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As soluções são onipresentes na química. Eles são usados para armazenar e manusear pequenas quantidades de material, realizar reações químicas e desenvolver materiais com propriedades controláveis. Uma solução é uma mistura homogênea contendo alguns componentes em pequenas quantidades, chamados solutos, e um componente em grande quantidade, chamado solvente. A quantidade de soluto em relação à quantidade total de uma solução é conhecida como sua "concentração". Dependendo se é a massa, o volume ou a quantidade em moles dos componentes da solução que estão sendo considerados, essa medição pode ser expressa de várias maneiras diferentes, de acordo com as necessidades do experimento. Neste vídeo, revisaremos primeiro os diferentes tipos de unidades para medir a concentração de uma solução. Em seguida, passaremos por um protocolo para fazer uma solução de sacarose. Por fim, veremos como a medição de concentração é usada em diversas aplicações químicas.
A concentração de uma solução pode ser expressa em várias unidades diferentes, cada uma das quais pode ser mais adequada para aplicações específicas do que outras. Uma das unidades mais comumente usadas é a molaridade, que é a quantidade de soluto por volume de solução; Um molar é equivalente a um mol de soluto por litro de solução. Devido à simplicidade de medir os volumes de líquidos, a molaridade é uma das unidades mais convenientes para cálculos estequiométricos de reações em solução. A estequiometria é baseada no número de moléculas envolvidas em uma reação. Portanto, conhecer a molaridade simplifica o cálculo dos reagentes necessários.
Quando a concentração é expressa como a quantidade de soluto por massa de solvente, a medição é chamada de molalidade. O volume de materiais muda com a temperatura, portanto, medir a concentração com molalidade é vantajoso ao estudar propriedades físicas de soluções, conhecidas como propriedades coligativas, que envolvem diferenças de temperatura. A fração molar é outra unidade de concentração comum e é dada pelo número de moles de soluto por número total de moles de todos os componentes da solução ?? solutos e solventes. As frações molares são úteis, por exemplo, ao investigar a "pressão de vapor" das soluções. Isso reflete até que ponto as partículas de soluto e solvente "escapam" de uma solução líquida para a fase gasosa, já que a fração molar é igual à razão entre as pressões parciais e a pressão total. Agora que você tem uma ideia de como a concentração de uma solução pode ser medida, vamos passar por um protocolo para fazer uma solução com uma concentração molar específica.
Comece calculando a massa de sacarose necessária, primeiro usando o volume e a concentração desejados da solução para chegar ao número de moles de sacarose e, em seguida, usando a massa molecular para converter em massa. Neste exemplo, 100 mL de uma solução de sacarose 0,01 M estão sendo feitos, portanto, serão necessários 0,342 g. Para pesar a massa necessária de sacarose, primeiro coloque um barco de pesagem limpo e vazio na balança. Defina o "peso da tara", o que significa definir o peso do barco de pesagem vazio como zero. Em seguida, com a ajuda de uma escópula, transferir o pó de sacarose do frasco de reagente para o recipiente de pesagem até obter a quantidade desejada. Colocar um funil de pó num balão volumétrico limpo e seco de 100 ml. Despeje cuidadosamente a sacarose no funil. Utilizando um frasco de lavagem que contenha o solvente, neste caso água destilada, lavar para o balão o sólido restante do recipiente de pesagem.
Adicione mais água destilada, mas pare antes de atingir a marca de calibração. Tampe e gire suavemente para dissolver o sólido. É importante não encher o frasco totalmente neste ponto, pois pode ser difícil para o sólido se dissolver completamente.
Depois que toda a sacarose estiver dissolvida, adicione cuidadosamente o solvente usando um frasco de lavagem até que o fundo do menisco atinja a graduação volumétrica. Tampar novamente o balão e invertê-lo várias vezes para assegurar a dissolução e a mistura completas.
Uma solução supersaturada é aquela em que mais soluto é dissolvido do que seria esperado, dada a temperatura ou outras propriedades físicas do solvente. O grau em que é baseado no soluto, solvente e taxa de resfriamento. A supersaturação é alcançada primeiro dissolvendo o soluto em uma condição em que a solubilidade é alta e, em seguida, mudando rapidamente a condição da solução? por exemplo, diminuindo sua temperatura ou volume ? mais rapidamente do que as partículas de soluto podem sair da solução. Nesse ponto, mais soluto permaneceria em solução sob as novas condições do que seria possível dissolvendo o soluto diretamente nessas condições. Para criar uma solução de sacarose supersaturada, coloque primeiro 100 mL de água em um béquer. Adicione uma barra de agitação magnética e mexa em uma chapa quente. Adicione 220 g de sacarose na água de agitação e deixe a mistura de sacarose mexer por 15 min. Após 15 minutos, observe que nem toda a sacarose se dissolveu. Neste ponto, aqueça a mistura a 50 °C. Continue mexendo a mistura por mais 10 min.
Examine a solução novamente. Toda a sacarose deveria ter sido dissolvida no 50 ? C?água. Agora, deixe a solução esfriar lentamente até a temperatura ambiente e remova a barra de agitação. Observe que a sacarose ainda permanece dissolvida. A solução à temperatura ambiente está agora supersaturada. Adicionar até mesmo uma pequena quantidade de pó de sacarose adicional a esta solução pode desencadear uma rápida recristalização de toda a sacarose dissolvida.
Agora que você viu como preparar soluções com concentrações específicas, vejamos alguns exemplos de como o conceito pode ser uma consideração importante para várias aplicações.
A concentração de reagentes, componentes de solventes e outros componentes de uma reação química geralmente tem impacto significativo na taxa de produtos da reação. Concentrações mais altas de reagentes aumentam a probabilidade de as moléculas se encontrarem e reagirem, aumentando potencialmente a taxa de reação. Ao mesmo tempo, o aumento das concentrações de íons de sal carregados em solução também pode favorecer a agregação de moléculas hidrofóbicas ou "repelentes de água".
Os pesquisadores estudaram a automontagem de uma molécula complexa em polímeros longos na presença de concentrações variadas de sal no solvente de reação. Eles descobriram que, em concentrações mais altas de sal, a montagem das moléculas em polímeros ocorre mais prontamente.
A concentração também afeta a taxa de processos físicos, como a cristalização. Os biólogos costumam cristalizar moléculas como proteínas, onde elas se tornam ordenadamente organizadas em uma rede cristalina, de modo que sua estrutura pode ser deduzida estudando como os raios-X difratam através desses cristais. Para cristalizar proteínas, as soluções proteicas são misturadas com um "precipitante", geralmente um sal de algum tipo, em diferentes concentrações e pH. Uma gota dessa mistura é então colocada em uma câmara fechada com um reservatório de solução precipitante mais concentrada. À medida que a água evapora da gota da solução proteica para equilibrar a concentração do precipitante entre a gota e o reservatório, a proteína se torna cada vez mais supersaturada e, eventualmente, cristaliza a partir da solução. Para mais informações, veja nosso vídeo sobre o cultivo de cristais.
Finalmente, uma compreensão da concentração é importante para avaliar os níveis de toxinas no ambiente. Neste exemplo, os cientistas desenvolveram um ensaio para detectar a quantidade da toxina bacteriana potencialmente fatal botulinum em amostras de alimentos ou água, detectando até que ponto a toxina cliva uma proteína específica. Para realizar o ensaio, uma "curva padrão" é gerada primeiro medindo o nível de atividade de diferentes concentrações conhecidas da toxina. A toxina isolada de amostras desconhecidas pode então ser submetida ao teste, e a concentração pode ser interpolada comparando sua atividade com a curva padrão.
Você acabou de assistir à introdução de JoVE para fazer soluções. Agora você deve entender quando usar diferentes unidades para expressar concentração, uma demonstração para fazer uma solução com uma concentração específica e, finalmente, várias aplicações que ilustram a importância do tópico.
Obrigado por assistir!
