Condutividade Trab Final
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTECENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
TERMODINÂMICA EXPERIMENTAL CONDUTIVIDADE DAS SOLUÇÕES
Natal, RN2013
TERMODINÂMICA EXPERIMENTAL SISTEMAS BINÁRIOS
ESTUDO DO EQUILÍBRIO SÓLIDO-LÍQUIDO
Relatório de aulas práticas, referente à disciplina Termodinâmica Experimental, para a turma de Engenharia de Alimentos, ministrada pela prof. Ruthineia Jessica Alves do Nascimento, correspondente à primeira unidade do semestre de 2013.2.
Natal, RN2013
SUMÁRIO
1.0 - Introdução
2.0 - Objetivos
3.0 - Fundamentação Teórica
4.0 - Materiais Utilizados
5.0 - Procedimento Realizado
6.0 – Resultados
7.0 Discussão e Análise dos Dados Obtidos
8.0 - Considerações Finais
9.0 - Referências
1.0 – INTRODUÇÃO
Condutividade é a capacidade que um material ou solução apresenta
para conduzir corrente elétrica. A condutividade de uma solução é proporcional
à sua concentração de íons. Em soluções líquidas, a corrente é conduzida
entre os eletrodos pelos íons dissolvidos.
Em algumas situações, no entanto, a condutividade pode não se
correlacionar diretamente a concentração, portanto, a condutividade é uma
medida da propriedade que possui soluções aquosas de conduzir eletricidade.
Tal medida é capaz de determinar a velocidade a que se propagam
através da solução, ou seja, os íons menores movem-se mais rapidamente que
os maiores; a eletrostática entre o eletrodo e os íons, já que quando se dilui a
solução de um eletrólito, a condutância diminui; a unidade de volume, pois
quando se dilui a solução de um eletrólito a condutância diminui já que com
menos íons por unidade de volume de solução para conduzir a corrente.
A condutância molar varia com a concentração C, extrapolando a uma
concentração zero, tem-se o valor da condutância molar à diluição infinita, Λ0.
Quando o eletrólito é fracamente dissociado, Λ varia com a concentração,
principalmente porque o grau de dissociação, α, varia fortemente com a
concentração.
Uma substância que se dissolve para dar uma solução que conduz
eletricidade é chamada de eletrólito.
Eletrólito forte pode ser classificado como uma substância que forma
uma solução na qual o soluto está presente quase totalmente como íons, eles
apresentam elevadas condutâncias molares, que aumentam apenas
moderadamente com o aumento da diluição. Quase todos os compostos
iônicos solúveis são eletrólitos fortes, alguns exemplos são o HCl e o NaCl.
Um eletrólito fraco é capaz de formar uma solução na qual o soluto se
ioniza incompletamente em solução, eles apresentam condutâncias muito mais
baixas em concentrações elevadas, porém os valores aumentam grandemente
com o aumento da diluição. O ácido acético é um exemplo de eletrólito fraco,
em água, uma pequena fração das moléculas de CH3COOH, se separam em
íons H+ e íons CH3CO2- (acetato).
Como a medida da condutimetria requer a presença de íons, ela não é
usualmente utilizada para as análises de moléculas que não se dissociam.
2.0 - OBJETIVOS
Descrever o procedimento experimental, realizado em laboratório, no
qual foi utilizado a técnica de condutividade elétrica em soluções, levando em
consideração a concentração.
3.0 - FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
A condutividade elétrica de uma solução depende de sua concentração
iônica (totalidade de íons) e da mobilidade dos mesmos. Quando a corrente
elétrica passa através de uma solução ocorrem efeitos eletroquímicos
conhecidos como polarização.
A condutividade, em si, não é apropriada para comparar eletrólitos
devido a forte dependência em relação à concentração dos mesmos. Para este
propósito determina-se a condutividade molar Λm. Esta é determinada a partir
da condutividade específica k e da concentração c da substância na solução
eletrolítica conforme a Equação:
Λm=1000κc
= Λm=(103κ (Scm−1 )c (molcm−3 ) )=Scm2mol−1=Ω−1cm2mol−1
O valor de 103 multiplicando transforma mol.L-1 para mol.cm-3.
A dependência da concentração com a condutividade molar em
eletrólitos fortes foi definida por Kohlrausch através da Equação.
α=ΛmΛ∞
(Figura 01)
100
150
0.00 0.35
mol/LC
Scm2/molm
De acordo com a lei de Kohlrausch para os eletrólitos fortes, a
representação gráfica da condutividade molar do eletrólito em função da raiz
quadrada da concentração (Figura 01) deve resultar em duas retas. A partir da
interseção com o eixo y determina-se a condutividade molar a uma diluição
infinita.
De acordo com a lei de diluição de Ostwald, eletrólitos fracos não se
dissociam completamente e possuem condutividade menor do que eletrólitos
fortes.
Com o aumento da concentração o equilíbrio de dissociação é
deslocado na direção das moléculas não dissociadas. O grau de dissociação α
de eletrólitos fracos é o quociente da condutividade molar dividido pela
condutividade molar a diluição infinita (Equação). A lei de diluição de Ostwald é
valida para eletrólitos fracos, permitindo desta forma calcular a constante de
dissociação (K).
K= α2 .c
1−α=
Λm2 .c
( Λ∞−Λm)Λ∞
O valor limite da condutividade molar de eletrólitos fracos a diluição
infinita é alcançada a concentrações extremamente baixas não sendo possível,
portanto, fazer-se medidas exatas nestas concentrações.
1Λm
= 1Λ∞
+Λm .c
K .( Λ∞ )2
A fim de reduzir as condutividades a uma base comum de concentração,
uma função chamada condutância molar foi definida por:
Ʌ = k/c
Nesta definição, a unidade usual de concentração c é mol/cm3.
O valor de Ʌ, extrapolado a concentração nula, é denominado
condutância molar a diluição infinita, Ʌ0. A extrapolação é feita facilmente para
os eletrólitos fortes, porém é impossível de ser realizada com precisão para
eletrólitos fracos por causa do rápido aumento de Ʌ nas diluições elevadas, nas
quais as medidas experimentais se tornam muito incertas. Constatou-se que os
dados para eletrólitos fortes são bem representados pela equação empírica,
Ʌ = Ʌ 0 – kcc1/2 ,
onde kc é uma constante experimental. (MOORE, 1976).
4.0 – MATERIAIS UTILIZADOS
O conjunto experimental que possibilitou a realização do experimento é
composto essencialmente de:
Balança;
Béquer;
Células do condutivímetro;
Célula do eletrodo;
Agitador magnético;
Pipetador;
Pipetas;
Balões volumétricos (25 e 100mL);
Capela;
Tubos de diluição;
Alguns dos reagentes utilizados durante a realização do experimento
foram:
Água Destilada
Ácido Acético
Solução salina de Cloreto de Potássio (KCl – 1M)
5.0– PROCEDIMENTO REALIZADO
Eletrólito Forte
A partir de uma solução contendo cloreto de potássio (KCl – 1M), e,
usando a relação C1V1 = C2V2 foram calculados os volumes a serem pipetados
para a realização do preparo das soluções com concentrações específicas (Ver
Tabela 01).
Solução 1 2 3 4 5 6
Conc. (ppm) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,6 0,8
Tabela 01: Concentrações das soluções preparadas a partir da solução padrão de KCl (1M).
A condutividade medida para a água destilada foi de: 0,0000051 S/cm.
Foi preparada a primeira solução transferindo-se 2,5 mL da solução
padrão para um balão de 25 mL e completando seu volume com água
destilada. O preparo das demais soluções seguiu o mesmo procedimento,
transferindo-se o volume calculado da solução padrão para um balão de 25 mL
e completando-se o volume do balão com água destilada. Cada balão foi
numerado sequencialmente.
Um condutivímetro foi utilizado para averiguar a condutividade das
amostras. Antes de realizar as medições, a célula do condutivímetro, o
magneto e o eletrodo foram devidamente lavados com água destilada.
Entre uma medição e outra, a célula e o eletrodo foram lavados
novamente, de modo a se garantir maior precisão dos resultados obtidos.
Eletrólito Fraco
Solução 1 2 3 4 5 6 7
Conc. (ppm)
Tabela 02 – Concentrações das soluções preparadas a partir da solução padrão de ácido
acético (1M).
6.0– RESULTADOS
Eletrólitos Fortes
Calculamos os volumes, preparamos e diluímos a solução padrão e as
soluções salinas com suas devidas concentrações (Ver Figura 02).
Eletrólitos fortes (KCl)
Solução Concentração (mol/L)
Concentração (mol/cm³)
Volume necessário
da solução 7 (ml)
Condutividade (S/cm)
(Concentração)½Condutividade
específica (S/cm)
Condutividade molar
(Ω⁻¹ cm² mol⁻¹)
1 0,1 0,00010 2,5 0,01103 0,010 0,01102490 110,249002 0,2 0,00020 5,0 0,02380 0,040 0,02379490 118,974503 0,3 0,00030 7,5 0,03420 0,090 0,03419490 113,983004 0,4 0,00040 10,0 0,04590 0,160 0,04589490 114,737255 0,6 0,00060 15,0 0,06770 0,360 0,06769400 112,823336 0,8 0,00080 20,0 0,09010 0,640 0,09009490 112,618637 1,0 0,00100 25,0 0,10890 1,000 0,10889490 108,89490
Tabela 03: Concentrações em mol/L e mol/cm3, Volume necessário da solução 7,
Condutividades medidas para cada concentração de KCl, Concentração1/2, Condutividade
específica para as soluções de KCl e Condutividade molar para as soluções de KCl.
Tabela 04: Concentrações em mol/L e mol/cm3, Volume necessário da solução 7,
Condutividades medidas para cada concentração de CH3COOH, Condutividade específica para
as soluções de CH3COOH, Condutividade molar, Inverso da condutividade molar das soluções
de ácido acético e o produto da condutividade molar pela concentração.
7.0 DISCUSSÃO E ANÁLISE DOS DADOS OBTIDOS
Eletrólito forte (KCl)
Utilizou-se a fórmula abaixo para calcular o volume necessário da
solução salina padrão contendo cloreto de potássio (KCl – 1M) para obtermos a
solução com a concentração desejada.
Cn×V n=Cm×V m
Para a solução 1 (0,1 mol/L):
C7×V 7=C1×V 1
1mol /L×V 7=0,1mol/L×25ml
V 7=0,1mol ⁄ L×25ml
1mol /L
V 7=2,5ml
Para a solução 2 (0,2 mol/L):
C7×V 7=C2×V 2
1mol /L×V 7=0,2mol/L×25ml
V 7=0,2mol ⁄ L×25ml
1mol /L
V 7=5,0ml
Para a solução 3 (0,3 mol/L):
C7×V 7=C3×V 3
1mol /L×V 7=0,3mol /L×25ml
V 7=0,3mol ⁄ L×25ml
1mol /L
V 7=7,5ml
Para a solução 4 (0,4 mol/L):
C7×V 7=C3×V 3
1mol /L×V 7=0,4mol /L×25ml
V 7=0,4mol ⁄ L×25ml
1mol/L
V 7=10,0ml
Para a solução 5 (0,6 mol/L):
C7×V 7=C3×V 3
1mol /L×V 7=0,6mol /L×25ml
V 7=0,6mol ⁄ L×25ml
1mol/L
V 7=15,0ml
Para a solução 6 (0,8 mol/L):
C7×V 7=C3×V 3
1mol /L×V 7=0,8mol /L×25ml
V 7=0,8mol ⁄ L×25ml
1mol /L
V 7=20,0ml
Eletrólito fraco (CH3COOH)
Primeiramente, calculamos o volume de ácido acético que deveríamos
diluir para obter a solução padrão de 1 mol.L-1. Para isso, usamos fórmulas
muito conhecidas, como a do número de mols e a da densidade.
n= mM M
Onde:
n Número de moles;
m Massa;
MM Massa molar.
n= mM M
1mol= m60 g /mol
m=1mol×60 gmol
m=60 g
d=mV
Onde:
d Densidade;
m Massa;
V Volume.
Sabendo que a densidade do ácido acético fornecida no vidro é de
1,051g /mol, temos:
d=mV
V= 60g1,051g /ml
V=57,08848716
V ≅ 57ml
Com esse volume, obtemos a solução salina padrão contendo ácido
acético (1 mol/L). Através da diluição dela, obtemos as outras soluções nas
concentrações desejadas, onde o volume necessário para se obter tais
concentrações é dado pela fórmula a seguir:
Cn×V n=Cm×V m
Para a solução 1 (0,001 mol/L):
C7×V 7=C1×V 1
1mol /L×V 7=0,001mol/L×100ml
V 7=0,001mol ⁄ L×100ml
1mol /L
V 7=0,1ml
Para a solução 2 (0,005 mol/L):
C7×V 7=C1×V 1
1mol /L×V 7=0,005mol/L×100ml
V 7=0,005mol ⁄ L×100ml
1mol /L
V 7=0,5ml
Para a solução 3 (0,01 mol/L):
C7×V 7=C1×V 1
1mol /L×V 7=0,01mol/L×100ml
V 7=0,01mol ⁄ L×100ml
1mol /L
V 7=1,0ml
Para a solução 4 (0,05 mol/L):
C7×V 7=C1×V 1
1mol /L×V 7=0,05mol/L×100ml
V 7=0,05mol ⁄ L×100ml
1mol /L
V 7=5,0ml
Para a solução 5 (0,1 mol/L):
C7×V 7=C1×V 1
1mol /L×V 7=0,1mol/L×100ml
V 7=0,1mol ⁄ L×100ml
1mol /L
V 7=10,0ml
Para a solução 6 (0,5 mol/L):
C7×V 7=C1×V 1
1mol /L×V 7=0,5mol /L×100ml
V 7=0,5mol ⁄ L×100ml
1mol /L
V 7=50,0ml
A partir das medidas obtidas no laboratório tem-se uma série de valores
para condutividade dos eletrólitos em concentrações diferentes. A partir deles,
pode-se mostrar graficamente (Figuras 03 e 04) a dependência da
condutividade elétrica de um eletrólito forte (KCl) e de um eletrólito fraco (ácido
acético, CH3COOH) em função de suas concentrações.
Figura 03: Dependência da condutividade elétrica do KCl em função de suas concentrações
Figura 04: Dependência da condutividade elétrica do CH3COOH em função de suas
concentrações
Cálculo das condutividades específicas (KCl)
k e=kS−kH 2O
Onde:
k e Condutividade específica;
k S Condutividade da solução;
kH 2O Condutividade da água.
Condutividade da água (s/cm) 0,0000051
Para a solução 1 (0,1 mol/L):
k e=0,01103 S/cm−0,0000051S /cm
k e=0 ,0110249S /cm
Para a solução 2 (0,2 mol/L):
k e=0,02380S /cm−0,0000051S /cm
k e=0 ,0237949S /cm
Para a solução 3 (0,3 mol/L):
k e=0,03420S /cm−0,0000051S /cm
k e=0 ,0341949S /cm
Para a solução 4 (0,4 mol/L):
k e=0,04590S /cm−0,0000051S /cm
k e=0 ,0458949S /cm
Para a solução 5 (0,6 mol/L):
k e=0,06770S /cm−0,0000051S /cm
k e=0 ,0676949S /cm
Para a solução 6 (0,8 mol/L):
k e=0,09010S /cm−0,0000051S /cm
k e=0 ,0900949S /cm
Para a solução 7 (1,0 mol/L):
k e=0,10890S /cm−0,0000051S /cm
k e=0 ,1088949 S /cm
Cálculo das condutividades específicas (CH3COOH)
k e=kS−kH 2O
Onde:k e Condutividade específica;k S Condutividade da solução;kH 2O Condutividade da água.
Condutividade da água (s/cm) 0,0000051
Para a solução 1 (0,001 mol/L):
k e=0,00006230S /cm−0,0000051S /cm
k e=0,0000572S /cm
Para a solução 2 (0,005 mol/L):
k e=0,00007360S /cm−0,0000051S /cm
k e=0,0000685S /cm
Para a solução 3 (0,010 mol/L):
k e=0,00009350S /cm−0,0000051S /cm
k e=0,0000884 S/cm
Para a solução 4 (0,050 mol/L):
k e=0,00018900S /cm−0,0000051S /cm
k e=0,0001839S /cm
Para a solução 5 (0,100 mol/L):
k e=0,00028000S /cm−0,0000051S /cm
k e=0,0002749S /cm
Para a solução 6 (0,500 mol/L):
k e=0,00064200S /cm−0,0000051S /cm
k e=0,0006369S /cm
Para a solução 7 (1,000 mol/L):
k e=0,00146200S /cm−0,0000051S /cm
k e=0,0014569S /cm
Os valores da condutividade molar para o cloreto de potássio e para o
ácido acético estão apresentados nas Tabelas 03 e 04 do tópico Resultados.
Portanto, percebemos que quanto mais diluída a solução, tanto para o
eletrólito forte quanto para o fraco, a condutividade molar aproxima-se de um
valor limite λ∞ , que é chamado de condutividade a diluição infinita.
Em os eletrólitos fortes, a lei de Kohlrasusch trata da dependência da
concentração em relação à condutividade molar, por meio da seguinte
relação:
λ = λ∞ – b (c)1/2
onde b é uma constante, c é a concentração molar, e λ∞ é a condutividade
molar a diluição infinita.
Por meio dessa lei pode-se determinar a condutividade molar a diluição
infinita através do coeficiente linear da reta, resultante do gráfico da
condutividade molar do eletrólito forte (KCl) versus a raiz quadrada da
concentração (ou concentração elevada a ½, que resulta em um mesmo
valor).
Figura 05: Condutividade molar do KCl versus concentração elevado a 1/2.
Através do gráfico obtemos a equação da reta como sendo:
y=−5,1969x+114,89
Logo:
λ∞=114 ,89S cm2/mol
8.0 – CONSIDERAÇÕES FINAIS
Medidas de condutância elétrica nos permite diferenciar os eletrólitos
fracos e fortes. Eletrólitos fortes seguem a lei de Kohlrausch enquanto que
eletrólitos fracos são descritos pela lei de diluição de Ostwald. Observamos a
dependência da condutividade com a concentração. É possível determinar a
condutividade de eletrólitos a uma diluição infinita e desta forma calcular o grau
de dissociação e a constante de dissociação de eletrólitos fracos.
As medidas experimentais deste relatório mostram que a condutividade
de um eletrólito varia com a concentração, aumentando com o aumento da
concentração. É possível observar também que a condutividade é afetada se a
solução é um eletrólito forte ou fraco, pela quantidade de íons livres na solução.
Certamente com a visualização experimental junto a fundamentação
teórica em escala laboratorial constitui uma base para melhor entendimento
dos processos ocorridos.
9.0 – REFERÊNCIA
http://ajudaquimica.webnode.com.br/news/eletrolitos-fortes-e-fracos/
http://www.webnode.com.br
SMITH, J. M., H. C. VAN NESS, e M. M. ABBOTT. Introdução à
Termodinâmica da Engenharia Química, Ed. 7. Rio de Janeiro, LTC
2007