Universidade Fernando Pessoa
Faculdade de Ciências e Tecnologia
Química Geral
Estudo de alguns factores que afectam o
equilíbrio de precipitação. Efeito da diluição no
equilíbrio entre o PbCl₂₂ sólido e uma solução
saturada dos seus iões
Docente: Dulce Gomes
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:
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
3
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 < Kps, significa que estamos em presença de uma solução não saturada ou
insaturada, isto é, não houve formação de um precipitado;
•
χ = Kps, significa que estamos em presença de uma solução saturada, ou seja,
atingiu-se o limite máximo de dissolução, não havendo precipitação;
•
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 < 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.
4
•
χ = Kps, o sistema está em equilíbrio.
•
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 considerase 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
5
Procedimento experimental
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
3.Observar, registar e escrever a
equação química que traduz as
alterações que se observam.
juntá-la ao
conteúdo do
mesmo gobelé.
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.
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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
1) Nitrato de Chumbo 0.5 M (5,0
mL) + Cloreto de Sódio 0.5 M (5,0
Observações
Inicialmente surgiu uma cor branca
Pb(NO₃)₂ (aq) + 2NaCl (aq)
por toda a mistura, mas após algum
PbCl₂ (s) + 2NaNO₃ (aq)
tempo, formou-se um precipitado da
mL)
mesma cor no fundo do gobelé.
Ao adicionar água e agitar a
2) Nitrato de Chumbo 0.5 M (5,0
mL) + Cloreto de Sódio 0.5 M (5,0
solução, o precipitado que se tinha
______________
mL) + Água (140 mL)
formado anteriormente dissolveu-se,
formando-se uma mistura
homogénea.
Tabela 2: Escrita das semi-equações da equação química 1)
Reagentes
(I) Pb(NO₃)₂ (aq)
(II) NaCl (aq)
Pb²⁺ (aq) + 2NO₃⁻ (aq)
Na⁺ (aq) + Cl⁻ (aq)
Produtos
(III) PbCl₂ (s)
(IV) NaNO₃ (aq)
Pb²⁺ (aq) + 2Cl⁻ (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 × 10ିହ 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, McGrawHill 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-a082478ceedc158e/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%20200809%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୔ୠ(୒୓య) ÷ V୔ୠ(୒୓య) ⟺ n୔ୠ(୒୓య) = [Pb(NO₃)₂] ×
మ
మ
మ
V୔ୠ(୒୓య) ⟺ n୔ୠ(୒୓య) = 0,5 mol/L × 0,005 L = 0,0025 mol
మ
మ
[NaCl] = n୒ୟୡ୪ ÷ V୒ୟେ୪ ⟺ n୒ୟୡ୪ = [NaCl] × V୒ୟେ୪ ⟺ n୒ୟୡ୪ = 0,5mol/L ×
0,005 L = 0,0025 mol
(2) V୘ = 10 mL = 0,01 L
[Pbଶା ] = n୔ୠమశ ÷ V୘ ⟺ [Pbଶା ] = 0,0025 mol ÷ 0,01 L = 0,25 mol/L
[Clି ] = nେ୪ష ÷ V୘ ⟺ [Clି ] = 0,0025 mol ÷ 0,01 L = 0,25 mol/L
(3) χ = [Pbଶା ] × [Clି ]ଶ ⟺ χ = 0,25 M × (0,5M)ଶ ⟺ χ = 0,0625
(4) V୘ = 150 mL = 0,15 L
[Pbଶା ] = n୔ୠమశ ÷ V୘ ⟺ [Pbଶା ] = 0,0025 mol ÷ 0,15 L = 0,0167 mol/L
[Clି ] = nେ୪ష ÷ V୘ ⟺ [Clି ] = 0,0025 mol ÷ 0,15 L = 0,0167 mol/L
(5) χ = [Pbଶା ] × [Clି ]ଶ ⟺ χ = 0,0167 M × (0,0334M)ଶ ⟺ χ = 1,86 × 10ିହ
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