SOLUÇÕES - midia.atp.usp.br · é viscoso devido a alta concentração de frutose trazida do néctar das flores e concentrada na ... esta concentração é grande se ... segunda

Licenciatura em ciências · USP/ Univesp

13.1 Introdução13.2 Concentração de soluções13.3 Densidade e a concentração das soluções13.4 Diluição e concentração de soluções13.5 Solubilidade versus Temperatura13.6 Concentração Molar13.7 Tornando as soluções menos concentradas: Diluindo Soluções13.8 Reações químicas que são feitas utilizando soluções de concentração conhecidaReferências

Gianluca C. AzzelliniGuilherme A. Marson

Ana Cláudia Kasseboehmer

13 Quím

ica

SOLUÇÕES: ASPECTOS QUANTITATIVOS

197

Química

Licenciatura em Ciências · USP/Univesp · Módulo 2

13.1 IntroduçãoNo início do curso, vimos que misturas homogêneas também são chamadas de soluções

e que a solubilidade de uma substância em água é uma propriedade específica que permite

caracterizar as substâncias. Vimos também, na aula anterior, os aspectos qualitativos relacio-

nados a soluções dada a importância delas para a ocorrência de reações químicas. Nesta aula,

estudaremos os aspectos quantitativos sobre soluções que são: concentração, densidade, diluição,

influência da temperatura e molaridade.

13.2 Concentração de soluçõesA concentração exprime, por assim dizer, a proporção dos componentes da solução, sendo um

parâmetro fundamental para determinar as propriedades da solução. Da concentração dependem

as aplicações da solução, suas condições de transporte e armazenamento, sua periculosidade, etc.

O conceito de concentração é extremamente útil em diversos contextos. Por exemplo,

na comparação de dados habitacionais: em São Paulo existe cerca de 10.940.311 habitantes

As propriedades das soluções são diferentes daquelas do solvente e do soluto

As propriedades da solução são em geral diferentes das propriedades do solvente. Uma solução de água e sal tem ponto de fusão de até -20 °C dependendo da proporção entre sal e água. Em países temperados, o acúmulo de neve nas ruas e calçadas pode ser minimizado jogando-se sal grosso no pavimento. O sal se dissolve na água, causando a fusão do gelo e formando uma solução líquida que persiste em temperaturas de até -20 °C. Além de influenciar nas mudanças de estado, a presença do solutos provoca mudanças em outras propriedades como o índice de refração, a condutibilidade térmica, a condutibilidade elétrica e a viscosidade de soluções. O mel de abelhas é viscoso devido a alta concentração de frutose trazida do néctar das flores e concentrada na colmeia Alguns solutos são adicionados com o objetivo específico de aumentar a viscosidade das soluções. O amido é um desses solutos. O amido (maisena, farinha de trigo, etc.) engrossa o caldo de preparados alimentícios, pois origina uma solução altamente viscosa em água. A dissolução do amido é favorecida com a temperatura, por isso, ao usar o amido na culinária, observamos rápido aumento da viscosidade na medida em que o preparado atinge o ponto de fervura, indicando a formação da solução de amido em água.

198

13 Soluções: aspectos quantitativos


vivendo numa área superficial de 1.522,99 km2, a concentração média de habitantes é cerca

de 7.183,44 habitantes por quilômetro quadrado, esta concentração é grande se comparada à

concentração do estado de São Paulo 165,75 hab./km2.

Na química, a quantidade de massa de soluto dissolvido por uma unidade de volume de

solução pode ser calculada da mesma forma e se denomina concentração comum, expressa por C.

A concentração de uma solução geralmente é expressa em gramas de soluto por volume,

em litros, da solução. Algumas formas comuns de exprimir a concentração de uma solução são

apresentadas na Tabela 13.1:

Tabela 13.1: Maneiras de expressar a relação entre soluto e solvente.

Forma de exprimir a relação soluto/solvente

Quantidade de soluto

Quantidade de solução

Fórmula Unidade

Concentração comum Massa Volume de soluçãosoluto

solução

mV g/L

% em massa (título) Massa Massa de solução soluto

solvente soluto

100.mm m+ % massa

% em volume Volume Volume de soluçãosoluto100

solução

.mV % volume

A concentração de uma substância numa solução é associada diretamente a sua ação.

Pode ser por exemplo, um parâmetro para caracterizar um produto, como ocorre na água

mineral (os valores variam de fonte para fonte).Veja a Tabela 13.2.

Tabela 13.2: Concentração comum de alguns sais em uma água mineral comercial.

Sais minerais Bário Bicarbonato Borato Brometo Cálcio Cloreto Estroncio

mg/L 0,096 91,63 0,040 0,01 3,858 1,06 0,035

Sais minerais Fluoreto Fosfato Nitrato Magnésio Potássio Sódio Sulfato

mg/L 0,93 0,58 0,01 0,735 1,632 30,460 1,36

A concentração tem papel fundamental também em áreas como a toxicologia. A Tabela 13.3

mostra os valores do LD 50, uma forma de comparar o efeito tóxico de venenos de diversas origens.

O LD 50 (do inglês lethal dose) é a dose capaz de matar 50% da população de indivíduos

envolvidos no teste de toxidez. É expressa em termos de massa de substância por kg de massa

corpórea, sendo, portanto, uma unidade de concentração. Quanto menor o LD 50, mais tóxica

é a substância. Note na Tabela 13.3 os valores baixíssimos do LD 50 da batracotoxina, um dos

venenos mais potentes conhecidos.

199

Química


Tabela 13.3: Resultados de LD obtidos em testes com: 1. macacos; 2. ratos; 3. estimativa para humanos por absorção na pele.

Substância LD 50, mg/Kg Origem/aplicações Efeitos no organismo

Batracotoxina 0.0053

Glândulas localizadas nas costas e orelhas

dos sapos amazonenses da família Phyllobates.

Neurotoxina. Morte por parada cardíaca.

Dioxina 0.071Subprodutos da

indústria de compostos clorados.

Teratogênico, mutagênico e cancerígeno.

Chumbo (sais e derivados) 52

Construção civil, baterias automotivas,

proteção contra raios-x.

Tóxico ao sistema nervoso central, medula óssea e rins. Causa câncer, doenças

neurológicas e é mutagênico.

Cianeto de Potássio

(cianureto)5 - 102

Usados nas câmeras de gases durante a

segunda Guerra mundial

Inibidor da atividade mitocondrial, afetando rapidamente o sistema

nervoso e levando a morte.

Gás Mostarda 92 Gás utilizado na primeira guerra mundial

e em outros conflitos.

Causa cegueira, queimaduras severas na pele e mucosas do trato respiratório causando

morte por sufocamento. Sobreviventes desenvolvem leucemia. Contudo foi o

precursor da primeira droga anti-câncer.

Exprimindo quantidades muito pequenas de soluto

As vezes é necessário expressar concentrações extremamente pequenas. Para isso usamos as unidades partes por milhão (ppm) ou partes por bilhão (ppb). O ppm indica a quantidade, em gramas, de soluto presente em 1.000.000 (106) gramas de solução. Por exemplo a pasta de dente só obtém o registro na Divisão Nacional de Vigilância Sanitária de Cosméticos - DICOP se:• sua concentração inicial de flúor for, no mínimo, 1.000 ppm e, no máximo, de 1.500 ppm, ou seja,

a concentração mínima inicial é de 1000 g flúor para cada 106 gramas de pasta e a concentração máxima inicial é de 1500 g de pasta para cada 106 g de pasta.

• manter a concentração mínima de 600 ppm até o final do seu prazo de validade, pois o flúor tende a deteriorar-se em função do tempo, da temperatura e dos demais componentes da pasta, ou seja, a concentração mínima de flúor é de 600 g de flúor para cada 106 gramas de pasta.

O ppb indica a quantidade, em gramas, de soluto presente em 1.000.000.000 (109) gramas de solução. As unidades ppb e ppm são também usadas para indicar quantidades máximas de substâncias tóxicas como é o caso de diversos poluentes, como a dioxina. A dioxina é um composto estável que tende a se acumular no meio ambiente. A dioxina é altamente carcinogênica e por isso é motivo de preocupação, sendo constantemente monitorada. Atualmente, boa parte da população mundial está contaminada com dioxina em concentrações baixas. A Tabela 13.4 apresenta valores de concentração limite tolerável de dioxina em diversos meios:

http://pt.wikipedia.org/wiki/Solvente_org�nico

200



Tabela 13.4: Valores de concentração limite tolerável de dioxina em alguns meios.

Meio Limite em ppb Limite em outras unidades

Água potável 30 3 × 10-8 g/L

Ingestão diária na alimentação 4 × 10-6 4 × 10-9 mg / kg de massa corpórea

Solo de áreas residenciais 1 1 × 10-3 mg / kg de solo seco

Solo de parquinho infantil 0,1 1 × 10-4 mg / kg de solo seco

13.3 Densidade e a concentração das soluçõesEmbora a densidade e a concentração sejam relações expressas em massa/volume estas re-

lações não podem ser confundidas. Quanto mais concentrada for uma solução, maior será sua

densidade, já que teremos uma quantidade maior de matéria por unidade de volume. Densidade

e concentração estão, portanto relacionadas, embora sejam conceitos diferentes. A concentração

nos informa diretamente a composição da solução, e a densidade nos permite apenas fazer

inferências a cerca da composição.

Contudo é possível relacionar algebricamente a concentração comum e a % em massa de

uma solução com a sua densidade.

Sendo Concentração C = m1 / V, título (% massa) t = m

1 / m e Densidade d = m / V, temos que:

C m d C .dV

= = → = tt

Figura 13.1: Densidade x concentração de soluções aquosas de sacarose. O gráfico mostra a relação experi-mental entre a densidade e a concentração de soluções de sacarose. Soluções de sacarose de diferentes densidades são usadas como meio de separação de misturas biológicas. O xarope de groselha é uma solução com altas concentrações de sacarose.

201

Química


13.4 Diluição e concentração de soluçõesAo prepararmos um suco comercial colocamos certa quantidade de suco e adicionamos água

até obter a concentração desejada. Este processo de adição de solvente é conhecido

por diluição e é uma prática extremamente comum nos laboratórios químicos e nos

ambientes domésticos. Também ocorre naturalmente como no encontro da água de um rio

com o oceano. A diluição é realizada sempre que se deseja obter uma solução com menor

concentração que a solução inicial. Assim como no caso dos sucos concentrados, inúmeros

outros produtos são vendidos concentrados e devem ser diluídos para o uso, como é o caso dos

desinfetantes, do amaciante de roupas, tintas e diversos outros.

Note que, quando um volume pequeno de solução é diluído em um volume maior, a

quantidade de soluto é constante, o que se altera é a concentração. Ou, em outras palavras:

• a quantidade de soluto da solução final é determinada pela quantidade de solução inicial

empregada, pois todo o soluto presente na solução final provém da quantidade de solução

concentrada usada para preparar a solução diluída;

• o volume da solução final é o dado pelo volume inicial

acrescido do volume adicionado.

A partir de soluções diluídas podemos obter soluções com

maiores concentrações pela evaporação do solvente. Este processo

é denominado concentrar a solução, porém não devemos con-

fundir o processo com a propriedade concentração. Um exemplo

é a preparação de melado, em que o caldo de cana-de-açúcar é

concentrado pela evaporação da água. No caso, como a sacarose

não evapora, a quantidade de sacarose (soluto) no melado não se

altera durante o processo. Porém, a quantidade de solvente diminui

gradativamente, resultando no aumento da concentração de

sacarose, o que se vê pelo aumento da densidade e da viscosidade

da solução. A concentração costuma ser

um processo mais caro e mais complexo

do que a diluição.

Figura 13.2: Diluição em laboratório de uma solução. A maior parte dos reagentes são adquiridos e armazenados na sua forma concentrada de modo que é possível preparar diferentes soluções com diferentes concentrações, dependendo da finalidade. Para chegar à concentração que se deseja muitas vezes é necessário diluir essas soluções. Uma técnica simples e corriqueira é retirar com uma pipeta um volume desejado de solução e transferi-lo para um balão volumétrico (balão de vidro que é calibrado para conter um volume específico). A partir daí se adiciona solvente até alcançar o volume específico marcado no balão volumétrico.

202



13.5 Solubilidade versus TemperaturaA solubilidade depende de fatores externos, tal como a temperatura.

A solubilidade pode aumentar ou diminuir com a elevação de temperatura e isso dependerá

do soluto em questão. Este comportamento pode ser expresso quantitativamente através de um

gráfico, chamado de curva de solubilidade.

Em geral, a solubilidade da maioria dos sólidos aumenta com a temperatura. No caso dos

gases, observamos o oposto: a solubilidade diminui com a temperatura. Este comportamento

dos gases dissolvidos em soluções líquidas tem inúmeras implicações relevantes. Um caso

crítico é a concentração de gás oxigênio dissolvido em água. O aumento da temperatura

diminui sensivelmente a quantidade de gás oxigênio dissolvido em rios, lagos e oceanos.

Portanto, fatores como o aquecimento global afetam diretamente seres vivos aquáticos que

usam o oxigênio dissolvido na água. Este comportamento do sistema oxigênio/água também

é sensível à presença de afluentes de água aquecida que seja despejada diretamente em rios e

lagos, causando a desoxigenação e consequente morte de peixes e outros seres. Ao se aquecer

a água de um rio, interferimos ainda na solubilidade de compostos presentes no leito do rio.

Quando estes compostos apresentam alguma toxicidade, há ainda o impacto adicional do

aumento da concentração destes compostos no ecossistema.

Figura 13.3: Curva de solubilidade para diferentes sais. O gráfico expressa a solubilidade em gramas de uma determinada substância a cada 100 g de água em função da temperatura, por exemplo, se adotarmos para estudo o nitrato de potássio (KNO3) temos que sua solubilidade aumenta conforme aumenta a temperatura, por outro lado se adotarmos como referência o sulfato de sódio (Na2SO4) sua solubilidade pode aumentar ou diminuir conforme a temperatura, sendo a solubilidade máxima próxima a 30 °C. Já a solubilidade de sais como o cloreto de sódio (NaCl) é praticamente insensível à temperatura.

203

Química


13.6 Concentração MolarDiversas substâncias químicas presentes no nosso organismo ou ainda no organismo vegetal

estão dissolvidas em água. Isto significa constituem soluções. Para se preparar uma solução em

um laboratório, é necessário realizar um procedimento quantitativo, onde se utilizam as equa-

ções equilibradas e os mols, mas, medem-se os volumes de solução e não as massas de sólidos,

líquidos ou gases. Desta forma as soluções preparadas apresentam determinada concentração.

Como já estudado no início do curso, existem diversas maneiras de se expressar a concen-

tração das soluções. Uma das formas mais usuais e importantes de representar a concentração

de uma solução é a molaridade.

Molaridade (M ), ou concentração molar, é definida como o número de moles de soluto por

litro de solução:

números de mols do solutoMolaridade = números de litros da solução

Para preparar um litro de uma solução um molar, um mol de soluto é colocado em um

balão volumétrico de um litro, e quantidade suficiente de solvente é adicionada para dissolver

o soluto. O solvente, então, é adicionado até que o volume da solução seja exatamente um litro.

Idem, para como se prepara a solução em 1 L!!!!

É importante notar que a molaridade apresenta o número de moles de soluto por litro de

solução e não litro de solvente. Se a um litro de água, adicionarmos 1mol de composto sólido, o

volume final não será, possivelmente, exatamente igual a um litro e assim, a concentração final

não será exatamente um molar.

Quando se prepara uma solução com certa molaridade, procede-se quase sempre pela dis-

solução do soluto num volume de solvente menor que o da solução final e depois completa-se

o volume pela adição de solvente. A Figura 13.4 mostra o colorido de algumas soluções de

metais de transição. O preparo dessas soluções envolve um procedimento com alguns passos

básicos: Pesar a amostra do sal de metal de transição, transferir com cuidado o conteúdo para

um balão volumétrico, adicionar água destilada sem atingir o menisco do balão (dissolução do

sal), completar o volume com água destilada até o menisco, fechar o balão volumétrico e agitar

o seu conteúdo para homogeneização da solução.

204



A grande maioria das soluções são feitas em água, logo a água é o solvente. Por isso, é

comum não mencionarmos que a solução é aquosa, mas sim o contrário quando temos um

solvente diferente da água. Por exemplo, se 58,4 g de cloreto de sódio (NaCl) ou 1,00 mol,

forem dissolvidos em água suficiente para fornecer uma solução com volume de 1,00 litro,

a concentração, c, é 1,00 mol por litro, ou 1,00 molar, o que se abrevia comumente, como

1,00 M, onde M simboliza “moles por litro”.

CMolaridade = 1,00 M = [NaCl]

Outra notação comum para a molaridade é escrever a fórmula do composto inserida em

colchetes; isto significa que a concentração do soluto está em moles do composto por litro da

solução. Em química as expressões “mol por litro” e “molar” são equivalentes no que se refere

a soluções.

Vejamos um exemplo para realizar o cálculo da concentração molar para uma solução.

Exemplos

• ExEmplo 01Calcule a massa de NaNO

3 necessária para preparar 2,50 L de uma solução

0,0545 M de nitrato de sódio.

→ REsolução:Por definição, uma solução 0,0545 M contém 0,0545 mol por litro. Como temos neste caso 2,50 L, o número de mols será 2,5 vezes maior:

2,50 × 0,0545 mol = 0,1362 mol

A massa de NaNO3 é então calculada a partir da massa molecular do

NaNO3:

1Massa (g)mols =

Massa Molecular (g.mol )-

Massa NaNO3 (?) = 0,1362 × 84,99 g.mol-1 = 11,6 g de NaNO3

Figura 13.4: Soluções de com-postos de metais de transição: As soluções dos balões volumétricos contém diferentes sais dissolvidos dos seguintes metais, da esquerda para a direita, Cobalto (Co), Cobre (Cu), Ferro (Fe) e Manganês (Mn).

205

Química


13.7 Tornando as soluções menos concentradas: Diluindo Soluções

Os termos concentrado e diluído são relativos. Uma solução de 100 g de açúcar em 100 mL

de água, por exemplo, é concentrada quando a comparamos com uma solução contendo somente

10 g de açúcar em 100 mL de água, esta última, por sua vez, é mais concentrada do que outra com

1g de açúcar em 100 mL de água. O limite para a quantidade de soluto que pode ser dissolvido

no solvente é dado pela solubilidade do soluto. A solubilidade de um soluto é em geral definida

como o menor número de gramas que deve ser dissolvido em 100 g de solvente, a uma dada

temperatura e por isto, esta última deve ser especificada.

Quando queremos preparar uma solução de certa molaridade, não é necessário começar com o

soluto puro. O soluto pode já encontrar-se dissolvido em uma mistura de concentração relativamente

alta, e esta solução pode ser então diluída para obter a concentração mais baixa desejada.

O processo de diluir uma solução envolve a distribuição de uma certa quantidade de soluto

por um volume maior de solução. A quantidade de soluto, no entanto, permanece constante.

A molaridade de uma solução é n / V (onde n = nº de mols e V = volume). Multiplicando

ambos os lados da equação pelo volume fica:

volume (em L) × molaridade = número de mols do soluto

Logo temos a seguinte relação:

(volume da solução a ser preparada) × Mdiluída

= = (volume da solução concentrada × M

concentrada a ser usada)

Ou usando um índice 1 para representar a concentração original (concentrada) e o índice 2

para representar a solução diluída, obtemos:

volume1 × molaridade1 = número de mols do soluto = volume2 × molaridade2

206



ou

V1M1 = V2M2 (apenas para diluição)

Esta expressão nos permite então, calcular o volume necessário para realizar a uma deter-

minada diluição conhecendo os parâmetros da solução inicial (mais concentrada) ou qual será

a molaridade quando uma determinada quantidade de solução concentrada é levada até um

volume maior (diluição).

Podemos utilizar qualquer unidade de volume, desde que as mesmas unidades sejam usadas

em ambos os lados da equação. É muito comum resolver problemas de diluição expressando

volumes em mililitros diretamente.

• ExEmplo 02Quantos mililitros de solução 6,0 M de ácido clorídrico (HCl) são necessários para preparar 1,00 L de uma solução 0,050 M HCl?

→ REsolução:O volume (1,00 L) e a molaridade (0,050 M) da solução final, e a molaridade da solução inicial são fornecidos na questão. Portanto, temos três dos quatro termos necessários para a utilização da expressão V

1M

1 = V

2M

2.

Resolvendo a equação para V1 temos:

2 21

1

V MVV

=

11 00 L 0,050 M 0,020 L=200 mL

2,5 M,V ×

= =

13.8 Reações químicas que são feitas utilizando soluções de concentração conhecida

Ao invés de dissolvermos dois reagentes em uma determinada quantidade de solvente

para fazer uma reação, podemos alternativamente ter as soluções de cada um dos reagentes

já preparada e misturar completa ou parcialmente estas soluções para realizar a reação. Em

207

Química


termos quantitativos precisamos obviamente conhecer os volumes que são necessários de cada

solução para manter as relações estequiométricas da reação em questão. A seguir mostraremos

um exemplo de como podemos calcular o volume necessário de uma solução de molaridade

conhecida para realizar uma reação:

• ExEmplo 03Calcular o volume em litros e em mililitros de uma solução 0,355 M de ácido sulfúrico necessário para reagir completamente com 2,473 gramas de carbonato de sódio (Na

2CO

3), de acordo com a equação:

2 4 2 3 2 4 2 2H SO Na CO Na SO CO H O+ → + +

→ REsolução:A equação balanceada nos mostra que um mol de H

2SO

4 reage com um mol de Na

2CO

3, logo

temos uma relação em mols de 1:1. Portanto, precisamos inicialmente calcular o número de mols em 2,473 g de Na

2CO

3. Conhecendo

este valor obtemos o volume da solução de H2SO

4, que contém o mesmo número de mols, uma vez

que a relação estequiométrica em mols é de 1 : 1 (Na2CO

3 : H

2SO

4).

( ) ( )

1

2 3 1

Massa (g)molsMassa Molecular (g.mol )

2 473 (g)Mols Na CO ? 0,0233 mols 2 473 g106 (g.mol )

, ,

-

-

=

= =

Uma vez que o produto V × M é igual ao número de mols do soluto, podemos calcular o volume da solução de H

2SO

4 necessário para reagir completamente com o Na

2CO

3:

V × M = mols de solutoV (L) × 0,355 M = 0,0233 mol

V = 0,0657 L de solução H2SO4 ou 65,7 mL de solução de H2SO4

Após ler este texto e assistir à videoaula, responda ao questionário para verificar seu aprendizado.Bom trabalho!Qualquer dúvida acesse o fórum de dúvidas.

208



ReferênciasAtkins, p. W.; JonEs, l. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio

ambiente. 3. ed. Porto Alegre: Bookman, 2006.

BRAdy, J. E.; RussEl, J. W.; Holum, J. R. Química: a matéria e suas transformações. 3. ed.

Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 2002.

BRoWn, t. l.; lEmAy, H. E.; BuRstEn, B. E.; BuRdgE, J. R. Química: a ciência central. 9. ed.

São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005.

kotz, J. C.; tREiCHEl, p. m.; WEAvER, g. C. Química geral e reações químicas. 6. ed.

São Paulo: Cengage Learning, 2010.

mAHAn, B. m.; myERs, J. R. Química: um curso universitário. São Paulo: Edgard Blücher, 1995.

sHRivER, d.F.; Atkins, p.W. Química inorgânica. 4.ed. Porto Alegre: Bookman, 2008.

WHittEn, k.W.; dAvis, R. E.; pECk, m. l. General Chemistry. 5. ed. New York: Heartcourt

College Pub., 1997.

Documents

SOLUÇÕES - midia.atp.usp.br · é viscoso devido a alta concentração de frutose trazida do néctar das flores e concentrada na ... esta concentração é grande se ... segunda