Universidade Fernando Pessoa Faculdade de Ciências e Tecnologia

Engenharia do Ambiente (2º Ano) Turma EPQ Data de entrega do relatório: 21-04-2009. Relatório elaborado em 15-04-2009 pelo grupo 2, constituído pelos alunos: André Andrade nº 18990 Assinatura: Pedro Sousa nº 19013 Assinatura: Filipe Pereira nº 18931 Assinatura:

Química Geral

Estudo de alguns factores que afectam o

equilíbrio de precipitação. Efeito da diluição no

equilíbrio entre o PbCl₂₂₂₂ sólido e uma solução

saturada dos seus iões

Docente: Dulce Gomes

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Índice

1.Resumo .......................................................................................................................... 3

2.Introdução ...................................................................................................................... 3

3.Materiais e Métodos ...................................................................................................... 5

4.Resultados Experimentais.............................................................................................. 7

5.Discussão dos Resultados .............................................................................................. 9

6.Conclusões ................................................................................................................... 11

7.Bibliografia .................................................................................................................. 12

Apêndice ......................................................................................................................... 13

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1.Resumo

Equilíbrios de precipitação de substâncias pouco solúveis são frequentemente

observados quer em processos industriais, quer no nosso quotidiano. Surgiu por isso a

necessidade de uma análise quantitativa dos equilíbrios de solubilidade, ou seja, da

previsão das quantidades que se dissolvem em determinadas condições.

Constataram-se diferenças na reacção de nitrato de chumbo com cloreto de sódio e na

diluição desta mistura, essencialmente em termos de solubilidade das soluções e da

formação ou não de precipitados.

Com a realização do trabalho experimental objecto deste relatório, podemos concluir

que as observações registadas durante a execução do trabalho corresponderam às

previsões do que era suposto acontecer.

2.Introdução

A elaboração do trabalho experimental objecto deste relatório consistiu numa primeira

fase na reacção de nitrato de chumbo (Pb(NO₃)) com cloreto de sódio (NaCl),

observando-se a formação ou não de um precipitado, e numa segunda fase procedeu-se

à diluição da solução formada anteriormente, observando-se o efeito que essa diluição

provoca no equilíbrio da mesma.

Os principais objectivos da realização deste trabalho são:

• identificação de alguns factores que alteram a solubilidade de uma solução;

• estudo do efeito da diluição no equilíbrio entre o PbCl₂ sólido (sal) e uma

solução saturada dos seus iões;

• relacionar o quociente de reacção (χ) com a formação ou não de um precipitado,

através da sua comparação com o produto de solubilidade (Kps);

• relacionar os valores do quociente de reacção com a extensão das reacções

químicas realizadas no trabalho experimental.

Como foi referido anteriormente, em primeiro lugar reagiu-se nitrato de chumbo

(Pb(NO₃)) com cloreto de sódio (NaCl), verificando-se se esta reacção se trata de uma

reacção de precipitação, ou seja, se ocorre a formação de um produto insolúvel,

denominado de precipitado. A solubilidade de um composto, que se define como o

limite que uma dada substância se consegue dissolver num determinado solvente a uma

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dada temperatura, é geralmente indicada pelo valor do seu produto de solubilidade

(Kps), e quanto menor for o valor de Kps menos solúvel é o composto (e-escola)

Então, tendo em conta a quantidade de soluto dissolvido num determinado solvente e a

solubilidade deste, podemos classificar as soluções em (e-escola):

• soluções saturadas: aquela que contém a quantidade máxima de soluto que é

capaz de se dissolver;

• soluções insaturadas: aquela que contém menos soluto do que aquele que é

capaz de se dissolver;

• soluções sobressaturadas: aquela que contém uma quantidade maior de soluto

do que aquela que se consegue dissolver.

Mas para se prever se na mistura de duas soluções forma-se ou não um precipitado é

necessário recorrer ao cálculo do quociente de reacção (χ), que por comparação com o

produto de solubilidade irá permitir prever o que deveria ocorrer. O cálculo do

quociente de reacção efectua-se através do produto das concentrações dos iões do

precipitado formado, elevados aos respectivos coeficientes estequiométricos.

Deste modo, é possível avaliar se um determinado sistema se encontra ou não numa

situação de equilíbrio e prever a sua evolução. Surgem então três situações distintas:

• χ χ χ χ <<<< Kps, significa que estamos em presença de uma solução não saturada ou

insaturada, isto é, não houve formação de um precipitado;

• χ =χ =χ =χ = Kps, significa que estamos em presença de uma solução saturada, ou seja,

atingiu-se o limite máximo de dissolução, não havendo precipitação;

• χ > χ > χ > χ > Kps, significa que estamos em presença de uma solução sobressaturada, ou

seja, não é possível dissolver mais soluto e há formação de precipitado.

Mas nem só para prever se uma mistura de soluções forma ou não um precipitado é

necessário o cálculo do quociente de reacção. O quociente de reacção por comparação

com o produto de solubilidade irá permitir também determinar qual a extensão das

reacções químicas que estão a ocorrer e qual o sentido dominante da progressão das

mesmas. Podem então surgir três situações distintas (TP Unidade 1):

• χ <χ <χ <χ < Kps,,,, o sistema não está em equilíbrio e a reacção vai evoluir no sentido

directo, consumindo-se reagentes e formando-se produtos, até que χ = Kps.

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• χ =χ =χ =χ = Kps, o sistema está em equilíbrio.

• χ > χ > χ > χ > Kps, o sistema não está em equilíbrio e a reacção vai evoluir no sentido

inverso, consumindo-se produtos e formando-se reagentes, até que χ = Kps.

Deve ainda referir-se que existem vários factores que podem afectar o equilíbrio

químico de uma reacção e consequentemente o seu equilíbrio de precipitação, sendo que

neste relatório irá ser estudado essencialmente o efeito que uma diluição, e a

consequente diminuição da concentração das espécies envolvidas, provoca no equilíbrio

de precipitação. Outros factores que afectam o equilíbrio de precipitação como o efeito

do ião comum, a variação do pH das soluções ou a influência dos equilíbrios de

complexação não se aplicam ao trabalho experimental objecto deste relatório. Até

mesmo a temperatura, que é um dos mais importantes factores que podem afectar o

equilíbrio de precipitação, não é tida em conta, porque como não é conhecida considera-

se que ambas as soluções (de nitrato de chumbo e cloreto de sódio) estavam à mesma

temperatura e que após a sua mistura esta se manteve (Atkins, 2006, p.345)

Em suma, a realização do trabalho experimental objecto deste relatório é de grande

importância, porque equilíbrios de precipitação são frequentemente observados no

nosso quotidiano e as reacções de precipitação são muito úteis em aplicações industriais

e científicas pelo facto de através destas reacções ser produzido um sólido que pode ser

removido da solução por filtração, decantação ou centrifugação (Atkins, 2006, p.324).

3.Materiais e Métodos

Reagentes e Material

� Água desionisada

� Solução aquosa de nitrato de chumbo 0.5 M: 15 mL

� Solução aquosa de cloreto de sódio 0.5 M: 15 mL

� Gobelés de 250 mL: 1

� Pipetas graduadas de 5.0 mL: 2

� Varetas de vidro: 1

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1.Medir com uma pipeta graduada 5,0 mL

de solução aquosa de nitrato de chumbo

0,5 M e transferi-la para um gobelé.

2.Medir com uma

pipeta graduada

5,0 mL de solução

aquosa de cloreto

de sódio 0,5 M e

juntá-la ao

conteúdo do

mesmo gobelé.

3.Observar, registar e escrever a

equação química que traduz as

alterações que se observam.

4.Adicionar água destilada ao

gobelé de modo a diluir o

conteúdo até que o volume da

mistura perfaça cerca de 150 mL.

5.Agitar, observar e registar.

Procedimento experimental

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4.Resultados Experimentais

Tabela 1: Tabela com as equações químicas que representam as reacções ocorridas e com as observações registadas durante a execução do trabalho.

Reacção ocorrida Equação química Observações

1) Nitrato de Chumbo 0.5 M (5,0

mL) + Cloreto de Sódio 0.5 M (5,0

mL)

Pb(NO₃)₂ (aq) + 2NaCl (aq)

PbCl₂ (s) + 2NaNO₃ (aq)

Inicialmente surgiu uma cor branca

por toda a mistura, mas após algum

tempo, formou-se um precipitado da

mesma cor no fundo do gobelé.

2) Nitrato de Chumbo 0.5 M (5,0

mL) + Cloreto de Sódio 0.5 M (5,0

mL) + Água (140 mL)

______________

Ao adicionar água e agitar a

solução, o precipitado que se tinha

formado anteriormente dissolveu-se,

formando-se uma mistura

homogénea.

Tabela 2: Escrita das semi-equações da equação química 1)

Reagentes Produtos

(I) Pb(NO₃)₂ (aq) Pb²⁺ (aq) + 2NO₃⁻ (aq)

(II) NaCl (aq) Na⁺ (aq) + Cl⁻ (aq)

(III) PbCl₂ (s) Pb²⁺ (aq) + 2Cl⁻ (aq)

(IV) NaNO₃ (aq) Na⁺ (aq) + NO₃⁻ (aq)

Observações da reacção do nitrato de chumbo com cloreto de sódio

Figura 1: Formação de precipitado de PbCl₂ e arranjo das moléculas intervenientes na sua formação.

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Observações da diluição da mistura formada

Figura 2: Solução diluída da mistura formada, com a respectiva dissolução do precipitado.

Através da equação química da reacção 1), identificamos o cloreto de chumbo (PbCl₂)

como sendo o precipitado formado e consideramos como valor de referência para o seu

produto de solubilidade: Kps = 1,7 x 10⁻⁵ (25º C) (Trabalho experimental nº 7).

Cálculo do quociente de reacção logo após a mistura das soluções de nitrato de

chumbo e de cloreto de sódio

Em primeiro lugar é necessário calcular o número de moles de nitrato de chumbo

(Pb(NO₃)₂) e de cloreto de sódio (NaCl), sabendo que ambos possuem uma

concentração de 0,5 M e que foram gastos 5,00 mL de cada uma das soluções. Obtém-se

então o mesmo número de moles para ambas as soluções, de 0,0025 mol (1) [Cálculos

realizados em apêndice].

Posteriormente e pela estequiometria das semi-equações (I) e (II) sabe-se que o número

de moles de NaCl é igual ao número de moles do ião Cl⁻ e que o número de moles de

Pb(NO₃)₂ é igual ao número de moles do ião Pb²⁺. Sendo assim, o número de moles de

Cl⁻ é de 0,0025 M e o número de moles de Pb²⁺ é de 0,0025 M.

Com o número de moles de Pb²⁺ e Cl⁻ calculou-se a concentração destes iões na mistura

das soluções de nitrato de chumbo e cloreto de sódio, possuindo esta um volume de 10

mL, resultante da soma de volumes das duas soluções. Obteve-se desta forma uma

concentração de 0,25 M tanto para o Pb²⁺ como para o Cl⁻ (2).

Após o cálculo das concentrações de Pb²⁺ e Cl⁻, e pela estequiometria da semi-equação

(III) sabe-se que a concentração de Pb²⁺ mantém-se inalterada, com uma concentração

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de 0,25 M, mas a concentração de Cl⁻ é o dobro da concentração calculada no passo

anterior, passando para 0,5 M.

Por fim calculou-se o quociente da reacção (χ), através da concentração dos iões Pb²⁺ e

Cl⁻ elevados aos seus coeficientes estequiométricos, obtendo-se um quociente de

reacção igual a 0,0625 (3).

Cálculo do quociente de reacção após a diluição

Ao efectuar-se uma diluição, a quantidade de solvente (água) aumenta, mas a

quantidade de soluto permanece constante. Sendo assim, o número de moles de soluto

antes da diluição é igual ao número de moles de soluto no final da diluição, sabendo-se

desta forma que o número de moles de Pb²⁺ é de 0,0025 mol, e o número de moles de

Cl⁻ é também de 0,0025 mol.

Através do número de moles de Pb²⁺ e Cl⁻ e sabendo que ao efectuar a diluição o

volume total da mistura aumentou para 150 mL, calculamos as concentrações de Pb²⁺ e

Cl⁻ após a diluição. Realizando os cálculos (4), obteve-se a mesma concentração para

ambas as espécies químicas, sendo esta de 0,0167 M.

Após o cálculo das concentrações de Pb²⁺ e Cl⁻, e pela estequiometria da semi-equação

(III) sabe-se que a concentração de Pb²⁺ mantém-se inalterada, com uma concentração

de 0,0167 M, mas a concentração de Cl⁻ é o dobro da concentração calculada no passo

anterior, passando para 0,0334 M.

Por fim calculou-se o quociente da reacção (χ), através da concentração dos iões Pb²⁺ e

Cl⁻ elevados aos seus coeficientes estequiométricos, obtendo-se um quociente de

reacção igual a 1,86 × 10�� M (5).

5.Discussão dos Resultados

Numa primeira fase do trabalho experimental objecto deste relatório, ao reagir-se nitrato

de chumbo (Pb(NO₃)₂) com cloreto de sódio (NaCl), ocorreu uma reacção de

precipitação, obtendo-se como produtos de reacção um precipitado, o cloreto de

chumbo (PbCl₂) e o nitrato de sódio (NaNO₃). Devido à formação de um precipitado,

podemos então designar esta solução formada como sendo uma mistura heterogénea,

pois apresenta uma fase líquida e uma fase sólida (Chang, 2005 p.138-139).

Os iões que dão origem ao nitrato de sódio, o Na⁺ e o NO₃⁻, como não participam na

reacção de precipitação, apenas mantendo-se em solução, são considerados iões

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espectadores. Já o PbCl₂, o precipitado formado, surge devido ao facto de a

concentração de iões Pb²⁺ e Cl⁻ aumentar durante a mistura de nitrato de chumbo e

cloreto de sódio, levando a que as colisões entre si sejam mais frequentes e originando a

formação do precipitado (Dean, 1999 p. 323).

Este precipitado, PbCl₂, é um sal simples, isto é, um composto iónico constituído por

um único tipo de catião (Pb²⁺) e um único tipo de anião (Cl⁻), e é uma excepção de um

cloreto que não é solúvel em água. A baixa solubilidade do PbCl₂, é também

demonstrada pelo seu baixo valor de Kps (1,7*10⁻⁵) (Dean, 1999 p. 326).

Observa-se então que pelo facto de ter ocorrido uma reacção de precipitação

encontramo-nos na presença de uma solução sobressaturada, onde não é possível

dissolver mais soluto, formando-se um precipitado, o que é também indicado pelo facto

do valor de coeficiente de reacção logo após a mistura das soluções de nitrato de

chumbo e de cloreto de sódio (0,0625) ter sido superior ao valor de Kps do cloreto de

chumbo (1,75*10⁻⁵). Quanto à extensão da reacção ocorrida, e tendo em conta o facto

do valor de χ ser superior ao valor de Kps, esta não se encontra em equilíbrio,

deslocando-se a reacção no sentido inverso.

Na segunda fase do trabalho experimental objecto deste relatório procedeu-se à diluição

da solução preparada inicialmente, com a adição de água como solvente.

Ao adicionarmos bastante água para diluir a solução que contém o precipitado, a energia

envolvida nas interacções que mantêm os iões de Pb²⁺ e Cl⁻ juntos diminui, de tal

forma que esta energia passa a ser menor que a energia envolvida nas interacções entre

a água e o PbCl₂. Desta forma, o PbCl₂ é quebrado em iões que são atraídos pelas

moléculas de água, diluindo-se na solução e tornando esta numa solução homogénea.

(Atkins, 2006 p. 499)

Ora, ao diluir-se a solução, a energia que mantêm os iões de Pb²⁺ e Cl⁻ juntos diminui,

mas também a sua concentração vai diminuir bruscamente, levando a que

consequentemente o coeficiente de reacção após a diluição também diminua

(1,86*10⁻⁵). Sendo o coeficiente de reacção após a diluição um valor inferior ao valor

de Kps do cloreto de chumbo (1,7*10⁻⁵), leva a que, tal como antes da diluição, a

reacção ocorrida não se encontre em equilíbrio, mas ao contrário desta, a reacção

desloca-se no sentido directo, até que um estado de equilíbrio seja atingido.

O facto de o valor de coeficiente de reacção ser inferior mas muito próximo do valor de

Kps leva a que, e tal como acontece no trabalho experimental, a solução após ser diluída

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atinja um limite de saturação (χ = Kps), de forma a atingir um estado de equilíbrio,

aumentando assim a sua solubilidade e fazendo com que o precipitado formado se

dissolva.

Observa-se então que a execução de uma diluição sobre uma solução pode afectar o seu

equilíbrio químico e consequentemente o seu equilíbrio de precipitação, essencialmente

devido ao facto de as espécies químicas envolvidas diminuírem a sua concentração.

Este fenómeno é um fenómeno contrário ao efeito do ião comum que consiste no

aumento da concentração de uma das espécies químicas envolvidas, aumentando assim

o coeficiente de reacção, deslocando a reacção no sentido inverso e levando à formação

de um precipitado. Uma diluição provocou o efeito contrário e fez com que o

precipitado formado se dissolvesse (Chang, 2005 p.670-671).

6.Conclusões

Com a realização do trabalho experimental objecto deste relatório, podemos concluir

que as observações registadas durante a execução do trabalho corresponderam às

previsões do que era suposto acontecer, sendo isto demonstrado pela comparação dos

valores de coeficiente de reacção e de Kps após a mistura das soluções de nitrato de

chumbo e de cloreto de sódio e após a diluição da mesma.

Podemos também concluir que o equilíbrio que se estabelece entre dois compostos

quando misturados, depende em grande parte da concentração dos iões envolvidos na

reacção de precipitação.

Por fim, podemos concluir, que a mistura de duas substâncias (neste caso nitrato de

chumbo e de cloreto de sódio) em que ocorre a formação de um precipitado, pode

através de uma diluição, atingir um limite de saturação, de forma a atingir um estado de

equilíbrio, levando a que o precipitado se dissolva.

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7.Bibliografia

• Atkins, P. (2006). Physical Chemistry. Oxford, Oxford University Press.

• Chang, R. (2005). Química. 8ª ed. Madrid, McGraw-Hill Companies.

• Dean, J. (1999). Lange´s Handbook of Chemistry. 15ª ed. Tennessee, McGraw-

Hill Companies.

• Principais Noções de Solubilidade (Química) | e-escola. [Em linha]. Disponível

em http://www.e-escola.pt/topico.asp?hid=350. [Consultado em 14/04/2009].

• TP Unidade1 EquilibrioQuimico.pdf. [Em linha]. Disponível em

https://elearning.ufp.pt/access/content/group/b7f774bf-4361-4037-a082-

478ceedc158e/Teórico-Prática/TP_Unidade1_EquilibrioQuimico.pdf.

[Consultado em 14/04/2009].

• Trabalhos Práticos de Química Geral: Trabalho experimental nº 7. [Em linha].

Disponível em https://elearning.ufp.pt/access/content/group/b7f774bf-4361-

4037-a082-478ceedc158e/Pr%C3%A1tica/Protocolos%20QGER%202008-

09%20FCT.pdf. [Consultado em 14/04/2009].

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Apêndice

(1) [Pb(NO₃)₂] = 0,5 mol/L ; V(Pb(NO₃)₂) = 5,00 mL = 0,005 L

[NaCl] = 0,5 mol/L ; V(NaCl) = 5,00 mL = 0,005 L

[Pb(NO₃)₂] = n'(()*+),÷ V'(()*+),

⟺ n'(()*+),= [Pb(NO₃)₂] ×

V'(()*+),⟺ n'(()*+),

= 0,5 mol/L × 0,005 L = 0,0025 mol

[NaCl] = n)012 ÷ V)032 ⟺ n)012 = [NaCl] × V)032 ⟺ n)012 = 0,5mol/L ×

0,005 L = 0,0025 mol

(2) V4 = 10 mL = 0,01 L

[Pb56] = n'(,7 ÷ V4 ⟺ [Pb56] = 0,0025 mol ÷ 0,01 L = 0,25 mol/L

[Cl�] = n328 ÷ V4 ⟺ [Cl�] = 0,0025 mol ÷ 0,01 L = 0,25 mol/L

(3) χ = [Pb56] × [Cl�]5 ⟺ χ = 0,25 M × (0,5M)5 ⟺ χ = 0,0625

(4) V4 = 150 mL = 0,15 L

[Pb56] = n'(,7 ÷ V4 ⟺ [Pb56] = 0,0025 mol ÷ 0,15 L = 0,0167 mol/L

[Cl�] = n328 ÷ V4 ⟺ [Cl�] = 0,0025 mol ÷ 0,15 L = 0,0167 mol/L

(5) χ = [Pb56] × [Cl�]5 ⟺ χ = 0,0167 M × (0,0334M)5 ⟺ χ = 1,86 × 10��