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Estequiometria e soluções

João Paulo de Mesquita

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Fundamentos de química

Objetivos

• Aprendam a balancear e realizar cálculos estequiométricos

usando equações balanceadas

• Compreender o significado de reagente limitante.

• Compreender os princípios básicos da formação de uma

solução

• Reconhecer e escrever equações químicas para os tipos mais

comuns de reações em solução aquosa

• Como expressar de diferentes maneiras as concentrações das

soluções.

• Utilizar a estequiometria na quantificação de um solução com

concentração desconhecida utilizando titulação.

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Problema

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Suponha que uma indústria tenha um resíduo de 5000 L de

uma solução de H2SO4 5% (m/v) que deverá ser

neutralizado por uma solução de NaOH (10 mol/L)

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Equações e fórmulas

• Consideremos a reação mostrada abaixo:

Reagentes Produtos

CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)

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Equação química

Informação qualitativas (reagentes,

produtos e estado físico)

Informação quantitativas → equação

balanceada

Balanceamento de equações

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O que é uma equação balanceada ou

quando uma equação química

encontra-se balanceada?

Lei da conservação das massas de

Lavoisier

Exemplo: consideremos a combustão

ou queima do metano.

Como balancear equações químicas?

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Balancear a equação Tentativas

C4H10 + O2 → CO2 + H2O

Consideremos o exemplo da combustão de um composto orgânico.

Notas:

1- Muito importante escrever as fórmulas corretas

2- Proibido alterar os subscritos das substâncias → altera a identidade

3- Uma boa dica é sempre começar o balanceamento com a fórmula que

apresenta o maior numero de átomos ou maior numero de elementos

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Estequiometria

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Uma vez balanceada, a equação química fornece uma relação

quantitativa entre reagentes e produtos

2C4H10 + 13O2 → 8CO2 + 10H2O

Essa relação entre produtos e reagentes em uma equação balanceada,

que tem como base a Lei de conservação das massas, é denominada

estequiometria.

Prever a quantidade de produtos formados em uma reação

Prever a quantidade de reagentes necessários para a preparação de uma

determinada quantidade de produto.

Estequiometria

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A amônia (NH3) é produzida industrialmente por meio da

reação entre nitrogênio e hidrogênio gasoso. Com base nesta

reação responda:

a) Quantos mols de moléculas de NH3 podem ser

produzidos a partir de 0,200 mols de moléculas de N2?

b) E a partir de 0,800 mols de H2?

c) Quantos gramas podem ser produzidos a partir 15,0

mols de H2?

Nota: considere que em todos os casos há quantidade suficiente do outro

reagente para reagir.

Exercício

Reagentes limitantes

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Na equação abaixo:

3H2(g) + N2(g) → 2NH3(g)

Razão estequiométrica: 3:1 de mols de H2 / mols de N2

O que acontece se uma quantidade adicional de N2 ou H2 forem adicionados

no sistema?

O reagente em menor quantidade estequiométrica irá limitar a quantidade de produto

formado?

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Reagentes limitantes

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A amônia (NH3) é produzida industrialmente por meio da

reação entre nitrogênio e hidrogênio gasoso. Com base nesta

reação responda:

a) Quantos mols de moléculas de NH3 podem ser

produzidos a partir da reação entre 15,0 mols de moléculas de

N2 e 9 mols de moléculas de H2?

Exercício

Rendimento teórico e experimental

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Toda a discussão foi realizada considerando que numa reação química,

todos os reagentes são 100% consumidos formando a quantidade máxima

de produtos previsto pela estequiometria da reação.

Rendimento teórico.

Na prática.....

O rendimento real é sempre menor

Devido a perdas durante o isolamento, purificação, por exemplo.

Rendimento percentual

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Dessa forma, com o objetivo de fornecer informações para outros

químicos, a respeito de determinada reação o rendimento real ou

experimental é expresso na forma percentual

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Estequiometria

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Uma aplicação importante da estequiometria é a determinação elementar

de um composto a parir de fórmulas moleculares ou empíricas e vice-versa.

Formula molecular: enquanto a fórmula molecular fornece a quantidade

exata de átomos formam um substancia

Formula empírica: a fórmula empírica fornece somente o numero relativo

de átomos de diferentes elementos num composto.

Aplicações da estequiometria

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Exercício

Quando 1,125g de um hidrocarboneto líquido, CxHy, foi queimado em um

sistema como mostrado na Figura abaixo e foram produzidos 3,447g de CO2

e 1,647g de H2O. Em um experimento separado, a massa molar do composto

foi determinada como sendo 86,2g/mol. Determine a fórmula empírica e

molecular para o hidrocarboneto desconhecido.

Figura 1. aparato experimental utilizado para determinação da quantidade de CO2 e água

provenientes da combustão completa de um hidrocarboneto.

É uma mistura homogênea de

duas ou mais substâncias

Soluções

Pode possuir composição variável (quantidade e substâncias)

Os solutos podem ser moleculares ou iônicos e não sedimentam com o tempo

Pode ou não apresentar cor.

Uma solução tem a mesma

composição química, mesmas

propriedades físico-químicas em

todas as suas partes

15 Podem ser preparadas em diferentes estados físicos

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Soluções

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Soluções

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Mistura heterogênea de dois componentes

Mistura homogênea de dois componentes

Curvas de aquecimento

Soluções aquosas

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Até o momento, toda as reações discutidas os reagentes e produtos

encontravam-se no estado sólido e gasoso.

Laboratório

A maioria das reações é feita em solução

Solução = Solvente Soluto +

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O processo de dissolução

Reordenação das forças intermoleculares e das ligações químicas

O que acontece quando uma solução é formada?

Quebra das ligações ou de interações soluto-soluto

Rompimento das interações solvente-solvente

Formação das interações soluto-solvente

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O processo de dissolução

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Exemplo: Dissolução do NaCl em água

NaCl = sólido formado

por ligações iônicas

Água = líquido

formado ligações de

hidrogênio

Solvatação pelas moléculas de água

Interagem com os íons através de forças íon-dipolo

Dissociação do NaCl em Na+ e Cl-

Fatores que afetam as soluções Efeito da pressão

Efeito considerável em soluções que contém algum gás.

Quanto maior a pressão

Mais próximas as moléculas de gás estarão

do solvente

Maior a solubilidade

Exemplo: As bebidas carbonadas engarrafadas

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Fatores que afetam as soluções Efeito da temperatura

Efeito inverso ao da pressão

Maior temperatura

Maior energia cinética

Maior escape da solução

Menor solubilidade

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Fatores que afetam as soluções Efeito da temperatura

23 CS = Quantidade máxima de soluto que pode ser dissolvida numa dada quantidade de solvente, a

uma dada condição de temperatura

Solução insaturada

Solução saturada

Solução supersaturada

Quantidade de soluto solubilizada é inferior à quantidade estipulada pelo CS

A quantidade solubilizada de soluto é igual à indicada pelo CS

A quantidade solubilizada do soluto é maior que a estipulada pelo CS

Coeficiente de solubilidade (CS) vs Temperatura

Poluição

Aumento de gases estufa

Efeito estufa

Diminuição da solubilidade de

CO2 nos rios, lagos e oceanos

Aumento da temperatura das águas

Efeito da temperatura Solução & efeito estufa

Agravamento da situação

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Soluções eletrolíticas

NaCl(s) → Na+(aq) + Cl-(aq)

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H2O

Eletrólito

São todos os compostos cujas soluções aquosas conduzem eletricidade

São aquelas em que o soluto forma íons. Pode-se ser tanto um composto

iônico quanto molecular

Soluções eletrolíticas

• Sais

– NaCl(s) → Na+(aq) + Cl-(aq)

– Na2CO3(s) → 2Na+(aq) + CO32-(aq)

• Ácidos

– HCl(g) → H+(aq) + Cl-(aq)

• Bases

– NaOH(s) →Na+(aq) + OH-(aq)

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Reação de precipitação

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Um tipo de reação muito comum de eletrólitos em soluções são as

reações de precipitação

São reações nas quais um produto insolúvel é formado.

AgNO3(aq) + KCl(aq)→ AgCl(s) + KNO3(aq)

Pb(NO3)2(aq) + (NH4)2S(aq)→ PbS(s) + 2NH4(NO3(aq)

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Reação redox

• São reações onde ocorre transferência de

elétrons

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2MnO4-(aq) + 5 H2O2(aq) + 6 H+(aq) → 2Mn2+(aq) + 5O2(g) + 8H2O(l)

7+ -1 2+ -2

Sofre redução

Agente oxidante

Sofre oxidação

Agente redutor

Reações ácido-base

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HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(l)

Talvez a reação mais familiar seja a reação ácido-base.

Sendo que, solução aquosa os ácidos reagem com bases para produzir sal e água.

Soluções salinas

• Água mineral

– Concentrações variadas (10mg/L de NaCl)

• Soro fisiológico

– Concentração de NaCl = 0,9% (m/v)

• Água do mar

– Concentração de NaCl aproximada de 3g/L

• Laboratório

– Geralmente preparamos soluções (1 mol/L)

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- mol/L

- gramas por litro (g.L-1)

-porcentagem (%):

-Massa/volume de solução (g.100mL-1);

- massa/massa de solução (g.100 g-1);

-volume por volume de solução (mL.100mL-1)

-partes por milhão (ppm), p.ex: mg.L-1

- partes por bilhão (ppb), p. ex: µg.L-1

Expressões de concentração

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A titulação é um procedimento analítico onde deseja-se determinar a concentração de uma solução desconhecida por uma solução conhecida

Estequiometria em soluções

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Titulação

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Uma amostra de 1,034g de ácido oxálico (MM=90,04) impuro foi dissolvida em água e um indicador ácido-base foi adicionado. A amostra consumiu 34,47mL de uma solução de NaOH (0,485 mol/l) para alcançar o ponto de equivalência. Qual a massa de ácido oxálico e qual seu percentual em massa na amostra?

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Nosso problema inicial

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Resolver o exercicio.

Suponha que uma indústria tenha um resíduo de 5000 L de

uma solução de H2SO4 5% (m/v) que deverá ser

neutralizado por uma solução de NaOH (30 mol/L)

Exercício proposto

• Determine a a massa molar de um ácido orgânico HA através

de titulação.

• Nesta titulação 1,056g de HA foram dissolvidos em 50ml de

água e titulado com uma solução de NaOH padronizado com

concentração de 0,256 mol/L. Desta solução foram gastos

33,78mL.

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Referências bibliográficas

• BROWN, T.L., LEMAY, H. E., BURSTEN, B. E. - Química, A

Ciência Central, 9ª Edição; São Paulo : Pearson Prentice Hall,

2005.

• RUSSEL, Jonh B. “Química Geral”, Vol. 1; Caps. 11 e 12

• ATKINS, P. e JONES, L. “Questionando a Vida Moderna e o Meio Ambiente

• Kotz, J. C.; et al. Química geral e reações químicas. São Paulo: Cengage Learning, 2010.

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OBRIGADO PELA ATENÇÃO E

PACIÊNCIA

FIM

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Titulações • O que temos?

– O volume de NaOH. Sabemos a concentração em quantidade de matéria do NaOH, então, podemos calcular a quantidade de matéria de NaOH.

• Qual o próximo passo? – Sabemos também que HCl + NaOH NaCl + H2O. Portanto, sabemos a

quantidade de matéria de HCl. • Podemos finalizar?

– Sabendo a quantidade de matéria (HCl) e o volume de HCl (acima de 20,0 mL), podemos calcular a concentração em quantidade de matéria.

Estequiometria de soluções e análise química