Soluções e Colóides

Objectivos

A realização desta actividade experimental teve como objectivos: seleccionar o material apropriado à preparação de uma solução, explicitar as etapas e procedimento necessários à preparação de uma solução, tanto a partir do soluto sólido, como por diluição de outra solução, preparar experimentalmente soluções de concentração conhecida, atribuir significado físico ao termo “factor de diluição” em termos de razão entre o volume final da solução diluída e o volume inicial da solução de partida, preparar experimentalmente colóides, distinguir destes de diferentes tipos com base nos estados físicos da fase dispersa e da fase dispersante, criar situações em que se observem suspensões e por fim, interpretar o comportamento de soluções, de colóides e de suspensões face à incidência de luz.

Introdução Teórica

Na química, uma dispersão é considerada uma mistura, na qual, a olho nu, não é possível distinguir as diversas fases que a constituem.

Esta é no mínimo formada por duas substâncias, que se designam por componentes da dispersão e obtêm-se consoante o estado físico da fase dispersa (soluto) e da fase dispersante (solvente) da substância em estudo.

As dispersões podem classificar-se, conforme as dimensões das partículas da fase dispersa, podendo estas ser:

. Soluções (verdadeiras);

. Colóides (soluções coloidais);

. Suspensões.

Solução é o nome dado a dispersões cujo tamanho das particulas dispersas é menor que 1 nanómetro. Estas partículas podem ser iões, átomos ou moléculas. A solução ainda pode ser caracterizada por formar um sistema homogéneo (a olho nu e ao microscópio), por ser impossível separar o disperso do dispersante por processos físicos. Estas são compostas por moléculas ou iões comuns. Podem envolver sólidos, líquidos ou gases como dispersantes (chamados de solventes – existentes em maior quantidade na solução) e como dispersos (solutos). A solução também pode apresentar-se nesses três estados da matéria. Obtém-se a partir da dissolução do soluto no solvente.

Quando apenas um dos constituintes se encontra no mesmo estado físico da solução, este é o solvente. Quando mais do que um componente está no mesmo estado físico que a solução considera-se o solvente aquele que se encontra em maior quantidade. Por último, no caso das soluções líquidas, se existirem dois componente em igual quantidade química, considera-se como solvente o componente mais volátil.

As Soluções Líquidas (estado em que se encontra grande maioria das soluções), resultam da dissolução de gases, líquidos ou sólidos em líquidos e, as soluções mais comuns são as aquosas, ou seja, as soluções que têm como solvente a água.

Sabemos que as soluções não possuem propriedades físicas muito definidas pelo facto de dependerem das quantidades de soluto e solvente nelas presentes. Esta mesma quantidade de soluto e solvente podem-se relacionar através da grandeza física: Concentração Molar que se define como sendo o número de moles de soluto existente numa unidade de volume de solução (C). No Sistema Internacional (SI) exprime-se em mol / m e, esta, interpreta-se através da seguinte equação:

Concentação = (Número de moles de soluto) / (Volume da solução)

Podemos qualificar as Soluções em três Categorias: Saturadas, Concentradas e Diluídas.

A Concentração depende da quantidade de soluto presente na solução, sendo assim nas soluções concentradas existe mais soluto que nas soluções diluídas para o mesmo volume de solução. Nas soluções saturadas existe uma quantidade máxima de soluto dissolvido no solvente a uma determinada temperatura. No caso de se adicionar mais soluto a esta mesma solução já saturada, este precipitará e esta encontra-se dependente da solubilidade dos seus solutos correspondentes.

Para prepararmos uma solução diluída através de uma solução concentrada devemos ter em conta o factor de diluição. Este indicar-nos o número de vezes que se deve diluir um dado volume da solução inicial (concentração inicial, C_i) para se obter a solução diluída (concentração final, C_f). Ou seja, f = C_inicial / C_final. O factor de Diluição pode ser ainda utilizado no cálculo do volume final da solução já diluída, definido como razão entre volumes; ou seja :

f = V_inicial / V_final

Soluções Coloidais (Colóides) são misturas que apesar de conterem apenas uma fase são constituídas por duas ou mais substâncias e, estas, quando observadas através de processos específicos é possível demonstrar que são constituídas por mais do que uma fase. A sua grande maioria resulta da mistura de duas fases não miscíveis em que a fase dispersa se encontra suspensa na dispersante. São soluções essencialmente constituídas por conjuntos de iões átomos ou moléculas e as suas partículas podem ser separadas por meio de centrifugação a alta velocidade. Estas são por exemplo: o sangue, a maionese e o leite.

Uma propriedade importante dos colóides é a sua dispersão da luz, ou seja, é possível observar o percurso de um feixe luminoso através de um coloíde, que se designa como: Efeito de Tyndall. As partículas da solução coloidal vão tornar-se visíveis. Consideramos, então, que com o aumento da quantidade e tamanho de partículas coloidais, maior é a quantidade de luz dispersa, podendo observar-se assim um conjunto de cores no ecrã onde é projectado o feixe da dispersão. As partículas ficarão tão grandes que o ecrã ficara preto havendo uma dispersão total da luz.

As partículas coloidais da fase dispersa possuem um movimento desordenado na fase dispersante ao qual se dá o nome de Movimento Browniano.

Suspensões são misturas de diferentes fases (heterogéneas): uma fase líquida e outra fase sólida ou gasosa que formarão geralmente uma solução uma solução aquosa.

São exemplos de suspensões: o nevoeiro, o fumo de um cigarro ou uma mistura de água e enxofre.

As partículas de uma suspensão constituintes da fase dispersa, o soluto, não são detectáveis a olho nu mas são observáveis a microscópio e a esta mesma fase é formada por iões moléculas ou átomos. As partículas do soluto, por acção da gravidade, acumulam-se no fundo do recipiente, podendo separar-se através da filtração ou ate mesmo através de uma centrifugação.

Parte Experimental

Material e Reagentes

1. Preparação de 50,0 cm³ de uma solução 0,030 mol / dm³, a partir do sólido CuSO₄, e preparação de soluções diluídas a partir da mesma:

. Balança;

. Esguicho de água desionizada;

. Balão volumétrico;

. Balão de fundo plano;

. Vidro de relógio

. Pompete;

. Pipeta graduada;

. Pipeta volumétrica

. Gobelé;

. Vareta de vidro;

. Sulfato de Cobre CuSO₄

. Espátula.

2. Preparação de uma solução de acido acético, sabendo tanto o volume como a concentração final da solução:

. Balões Volumétricos;

. Pipetas Volumétricas;

. Acido acético CH₃COOH (com concentração inicial de 2,0 mol / dm³);

. Água desionizada.

3. Efeito da Luz sobre uma dispersão coloidal:

. Vidro de Relógio;

. Balão Volumétrico de 1L;

. Gobelé de 50 mL;

. 1 Folha de Cartolina;

. Funil Gravimétrico;

. Retroprojector;

. Pipetas Pasteur;

. Tina de Vidro;

. Na₂S₂O₃ (tiossulfato de sódio);

. HCl 6 mol / dm³ (1 parte de água para 1 parte de ácido concentrado).

Procedimento

1. Preparação de 50,0 cm³ de uma solução 0,030 mol / dm³, apartir do sólido CuSO₄ , e preparação de soluções diluídas apartir da mesma:

I. Calculou-se a massa de soluto necessária para preparar a solução;

II. Medimos, com rigor, num vidro de relógio uma massa de CuSO₄ próxima do valor calculado anteriormente;

III. Transferimos o sólido para o gobelé e adicionamos cerca de 50 ml de água desionizada;

IV. Agitámos a solução com uma vareta até o sólido se dissolver completamente;

V. Transferimos 20 ml de solução para um balão volumétrico de 100,0 cm³ com uma pipeta volumétrica. (factor de diluição 5)

VI. Com a pipeta graduada retirámos 25 ml de solução, e colocámos noutro balão volumétrico de 100ml. Enchemo-lo até à sua totalidade de capacidade com água. (factor de diluição 4)

VII. De modo a homogeneizar a solução, tapámos o balão e invertemo-lo várias vezes.

VIII. Calculamos a partir da concentração inicial da solução e do factor de diluição, a concentração final de ambas as soluções diluídas que obtivemos.

2. Preparação de uma solução de acido acético, sabendo tanto o volume como a concentração final da solução:

IX. Considerámos o volume final da solução e a concentração final da solução e calculamos o número de moles. Em seguida, calculámos o valor de volume a retirar à solução, tendo em conta o número de moles e a concentração inicial.

X. Registámos os valores obtidos;

XI. Medimos, com uma pipeta volumétrica, o volume da solução para o respectivo balão volumétrico;

XII. Completámos o volume do balão até ao traço de referência com água desionizada e homogeneizamos a solução do balão por agitação.

3.  Efeito da Luz sobre uma dispersão coloidal:

XIII. Num pedaço de cartão, suficientemente grande para cobrir a placa de um retroprojector, a professora fez um buraco do tamanho de uma placa de Petri e colocou o cartão em cima do retroprojector;

XIV. Colocou a placa de Petri no buraco do cartão;

XV. Adicionou a solução de tiossulfato de sódio 0,030 mol/dm³ ate cobrir o fundo da placa de Petri;

XVI. Adicionou cerca de 5 mL da solução de HCl 6 mol/dm³ e agitou rapidamente a solução;

XVII. Observámos as mudanças da cor no ecrã, em função do tempo decorrido após a adição de HCl.

Cuidados de Segurança

Os cuidados necessários à realização desta experiência são:

. Uso obrigatório da bata de algodão;

. Prender os cabelos compridos;

. Não comer, beber ou guardar qualquer tipo de alimento no laboratório;

. Realizar preparação prévia da actividade;

. Não cheirar, provar directamente produtos químicos;

. Não manusear os reagentes directamente com as mãos;

. Colocar o material partido ou rachado num recipiente próprio;

. Após terminado o trabalho, deixar sempre a bancada limpa e arrumada, todas as torneiras e aparelhos eléctricos desligados;

. Manter os recipientes bem fechados;

. Manter os produtos afastado de quadres chama ou fonte de ignição – não fumar.

Registo de observações

1. Preparação de 50,0 cm³ de uma solução 0,030 mol / dm³, apartir do sólido CuSO₄ , e preparação de soluções diluídas apartir da mesma:

Averiguamos que quanto menor o factor de diluição, mais escura a concentração fica, devido à concentração ficar também maior. Ao prepararmos a solução aquosa de Sulfato de cobre de 0,030 mol / dm³, observamos que com o factor de diluição 4 a solução fica mais escura que com o 5.

2. Preparação de uma solução de acido acético, sabendo tanto o volume como a concentração final da solução:

Ao prepararmos a solução aquosa de Ácido Acético de concentração final 0,25 mol / dm³ e Volume final 0,025 dm³ , observamos que estão presentes 6,25 x 10^-3 mol.

3. Efeito da Luz sobre uma dispersão coloidal:

Ao juntarmos à solução umas gotas de HCl 6 mol / dm³ podemos observar a formação de um coloíde que se assemelhava a um “pôr-do-sol químico”, podendo assim presenciar a existência de diferentes cores à medida que este se ia formando até o ecrã se tornar totalmente negro, em função do tempo.

Cálculos

1. Preparação de 50,0 cm³ de uma solução 0,030 mol / dm³, apartir do sólido CuSO₄ , e preparação de soluções diluídas apartir da mesma:

Parte I

V = 50 cm³

    = 0,050 dm³

C = 0,03 mol dm³

C = n/V

n = C x V

   = 0,03 mol dm³ x 0,05 dm³

   = 1,5 x 10^-3 mol

M = m/n

M = n x M

M(CuSO₄) = 63,55 + 32,06 + 4x 16

   = 159,61 g/mol

M (5H2O) = 5 x 18 = 90 g/mol

M (CuSO₄ 5H2O) = 249,61 g/mol

M = 1,5 x 10^-3  x 249,61

   = 0,37 g

Parte II

Factor diluiçao = ci/cf

Cf= ci/fd

1º Caso:

F.dil=5

Ci=0,03 mol/dm³

Cf = 9,93/5

   = 6,0 x 10^-3 mol/dm³

2º Caso:

F.dil = 4

Ci = 0,03 mol dm

Cf = 0,03 / 4

    = 7,5 x 10^-3 mol/dm³

2. Preparação de uma solução de acido acético, sabendo tanto o volume como a concentração final da solução:

Parte I

Solução final:

C = 0,25 mol/dm³

V = 0,025 ml

C = n/V

n = C x V

n = 0,25 mol/dm x 0,025 dm³

    = 6,25 x 10 mol

Parte II

Solução inicial:

C = 2 mol/dm³

N = 6,25 x 10 mol

V = n/c

V = 6,25 x 10/2

   = 3,125 x 10 dm³

Análise de resultados

1. Preparação de 50,0 cm³ de uma solução 0,030 mol / dm³, apartir do sólido CuSO₄ , e preparação de soluções diluídas apartir da mesma e 2. Preparação de uma solução de ácido acético, sabendo tanto o volume como a concentração final da solução:

Os resultados obtidos são os resultados esperados. Podemos efectuar esta afirmação verificando que ao diluirmos a mesma concentração de sulfato de cobre-2 com factores de diluição diferentes, a solução aclara ou escurece consoante esse factor – maior factor de diluição, mais clara se torna a solução. Quanto mais clara a solução, menor a concentração, o que foi possível verificar matematicamente.

3 . Efeito da Luz sobre uma dispersão coloidal:

Os resultados obtidos foram os resultados esperados. Foi-nos possível verificar tal facto através do escurecer do ecrã após a mistura de 6 mol / dm³ de HCl o que segundo este, levou à formação do coloíde. Através da difusão de luz por parte das partículas do colóide, podemos verificar o efeito de Tyndall na preparação deste.

Conclusão

Concluímos que as soluções em estudo eram colóides e soluções verdadeiras que foram diluídas. Nas duas primeiras soluções poderão ter ocorrido erros de cálculo, aproximação com números significativos, erros de acidentais de leitura tanto por posição errada do observador como por desconhecimento de escala de leitura e por movimentos bruscos do operador, erros de paralaxe.

Concluímos que à medida que íamos diluindo as soluções em quantidade maiores, o número de moles presentes nas mesmas era cada vez menor, assim como a sua concentração.

No caso da formação de um colóide concluímos que este se forma em função do tempo e que este vai formar uma mistura homogénea a olho nu mas quando observada a microscópio é possível verificar a presença de diversos componentes na sua constituição.

Resolução da Ficha de Controlo

1.

1 - C – II

2 – A – III

3 – B – I

2.

a)  Soluções Colóides: Leite; Iogurte; Vinagre.

b)  Suspensões: farinha em água; água.

c)  Soluções Verdadeiras: água de nascente; sabonete líquido.

3.

a) Sólido

b) Gases que constituem o fumo do cigarro

c) Fumo que sai de uma chaminé

4.

4.1. Material Necessário:

1. Balança analítica ou semi-analitica

2. Esguicho de água desionizada

3. Balão volumétrico de 250,00 cm³

4. Proveta (20 ou 50 cm³)

5. Frascos de Vidro

6. Pipetas de Pasteur

7. Funil de Vidro

8. Vidro de relógio

9. Gobelé 100 cm³

10. Vareta de vidro

11. NaOH

12. Espátula

4.2. 

Concentração = 0,25 mol dm ^-3

Volume = 0,250 dm³

Ar (Na) = 22,99

Ar (H) = 1,01

Ar (O) = 16,00

M (NaOH) = 22,99 + 1,01 + 16,00 = 138,01 g / mol

n = C x V = 0,25 x 0,250 = 0,0625 mol

m = n x M = 0,0625 x 138,01 = 8,626g

4.3. Este Símbolo significa que a substância em uso é corrosiva e que o aluno deverá usar obrigatoriamente bata, máscara e óculos de protecção, não tocando na substância directamente com as mãos.

4.4.   Em primeiro lugar, o aluno terá que calcular a massa de soluto necessária à preparação da solução. Em seguida, tem de medir rigorosamente num vidro de relógio uma massa de NaOH próxima do valor calculado anteriormente. Seguidamente a este passo, deverá transferir o sódio para o gobelé e adicionar, com uma proveta, 10 cm³ de água desionizada e agitar a solução com uma vareta até o sólido se dissolver completamente. Após este último procedimento deverá transferir a solução para o interior do balão volumétrico de 250,00 cm³ e lavar a vareta, o copo e o funil com água desionizada e preencher o balão volumétrico com esta mesma água usada para a lavagem do material. Para homogeneizar a solução terá que tapar o balão e inverte-lo diversas vezes. Por fim, para completar o volume do balão volumétrico até ao traço de referência, deitará água desionizada com o esguicho e homogeneizar novamente e passar a solução do balão para um frasco de vidro previamente lavado com água, rotulá-lo e indicar a concentração exacta da solução, calculada a partir da massa utilizada e do volume do balão.

5.

5.1. (C)

5.2. (A)

5.3. (B)

5.4. Solução I

5.5. 1 dm³ / 0,5 mol = 0,5 mol / X     X = 0,05 x 0,5 = 0,025 mol

C = n / V = 0,025 / 0,25 = 0,1 mol / dm³

5.6.

500 – (100 +25 + 50) = 325 mL

A.

1 dm3  →  0,5 mo

0,325 dm³  →  X

X = 0,325 x 0,5 = 0,1625 mol

R: Estão 0,1625 mol de NaCl presentes nesta nova solução.

B.

(i)   C = n / V = 0,1625 / 0,5 = 0,325 mol dm ^-3

(ii) Ar (Na) = 22,99

 Ar (Cl) = 35,45

 M (NaCl) =22,99 + 35,45 = 58,44 g/mol

m = M x n = 0,0325  x  58,44 = 18,993 g / dm³

5.6.  

5.7. Deve-se retirar 25 mL da solução de NaCl com uma pipeta contida no balão volumétrico de 500 mL e passar a mesma para um balão volumétrico de 250 mL. Completa-se o balão volumétrico ate ao traço de referencia, tapa-se e agita-se para homogeneizar a solução.

6.

6.1

M (HCl) = 1,01 +35,45 = 36,46

m _soluto = 30g

m _soluto = m / M   <=>  30 / 36,46 = 0,82 mol de HCl

ρ = m _solução / V _solução   <=>  1,15=100 / V _solução <=> V_solução=100/1,15

V _solução = 86,95 cm³ <=>  0,08695 dm³

C = m _soluto / V _solução  <=> C= 0,82 / 0,08695 = 9,43 mol dm ^-3

6.2

Volume da pipeta = V _solução / factor de diluição <=> 100 / 2,5=40ml

6.3.1

V a retirar=1 / 30= 0,03 dm³

6.3.2

f= Vf / Vi =200 / 30= 7

Bibliografia

WEB:

http://nautilus.fis.uc.pt/spf/DTE/pdfs/fisica_quimica_a_10_homol_nova_ver.pdf

Dantas, Maria da Conceição e Ramalho, Marta Duarte, 10º ano, Jogo de Partículas A, Texto Editores, Lisboa.

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