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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA PROF. CARLSON PEREIRA DE SOUZA DISCIPLINA: TERMODINÂMICA QUÍMICA EXPERIMENTAL VARIAÇÃO DA CONDUTIMETRIA COM A CONCENTRAÇÃO Natal – RN Maio – 2012 SUMÁRIO 1. OBJETIVOS 3 2. INTRODUÇÃO 4 3. CONDUTIMETRIA 5 3.1. CONCEITO 5 3.2. CLASSIFICAÇÃO 5 3.3. CONDUTIVIDADE EM SOLUÇÕES AQUOSAS 6 4. PARTE EXPERIMENTAL 9 4.1. MATERIAL UTILIZADO 9 4.2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 9 4.3. CÁLCULO DO VOLUME DA SOLUÇÃO CONCENTRADA NECESSÁRIO PARA PREPARAR A SOLUÇÃO DILUÍDA 10 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO 11 6. CONCLUSÃO 16 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 17 OBJETIVOS Nesse experimento, teve-se como objetivo calcular a quantidade de estrôncio (Sr) em uma solução (SrNO3)2 aquosa em diferentes concentrações, diluídas no próprio laboratório, para medir a condutividade dos eletrólitos a partir do grau de dissociação dos íons presentes na solução. INTRODUÇÃO Na condutimetria, é analisada a maior ou menor facilidade com que uma solução conduz corrente elétrica. Em soluções líquidas a corrente é conduzida entre os elétrodos pelos íons dissolvidos, ou seja, concentração. A Lei de Ohm (U= R x I) estabelece que a corrente elétrica (I) que passa por um condutor elétrico é inversamente proporcional à resistência (R), onde U representa a diferença de potencial. O inverso da resistência é a condutividade (L = 1/R). A unidade da condutividade é o Siemen S=1/Ω. A condutividade de uma solução depende do tipo, do tamanho e do número de íons presentes, da carga, da temperatura, da concentração iônica entre outros. Como a medida de condutividade requer a existência de íons, a condutimetria não é normalmente utilizada para as análises de moléculas que não se dissociam. Neste experimento foi abordado apenas eletrólitos fortes que puderam ser observados a partir da sua dependência com a concentração da solução. CONDUTIMETRIA CONCEITO A condutimetria baseia-se na medida de condutância de uma determinada solução; pode referir-se a ela ainda como sendo um método de análise de íons (parte da Química Eletroanalítica). A condutância, por sua vez, é uma grandeza dependente da concentração, além da natureza das variadas espécies químicas presentes na solução em análise, que definem a capacidade que a solução possui de transportar carga. Logo, conclui-se que a condutimetria mede a condutância de soluções iônicas. As soluções iônicas são capazes de conduzir eletricidade pelo fato de ocorrer migração de íons tanto positivos como negativos sob influência de um campo eletrostático. A condutimetria abrange duas técnicas analíticas: a condutimetria direta e a titulação condutimétrica. A primeira mede a condutância com vistas à avaliação da concentração de um eletrólito. Tem aplicação muito limitada em virtude do caráter não específico da condutância das soluções iônicas. A titulação condutimétrica tem a aplicação mais ampla, baseia-se na medição da condutividade de uma solução em função do volume de titulante adicionado. Mas ainda assim é limitada às reações de oxidação-redução ede formação de complexos. CLASSIFICAÇÃO A condutimetria pode ser dividida em: Condutividade eletrolítica: depende da temperatura, sendo que seu valor aumenta em mais ou menos 2% por aumento de grau de temperatura, de modo que em trabalhos de precisão, deve-se imergir as celas em banho maria à temperatura constante. Qualquer temperatura é satisfatória desde que se mantenha constante durante a experiência. Condutividade Iônica equivalente: é uma importante propriedade de íons que fornece informações quantitativas em relação às contribuições relativas dos íons às medidas de condutância. CONDUTIVIDADE EM SOLUÇÕES AQUOSAS Condutividade Específica A resistência da solução é dada pela 2ª Lei de Ohm: Onde R é a resistência (Ω), ρ é a resistividade (Ω.m), L é a distância entre os eletrodos e A é a área dos eletrodos. A resistência aumenta com a distância entre eletrodos e é inversamente proporcional à área destes. Como a viscosidade da solução e o grau de hidratação dos íons (que afetam o seu tamanho, e logo a sua velocidade em solução) variam com a temperatura a resistividade é uma função da temperatura a qual se faz a medição e as medidas devem ser efetuadas em células termostatizadas. Figura 1. Esquema de uma célula condutimétrica Condutividade molar Quando se estuda condutividade de várias soluções chega-se a conclusão que esta é uma função da concentração de eletrólito e pode definir-se a condutividade molar ou iônica Λ, expressa como: Essa relação é intuitiva, pois quanto mais íons em solução transportarem corrente, maior será a condutividade para uma força promotora fixa. Quando tratamos de eletrólitos fortes, baseia-se na Lei de Kohlrausch, assumindo, então, que os cátions e ânions se movem independentemente uns dos outros, sendo esta propriedade também conhecida como a Lei da migração independente dos íons. Esta lei falha a concentrações elevadas, pois os íons podem interagir uns com os outros e com o próprio solvente. Quando os eletrólitos são fracos, utiliza-se a Lei da diluição de Ostwald ou Lei de Ostwald para a análise que diz: “A uma dada temperatura, o aumento da concentração provoca diminuição do grau de ionização e, ao contrário, a diminuição da concentração provoca aumento do grau de ionização.”. Além de ser a relação matemática entre a constante de ionização e o grau de ionização de um eletrólito (ácidos, bases). A Lei da diluição de Ostwald é expressa por: Em que: Ki = constante de ionização; [C+] = concentração dos cátions; [A-] = concentração dos ânions; [CA] = concentração do composto não ionizado ou não dissociado; M = concentração molar em mol/L; α = grau de ionização. Se α ≤ 5%, admite-se a seguinte sentença, pois o resultado de 1 - α ≈ 1: Sabendo-se que: É possível calcular a constante de dissociação (). Quando a concentração de eletrólito tende a zero, a condutividade é chamada de condutividade molar à diluição infinita, Λ∞. Seus íons possuem comportamento independente: ∞∞∞- ∞ e∞-são as condutividades molares iônicas limite dos cátions e ânions, respectivamente, à diluição infinita, calculadas a partir de suas mobilidades em diluição infinita. m∞k.c1 PARTE EXPERIMENTAL MATERIAL UTILIZADO Substâncias utilizadas: 4 Nitrato de estrôncio - Sr(NO3)2 Vidraria: Pipeta Béquer Proveta Balão volumétrico – 25 mL Materiais Diversos Conta-gotas Pisseta Condutivímetro PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Inicialmente tem-se uma solução concentrada de Sr(NO3)2. Como o objetivo é medir a variação da condutividade do Sr(NO3)2 com sua concentração, é necessário preparar as soluções diluídas necessárias para fazer as análises. Os valores da concentração de cada solução foram estabelecidos previamente. Foram feitos os cálculos para descobrir o volume necessário para preparar cada solução diluída. Parte da solução concentrada de Sr(NO3)2 foi transferida para um béquer e, com o auxílio de uma pipeta graduada, cada volume foi tomado, sendo transferidos logo em seguida para balões volumétricos de 25 mL distintos, completando-os com água destilada e homogeneizando por inversão. Para medir a condutividade de cada solução, utilizou-se um condutivímetro. Como a solução foi feita com a água destilada como solvente, para evitar a interferência da água na condutividade, primeiro mediu-se a condutividade da água destilada para, desta forma, reduzir da condutividade de cada solução. Cada valor foi anotado para posterior análise. Para não descalibrar o condutivímetro, a condutividade foi medida da solução mais diluída para a mais concentrada. CÁLCULO DO VOLUME DA SOLUÇÃO CONCENTRADA NECESSÁRIO PARA PREPARAR A SOLUÇÃO DILUÍDA (1) Em que: C1: Concentração da solução diluída desejada (mol.L-1); C2: Concentração da solução concentrada de Sr(NO3)2 (mol.L-1); V1: Volume da solução diluída desejada (25 mL); V2: Volume da solução concentrada necessário para preparar a solução diluída desejada. Então, por meio da equação 1 foram feitos os cálculos dos volumes da solução concentrada necessários na preparação das soluções diluídas; obtendo-se portanto a tabela 1, seguida dos resultados e discussão à cerca de cada dado. RESULTADOS E DISCUSSÃO Solução Concentração (ppm) Volume necessário (mL) Condutividade (µS/cm) 1 20 3,16 59,7 2 40 6,33 116,6 3 60 9,492 173,1 4 80 12,656 203 5 100 15,82 265 6 120 18,996 304 7 130 20,579 327 8 140 22,162 354 9 150 23,745 373 10 157,95 25,00 395 Tabela 1: Concentração conhecida e condutividade encontrada por meio da leitura no condutivímetro Os valores de condutividade tabelados não são das condutividades específicas; para encontrar os valores de condutividade específica foi necessário subtrair de cada valor tabelado a condutividade da água que estava inicialmente marcada no condutímetro. Essa prática foi dividida em duas etapas (aulas); na primeira encontramos os valores para as cinco primeiras concentrações e na segunda os valores para as cinco últimas, portanto os valores de condutividade da água foram diferentes, pelo fato de termos usado diferentes “águas” de condutimetria. Sendo assim, a tabela 2 mostra os valores de condutividade específica para cada amostra. Solução Condutividade da Água (µS/cm) Condutividade (µS/cm) Condutividade Específica (µS/cm) 1 4,0 59,7 55,7 2 4,0 116,6 112,6 3 4,0 173,1 169,1 4 4,0 203 199 5 4,0 265 261 6 3,8 304 300,2 7 3,8 327 323,2 8 3,8 354 350,2 9 3,8 373 369,2 10 3,8 395 391,2 Tabela 2 – Excel: Dados da condutividade da água e condutividade específica Tomando como base a Tabela 2 foi possível, por meio da ferramenta Microsoft Excel, plotar o Gráfico 1 de condutividade elétrica específica em função da concentração, sendo assim condutividade a variável dependente. Em seguida foi adicionada uma linha de tendência aos pontos presentes no gráfico. Vale lembrar que uma linha de tendência é uma idealização; traça-la significa abordar um modelo matemático que melhor se aproxima dos dados experimentais obtidos. A maneira mais eficaz de saber qual linha será mais adequada para determinada relação é analisar o coeficiente de correlação (R²); deve-se entender que quanto mais próximo este coeficiente estiver de 1, melhor ajuste. No caso dos dados de condutividade obtidos por meio dos experimentos em aula (e o tratamento matemática dos mesmos), a linha de tendência que melhor se adequou foi a de funções potenciais. Tanto o coeficiente de correlação como a função estão representados no gráfico 1. Gráfico 1- Excel: Condutividade do íon da solução em função da concentração da solução CÁLCULO DA CONDUTIVIDADE MOLAR Para os cálculos da condutividade molar(m) do Sr(NO3)2para cada condutividade específica foi necessário basear-se na fundamentação matemática abaixo: Como no SI (Sistema Internacional) as unidades são as especificadas na equação acima, foi necessário converter os dados de concentração para mol/L (mol por litro) e os dados de condutividade apenas para S (Siemens). Feito isso, os valores respectivos de cada amostra foram postos na equação indicada, obtendo assim os valores de condutividade molar. Veja a tabela abaixo: Solução Concentração (mol/L) Condutividade Específica (S) Condutividade Molar (Scm²mol-1) 1 0,000230 0,0000557 242 2 0,000460 0,0001126 245 3 0,000680 0,0001691 249 4 0,000910 0,0001990 219 5 0,001140 0,0002610 229 6 0,001370 0,0003000 219 7 0,001480 0,0003230 218 8 0,001600 0,0003500 219 9 0,001710 0,0003690 216 10 0,001800 0,0003910 242 Tabela 3 – Excel: Dados de condutividade molar com alteração nas unidades de concentração e condutividade específica Um fator importante que deve ser também discutido é a questão de descarte e tratamento dos resíduos gerados em um laboratório. No caso dessa prática os resíduos gerados foram de nitrato e estrôncio, que estavam dissociados na solução e foram descartados em um recipiente exclusivo para esse fim, precisando portanto serem tratados de maneira adequada. Resíduos de nitrato, por exemplo, podem ser tratados utilizando-se métodos de oxi-redução, enquanto os de estrôncio podem sofrer ajuste de pH para 7 (utilizando solução de NaOH) e em seguida passar por adição de sulfato de sódio até que cesse a precipitação. Gráfico 2- Excel: Condutividade molar do íon da solução em função da raiz quadrada da concentração da solução Para o cálculo da condutividade na diluição infinita, plota-se o gráfico da condutividade molar em função da raiz quadrada da concentração. Na diluição infinita, a concentração do eletrólito na solução tende a zero. Desta forma, encontrando o valor da condutividade para a concentração igual a zero, obtem-se o valor da condutividade na diluição infinita, que corresponde a ao valor independente da equação da reta descrita no Gráfico 2 (258,86 Scm².mol-1). CONCLUSÃO Feito o experimento, pode-se concluir que a concentração, de fato, influencia na condutância, quanto maior a concentração, mais corrente será conduzida, pois há mais íons na solução. Através de testes é possível calcular o grau e uma constante de dissociação dos eletrólitos fortes, podendo, assim, prever a condutividade de outras soluções mais ou menos diluídas. A partir dos valores de condutividade, também é possível diferenciar eletrólitos fracos e fortes que obedecem a leis diferentes, a lei de diluição de Ostwald e a lei de Kohlrausch, respectivamente. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAeoWQAL/relatorio-pratico-condutimetria Acesso: 09/05/2012 Fonte: http://pt.scribd.com/doc/41442643/Condutometria Acesso: 09/05/2012 Fonte: http://www.ufjf.br/nupis/files/2011/07/Condutometria.pdf Acesso: 09/05/2012 Fonte: http://www.ufjf.br/nupis/files/2011/07/Condutometria.pdf Acesso: 09/05/2012 Fonte: http://w3.ualg.pt/~jpinhei/qa%201%2004-05/condutimetria.PDF Acesso: 09/05/2012
