Apostila Físico Química Experimental

FSICO-QUMICA EXPERIMENTAL Pgina 1

Fsico-Qumica Experimental

G1

Paulo Gonalves

Lucas Bourscheidt


Experimento 1: TERMOQUMICA ............................................................................... 3 Experimento 2: GASES IDEAIS .................................................................................... 6 Experimento 3: MISCIBILIDADE PARCIAL .............................................................. 8 Experimento 4: SISTEMAS TERNRIOS .................................................................. 10 Experimento 5: LEI DA DISTRIBUIO .................................................................. 14 Experimento 6: SOLUBILIDADE E TEMPERATURA ............................................. 16 Experimento 7: EQUILBRIO QUMICO ................................................................... 19


Experimento 1: TERMOQUMICA

Objetivo: Determinar a entalpia de neutralizao do hidrxido de sdio pelo cido clordrico atravs de medidas calorimtricas. Verificar experimentalmente a Lei de Hess.

Introduo: Quando solues diludas de cidos fortes so neutralizadas por solues diludas de bases fortes, temperatura ambiente, o calor de neutralizao por mol de gua formado sensivelmente constante, independentemente da natureza do cido ou da base. Essa constncia do calor de neutralizao pode ser compreendida quando consideramos que os cidos e as bases esto completamente dissociados. Este processo pode ser considerado como a combinao de ctions H+ e nions OH para formar molculas de gua no ionizadas. O efeito trmico que acompanha a formao de um mol de gua deve, portanto, ser essencialmente o mesmo em todas as reaes. A reao cujo efeito trmico efetivamente medido :

H+(aq) + OH(aq) H2O(l) H = 13,8 kcalmol-1 A constncia do calor de neutralizao somente se verifica na neutralizao de cidos fortes por bases fortes.

Nesse experimento ser determinada a entalpia de neutralizao de HCl com NaOH e a ser verificada a validade da Lei de Hess. Inicialmente, realizar-se- a calibrao do calormetro, ou seja, a determinao de sua capacidade calorfica C.

Material: Calormetro com agitador mecnico e termmetro (bquer num copo de isopor) Termmetro 2 bqueres de 250 mL 2 provetas de 100 mL Esptula 2 vidros de relgio Chapa aquecedora Soluo de HCl 2,0 molL-1 Soluo de NaOH 1,0 molL-1 padronizada NaOH slido

Procedimento:

I. Calibrao do calormetro a) Mea, com uma proveta, 50 mL de gua destilada e coloque-a no calormetro.


b) Feche bem o calormetro e introduza o termmetro. Espere estabilizar a temperatura e anote seu valor (T1).

c) Mea, com a ajuda de uma proveta, mais 50 mL de gua destilada e aquea-a em um bquer at aproximadamente 60C utilizando uma chapa aquecedora. Anote a temperatura (T2).

d) Transfira cuidadosamente a gua quente para o calormetro. Agite a mistura com o agitador manual e anote a temperatura final (Tf, equilbrio).

e) Considerando que, no intervalo de temperatura do experimento, a densidade da gua seja 1,0 gcm-3 e que o seu calor especfico c seja 1,0 calg-1C-1, determine a capacidade calorfica C do calormetro. Lembre que o calor cedido pela massa de gua quente iguala-se ao calor total recebido pela massa de gua fria e pelo calormetro, ambos inicialmente temperatura ambiente:

0=++ ocalormetrfriaquente qqq Utilize as seguintes expresses: ( )

( )( )2

1

1

TTcmq

TTcmq

TTCq

fquentequente

ffriafria

focalormetr

=

=

=

II. Determinao do calor de reao de neutralizao entre cido forte e base forte a) Esvazie, lave e resfrie o calormetro utilizado no experimento anterior (cuidado para

utilizar o mesmo bquer na montagem do calormetro!). b) Mea, com uma proveta, 50 mL da soluo de cido clordrico 2,0 molL-1 e

coloque no calormetro. Agite suavemente e mea a temperatura do conjunto aps estabilizar (T1).

c) Mea, com uma proveta, 50 mL da soluo de hidrxido de sdio 1,0 molL-1. Mea a temperatura desta soluo, que deve ser igual da soluo de cido. Caso isso no se verifique, faa com que ambas as solues entrem em equilbrio trmico com o ambiente at que atinjam a mesma temperatura.

d) Verta a soluo de hidrxido de sdio sobre a soluo de cido clordrico. Feche rapidamente o calormetro e acompanhe a elevao da temperatura. Anote a temperatura mxima atingida no sistema (T2).

e) Calcule a entalpia da reao de neutralizao HCl(aq) + NaOH(aq) H2O(l) + NaCl(aq). Para isso, lembre que o calor liberado pela reao integralmente recebido pelo conjunto soluo/calormetro e tome como calor especfico da soluo 1,0 calg-1C-1.

0=++ soluoocalormetrreao qqq A entalpia de neutralizao ser dada ento por:

n

qH reao= ,


n o nmero de mols de H2O formados na reao. Compare o H obtido com o valor tabelado (veja introduo).

III. Verificao da Lei de Hess

III-1) Calor do processo HCl(aq) + NaOH(s) H2O(l) + NaCl(aq) a) Esvazie, lave e resfrie o calormetro utilizado no experimento anterior. b) Mea, com uma proveta, 100 mL da soluo de cido clordrico 2,0 molL-1 e

coloque no calormetro. Feche calormetro e anote a temperatura do sistema (T1). c) Utilizando um vidro de relgio, pese aproximadamente 4,0 g de NaOH, anote a

massa pesada e adicione ao calormetro sob agitao. Anote a temperatura mxima atingida no sistema (T2).

d) Calcule a entalpia da reao de neutralizao HCl(aq) + NaOH(s) H2O(l) + NaCl(aq).

III-2) Calor do processo NaOH(s) NaOH(aq) a) Esvazie, lave e resfrie o calormetro utilizado no experimento anterior. b) Mea, com uma proveta, 100 mL de gua destilada e coloque no calormetro. Feche

o calormetro e anote a temperatura do sistema (T1). c) Utilizando um vidro de relgio, pese aproximadamente 4,0 g de NaOH, anote a

massa pesada e adicione ao calormetro sob agitao. Anote a temperatura mxima atingida no sistema (T2).

d) Calcule a entalpia do processo de dissoluo do hidrxido de sdio NaOH(s) NaOH(aq).

e) Verifique a validade da Lei de Hess, confirmando que a soma das entalpias obtidas nos itens (II) e (III-2) corresponde entalpia obtida no item (III-1).


Experimento 2: GASES IDEAIS

Objetivo: Determinar a massa molar do gs carbnico utilizando a Lei dos Gases Ideais.

Material: Tubo de ensaio grande Papel filme Kitassato com rolha Bquer Mangueira de silicone com Na2SO4 Suporte com agarra Balana 2 provetas de 100 mL Esptula CaCO3 slido Soluo de HCl 6,0 molL-1

Procedimento: a) Pese um tubo de ensaio grande com a boca vedada com papel filme e anote o peso

(mcom ar). Anote todos os pesos com quatro casas decimais. b) Prenda o tubo de ensaio a um suporte com agarra. c) Pese 15 g de CaCO3 dentro de um kitassato e monte o gerador de CO2 conforme o

esquema abaixo, ligando-o ao tubo de ensaio.


d) Com o auxlio de uma proveta transfira 55 mL de HCl 6,0 molL-1 para o kitassato e feche-o rapidamente com a rolha, pressionando-a com firmeza para evitar que ela escape devido a presso do gs formado dentro do kitassato. Ocorre a seguinte reao:

CaCO3(s) + 2 HCl(aq) CaCl2(aq) + H2O(l) + CO2(g) e) Quando encerrar o borbulhamento de CO2, retire o tubo de ensaio e feche

rapidamente a sua boca com papel filme (utilize o mesmo pedao de papel filme que j foi pesado). Pese novamente o tubo e anote o peso (mcom CO2).

f) Determine o volume no interior do tubo de ensaio enchendo-o completamente com gua e transferindo este volume para uma proveta.

g) Verifique a presso atmosfrica e a temperatura ambiente em que o experimento foi realizado.

Clculo: Utilizando a lei do gs ideal e sabendo que a massa molar mdia do ar 29,84 gmol-1 determine qual o numero de mols gasosos contidos no tubo de ensaio nas condies do experimento e qual a massa de ar contida no tubo na primeira pesagem. A partir disso, determine a massa do tubo vazio, a massa de CO2 contida no tubo na segunda pesagem e, finalmente, a massa molar do CO2. Compare o valor obtido com o valor exato e calcule o erro relativo.


Experimento 3: MISCIBILIDADE PARCIAL

Objetivo: Traar o diagrama de equilbrio para um sistema binrio constitudo por dois componentes parcialmente miscveis (fenol e gua) e determinar a temperatura consoluta.

Material: Fenol Termmetro Balana Agitador magntico Esptula Bqueres Bureta Banho termosttico

Procedimento: a) Prepare uma mistura de 10 g de fenol em 6,0 mL de gua em um bquer. Coloque

no agitador magntico. b) Aquea o sistema no banho termosttico, sob agitao constante, e anote a

temperatura em que a soluo se torna monofsica (desaparecimento de turvao). c) Retire o sistema do aquecimento e deixe esfriar, sempre sob agitao, anotando a

temperatura em que o sistema se torna bifsico (turvao). d) Repita a determinao da temperatura no aquecimento e no resfriamento novamente

para obter um valor mdio. e) Repita os passos acima adicionando 3, 5, 6, 7, 12 e 15 mL de gua no sistema. f) Trace o grfico de temperatura versus composio do sistema (frao mssica de

fenol). Determine graficamente a temperatura consoluta superior para o sistema estudado e compare com o valor de referncia.


MISCIBILIDADE PARCIAL

Sistema Volume de H2O (mL) Frao mssica de fenol T no aquecimento (oC) T no resfriamento (oC) T1 T2 T1 T2

1 2 3 4 5 6 7

Massa de fenol (g):


Experimento 4: SISTEMAS TERNRIOS

Objetivo: Traar o diagrama de fases de um sistema de trs componentes (cido actico, tolueno e gua) e determinar a posio das linhas de unio.

Material: 10 frascos com tampa 3 buretas 10 pipetas volumtricas 10 erlenmeyers 6 bqueres de 100 mL Balana cido actico Tolueno Soluo de NaOH 1,0 molL-1 padronizada

Procedimento: Partindo de diferentes solues de dois componentes completamente miscveis, adiciona-se o terceiro componente at que o sistema apresente uma turvao caracterstica de separao de fases (esbranquiado permanente). As concentraes para as quais isto ocorre definem os pontos da curva que limita a zona heterognea. Uma vez determinada a curva, o prximo passo determinar as linhas de unio. Estas so obtidas a partir de sistemas bifsicos, determinando-se a concentrao de um dos componentes em cada uma das fases em equilbrio.

a) Prepare, em frascos com tampa, dez sistemas binrios como indicado na Tabela 1. b) Adicione o componente que falta com o auxlio de uma bureta at observar turvao

caracterstica de separao de fases (esbranquiado permanente). c) Prepare trs sistemas ternrios no interior da zona heterognea, para determinar as

linhas de unio. Para isto, prepare os sistemas ternrios conforme a Tabela 2. d) Retire amostras de 5 mL das camadas inferiores e superiores de cada um dos

sistemas ternrios preparados na etapa (c) e pese cada uma das amostras. e) Determine a concentrao de cido actico em cada amostra por titulao com

hidrxido de sdio. f) Complete as tabelas em anexo e trace no diagrama ternrio a linha separando a

regio bifsica da regio monofsica e as linhas de unio.


Tabela 1: Composio dos sistemas binrios para a determinao da curva de equilbrio Frasco cido Actico (mL) Tolueno (mL) gua (mL)

1 3,0 30,0 2 9,0 24,0 3 12,5 20,5 4 18,5 13,5 5 22,5 8,5 6 25,5 5,0 7 3,0 27,5 8 9,0 21,2 9 13,5 16,5 10 18,5 12,0

Tabela 2: Sistemas ternrios para a determinao das linhas de unio Frasco cido Actico (mL) Tolueno (mL) gua (mL)

1 10,00 45,00 45,00 2 20,00 45,00 35,00 3 30,00 45,00 25,00


SISTEMAS TERNRIOS

Temperatura = cido actico = 1,049 gcm-3 tolueno = 0,867 gcm-3 gua = 0,997 gcm-3

Volumes / mililitros Massa / gramas Frao mssica cido actico Tolueno gua cido actico Tolueno gua Total cido actico Tolueno gua

1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

Amostra Massa total Volume de NaOH nmols cido actico Massa de cido actico Frao mssica de cido actico Superior (fase rica

em tolueno)

A

B

C

Inferior (fase rica em gua)

A

B

C


Experimento 5: LEI DA DISTRIBUIO

Objetivo: Determinar o coeficiente de distribuio de um soluto entre dois lquidos imiscveis (gua/diclorometano), verificando se ocorre associao de molculas de soluto na fase orgnica.

Introduo: Quando um soluto for adicionado a um sistema de dois lquidos imiscveis ou parcialmente miscveis, o soluto ir se distribuir entre esses lquidos, de modo que o quociente entre as concentraes do soluto nas duas fases uma constante. Podemos imaginar um soluto distribudo em duas fases (I) e (II). O quociente entre as concentraes ser:

KCC

II

I=

A constante K chamada de coeficiente de partio ou de distribuio e a expresso mencionada chamada de Lei da Distribuio. Quando houver dissociao ou associao, a lei de distribuio deve ser aplicada s espcies comuns s duas fases. O cido benzico um exemplo, uma vez que pode ionizar-se em soluo aquosa, mas sofrer dimerizao em solventes apolares ou pouco polares. Considerando que o grau de ionizao do cido benzico em gua (fase I) desprezvel e que as molculas de cido benzico encontram-se na forma de dmeros na fase orgnica (fase II), possvel mostrar que o coeficiente de partio ser dado, nesse caso, por:

KCC

II

I=

Neste experimento ser determinado o coeficiente de partio do cido benzico no sistema gua/diclorometano e ser verificado se ocorre associao das molculas do cido na fase orgnica.

Material: 4 funis de decantao de 250 mL, com os respectivos anis e suportes Esptula Balana Vidro de relgio 2 pipetas volumtricas de 25 mL 8 pipetas volumtricas de 5 mL 8 erlenmeyers bureta gua destilada isenta de CO2 cido benzico P.A.


Diclorometano P.A. Soluo de NaOH 0,05 molL-1 padronizada Fenolftalena

Procedimento: a) Prepare 4 sistemas contendo 25 mL de gua e 25 mL de diclorometano em funis de

separao. Cuidado para no desperdiar diclorometano! b) Adicione, respectivamente, 100, 250, 400 e 500 mg de cido benzico aos sistemas

preparados. c) Agite os funis de separao por aproximadamente 15 minutos para garantir que os

sistemas atinjam o equilbrio. d) Retire 2 amostras de 5 mL de cada uma das fases e determine a concentrao de

cido benzico por titulao com NaOH 0,05 molL-1.

Clculo: Para os diversos sistemas estudados, calcule os valores de III CC e III CC . Determine o coeficiente de partio e verifique se ocorre associao das molculas de cido benzico na fase orgnica.


Experimento 6: SOLUBILIDADE E TEMPERATURA

Objetivo: Estudar a influncia da temperatura sobre a solubilidade de uma substncia e o emprego da equao de vant Hoff para o clculo da entalpia de soluo.

Introduo: Quando um slido colocado em contato com um lquido, no qual solvel, d-se a passagem contnua de molculas da fase slida para a soluo at que a concentrao do soluto nesta atinja um valor definido, independente da quantidade de slido em excesso. Nessa situao, se estabelece um estado de equilbrio entre a soluo dita saturada e a fase slida existente. O equilbrio se caracteriza por ser dinmico, pois a velocidade com que as molculas de soluto passam para a fase slida igual velocidade com que as molculas da fase slida passam para a soluo. A temperatura age sobre o sistema, aumentando ou diminuindo a solubilidade, influindo sobre a constante de equilbrio. A influncia da temperatura sobre a constante de equilbrio dada pela Equao de vant Hoff:

2ln

RTH

dTKd

=

em que K a constante de equilbrio, T a temperatura absoluta e H o efeito trmico do processo a presso constante. Esta equao pode ser integrada entre duas temperaturas considerando que H permanea constante para intervalos pequenos de temperatura. A equao de vant Hoff pode ser aplicada solubilidade considerando que, no ponto de saturao, se estabelece um equilbrio dinmico cuja constante a concentrao do soluto a uma dada temperatura. Pode-se escrever ento:

=

+

=

=

211

2

2

11ln

ln

ln

TTRH

SS

CRTHS

RTH

dTSd

S

S

S

onde S, S2, e S1 representam a solubilidade nas temperaturas T, T2 e T1. Neste experimento ser determinada a solubilidade do cido benzico em gua em

vrias temperaturas. Pela construo de um grfico de lnS versus 1/T ser obtido, pela aplicao da equao de vant Hoff, o calor do processo de dissoluo do cido benzico em gua.

Material: Frasco coletor Termmetro e cuba para banho termosttico


Banho termosttico lcool neutralizado (preparado no laboratrio) 10 pipetas volumtricas de 20 mL Bureta Soluo de NaOH 0,05 molL-1 padronizada cido benzico e gua

Procedimento: Solues de cido benzico sero analisadas a diversas temperaturas a fim de que a solubilidade seja determinada. Com os dados obtidos, e pela aplicao da equao de vant Hoff, ser determinado o calor mdio de soluo.

a) Regule o banho termosttico para a temperatura mais alta na qual se deseja determinar a solubilidade (aproximadamente 55C). Aguarde atingir o equilbrio trmico.

b) Uma vez que a temperatura esteja estabilizada, pipete, com o auxlio de um coletor apropriado, duas amostras de 20 mL da soluo saturada de cido benzico e determine a concentrao do mesmo titulando com hidrxido de sdio 0,05 molL-1 (padronizado). Para remover cristais de cido benzico que possam ter ficado aderidos pipeta, a mesma deve ser lavada com lcool neutralizado.

c) Repita o procedimento para as outras temperaturas: 45C, 35C e 25C, aproximadamente.

Clculo: A partir dos dados obtidos determine, em cada temperatura, a solubilidade do soluto em molL-1. Trace uma curva relacionando a solubilidade com a temperatura e uma relacionando lnS com o inverso da temperatura absoluta. Atravs de um ajuste de mnimos quadrados dos pontos de lnS versus 1/T, obtenha o valor de calor de soluo do cido benzico. Discuta o efeito da temperatura sobre a solubilidade em termos do Princpio de L Chatelier.


SOLUBILIDADE E TEMPERATURA

T (C) T(K) V NaOH (mL) S

Concentrao de NaOH:__________________


Experimento 7: EQUILBRIO QUMICO

Objetivo: Determinar a constante de equilbrio para a reao HSCN(aq) + Fe3+(aq) FeSCN2+(aq) + H+(aq) utilizando duas temperaturas diferentes e calcular o efeito trmico (H) da mesma.

Introduo: Um sistema fechado sofre transformaes qumicas at que o equilbrio seja atingido. Para cada reao existe uma constante termodinmica de equilbrio que s depende da temperatura. Se a equao qumica que descreve a reao for da forma

aA + bB cC + dD a constante termodinmica de equilbrio relacionar-se- as atividades de equilbrio pela frmula:

bB

a

A

dD

c

C

aa

aaK =

A determinao experimental direta da constante termodinmica de equilbrio de difcil execuo, e muitas vezes, impossvel. Muito mais acessvel a determinao da constante de equilbrio estequiomtrica:

[ ] [ ][ ] [ ]ba

dc

C BADCK =

A relao entre as duas constantes dada por:

bB

a

A

dD

c

CCKK

=

representa o coeficiente de atividade. Se por um lado a constante termodinmica de equilbrio de uma dada reao s depende da temperatura, a constante estequiomtrica depende tambm daqueles fatores que afetam os coeficientes de atividade dos participantes da reao, em especial da concentrao dos mesmos. No caso de reaes entre ons em soluo, este efeito medido de um modo global pela chamada fora inica do meio. Assim sendo, a constante estequiomtrica de equilbrio, para uma reao inica em soluo, s ter valor unvoco se forem fixadas a temperatura e a fora inica do meio. A fora inica obtida por:

=i

ii ZCI2

21

Onde Ci e Zi representam as concentraes e as cargas dos ons presentes no sistema, respectivamente. A constante de equilbrio, por sua vez, est relacionada temperatura por intermdio da equao de vant Hoff:

2ln

RTH

dTKd rC

=


Hr o efeito trmico da reao a presso constante. Integrando, obtemos:

=

211

2 11lnTTR

HKK r

A presente experincia tem por objetivo determinar a constante estequiomtrica de equilbrio para a reao

HSCN(aq) + Fe3+(aq) FeSCN2+(aq) + H+(aq), bem como seu efeito trmico.

Material: Espectrofotmetro Banho termosttico Termmetro 6 bales volumtricos Pipetas volumtricas de 5, 10, 15, 20 e 25 mL HNO3 0,5 mol.L-1 Soluo de Fe(NO3)3 0,002 molL-1 em HNO3 0,5 molL-1 (preparada no dia) Soluo de KSCN 0,002 molL-1 em HNO3 0,5 molL-1 (preparada no dia)

corresponde a um soluo de HSCN 0,002 molL-1

Procedimento: Essa determinao, sendo realizada em duas temperaturas, permite a avaliao da energia de reao.

a) Prepare as solues da Tabela 1 abaixo em bales volumtricos. b) Verifique se o espectrofotmetro est regulado para trabalhar em 450 nm. Mantenha

os bales em banho termosttico na primeira temperatura (aproximadamente 25C). c) Retire uma amostra de cada um dos sistemas e determine a absorbncia para cada

uma delas (inicie pelo branco, calibrando como zero a sua absorbncia). d) Repita as determinaes para a segunda temperatura (aproximadamente 45C).

Tabela 1: Solues a serem preparadas. Sistema HSCN 0,002 molL-1 Fe(NO3)3 0,002 molL-1 HNO3 0,5 molL-1 Branco 0 25,0 mL qsp* 50,0 mL

1 5,0 mL 25,0 mL qsp 50,0 mL 2 10,0 mL 25,0 mL qsp 50,0 mL 3 15,0 mL 25,0 mL qsp 50,0 mL 4 20,0 mL 25,0 mL qsp 50,0 mL 5 25,0 mL 25,0 mL qsp 50,0 mL

* qsp: abreviao de quantidade suficiente para.


Tabela 2: Dados para a construo da curva de calibrao. [FeSCN2+] / molL-1 Absorbncia

6,010-5 0,089 1,210-4 0,176 2,410-4 0,350 4,810-4 0,674

Clculo: A partir dos dados fornecidos na Tabela 2, construa uma curva de calibrao relacionando a absorbncia com a concentrao, de modo a determinar a concentrao do on complexo FeSCN2+. A determinao da absorbncia das diversas solues para um comprimento de onda de 450 nm permite, com o auxlio da curva de calibrao, a determinao da concentrao do on complexo FeSCN2+.

Calcule as concentraes iniciais de Fe3+ e de HSCN em cada sistema ([Fe3+]0 e [HSCN]0 concentraes no momento das diluies). Os valores dos demais termos de concentrao que aparecem na constante estequiomtrica de equilbrio so obtidos da seguinte maneira (explique!!!):

[H+] = concentrao das solues de HNO3 = 0,5 molL-1 [FeSCN2+] = determinada fotometricamente [Fe3+] = [Fe3+]0 [FeSCN2+] [HSCN] = [HSCN]0 [FeSCN2+]

Utilizando as concentraes calculadas, determine a constante de equilbrio nos sistemas 1, 2, 3, 4 e 5 a 25C e tome a mdia dos valores de KC. Repita os clculos para os sistemas a 45C. Com a equao de vant Hoff na forma integrada (veja introduo), calcule Hr e discuta o efeito da temperatura sobre o equilbrio qumico em termos do Princpio de L Chatelier. Compare com o Hr tabelado (veja referncias biblogrficas).

Bibliografia: Edmonds, S. M.; Birnbaum, N., Journal of American Chemical Society 63, 1471-1472 (1941) Frank, H.S.; Oswald, R.L., Journal of American Chemical Society, 69, 1321-1325 (1947)

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Apostila Físico Química Experimental