APOSTILA ANÁLISE DE PROCESSOS FÍSICO QUÍMICOS

ANLISE DE PROCESSOS FSICO QUMICOS I

1 MDULO TCNICO EM QUMICA

SO PAULO 2 Semestre 2010.

Prof. Claudio R. Passatore

Anlise de Processos Fsico Qumicos I

PLANO DE AULAEtec Tiquatira Tcnico em Qumica - 1 Mdulo Componente Curricular: Anlise de Processos Fsico Qumicos I Prof. Claudio Roberto Passatore Data: 01/07/2010

SUMRIO1. FUNDAMENTOS ...................................................................................................................... 4 1.1 1.2 2. INTRODUO ...................................................................................................................... 4 CONCEITOS BSICOS........................................................................................................... 4

ESTUDO DAS MASSAS........................................................................................................... 8 2.1 INTRODUO ............................................................................................................................ 8 2.2 DESENVOLVIMENTO DO TEMA................................................................................................. 8 2.2.1 Massas Atmicas ............................................................................................................... 8 2.2.2 Massa Molar (MM) ............................................................................................................ 9 2.2.3 Volume Molar.................................................................................................................. 11

3.

LEIS DAS COMBINAES QUMICAS .............................................................................. 12 3.1 INTRODUO .................................................................................................................... 12

3.2 DESENVOLVIMENTO DO TEMA............................................................................................... 12 3.2.1 Leis Ponderais.................................................................................................................. 12 3.2.2 Leis Volumtricas ............................................................................................................ 14 4. CLCULOS ESTEQUIOMTRICOS .................................................................................... 16 4.1 INTRODUO .......................................................................................................................... 16 4.2 DESENVOLVIMENTO DO TEMA............................................................................................... 16 4.2.1 Tipos de Clculos Estequiomtricos ................................................................................ 16 2


4.2.2 Pureza .............................................................................................................................. 18 4.2.3 Rendimento ...................................................................................................................... 18 5. SOLUES.............................................................................................................................. 21 5.1 INTRODUO .......................................................................................................................... 21 5.2 DESENVOLVIMENTO DO TEMA............................................................................................... 22 5.2.1 Solubilidade ..................................................................................................................... 22 5.2.2 Coeficiente de Solubilidade (CS) .................................................................................... 22 5.2.3 Concentrao de Solues ............................................................................................... 25 5.2.4 Molaridade ou Concentrao Molar (M) ......................................................................... 27 6. TTULO .................................................................................................................................... 29 6.1 DESENVOLVIMENTO DO TEMA............................................................................................... 29 6.1.1 Ttulo e Porcentagem em Massa ...................................................................................... 29 6.1.2 Ttulo em Volume ............................................................................................................ 30 7. DILUIO DE SOLUES ................................................................................................... 32 7.1 INTRODUO .................................................................................................................... 32

7.2 DESENVOLVIMENTO DO TEMA............................................................................................... 32 7.2.1 Frao Molar.................................................................................................................... 32 7.2.2 Normalidade ou Concentrao Normal ........................................................................... 33 7.2.3 Diluio das Solues ...................................................................................................... 33 8. ANLISE VOLUMTRICA ................................................................................................... 35 8.1 9. 10. 11. DESENVOLVIMENTO DO TEMA......................................................................................... 35

EXERCCIOS COMPLEMENTARES .................................................................................... 38 BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................. 43 ANEXO ................................................................................................................................ 44

Av. Condessa Elisabeth de Robiano Penha -SP CEP: 03704-000 So Paulo-SP Fone: 2225-2504 Site: www.etectiquatira.com.br - e-mails: [email protected] Ato de Criao da Escola: 25.599 - D.O.E. 10/03/56

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1. FUNDAMENTOS1.1 INTRODUOA Qumica a Cincia que estuda a estrutura e composio dos diferentes materiais que compem o Universo, bem como as suas transformaes e fenmenos que nelas ocorrem. A Qumica permite compreender e explicar as alteraes que ocorrem tanto no nosso corpo como nossa volta. Todos os seres so constitudos por compostos qumicos, que permanentemente sofrem alteraes qumicas. No nosso dia-a-dia, desde torrar po ou cozer uma batata at andar de automvel, implicam em transformaes qumicas em que um conjunto de compostos se transforma noutros envolvendo trocas de energia nas suas mais variadas formas. Dominando a Qumica podemos criar mudanas radicais nos materiais que nos rodeiam. a Qumica que permite a criao da generalidade dos materiais que utilizamos. Tome-se, por exemplo, um automvel; a qumica que permite a combusto do motor, a criao das peas plsticas que o compem, etc.. A qumica funciona em dois nveis; Em um nvel a qumica trata da matria e suas transformaes. Neste nvel, podemos realmente ver as mudanas, como quando o combustvel queima, uma folha muda de cor no outono ou o magnsio queima brilhantemente no ar; Este o nvel macroscpico, que trata das propriedades de objetos grandes e visveis. Entretanto, existe um submundo de mudanas, um mundo que no podemos ver diretamente. Neste nvel mais profundo e microscpio, a qumica interpreta estes fenmenos em funo do rearranjo dos tomos. A linguagem simblica da qumica, a descrio dos fenmenos qumicos utilizando smbolos qumicos e equaes matemticas, faz a ponte entre estes dois nveis. As equaes qumicas descrevem eventos em nveis macroscpicos de uma maneira que possvel interpret-los a nvel microscpico. A qumica subdivide-se em vrios campos de pesquisa: Qumica Geral: Estuda os princpios da qumica, suas leis fundamentais e teorias gerais; Qumica Analtica: Identifica e determina as substncias presentes nos materiais. A evoluo dessa rea est intimamente ligada ao desenvolvimento tecnolgico e ao surgimento de novos instrumentos de anlise. Atualmente, emprega sofisticados equipamentos eletrnicos, tcnicas eletro analticas de ressonncia magntica, espectroscopia de massa e cromatografia. Pode ser qualitativa (quando detecta e identifica os constituintes do material) ou quantitativa (quando determina a quantidade de cada substncia em uma amostra). A qumica analtica tem vrias aplicaes. Na indstria, por exemplo, usada para controle de qualidade: analisa a composio das matrias primas e produtos intermedirios empregados na produo de variadas substncias; Qumica Orgnica: Pesquisa os compostos do carbono. Reconhece, extrai, prepara e utiliza as substncias existentes nos seres vivos, alm de estudar e produzir substncias sintticas. A petroqumica, por exemplo, um dos ramos da qumica orgnica, cuida da separao das substncias que se encontram no petrleo e sua utilizao e transformao em novos compostos. Responsvel tambm pelo estudo e desenvolvimento dos materiais polmeros. A bioqumica rene conhecimentos da biologia e da qumica e estuda os processos qumicos que ocorrem nos organismos vivos. Junto com a qumica orgnica participam de outras reas de conhecimento de carter interdisciplinar, como engenharia gentica, biologia molecular e biotecnologia; Qumica Inorgnica: Estuda os compostos no orgnicos, sua extrao, purificao e mtodos de preparao. usada em inmeros campos, como na obteno de polmeros inorgnicos e de supercondutores - cermicas especiais que possam conduzir eletricidade sem perdas em temperaturas variadas; Fsico-Qumica: Rene os conhecimentos da fsica e da qumica no estudo dos efeitos fsicos associados s reaes qumicas. Pode ser subdividida em vrias reas: termoqumica (relao entre calor e fenmenos qumicos), eletroqumica (fenmenos eltricos e sua relao com as reaes qumicas), eletroscopia (as interaes entre a matria e as radiaes eletromagnticas), cintica qumica (relao entre a velocidade de uma reao e as condies fsicas em que ela ocorre), qumica nuclear (a radiatividade, os ncleos atmicos, as reaes nucleares e a aplicao dos istopos na medicina e na indstria) e qumica quntica (aplicao dos mtodos da mecnica quntica ao estudo da estrutura das molculas); Qumica Industrial: Este ramo da qumica, tambm chamada de qumica tecnolgica ou aplicada, dedica-se produo de substncias de interesse econmico, como novas matrias-primas ou processos de produo; Engenharia qumica: O estudo de processos qumicos industriais.

1.2 CONCEITOS BSICOSMatria: Em fsica, matria (vem do latim materia, substncia fsica) qualquer coisa que possui massa, ocupa lugar no espao (fsica) e est sujeita a inrcia. A matria aquilo que existe, aquilo que forma as

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Anlise de Processos Fsico Qumicos I coisas e que pode ser observado como tal; sempre constituda de partculas elementares com massa nonula (como os tomos, e em escala menor, os prtons, nutrons e eltrons). Substncia: Uma substncia formada por tomos de elementos especficos em propores especficas. Cada substncia possui um conjunto definido de propriedades e uma composio qumica. Elas tambm podem ser inorgnicas (como a gua e os sais minerais) ou orgnicas (como a protena, carboidratos, lpideos, cido nucleico e vitaminas). A substncia que formada por tomos de um nico elemento qumico (denomina-se elemento qumico todos os tomos que possuem o mesmo nmero atmico (Z), ou seja, o mesmo nmero de prtons) denominada substncia simples. Exemplos: Ferro: Fe, Cobre: Cu, Gs Hidrognio: H2. Uma substncia composta por mais de um elemento qumico, numa proporo determinada de tomos, denominada substncia composta. Exemplos: Cloreto de Sdio: NaCl, gua: H2O. Duas ou mais substncias agrupadas constituem uma mistura. O leite e o soro caseiro so exemplos de misturas. Podem existir trs estados de agregao da matria, que variam conforme a temperatura e a presso as quais se submete um corpo: o Estado slido: que quando as partculas elementares se encontram fortemente ligadas, e o corpo possui tanto forma quanto volume definidos; o Estado lquido, no qual as partculas elementares esto unidas mais fracamente do que no estado slido, e no qual o corpo possui apenas volume definido; o Estado gasoso, no qual as partculas elementares encontram-se fracamente ligadas, no tendo o corpo nem forma nem volume definidos; o O Plasma, tambm chamado de "quarto estado da matria". O plasma possui todas as propriedades dinmicas dos fluidos, como turbulncia, por exemplo. Como so formados de partculas carregadas livres, plasmas conduzem eletricidade. Eles tanto geram como sofrem a ao de campos eletromagnticos, levando ao que se chama de efeito coletivo. Isto significa que o movimento de cada uma das partculas carregadas influenciado pelo movimento de todas as demais. O comportamento coletivo um conceito fundamental para a definio de plasmas. Quando a matria est sob a forma de plasma, temos que a temperatura em que ela se encontra to elevada que a agitao trmica de seus tomos enorme, de forma que chega a sobrepor a fora que mantm unidos ao ncleo os prtons, nutron e eltrons. Apesar de dificilmente ser conseguido o estado de plasma na Terra, os cientistas estimam que cerca de 99% de toda a matria existente no universo esteja sob a forma de plasma. Uma vez que o plasma possui eltrons capazes de mover-se livremente, ele possui propriedades fantsticas, como a de um timo condutor de eletricidade e calor. Ele possui tambm formas extremamente particulares de interao com campos magnticos e com ele mesmo. Como seus eltrons se movem livremente em seu interior, existe uma corrente eltrica dentro do plasma que gera, pela Lei de Ampre, um campo magntico. Estes eltrons tambm se movem em crculos de acordo com um campo magntico prprio do plasma, e para o caso da temperatura do plasma ser muito elevada, este movimento circular dos eltrons pode causar a emisso de ondas eletromagnticas. Os campos magnticos associados ao plasma podem ser extremamente intensos, como se pode notar no caso do Sol, onde os campos magnticos do plasma so responsveis pelas colunas de conveco de calor, dando origem a manchas solares, ventos solares etc. A ilustrao abaixo mostra como a matria muda de um estado para outro medida que se fornece energia trmica mesma.

Mudanas de estado: o Fuso: mudana do estado slido para o lquido.Existem dois tipos de fuso: Gelatinosa: derrete todo por igual; por exemplo o plstico; Cristalina: derrete de fora para dentro; por exemplo o gelo. o Vaporizao: mudana do estado lquido para o gasoso. Existem trs tipos de vaporizao: Evaporao: as molculas da superfcie do lquido tornam-se gs em qualquer temperatura; Ebulio: o lquido est na temperatura de ebulio e fica borbulhando, recebendo calor e tornando-se gs;

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Anlise de Processos Fsico Qumicos I Calefao: o lquido recebe uma grande quantidade de calor em perodo curto e se torna gs rapidamente. Condensao: mudana de estado gasoso para lquido (inverso da Vaporizao). Solidificao: mudana de estado lquido para o estado slido (inverso da Fuso). Sublimao: um corpo pode ainda passar diretamente do estado slido para o gasoso. Re-sublimao: mudana direta do estado gasoso para o slido (inverso da Sublimao). Ionizao: mudana de estado gasoso para o estado plasma. Desionizao: mudana de estado plasma para estado gasoso (inverso de Ionizao).

o o o o o o

Propriedades da matria: o Propriedades fsicas: propriedade de uma substncia que define uma caracterstica que podemos observar ou medir sem mudar a identidade da substncia. o Propriedades qumicas: propriedade qualificada das substncias, ou seja, varia de substncia para substncia, seja ela simples (elemento) ou no (composto). Seria por assim dizer uma propriedade acidental e no essencial. Dentro dessa compreenso, as propriedades puramente qumicas seriam ligadas substncia, e ligados aspectos particulares, ao passo que as propriedades fsicas seriam, por assim dizer, ligadas aos corpos. Ou seja: a extenses bem definidas de matria, e relacionadas aspectos gerais, abrangentes. Limitando-se a essa interpretao, teramos a massa, o volume, a carga eltrica ( propriedades extensivas), a densidade e a constante dieltrica ( propriedades intensivas) como propriedades fsicas. J as propriedades qumicas seriam a eletronegatividade, eletropositividade, raio atmico, raio inico, raio covalente e eletroafinidade. o o Propriedade intensiva: independente do tamanho da amostra. Propriedade extensiva: uma propriedade que depende do tamanho (extenso) da amostra.

tomo: Um tomo a menor poro em que pode ser dividido um elemento qumico, mantendo ainda as suas propriedades. Os tomos so os componentes bsicos das molculas e da matria comum. So compostos por partculas subatmicas. As mais conhecidas so os prtons, os nutrons e os eltrons. Assim podemos concluir que os tomos so partculas elementares constituintes da matria e, que, tudo composto por tomos. Compostos: Um composto qumico uma substncia qumica constituda por molculas ou cristais de 2 ou mais tomos ou ons ligados entre si. As propores entre elementos de uma substncia no podem ser alterados por processos fsicos. Em qumica, um composto uma substancia formada por dois ou mais elementos, ligados numa proporo fixa e definida. Por exemplo, a gua um composto formado por hidrognio e oxignio na proporo de dois para um. Tipos de compostos, dependendo se apresentam ou no o carbono como elemento qumico principal: Compostos inorgnicos ou minerais; Compostos orgnicos. Tipos de compostos, dependendo das ligaes que os tomos efetuam: Compostos inicos; Compostos moleculares. Reaes Qumicas: A queima de uma vela, a obteno de lcool etlico a partir de acar e o enferrujamento de um pedao de ferro so exemplos de transformaes onde so formadas substncias com propriedades diferentes das substncias que interagem. Tais transformaes so chamadas reaes qumicas. As substncias que interagem so chamadas reagentes e as formadas produtos. Os qumicos utilizam expresses, chamadas equaes qumicas, para representar as reaes qumicas. Para se escrever uma equao qumica necessria: saber quais substncias so consumidas (reagentes) e quais so formadas (produtos); Conhecer as frmulas dos reagentes e dos produtos; Escrever a equao sempre da seguinte forma: Reagentes Produtos

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Anlise de Processos Fsico Qumicos I Quando mais de um reagente, ou mais de um produto, participar da reao, as frmulas das substncias sero separadas pelo sinal "+". Exemplo de equao qumica: H2 + 02 H2O

Se for preciso, colocar nmeros, chamados coeficientes estequiomtricos, antes das frmulas das substncias de forma que a equao indique a proporo de molculas que participam das reaes. Esse procedimento chamado balanceamento ou acerto de coeficientes de uma equao. Exemplo da equao da gua j balanceada: 2H2 + 02 2H20 (1 membro) (2 membro) reagente produto Coeficientes: 2, 2 e 1 o Frmulas Qumicas: As frmulas qumicas so formas abreviadas de representar a composio qumica das substncias atravs de smbolos qumicos. Existem diversos tipos de frmulas qumicas: o Frmula Molecular: a frmula que apresenta a composio qualitativa e quantitativa da molcula e sua extenso. Por exemplo a gua oxigenada, que apresenta frmula H2O2: esta constituda de hidrognio e oxignio, a proporo dos elementos de 1:1 e cada molcula formada por dois tomos de hidrognio e dois tomos de oxignio. Temos, portanto, na frmula molecular, alm da composio qualitativa e quantitativa, o nmero de tomos de cada elemento que compem a substncia. De maneira semelhante, a molcula do gs etileno formada por dois tomos de carbono e quatro de hidrognio (C2H4). Temos, assim, alm da composio qualitativa e quantitativa, o nmero de tomos de carbono e hidrognio que formam a molcula. o Frmula Estrutural: a frmula que apresenta a composio quantitativa, o nmero de tomos de cada elemento presente na molcula e a disposio dos tomos atravs de uma representao plana ou espacial de seus tomos e as ligaes entre os mesmos. A frmula estrutural mostra como os tomos esto ligados entre si. Exemplos: cido sulfrico, H2SO4;

lcool etlico, C2H6O.

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2. ESTUDO DAS MASSAS2.1 INTRODUOAs massas pequenas geralmente so expressas na unidade gramas (massa absoluta), mas quando se trata de massas extremamente pequenas, como no caso dos tomos, isto impossvel. Para ilustrar a afirmao acima, basta citar a massa do tomo de hidrognio, que 1,66 x 10-24g. Logo, ao se tratar da massa de tomos (massas atmicas) e da massa das molculas (massas moleculares), devemos abandonar a unidade gramas e utilizar outra que mais prpria. "Pesar", uma massa qualquer, significa comparar essa massa com um padro. Exemplo: uma barra de giz pesa trs gramas, ou seja, a barra de giz trs vezes mais pesada que a unidade padro, que o grama. No caso da massa de molculas e tomos, impossvel a compararmos com a massa padro gramas, ento comparamos com outra que denominada de unidade de massa atmica (u). Unidade de Massa Atmica (u): Na conveno da IUPAC, em 1961, foi adotado como unidade de massa atmica o istopo 12 do tomo de Carbono. Atribui-se para o C-12 a massa atmica igual a 12 unidades. C-12: Massa atmica (MA) = 12u 1u = 1,67 x 10-27g

2.2 DESENVOLVIMENTO DO TEMA 2.2.1 Massas AtmicasMassa Atmica de um tomo: Uma vez determinada a unidade padro, pesar um tomo compar-lo com a mesma, isto , determinar quantas vezes o tomo mais pesado que o padro. A massa atmica o nmero que indica quantas vezes um determinado tomo mais pesado que 1/12 do istopo 12 do tomo de carbono. Massa atmica de um elemento: Os elementos apresentam o fenmeno da isotopia. Os istopos so tomos de um mesmo elemento qumico que apresentam diferentes nmeros de massa. Logo, a massa atmica de um elemento ser uma mdia das massas desses istopos. Os Istopos tm o mesmo nmero atmico, mas diferentes nmeros de massa. Seus ncleos tm o mesmo nmero de prtons, mas diferente nmero de nutrons. Exerccio: D 3 exemplos de istopos e seus respectivos nmeros de massa. Portanto, "Massa Atmica de um elemento a mdia ponderal das massas dos istopos que constituem o elemento qumico". Por exemplo: Qual ser a massa atmica do cloro? O cloro aparece na natureza sob a forma de dois istopos, o Cl35 e o Cl37; o Cl35 ocorre na natureza na proporo de aproximadamente 75% e o Cl37, na proporo de aproximadamente 25%. Para saber a massa atmica do cloro faz-se, ento, uma mdia ponderal das massas dos dois istopos existentes. Assim:

Obs: o motivo pelo qual as massas atmicas dos elementos so fracionrias justamente porque os istopos no apresentam massas iguais e no aparecem na mesma proporo na natureza. Exerccio: 1. D os nmeros de massa atmica para os elementos exemplificados no exerccio 1? Demonstre os clculos.

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2.2.2 Massa Molar (MM)Conceito de Mol: A palavra "mol" pode ser comparada com outros sistemas de contagem de objetos ou partculas. Assim, uma dzia expressa uma quantidade igual a doze de qualquer produto ou material (laranja, ovos, cadeiras, mesas, etc.). Numa quantidade mesmo pequena de tomos ou molculas, o nmero de partculas muito grande, tornando invivel sua contagem em dezenas ou outros sistemas. Os tomos, molculas ou ons so contados em "mol". Saiba que 1mol o nmero de tomos em exatamente 12g de carbono 12. Ento, para dizer a algum o que significa 1mol, poderamos dar-lhes 12g de carbono (carbono 12) e convid-lo a contar os tomos nele. Entretanto, contar os tomos diretamente impraticvel, ento usamos o caminho indireto baseado na massa de um tomo. A massa de um tomo de carbono 12 1,99265 x 10-23g. Portanto podemos fazer a seguinte conta: N de tomos de carbono 12 = 12g / 1,99265 x 10-23 que igual a 6,0221 x 1023 o A constante de Avogadro:

No laboratrio, em aulas prticas, utiliza-se uma balana que determina a massa em gramas. Necessita-se, portanto, determinar a massa de um tomo ou o nmero de tomos contidos numa determinada massa de um elemento qumico. Fazendo um estudo comparativo com a massa atmica de alguns elementos diferentes, temos: o MA - Carbono = 12u o MA - Nitrognio = 14u o MA - Oxignio = 16u As massas atmicas indicam quantas vezes um tomo mais pesado do que 1/12 do C12. Com isso: o 1 tomo de Nitrognio 14/12 vezes mais pesado que 1 tomo de Carbono; o 1 tomo de Oxignio 16/12 vezes mais pesado que 1 tomo de Carbono. Passando as massas atmicas para a unidade gramas e comparando com o carbono, temos que: se x tomos de carbono pesam 12 gramas ento o mesmo x tomos de nitrognio devem pesar 14 gramas e x tomos de oxignio devem pesar 16 gramas. Logo, 12 gramas de carbono, 14 gramas de nitrognio e 16 gramas de oxignio apresentam o mesmo nmero de tomos. O nmero de tomos existentes quando a massa atmica de um elemento expressa em gramas foi determinada por Avogadro como sendo igual a 6,02 vezes 10 elevado a 23 potncia de tomos. Esse nmero foi denominado de Nmero de Avogadro ou Constante de Avogadro (NA).

Exemplos: 1mol de ons = 6,02 x 1023 ons; 1mol de tomos = 6,02 x 1023 tomos; 1mol de molculas = 6,02 x 1023 molculas; 1mol de eltrons = 6,02 x 1023 eltrons; 1mol de alfinetes= 6,02 x 1023 alfinetes.

Convertendo o nmero de tomos em mols: O mol uma unidade do Sistema Internacional (SI); a quantidade fsica a qual se refere chamada quantidade de substncia, simbolizado pela letra n. Entretanto, os qumicos preferem falar em nmero de

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Anlise de Processos Fsico Qumicos I mols. Como qualquer unidade do SI, o mol pode ser usado com prefixos, por exemplo: 1mmol = 10-3 mol. Pequenas quantidades como esta so comumente encontradas quando tratamos com produtos raros. H um ponto importante a lembrar quando tratamos de mols, exatamente como quando tratamos com dzias; Para no sermos ambguos quando usamos mols, importante especificar de qual espcie (isto , quais tomos, molculas, frmulas unitrias ou ons) estamos tratando. Por exemplo, hidrognio ocorre naturalmente como um gs, com cada molcula sendo constituda de 2 tomos, e por isso representado como H2; escrevemos 1 mol de H se tratamos de tomos de H ou 1 mol de H2 se tratamos de molculas de H. Portanto podemos deduzir: As quantidades de tomos, ons ou molculas em uma amostra so expressas em mols, e a constante de Avogadro NA usada para converso entre o nmero destas partculas e o nmero de mols n = N / NA, que significa: Nmero de mols de tomo de = nmero de tomos de / nmero de Avogadro Exemplo: Sabe-se que uma amostra de vitamina C contm 1,29 x 1024 tomos de hidrognio. Quantos mols de hidrognio a amostra contm? Nmero de mols de tomo de H = nmero de tomos de H / nmero de Avogadro n = N / NA n = 1,29 x 1024 / 6,0221 x 1023 n = 2,14mol Exerccio: 1. Uma amostra de uma substncia extrada de uma fruta usada pela tribo peruana Achur Jvaro para tratar de infeces fngicas, contm 2,58 x 1024 tomos de oxignio. Quantos mols de tomos de oxignio esto presentes na amostra? 2. Uma pequena xcara de caf contm 3,14mol de molculas de gua. Quantas molculas de gua esto presentes no caf? Com o raciocnio acima explanado, podemos determinar a massa molar M ou massa por mol de partculas. Com a seguinte relao: n = m / M, que significa: Nmero de mols = massa da amostra / massa por mol Exemplo: Para encontrar o nmero de mols de tomos de F em 22,5g de flor, precisamos saber que a massa de flor (isto , a massa por mol de tomos de flor 19g.mol-1. Ento: Nmero de mols = massa da amostra / massa por mol n=m/M n = 22,5g / 19g.mol-1 n = 1,18mol A massa molar de um elemento a massa por mol de seus tomos; a massa molar de um composto molecular a massa por mol de suas molculas; a massa molar de um composto inico a massa por mol de suas frmulas unitrias. A unidade da massa molar em todos os casos gramas por mol (g.mol-1) As massas molares de compostos inicos e molculas so calculadas a partir das massas molares dos elementos presentes: a massa molar de um composto a soma das massas molares dos elementos que constituem a molcula ou frmula unitria. Precisamos somente observar quantas vezes cada tomo ou on aparece na frmula molecular ou na frmula unitria do composto inico. Exemplo: A massa molar do composto inico Na2SO4 : = 2 x (massa molar de Na) + (massa molar de S) + 4 x (massa molar de O) = 2 x 22,99 g.mol-1 + 32,06 g.mol-1 + 4 x 16,00 g.mol-1 = 142,04g.mol-1 A massa molar de um composto, a massa por mol de suas molculas ou frmulas unitrias, usada para converso entre a massa de uma amostra e os mols que ela contm.

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1 mol = MM (g) = 6,02 x 1023 molculas = 22,4 L (gs) Exerccio: 1. A massa de uma moeda de cobre 3,20g. Suponha que de cobre puro. Quantos mols de tomos de Cu deveria contem a moeda, dada a massa molar de Cu de 63,54g.mol-1? 2. Em um dia, 5,4kg de alumnio foram coletados de um lixo reciclvel. Quantos mols de tomos de Al o lixo continha, dado a massa de Al de 26,98g.mol-1? 3. Calcule a massa molar de etanol C2H5OH? 4. Calcule a massa molar de fenol C6H5OH 5. Calcule o nmero de mols de molculas de OC(NH2)2 em 2,3x105kg de uria, que usado em cremes faciais em uma escala maior, como fertilizante agrcola? 6. Em uma amostra tpica de magnsio, 78,99% magnsio-24. 10,00% magnsio-25 e 11,01% magnsio-26. Calcule a massa molar de uma amostra tpica de magnsio? 7. Calcule o nmero de mols de frmulas unitrias de Ca(OH)2 em 1,00kg de cal hidratada (hidrxido de clcio), que usada para ajustar a acidez dos solos. 8. Qual a massa de sulfato de hidrognio sdico anidro v/c deveria pesar para obter cerca de 0,20mol de NaHSO4? 9. Qual a massa de cido actico deveria se pesar para obter 1,5mol de CH3COOH?

2.2.3 Volume MolarObservou-se, experimentalmente, que um mol de molculas de qualquer substncia gasosa, nas condies normais de temperatura e presso, ocupam um volume fixo. Esse volume fixo denominado de Volume Molar. Portanto: Volumes iguais de gases diferentes possuem o mesmo nmero de molculas, desde que mantidos nas mesmas condies de temperatura e presso. Explicando por que a relao dos volumes dada por nmeros inteiros. Dessa forma foi estabelecido o enunciado do volume molar. Experimentalmente, foi determinado o volume molar nas condies normais de temperatura e presso CNTP (condies normais de temperatura e presso 0 e 1 atm), sendo constante e igual a 22,4L para qualquer gs. Portanto: 1 mol de molculas de qualquer gs ocupa 22,4L Exerccio: 1. Um recipiente fechado contm 140g de oznio (O ). Determine o volume ocupado nas CNTP por esse gs. 2. Descobrir a massa, em gramas, de 5,6L de CO nas CNTP. 3. Calcular a massa de molculas do gs C H que nas CNTP ocupam 28L.2 6 2 3

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3. LEIS DAS COMBINAES QUMICAS3.1 INTRODUOA Qumica, at meados do sculo XVIII, era apenas uma arte. As reaes qumicas eram praticadas sem que o homem conseguisse estabelecer uma relao entre massas de reagentes e produtos. Com a utilizao da balana por Lavoisier, a Qumica passou do empirismo para o rigor dos mtodos cientficos. A partir da, estabeleceram-se as Leis que regem as Combinaes Qumicas. As leis das Combinaes Qumicas classificam-se em: o Leis ponderais: tratam das relaes entre as massas de reagentes e produtos que participam de uma reao; o Leis volumtricas: tratam das relaes entre volumes de gases que reagem e so formados numa reao.

3.2 DESENVOLVIMENTO DO TEMA 3.2.1 Leis PonderaisSo aquelas que estabelecem relaes entre as massas das substncias que participam de uma reao qumica. Lei de Lavoisier ou Lei da Conservao da Massa: "Nas reaes qumicas realizadas em recipientes fechados, a soma das massas dos reagentes ou reatantes igual soma das massas dos produtos". "A matria no pode ser criada nem destruda, pode apenas ser transformada". Ou ainda, "na natureza, nada se cria, nada se perde, tudo se transforma". o Comprovao da Lei:

Considerando a reao que ocorre numa "lmpada flash" ( um sistema fechado que contm em seu interior o metal magnsio e o gs oxignio). Pela passagem de corrente eltrica atravs do magnsio e oxignio, ocorre uma reao qumica e o magnsio se incendeia. O magnsio e o oxignio desaparecem e h formao de um novo composto branco, o xido de magnsio. Comparando-se a massa inicial e a final, constata-se que a mesma permanece constante.

interessante notar que durante sculos a humanidade no despertou para a idia da conservao da massa numa reao qumica. Os sistemas montados eram sempre abertos e, com isso, os resultados obtidos apresentavam sempre uma variao de massa, uma vez que os gases podiam sair e entrar do sistema. Os antigos acreditavam que, quando se queimava uma substncia, a matria desaparecia. Mas na verdade esqueciam de considerar nos clculos da massa final os gases que se desprendiam da reao, ou seja, eram computadas apenas as cinzas. Lei de Proust ou Lei das Propores Constantes: "A proporo com que um ou mais elementos se combinam para formar uma substncia constante". "Numa reao qumica, seja qual for, as massas das substncias participantes guardam entre si uma relao fixa e constante". "Um determinado composto qumico, qualquer que seja a sua procedncia, ou mtodo de preparao, sempre formado pelos mesmos elementos qumicos combinados na mesma proporo em massa". o Comprovao da Lei:

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Anlise de Processos Fsico Qumicos I Retornemos reao entre magnsio e o oxignio, que se verifica na "lmpada flash". Se a quantidade de magnsio que reage 2,4g verifica-se, experimentalmente, que a quantidade de oxignio que reagiu 1,6g, mesmo que a reao seja repetida vrias vezes.

Se utilizarmos 1,2g de magnsio, a quantidade necessria de oxignio ser 0,8g, ou seja, a proporo entre oxignio e magnsio deve ser a mesma: 3:2.

A lei de Proust permitiu o clculo da composio centesimal e as frmulas dos compostos. Composio centesimal: So as porcentagens, em massa, dos elementos formadores de uma substncia. Exemplos: Carbono + hidrognio = metano 12g 4g 16g A composio centesimal ser as porcentagens, em massa, com que hidrognio e carbono reagem para a formao de 100g de metano. Exemplo: Carbono + hidrognio metano Se : 12g reage com 4g formando 16g Ento x gramas reage com y gramas formando 100g. Criando a proporo, temos que: 12 4 x y Resolvendo a proporo encontraremos: x = 75g ou 75% e y = 25g ou 25%. Lei de Dalton ou Lei das Propores Mltiplas: "As diferentes massas de um elemento, que reagem com a massa fixa de outro elemento para formar compostos distintos, em cada caso, esto, numa relao de nmeros inteiros e geralmente simples, entre si ". "Quando dois elementos se combinam para formar compostos mantendo-se constante a massa de um deles, as massas do outro variam segundo nmeros inteiros e pequenos ". o Comprovao da Lei:

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O nitrognio se combina com o oxignio, formando diferentes xidos:

Verifica-se que, permanecendo constante a massa do nitrognio, as massas do oxignio, entre si, mantem-se numa relao simples de nmeros inteiros e pequenos, ou seja, 1:2:3:4:5.

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Anlise de Processos Fsico Qumicos I Lei de Richter-Wenzel ou Lei das Propores Recprocas: "A massa de dois elementos que se combinam separadamente com a mesma massa de um elemento, so as mesmas com que eles se combinam entre si, caso isso seja possvel". "Quando a massa fixa de um elemento se combina com massas variveis de outros elementos para formar diferentes compostos, se estes elementos se combinam entre si, combinar-se-o segundo estas mesmas massas, ou mltiplas, ou sub-mltiplas". o Comprovao da Lei:

Combinando-se agora, o cloro e o oxignio na mesma proporo com que foram combinados com o hidrognio, teremos:

3.2.2 Leis VolumtricasSo aquelas que estabelecem relaes entre os volumes das substncias que participam de uma reao qumica. As leis volumtricas podem ser englobadas em uma nica lei, que a Lei de Gay-Lussac. Lei de Gay-Lussac: "Os volumes dos gases que reagem e os volumes dos gases formados numa reao qumica guardam, entre si, uma relao simples, expressas por nmeros inteiros e pequenos, quando medidos nas mesmas condies de temperaturas e presso". o Comprovao da Lei:

Assim, por exemplo, na preparao de dois litros de vapor dgua devem ser utilizados dois litros de hidrognio e um litro de oxignio, desde que os gases estejam submetidos as mesmas condies de presso e temperatura. A relao entre os volumes dos gases que participam do processo ser sempre: 2 volumes de hidrognio; 1 volume de oxignio; 2 volumes de vapor dgua A tabela a seguir mostra diferentes volumes dos gases que podem participar desta reao:

Observe que nesta reao o volume do produto (vapor dgua) menor do que a soma dos volumes dos reagentes (hidrognio e oxignio). Esta uma reao que ocorre com contrao de volume, isto o volume dos produtos menor que o volume dos reagentes. Existem reaes entre gases que ocorrem com expanso de volume, isto , o volume dos produtos maior que o volume dos reagentes, como por exemplo, na decomposio do gs amnia:

Em outras reaes gasosas o volume se conserva, isto , os volumes dos reagentes e produtos so iguais. E o que acontece, por exemplo, na sntese de cloreto de hidrognio:

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Exerccios: 1. Calcule a composio centesimal do hidrxido de sdio sabendo-se que 23g de sdio reagem com 16g de oxignio e 1g de hidrognio na formao do NaOH. 2. A proporo com que hidrognio e oxignio reagem na formao da gua de 1: 8. Podemos afirmar que composio centesimal de hidrognio e oxignio no referido composto , respectivamente, de: a) 1% e 8%. b) 10% e 80%. c) 20% e 80%. d) 11,11% e 88,89%. e) 10% e 90%. 3. Sabendo que: metano + oxignio gs carbnico + gua Xg 12,8g 8,8g 7,2g Pede-se para calcular a massa de metano que reagiu com o oxignio (adote sistema fechado e CNTP)? 4. Quando 40g de mercrio so aquecidos com oxignio, o mercrio combina-se com 3g de oxignio para formar 43g de xido de mercrio II. Esta reao ilustra: a) O fato de que os elementos sempre se combinam. b) Uma reao nuclear. c) A lei da conservao da matria. d) A formao de misturas. e) A lei das propores mltiplas. 5. Uma massa de 6g de carbono reage totalmente com 2g de hidrognio para a formao de metano. Qual a massa de hidrognio necessria para reagir totalmente com 18g de carbono, na formao do metano? 6. A porcentagem em massa de nitrognio presente no nitrato de amnio igual a: Dados: H = 1 u; O = 16 u; N = 14 u. a) 14%. b) 17,5%. c) 28%. d) 35%. e) 70%. 7. Quando aquecemos 1,63g de zinco, este se combina com 0,4g de oxignio para formar um xido de zinco. A frmula centesimal do composto : a) Zn83%O17%. b) Zn80,3%O19,7%. c) Zn20%O80%. d) Zn40%O60% e) Zn65%O16%.

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4. CLCULOS ESTEQUIOMTRICOS4.1 INTRODUONas reaes qumicas, importante se prever a quantidade de produtos que podem ser obtidos a partir de uma certa quantidade de reagentes consumidos. Os clculos que possibilitam prever essa quantidade so chamados de clculos estequiomtricos (a palavra estequiometria vem do grego stoicheia (partes mais simples) e metreim (medida)). Essas quantidades podem ser expressas de diversas maneiras: massa, volume, quantidade de matria (mol), nmero de molculas. Os clculos estequiomtricos baseiam-se nos coeficientes da equao. importante saber que, numa equao balanceada, os coeficientes nos do a proporo em mols dos participantes da reao. Nos meados do sculo XVIII, cientistas conseguiram expressar matematicamente certas regularidades que ocorrem nas reaes qumicas, baseando-se em leis de combinaes qumicas que foram divididas em ponderais (que se relacionam s massas dos participantes da reao) e volumtricas (explicam a relao entre os volumes das substncias gasosas que participam de um processo qumico).

4.2 DESENVOLVIMENTO DO TEMA 4.2.1 Tipos de Clculos EstequiomtricosOs dados do problema podem vir expressos das mais diversas maneiras: quantidade de matria (mol), massa, nmero de molculas, volume, etc.. Em todos esses tipos de clculo estequiomtrico vamos nos basear nos coeficientes da equao que, como vimos, do a proporo em mols dos componentes da reao. Regras: o 1 regra: Escreva corretamente a equao qumica mencionada no problema (caso ela no tenha sido fornecida); o 2 regra: As reaes devem ser balanceadas corretamente (tentativa ou oxi-reduo), lembrando que os coeficientes indicam as propores em mols dos reagentes e produtos; o 3 regra: Caso o problema envolva pureza de reagentes, fazer a correo dos valores, trabalhando somente com a parte pura que efetivamente ir reagir; o 4 regra: Caso o problema envolva reagentes em excesso e isso percebemos quando so citados dados relativos a mais de um reagente devemos verificar qual deles est correto. O outro, que est em excesso, deve ser descartado para efeito de clculos; o 5 regra: Relacione, por meio de uma regra de trs, os dados e a pergunta do problema, escrevendo corretamente as informaes em massa, volume, mols, molculas, tomos, etc. Lembre-se que no podemos esquecer a relao: 1 mol = MM g = 22,4L (CNTP) = 6,02x1023molculas o 6 regra: Se o problema citar o rendimento da reao, devemos proceder correo dos valores obtidos. Seguindo as regras expostas acima, vejamos como faremos os clculos em diferentes relaes: Relao massa x massa: Na reao gasosa N2 + H2 H2? NH3, qual a massa, em g, de NH3 obtida, quando se reagem totalmente 18g de

Resoluo: Acerte os coeficientes da equao (balanceamento): 1N2 +3H2

2NH3

Veja os dados informados (18g de H2) e o que est sendo solicitado (massa de NH3) e estabelea uma regra de trs: 3H2 -------------- 2NH3 3x2g -------------- 2x17g 18g -------------- x X = 102g

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Na reao gasosa N2 + H2 de N2?

NH3, qual a massa, em kg, de NH3 obtida, quando se reagem totalmente 280g

Acerte os coeficientes da equao (balanceamento): 1N2 +3H2 2NH3 Veja os dados informados (280g de N2) e o que est sendo solicitado (massa de NH3 em kg) e estabelea uma regra de trs: 1N2 -------------- 2NH3 1x28g ----------- 2x17g 280g -------------- x X = 340g ou X = 0,34kg Relao massa x volume: Na reao gasosa N2 + H2 18g de H2? NH3, qual o volume de NH3 obtido nas CNTP, quando se reagem totalmente

Acerte os coeficientes da equao: 1N2 +3H2 2NH3 Veja os dados informados (18g de H2) e o que est sendo solicitado (volume de NH3 nas CNTP) e estabelea uma regra de trs: 3H2 -------------- 2NH3 3x2g ------------- 2x22,4L 18g -------------- X X = 134,4L Na reao gasosa N2 + H2 NH3, qual o volume de H2 consumido nas CNTP, quando produzido 340g de NH3? Acerte os coeficientes da equao: 1N2 +3H2 2NH3 Veja os dados informados (340g de NH3) e o que est sendo solicitado (volume de H2 em L nas CNTP) e estabelea uma regra de trs: 3H2 -------------- 2NH3 3x22,4L --------- 2x17g X -------------- 340g X = 672L Relao Massa x N Molculas: Na reao gasosa N2 + H2 18g de H2? NH3, qual o nmero de molculas de NH3 obtido, quando se reagem totalmente

Acerte os coeficientes da equao: 1N2 +3H2 2NH3 Veja os dados informados (18g de H2) e o que est sendo solicitado (nmero de molculas de NH3) e estabelea uma regra de trs: 3H2 -------------- 2NH3 3x2g ----------2x6,02x1023molculas 18g -------------- X X = 18,06x1023 molculas ou X = 1,806x1024 molculas Na reao gasosa N2 + H2 --------- NH3, qual o nmero de molculas de H2 consumido, quando produzido 340g de NH3? Acerte os coeficientes da equao:

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Anlise de Processos Fsico Qumicos I 1N2 +3H2 --------- 2NH3 Veja os dados informados (340g de NH3) e o que est sendo solicitado (nmero de molculas de H2) e estabelea uma regra de trs. 3H2 -------------- 2NH3 3x6,02x1023 --------- 2x17g X -------------- 340g X = 180,6x1023 molculas ou X = 1,806x1025 molculas

4.2.2 Pureza comum o uso de reagentes impuros, principalmente em reaes industriais, ou porque so mais baratos ou porque j so encontrados na natureza acompanhados de impurezas (o que ocorre, por exemplo, com os minrios). Grau de pureza: o quociente entre a massa da substncia principal e a massa total da amostra (ou massa do material bruto). Exemplos: Em 200g de calcrio encontramos 180g de CaCO3 e 20g de impurezas. Qual o grau de pureza do calcrio? 200g -------------100% 180g ------------- X X = 90% Uma amostra de 200kg de calcrio (com teor de 80% de CaCO3) foi tratada com cido fosfrico - H3PO4 conforme a equao qumica balanceada: 3CaCO3 + 2H3PO4 1Ca3(PO4)2 + 3H2O + 3CO2 Calcule a massa de Ca3(PO4)2 formada. Os coeficientes j esto acertados: 3CaCO3 + 2H3PO4 1Ca3(PO4)2 + 3H2O + 3CO2

Veja os dados informados (200 kg de Calcrio com 80% de pureza, ou seja, temos apenas 160kg de CaCO3) e o que est sendo solicitado (massa do sal formado - Ca3(PO4)2) e estabelea uma regra de trs: 3CaCO3 -------------- 1Ca3(PO4)2 3x100g---------------- 1x310g 160kg --------------- X X = 165,33kg Considere a reao FeS + HCl FeCl2 + H2S. Qual a massa de cloreto ferroso - FeCl2 - obtida quando 1100g de sulfeto ferroso - FeS de 80% de pureza reagem com excesso de cido clordrico - HCl? Acerte os coeficientes da equao: 1FeS + 2HCl 1FeCl2 + 1H2S Veja os dados informados (1100g de sulfeto ferroso com 80% de pureza, ou seja, 880g de sulfeto ferroso puro) e o que est sendo solicitado (massa de cloreto ferroso) e estabelea uma regra de trs: 1FeS -------------- 1FeCl2 1x88g ------------- 1x127g 880g -------------- X X = 1270g

4.2.3 RendimentoRendimento de uma reao o quociente entre a quantidade de produto realmente obtida e a quantidade de produto que seria teoricamente obtida pela equao qumica correspondente.

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Anlise de Processos Fsico Qumicos I Exemplo: Queimando-se 30g de carbono puro, com rendimento de 90%, qual a massa de dixido de carbono (CO2) obtida, conforme a equao: C + O2 CO2. Os coeficientes j esto acertados: 1C + 1O2 1CO2 Veja os dados informados (30g de Carbono puro com 90% de rendimento) e o que est sendo solicitado (massa de dixido de carbono obtida) e estabelea uma regra de trs: 1C -------------- 1CO2 1x12g----------- 1x44g 30g --------------- X X = 110g Considerando que o rendimento seria de 100%, estabelea outra regra de trs para calcular o rendimento (90%): 110g -------------100% (rendimento terico) y --------------- 90% y= 99g Quando so dadas as quantidades de dois ou mais participantes, importante lembrar que as substncias no reagem na proporo que queremos (ou que as misturamos), mas na proporo que a equao (ou seja, a Lei de Proust) as obriga. Quando o problema d as quantidades de dois participantes, provavelmente um deles est em excesso, pois, em caso contrrio, bastaria dar a quantidade de um deles e a quantidade do outro seria calculada. Para fazer o clculo estequiomtrico, baseamo-nos no reagente que no est em excesso (denominado reagente limitante). Nesse caso devemos seguir as etapas: o 1 etapa- Considere um dos reagentes o limitante e determine quanto de produto seria formado; o 2 etapa- Repita o procedimento com o outro reagente; o 3 etapa- A menor quantidade de produto encontrada corresponde ao reagente limitante e indica a quantidade de produto formada. Exemplo: Foram misturados 40g de gs hidrognio (H2) com 40g de gs oxignio, com a finalidade de produzir gua, conforme a equao: H2 + O2 H2O. Determine: a) o reagente limitante. b) a massa de gua formada. c) a massa de reagente em excesso. Acerte os coeficientes da equao: 2H2 +1O2 2H2O Vamos considerar que o H2 seja o reagente limitante: 2H2 --------------- 2H2O 2x2g----------------2x18g 40g ------------------ X X = 360g Em seguida, vamos considerar que o O2 seja o reagente limitante: 1O2 --------------- 2H2O 1x32g------------- 2x18g 40g ------------------ Y Y = 45g Observe que a menor quantidade de gua formada esta relacionada com o consumo total de O2, e que realmente o reagente limitante o O2. A massa de gua produzida ser de 45g. Agora vamos calcular a massa de H2 que ser consumida e o que restou em excesso, aplicando uma nova regra de trs: 2H2 --------------- 1O2

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Anlise de Processos Fsico Qumicos I 2x2g---------------1x32g Z -------------- 40g Z = 5g (massa de H2 que ir reagir) Como a massa total de H2 era de 40g e s 5g ir reagir, teremos um excesso de 35g (40-5). Dessa forma, passaremos a responder os quesitos solicitados: a) reagente limitante: O2. b) massa de gua formada: 45g. c) massa de H2 em excesso: 35g. Exerccios: 1. Qual a massa de gua que se forma na combusto de 1g de gs hidrognio (H2), conforme a reao H2 + O2 H2O? 2. Sabendo que 10,8g de alumnio reagiram completamente com cido sulfrico, conforme a reao: . Al + H2SO4 Al2(SO4)3 + H2, calcule: a) massa de cido sulfrico consumida; . b) massa de sulfato de alumnio produzida; 3. Qual a massa de gs oxignio necessria para reagir com 560g de monxido de carbono, conforme a equao: CO + O2 CO2 ? 4. Efetuando-se a reao entre 18g de alumnio e 462g de gs cloro, segundo a equao qumica: Al + Cl2 AlCl3 , obtm-se qual quantidade mxima de cloreto de alumnio? 5. Quantos mols de O2 so obtidos a partir de 2,0mols de pentxido de dinitrognio (N2O5), de acordo com a reao: N2O5 + K2O2 KNO3 + O2 6. Quantas molculas de gs oxignio reagem com 6 mols de monxido de carbono, conforme a equao: CO + O2 CO2 ? 7. O cido sulfrico de larga utilizao e fator determinante do ndice de desenvolvimento de um pas, obtido pela reao: SO3 + H2O H2SO4 . Reagimos 80g de trixido de enxofre (SO3) com gua em excesso e condies necessrias. Qual a massa de cido sulfrico obtida nessa reao que tem rendimento igual a 75%? 8. 400g de hidrxido de sdio (NaOH) so adicionados a 504g de cido ntrico (HNO3), produzindo nitrato de sdio (NaNO3) e gua. Calcule: a) massa de nitrato de sdio obtida; b) massa do reagente em excesso, se houver. 9. 32,70g de zinco metlico (Zn) reagem com uma soluo concentrada de hidrxido de sdio (NaOH), produzindo 64,53g de zincato de sdio (Na2ZnO2). Qual o rendimento dessa reao? 10. Misturam-se 147g de cido sulfrico e 100g de hidrxido de sdio que se reajam segundo a reao: H2SO4 + NaOH ------ Na2SO4 + H2O. Qual a massa de sulfato de sdio formada? Qual a massa do reagente que sobra em excesso aps a reao?

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5. SOLUES5.1 INTRODUOSolues e Disperses: Quando misturamos duas substncias, pode resultar em uma mistura homognea (soluo) ou em uma mistura heterognea. Exemplos de mistura homogneas a gua e o sal, enquanto que exemplo de mistura heterognea pode ser gua e areia. Dizemos que a gua se dissolveu, enquanto que a areia no se dissolveu na gua. Solues: Chamamos simplesmente de Solues ou Solues Verdadeiras. Solues so misturas homogneas de duas ou mais substncias. Nas solues o disperso recebe o nome de soluto e o dispersante o nome de solvente. As solues so muito importantes, exemplo: o ar que respiramos (mistura de gases), gua do mar (vrios sais), bebidas, remdios, sangue, urina. o Classificao Geral das Solues:

Quanto ao estado fsico: Slidas, Lquidas, Gasosas. Quanto condutividade eltrica: Eletrolticas ou inicas, No-eletrolticas ou moleculares. Quanto proporo soluto/solvente: Diluda, Concentrada, No-saturada (insaturada), Saturada, Supersaturada. De acordo com o tamanho das partculas dispersas: Soluo verdadeira, Soluo coloidal, Soluo grosseira (suspenso). Disperses: Disperses so sistemas nos quais uma substncia est disseminada, sob forma de pequenas partculas, numa segunda substncia. A primeira substncia chama-se disperso ou fase dispersa e a segunda substncia chamase dispersante ou fase de disperso. Classificao Geral das Disperses: feita de acordo com o tamanho mdio das partculas dispersas. Veja tabela abaixo:

Na tabela acima observa-se que as partculas dispersas de solues coloidais so maiores que as da soluo, mas menores que as de suspenso. Exemplos de solues coloidais so o leite (pois consiste em glbulos de gordura dispersos em gua), a neblina (lquido em um gs) e a espuma (gs em um lquido). Concentrao das Solues: Um sistema homogneo (soluo) em equilbrio fica bem definido aps o conhecimento das suas substncias qumicas que o constituem (anlise qumica qualitativa), da presso e temperatura (variveis fsicas quantitativas) e da quantidade de cada um de seus componentes (anlise qumica quantitativa). Estas quantidades em geral so expressas em relao quantidade de soluo; outras vezes utiliza-se como referncia a quantidade de um de seus constituintes que poder ento ser chamado solvente e em geral o disperso predominante. Tais fraes quantitativas so chamadas concentrao. Concentrao um termo genrico. Por si s no uma entidade fsico-qumica bem definida, faltando para tanto caracteriz-la dimensionalmente atravs da escolha das grandezas representativas das quantidades das substncias qumicas em questo. Por vezes adimensional, representando, por exemplo, a relao entre a massa de soluto e a massa da soluo; outras vezes expressa em massa por volume; ou atravs de inmeras outras maneiras. A escolha dimensional obedece a critrios baseados puramente na convenincia particular

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Anlise de Processos Fsico Qumicos I ao estudo que se pretenda efetuar. E esta convenincia particular em geral apia-se no estabelecimento de equaes simplificadas para expressar os princpios e leis do estudo em questo; ou ento na maleabilidade operacional destas equaes. Convm-nos adotar grandezas intimamente relacionadas ao nmero de molculas das substncias em estudo. Tipos de concentrao: % em massa, % em volume, Concentrao em g/L, Concentrao em mol/L, Concentrao molar, Concentrao em frao molar de soluto.

5.2 DESENVOLVIMENTO DO TEMA 5.2.1 SolubilidadeQuando fazemos uma mistura de duas espcies qumicas diferentes, pode ocorrer a disseminao, sob forma de pequenas partculas, de uma espcie na outra. Havendo disseminao, obteremos um sistema que recebe o nome de disperso. Na disperso, a espcie qumica disseminada na forma de pequenas partculas chamada de disperso, enquanto a outra espcie chamada de dispersante ou dispergente. De acordo com o dimetro mdio das partculas do disperso, a disperso se classifica em: o Soluo: disperso em que as partculas do disperso apresentam um dimetro mdio de at 10 A (angstron). Nas solues, o disperso recebe o nome de soluto e o dispersante, solvente. Exemplo: mistura de acar e gua; o Disperso coloidal : disperso em que o dimetro mdio das partculas do disperso dica compreendido entre 10 A e 1000 A. Exemplo: fumaa, neblina e gelia; o Suspenso: disperso em que o dimetro mdio das partculas do disperso superior a 1000 A. Na suspenso, o disperso slido e o dispersante, lquido. Exemplo: leite de magnsia; o Emulso: disperso em que o dimetro mdio das partculas do disperso superior a 1000 A. Na emulso, tanto o disperso quanto o dispersante so lquidos. Exemplo: leite e maionese. Nas solues, o processo de dissoluo ocorre porque as molculas do solvente bombardeiam as partculas perifricas do slido, arrancando-as e mantendo-as dispersas, devido principalmente ao fenmeno da solvatao, ou seja, a partcula arrancada fica rodeada por molculas do solvente. O processo de dissoluo depende dos seguintes fatores: concentrao, estado de subdiviso do slido e temperatura.

5.2.2 Coeficiente de Solubilidade (CS)Entende-se por coeficiente de solubilidade (CS), a quantidade geralmente em gramas, necessria do soluto para formar, com uma quantidade-padro (geralmente em litros) do solvente, uma soluo saturada, em determinadas condies de temperatura e presso. Em outras palavras, o CS a quantidade mxima de soluto que se pode dissolver em uma quantidade padro de solvente. O coeficiente de solubilidade geralmente expresso em gramas por 100 gramas ou 1000 gramas de solvente e classificam-se em: o Quando o coeficiente de solubilidade muito pequeno, como do AgCl, diz-se que a substncia insolvel. o Quando o soluto e o solvente so lquidos e no se dissolvem entre si, dizem que os mesmos so imiscveis. o Quando o coeficiente de solubilidade muito pequeno, como do AgCl, diz-se que a substncia insolvel. o Quando o soluto e o solvente so lquidos e no se dissolvem entre si diz-se que os mesmos so imiscveis.

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A frmula usada para se calcular o Cs (Coeficiente de Solubilidade), com uma quantidade padro de massa (100 g) a seguinte: Cs = 100 m1 / m2 (g) Regra de solubilidade: As substncias inorgnicas (sais, cidos e bases) se dissolvem em gua. As substncias orgnicas no se dissolvem em gua, com excesso dos sais, cidos e lcoois. As substncias orgnicas, porm, se dissolvem em solventes orgnicos, tais como gasolina, tetracloreto de carbono, benzeno, etc. Considerando a polaridade das substncias, pode-se notar que as substncias com polaridades semelhantes se dissolvem entre si e as substncias com polaridades diferentes no se dissolvem entre si. Com base nesse fato, pode-se concluir que: Uma substncia tende a se dissolver em solventes quimicamente semelhantes a ela. Levando em considerao o aspecto da polaridade das substncias, pode-se dizer: Uma substncia polar se dissolve num solvente polar; uma substncia apolar se dissolve num solvente apolar. Um dado importante na Qumica, principalmente para aulas de laboratrio, conhecer quais as substncias que se dissolvem em gua e quais as que no se dissolvem. DICA: Sempre so solveis os compostos de metais alcalinos, amnio, nitratos e acetatos. Tabela de solubilidade de compostos inorgnicos em gua:

A variao do coeficiente de solubilidade da substncia em funo da temperatura pode ser avaliada graficamente, atravs das curvas de solubilidade. As curvas de solubilidade so grficos que indicam o coeficiente de solubilidade de uma substncia em funo da temperatura. Veja abaixo a curva de solubilidade do nitrato de potssio (KNO ):3

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Anlise de Processos Fsico Qumicos I Analisando o grfico, podemos dizer: o A regio I corresponde s solues insaturadas, ou seja, qualquer ponto dessa regio indica que a massa de KNO dissolvido menor que o coeficiente de solubilidade. Trata-se de solues diludas o e concentradas; A regio II corresponde s solues supersaturadas, ou seja, qualquer ponto dessa regio indica que a massa de KNO dissolvido maior que o coeficiente de solubilidade. Trata-se de solues instveis. A curva de solubilidade a fronteira entre as regies I e II e qualquer ponto dessa curva indica que a massa de KNO dissolvido igual ao coeficiente de solubilidade. Trata-se das solues saturadas.3 3 3

o

Observe o grfico abaixo:

Podemos perceber que, geralmente, a solubilidade aumenta com a temperatura. H substncias em que esse aumento bastante acentuado, como o KNO , em outras quase imperceptvel, como o NaCl. No entanto, existem substncias em que a solubilidade diminui com o aumento da temperatura. Existem trs tipos de curvas: o Curvas Ascendentes: representam as substncias cujo coeficiente de solubilidade aumenta com a temperatura. So substncias que se dissolvem com a absoro de calor, isto , a dissoluo endotrmica; o Curvas Descendentes: representam as substncias cujo coeficiente de solubilidade diminui com o aumento de temperatura. So substncias que se dissolvem com liberao de calor, isto , a dissoluo exotrmica; o Curvas com Inflexes: representam as substncias que sofrem modificaes em sua estrutura com a variao da temperatura. O sulfato de sdio, por exemplo, at a temperatura de 32,4C, apresenta em sua estrutura dez molculas de gua, em temperatura acima de 32,4C o sulfato de sdio perde suas molculas de "gua de cristalizao" e a curva de solubilidade sofre uma inflexo. Exerccios: 1. A curva de solubilidade do KNO em funo da temperatura dada a seguir. Indique a denominao das diferentes reas do grfico? 2. Se, a 20C, misturarmos 50g de KNO com 100g de gua,quando for atingido o equilbrio teremos:3 3 3

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3. Segue abaixo a curva de solubilidade de um sal hipottico. A quantidade de gua necessria para dissolver 30 gramas de sal, a 35C, ser, em gramas?

4. A determinada temperatura, o CS do NaI de 180 g/100g de gua. Calcule a massa de gua necessria para preparar uma soluo que contenha 12,6g desse sal na temperatura considerada?

5.2.3 Concentrao de SoluesExistem diferentes relaes que podem ser estabelecidas entre as quantidades de soluto, solvente e soluo. Tais relaes so denominadas concentraes. Chama-se concentrao de uma soluo toda e qualquer maneira de expressar a proporo existente entre as quantidades de soluto e solvente ou, ento, as quantidades de soluto e de soluo. Importante: Usaremos a seguinte conveno durante os clculos: o ndice 1, para as quantidades relativas ao soluto; o ndice 2, para as quantidades relativas ao solvente; o Sem ndice, ao que se referir prpria soluo. A substncia em maior quantidade na soluo recebe o nome de solvente (dispersante) e aqueles em menor quantidades so chamados soluto (disperso). Essa classificao depende apenas da quantidade da substncia na soluo. Assim, no caso do ao, soluo constituda por substncias slidas, o solvente o ferro e o principal soluto o carbono (entre 0,008% e 2,000% da mistura). As solues mais importantes para os seres vivos so aqueles em o solvente a gua, ditas aquosas. As plantas retiram seu alimento do solo atravs de solues aquosas (por esse motivo, os fertilizantes possuem, sua composio, minerais solveis em gua). A digesto transforma alimentos em substncias solveis em gua, que dessa forma, so mais facilmente absorvidas pelo organismo. Os fludos dos tecidos, o plasma sangneo e a gua que bebemos so exemplos de solues aquosas. Critrios usados para exprimir concentraes:2 4 2 4

Ao preparar uma soluo aquosa de H SO , podemos obter solues em infinitas propores, porque o H SO

e a gua so miscveis em todas as propores. Uma vez preparada a soluo, importante indicar no rtulo do frasco a proporo utilizada no seu preparo. Essa proporo vai chamar-se concentrao. Em linhas gerais, concentrao o critrio usado para indicar a quantidade de soluto dissolvido em um determinado volume ou

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Anlise de Processos Fsico Qumicos I em uma determinada massa de soluo. Dessa maneira, as quantidades relativas de H SO e H O utilizadas no preparo da soluo ficam acessveis a qualquer pessoa. Por isso importante que as concentraes, ou melhor, os critrios usados para exprimir as concentraes, sejam adotadas por todos os qumicos, atravs de uma linhagem universal. Vejamos abaixo os tipos de concentrao: Lembre-se: A fim de facilitar a notao, utilizaremos ndice 1 para tudo o que se referir ao soluto (massa, quantidade de substncia, etc.) e ndice 2 para tudo o que se referir ao solvente. Para a soluo no usaremos ndice algum. o Concentrao em massa (C) ou comum:1 2 4 2

Tomemos uma soluo de V litros, onde exista uma massa de m gramas de soluto. Qual seria a massa de soluto contida em 1 Litro dessa soluo? V(L) de soluo m (g) de soluto1

1 (L) de soluo C(g) de soluto A concentrao ( C ) indica a massa de soluto contida em um litro de soluo e expressa em g/L.

Onde: C = concentrao comum m = massa do soluto (g) V = volume (L) A unidade da concentrao ser composta por uma unidade de massa qualquer (mg, g,kg, t, etc) dividida por uma unidade de volume qualquer (cm , mL, dm , L, m , etc.). Segundo, o volume que se leva em conta nessa definio no o volume de solvente usado para fazer a soluo, mas sim o volume da soluo. Vejamos agora a leitura do rtulo identificador de uma soluo aquosa contida em um frasco. No rtulo do frasco vo as seguintes informaes:3 3 3 1

NaOH

uma soluo aquosa de NaOH de concentrao igual a 80g/L. Interpretao da informao: Existem 80g de soluto em cada litro de soluo. Exemplo: Qual a concentrao ( C ) de uma soluo de brometo de potssio contendo 11,9g em 1,5L de soluo? Resoluo: C=?m1

(aq)

indica que a substncia dissolvida (soluto) o NaOH e que o solvente a gua. C = 80g/L indica

m = 11,9 g V = 1,5 L

1

Portanto em 1,5L de soluo de brometo de potssio h 7,93g. Por evaporao e purificao, um litro de gua do mar fornece 27g de cloreto de sdio, comercializado como sal de cozinha. Que volume de gua do mar, em m , precisa ser empregado para que uma salina produza 1 tonelada de cloreto de sdio? Resoluo:3

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Exerccios: 1. Em um balo volumtrico de 400mL so colocados 18g de cloreto de amnio NH4Cl e gua suficiente para atingir a marca do gargalo. Determine a concentrao da soluo em gramas por litro? 2. Admitindo que 240mL de suco de laranja contenham 480mg de ons de potssio, determine a massa de potssio, em gramas, que h em 10 litros desse suco? 3. O leite bovino contm, em mdia, 33 g de protenas por litro. Qual a massa de protenas em um copo contendo 200cm de leite? 4. Em mdia, a concentrao de sais na gua do mar igual a 35g/L. Em uma salina, determine a quantidade mxima de sais que poder ser obtida em um tanque de dimenses 10m x 5m x 1m.. (Dado: 1m = 1000L)? 5. A secreo mdia de lgrimas de um ser humano de 1mL por dia. Admitindo que as lgrimas tenham concentrao de sais igual a 6g/L, indique a massa de sais perdida na secreo diria?3 3

5.2.4 Molaridade ou Concentrao Molar (M)Molaridade a razo da quantidade de matria (mol) por volume de soluo (em Litros), expressa na unidade mol/L. Onde: M = molaridade; n = nmero de mols do soluto; V = volume, em litros, da soluo. Sabendo que a quantidade de mols (n) a relao entre a massa do soluto (m) (em gramas) e a massa molar da substncia (Mol, em g/mol), temos: N = m / MM Juntando as duas equaes, temos a forma expandida: M = m / MM x V o Densidade de uma soluo:1

A densidade de uma soluo o resultado da diviso da sua massa pelo volume da soluo.

m = massa do soluto m = massa do solvente2 1

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Anlise de Processos Fsico Qumicos I Esteja atento para no confundir a concentrao comum com a densidade da soluo. A concentrao comum expressa a massa de soluto presente num certo volume de soluo. J a densidade de uma soluo expressa a massa total (soluto + solvente) de um certo volume de soluo. Obs.: A densidade no propriamente, portanto, uma maneira de expressar a concentrao de uma soluo, mas est relacionada a ela, pois, quando cariamos a concentrao de soluto, varia tambm a densidade. Exemplo:3

Calcular a densidade absoluta de uma soluo que representa massa de 50g e volume de 200cm . Resoluo: m = 50g

V = 200cm

3

Exerccios:

1. A concentrao de ouro na gua do mar igual a 2,0 x 10 mol/L. Qual volume de gua do mar deve ser colhido para se obter 1,0g de ouro? (Dado: massa atmica do ouro = 200 u)? 2. Em mdia, cada litro de vinagre contm 50g de cido actico. Determine a concentrao do cido em mol/L? 3. Sabendo que a gua do mar apresenta, em mdia, ons sdio na concentrao de 0,46mol/L, determine a massa de NaCl existente em um copo com 200mL de gua do mar? 4. Trs frascos no rotulados encontram-se na prateleira de um laboratrio. Um contm benzeno, outro tetracloreto de carbono e o terceiro, metanol. Sabe-se que suas densidades so: 0,87g/cm (benzeno); 1,59g/cm (tetracloreto de carbono) e 0,79g/cm (metanol). Dos trs lquidos, apenas o metanol solvel em gua, cuja densidade 1,00g/cm . Com base nessas informaes explique como voc faria para reconhecer os trs lquidos. Observao: Os trs lquidos so altamente txicos e no devem ser cheirados.3 3 3 3

-11

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6. TTULO6.1 DESENVOLVIMENTO DO TEMA 6.1.1 Ttulo e Porcentagem em MassaChamamos de ttulo de uma soluo a razo estabelecida entre a massa do soluto (m ) e a massa dessa soluo (m), ambas medidas na mesma unidade.1

Onde: m = massa de soluto m = massa de solvente m = massa da soluo (soluto + solvente). t (tao) = ttulo da soluo (nmero puro, isto , sem unidade). Assim, se o ttulo de uma soluo 0,2, isso significa que % = 100 . 0,2 = 20%. Isso quer dizer que a soluo apresenta 20% em massa de soluto e, evidentemente, 80% em massa de solvente. Importante: 0

APOSTILA ANÁLISE DE PROCESSOS FÍSICO QUÍMICOS

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