Transcript Soluções aquosas de substâncias inorgânicas
UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA Centro de Ciências Exatas e da Natureza Departamento de Química Química Analítica Clássica
Soluções aquosas de substâncias inorgânicas
Profa. Kátia Messias Bichinho
2010/2
Química Analítica Clássica
O que é uma solução?
Soluto
Reações Químicas
Solvente Solução
produto homogêneo obtido quando se dissolve uma substância (soluto) em um solvente.
Solução aquosa
solvente é a água.
quando o
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A importância de soluções aquosas?
Mais de 2/3 do planeta é coberto por água; Substância mais abundante no corpo humano; Propriedades físico-químicas únicas; Solvente para uma ampla variedade de substâncias, sendo considerado como solvente universal; Diversas adequado reações bioquímicas, funcionamento do que garantem organismo envolvem substâncias dissolvidas em água; o humano, Inúmeras reações químicas conhecidas ocorrem em meio aquoso.
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O que são eletrólitos?
O que são não-eletrólitos?
Eletrólitos
são substâncias químicas que formam íons quando dissolvidas em água ou outro solvente e assim produzem
soluções que conduzem a corrente elétrica.
Eletrólitos
Corrente elétrica
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O que são eletrólitos?
O que são não-eletrólitos?
Corrente elétrica
Conduz eletricidade Não conduz eletricidade Sofrem modificações Não se modificam
Eletrólitos Não - Eletrólitos Substâncias inorgânicas (ácidos, bases e sais) Substâncias orgânicas (glicose, glicerina etc.)
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Teoria de dissociação eletrolítica
Corrente elétrica
conduzida pela migração de partículas carregadas em soluções de eletrólitos;
Soluções de eletrólitos
nº de partículas é 2, 3 ou mais vezes maior que nº de moléculas dissolvidas.
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Teoria de dissociação eletrolítica
Teoria de Arrhenius
moléculas dissociam-se reversivelmente em átomos ou grupamentos de átomos carregados que conduzem corrente elétrica.
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Teoria de dissociação eletrolítica
Teoria de Debye-Hückel
explica porque a condutividade molar de soluções de eletrólitos fortes é maior quando as soluções são mais diluídas.
Efeito de solvatação Efeito eletroforético
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Teoria de dissociação eletrolítica Processo de solvatação Solubilização
Composto iônico NaCl
Na + + Cl Dissociação eletrolítica CH 3 OH Dissolução apenas
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Teoria de dissociação eletrolítica
Dissociação inorgânicas: eletrolítica de NaCl
Na + + Cl MgSO 4
Mg 2+ + SO 4 2 CaCl 2
Ca 2+ + 2Cl Na 2 SO 4
2Na + + SO 4 2 Cargas positivas = cargas negativas nº de cargas do íon = valência substâncias
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Teoria de dissociação eletrolítica
Grau de dissociação de uma substância química
n
º
de moléculas dissociada s n
º
total de moléculas
0 1
Não há dissociação
Dissociação Total
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O que são eletrólitos fortes?
Eletrólitos fortes são substâncias químicas que se ionizam completamente em um solvente.
O que são eletrólitos fracos?
Eletrólitos fracos são substâncias químicas que se ionizam parcialmente em um solvente.
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Eletrólito fraco
Ex: ácido acético (CH 3 COOH)
Eletrólito Forte
Ex: cloreto de sódio (NaCl)
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Teoria de dissociação eletrolítica
Exemplos de eletrólitos fortes e fracos TABELA 9-1 - Classificação de Eletrólitos FORTES
1. Ácidos inorgânicos como HNO 3 , HClO 4 , *H 2 SO 4 , HCl, HI, HBr, HClO 3 , HBrO 3
2. Hidróxidos alcalinos e alcalino-terrosos;
3. A maioria dos sais. *H 2 SO 4 é completamente dissociado para formar os íons HSO 4 e, por essa razão, é considerado um eletrólito forte. Deve-se e H 3 O + observar, entretanto, que o íon HSO 4 é um eletrólito fraco, sendo apenas parcialmente dissociado para formar SO 4 2 e H 3 O + .
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Teoria de dissociação eletrolítica
Exemplos de eletrólitos fortes e fracos TABELA 9-1 - Classificação de Eletrólitos FRACOS
1.Ácidos inorgânicos, incluindo H 2 CO 3 , H 3 BO 3 , H 3 PO 4 , H 2 S, H 2 SO 3; 2. A maioria dos ácidos orgânicos; 3. Amônia e a maioria das bases orgânicas; 4. Haletos, cianetos e tiocianatos.
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EQUILÍBRIO QUÍMICO
Considerações
1. As reações químicas não resultam na completa conversão de reagentes em produtos.
2. As reações químicas tendem a um estado de equilíbrio químico, descrito como a condição de reação em que a razão das concentrações de reagentes e produtos é constante.
3. A constante de equilíbrio químico de uma dada reação é a expressão algébrica da razão das concentrações entre reagentes e produtos.
ác.arsênico
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EQUILÍBRIO QUÍMICO
iodeto ác.arsênioso triideto
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EQUILÍBRIO QUÍMICO
Posição de equilíbrio químico: relação de concentração no estado de equilíbrio, que independe do caminho pelo qual o estado de equilíbrio foi alcançado, ou seja, considerado para reações reversíveis.
Importante: as reações químicas não cessam quando o estado de equilíbrio químico é atingido. Em vez disso, as quantidades de reagentes consumidos e produtos formados são constantes, pois as velocidades das reações direta e inversa são idênticas.
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EQUILÍBRIO QUÍMICO E O PRINCÍPIO DE LE CHATELIER Perturbação aplicada ao sistema:
altera a posição do equilíbrio. São exemplos de perturbações variações
de temperatura, pressão ou concentração de reagentes ou produtos.
Princípio de Le Chatelier
diz que a posição de um equilíbrio químico sempre é deslocada no sentido que alivia ou minimiza a perturbação que é aplicada a um sistema.
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EQUILÍBRIO QUÍMICO E O PRINCÍPIO DE LE CHATELIER 1. Variação de temperatura aplicada a um sistema em estado de equilíbrio químico: A formação de amônia a partir de seus elementos é uma reação revesível: N 2 (g) + 3H 2 (g)
2NH 3 (g) A formação da amônia é acompanhada pelo desprendimento de calor, ou seja, é uma reação exotérmica.
A reação reversa, no entanto, absorve calor, ou seja, é uma reação endotérmica. Se a temperatura do sistema em equilíbrio é aumentada, a reação que absorve calor será favorecida , promovendo decomposição da amônia até atingir novo estado de equilíbrio químico.
Se resfriarmos o sistema, favoreceremos a formação da amônia.
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EQUILÍBRIO QUÍMICO E O PRINCÍPIO DE LE CHATELIER 2. Variação de pressão aplicada a um sistema em estado de equilíbrio químico: A formação de iodeto de hidrogênio a partir de seus elementos é uma reação revesível em fase gasosa: 1 H 2 (g) + 1 I 2 (g)
2 HI(g) Os coeficientes estequiométricos das moléculas em cada lado da equação são iguais, ou seja, mesmo número de móis de reagentes e de produtos: não existe variação de volume quando se forma o HI.
Nessa condição, se ocorrer um aumento de pressão, ambos as reações direta e inversa serão afetadas, ou seja, a composição da mistura no equilíbrio químico permanece constante.
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EQUILÍBRIO QUÍMICO E O PRINCÍPIO DE LE CHATELIER 2. Variação de pressão aplicada a um sistema em estado de equilíbrio químico: Se avaliarmos a reação para a formação da amônia, o número de móis dos reagentes é quatro produto é dois: 1 N 2 (g) + 3 H 2 (g)
2 enquanto que do NH 3 (g) Isto significa que há diminuição de volume quando a amônia é formada. Um aumento da pressão favorecerá a formação da amônia, ou seja, favorecerá a formação de substâncias que ocupam um volume menor.
* Lembre que aumentando a pressão, diminui o volume.
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EQUILÍBRIO QUÍMICO E O PRINCÍPIO DE LE CHATELIER 3. Adição de reagentes ou produtos a um sistema em estado de equilíbrio químico.
Considerando a reação: 1 H 2 (g) + 1 I 2 (g)
2 HI(g) Adicionando-se uma quantidade de hidrogênio à mistura em estado de equilíbrio químico, observa-se aumento da quantidade de iodeto de hidrogênio quando o novo equilíbrio químico é atingido, ou seja, o sistema reagiu para remover parte do hidrogênio adicionado e deslocou a posição de equilíbrio para a formação de HI.
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EQUILÍBRIO QUÍMICO E A LEI DA AÇÃO DAS MASSAS O deslocamento da posição de equilíbrio químico decorrente da variação da quantidade de uma ou mais espécies químicas participantes de um sistema é chamado de Efeito da Ação das Massas.
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EQUILÍBRIO QUÍMICO E A LEI DA AÇÃO DAS MASSAS Deslocamento na posição do equilíbrio provocada pela adição de um dos reagentes ou produtos
Lei da ação das massas
Equilíbrio químico:
estado dinâmico no qual as velocidades das reações direta e inversa são idênticas.
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EQUILÍBRIO QUÍMICO
Expressão da constante de equilíbrio químico wW + xX
⇆
yY + zZ
K
V 1 V 2 = k 1 = k 2 x [W] w x [Y] y x [X] x [Z] z x
k
1
k
2
z x
V 1 = V 2
Forma aproximada da constante de equilíbrio termodinâmica
•
Obs: produtos sempre no numerador e reagentes no denominador.
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EQUILÍBRIO QUÍMICO
Expressão da constante de equilíbrio químico wW + xX
⇆
K
z x
yY + zZ
Forma aproximada da constante de equilíbrio termodinâmica
•
K é a constante de equilíbrio da reação.
•
[W], [X], [Y], [Z] (atm)
concentração molar ou pressão parcial
•
Se W, X, Y ou Z for
um sólido
concentrações destas espécies não ou um líquido puro, as serão incluídas na equação.
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Constantes de equilíbrio químico
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EQUILÍBRIO QUÍMICO
Expressão exata da constante de equilíbrio
K
a Y y a Z z
Constante de equilíbrio termodinâmica
a W w a X x
a Y , a z , a w e a x
são as
atividades
Y, Z, W e X.
das espécies
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EQUILÍBRIO QUÍMICO
Expressão exata da constante de equilíbrio
K
a Y y a Z z
Constante de equilíbrio termodinâmica
a W w a X x
a Y , a z , a w e a x
são as
atividades
das espécies Y, Z, W e X.
A atividade grandeza efeitos de de uma espécie química, uma termodinâmica, permite contabilizar os eletrólitos sobre os equilíbrios químicos.
A atividade ou concentração efetiva de uma espécie química depende da força iônica do meio.
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EQUILÍBRIO QUÍMICO
Efeitos dos eletrólitos sobre os equilíbrios Por importante?
que o conceito de atividade é uma Porque em equilíbrios iônicos, a atividade de espécie química e sua respectiva concentração podem ser significativamente diferentes.
* Os equilíbrios também podem ser afetados por eletrólitos presentes na solução, mesmo que não estejam participando efetivamente da reação.
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EQUILÍBRIO QUÍMICO
Efeitos dos eletrólitos sobre os equilíbrios Por que ocorre o efeito de um eletrólito?
O efeito de um eletrólito ocorre devido à atração eletrostática que se estabelece entre os íons do eletrólito e os íons da espécie química reagente de carga oposta blindagem.
Efeito salino ou efeito de * Os equilíbrios também podem ser afetados por eletrólitos presentes na solução, mesmo que não estejam participando efetivamente da reação.
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EQUILÍBRIO QUÍMICO
Efeitos dos eletrólitos sobre os equilíbrios Por que ocorre o efeito salino?
Eletrólitos que produzem íons de carga simples, como o NaCl e o KNO 3 , promovem independentemente da natureza efeitos similares química do eletrólito, ou , seja, o efeito está associado à valência.
Quando apenas o efeito do espécies neutras estão presentes, eletrólito praticamente não é percebido no equilíbrio.
* A magnitude do efeito do quanto maior a carga:
EFEITO
eletrólito é tanto maior
CARGA
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EQUILÍBRIO QUÍMICO
Força iônica do meio reacional do Em uma faixa de iônicas em solução.
concentração considerável eletrólito, o efeito do eletrólito depende apenas de um parâmetro de concentração chamado FORÇA IÔNICA ,
: quantidade e tipo de espécies
=1/2 ([A]Z A 2 + [B]Z B 2 + [C]Z C 2 .....)
[A], [B], [C] Za, Zb, Zc concentração molar dos íons em solução carga dos íons
não
Para soluções com depende
do tipo
dos íons, 0,1 O efeito do eletrólito
depende de
.
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EQUILÍBRIO QUÍMICO
Exercícios 1. Calcule a força iônica µ de: a) uma solução de KNO 3 0,1 mol L -1 b) uma solução de Na 2 SO 4 0,1 mol L -1 c) compare a força iônica e a concentração molar
=1/2 ([A]Z A 2 + [B]Z B 2 + [C]Z C 2 .....)
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EQUILÍBRIO QUÍMICO
Exercícios 2. Qual em KNO é a força iônica µ de uma solução 0,05 mol L -1 3 e 0,1 mol L -1 Na 2 SO 4 iônica e a concentração molar.
?
Compare a força
=1/2 ([A]Z A 2 + [B]Z B 2 + [C]Z C 2 .....)
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EQUILÍBRIO QUÍMICO
Atividade, coeficiente de atividade e concentração O coeficiente de atividade é uma a grandeza que permite relacionar a atividade e concentração da espécie química no meio.
a X
[ ]
X
a X
[X]
atividade da espécie X concentração molar;
X
grandeza adimensional chamada coeficiente de atividade
Propriedades do coeficiente de atividade (
)
•
é uma medida de quanto a espécie influencia o equilíbrio do qual participa:
Soluções diluídas A moderada ( < 0,1) é mínima < 1 =1 a X =[X] A altos ( > 0,1) pode ser maior que 1. Interpretação do comportamento da solução é mais difícil.
• Em soluções não muito concentradas: • independe do TIPO do eletrólito depende apenas de • 1, para molécula não carregada (independentemente da força iônica); • Para uma determinada de íons de mesma carga são aproximadamente iguais, pequenas variações são atribuídas ao tamanho do íon hidratado.
de um determinado íon
equilíbrios em que ele participa.
descreve seu comportamento em todos os
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Atividade, coeficiente de atividade e concentração a) À medida que:
zero
a X 1
[X]
O efeito da força iônica µ sobre os coeficientes de atividade b) Para uma determinada , o coeficiente de atividade se distancia cada vez mais da unidade à medida que a carga da espécie iônica aumenta.
c)
µ
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Atividade, coeficiente de atividade e concentração
O coeficiente de atividade para uma molécula não carregada é aproximadamente unitário, independente da força iônica.
Em uma dada força iônica, os coeficientes de atividade dos íons de mesma carga são aproximadamente iguais . As pequenas variações que existem tem relação com o diâmetro efetivo dos íons hidratados.
Exemplo
: íons sódio e íons potássio.
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Atividade, coeficiente de atividade e concentração
O coeficiente de atividade de uma dada espécie descreve o comportamento efetivo da espécie em todos os equilíbrios em que ela participa.
Por exemplo, em uma dada força iônica, o coeficiente de atividade do cianeto (CN ) descreve dessa espécie em qualquer um dos equilíbrios: HCN + H 2 O ↔ H 3 O + Ag + + CN + CN ↔ AgCN (s) Ni 2+ + 4CN ↔ Ni(CN) 4 2-
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Equação de Debye-Hückel Em 1923, Debye e modelo Hückel utilizaram o iônico para descrever uma equação que permitisse calcular o coeficiente de atividade de íons a partir suas cargas e de seu tamanho médio de íon hidratado.
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Equação de Debye-Hückel
log
X
0,51
Z X
2
X
para
0,1 mol L -1
X
= coeficiente de atividade da espécie X;
Z X
= carga da espécie X; = força iônica da solução;
X
= diâmetro efetivo do íon X hidratado em nanômetros (10 -9 m)
0,51 e 0,33
constantes (para soluções aquosas a 25 0 C)
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Atividade e coeficientes de atividade para íons a 25 0 Coeficiente de atividade a
C indicadas Íon
X , nm
0,001 0,005 0,01 0,05 0,1
H 3 O + 0,9 0,967 0,933 0,914 0,86 0,83 Li + , C 5 H 5 COO Na + ,IO 3 ,HSO 3 , HCO 3 , H 2 PO 4 , H 2 AsO 4 , OAc , OH , F , SCN , HS , ClO 3 , ClO 4 , BrO 3 , IO 4 , MnO 4 0,6 0,4-0,45 0,35 0,965 0,964 0,964 0,929 0,928 0,926 0,907 0,902 0,900 0,84 0,82 0,81 0,80 0,78 0,76 K + , Cl , Br , I , CN , NO 2 , NO 3 , HCOO Rb + , Cs + , Tl + , Ag + , NH 4 + Mg 2+ , Be 2+ Ca 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Sn 2+ , Mn 2+ , Fe 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , ftalato 2 0,3 0,25 0,8 0,6 0,964 0,964 0,872 0,870 0,925 0,924 0,755 0,749 0,899 0,898 0,69 0,675 0,80 0,80 0,52 0,48 0,76 0,75 0,45 0,40 Sr 2+ , Ba 2+ , Cd 2+ , Hg 2+ , S 2 Pb 2+ , CO 3 2 , SO 3 2 , C 2 O 4 2 Hg 2 2+ , SO 4 2 , S 2 O 3 2 , CrO 4 2 , HPO 4 2 Al 3+ , Fe 3+ , Cr 3+ , La 3+ , Ce 3+ PO 4 3 , Fe(CN) 6 3 Th 4+ , Zr 4+ , Ce 4+ , Sn 4+ Fe(CN) 6 4 , 0,5 0,45 0,40 0,9 0,4 1,1 0,5 0,868 0,868 0,867 0,738 0,725 0,588 0,57 0,744 0,742 0,740 0,54 0,50 0,35 0,31 0,67 0,665 0,660 0,44 0,40 0,255 0,20 0,46 0,46 0,44 0,24 0,16 0,10 0,048 0,38 0,37 0,36 0,18 0,095 0,065 0,021