Condutividade - Relatório de aula prática. PDF

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Relatório de aula prática....

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UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ – UNIVALI CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR

CRISTIANO RASWEILER NETO GUILHERME DE SOUZA CÂNDIDO KAIO PHELIPE EIFLER LUANA FIESZT

RELATÓRIO DE EXPERIÊNCIA PRÁTICA Determinação da condutividade de eletrólitos fortes e fracos e da constante de dissociação de ácidos fracos.

Itajaí, 2015

UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR

CRISTIANO RASWEILER NETO GUILHERME DE SOUZA CÂNDIDO KAIO PHELIPE EIFLER LUANA FIESZT

RELATÓRIO DE EXPERIÊNCIA PRÁTICA Determinação da condutividade de eletrólitos fortes e fracos e da constante de dissociação de ácidos fracos.

Relatório de experiência prática apresentado como requisito parcial para a obtenção da M3 da disciplina de Química Analítica II do 3º período do curso de Engenharia Química pela Universidade do Vale do Itajaí. Prof. Klaus Dieter Baumann.

Itajaí, 2015

RESUMO

Esse relatório apresenta os experimentos realizados na última aula prática de química analítica II, realizada no dia 20 de maio de 2015. Assim como seus dados, cálculos, considerações e conclusões. Palavras chave: condutividade, eletrólito, cloreto de potássio, ácido acético.

Sumário

1. INTRODUÇÃO...............................................................................................5 2. DESENVOLVIMENTO...................................................................................8 2.1.

Objetivo Geral....................................................................................8

2.2.

Objetivos Específicos..........................................................................8

2.3.

Metodologia.........................................................................................8

2.4.

Procedimentos Experimentais............................................................9

2.5.

Resultados...........................................................................................9

3. CONCLUSÕES RECOMENDAÇÕES.....................................................17 4. REFERÊNCIAS..........................................................................................18

E

1. INTRODUÇÃO

A condutividade elétrica é usada para especificar o caráter elétrico de um material, permitindo diferenciar eletrólitos fracos e fortes. A condutividade em eletricidade (condutividade elétrica) é o inverso da resistividade. Pode ser definida como a condutância de um condutor cuja seção é reta e uniforme, sendo igual a uma unidade de área, onde o comprimento é igual a uma unidade de comprimento. Eletrólito é toda substância que quando dissociada ou ionizada origina íons positivos (cátions) e íons negativos (ânions), pela adição de um solvente ou aquecimento. Desta forma torna-se um condutor de eletricidade. Eletrólito forte é aquele que se encontra completamente ionizado ou dissociado em solução e segue a lei de Kohlrausch. Eletrólito fraco é aquele que se encontra parcialmente ionizado ou dissociado em solução (os íons ficam em equilíbrio com moléculas não dissociadas) e é descrito pela lei de diluição de Ostwald. As concentrações de

equilíbrio de reagentes e

produtos são

relacionadas pela expressão da constante de acidez ou constante de dissociação ácida, (Ka):

Quanto maior o valor de Ka, mais é favorecida a formação de H+ e menor o pH da solução. O Ka dos ácidos fracos variam entre 1,8×10 -16 e 55.5. Ácidos com um Ka menor que 1,8×10 -16 são ácidos mais fracos do que a água. Ácidos com um Ka maior do que 55,5 são ácidos fortes e quase se dissociam totalmente quando dissolvidos em água. A grande maioria dos ácidos são ácidos fracos. A acidez pode também ser expressa pelo índice pKa: pKa = - log Ka = log 1/Ka Quanto menor o valor de pKa maior a acidez do ácido.

A condutividade elétrica é uma propriedade característica de muitos materiais. Devido à natureza desses materiais os condutores elétricos podem se classificar em duas classes: A primeira classe se caracteriza por diferentes metais, ligas e óxidos metálicos. Nesses materiais a condução elétrica é feita à custa de elétrons que se movem livremente nas superfícies metálicas, sem que ocorram alterações de suas propriedades físicas. A segunda classe é representada pelas soluções eletrolíticas, nas quais o movimento iônico para os pólos respectivos de uma pilha assegura a condução da corrente elétrica, ocorrendo transferência de massa. Os íons movem-se mais lentamente, resultando numa menor condutividade do que nos condutores de primeira classe. Diferentemente dos condutores metálicos, a resistência elétrica das soluções eletrolíticas diminui com o aumento da temperatura. Esse efeito torna a solução menos viscosa e diminui a solvatação, permitindo que os íons se movimentem com maior velocidade. A condutância específica de soluções diluídas de eletrólitos tipicamente fortes é função da concentração e depende da temperatura. Em soluções eletrolíticas concentradas, a condutância diminui devido ao aumento das atrações interiônicas. No caso das soluções de eletrólitos fracos, o aumento ou a diminuição da condutividade é explicado pelo valor do grau de ionização, que depende da constante de equilíbrio e concentração das mesmas. O grau de ionização, α, e a constante de equilíbrio Ka de um ácido fraco podem ser determinados através de medidas de condutância. O grau de ionização, α, de eletrólitos fracos é definido a partir do quociente da condutividade molar dividido pela condutividade molar a diluição infinita estabelecida por Kohlrausch:

A constante de equilíbrio é determinada pela expressão de Ostwald:

Devemos

nesta

prática

efetuar

uma

determinação

direta

de

condutividade, simplesmente colocando o béquer contendo a célula imersa na solução em análise em outro recipiente maior contendo água. Selecionar a escala em µS ou mS, de acordo com a condutância L prevista da solução e ajustar a constante da célula usando solução-padrão de condutividade. É de grande importância que antes das medidas de água potável, destilada, deionizada solução padrão de cloreto de potássio ou outras, lave-se a célula com uma pequena porção da solução em análise. A condutância específica, conforme o condutivímetro, será indicada diretamente no mostrador do aparelho.

2. DESENVOLVIMENTO 2.1 OBJETVO GERAL - Utilizar adequadamente um condutivímetro e colocar em prática a teoria estudada em sala de aula. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS - Medir a condutividade de eletrólito forte (cloreto de potássio). - Medir a condutividade de eletrólito fraco (ácido acético). - Determinar suas condutividades molares. - Determinar suas condutividades à diluição infinita. - No caso de eletrólitos fracos, determinar a constante de dissociação ácida e o grau de dissociação. - Mostrar graficamente a dependência da condutividade elétrica e da condutividade molar a diluição infinita de Cloreto de Potássio (KCl) e Ácido acético (CH3COOH) com a concentração.

2.3 METODOLOGIA EXPERIMENTO 01 – Medidas com eletrólito forte. - Ligar o condutivímetro e deixe-o estabilizado por uns minutos. - Lavar cuidadosamente as células de condutividade com a água destilada. - Colocar em um béquer de 200 mL, 100 mL da solução padrão de KCl.

- Verificar se o aparelho está medindo em mS ou µS. - Colocar em um tubo de ensaio a solução de KCl e a célula de condutividade. - Medir a condutividade a água destilada e anotar seu valor. - Realizar os cálculos para descobrir o volume da solução inicial de KCl 0,1M para preparar 100 mL de 7 soluções de KCl com as seguintes concentrações: 0,001; 0,005; 0,01; 0,05; 0,1; 0,5; e 1,0 mol/L, em balões volumétricos enumerados e completar o volume com água. - Determinar as condutividades de cada solução. - Anotar os valores, realizar cálculos e questões propostas. - Com os dados obtidos, construir uma tabela com o dado do Cloreto de Potássio (KCl) em relação a concentração, e assim, construir o gráfico. EXPERIMENTO 02 – Medidas com eletrólito fraco. - Repetiu-se o mesmo procedimento do “experimento 1” para a elaboração de solução de ácido acético (CH3COOH). 2.4 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS

Materiais utilizados: - Condutivímetro - Água destilada. - Béqueres pequenos diversos. - Balões volumétricos. - Pipetas volumétricas. - Conta-gotas. Reagentes e soluções: - Cloreto de Potássio (1,0 M). - Ácido acético (1,0 M).

2.5 RESULTADOS Para preparação da solução de Cloreto de Potássio e a outra de Ácido Acético com concentração de 1 mol/L e demais concentrações, o volume a ser utilizado para a solução e diluições. Estes valores foram calculados segundo a equação: C1V1 = C2V2 Para preparação das soluções diluídas em balão de 100 ml, calculouse os volumes a serem usados com base na equação IV. Solução: 1)

1 x v1 = 0,001 x 100 = 0,1 mL

2)

1 x v1 = 0,005 x 100 = 0,5 mL

3)

1 x v1 = 0,01 x 100 = 1,0 mL

4)

1 x v1 = 0,05 x 100 = 5,0 mL

5)

1 x v1 = 0,1 x 100 = 10 mL

6)

1 x v1 = 0,5 x 100 = 50 mL

7)

1 x v1 = 1,0 x 100 = 100 mL

Os dados foram obtidos através da leitura da condutividade elétrica no condutivímetro. A leitura foi feita em ordem crescente começando pelo tubo com concentração de 0.001 mol/L até o de concentração de 1 mol/L. Os resultados obtidos para a condutividade do KCl e do CH3COOH seguem abaixo nas tabelas 1 e 2, respectivamente. As leituras feitas em µS para o KCl sofreram mudanças de unidade para a padronização das mesmas. Tabela 1: Resultados obtidos no experimento do KCl: Solução KCL Conc.

#1

#2

#3

#4

#5

#6

#7

0,001

0,005

0,01

0,05

0,1

0,5

1,0

159,7

807

1390

7786

16213

79850

161314

molar (mol/L) κ solução (µs/cm)

Conc.

1 x 10

5 x 10

(mol/cm³) κe

153,48

800,78

(µS/cm) Λm

153,48

160,16

−6

−6

−5

1 x 10

5 x 10

1383,78 138,38

−5

−4

−4

−3

1 x 10

5 x 10

1 x 10

7779,78

16206,7

79843,7

161307,7

155,56

8 162,06

8 159,06

8 161,31

(S.cm²/mol )

Tabela 2: Resultados obtidos no experimento do CH3COOH: Solução

#1

#2

#3

#4

#5

#6

#7

0,001

0,005

0,01

0,05

0,1

0,5

1,0

(mol/L) κ solução

50

122

197

432

661

1546

2220

(µs/cm) Conc.

1 x 10−6

1 x 10−5

5 x 10−5

1 x 10

5 x 10−4

1 x 10−3

(mol/cm³) κe

48,91

195,91

439,91

659,91

1544,9

2218,9

6,6

1 3,09

2,22

CH3COOH Conc. molar

(µS/cm) Λm

48,91

5 x 10−6 120,91 24,2

19,5

−4

8,78

(S.cm²/mol ) Com os dados obtidos experimentalmente, foi possível realizar os cálculos da condutividade molar do cloreto de potássio e ácido acético, de todas as concentrações, a partir da equação abaixo: κ água=6,22( Cloreto de Potássio) κ água=1,086( Ácidoacético) κ e =κ solução−κágua Λ

m=

1000∗κ e c

Cloreto de Potássio: Constante da célula, y (1/cm) = 1,062 µS/cm para soluções entre 1 a 4 e 1,086 µS/cm para soluções entre 5 a 7. Ácido Acético: constante da célula, y (1/cm) = 0,045 µS/cm.

Abaixo estão os dados obtidos experimentalmente para as soluções de KCl depois do gráfico da condutividade versus a concentração de Cloreto de Potássio:

Condutividade do KCl (µs/cm)

Gráfico 1: Cloreto de Potássio (KCl) 180000 160000 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Concentração (mol/L)

Abaixo estão os dados obtidos experimentalmente para as soluções de CH3COOH, ao lado o gráfico da condutividade versus a concentração de ácido acético:

Condutividade do CH3COOH (µS/cm)

Gráfico 2: Ácido acético (CH3COOH) 2500

2000

1500

1000

500

0

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Concentração (mol/L)

Condutividade molar a diluição infinita Λ ∞

Condutividade do KCl (µs/cm)

Gráfico 3: Cloreto de Potássio 165 R² f(x)= =0.22 339.2 x + 151.92

160 155 150 145 140 135 130 125

0

0.01

0.01

0.02

0.02

0.03

0.03

[KCl]^0,5 x mol/L

O valor de condutividade a diluição infinita será 151,92 Sc m2 /mol

0.04

Condutividade molar a diluição infinita

Λ∞

Gráfico 4: Ácido acético 5.00E-01 4.50E-01

f(x) = 0.2 x + 0.02 R² = 1

4.00E-01 3.50E-01

1/Λm

3.00E-01 2.50E-01 2.00E-01 1.50E-01 1.00E-01 5.00E-02 0.00E+00

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Λ*c

1 =0,0176 Λ∞ 2

Λ∞ =56,82 Sc m / mol

1 =0,1959 κa ( Λ ∞ ) 2 κ a=1,58 x 10−3 μS / cm

Tabela 3: Grau de dissociação do ácido acético para as várias concentrações utilizando a equação abaixo. Solução CH3COOH Conc.

#1

#2

#3

#4

#5

#6

#7

0,001

0,005

0,01

0,05

0,1

0,5

1,0

0,86

0,43

0,34

0,15

0,12

0,05

0,04

Molar (mol/L) Grau de dissociaçã oα

α = Λm / Λ ∞

Questões propostas (Respostas): 1.C) O valor da condutividade elétrica de uma solução de KCl 0,08 mol/L seria aproximadamente 1,29x10^4 µs/cm. Estes valores foram calculados segundo a equação: Λm1 x c1 = Λm2 x c2 Λm1 x 0,01 = 16213 x 0,08 Λm1 = 1,29x10^4 µs/cm.

1.E) ??? 1.F) Ela é utilizada para determinar a condutividade molar à diluição infinita a partir da intersecção no eixo das ordenadas de uma das duas retas resultantes do gráfico condutividade molar (em Scm²/mol) do eletrólito forte versus a raiz quadrada da concentração (√c). 1.G) As leituras de condutividade das soluções de Cloreto de Potássio nas concentrações entre 5 e 7 apresentaram falhas. Podem ter ocorrido erros das leituras, em relação a equipamentos mal calibrados ou desregulados e em relação à presença de interferentes nas soluções. 1.H) Foram gerados ácido acético e cloreto de potássio em concentrações baixas. Os dois foram misturados com os resíduos da experiência nº 1 e o pH da solução resultante ficou entre 5 e 6, valor em que não há problema ser descartado na pia. Como experimento do outro grupo usou-se corantes foi jogado carvão ativado para formar um complexo com eles e descartouse na pia. −3

−3

2.D) O valor da constante de dissociação ácida é κ a =1,58 x 10 mol / cm 2.F) O valor da constante de dissociação acida é

.

κ a=1,75 x 10−3 mol / cm−3 .

2

Kα=

0,34 x 0,01 1−0,34

O resultado entre item F e item D são semelhantes. 2.G) Eletrólitos fracos não se dissociam completamente e possuem condutividade menor do que eletrólitos fortes. Com o aumento da concentração o equilíbrio de dissociação é deslocado na direção das moléculas não dissociadas. 2.H) Podem ter ocorrido erros das leituras, em relação a equipamentos mal calibrados ou desregulados e em relação à presença de interferentes nas soluções. Já que a condutividade molar a diluição infinita do ácido acético (Λ∞ = 56,82 Scm²/mol ficou bem distintas com os dados da literatura que seria Λ∞ = 390,5 S.cm²/mol 2.I) Foram gerados ácido acético e cloreto de potássio em concentrações baixas. Os dois foram misturados com os resíduos da experiência nº 1 e o pH da solução resultante ficou entre 5 e 6, valor em que não há problema ser descartado na pia. Como experimento do outro grupo usou-se corantes foi jogado carvão ativado para formar um complexo com eles e descartouse na pia.

3. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

A condutividade elétrica é proporcional à concentração da solução, quanto maior a concentração maior será a condutividade. Através de medidas de condutividade específica pode-se determinar: a condutividade molar e a diluição infinita, o grau de dissociação e a constante de dissociação. Além de obedecerem a duas leis (Kohlrausch e de Ostwald) quando verificados a intensidade dos eletrólitos em conduzir corrente elétrica. O Cloreto de Potássio é um sal que realiza a total dissociação liberando íons e se mostrou um eletrólito bem forte, a análise no gráfico 1 demonstrou bem este grau de dissociação, sendo ele bem linear, e os cálculos apenas evidenciaram o fato do KCl ser um eletrólito forte como um sal costuma ser. Ácido Acético se mostrou um eletrólito fraco, no gráfico 2 isso fica visível a curva não fica linear, não tem total dissociação em íons, o Ka do ácido acético medido experimentalmente ficou Ka = 1,58 x10^-3, o que permite dizer que ele é um ácido fraco, que também está de acordo com a literatura. Por tanto este experimento é considerado muito proveitoso para se medir

uma força de um ácido, tal como, a capacidade eletrolítica de uma molécula. Podem ter ocorrido erros das leituras, em relação a equipamentos mal calibrados ou desregulados e em relação à presença de interferentes nas soluções.

4. REFERÊNCIAS

PILLING, Prof. Dr. Sergio. Físico-Química Experimental II. Disponível em . Acesso em 30 maio 2015. SARTORI,

Thauane

Inácio.

Condutividade

de

Eletrólitos.

. Acesso em 01 jun. 2015....