química em tubos de ensaio

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Uma abordagem para principiantes

QUÍMICA EM TUBOS DE ENSAIO

Karl E. Bessler

Natural da Alemanha, é doutor em Química pela Universidade de Stuttgart desde 1965. Possui 38 anos de experiência docente no ensino superior. Desde 2007, é professor aposentado da Universidade de Brasília (UnB), onde atuou em ensino e pesquisa na área de química inorgânica do Instituto de Química, nos cursos de graduação e pós-graduação, desde 1974. Tem orientado estudantes de iniciação cientíﬁca, mestrado e doutorado e possui diversos trabalhos cientíﬁcos publicados, sendo os mais relevantes nas áreas de química inorgânica preparativa (química dos elementos boro e silício, química de coordenação dos pseudohaletos), aproveitamento de recursos minerais e aplicações da espectrometria no infravermelho.

Amarílis de V. Finageiv Neder

Natural do Rio de Janeiro (RJ), bacharelou-se em Química pela Universidade de Brasília (UnB) em 1985; pela mesma universidade, concluiu o mestrado em Química Orgânica em 1990 e o doutorado em Físico-Química em 2003. É professora da área de química orgânica do Instituto de Química da UnB desde 1994. Atualmente trabalha na área de educação em química.

Apresentamos neste livro uma coletânea de 25 roteiros, com mais de cem experimentos, destinados a alunos que estejam cursando disciplinas de química experimental no ensino médio ou no primeiro ano universitário.

O principal objetivo da nossa abordagem é apoiar a aprendizagem de princípios fundamentais da química mediante a observação e interpretação de fenômenos químicos. A maioria dos

experimentos é realizada em tubos de ensaio, de maneira que o aluno possa criar e perceber os fenômenos químicos com facilidade, direcionando sua atenção prioritariamente para o fundamento do experimento.

Defendemos a tese de que o valor didático de um experimento químico não depende necessariamente do seu grau de

soﬁsticação técnica ou instrumental. Na escolha da temática dos roteiros, tentamos levar em consideração os mais diversos aspectos da química, contemplando as mais variadas classes de substâncias e incluindo materiais do cotidiano como objetos de estudo.

Na elaboração dos roteiros, respeitamos o princípio da economia, com o objetivo de facilitar a realização dos experimentos em escolas e universidades com escassez de recursos, e dedicamos muita atenção aos aspectos de segurança. Embora a quantidade de resíduos potencialmente perigosos produzidos em nossos experimentos não possa criar maiores danos ao meio ambiente, julgamos oportuno incluir informações sobre a disposição de resíduos em todos os roteiros, contribuindo, dessa maneira, para o processo educativo de conscientização ambiental.

Apresentamos neste livro uma coletânea de 25 Apresentamos neste livro uma coletânea de 25 roteiros, com mais de cem experimentos, destinados Apresentamos neste livro uma coletânea de 25 a alunos que estejam cursando disciplinas de química

Alguns dos assuntos deste livro:

Dissociação eletrolítica e condutividade elétrica

Estudo qualitativo de equilíbrios químicos

Estudo da velocidade de reações químicas

Estudo de ácidos e bases em meio aquoso

Oxigênio e combustão

Processos eletrolíticos

Estudo de um não metal: enxofre

Cromatograﬁa em camada delgada

Análise de bebidas

Síntese orgânica

Síntese de polímeros: poliéster (gliptal) e poliamida (náilon 6,6)

KARL E. BESSLER AMARÍLIS DE V. FINAGEIV NEDER

3ª edição QUÍMICA EM TUB OS DE ENS AIO BES SLER | NEDER

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QUÍMICA EM

TUBOS DE ENSAIO

Uma abordagem para principiantes

3ª edição Karl E. Bessler

Amarílis de V. Finageiv Neder

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IV

Química em tubos de ensaio

IV

Química em tubos de ensaio: uma abordagem para principiantes

Amarílis de V. Finageiv Neder 3ª edição – 2018

Editora Edgard Blücher Ltda.

Rua Pedroso Alvarenga, 1245, 4º andar 04531-934 – São Paulo – SP – Brasil Tel.: 55 11 3078-5366

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Segundo o Novo Acordo Ortográﬁ co, conforme 5. ed.

do Vocabulário Ortográﬁ co da Língua Portuguesa, Academia Brasileira de Letras, março de 2009.

É proibida a reprodução total ou parcial por quaisquer meios sem autorização escrita da editora.

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) Angélica Ilaqua CRB-8/7057 Bessler, Karl E.

Química em tubos de ensaio : uma abordagem para principiantes / Karl E. Bessler, Amarílis de V. Finageiv Neder – 3. ed. – São Paulo : Blucher, 2018.

216 p. : il.

ISBN 978-85-212-1310-9

1. Química 2. Química - Experiências 3. Química - Manuais de laboratório I. Título. II. Neder, Amarílis de V.

Finageiv.

18-0458 CDD 540.724

Editora Edgard Blücher Ltda. Índice para catálogo sistemáti co:

1. Química - Experiências

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CONTEÚDO

Instruções de segurança, XI

Principais materiais e equipamentos utilizados no laboratório químico, XVII 1. Dissociação eletrolítica e condutividade elétrica, 1

2. Migração de íons em um campo elétrico, 8 3. Estudo qualitativo de equilíbrios químicos, 13

4. Estudo de termoquímica: processos exotérmicos e endotérmicos, 19 5. Estudo da velocidade de reações químicas, 30

6. Estudo de catálise: decomposição catalítica de peróxido de hidrogênio, 35 7. Estudo de ácidos e bases em meio aquoso, 42

8. Estudo de reações de oxidação-redução em meio aquoso, 49 9. Oxigênio e combustão, 56

10. Pilhas eletroquímicas, 69 11. Processos eletrolíticos, 80 12. Reatividade de metais, 88

13. Estudo de um não metal: enxofre, 94

14. Estudo de propriedades físicas de líquidos, parte I: densidade, miscibilidade e viscosidade, 102 15. Estudo de propriedades físicas de líquidos, parte II: tensão superfi cial, capilaridade e

índice de refração, 113

16. Cromatografi a em camada delgada, 123 17. Identifi cação de polímeros sintéticos, 130 18. Análise de bebidas, 138

19. Estudo de detergentes, 146 20. Síntese orgânica, 157 21. Aromas e fragrâncias, 164

22. Síntese de polímeros: poliéster (gliptal) e poliamida (náilon 6,6), 169 23. Síntese de corantes e tingimento de tecidos, 175

24. Síntese de compostos inorgânicos, 183 25. Pigmentos inorgânicos, 190

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1 DISSOCIAÇÃO ELETROLÍTICA E CONDUTIVIDADE ELÉTRICA

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OBJETIVOS

Demonstrar a dissociação eletrolítica mediante a observação da condutividade elétrica de líquidos puros e de soluções.

Distinguir eletrólitos fortes, eletrólitos fracos e não eletrólitos.

INTRODUÇÃO

[Veja também o Roteiro 2, “Migração de íons em um campo elétrico”.]

Certas substâncias denominadas eletrólitos dissociam-se em meio aquoso, formando espécies iônicas: cátions (portadores de cargas positivas) e ânions (portadores de cargas negativas). As soluções dos eletrólitos apresentam condutividade elétrica. A corrente elétrica dessas soluções é estabelecida pelo deslocamento dos íons sob ação de um potencial elétrico:

os cátions migram em direção ao eletrodo negativo (cátodo) e os ânions em direção ao eletrodo positivo (ânodo).

A natureza do solvente desempenha uma função importante na dissociação dos eletró- litos. Líquidos com elevada constante dielétrica () favorecem a dissociação iônica pela redução da energia de dissociação. A água possui uma das mais altas constantes dielétricas ( = 78 a 25 ºC) e, portanto, é um excelente solvente para eletrólitos.

A condutividade de uma solução de um eletrólito depende de sua concentração, de seu grau de ionização, das mobilidades dos íons formados e da natureza do solvente. A elevação da temperatura implica em um aumento do grau de ionização e da mobilidade dos íons; con- sequentemente aumenta a condutividade elétrica da solução.

Substâncias que se encontram consideravelmente ionizadas em solução aquosa são chamadas de eletrólitos fortes. A maioria dos sais e os ácidos fortes pertencem a essa categoria.

ROTEIRO

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Exemplos:

Cloreto de cálcio CaCl_2(s) Ca²⁺_(aq)

cátion cálcio + 2Cl^–_(aq)

ânions cloreto

Nitrato de potássio KNO_3(s) K⁺_(aq)

cátion potássio + NO₃^–_(aq)

ânion nitrato

Cloreto de hidrogênio HCl_(g) + H₂O_(l) H₃O⁺_(aq)

cátion hidrônio + Cl^–_(aq)

ânion cloreto

Substâncias que se encontram apenas fracamente ionizadas em solução aquosa cha- mam-se eletrólitos fracos. Ácidos e bases fracos pertencem a essa categoria.

Exemplos:

Ácido acético CH₃COOH + H₂O H₃O⁺_(aq)

cátion hidrônio

+ CH₃COO^–_(aq)

ânion acetato

Amônia NH₃ + H₂O NH₄⁺_(aq)

cátion amônio + OH^–_(aq)

ânion hidróxido

Observe que, no caso dos ácidos e bases, as espécies iônicas não se formam por dissocia- ção simples, mas por transferência de prótons com as moléculas da água.

LEITURA RECOMENDADA

Química Geral: dissociação eletrolítica, eletrólitos fortes e fracos, condutividade de soluções.

PARTE EXPERIMENTAL Material de uso geral

• Béqueres de 50 ou de 100 mL

• Fonte de tensão elétrica (de preferência alternada) de aproximadamente 15 V

• Lâmpada de fi lamento de 12 V, com soquete

• Fios e conexões para montagem do circuito elétrico

• Amperímetro, na faixa de 0,05 a 0,5 A (opcional)

• Conjunto de eletrodos de grafite para verificação da condutividade elétrica de soluções.

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3 Instruções para montagem de um conjunto de eletrodos

Material

• Dois eletrodos cilíndricos de grafi te de 6 cm de comprimento (podem ser retirados de pilhas secas usadas, grandes).

• Lâmina de material isolante rígido (acrílico, fórmica ou semelhante) de aproximadamente 3 cm 6 cm.

• Cola Araldite.

Montagem do conjunto de eletrodos, Figura 1-1

1. Cortar, de uma lâmina de material isolante, um pedaço de aproximadamente 3 cm 6 cm.

2. Fazer dois furos na lâmina conforme o diâmetro dos eletrodos (deve fi car um espaço livre de aproximadamente 5 mm entre os dois eletrodos).

3. Fixar paralelamente os dois eletrodos na placa de suporte com uma cola adequada (Araldite ou semelhante), de tal maneira que 1 cm dos eletrodos fi que acima e 5 cm abaixo da placa.

Placa de suporte

Eletrodos de grafite

FIGURA 1-1 Montagem dos eletrodos na lâmina.

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PARTE A:

VERIFICAÇÃO DA CONDUTIVIDADE DE ALGUNS LÍQUIDOS E DE SO- LUÇÕES AQUOSAS DE SUBSTÂNCIAS DIVERSAS

[duração: 40 min]

Objetos de estudo

Grupo A (soluções ± 20 g/L)

Grupo B (sem diluir) Ácido sulfúrico Água de torneira

Ácido bórico Álcool comercial

Ácido cítrico Acetona

Sal de cozinha Vinagre

Açúcar Refrigerante

Ureia Suco de fruta

Bicarbonato de sódio Água sanitária diluída Sulfato de cobre

Hidróxido de sódio Cloreto de amônio

Procedimento

• Monte o circuito elétrico composto por uma fonte de 15 V, uma lâmpada de fi lamento de 12 V, um amperímetro (opcional) e um conjunto de eletrodos, como se vê na Figura 1-2.

Amperímetro

Lâmpada

Eletrodos Placa de

suporte

Nível do líquido Béquer de 50 mL Fonte de tensão

alternada ± 15 V

FIGURA 1-2 Esquema de circuito elétrico para veriﬁ cação da condutividade de soluções.

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• Mostre ao professor a montagem antes de ligar o circuito elétrico.

• Separe os seguintes líquidos para estudo:

a) água destilada;

b) cinco das soluções do grupo A da tabela, indicadas pelo instrutor;

c) três dos líquidos do grupo B, indicados pelo instrutor.

• Verifi que sucessivamente a condutividade dos líquidos, conforme o procedimento a seguir:

1. Lave os eletrodos com água destilada.

2. Coloque 25 mL do líquido a ser estudado num béquer de 50 mL.

3. Introduza os eletrodos no líquido, de maneira tal que pelo menos 1 cm fi que submerso.

4. Ligue a fonte e registre o brilho da lâmpada e a amperagem observados.

5. Desligue a fonte imediatamente e retire os eletrodos do líquido.

6. Lave os eletrodos e o recipiente cuidadosamente com água destilada e use o mesmo procedimento para os demais líquidos escolhidos.

Descarte dos resíduos

• Terminado o experimento, os líquidos estudados devem ser diluídos com água e despejados na pia.

Discussão

1. Indique os eletrólitos fortes, os eletrólitos fracos e os não eletrólitos entre as subs- tâncias pesquisadas.

2. Indique os íons responsáveis pela condutividade observada nos diversos líquidos pesquisados.

PARTE B:

ESTUDO CONDUTIMÉTRICO DA REAÇÃO ENTRE UM ÁCIDO FRACO E UMA BASE FRACA

[duração: 15-20 min]

Reagentes especíﬁ cos

• Ácido acético diluído (0,25 mol/L)

• Amônia diluída (0,25 mol/L)

Procedimento

1. Verifi que separadamente a condutividade das soluções de ácido acético e de amô- nia, conforme procedimento descrito no experimento A.

2. Coloque 25 mL da solução de ácido acético num béquer de 50 mL.

3. Introduza os eletrodos na solução e ligue o circuito.

4. Adicione, lentamente, até 20 mL da solução de amônia e observe uma eventual mu- dança no brilho da lâmpada e na amperagem.

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Descarte dos resíduos

• Encerrado o experimento, as soluções usadas devem ser diluídas com água e despejadas na pia.

Discussão

1. Apresente a equação química da reação realizada.

2. Explique a eventual mudança observada na condutividade com base na existência de eletrólitos fortes e eletrólitos fracos antes e depois da adição da solução de amônia.

PARTE C

ESTUDO CONDUTIMÉTRICO DA REAÇÃO ENTRE ACETATO DE BÁRIO E ÁCIDO SULFÚRICO

Materiais e reagentes especíﬁ cos

• Pipeta graduada de 5 mL

• Solução de acetato de bário 0,05 mol/L (25 mL)

• Ácido sulfúrico diluído 0,5 mol/L (5 mL)

Procedimento

1. Coloque 25 mL da solução de acetato de bário num béquer de 50 mL.

2. Verifi que a condutividade dessa solução, conforme o procedimento descrito no experimento A.

3. Adicione, com uma pipeta graduada, 0,5 mL do ácido sulfúrico, agite o béquer, observe as transformações ocorridas na solução e verifi que a mudança da condutividade.

4. Continue acrescentando alíquotas de 0,5 mL do ácido sulfúrico e verifi que as mu- danças da condutividade, até chegar a um total de 5 mL de ácido adicionado.

5. Ao fi nalizar o experimento, desligue a fonte, retire os eletrodos e lave-os com água destilada.

Descarte dos resíduos

• O resíduo de sulfato de bário deve ser depositado num recipiente destinado à coleta de resíduos sólidos inorgânicos.

Discussão

1. Apresente as observações em forma de tabela.

2. Apresente os resultados em forma de gráfi co (amperagem observada versus volu- me de ácido adicionado).

3. Apresente a equação química da reação estudada.

4. Explique as mudanças da condutividade observadas, com base na existência de eletrólitos fortes e eletrólitos fracos em cada etapa de reação.

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7 PARTE D

ESTUDO DA IMPORTÂNCIA DO SOLVENTE NA IONIZAÇÃO DE ELE- TRÓLITOS

Reagentes especíﬁ cos

• Álcool etílico

• Ácido cítrico sólido

• Ácido tartárico sólido

• Ácido oxálico sólido

Procedimento

1. Coloque 25 mL de água destilada em um béquer de 50 mL e verifi que a condutividade, conforme o procedimento descrito no experimento A.

2. Adicione 0,5 g de um dos ácidos acima indicados e agite a mistura até a completa dissolução do sólido.

3. Verifi que a condutividade da solução.

4. Coloque 25 mL de etanol em um béquer de 50 mL e verifi que a sua condutividade.

5. Adicione 0,5 g do mesmo ácido escolhido no experimento anterior e agite a mistura até a completa dissolução do sólido.

6. Verifi que a condutividade da solução.

Descarte dos resíduos

• Terminado o experimento, os líquidos usados devem ser diluídos com água e despejados na pia.

Discussão

1. Observou alguma diferença na condutividade entre a solução aquosa e a solução alcoólica do ácido escolhido?

2. Caso positivo, explique essa diferença.

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