Condutividade Elétrica em Química

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<p>AULA 08 – CONDUTIVIDADE ELÉTRICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126</p><p>1</p><p>Aula 08 – Condutividade elétrica</p><p>Objetivos</p><p>• Reconhecer substâncias que são condutoras elétricas;</p><p>• Compreender as condições para que haja condução de eletricidade;</p><p>• Comprovar, experimentalmente, que algumas substâncias conduzem a corrente</p><p>elétrica;</p><p>• Relacionar a condutividade elétrica com as ligações químicas presentes nas</p><p>substâncias.</p><p>Introdução</p><p>Por que os diversos materiais podem ter usos e comportamentos tão diferentes? A partir das</p><p>propriedades macroscópicas, chegamos à idealização de modelos (propriedades microscópicas) que</p><p>melhor expliquem os diferentes comportamentos das substâncias. Através destas propriedades</p><p>macroscópicas abaixo destacadas podemos explicar as ligações químicas nos compostos. Nesta aula,</p><p>vamos apenas analisar a condutividade elétrica, uma propriedade físico-química importante,</p><p>observada para algumas substâncias.</p><p>As propriedades elétricas dos materiais constituem importantes características que</p><p>determinam suas aplicações. A eletricidade ligada à matéria tem a ver com a propriedade de um</p><p>determinado material em conduzir a corrente elétrica. A manifestação desta propriedade pode ser</p><p>verificada pela medida da condutividade elétrica que difere de um material de outro. Alguns</p><p>Ligação</p><p>Química</p><p>Condutividade</p><p>Elétrica</p><p>Térmica</p><p>PolaridadeSolubilidade</p><p>AULA 08 – CONDUTIVIDADE ELÉTRICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126</p><p>2</p><p>materiais são bons condutores elétricos, outros não, e podem ser classificados como condutores,</p><p>semicondutores ou isolantes, Figura 1.</p><p>(A) (B)</p><p>Figura 1: A – Faixa de condutividade de diferentes classes de materiais. B – Estrutura de bandas</p><p>eletrônicas para diferentes tipos de materiais.</p><p>1ª Lei de Ohm: a corrente elétrica (I) que percorre um circuito é diretamente proporcional voltagem</p><p>(V) aplicada e inversamente proporcional à resistência total do circuito (R).</p><p>𝐼 =</p><p>𝑉</p><p>𝑅</p><p>As unidades para V, I e R são, respectivamente, volt (J/C), ampère (C/s) e ohm (V/A).</p><p>2ª Lei de Ohm: a resistividade elétrica (ρ) é independente da geometria da amostra e está relacionada</p><p>a R:</p><p>𝜌 =</p><p>𝑅 𝐴</p><p>ℓ</p><p>“ℓ” é a distância entre os dois pontos onde é medida a voltagem e “A” é a área da seção reta perpendicular</p><p>à direção da corrente. A unidade de ρ é Ω.m.</p><p>Condutividade elétrica (σ): é o inverso da resistividade, ou seja:</p><p>𝜎 =</p><p>1</p><p>𝜌</p><p>(Ω 𝑚)−1</p><p>O Siemens (S) é uma unidade do Sistema Internacional de Unidades (SI) que mede a condutividade elétrica e</p><p>equivale ao inverso do ohm (Ω). Portanto a unidade de condutividade elétrica pode também ser expressa</p><p>como S.m-1.</p><p>A corrente elétrica pode ser entendida como o movimento ordenado de partículas</p><p>eletricamente carregadas que circulam por um condutor, quando entre as extremidades desse</p><p>condutor há uma diferença de potencial, ou seja, tensão. Em outras palavras, a tensão elétrica</p><p>pode ser entendida como uma "força" responsável pela movimentação de elétrons. Os elétrons e a</p><p>corrente elétrica não são visíveis a olho nu, mas podemos comprovar sua existência conectando,</p><p>AULA 08 – CONDUTIVIDADE ELÉTRICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126</p><p>3</p><p>por exemplo, uma lâmpada a um terminal de geração de corrente elétrica. Caso exista uma</p><p>diferença de potencial entre os terminais do filamento de uma lâmpada, esta brilhará se ocorrer a</p><p>circulação de uma corrente elétrica. Uma corrente se origina do fluxo de elétrons, o que é</p><p>conhecido como condução eletrônica. Na condução iônica, o movimento de íons carregados é o que</p><p>produz uma corrente. Este tipo de condução é observada em compostos iônicos.</p><p>Condutividade em soluções iônicas</p><p>A condutividade de soluções iônicas tem importância prática e fundamental. Sua</p><p>importância prática deriva do desenvolvimento de dispositivos eletroeletrônicos e, enquanto a</p><p>relevância fundamental reside estudo das propriedades dos íons em solução.</p><p>Os eletrólitos são substâncias que em um meio de elevada constante dielétrica, como a</p><p>água, dissociam-se em íons cátions e ânions que se movem na solução em direções opostas,</p><p>estabelecendo a corrente elétrica. O íon positivo (cátion) é atraído pelo polo negativo (catodo) e o</p><p>íon negativo (ânion) é atraído pelo polo positivo (anodo). A dissociação iônica pode ser total ou</p><p>parcial. Na Figura 2 vemos uma representação simplificada de uma célula eletrolítica.</p><p>Figura 2: Representação simplificada de uma célula eletrolítica</p><p>A condutividade em uma solução eletrolítica depende do número de íons em solução e da</p><p>mobilidade destes íons. Uma solução que não tenha nenhum íon não conduz eletricidade. A água</p><p>pura tem íons em uma concentração muito baixa, portanto, tem uma certa condutividade, na ordem</p><p>de μS cm-1. Quando eletrólitos são adicionados, a condutividade naturalmente aumenta. A</p><p>condutividade não aumenta sempre na mesma proporção da concentração devido às interações</p><p>entre íons na solução. Por exemplo, o fluxo de íons de carga positiva na direção do eletrodo negativo</p><p>tende a aumentar a concentração de íons próximos ao eletrodo. Este aumento repele os próprios</p><p>íons, diminuindo o fluxo, e portanto, a corrente. A dependência da condutividade com a</p><p>concentração, portanto, geralmente tem um perfil semelhante ao apresentado na Figura 3.</p><p>+ -</p><p>+</p><p>-</p><p>AULA 08 – CONDUTIVIDADE ELÉTRICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126</p><p>4</p><p>Figura 3: Perfil típico da condutividade de uma solução em função da concentração de eletrólito</p><p>Existem dois tipos de eletrólitos; o eletrólito forte, que corresponde a uma substância</p><p>completamente dissociada/ionizada em solução, caso do KCl (cloreto de potássio) e do HCl (ácido</p><p>clorídrico), e o eletrólito fraco, caso do CH3COOH (ácido acético), que corresponde a uma</p><p>substância parcialmente ionizada em solução.</p><p>Quando a condutividade é medida para eletrólitos fracos, o grau de ionização é</p><p>determinante. Um eletrólito fraco monoprótico participa de um equilíbrio de ionização do tipo</p><p>HA(aq) ⇌ H+(aq) + A-</p><p>(aq)</p><p>Define-se o grau de ionização (α), ou porcentagem de ionização, por</p><p>𝛼 =</p><p>[𝐴−]</p><p>[𝐻𝐴] + [𝐴−]</p><p>onde [HA] + [A-] = CA é a concentração total do eletrólito.</p><p>Quanto maior o grau de ionização, mais forte é o ácido. Em geral, consideramos um ácido</p><p>fraco quando o grau de ionização é menor que 5 %. Nos ácidos fortes, o α pode chegar a valores</p><p>próximos a 100 %.</p><p>A condutividade elétrica de uma substância depende da natureza da mesma, ou seja, da</p><p>natureza das ligações químicas. Além disso, a condutividade elétrica também depende do estado</p><p>físico das substâncias, ou seja: sólido, líquido ou se está em solução. Por exemplo, o NaCl (cloreto</p><p>de sódio) no estado sólido (Figura 4A), é cristalino e os íons Na+ e Cl- estão em posições</p><p>relativamente fixas e por isso não é em bom condutor. Quando o NaCl é aquecido até sua fusão,</p><p>observa-se que este composto torna-se um condutor pois os íons apresentam mobilidade no estado</p><p>C</p><p>o</p><p>n</p><p>d</p><p>u</p><p>ti</p><p>vi</p><p>d</p><p>ad</p><p>e</p><p>Concentração</p><p>AULA 08 – CONDUTIVIDADE ELÉTRICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126</p><p>5</p><p>líquido. O NaCl quando dissolvido em água, apresenta-se dissociado: os cátions e ânions estão</p><p>solvatados por moléculas de água (Figura 4B) e podem se mover na solução, e por isso esta solução</p><p>é condutora.</p><p>(A) (B)</p><p>Figura 4: Representação do NaCl: A - estado sólido e B – em solução aquosa.</p><p>O aparelho utilizado para medida da condutividade é o condutivímetro, muito empregado,</p><p>por exemplo, na análise da qualidade da água, já que é possível relacionar a presença de minerais</p><p>através da condutividade. Vários tipos de montagens podem ser construídas para estudar,</p><p>experimentalmente, a condutividade elétrica das soluções.</p><p>A Figura 5 mostra um tipo de montagem</p><p>simples, com dois fios elétricos, uma lâmpada, um suporte para a lâmpada, dois eletrodos, um plug</p><p>e um recipiente para colocar as soluções/amostras a serem analisadas.</p><p>Figura 5: Montagem para verificação da condutividade elétrica (condutivímetro)</p><p>110 V</p><p>béquer</p><p>lâmpada</p><p>líquido</p><p>fios condutores</p><p>AULA 08 – CONDUTIVIDADE ELÉTRICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126</p><p>6</p><p>Parte prática</p><p>Procedimento 1: Condutividade elétrica de sólidos</p><p>Materiais e reagentes</p><p>01 condutivímetro 01 lâmpada incandescente de 7 W</p><p>01 espátula de metal sacarose (C12H22O11)</p><p>01 prego cloreto de sódio (NaCl)</p><p>01 pedaço de madeira 02 vidros de relógio</p><p>01 pedaço de plástico</p><p>Procedimento experimental</p><p>a) Conectar uma lâmpada incandescente de 7 W e ligar o condutivímetro na tomada de 110</p><p>V, como esquematizado na Figura 5;</p><p>b) Colocar os fios metálicos em contato com o prego deixando-os afastados por</p><p>aproximadamente 3 cm um do outro;</p><p>c) Desligar o dispositivo e realizar a limpeza dos eletrodos;</p><p>d) Anotar suas observações na Tabela 1;</p><p>e) Repetir o mesmo procedimento descrito em b), c) e d) para as outras amostras.</p><p>Tabela 1: Condutividade elétrica em amostras sólidas.</p><p>Amostra Conduz corrente</p><p>elétrica?</p><p>Explicação dos resultados</p><p>Prego</p><p>Madeira</p><p>Plástico</p><p>NaCl</p><p>C12H22O11</p><p>Procedimento 2: Condutividade elétrica em líquidos</p><p>Materiais e reagentes</p><p>01 condutivímetro água destilada</p><p>01 espátula de metal sacarose (C12H22O11)</p><p>01 lâmpada incandescente 7 W cloreto de sódio (NaCl)</p><p>04 béqueres (50 mL) etanol</p><p>AULA 08 – CONDUTIVIDADE ELÉTRICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126</p><p>7</p><p>Procedimento experimental</p><p>a) Adicionar em cada um dos 4 béqueres, disponíveis sobre sua bancada, as seguintes</p><p>substâncias:</p><p>• Béquer 1: 20 mL de água destilada;</p><p>• Béquer 2: 20 mL de etanol P.A;</p><p>• Béquer 3: uma ponta de espátula com sacarose em 20 mL de água destilada;</p><p>• Béquer 4: uma ponta de espátula com cloreto de sódio em 20 mL de água destilada.</p><p>b) Conectar uma lâmpada incandescente de 7 W e ligar o condutivímetro na tomada de 110</p><p>V;</p><p>c) Mergulhar os eletrodos do condutivímetro em cada um dos béqueres, deixando-os</p><p>afastados por aproximadamente 3 cm um do outro;</p><p>d) Desligar o dispositivo e realizar a limpeza dos eletrodos entre cada medida;</p><p>e) Anotar os resultados na Tabela 2.</p><p>Tabela 2: Condutividade elétrica em amostras líquidas</p><p>Amostra Conduz corrente</p><p>elétrica?</p><p>Explicação dos resultados</p><p>Água destilada</p><p>Etanol</p><p>Solução aquosa de sacarose</p><p>Solução aquosa de NaCl</p><p>Procedimento 3: Verificação da força de ácidos através da condutividade elétrica</p><p>Materiais e reagentes</p><p>01 condutivímetro água destilada</p><p>01 lâmpada incandescente de 7 W solução aquosa de ácido acético 0,5 mol.L-1 (CH3COOH)</p><p>02 béqueres (50 mL) solução aquosa de HCl 0,1 mol.L-1</p><p>Procedimento experimental</p><p>a) Conectar a lâmpada de 7 W no condutivímetro e ligar o aparelho na tomada de 110 V.</p><p>b) Em seguida, adicionar em cada um dos 2 béqueres, disponíveis sobre sua bancada, as</p><p>seguintes soluções:</p><p>• Béquer 1: 10 mL de solução de ácido acético 0,5 mol.L-1</p><p>• Béquer 2: 10 mL de solução de ácido clorídrico 0,1 mol.L-1</p><p>AULA 08 – CONDUTIVIDADE ELÉTRICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126</p><p>8</p><p>c) Mergulhar os eletrodos do condutivímetro no béquer 1, deixando-os afastados por</p><p>aproximadamente 3 cm um do outro;</p><p>d) Anotar os resultados na Tabela 3;</p><p>e) Desligar o dispositivo e realizar a limpeza dos eletrodos;</p><p>f) Repetir os procedimentos c), d) e e) para a solução contida no béquer 2.</p><p>Tabela 3: Força ácida através da condutividade</p><p>Soluções ácidas Intensidade da</p><p>luminosidade</p><p>Conduz corrente</p><p>elétrica?</p><p>Explicação</p><p>CH3COOH 0,5</p><p>mol.L-1</p><p>HCl 0,1 mol.L-1</p><p>Procedimento 4: Efeito da concentração na condutividade elétrica de soluções</p><p>aquosas</p><p>Materiais e reagentes</p><p>01 condutivímetro água destilada</p><p>01 lâmpada incandescente de 7 W solução aquosa de ácido acético 0,5 mol.L-1</p><p>(CH3COOH)</p><p>03 béqueres (50 mL) solução aquosa de NaCl 0,5 mol.L-1</p><p>02 balões volumétricos (50 mL) 01 pipeta graduada (10 mL)</p><p>Procedimento experimental</p><p>a) Conectar a lâmpada de 7 W no condutivímetro e ligar o aparelho na tomada de 110 V;</p><p>b) Adicionar em um béquer de 50 mL, 40 mL de solução de NaCl 0,5 mol.L-1 e verificar a</p><p>condutividade;</p><p>c) Anotar na tabela 4 a intensidade da luminosidade da lâmpada: (+++) – intensidade mais</p><p>forte, (++) – intensidade média, (+) – intensidade mais fraca;</p><p>d) Desligar o dispositivo e realizar a limpeza dos eletrodos;</p><p>e) Com o auxílio de uma pipeta graduada, transferir 5 mL da solução contida no béquer do item</p><p>“b” (NaCl 0,5 mol.L-1) para um balão volumétrico de 50 mL e completar o volume com água</p><p>destilada (1ª diluição);</p><p>f) Adicionar em um béquer de 50 mL, 40 mL de solução de NaCl (1ª diluição) e verificar a</p><p>condutividade;</p><p>AULA 08 – CONDUTIVIDADE ELÉTRICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126</p><p>9</p><p>g) Anotar na tabela 4 a intensidade da luminosidade da lâmpada. Desligar o dispositivo e</p><p>realizar a limpeza dos eletrodos;</p><p>Cálculo da concentração de NaCl (1ª diluição)</p><p>h) Com o auxílio de uma pipeta graduada, transferir 10 mL da solução diluída 1 (item f) para</p><p>um balão volumétrico de 50 mL e completar o volume com água destilada (2ª diluição);</p><p>i) Adicionar em um béquer de 50 mL, 40 mL de solução de NaCl (2ª diluição) e verificar a</p><p>condutividade;</p><p>j) Anotar na tabela 4 a intensidade da luminosidade da lâmpada. Desligar o dispositivo e</p><p>realizar a limpeza dos eletrodos.</p><p>Cálculo da concentração de NaCl (2ª diluição)</p><p>Tabela 4: Condutividade elétrica em função da concentração.</p><p>Solução de NaCl Concentração</p><p>(mol l-1)</p><p>Intensidade da luminosidade</p><p>da lâmpada</p><p>Concentrada</p><p>1ª diluição</p><p>2ª diluição</p><p>Por que as soluções apresentam diferentes intensidades de luminosidade?</p><p>AULA 08 – CONDUTIVIDADE ELÉTRICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126</p><p>10</p><p>Procedimento 5: Condutividade elétrica em uma reação química</p><p>Materiais e reagentes</p><p>01 condutivímetro solução aquosa de NH4OH 0,5 mol.L-1</p><p>01 lâmpada incandescente 7 W solução aquosa de ácido acético 0,5 mol.L-1 (CH3COOH)</p><p>01 béqueres (100 mL) indicador azul de bromotimol</p><p>01 pipeta de Pasteur suporte universal</p><p>Agitador magnético garras</p><p>Procedimento experimental</p><p>a) Adicionar em um béquer, 5,0 mL de solução de hidróxido de amônio (NH4OH) 0,5 mol.L-1 e</p><p>adicionar 2 gotas de azul de bromotimol;</p><p>b) Anotar a cor da solução;</p><p>c) Posicionar o béquer sobre o agitador magnético e inserir a barra de agitação na solução;</p><p>d) Fixar os eletrodos do condutivímetro com auxílio de garras em um suporte universal de modo</p><p>que fiquem submersos na solução;</p><p>e) Conectar a lâmpada de 7 W no condutivímetro e ligar o aparelho na tomada de 110 V;</p><p>f) Observar a intensidade da luminosidade da lâmpada do condutivímetro. Anotar;</p><p>g) Adicionar gota a gota a solução de ácido acético 0,5 mol.L-1. Observar o que ocorre com a</p><p>luminosidade da lâmpada do condutivímetro. Anotar;</p><p>h) Continuar a adição de ácido acético 0,5 mol.L-1 até a mudança de coloração da solução.</p><p>Por que o comportamento da intensidade da luminosidade da lâmpada antes da reação e após a</p><p>adição de solução de ácido acético?</p><p>Escreva a equação química para a reação química ocorrida.</p><p>AULA 08 – CONDUTIVIDADE ELÉTRICA LABORATÓRIO DE QUÍMICA – QUI126</p><p>11</p><p>Referências bibliográficas</p><p>1. Brown, TL; LeMay Jr, HE; Bursten, BE e Burge, JR, Química: a ciência central, 9a ed,</p><p>Pearson,São Paulo, SP, 2005. (ISBN: 978-85-78918-42-0)</p><p>2. Atkins, P., Jones, L., Laverman, L. Princípios de Química: Questionando a Vida</p><p>Moderna e o Meio Ambiente, 7ª edição, Editora Bookman, Porto Alegre,</p><p>2018. (ISBN: 978-</p><p>85-8260-462-5).</p><p>D., CALLISTER,, W. e RETHWISCH, David G.. Fundamentos da Ciência e Engenharia de</p><p>Materiais - Abordagem Integrada, 4ª edição. Disponível em: Grupo GEN, Grupo GEN, 2014.</p><p>Exercícios para autoavaliação</p><p>1. Qual a diferença entre condutividade eletrônica e condutividade iônica?</p><p>2. O cobre tem uma resistividade de 1,7 × 10-8 Ω m e o quartzo de 7,5 × 1015 Ω m.</p><p>Qual destas substâncias tem maior condutividade elétrica? Explique a diferença</p><p>de condutividade no cobre e quartzo com base nas ligações químicas.</p><p>3. Qual solução apresenta maior condutividade elétrica (1) solução de NH4OH 1,0</p><p>mol.L-1 ou (2) solução de NaOH 1,0 mol.L-1? Justifique sua resposta.</p>