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relatório do experimento realizado em aula..
Tipologia: Notas de aula
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Feira de Santana-Ba Março / 2009
Relatório requerido pela docente Carla Mendes
que ministra a disciplina EXA 411 Química
Orgânica II, do Departamento de Ciências
Exatas. Elaborado por: Alexandre Cardeal,
Danilo Freitas, Isabela Carvalho e Thiara
Marçal que cursam Engenharia de Alimentos
nesta universidade.
Feira de Santana-Ba Março / 2009
Para uma reação química, à temperatura e pressão constantes, o efeito destas duas tendências é dado pela energia livre de Gibbs (G). Uma reação
desordem. Para uma reação química, à temperatura e pressão constantes, o efeito destas duas tendências é dado pela energia livre de Gibbs (G). Uma reação química ocorre espontaneamente, dos reagentes aos produtos, somente se há um decréscimo de G. No equilíbrio G tem um valor mínimo, isto é, dG=0. A lei que governa o equilíbrio mecânico é diferente da lei que governa o equilíbrio químico, porque para um sistema mecânico o equilíbrio significa ausência de movimento, enquanto no equilíbrio químico significa somente a constância das propriedades macroscópicas em relação ao tempo. Como as forças mecânicas são definidas em relação à variação da energia potencial, pode-se fazer uma analogia com as forças termodinâmicas e ligá-las à variação da energia livre de Gibbs. Nas reações químicas o equilíbrio pode ser explicado jogando com dois fatores: o decréscimo da energia e o aumento da entropia. O fato de uma reação não está em equilíbrio é uma consequência da diferença entre os valores desses fatores. Esta diferença, força resultante que dirige as reações químicas, denomina-se energia livre. Com o correr da transformação a energia livre diminui até atingir um valor mínimo, enquanto a entropia aumenta até um valor máximo. A energia livre pode ser discutida sob duas condições experimentais: a volume constante (energia livre de Helmholtz) e à pressão constante (energia livre de Gibbs). Visto que a maioria das reações químicas é estudada à pressão constante, a função mais utilizada é a energia livre de Gibbs, representada por G, e dada pela equação: G = H – T. S
Para uma transformação a partir de um estado inicial a um estado final tem-se: ΔG = ΔH – Δ(T.S) ou à temperatura constante, ΔG = ΔH – T. ΔS
Como a entalpia e a entropia são funções de estado, a energia livre também o será.
Essa equação, formulada em 1878 por Gibbs, é conhecida como o
"critério de espontaneidade das reações". Processos espontâneos, sob pressão
e temperatura constantes, possuem variação negativa de energia livre:
ΔG = ΔH – T. ΔS < 0
A definição termodinâmica da entropia centraliza-se na variação de entropia, dS, que ocorre em consequência de uma mudança física ou química (em geral, como resultado de um “processo”). A definição de entropia é motivada pela idéia de que uma modificação da dispersão da energia, da sua distribuição de maneira desordenada, depende da quantidade de energia que é transferida no processo na forma de calor. Lembrando que, o calor proporciona um aumento do movimento caótico das partículas das vizinhanças do sistema. O trabalho, que propicia o movimento ordenado dos átomos das vizinhanças, não altera o grau de desordem e não contribui para alterar a entropia. Para uma transformação finita entre dois estados 1 e 2, a entropia é expressa por:
ou à temperatura constante para um processo reversível:
ΔS = Q/T
A equação anterior é válida para qualquer transformação (física ou química). No caso de uma reação química, quanto mais energia livre a reação disponibiliza, maior quantidade de produtos será produzida. Assim, pode-se pensar em uma reação genérica que ocorre em determinada temperatura e pressão: aA + bB = cC + dD. Em determinada situação, haverá certa quantidade de produtos e reagentes. Define-se então um coeficiente de reação, Q, para expressar essa proporção:
Na qual [A], [B], [C] e [D] são respectivamente as concentrações de A, B, C e D. Para certo valor de Q haverá ainda certa quantidade de energia livre, , (que é igual à diferença de energia livre dos produtos e à energia livre dos reagentes) que ainda pode ser liberada. O subscrito r foi usado para designar a reação. A reação se processa espontaneamente de forma que vai diminuindo. A reação ocorre até que não haja mais diferença de energia livre entre produtos e reagentes, em outras palavras, = 0. Nesse estado termodinâmico (que é único para cada reação), todas as propriedades macroscópicas não mudam mais. Isso significa que Q não muda mais. Nessa condição, Q será designado por K (a constante de equilíbrio para a reação).
Na qual, o subscrito eq foi usado para representar a concentração das substâncias no equilíbrio e a, b, c e d são os coeficientes estequiométricos da reação. Em 1888, o químico francês Henry Louis Le Chatelier (1850-1936) enunciou um princípio com o qual se pode prever em que sentido o equilíbrio será deslocado: “quando um equilíbrio é alterado por um fator externo, ocorre um deslocamento no sentido que anula a alteração”.
Assim, o aumento da concentração de uma substância desloca o equilíbrio no sentido de consumo desta substância e a diminuição da concentração de uma substância desloca o equilíbrio no sentido da sua formação. Além disso, o equilíbrio sofre influência da variação da pressão e da temperatura. O aumento da pressão de uma reação desloca o equilíbrio no sentido da contração do volume e uma diminuição da pressão desloca o equilíbrio no sentido da expansão do volume. Já o aumento da temperatura de uma reação desloca o equilíbrio no sentido da reação endotérmica e a diminuição da temperatura desloca o equilíbrio no sentido da reação exotérmica.
EXPERIMENTO 1: Espontaneidade de uma reação
Materiais utilizados
Reagentes
Primeiramente, preencheu-se 1/3 do tubo de ensaio com bicarbonato de sódio (NaHCO 3 ) em pó, logo após isso foi introduzida uma extremidade da mangueira no tubo e vedou-se com a fita Crepe para assegurar a vedação. Feito isso, fixou-se o tubo de ensaio no suporte universal a uma altura adequada ao aquecimento. Colocou-se a outra extremidade da mangueira no béquer que tinha ¾ de sua capacidade preenchida com água de cal. Após a montagem do sistema, ilustrado na figura, aguardou-se alguns minutos para ocorrer o processo, o qual foi observado e analisado.
Inicialmente, mediu-se 25mL de KSCN e o transferiu para o béquer, mediu-se a mesma quantidade de água destilada e a transferiu para o mesmo béquer. Adicionou-se ao mesmo béquer 3 a 4 gotas de Fe(NO 3 ) 3 a 0,2M. Pegou-se a solução preparada no béquer e adicionou-se até a metade de três tubos de ensaio que foram numerados de 1 a 3. No tubo 2, foram adicionados alguns cristais de KSCN. Já no tubo 3, colocou-se gotas da solução de Fe(NO 3 ) 3. Ao tubo 1 não foi adicionado nada para ser usado para comparação, sendo considerado o padrão.
EXPERIMENTO 1 : Espontaneidade de uma reação.
Após alguns minutos, da montagem do sistema da figura 6, observou-se a formação de bolhas na ponta da mangueira dentro do béquer durante o aquecimento e posterior turvação na água de cal. Passado mais alguns minutos, observou-se a precipitação de um sólido branco.
EXPERIMENTO 2 : Estudo da influência da concentração no equilíbrio.
Ao adicionar gotas de nitrato de ferro III 0,2M, Fe (NO 3 ) 3 , no béquer contendo tiocianato de potássio (KSCN) e água destilada, observamos que a solução apresentou uma cor alaranjada. Quando adicionamos tiocianato de potássio (KSCN) ao tubo 2, observamos uma coloração alaranjada mais intensa do que o observado antes da adição do tiocianato de potássio. Ao adicionar ao tubo 3, gotas da solução de nitrato de ferro III, observamos uma coloração vermelha mais intensa do que a verificada antes da adição do nitrato de ferro III. Ao adicionar nitrato de potássio (KNO 3 ) sólido a cada um dos tubos (2 e 3), verificamos uma mudança na coloração das soluções contida nos mesmos. Quando comparamos cada uma das cores obtidas com o tubo padrão, ou seja, o tubo no qual não houve adição de KNO 3 , verificamos que a coloração não foi alterada, havendo apenas diminuição na temperatura.
d) Ao final da reação, o que foi observado no interior do recipiente com água de cal?
Sendo a reação, Ca(OH)2(aq) + CO2(g) CaCO3(s) + H 2 O(l)
No interior do recipiente com água de cal foi observada formação de um precipitado branco, o carbonato de cálcio CaCO 3 , resultante da reação escrita acima.
e) Ao término do experimento observou-se a formação de uma nata sobrenadante na solução de água de cal? Por que motivo isto ocorre?
Sim. Há a formação de uma nata sobrenadante na solução de água de cal tanto no béquer que se utilizou no processo quanto no que deixamos isolado na bancada. Isso ocorre, devido à reação da água de cal com o dióxido de carbono (CO 2 ) da atmosfera.
Para a reação ocorrida no procedimento, pode-se verificar se ela é ou não espontânea fazendo os seguintes cálculos:
NaHCO 3(s) Δ Na 2 CO 3(s) + CO 2(g) + H 2 O (l)
Tendo,
ΔGf°(NaHCO 3 ) = -851,0kJ/mol ΔGf°(Na 2 CO 3 ) = -1044,44kJ/mol ΔGf°(CO 2 ) = -394,36kJ/mol ΔGf°(H 2 O) = -237,13kJ/mol
Logo,
ΔGr °= Σ ΔGf° (PRODUTOS) - Σ ΔGf °(REAGENTES)
ΔGr °= (-1044,44-394,36-237,13)-(-851,0)
ΔGr °= -825,16kJ/mol
Como ΔGr °<0, logo a reação é espontânea.
EXPERIMENTO 2 : Estudo da influência da concentração no equilíbrio.
A mudança na coloração da solução contida no béquer se deve ao fato de
que, quando adicionamos nitrato de ferro III, ocorre um deslocamento do
equilíbrio para a direita, ou seja, o equilíbrio se desloca no sentido da formação
dos produtos, onde o tiocianato de ferro formado pela reação do tiocianato de
potássio e do nitrato de ferro III é o responsável pela mudança na coloração da
solução. A mesma explicação é válida para a mudança de cor nos tubos 2 e 3,
pois quando adicionamos tiocianato de potássio e nitrato de ferro III a estes
tubos,respectivamente, houve um deslocamento do equilíbrio para a formação
dos produtos,deixando a solução com a cor característica do tiocianato de
ferro, visto que, esse composto é o responsável pela mudança na coloração do
sistema.
A mudança de cor da solução contida nos tubos 2 e 3 se deve ao fato de
que, quando adicionamos nitrato de potássio nos tubos, ocorre um
deslocamento do equilíbrio no sentido dos reagentes com o objetivo de tentar
minimizar a perturbação externa, visto que, o nitrato de potássio é um dos
produtos da reação do tiocianato de potássio e nitrato de ferro III.Pois, o
aumento da concentração de uma substância desloca o equilíbrio no sentido de
consumo desta substância e a diminuição da concentração de uma substância
desloca o equilíbrio no sentido da sua formação. Portanto, para minimizar a
perturbação externa, o equilíbrio se desloca no sentido dos reagentes, na qual,
as soluções passam apresentar cores características do nitrato de ferro III,
sendo este o responsável pela alteração da cor das soluções.
Questões
a) Qual a reação observada no béquer quando da adição de nitrato de ferro III no béquer?
Com a realização do experimento, podemos verificar se uma reação se
processa de forma espontânea ou não e também estudar a influência da
concentração no equilíbrio. Além disso, constatou-se na prática, o que se
encontrou na literatura.
Nitrato de ferro (III),(Fe(NO3)) ou nitrato férrico, é o composto químico com a fórmula Fe(NO3)3·9 H2O (nonaidrato). Forma cristais incolores a violeta pálido que são deliquescentes; i.e., cristais que formam uma poça de água se deixados em contato com a atmosfera
O composto é preparado simplesmente por tratar o metal ferro ou óxido de ferro com ácido nítrico, com desprendimento de hidrogênio gasoso.
O KNO3 normalmente não apresenta perigos ao ser manuseado. Porém, devido à suscetibilidade individual das pessoas pode provocar irritações na pele, olhos e trato respiratório. Não são esperados efeitos adversos á saúde devido à exposição ocupacional, a menos que haja ingestão em grandes quantidades e os padrões de higiene pessoal e procedimento de segurança não sejam seguidos. É inflamável e/ou explosivo em contato com substãncias redutoras. O Nitrato de Potássio é extremamente tóxico para a vida aquática, sendo portanto importante conter os derrames acidentais de alcançarem cursos d'água, ralos, esgotos, etc. Sempre que não for possível salvar a substância para reutilização ou reciclagem, esta deve ser colocada em um aparato aprovado e apropriado para eliminação do lixo.
Nocivo por inalação, em contato com a pele e por ingestão. Em contato com ácidos liberta gases muito tóxicos. Não combustível. Em caso de incêndio formam-se gases inflamáveis e vapores perigosos. Em caso de incêndio podem formar-se: óxido de enxofre, óxido nítrico. Outras informações toxicológicas Depois da inalação: Irritação das mucosas, tosse e dificuldade em respirar. Após o contato com a pele: Não há descrição de quaisquer sintomas tóxicos. Depois da ingestão de grandes quantidades: agitação, espasmos, ataxia (alteração da coordenação motora). Efeitos sistêmicos: Perturbações do SNC. Doenças cardiovasculares. Depois de longa exposição ao produto: Alterações de hemograma. Biodegradável. Não são esperados problemas ecológicos quando é manuseado e usado com os devidos cuidados e atenção.
ATKINS, P. W; PAULA, Julio de. Físico-química. 7. ed. Rio de Janeiro: LTC Ed, c2004. v.1.
BUENO, Willie A. Quimica geral. Sao Paulo: McGraw-Hill, 1978.
Sabadini, Edvaldo; Bianchi, José Carlos de Azambuja. Ensino do conceito de equilíbrio químico: uma breve reflexão. Química Nova na Escola , n. 25, p. 10-13, 2007.
