09_Condutividade

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Universidade do Estado de Santa Catarina UDESC Centro de Ciências Tecnológicas CCT Departamento de Química - DQM FQE0001 Físico-Química Experimental Exp. 09 Condutividade Elétrica 1. Introdução A condutividade elétrica, também chamada de condutância específica, é a capacidade de uma solução de conduzir a corrente elétrica. O mecanismo da condução de corrente elétrica em soluções eletrolíticas difere da dos metais. Nos metais a corrente é composta unicamente de ‘elétrons livres’, já nos líquidos a condução é feita pelo movimento de íons solvatados atraídos por um campo elétrico. Entretanto, as soluções de eletrólitos obedecem à lei de Ohm da mesma forma que os condutores metálicos. Assim, a corrente (I) que passa pelo corpo de uma solução é proporcional à diferença de potencial aplicada (V). A resistência (R) do corpo da solução é dada (em ohm, ) por , onde a diferença de potencial é expressa em volts (V) e a corrente em Ampéres (A). A condutância (G) é definida como o inverso da resistência e expressa em -1 , ou Siemens (S), onde 1 S = -1 = 1 C.V -1 .s -1 . A condutância de um corpo homogêneo e seção uniforme é proporcional à área da seção (A) e inversamente proporcional ao comprimento (l): Onde a constante de proporcionalidade é a condutividade, dada em S.m -1 . A condutividade de uma solução numa célula de desenho e dimensões arbitrárias pode ser obtida pela determinação da constante de célula k (que é o valor efetivo de ), através da medida da resistência de uma solução de concentração conhecida. A solução padrão utilizada para isso é KCl 0,02000 mol/L. Depois que a constante da célula é determinada, os valores de condutividades de diferentes soluções são calculadas a partir dos dados experimentais de resistência, utilizando a equação acima. 1.1 Fatores que afetam a condutividade das soluções aquosas: A condutividade aumenta com o aumento da temperatura. Para equipamentos que não possuam o sistema de compensação automático de temperatura, a condutividade deve ser determinada a 25 o C, que é a temperatura de referência. Além disso, a condutividade de uma solução depende do número de íons presentes, e o mais comum é utilizar a condutividade molar ( m ), definida por: M m m = condutividade molar (S.m 2 /mol) M = molaridade ou concentração molar (mol/L, M) A condutividade molar é normalmente expressa em S.cm 2 .mol -1 . Como a condutividade é normalmente medida em S.cm -1 e a concentração molar em mol.L -1 , uma relação mais prática é:

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condutividade

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  • Universidade do Estado de Santa Catarina UDESC Centro de Cincias Tecnolgicas CCT Departamento de Qumica - DQM

    FQE0001 Fsico-Qumica Experimental Exp. 09

    Condutividade Eltrica

    1. Introduo

    A condutividade eltrica, tambm chamada de condutncia especfica, a capacidade

    de uma soluo de conduzir a corrente eltrica. O mecanismo da conduo de corrente eltrica

    em solues eletrolticas difere da dos metais. Nos metais a corrente composta unicamente

    de eltrons livres, j nos lquidos a conduo feita pelo movimento de ons solvatados atrados por um campo eltrico.

    Entretanto, as solues de eletrlitos obedecem lei de Ohm da mesma forma que os

    condutores metlicos. Assim, a corrente (I) que passa pelo corpo de uma soluo

    proporcional diferena de potencial aplicada (V). A resistncia (R) do corpo da soluo

    dada (em ohm, ) por , onde a diferena de potencial expressa em volts (V) e a

    corrente em Ampres (A). A condutncia (G) definida como o inverso da resistncia e

    expressa em -1, ou Siemens (S), onde 1 S = -1 = 1 C.V-1.s-1. A condutncia de um corpo homogneo e seo uniforme proporcional rea da seo (A) e inversamente proporcional

    ao comprimento (l):

    Onde a constante de proporcionalidade a condutividade, dada em S.m-1.

    A condutividade de uma soluo numa clula de desenho e dimenses arbitrrias pode

    ser obtida pela determinao da constante de clula k (que o valor efetivo de ), atravs da

    medida da resistncia de uma soluo de concentrao conhecida. A soluo padro utilizada

    para isso KCl 0,02000 mol/L. Depois que a constante da clula determinada, os valores de

    condutividades de diferentes solues so calculadas a partir dos dados experimentais de

    resistncia, utilizando a equao acima.

    1.1 Fatores que afetam a condutividade das solues aquosas:

    A condutividade aumenta com o aumento da temperatura. Para equipamentos que no possuam o sistema de compensao automtico de temperatura, a condutividade deve ser

    determinada a 25 oC, que a temperatura de referncia.

    Alm disso, a condutividade de uma soluo depende do nmero de ons presentes, e o

    mais comum utilizar a condutividade molar (m), definida por:

    Mm

    m = condutividade molar (S.m2/mol)

    M = molaridade ou concentrao molar (mol/L, M)

    A condutividade molar normalmente expressa em S.cm2.mol

    -1. Como a

    condutividade normalmente medida em S.cm-1

    e a concentrao molar em mol.L-1

    , uma

    relao mais prtica :

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    A condutividade molar varia com a concentrao do eletrlito. Entre as principais

    razes para este efeito esto a variao no nmero ou na mobilidade dos ons presentes. O

    primeiro caso acontece em eletrlitos fracos, onde a dissociao dos ons em soluo no

    completa. O segundo caso ocorre com eletrlitos fortes, cuja dissociao da molcula em seus

    ons em soluo total, ocasionando uma interao muito forte entre os ons de carga oposta,

    que pode reduzir sua mobilidade em soluo.

    Eletrlitos fortes

    Slidos inicos e cidos fortes so substncias que se encontram quase que totalmente

    ionizadas em soluo. Em uma soluo concentrada de um eletrlito forte, os ons esto

    suficientemente prximos uns dos outros, de forma que o movimento dos mesmos

    influenciado no apenas pelo campo eltrico imposto pelos eletrodos, mas tambm pelo

    campo da vizinhana inica. As velocidades inicas dependem, portanto, das duas foras. A

    baixas concentraes, as condutividades molares dos eletrlitos fortes variam linearmente

    com a raiz quadrada da concentrao:

    Mbmm 0

    Essa expresso conhecida como Lei de Kohlrausch, onde b uma constante que

    depende da estequiometria do eletrlito e a constante

    a condutividade molar limite, isto

    , a condutividade molar no limite da concentrao nula.

    obtida por extrapolao, para

    valores de diluio infinita, da condutividade molar pela a raiz quadrada da concentrao.

    A partir da Lei de Kohlrausch pode-se demonstrar experimentalmente que

    pode

    ser expressa como a soma das contribuies de cada on de um eletrlito individualmente. Se

    as condutividades limite dos ctions e dos nions forem representadas como + e -, respectivamente, ento a Lei da Migrao Independente dos ons, de Kohlraush, estabelece

    que: , em que + e - so os nmeros de ctions e de nions por frmula

    unitria do eletrlito.

    Eletrlitos fracos

    cidos e bases de Bronsted fracas, como o cido actico e a amnia, so exemplos de

    eletrlitos fracos, pois no se dissociam completamente em soluo. Quando o eletrlito

    fraco, observa-se um aumento na condutividade molar com a diluio. Este comportamento

    explicado devido ao deslocamento do equilbrio de dissociao:

    HA(aq) + H2O H3O+

    (aq) + A-(aq),

    A baixas concentraes de HA, o equilbrio promove a formao de produtos (as

    espcies inicas H3O+ e A

    -). Assim, ocorre um aumento do nmero de ons presentes na

    soluo, correspondente ao maior grau de dissociao nas solues diludas. Ou seja, quando

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    o eletrlito fraco, a condutividade molar depende do grau de dissociao () da molcula. Numa primeira aproximao pode-se chegar relao:

    No caso de eletrlitos fracos, o valor de

    no pode ser obtido por extrapolao para

    diluio infinita, mas pode ser calculado a partir de resultados obtidos com eletrlitos fortes

    por meio da Lei da Migrao Independente dos ons, de Kohlraush. Assim, para um cido

    HA, valor de

    pode prontamente ser determinado, por exemplo, a partir do conhecimento

    dos valores de

    para o HCl , NaCl, e o sal de sdio, NaR, do cido fraco:

    2. Objetivos

    Analisar a influncia da concentrao na condutncia de eletrlitos fracos e fortes.

    Determinar as condutividades de solues de cloreto de potssio e cido actico, para um

    grande intervalo de concentrao. A partir dos dados obtidos, obter a condutividade molar

    limite (

    ) para o KCl e calcular o grau de ionizao do cido actico para cada

    concentrao estudada.

    3. Procedimento Experimental

    3.1 Material

    Condutivmetro

    gua deionizada

    Solues de cido actico, conforme indicado na Tabela 1

    Solues de cloreto de potssio, conforme indicado na Tabela 1

    Bales volumtricos para o preparo das solues

    Pipetas graduadas para o preparo das solues

    3.2 Procedimento

    Prepare 50 mL de uma soluo de KCl 0,1 mol/L. Faa os clculos da quantidade de

    soluo necessria para preparar 50 mL de KCl nas concentraes indicadas na Tabela 1

    atravs de sucessivas diluies.

    Ligue o condutivmetro e siga o procedimento para calibrao da clula. Em seguida

    mea a condutividade da soluo mais concentrada de KCl. Faa a diluio necessria e mea

    novamente a condutividade da nova soluo. Repita o procedimento at obter as

    condutividades de todas as solues indicadas.

    A partir da soluo estoque (4,0 mol/L), prepare 50 mL de cido actico 0,1 mol/L.

    Faa os clculos da quantidade de soluo necessria para preparar 50 mL do mesmo cido

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    nas concentraes indicadas na Tabela 1 atravs de sucessivas diluies. Assim como o feito

    para o KCl, mea a condutividade de cada soluo.

    Tabela 1: Solues utilizadas no experimento e resultados experimentais obtidos.

    Soluo Condutividade () S.cm

    -1

    Condutividade molar (m) S.cm

    2.mol

    -1

    M Grau de dissociao

    ()

    KCl 0,1000 M -

    KCl 0,0250 M -

    KCl 0,0025 M -

    KCl 0,0005 M -

    HAc 0,1000 M

    HAc 0,0250 M

    HAc 0,0025 M

    HAc 0,0005 M

    4. Discusso dos Resultados

    Calcule as condutividades molar, , das solues de KCl e cido actico nas concentraes estudadas. Faa um grfico de condutividade molar em funo de M

    para o

    KCl e para o cido actico.

    Para o KCl, determine a condutividade molar limite (

    ).

    Utilize

    = 399 S.cm2/mol para o cido actico e calcule o grau de dissociao ()

    em cada soluo estudada.

    5. Questes

    1. Por que a condutncia equivalente do KCl diminui com o aumento da concentrao da

    soluo?

    2. Qual a principal causa da reduo da condutncia equivalente, com o aumento da

    concentrao para o HAc?

    6. Referncias Bibliogrficas

    1. Atkins, P.; de Paula, J.; Fsico-Qumica. Vol. 2. Nona Edio. LTC:Rio de Janeiro. 2012.

    2. Daniels, F. et al.; Experimental Physical Chemistry. Sixth Edition. McGraw-Hill:New York. 1962.

    3. Braga, E.C.A; Fsico-Qumica. Apostila de Aulas Prticas. USP Ribeiro Preto. 2008. Disponvel em: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAlOAAG/praticas-

    fisico-quimica ou www.fcfrp.usp.br/dfq/FQ/Apostila%20praticas%202009.doc