíbrio homogêneo, onde todos os constituintes estão na fase gasosa. N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) ✓ Equilíbrio heterogêneo: trata-se de um sistema em equilíbrio constituído por mais de uma fase. A decomposição térmica do carbonato de cálcio (CaCO3) ilustra um equilíbrio heterogêneo. CaCO3(s) ⇌ CaO(s) + CO2(g) Quanto à natureza das partículas em equilíbrio: ✓ Equilíbrio molecular: trata-se de um sistema em equilíbrio constituído somente por moléculas. A dimerização do dióxido de nitrogênio (NO2), ilustra o equilíbrio molecular. 2NO2(g) ⇌ N2O4(g) ✓ Equilíbrio iônico: trata-se de um sistema em equilíbrio, no qual há pelo menos um íon presente na reação. A conversão de cromato em dicromato é um exemplo de equilíbrio iônico. 2CrO4 2−(aq) + 2H3O+(aq) ⇌ Cr2O7 2−(aq) + 3H2O(l) Atenção: Os sólidos puros nos equilíbrios heterogêneos e os líquidos puros e solventes não entram na expressão da constante de equilíbrio. Vejam as reações e suas respectivas constantes de equilíbrio, explicitadas abaixo: 𝑃𝑏𝐶𝑙2(𝑠) ⇌ 𝑃𝑏2+(𝑎𝑞) + 2𝐶𝑙−(𝑎𝑞) 𝐾 = [𝑃𝑏2+][𝐶𝑙−]2 𝐻2𝑂(𝑙) + 𝐶𝑂3 2−(𝑎𝑞) ⇌ 𝑂𝐻−(𝑎𝑞) + 𝐻𝐶𝑂3 −(𝑎𝑞) 𝐾 = [𝑂𝐻−][𝐻𝐶𝑂3 −] [𝐶𝑂3 2−] AULA 09 – EQUILÍBRIO QUÍMICO LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Isso pode ser explicado pelo fato de que a concentração de um líquido ou sólido puro tem um valor constante, de modo que apenas as concentrações de substâncias que variam na reação química são consideradas na expressão de constante de equilíbrio. Outra explicação é baseada no conceito de atividade (aJ), que está relacionado ao desvio do comportamento ideal de gases e soluções devido às forças intermoleculares atuantes. Como pode ser visto na Tabela 1, a atividade de uma substância J é dada por regras empíricas e se trata de uma grandeza adimensional. Tabela 1. Atividade (aJ) de uma substância J com diferentes características. Substância Atividade Forma simplificada Gás ideal 𝑎𝐽 = 𝑃𝐽 𝑃0 𝑎𝐽 = 𝑃𝐽 Soluto em uma solução diluída 𝑎𝐽 = [𝐽] 𝑐0 𝑎𝐽 = [𝐽] Sólido ou líquidos puros 𝑎𝐽 = 1 𝑎𝐽 = 1 Onde P = pressão, P0 = pressão-padrão = 1 bar, c0= molaridade-padrão = 1,0 mol.L-1. Como observado naTabela 1, a atividade de sólidos e de líquidos puros equivale a unidade e, desta forma, é suprimida do cálculo da constante de equilíbrio. Quanto maior o valor de K, maiores são as concentrações de produtos em relação às dos reagentes no equilíbrio químico. Em princípio, cada reação química é uma reação de duplo sentido, mas se o ponto de equilíbrio favorecer grandemente os reagentes, dizemos que não há reação. Se o ponto de equilíbrio favorecer muito a formação dos produtos, dizemos que a reação é completa. Para cada um destes dois extremos é difícil medir experimentalmente as concentrações de todos os reagentes e produtos em equilíbrio. No primeiro caso (reagentes grandemente favorecidos), a concentração dos produtos é praticamente zero (insignificante). No segundo caso (produtos grandemente favorecidos), nenhuma quantidade significativa de reagentes será produzida quando os produtos forem misturados. Então quando o equilíbrio favorece fortemente os produtos, a reação parece deslocar apenas em uma direção: reagentes → produtos. Quase todas as reações químicas consomem ou liberam energia na forma de calor (são designadas, respectivamente, reações endotérmicas e exotérmicas). Para essas reações podemos entender a energia como se fosse um reagente ou produto. Assim, a adição de energia ao sistema (por aquecimento) ou a sua remoção (por resfriamento) pode produzir um deslocamento do ponto de equilíbrio químico. As concentrações de reagentes e produtos sofrem alterações para refletir esse novo equilíbrio. Reação endotérmica: Reagentes + calor ⇌ produtos Reação exotérmica: Reagentes ⇌ produtos + calor AULA 09 – EQUILÍBRIO QUÍMICO LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 O estado de equilíbrio de um sistema pode ser alterado por variações da concentração, temperatura, pressão e volume. Esse comportamento pode ser resumido pelo princípio geral, enunciado pela primeira vez em 1884 pelo químico francês Henri Louis Le Châtelier, que prediz: “Uma reação química que tem seu equilíbrio deslocado por uma mudança nas condições (concentrações, temperatura, pressão, volume) prossegue em busca de um novo estado de equilíbrio na direção que atenua, pelo menos parcialmente estas mudanças”. No exemplo da reação de formação do HI, ao se adicionar iodo no sistema em equilíbrio, a velocidade no sentido direto (v1) será aumentada. Quando o novo equilíbrio é restabelecido, [I2] e [HI] serão mais elevadas e [H2] será mais baixa, porém K terá o mesmo valor. Em um equilíbrio de íons, a adição de espécies químicas pode contemplar íons que já existam no sistema ou não. Se o íon adicionado já existe no equilíbrio (íon comum), seu comportamento será como na adição de qualquer substância que já existe na reação. Se for adicionada alguma espécie que não esteja no sistema e ela reagir com alguma espécie presente no equilíbrio, devemos estudar o efeito da diminuição da concentração desta segunda substância. Se a substância adicionada não reagir no equilíbrio, seu acréscimo não modificará o sistema. Parte prática Procedimento 1: Efeito da concentração de H+ no equilíbrio cromato/dicromato Materiais e reagentes 03 tubos de ensaio Solução aquosa de K2CrO4 0,05 mol.L-1 01 estante de tubos de ensaio Solução aquosa de K2Cr2O7 0,05 mol.L-1 Solução aquosa de HCl 1,0 mol.L-1 Solução aquosa de NaOH 1,0 mol.L-1 Procedimento experimental 2CrO4 2−(aq) + 2H+(aq) ⇌ Cr2O7 2−(aq) + H2O(l) • Separar 3 tubos de ensaio. • No tubo 1, adicionar 15 gotas de solução de cromato de potássio (K2CrO4) e anotar a cor. • No tubo 2, adicione 15 gotas de solução de dicromato de potássio (K2Cr2O7) e anote também a cor. • No tubo 3, adicione 10 gotas de solução de K2CrO4 e 10 gotas de uma solução de ácido clorídrico (HCl). Compare a cor desta solução com a cor dos tubos 1 e 2. AULA 09 – EQUILÍBRIO QUÍMICO LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 • Ainda no tubo 3, adicionar 15 gotas de uma solução de hidróxido de sódio (NaOH). Homogeneizar a solução e comparar a cor com a dos tubos 1 e 2 (levar em consideração a diluição ocorrida). Explique o que ocorreu com o equilíbrio químico no tubo 3, após a adição de uma base. Procedimento 2: Efeito da concentração de íon comum (íon acetato). Materiais e reagentes 01 bastão de vidro 01 vidro de relógio 01 tubo de ensaio Solução aquosa de CH3COOH 0,5 mol.L-1 01 estante de tubos de ensaio Acetato de sódio sólido (CH3COONa) 01 espátula metálica Papel indicador universal Procedimento experimental CH3COOH(aq) + H2O(l) ⇌ CH3COO−(aq) + H3O+(aq) • Em um tubo de ensaio, adicionar 10 gotas de solução de ácido acético (CH3COOH) 0,5 mol.L-1; • Mergulhar o bastão de vidro na solução do tubo de ensaio e tocar no papel indicador universal; • Comparar a cor do papel indicador universal com a escala na bancada. Anote o valor de pH; • Em seguida, adicionar ao tubo de ensaio uma pequena quantidade de acetato de sódio sólido (CH3COONa). Verificar novamente o pH. pH inicial = __________________ pH final = __________________ AULA 09 – EQUILÍBRIO QUÍMICO LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Por que houve variação do pH? Explique o que ocorreu baseado no Princípio de Le Châtelier. Procedimento 3: Efeito da concentração de íon comum (íon amônio). Materiais e reagentes 01 bastão de vidro 01 vidro de relógio 01 tubo de ensaio Solução aquosa de NH4OH 0,5 mol.L-1 01 estante de tubos de ensaio Cloreto de amônio sólido (NH4Cl) 01 espátula metálica Papel indicador universal Procedimento experimental NH3(aq) + H2O(l) ⇌ NH4 + (aq) + OH−(aq) • Em um tubo de ensaio, adicionar 10 gotas de solução de hidróxido de amônio (NH4OH) 0,5 mol.L-1; • Mergulhar o bastão de vidro na solução do tubo de ensaio e tocar no papel indicador universal; • Comparar a cor do papel indicador universal com a escala na bancada. Anote o valor de pH; • Em seguida, adicionar ao tubo de ensaio uma pequena quantidade de cloreto de amônio sólido (NH4Cl). Verificar novamente o pH. pH inicial = __________________ pH final = __________________ Por que houve variação do pH? Explique o que ocorreu baseado no Princípio de Le Châtelier. AULA 09 – EQUILÍBRIO QUÍMICO LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Procedimento 4: Efeito da temperatura na dimerização do NO2. Materiais e reagentes Tripé pinça de madeira 01 tubo de ensaio com tampa tela de amianto 01 béquer de 250 mL bico de Bunsen 01 espátula metálica cuba de vidro para banho de gelo 01 bastão de vidro Cobre metálico em aparas solução de HNO3 6 mol.L-1 Procedimento experimental 2NO2(g) ⇌ N2O4(g) ΔH < 0 Marrom Incolor • Colocar 02 (duas) pequenas aparas de cobre metálico dentro de um tubo de ensaio; • Adicionar 30 gotas de ácido nítrico 6 mol.L-1 (aproximadamente 1,5 mL). Fechar o tubo de ensaio imediatamente a adição do ácido; • Em seguida, colocar o tubo fechado em um banho de água quente e observar o gás formado, Figura 2; • Por último, colocar o tubo de ensaio em um banho de gelo e observar novamente o que acontece. A reação de obtenção do gás NO2 está representada pelas equações química a seguir: 3Cu(s) + 8HNO3(aq) → 3Cu(NO3)2 + 2NO(g) + 4H2O(l) 2NO(g) + O2(g) ⇌ 2NO2(g) Por que a diminuição de temperatura mudou a cor do sistema de marrom para incolor? Figura 2: Obtenção do gás NO2. AULA 09 – EQUILÍBRIO QUÍMICO LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Procedimento 5: Efeito da concentração de íons prata no equilíbrio de formação do cromato de prata. Materiais e reagentes 01 tubo de ensaio Solução aquosa de K2CrO4 0,05 mol.L-1 01 bastão de vidro Solução aquosa de AgNO3 0,1 mol.L-1 Solução aquosa de NaCl0,1 mol.L-1 Procedimento experimental K2CrO4(aq) + 2AgNO3(aq) ⇌ Ag2CrO4(s) + 2KNO3(aq) • Em um tubo de ensaio, adicionar 10 gotas de solução de cromato de potássio 0,05 mol.L-1 e em seguida 10 gotas de solução de nitrato de prata 0,1 mol.L-1. Anote as suas observações. ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ • Ao mesmo tubo, adicionar 5 gotas de solução de cloreto de sódio 0,1 mol.L-1 e observar as mudanças. ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ Explique o que acontece com o equilíbrio após adição de solução de NaCl. AULA 09 – EQUILÍBRIO QUÍMICO LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Referências bibliográficas 1. Brown, TL; LeMay Jr, HE; Bursten, BE e Burge, JR, Química: a ciência central, 9a ed, Pearson,São Paulo, SP, 2005. (ISBN: 978-85-78918-42-0) 2. Atkins, P., Jones, L., Laverman, L. Princípios de Química: Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente, 7ª edição, Editora Bookman, Porto Alegre, 2018. (ISBN: 978- 85-8260-462-5). 3. Callister Jr., W. D e RETHWISCH, D. G. Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais - Abordagem Integrada, 4ª edição, Grupo GEN, 2014. 4. Kotz, C.J.; Treichel, P.Jr., Química e Reações Químicas, 3ª Edição, Editora LTC, Rio de Janeiro, RJ, 1998. 5. Postma, J. M.; Roberts, J. L. Jr.; Hollenberg, J. L., Química no Laboratório, 5ª Edição, Editora Manole Ltda, 2009 (ISBN: 978-85-204-1456-9). 6. Ferreira, L.H.; Hartwing, D.H.; Rocha-Filho, R.C.; Algumas experiências simples envolvendo o Princípio de Le Châtelier, Química Nova na Escola, N° 5, maio,1997. Exercícios para autoavaliação 1. Escreva as expressões das constantes de equilíbrio para as seguintes reações: 2CrO4 2−(aq) + 2H+(aq) ⇌ Cr2O7 2−(aq) + H2O(l) CH3COOH(aq) + H2O(l) ⇌ CH3COO−(aq) + H3O+(aq) NH3(aq) + H2O(l) ⇌ NH4 + (aq) + OH−(aq) CrO4 2−(aq) + 2𝐴𝑔+(aq) ⇌ Ag2CrO4(s) 2. Como as seguintes variações afetam o valor da constante de equilíbrio para uma reação exotérmica na fase gasosa? a) Remoção de um reagente ou produto; b) Diminuição da temperatura. 3. Considere o seguinte equilíbrio químico: [Co(H2O)6]2+(aq) + 4Cl−(aq) ⇌ [CoCl4]2−(aq) + 6H2O(l) ΔH > 0 rosa claro azul escuro Qual a cor apresentada pelo sistema quando: a) A temperatura é elevada? b) Adicionamos um excesso de íons cloreto no sistema? AULA 10 – ÁCIDOS E BASES LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Aula 10 – Ácidos e bases: pH e indicadores Objetivos • Verificar e calcular o pH de soluções de ácidos e bases fortes de concentrações conhecidas; • Comparar os valores de pH de soluções ácidas e básicas de diferentes forças, mas com as mesmas concentrações; • Avaliar o caráter ácido-base de soluções salinas. Introdução As substâncias químicas apresentam comportamentos diferenciados frente a um sistema. Isso decorre do fato de que cada substância possui características e propriedades específicas. É possível, no entanto, reuni-las em grupos em que as propriedades químicas são semelhantes. Esses grupos denominam-se funções químicas, classificadas em orgânicas e inorgânicas. As quatro principais funções químicas inorgânicas são: ácidos, bases, sais e óxidos. Ácidos e bases podem ser considerados substâncias químicas perigosas, porém são encontrados em nosso cotidiano e podem ser menos agressivos do que se imagina. Estas substâncias fazem parte da composição, por exemplo, de refrigerantes, alimentos, remédios, produtos de higiene e cosméticos. São ainda matérias primas indispensáveis em um vasto universo de aplicações industriais. Por exemplo, a produção de ácido sulfúrico e soda cáustica de um país é considerada um dos indicadores do seu nível de atividade econômica. Em 2004, foram consumidos cerca de 180 milhões de toneladas de ácido sulfúrico (H2SO4) no mundo todo. O ácido sulfúrico é empregado em indústrias de fertilizantes, metalúrgicas, farmacêuticas entre outras. Em 2020, foram produzidas 850 mil toneladas de hidróxido de sódio (NaOH) no Brasil. O hidróxido de sódio é usado principalmente nas indústrias petroquímicas e de papel. Ácidos e bases são comumente encontrados nos organismos de diversos seres vivos. Por exemplo, o ácido metanoico (CH2O2) é um dos mais simples ácidos orgânicos. Este é AULA 10 – ÁCIDOS E BASES LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 também denominado de ácido fórmico (do latim, formica), uma vez que este ácido foi isolado pela primeira vez através da destilação do corpo de uma formiga. Existem várias definições para ácido e base: Arrhenius, Brønsted-Lowry e Lewis. Na definição de Arrhenius, os ácidos são substâncias que em meio aquoso aumentam a concentração de íons H+. Da mesma forma, as bases são substâncias que em meio aquoso aumentam a concentração de íons OH-. No entanto, tal definição explica o comportamento ácido-base apenas em meio aquoso, deixando de lado algumas reações reconhecidamente do tipo ácido-base, que ocorrem em meio gasoso ou em outros solventes, como a reação entre ácido clorídrico e amônia, demonstrada a seguir: HCl(g) + NH3(g) → NH4Cl(s) Na prática não existe a teoria que seja considerada correta ou errada, na verdade uma teoria pode ser capaz de explicar um número maior de fenômenos em relação à outra sendo, portanto, mais completa. A reação acima, por exemplo, é explicada pelas teorias de Brønsted-Lowry (protônica) e de Lewis (eletrônica). Forças relativas dos ácidos e das bases Os ácidos e bases podem ser classificados como fortes ou fracos de acordo com a sua capacidade de formar íons em solução. Um ácido forte está completamente desprotonado em solução enquanto um ácido fraco está parcialmente desprotonado. Por exemplo, o ácido clorídrico (HCl) é um ácido forte e completamente ionizado em água: HCl(g) + H2O(l) ⟶ H3O+(aq) + Cl−(aq) HCl/Cl- e H3O +/H2O são pares ácido-base conjugados O ácido acético é um ácido fraco, pois somente uma pequena fração está desprotonada em solução aquosa: CH3COOH(aq) + H2O(l) ⇌ CH3COO−(aq) + H3O+(aq) Para o ácido em questão, o equilíbrio abaixo é estabelecido: AULA 10 – ÁCIDOS E BASES LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Ka = [CH3COO−][H+] [CH3COOH] Ka é a constante de dissociação ácida, quanto menor o valor de Ka, menor a força do ácido. De maneira semelhante, o hidróxido de sódio é uma base forte, pois está completamente dissociado em água. Por outro lado, a amônia é uma base fraca: NH3(aq) + H2O(l) ⇌ NH4 + (aq) + OH−(aq) Kb = [NH4 +][OH−] [NH3] Kb é a constante de dissociação básica, quanto menor o valor de Kb, menor a força da base. Na Figura 1, temos uma escala das forças relativas de alguns pares ácido-base conjugados. Autoionização da água A água pode se comportar como um ácido de Brønsted-Lowry tanto como uma base de Brønsted-Lowry dependendo das circunstâncias. Uma molécula de água pode doar um próton para outra molécula de água promovendo o seguinte equilíbrio químico: 2H2O(l) ⇌ H3O+(aq) + OH−(aq) Esse equilíbrio é chamado de autoionização da água e sua constante de equilíbrio é denominada Kw, constante do produto iônico da água. Na temperatura de 25 oC, o Kw tem o valor de 1,0 × 10-14. Kw = [H3O+][OH−] = 1,0 × 10−14 (25 oC) A escala de pH pH = −log[H+] A escala de pH é muito utilizada para expressar a concentração de íons H+, pois em geral essa concentração é muito baixa. A 25 oC, o pH de uma solução ácida ([H+] > 1,0 × 10-7 mol L-1) é menor que 7 e de uma solução básica ([H+] < 1,0 × 10-7 mol L-1) é maior que 7. Aplicando-se a função (-log) na expressão da constantedo produto iônico da água (Kw): −logKw = −log[H3O+] − log[OH−] pKw = pH + pOH Figura 1: Forças relativas de alguns pares ácido-base conjugados. (Adaptada de Brown, TL, et al. Química: a ciência central, 9a ed) AULA 10 – ÁCIDOS E BASES LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Logo: pH + pOH = 14 Como mostrado na Figura 2, quanto menor o valor de pH e maior o valor de pOH, mais ácida é a solução. Figura 2: Escala de pH e pOH Indicadores de pH Várias substâncias apresentam cores em solução aquosa. Algumas substâncias, além de apresentarem cor, podem ser usadas como indicadores de pH, pois a cor varia com o pH da solução. A primeira teoria sobre os indicadores, dita teoria iônica dos indicadores, é creditada a Wilhelm Ostwald (1894), tendo como base a teoria da dissociação eletrolítica iônica dos indicadores. Segundo esta teoria, os indicadores são bases ou ácidos fracos cuja cor das moléculas não dissociadas difere da cor dos respectivos íons. O comportamento de um indicador do tipo ácido (HIn) é descrito pelo equilíbrio abaixo: Neste caso as alterações que ocorrem nas moléculas do indicador causam a mudança de coloração delas. Para um indicador do tipo básico (In), o equilíbrio é descrito pela reação a seguir: A teoria cromófora oferece uma explicação única para a mudança de cor de um indicador ácido-base: "A coloração das substâncias se deve à presença de certos grupos de átomos ou de ligações duplas nas moléculas". A teoria cromófora explica a mudança de coloração dos indicadores como devida a um reagrupamento molecular determinado pela variação das condições de pH do meio, que define o surgimento ou desaparecimento de “grupos cromofóricos”. Veja abaixo a estrutura química dos indicadores alaranjado de metila e fenolftaleína, na forma ácida e alcalina (Figura 3). HIn (aq) + H2O(l) In- (aq) + H3O +(aq) cor ácida cor básica In (aq) + H2O(l) InH+ (aq) + OH-(aq) cor básica cor ácida 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 pH ácido básiconeutro AULA 10 – ÁCIDOS E BASES LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Figura 3: Estrutura química do alaranjado de metila e da fenolftaleína. A Tabela 1 apresenta as faixas de pH das variações de cor para alguns indicadores ácido-base. Tabela 1: Faixa de viragem de cor de alguns indicadores ácido-base (Adaptado de Atkins, P., Jones, L., Laverman, L. Princípios de Química, 7ª ed.) Soluções aquosas ou alcoólicas de indicadores podem ser utilizadas diretamente em uma pequena quantidade da solução a ser testada, caso esta seja incolor, aplicando-se algumas poucas gotas e observando-se a coloração obtida. Em soluções coloridas, o uso de indicadores cromóforos AULA 10 – ÁCIDOS E BASES LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 pode ser prejudicado, sendo necessário então o uso de pHmetros, num sistema com eletrodos sensíveis à concentração de íons H+. Papéis indicadores de pH Estão disponíveis no comércio papéis de teste de pH, que vêm impregnados com um ou mais indicadores. Para se ter uma ideia aproximada do pH, coloca-se uma gota da solução a ser testada em uma tira do papel, e a cor resultante é comparada com um código de cores. Alguns papéis de teste são impregnados com diversos corantes, e trazem na embalagem uma escala de cores abrangendo a escala de pH, de 0 até 14 (Figura 4). Figura 4: Papel indicador universal O papel de tornassol é muito usado para a avaliação qualitativa do pH de uma solução, indicando apenas se a solução é ácida ou básica. Abaixo de pH 4,7 o tornassol é vermelho e acima de pH 8,3 o tornassol é azul. Quando uma solução ácida é gotejada sobre um papel de tornassol azul, este torna-se vermelho (no papel vermelho nada acontece). Quando uma solução básica é gotejada sobre um papel de tornassol vermelho, este torna-se azul (no papel azul nada acontece). Indicador Coloração em meio ácido Coloração em meio básico Ponto de viragem Tornassol 4,7-8,3 AULA 10 – ÁCIDOS E BASES LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Parte prática Procedimento 1: Avaliação qualitativa do pH de um ácido e uma base forte com PAPEL DE TORNASSOL Materiais e reagentes 01 bastão de vidro Solução aquosa de HCl 0,1 mol.L-1 03 tubos de ensaio Solução aquosa de NaOH 0,1 mol.L-1 01 estante de tubos de ensaio Papel de tornassol vermelho Papel de tornassol azul Procedimento experimental • Separar 3 tubos de ensaio. Em cada um deles adicionar 10 gotas das amostras especificadas na Tabela 2. • Mergulhar o bastão de vidro na solução de HCl 0,1 mol.L-1 contida no tubo de ensaio. Umedecer o papel de tornassol com o líquido. Anotar as observações na Tabela 2. • Lavar o bastão de vidro. • Repetir o mesmo procedimento com as outras amostras, utilizando-se do papel de tornassol azul. • Calcular o pH das soluções de HCl e NaOH, e avaliar os resultados obtidos. Tabela 2: Resultados obtidos usando o papel de tornassol. Amostra Cor do papel de tornassol vermelho Cor do papel de tornassol azul HCl 0,1 mol.L-1 Água destilada NaOH 0,1 mol.L-1 pH calculado da solução de HCl 0,1 mol.L-1 pH calculado da solução de NaOH 0,1 mol.L-1 AULA 10 – ÁCIDOS E BASES LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Procedimento 2: Avaliação do pH de ácidos e bases de diferentes forças com indicadores ácido base Materiais e reagentes 03 pipetas de Pasteur Solução aquosa de NaOH 0,1 mol.L-1 09 tubos de ensaio Solução aquosa de NH4OH 0,1 mol.L-1 01 estante de tubos de ensaio Indicador alaranjado de metila Solução aquosa de HCl 0,1 mol.L-1 Indicador vermelho de metila Solução aquosa de CH3COOH 0,1 mol.L-1 Indicador azul de bromotimol Procedimento experimental a) Separar 5 tubos de ensaio. Em cada um deles adicionar 10 gotas de solução 0,1 mol.L-1 de HCl, CH3COOH, NaOH, NH4OH e água destilada. b) Em seguida adicionar a cada um dos tubos de ensaio 2 gotas do indicador alaranjado de metila. Anotar as cores observadas na Tabela 3. c) Repetir o item a), adicionando a cada um dos tubos de ensaio 2 gotas do indicador vermelho de metila. Anotar as cores observadas na Tabela 3. d) Finalmente repita o item a) e adicione a cada um dos tubos 2 gotas do indicador azul de bromotimol. Anote a cor observada em cada tubo na Tabela 3. e) Analisar o resultado obtido usando os dados apresentados na Tabela 1. Tabela 3: Cores observadas utilizando indicadores ácido-base em diferentes amostras Amostra Alaranjado de metila Vermelho de metila Azul de bromotimol HCl 0,1 mol.L-1 CH3COOH 0,1 mol.L-1 Água destilada NaOH 0,1 mol.L-1 NH4OH 0,1 mol.L-1 Qual(is) outro(s) indicador(es), dos listados na Tabela 1, pode(m) ser utilizado(s) para determinação qualitativa do pH da solução de NaOH 0,1 mol.L-1? Explique. AULA 10 – ÁCIDOS E BASES LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Procedimento 3: Determinação do pH de ácidos e bases de diferentes forças usando papel indicador universal. Materiais e reagentes 05 tubos de ensaio Solução aquosa de HCl 0,1 mol.L-1 01 bastão de vidro Solução aquosa de CH3COOH 0,1 mol.L-1 01 estante de tubos de ensaio Solução aquosa de NaOH 0,1 mol.L-1 Papel indicador universal Solução aquosa de NH4OH 0,1 mol.L-1 Procedimento experimental • Separar 5 tubos de ensaio. Em cada um deles adicionar 10 gotas das amostras especificadas na Tabela 4; • Mergulhar o bastão de vidro na solução de HCl 0,1 mol.L-1 contida no tubo de ensaio. Umedecer o papel indicador universal; . Compare a cor do papel indicador com a escala fornecida e anote o valor na Tabela 4; • Lavar o bastão de vidro; • Repetir o mesmo procedimento com as outras amostras. Tabela 4: Resultados obtidos usando o papel indicador universal. Amostra pH mostrado nopapel indicador universal HCl 0,1 mol.L-1 CH3COOH 0,1 mol.L-1 Água destilada NaOH 0,1 mol.L-1 NH4OH 0,1 mol.L-1 Por que os valores de pH das soluções de CH3COOH e NH4OH diferem daqueles determinados para as soluções de HCl e NaOH? Calcule então a [H+] e [OH-] para os ácidos e bases estudados neste Procedimento. AULA 10 – ÁCIDOS E BASES LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Procedimento 4: Avaliação do pH de soluções de sais usando papel indicador universal e um indicador ácido base Materiais e reagentes Papel indicador universal Solução aquosa de Na2CO3 0,1 mol.L-1 Bastão de vidro Solução aquosa de NaCH3COO 0,1 mol.L-1 Pipeta de Pasteur Solução aquosa de Na2SO4 0,1 mol.L-1 08 tubos de ensaio Solução aquosa de NH4Cl 0,1 mol.L 01 estante de tubos de ensaio Solução aquosa de NH4CH3COO 0,1 mol.L-1 Solução aquosa de NaCl 0,1 mol.L-1 Solução aquosa de AlCl3 0,1 mol.L-1 Indicador azul de bromotimol Procedimento experimental a) Separar 8 tubos de ensaio. Em cada um deles adicionar 10 gotas das amostras especificadas na Tabela 5; b) Mergulhar o bastão de vidro na solução de NaCl 0,1 mol.L-1 contida no tubo de ensaio. Umedecer o papel indicador universal e comparar a cor exibida com a escala fornecida, anotando então o valor na Tabela 5; c) Lavar o bastão de vidro; d) Repetir o mesmo procedimento com as outras amostras; e) Adicionar a cada um dos tubos de ensaio 2 gotas do indicador azul de bromotimol e anotar as cores observadas na Tabela 5. Tabela 5: Valores de pH, cores observadas e caráter ácido-base de diferentes soluções Soluções salinas ( 0,1 mol.L-1) pH no papel indicador universal Cor com azul de bromotimol Caráter NaCl Na2SO4 NaCH3COO Na2CO3 NH4Cl NH4CH3COO AlCl3 Água destilada Discuta os resultados obtidos e tente estabelecer uma ordem crescente de acidez de acordo com o caráter ácido-base de cada solução. AULA 10 – ÁCIDOS E BASES LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126 Referências bibliográficas 1. Brown, TL; LeMay Jr, HE; Bursten, BE e Burge, JR, Química: a ciência central, 9a ed, Pearson,São Paulo, SP, 2005. (ISBN: 978-85-78918-42-0) 2. Atkins, P., Jones, L., Laverman, L. Princípios de Química: Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente, 7ª edição, Editora Bookman, Porto Alegre, 2018. (ISBN: 978- 85-8260-462-5). 3. King, M.; Moats, M.; Davenport, W. G.; King, M. J. Sulfuric Acid Manufacture, Elsevier, 2006 4.http://www.abiclor.com.br/wp-content/uploads/2021/04/Relatorio_Abiclor_JANEIRO_DEZEMBRO_2020.pdf - acessado em 31 de julho de 2021. Exercícios para autoavaliação 1. Complete a Tabela a seguir: [H+] [OH-] pH pOH Ácida ou básica? 1,0 mol.L-1 4,6 × 10-6 mol.L-1 9,5 2,3 2. O pH médio normal do sangue é 7,40. Calcule a [H+] e [OH-] para o sangue. 3. Um químico precisa identificar duas soluções, uma com pH = 2,5 e a outra com pH = 6,5. Para tanto dispõe dos seguintes indicadores: Indicador Faixa de pH (Zona de viragem) Cor ácida Cor básica Violeta de metila 0-1,6 amarelo violeta Vermelho-Congo 3,0-5,0 azul vermelho Fenolftaleína 8,2-10,0 incolor rosa Qual o indicador adequado para que o químico possa identificar as soluções? 4. Escreva as reações de hidrólise ocorridas no Procedimento 4. http://www.abiclor.com.br/wp-content/uploads/2021/04/Relatorio_Abiclor_JANEIRO_DEZEMBRO_2020.pdf