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PONTFICIA UNIVERSIDADE CATLICA DE CAMPINASFACULDADE DE ENGENHARIA AMBIENTALQumica Aplicada Engenharia Ambiental

Prof.Dr. Jos Gilberto JardineAtualizado em janeiro 2012

CAPTULO 3SOLUES E DISPERSESDispersesSolues verdadeirasTipos de concentraoAnlises qumicas das Solues verdadeiras PartioRegresso linear3. Coloides

Disperses - ConceitosDisperso: todo sistema no qual uma ou mais substncias esto disseminadas sob a forma de pequenas partculas em outra substncia, de maneira uniforme e em toda a sua extenso.

Exemplos: gua e acar; gua barrenta.

Constituintes de uma disperso: Disperso: acar Dispersante : gua

As disperses so classificadas de acordo com o tamanho mdio das partculas dispersas em: solues verdadeiras; disperso coloidal; suspenso.

1 nm = 10-9 m

Disperses - Conceitos

Solues verdadeiras: disperses cujo tamanho das molculas dispersas menor que 1 nanmetro, sendo uma soluo homognea. Podem ser encontradas solues no estado slido, gasoso e liquido. H sempre um solvente e um soluto.Ao solvente tambm d-se o nome de meio dispersante e ao soluto d-se o nome de meio disperso.

Natureza das partculas: tomos e ons.Tamanho mdio das partculas: entre 0 e 1 nanmetro.Visibilidade das partculas: as partculas no podem ser vistas nem com auxlio de um ultramicroscpio.Sob centrifugao: as partculas no se depositam nem sob uma ultracentrfuga.Filtrao: as partculas no so retidas por nenhum tipo de filtro.Sob o efeito de um campo eltrico: caso a soluo seja no inica (soluo molecular), no h passagem de corrente eltrica. Quando inica, os ctions se dirigem para o polo negativo, enquanto que os nions se dirigem para o polo positivo. (ocorrendo o fenmeno da eletrlise).

Solues verdadeiras1. Classificao das solues

Quanto ao estado de agregao das solues:

Solues slidas: ligas metlicas.Solues lquidas: sal dissolvido em gua.Solues gasosas: ar atmosfrico. Quanto ao estado de agregao do soluto e do solvente:

o solvente que condiciona o estado de agregao de uma soluo

Solues verdadeiras

Solues verdadeiras Quanto natureza das partculas dispersas:

Solues moleculares ou no eletrolticas: as partculas dispersas so somente molculas, por isso no conduzem a corrente eltrica;

C12 H22 O11 (s)+ H2O Dissoluo C12 H22 O11 (aq)

Solues inicas ou eletrolticas: as partculas dispersas so ons e molculas ou somente ons, por isso conduzem a corrente eltrica;

Solues verdadeirasNaCl (s)+ H2O Na+ (aq) + Cl- (aq)

HCl (g) + H2O H3O+ (aq) + Cl- (aq)Ionizao: formao de ons que ocorre quando um composto covalente colocado em contato com um solvente polar;Dissociao inica: a separao de ons do retculo cristalino de um composto inico pela ao de um solvente polar Quanto proporo de soluto e de solvente:

Soluo diluda: a que possui no mximo 0,1 mol de soluto por litro de soluo (M 0,1 mol/L)

Ex.: at 5,85 g de NaCl para cada litro de soluo;at 4,00 g de NaOH para cada litro de soluo;

Soluo concentrada: a que possui mais que 0,1 mol de soluto porlitro de soluo (M> 0,1 mol/L)

Ex.: uma soluo com mais de 5,85 g de NaCl para cada litro de soluo;uma soluo com mais de 4,00 g de NaOH para cada litro de soluo;Solues verdadeiras2. Tipos de concentrao

% em massa ou ttulo:massa de soluto x 100 massa de soluo % em volume:volume de soluto x 100 volume de soluo(s usada quando soluto e solvente so ambos lquidos ou ambos gasosos)

Concentrao em g/L:massa de soluto em gramasvolume de soluo em litros

Concentrao em mol/L:quantidade de soluto (mol)_ volume de soluo em litrosSolues verdadeiras Concentrao em molalidade:quantidade de soluto (mol)_ massa do solvente em kg

Concentrao em frao molar de soluto:quantidade de soluto (mol)_quantidade de soluo (mol)

Solues verdadeiras Partes por milho (PPM):Indica a relao de 1 parte do soluto por 1 milho de partes do solvente. Para solues muito diludas, considerar o volume do solvente igual ao volume da soluo.

Exemplo:

A anlise qumica do esgoto descarregado no rio de uma cidade de tamanho mdio mostra que contm 0,0030% de ons fosfato, que muito prejudicial aos ecossistemas aquticos.

Significado: "H 0,0030 g (ou Kg ou tonelada) de ons fosfato em cada 100 g (ou kg ou tonelada) de gua do rio. Observe que o valor 0,0030 muito pequeno, por isso torna-se mais fcil multiplicar este nmero por 10.000 e, dessa forma, obtm-se a seguinte relao:

"H 30 g de ons fosfato em cada 1.000.000 g (um milho de gramas) de gua do rio."

Esta afirmao poder ser expressa da seguinte forma: 30 ppm (m/m), que significam 30 partes de ons fosfato em massa por um milho de partes de gua do rio em massa.

30 ppm: 30 g de soluto por 1.000.000 g da soluo equivalem a:30 g de soluto por 1.000 kg de soluo, ou30 g de soluto por 1 tonelada de soluo, ou30 mg de soluto por 1.000.000 mg de soluo, ou 30 mg de soluto por 1.000 g de soluo, ou30 mg de soluto por 1 kg de soluo.Analogamente, teremos:Porcentagem: referncia a um total de 100 (102)Partes por mil: referncia a um total de 1.000 (103)Partes por milho: referncia a um total de 1.000.000 (106)Partes por bilho: referncia a um total de 1.000.000.000 (109)

Mercrio e contaminao ambiental

Mercrio um metal lquido altamente txico a qualquer forma de vida, sendo utilizado na garimpagem de ouro. Depois de retirado,o cascalho do rio misturado ao mercrio liquido.O ouro em p do cascalho se aglutina ao mercrio e o resto jogado fora.Aquece-se ento a mistura mercrio/ouro at que os dois se separam.Durante esse processo, 55% do mercrio evapora; o restante acaba sendo jogado nos rios. Para cada quilo de ouro retirado dos rios brasileiros, usa-se de 1,5 a 3 quilos de mercrio.No leito dos rios o mercrio reage com os sedimentos orgnicos e consumido pelos peixes.A outra parte que evaporou acaba se condensando e assumindo sua forma lquida original.Da temos a poluio dos rios,terras,vegetao,meio ambiente e, finalmente, do homem.A tolerncia do mercrio nos seres humanos de 0,02 ppm(partes por milho) no sangue e de 0,2 ppm na urina. Na natureza, os teores de mercrio so baixos,chegando a 1 ou 2 ppm em certos solos.Alguns garimpos brasileiros j apresentaram contaminao at 2 mil vezes superior tolerncia biolgica.Em Serra Pelada, no Par,a amostra do cabelo de um garimpeiro mostrou uma taxa de 2,92 ppm de mercrio.Muitos peixes migram para outros rios para a desova; assim, peixes contaminados pelo mercrio de um rio,podem levar essa poluio a outras regies. O garimpo de ouro muitas vezes utilizam mercrio contrabandeado, o que torna a operao ilegal.

RELAO MASSA/MASSAExemplos:

1) Soluo 20 ppm (m/m)

Significado: 20 g de soluto em 1 milho de gramas da soluoObs.: Como a soluo muito diluda, a massa do solvente praticamente a massa da soluo.

2) 10 ppm de O2 na gua (m/m)

Significado: 10 g de O2 dissolvidos em 1 milho de gramas de gua, ou ainda, 10 mg de O2 dissolvidos em 1 milho de miligramas de gua.Obs.: Como 106 mg = 1 kg, ou ainda, 1 ton = 106gDesta forma ficamos com: 10 g de O2 dissolvidos em 1 ton de gua, ou ainda, 10 mg de O2 dissolvidos em 1 kg de gua.Com isso poderemos representar ppm (m/m) pelas relaes matemticas:

Solues verdadeiras3. Anlises Qumicas das Solues Verdadeiras

Um sistema homogneo (soluo) em equilbrio fica bem definido aps o conhecimento das substncias qumicas que o constituem (anlise qumica qualitativa), da presso e temperatura (variveis fsicas quantitativas) e da quantidade de cada um de seus componentes (anlise qumica quantitativa).

Volumetria Titulao

Consiste em determinar a concentrao de uma soluo, pela reao com outra soluo de concentrao conhecida. Podemos dizer que a titulao a principal operao da chamada anlise volumtrica ou volumetria realizada em laboratrio, onde a soluo padro (concentrao conhecida) contida em uma bureta misturada gota a gota na soluo problema (concentrao desconhecida) existente em um erlenmeyer. A soluo problema deve apresentar algumas gotas de indicador para determinar o final da titulao, em virtude da mudana de cor da mesma.

O ponto final da titulao conhecido como ponto de viragem. Como a titulao consiste de uma reao entre o soluto da soluo padro e o soluto do problema, os problemas devem ser resolvidos por estequiometria.

Solues verdadeirasRetiramos, com auxlio de uma pipeta, 50 mL da soluo de KOH contida em um frasco de concentrao molar desconhecida e transferimos para um frasco erlenmeyer.

No frasco erlenmeyer, contendo a soluo bsica, adicionamos algumas gotas de fenolftalena, um indicador que, na presena de base, adquire a colorao avermelhada. Com o auxlio de uma bureta, adicionamos cautelosamente soluo contida no erlenmeyer uma soluo de HCl(aq) 2,0 M.

No erlenmeyer haver a seguinte reao, representada pela equao:1 HCl(aq) + 1 KOH(aq) 1 KCl(aq) + 1 H2O(l)

Pela equao, observaremos que a neutralizao entre o cido e a base ser completa quando o nmero de mols de do cido for igual ao nmero de mols da base.

Esse fato verificado exatamente no momento em que a colorao vermelha, devido ao meio bsico, muda para incolor. Neste momento, o nmero de mols , provenientes do cido neutralizam totalmente o nmero de mols, provenientes da base.Anotamos o volume de cido gasto (25 mL), e calculamos quantos mols do cido foram utilizados para reagir completamente com a base.

Solues verdadeirasExemplo:

Por lei, o vinagre (soluo aquosa de cido actico) pode conter, no mximo 4% em massa (0,67 mol/L) de cido actico. Para voc verificar se o vinagre utilizado em sua casa atende s especificaes legais, para isso voc verifica que 40 mL de vinagre so neutralizados por 8 mL de soluo aquosa de NaOH 2 M. A que concluso voc chegou?

Dados:Vinagre: V = 40 mL = 0,04 L, [c. actico] = ? (mols/L)NaOH(aq): V = 8 mL = 0,008 L, [NaOH] = 2 mols/L

Resoluo:

Clculo do nmero de mols de NaOH que reage:2 mols de NaOH 1 L de soluo X 0,008 L de soluo X = 0,016 mol

Solues verdadeirasClculo do nmero de mols de c. actico que ser neutralizado pelo NaOH:CH3-COOH + NaOH CH3-COO-Na+ + H2O 1 mol 1 mol X 0,016 mol X = 0,016 mol

Clculo da [c. actico] no vinagre:0,016 mol de c. actico 40 mL de vinagre X 1000 mL de vinagre (1 L) X = 0,4 mol, com isso temos que: [c. actico] = 0,4 mol/LComo a concentrao de c. actico mxima exigida por lei, no vinagre, de 0,67 mol/L, conclumos que a amostra de vinagre analisada atende s especificaes .

Determinao da concentrao do titulante:Selecionar os reagentes cido e base fortes e escolher a opo titulante desconhecido (Titration, Reactants, strong acid with strong base, titrate unknown, OK, OK, OK). Anotar a concentrao da base utilizada (deve ser 0,1M).Promover a titulao, esboando o grfico obtido.Calcular a concentrao desconhecida do cido utilizado.

Solues verdadeirasAnlises Espectrofotomtricas

Mtodo aplicado na determinao de compostos inorgnicos e orgnicos, como por exemplo identificao de princpios de frmacos e tambm na determinao da concentrao dos mesmos. Mtodo de anlise baseado em medidas de absoro de radiao eletromagntica.

Vrios fenmenos podem ocorrer com a radiao luminosa, como: reflexo, refrao, espalhamento ou ser absorvida pelo material.

Solues verdadeiras Transmitncia a frao da luz incidente em um comprimento de onda especfico, que passa por uma amostra de matria.

T = I / I0

Absorbncia a capacidade do material em absorver radiaes em frequncia especfica.

A = - log10 TOs comprimentos de onda que uma certa substncia absorvero so caractersticos da sua estrutura, diferindo de substncia para substncia.DNA e RNA = 260nm Protenas = 280nmClulas bacterianas= 600nm

Solues verdadeirasLei de Lambert-Beer tambm conhecida como lei de Beer ou lei de Beer-Lambert-Bouguer: intensidades da radiao incidente e emergente podem ser relacionadas com as concentraes do material presente na soluo.

Efeitos de reflexo, refrao e espalhamento no so considerados nessa lei.A radiao incidente deve ser monocromtica

I = I0 10-lcI0 = intensidade da radiao incidente I = intensidade transmitida pela amostral = comprimentoC = concentrao da amostra = coeficiente de extino ou absortividade ou coeficiente de absoro, um fator caracterstico da substncia absorvedor (e o solvente), que depende do comprimento de onda da radiao.

Solues verdadeiras Transmitncia:

T = I / I0 Na lei de Lambert-Beer:

T = 10-lc Absorbncia:

Na lei de Lambert-Beer:

A = - log10 TA = - log10 T = log10(1/T ) = log10(10-lc)

Solues verdadeirasEspectrofotmetro: um instrumento que serve para medir a intensidade da luz em funo de um comprimento de onda especfico.

Diagrama de um espectrofotmetro

(a) lmpada de deutrio/tungstnio; (b) lente da fonte; (c) obturador; (d) amostra; (e) lente espectrogrfica; (f) fenda; (g) rede de difrao; (h) arranjo de detectores

Solues verdadeirasFontes Luminosas:

Luz UV Lmpada de gs hidrognioMercrio

Luz Visvel Tungstnio

A regio do espectro do ultravioleta na faixa de 200 a 400 nm e a da luz visvel entre 400 e 800 nm.

Solues verdadeirasCubetas:

Espectrofotometria de Luz VisvelCubeta de Vidro ou Plstico

Espectrofotometria de Luz Ultra- VioletaCubeta de Quartzo

Solues verdadeiras4. PartioQuando um soluto se distribui em dois solventes no miscveis, h para cada espcie molecular, a uma dada temperatura, uma relao constante de sua distribuio entre os dois solventes, e esta relao de distribuio independente de qualquer outra espcie molecular que possa estar presente. O valor dessa relao, denominada coeficiente de partio ou de distribuio, varia de acordo com a natureza dos dois solventes, a natureza do soluto e a temperatura.A remoo de um soluto de um dado solvente pela adio de outro solvente imiscvel denominada extrao por solvente.Suponha que a espcie HA deva ser extrada de uma soluo orgnica por gua. Seja:Vaq = volume de soluo aquosaVorg = volume de soluo orgnicaAps n extraes o nmero de mols de HA que resta na fase orgnica :

Quando uma soluo (soluto A em solvente 1) agitada com um segundo solvente (solvente 2) com o qual imiscvel, o soluto A se distribui entre as duas fases lquidas. Quando as duas fases se separarem novamente em duas camadas de solvente distintas, um equilbrio ser alcanado de tal forma que a razo das concentraes do soluto em cada solvente C1 e C2 define uma constante. A constante, chamada de coeficiente de distribuio (ou coeficiente de partio) K, definida por:

K = C2 / C1

C1 e C2 so as concentraes no equilbrio, em g/L ou mg/mL, do soluto A no solvente 1 e no solvente 2, respectivamente.

O coeficiente de distribuio tem um valor constante para cada soluto considerado e depende da natureza dos solventes usados em cada caso.

evidente que nem todo soluto A ser transferido para o solvente 2 numa extrao simples a no ser que K seja muito grande. Normalmente so necessrias vrias extraes para remover todo soluto A do solvente 1.

Na extrao do soluto de uma soluo, sempre melhor usar diversas pores pequenas do segundo solvente do que fazer uma extrao simples com uma poro grande.Solues verdadeirasLei da Partio

A lei da partio ou lei de distribuio estabelece que, se a um sistema de duas camadas lquidas, constitudo de dois componentes imiscveis ou pouco miscveis for adicionada uma terceira substncia solvel em ambas as camadas, a substncia se distribui entre as camadas, de modo que a razo da concentrao em um solvente em relao ao outro permanea constante a uma temperatura constante.

Equilbrios de partio de poluentes no ambiente

Composto na fase 2 Composto na fase 1K1,2 = Concentrao na fase 1 / Concentrao na fase 2

Fase aquosa como referncia: a) gua e poluente livre; b) gua e ar; c) gua e solo.

Solues verdadeiras5. Regresso linear

Regresso linear um mtodo para se estimar a condicional (valor esperado) de uma varivel y, dados os valores de algumas outras variveis x. A regresso, em geral, trata da questo de se estimar um valor condicional esperado.

A regresso linear chamada "linear" porque se considera que a relao da resposta s variveis uma funo linear de alguns parmetros. Os modelos de regresso que no so uma funo linear dos parmetros se chamam modelos de regresso no linear. Trata-se de uma das primeiras formas de anlise regressiva estudada rigorosamente, e usada extensamente em aplicaes prticas. Isso acontece porque modelos que dependem de forma linear dos seus parmetros desconhecidos, so mais fceis de ajustar que os modelos no lineares aos seus parmetros.

r2 Medida de como a varivel independente em uma anlise de regresso linear simples pode explicar variaes na varivel dependente, seu valor situa-se em 0 (fraco ajuste) e 1( ajuste perfeito). Usa-se o smbolo r2 porque o quadrado do coeficiente de correlao amostral entre duas variveis.

Solues verdadeirasReta de Regresso => Reta calculada na anlise de regresso, usada para estimar a relao entre duas grandezas ( a varivel independente e a varivel dependente).De maneira geral, estaremos diante de um modelo de regresso linear simples quando a relao linear entre duas variveis , X e Y, pode ser satisfatoriamente definida pela seguinte equao matemtica:

Y^ = a + b . XY^ = Estimativa da varivel dependente y;a= Estimativa do coeficiente linear A;b= Estimativa do coeficiente angular B;x= Valores amostrais da varivel explicativa X.Obs: O smbolo ^, utilizado para diferenciar os valores estimados dos amostrais ou observados.

Solues verdadeirasMtodo dos mnimos quadrados

Coeficiente de Determinao

O coeficiente de determinao mede o grau de ajustamento da reta de regresso aos dados observados. Indica a proporo da variao total da varivel dependente que explicada pela variao da varivel independente.

Solues verdadeirasA equao que permite calcular o coeficiente de determinao a seguinte

Exerccio:

Suponha que um automvel, para analisar o seu consumo de combustvel, efetuou 7 viagens, tendo-se registrado a distncia percorrida (km) e o consumo (l), obtendo-se, ento, os 7 pares de valores seguintes:

a) Escreva a equao da reta de regresso estimada que relaciona distncia em relao ao consumo.

b) Com 16 litros de combustvel qual das duas distncias lhe parece mais provvel de ser percorrida: 190 km ou 205 km?

c) Sendo o valor do litro de gasolina R$ 2,52, qual o valor gasto (estimado) em um trajeto de 820 km?

Solues verdadeiras

Solues verdadeirasM^= 1551,428571 (9 x 124,285714)/( 111,857143-9^2)M^= 14,0277778b ^= 124,285714 (14,0277778 x 9)b^= -1,96428571a) A equao da reta de regresso :Y= 14,0277778X - 1,96428571

b) R: y= 14,0277778X - 1,96428571Y= 14,0277778 x (16) - 1,96428571

Y= 226,4087302Logo a distncia de 205Km a mais provvel a ser percorrida

Solues verdadeirasc) Sendo o valor do litro de gasolina R$ 2,52, qual o valor gasto (estimado) em um trajeto de 820 km?Y= 14,0277778X - 1,96428571820= 14,0277778X - 1,96428571820+1,96428571= 14,0277778XX= 58,59547383 KMGasto= 58,59547383 xR$ 2,52= R$ 147,66

A correlao r para este caso = 0,9968708 ou 99,68707999%, este coeficiente de correlao praticamente perfeito, pois a cada 1% de variao no consumo ocorre uma variao de 99,68707999% na distncia.

Coloide: sistemas no qual um ou mais componentes apresentam pelo menos uma de suas dimenses dentro do intervalo de 1 a 100 nanmetros. As disperses coloidais so misturas essencialmente heterogneas, sendo compostas por um meio dispersante e um meio disperso. Os colides no se sedimentam, nem podem ser filtradas por filtrao comum.

Coloides

Coloides

Tipos de Coloides:

Os coloides que tm a gua como meio de disperso so classificados como hidrofbico e hidroflico;

Coloide Hidrofbico: as foras atrativas entre a gua e a superfcie coloidal so fracas;Ex. disperso de metais e de sais pouco solveis em gua;

ColoidesColoide Hidroflico: as foras atrativas entre a gua e a superfcie coloidal so fortes; geralmente existem grupos OH ou NH2 nas partculas coloidais;

Formam-se pontes de hidrognio com a guaEx. protenas; amido;

ColoidesEmulso: uma disperso coloidal de um lquido em outro, como gua e leo; Agente emulsificante ou surfactante ou tensoativo: permite a formao da emulso entre dois lquidos imiscveis; diminui a tenso superficial dos lquidos.Ex.: sabo, protena, detergente

ColoidesTipos de Detergentes

Aninico: sulfonatos = sais derivados do cido sulfnico

b) Catinico: sais Quaternrios de Amnio

c) Anftero:

Coloidesd) No-inico

Impacto ambiental

Biodegradvel: cadeia linear

b) No-biodegradvel: cadeia ramificada

c) gua dura: gua com elevada concentrao de ons: Ca2+ Mg2+ ou Fe3+Propriedades dos coloides

EletroforeseCataforese: Ocorre quando as partculas do disperso possuem carga positiva. As partculas do disperso iro migrar para o plo negativo do campo eltrico que denominado ctodo;Anaforese: Ocorre quando as partculas do disperso possuem carga negativa. As partculas do disperso iro migrar para o plo positivo do campo eltrico que denominado nodo;

Efeito tyndall o efeito ptico de espalhamento ou disperso da luz, provocado pelas partculas de uma disperso coloidal; Ex.: observao de partculas de poeira suspensas no ar; gotculas de gua que formam a neblina; feixe luminoso de uma lanterna em um recipiente contendo gelatina.Coloides

Os coloides dispersam fortemente a luz, pois as partculas dispersas tm tamanhos semelhantes ao comprimento de onda da luz visvel. Este fenmeno chamado efeito de Tyndall e permite distinguir as solues verdadeiras dos coloides, pois as solues verdadeiras so transparentes, ou seja no dispersam a luz.ColoidesMovimento brownianoAs partculas do dispergente esto constantemente colidindo com as partculas do disperso, assim as partculas do disperso possuem um movimento em zique-zague desordenado e ininterrupto observvel sob o ultramicroscpio.

Coloides