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Universidade Federal de Goiás – Campus de Catalão Departamento de Química Disciplina: Análise Instrumental II Prática 01 Determinação da constante de Avogadro por meio do processo eletrolítico

Pratica 1-Avogadro

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Relatório de Análise Instrumental 2. Obtendo experimentalmente o número de avogadro.

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PRATICA 1

Universidade Federal de Gois Campus de Catalo

Departamento de QumicaDisciplina: Anlise Instrumental IIPrtica 01

Determinao da constante de Avogadro por meio do processo eletroltico Professor: Dr. Leonardo S. Andrade Alunos: Mrcio da Silva 070428

Renato S. Mendes 070437Catalo - GOMaro de 2012INTRODUOEm 1813 e nos anos seguintes, Michael Faraday realizou a srie de pesquisas que constituram os fundamentos de eletroqumica e eletromagnetismo. Faraday estudou intensamente a decomposio de solues de sais, cidos e bases pela passagem de corrente eltrica. Com a assistncia de William Whewell, inventou uma elegante nomenclatura usada nestes estudos: eletrodo, eletrlise, eletrlito, on, nion e ction. O eletrodo para o qual os ctions se movem numa clula chamado ctodo e o eletrodo para qual os nions se movem chamado nion (MOORE, 1976).

Faraday prosseguiu estudando quantitativamente a relao entre a quantidade de eletrlise, ou da ao qumica produzida pela corrente, e a quantidade de eletricidade envolvida (MOORE, 1976).A eletroqumica tem um papel muito importante na indstria em vrios tipos de aplicaes incluindo a eletrlise, o processamento e o acabamento de metais, as baterias e as clulas de combustvel, e o tratamento de guas e efluentes. Seu uso nas indstrias afetado pelo preo da eletricidade e facilidade do seu fornecimento, principalmente em casos em que existe um mtodo alternativo de produo. Por esta razo tm surgido processos de eletrlise de grande escala energicamente intensivos (BRETT, 1993).

A eletrlise a converso de energia eltrica em energia qumica de modo a converter substncias por oxidao ou por reduo, em que os produtos so formados como o elemento ou na forma de um composto apropriado, sendo necessrio para isto o controle de parmetros como o solvente, o eletrlito de suporte, a concentrao das espcies eletroativas, o movimento da soluo, a forma e o material dos eletrodos, a clula eletroqumica, o potencial ou a corrente aplicado e tambm a temperatura do meio (BRETT, 1993).

A carga eltrica a base de outras grandezas eltricas corrente, voltagem e potncia. A carga de um eltron (e prton) definida como 1,6022 x 10-19 coulombs (O coulomb (C) a quantidade de carga eltrica necessria para produzir 0,00111800 g de prata metlica a partir de ons prata. Um coulomb= 1 ampre x 1 s = 1 A s).

A intensidade do fluxo de carga igual a um coulomb por segundo definida como um ampre (A) de corrente. Portanto, um coulomb pode ser considerado como a carga transportada por uma corrente constante de um ampre por um segundo. A carga Q que resulta de uma corrente constante de I ampre operada por t segundos (SKOOG, 2005)

Para correntes variveis i, a carga Q dada pela seguinte integral:

O faraday (F) a quantidade de carga que corresponde a um mol, ou 6,022 x 1023 eltrons. Como cada eltron tem uma carga de 1,6022 x 10-19 C, o faraday igual a 96,485 C. A equao descrita abaixo (SKOOG, 2002):

A lei de Faraday relaciona o nmero de mols do analito nA com a carga

em que n o nmero de mols de eltrons na semi-reao de interesse. Como mostrado no Exemplo 22-3, podemos utilizar essas definies para calcular a massa de uma espcie qumica que formada em um eletrodo por uma corrente de grandeza conhecida (SKOOG, 2005).

A determinao da constante de Avogadro requer a medida de uma quantidade de substncia em nveis microscpicos e macroscpicos usando a mesma escala de medida (KENNER, 2011).

Onde: Ne- = nmero de eltrons que passou pelo circuito

NA = constante de Avogadro

ne- = nmero de mols de eltronsOBJETIVODeterminar experimentalmente a constante de Avogadro ou nmero de Avogadro (simbolizado por NA ou L), por meio da eletrlise de uma soluo de CuSO4 (em uma clula eletroltica). Tambm inclui a aprendizagem e manuseio dos equipamentos: fonte de alimentao e multmetro (na funo ampermetro).

PARTE EXPERIMENTAL

Material utilizado Fonte de tenso / corrente;

Agitador magntico;

Barra de agitao magntica;

Balo volumtrico de 50 mL;

Eletrodos de Cu e de Ti;

Bquer;

Suporte universal;

Pina de Madeira; Multmetro analgico; Balana analtica digital;

Fios para coneco eltrica.

Reagentes utilizados gua destilada;

Sulfato de cobre penta-hidratado (CuSO4.5H2O).

Procedimento Experimental- Preparou-se uma soluo eletroltica contendo 50,0 mL de sulfato de cobre 0,1 molL-1. Para isso foi necessrio uma massa de 1,25g de CuSO4.5H2O.- Limpou-se a superfcie do eletrodo de cobre com palha de ao, at ficar com aparncia bem brilhante.- Limpou-se tambm a superfcie o eletrodo de titnio- Lavou-se com gua destilada os eletrodos de cobre e titnio, secando-os com papel toalha em seguida;

- Procedeu-se na pesagem dos dois eletrodos, anotando suas respectivas massas;

- Transferiu-se a soluo de CuSO4 para o bquer;- Fixou-se os eletrodos de titnio e cobre aos respectivos fios que continham a garra jacar. Logo em seguida prendeu-se os fios pina de madeira e simultaneamente ao suporte universal;- Mergulhou-se os dois eletrodos na soluo de sulfato de cobre, deixando-os em posio paralela;- Foi verificado se a fonte de alimentao estava desligada;- Conectou-se o eletrodo de cobre ao plo positivo da fonte de alimentao (este foi o anodo). Em seguida conectou-se o plo negativo da fonte conexo terra do multmetro (especificado como COM no prprio multmetro). Por fim, conectou-se o eletrodo de titnio (catodo) sada do multmetro (figura 01);

Figura 01: Esquema de montagem da clula eletroltica

- Selecionou-se no multmetro a escala de corrente adequada de 0,0 a 10A.- Ajustou-se a corrente da fonte em 0,1A com os fios interconectados, tendo como referncia a leitura fornecida pelo multmetro;

- Aps o ajuste de corrente da fonte, conectou-se os fios aos eletrodos presentes clula eletroltica;

- ligou-se o agitador magntico;

- Zerou-se o cronmetro e deixou-o preparado para iniciar a marcao do tempo;

- iniciou-se o processo de eletrlise simultaneamente ao disparo do cronmetro; - Desligou-se a fonte aps exatos 5 minutos de eletrlise;

- Retirou-se cuidadosamente os eletrodos da soluo, enxaguando-os em seguida;

- Secou-se ambos os eletrodos de cobre e titnio com papel toalha;

- Transferiu-se os dois eletrodos para um vidro de relgio;- Levou-se o vidro de relgio contendo os dois eletrodos para a estufa por um tempo de aproximadamente 10 minutos;

- Aguardou-se seu resfriamento e aps foram pesados;

- Desfez-se toda a montagem, limpou-se o eletrodo de Ti contendo o depsito de Cu (Ti-Cu) mergulhando-o em HNO3 concentrado e o eletrodo de Cu com palha de ao.

RESULTADOS E DISCUSSONa tabela 01 esto contidos os resultados obtidos durante o processo de eletrlise.

Analisando a mesma percebemos um ganho de massa por parte do eletrodo titnio de 0,0711g, o que nos leva a afirmar que ele o ctodo e sofreu o processo de reduo. Os eltrons ao chegarem ao eletrodo de titnio, provenientes da fonte so capturados pelos ons Cu2+ presentes em soluo, os quais se depositam no ctodo na forma de cobre metlico. O cobre obtido de alto grau de pureza (ento chamado cobre eletroltico).

Abaixo a semi-reao de reduo:Cu2+(aq) /Ti(s) + 2e- Cu(s) /TI(s) (ctodo-reduo)

(1)Em relao ao eletrodo de cobre, a tabela 01 deixa bem evidente sua perda de massa, sendo esta da ordem de 0,0124g, sendo ele ento o nodo da clula eletroltica em questo, sofrendo oxidao. A diminuio da massa do eletrodo de cobre se deu em razo da perda de eltrons (os quais fluem para a fonte) e conseqente passagem de ons Cu2+ para a soluo (reao 2). Cu(s) Cu2+(aq) + 2e- (nodo-oxidao)

(2)Somando-se reao 1 reao 2 temos a reao global de oxi-reduo que ocorreu no processo eletroltico.Cu2+(aq) /Ti(s) + 2e- Cu(s) /TI(s)

Cu(s) Cu2+(aq) + 2e- _________________________________________________________________

Cu2+(aq) /Ti(s) + Cu(s) Cu(s) /TI(s) + Cu2+(aq) A migrao de ons Cu2+ do fio de cobre para a soluo necessria para manter o balano de cargas da soluo eletroltica mantendo-a equilibrada, do contrrio quando ons Cu2+ aderissem a barra de titnio um excesso de cargas negativas teria que ser formado em soluo, o que no possvel.

A carga Q total aplicada durante a eletrlise pode ser obtida atravs da multiplicao e corrente pelo tempo. Como o tempo foi 5 minutos (300s) e corrente foi de 0,1A, temos que:Q = A x t

Q = 0,1A x 300s

Q = 30As

Q = 30C

Como os valores da variao de massa perdida do eletrodo de cobre e massa ganha do eletrodo de titnio esto muito discrepantes, faz-se necessrio calcular qual seria teoricamente a variao de massa que deveria ocorrer de acordo com as leis de Faraday. Clculo para o nodo (oxidao) eletrodo de cobre Terico de acordo com Faraday:- Clculo do nmero de mols de CuCu(s) Cu2+(aq) + 2e-1 mol Cu --- 2 mol e-

onde F = 96485C/ mol e-

- Clculo da constante de Avogadro:

Nmero de eltrons:

; onde e = 1,602 x 10-19C

Nmero de mols de eltrons (ne-):1 mol Cu --- 2 mol e-1,555 x 10-4 mol Cu --- X mol e-X = 3,11 x 10-4 mol e-

Constante de Avogadro:

- Clculo da massa terica de Cu a ser perdida:

1 mol de Cu ---- 63,5g de Cu

1,555 x 10-4mol de Cu ---- Y

Y = 9,874 x 10-3g de Cu

Clculos utilizando os dados experimentais:

- Clculo da massa de Cu perdida:

- Clculo do nmero de mols de Cu

1 mol de Cu ---- 63,5g de Cu

Z -----------0,0124g de Cu

Z = 1,953 x 10-4 mol de Cu- Clculo da constante de Avogadro:

Nmero de eltrons (Ne-):1 mol Cu --- 2 mol e- (2 x 6,022 x 1023e-)

1,953 x 10-4 mol de Cu ---Ye-Ye- = 2,352 x 1020e-

Nmero de mols de e-(ne-):1 mol Cu --- 2 mol e-1,953 x 10-4 mol Cu --- W mol e-W = 3,906 x 10-4 mol e-

Constante de Avogadro:

Clculo para o ctodo (reduo) eletrodo de titnio Terico de acordo com Faraday:

Cu2+(aq) /Ti(s) + 2e- Cu(s) /TI(s) (ctodo-reduo)

- Grandezas que apresentam valores para o eletrodo de titnio iguais aos clculos desenvolvidos para o eletrodo de cobre:

Q = 30C

ne- = 3,11 x 10-4 mol e-

- Clculo de massa terica a ser ganha pelo eletrodo de titnio:

1 mol de Ti/Cu ---- 111,4g de Ti

1,555 x 10-4mol de Ti ---- X

X = 1,732 x 10-2g de Ti

Clculos utilizando os dados experimentais:

- Clculo da massa de Ti perdida:

- Clculo do nmero de mols de Ti/Cu

1 mol de Ti/Cu ---- 111,4g de Ti/Cu

Y -----------0,0711g de Ti/Cu

Y = 6,382 x 10-4 mol de Ti/Cu- Clculo da constante de Avogadro:

Nmero de eltrons (Ne-):1 mol Ti/Cu --- 2 mol e- (2 x 6,022 x 1023e-)

6,382 x 10-4 mol de Ti/Cu ---Ze-Ze- = 7,687 x 1020e-

Nmero de mols de e-(ne-):1 mol Ti/Cu --- 2 mol e-6,382 x 10-4 mol Ti/Cu --- W mol e-W = 1,277 x 10-3 mol e-

Constante de Avogadro:

Atravs dos clculos desenvolvidos constatou-se que a quantidade de substncia ou massa que se formou durante o processo de eletrlise no foi proporcional corrente aplica, como prevem as leis faradaicas. Tanto o eletrodo de cobre quanto o eletrodo de titnio tiveram as variaes de suas massas acima dos clculos tericos (tabela 02), levando a crer que toda essa massa a mais comprovada pela balana aps a pesagem foi em decorrncia da gua que ainda estava agregada aos eletrodos, ou seja, o tempo de secagem na estufa no foi suficiente ou a temperatura no era a ideal.

Como descrito na tabela 02, a massa de cobre perdida teve um valor de 0,002526g a mais que a massa calculada seguindo as leis de Faraday, o que corresponde a um provvel erro 25,58%. O mesmo ocorre com a massa ganha pelo eletrodo de titnio, apresentando 0,05378g a mais que a calculada teoricamente, correspondendo a uma sobre-massa excepcionalmente elevada ou um erro considerado grosseiro em torno de 310% acima do terico. Esse maior erro do eletrodo de titnio, quase trs vezes a mais que o terico, decorre tambm da sua rea superficial ser bem maior, o que conseqentemente consegue agregar um nmero bem maior de molculas de gua que interferiram diretamente nos resultados experimentais. A mesma analogia pode ser feita em relao os valores obtidos das constantes de Avogadro, que forneceram valores bem distantes (tabela 03) do valor hoje encontrado na literatura. No entanto, o fator que levou a toda esta discrepncia nos resultados experimentais, sendo extremamente relevante, foi a secagem no correta dos eletrodos submetidos ao processo de lavagem ps eletrlise.

Como pode ser observado na tabela 03, o rendimento da eletrlise ficou acima de 99,9%, o que no caracteriza um experimento totalmente bem sucedido quando se trabalha com grandezas exponenciais grandes. Para exemplificar isso que foi dito, o eletrodo de cobre de acordo com a tabela 03, apresentou uma diferena da ordem de 1x1020 unidades e o de titnio a diferena de 3x1020 unidades em relao ao valor da constante de Avogadro terica obtida atravs das leis de Faraday.

CONCLUSOAtravs do experimento realizado foi possvel calcular a constante de Avogadro, porm, os valores ficaram relativamente distantes do valor encontrado na literatura. Conseqncia esta de possveis falhas no procedimento laboratorial, ocasionada pela presena de gua nos eletrodos, decorrente de uma secagem mal realizada. Apesar dos erros encontrados na determinao da constante de Avogadro experimental, pde-se observar na prtica e com enorme similaridade nos resultados, a aplicao dos conceitos formulados por Amadeo Avogadro e Michael Faraday. Conceitos como carga, corrente eltrica e eletrlise foram aplicados experimentalmente e posteriormente aplicados na teoria para a realizao dos clculos, possibilitando uma afirmao experimental e real de tais conceitos que muitas vezes so aplicados somente na teoria. O princpio de oxi-reduo aliado aos clculos e medies realizadas, permitiu estimar uma das constantes fundamentais da qumica e da fsica amplamente conhecida.Portanto, pode-se concluir que desde que os devidos cuidados sejam tomados, o mtodo para a determinao do constante de Avogadro atravs do processo de eletrlise, se mostra bastante eficaz.REFERNCIAS BIBBLIOGRFICASBRETT, M. O.; BRETT, C. M. A. Electroqumica: Princpios, Mtodos, e Aplicaes. 1a ed. Estados Unidos: Oxford University Press Inc., New York. 1993. 471 p.MOORE, W. J. Fsico Qumica. 4a ed. So Paulo: Edgard Blucher, 1976, 472 p.SKOOG, D. A.; WEST, D. M.; HOLLER, F. J.; CROUCH, S. R. Fundamentos de Qumica

Analtica. 8a ed. So Paulo: Thomson, 2005, 1026 p.SKOOG, D. A.; HOLLER, F. J.; NIEMAN, T. A. Princpios de Anlise Instrumental. 5a

ed. Porto Alegre: Bookman. 2002. 836 p.

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