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Soluções e Concentrações

Overview

Fonte: Laboratório do Dr. Michael Evans — Instituto de Tecnologia da Geórgia

Uma solução é uma mistura homogênea contendo alguns componentes em pequenas quantidades, chamados solutos, e um componente em grande quantidade, chamado solvente. As soluções de líquido sólido contêm um ou mais solutos sólidos dissolvidos em um solvente líquido. As soluções são onipresentes em química: são usadas para armazenar e manusear pequenas quantidades de material, realizar reações químicas e desenvolver materiais com propriedades controláveis.

A densidade de um soluto em uma solução é conhecida como a concentração do soluto. A concentração pode ser expressa de várias formas, diferindo nas unidades utilizadas para transmitir as quantidades de soluto, solvente e solução.

Esta demonstração ilustra como preparar uma solução de sacarose com uma concentração de alvo usando técnicas analíticas precisas. Além disso, várias medidas da concentração dessa solução são apresentadas e explicadas.

Principles

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Quando imersos em água, muitos sólidos se dividem em partículas (moléculas ou íons) cercadas por moléculas de água. Este processo de dissolução converte uma mistura heterogênea de sólido e líquido em uma única mistura homogênea composta por água líquida e partículas solutos dissolvidas. O processo de dissolução da sacarose pode ser escrito como uma equação química usando os designadores de fase sólido e aquoso. O designador(aq)seguindo uma espécie implica que as moléculas de água estão ao redor e solvando essa espécie.

Equation 1

Diferentes soluções podem conter diferentes números de partículas dissolvidas, e a concentração é uma medida que quantifica a densidade de partículas soluto dentro de uma solução. Uma medida fundamental de concentração é a fração de toupeira (x) do soluto: o número de mols de partículas soluto(nsolute)divididas pelo número total de mols de componentes de solução (todos solutos e solventes).

Equation 2

Multiplicar a fração de toupeira por1066 dá às partes por milhão (ppm) concentração, o número de partículas de soluto por milhão de partículas de solução. O número de mols de soluto por litro de solução, ou molaridade (M), é uma segunda medida comum de concentração.

Equation 3

A concentração também pode ser expressa como partes por massa, a fração da massa da solução devido ao soluto.

Equation 4

Multiplicar as partes por concentração de massa em 100% dá a massa por cento.

Por fim, a molalidade é uma medida de concentração que utiliza a massa do solvente, e não o volume da solução, como medida do "tamanho" da solução. Molalidade é a razão do número de mols de soluto para a massa do solvente em quilogramas.

Equation 5 

A preparação precisa e precisa de uma solução com uma molaridade de alvo requer uma técnica analítica cuidadosa. O soluto sólido deve ser cuidadosamente pesado e transferido quantitativamente (completamente) para um frasco volumoso. O solvente pode então ser adicionado cuidadosamente até que a solução atinja a marca no vidro. Para obter melhores resultados, o soluto deve ser autorizado a dissolver-se completamente em menos do que o volume total de solvente, e qualquer solvente restante deve ser adicionado quando nenhum soluto sólido é visível.

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Procedure

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1. Preparação de 100 mL de uma solução de sucrose de 0,0100 M

  1. Determinar o número de mols e massa de sacarose (C12H22O11) a ser dissolvido em 100 mL de solução.
    Equation 6
  2. Pese a massa de sacarose na balança. Primeiro coloque um barco de pesagem na balança e coloque o "peso tare". Em seguida, usando uma scoopula, transfira cuidadosamente soluto sólido da garrafa de reagente para o barco de pesagem até que a quantidade desejada seja obtida.
  3. Coloque um funil em pó em um frasco volumoso de 100 mL limpo e seco. Despeje o sólido do barco de pesagem através do funil no frasco.
  4. Usando uma garrafa de lavagem contendo água destilada (o solvente), enxágue qualquer sólido restante do barco de pesagem através do funil no frasco.
  5. Adicione solvente usando a torneira de água destilada até que o nível líquido atinja o pescoço do frasco (mas não a marca). Tampa e redemoinho o frasco suavemente para dissolver o soluto.
  6. Uma vez que todo o soluto tenha dissolvido, use um frasco de lavagem para adicionar cuidadosamente solvente até que o nível líquido atinja a marca.
  7. Cap e inverta o frasco volumoso várias vezes para garantir uma boa mistura da solução.

2. Fazer uma solução de sacarose supersaturada

  1. Adicione 100 mL de água destilada a um béquer de 600 mL.
  2. Adicione 220 g de sacarose ao béquer.
  3. Coloque uma barra de mexida magnética no béquer e deixe a mistura mexer por 15 minutos.
  4. Examine a mistura: nem toda a sacarose foi dissolvida. Aqueça a mistura a 50 ºC e mexa por mais 10 minutos.
  5. Examine a mistura: toda a sacarose foi dissolvida a 50 ºC.
  6. Deixe a solução esfriar até a temperatura ambiente. Examine a solução: a sacarose adicional que dissolvida a 50 ºC permanece dissolvida à temperatura ambiente. A solução à temperatura ambiente é supersaturada.

As soluções são onipresentes em 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, volume ou quantidade em mols dos componentes da solução que estão sendo considerados, essa medida pode ser expressa de várias maneiras diferentes, de acordo com as necessidades do experimento. Neste vídeo, vamos primeiro rever os diferentes tipos de unidades para medir a concentração de uma solução. Em seguida, vamos passar por um protocolo para fazer uma solução de sacarose. Finalmente, veremos como a medição da 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 utilizadas é a molaridade, que é a quantidade de soluto por volume de solução; um molar é equivalente a uma toupeira 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 na 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 medida é chamada de molalidade. O volume de materiais muda de temperatura, por isso medir a concentração com molalidade é vantajoso ao estudar propriedades físicas de soluções, conhecidas como propriedades colligativas, que envolvem diferenças de temperatura. A fração de toupeira é outra unidade de concentração comum, e é dada pelo número de mols de soluto por número total de mols de todos os componentes da solução — solutos e solventes. Frações de toupeira 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 de toupeira é igual à razão de pressões parciais à 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 de molar específica.

Comece calculando a massa de sacarose necessária, primeiro usando o volume e concentração desejados da solução para chegar ao número de mols de sacarose, e depois usando a massa molecular para converter em massa. Neste exemplo, 100 mL de uma solução de sacarose de 0,01 M está sendo feita, de modo que 0,342 g será necessário. Para pesar a massa necessária de sacarose, primeiro coloque um barco de pesagem limpo e vazio na balança. Coloque o "peso tare", o que significa definir o peso do barco de pesagem vazio como zero. Em seguida, utilizando uma scoopula, transfira o pó de sacarose da garrafa de reagente para o barco de pesagem até que a quantidade desejada seja obtida. Coloque um funil em pó em um frasco volumoso limpo e seco de 100 mL. Despeje cuidadosamente a sacarose através do funil. Usando uma garrafa de lavagem contendo o solvente, neste caso água destilada, enxágue qualquer sólido restante do barco de pesagem no frasco.

Adicione mais água destilada, mas pare antes que atinja a marca de calibração. Cap e redemoinho suavemente para dissolver o sólido. É importante não encher o frasco até o momento, pois pode ser difícil para o sólido dissolver completamente.

Uma vez que toda a sacarose tenha dissolvido, adicione cuidadosamente o solvente usando uma garrafa de lavagem até que o fundo do menisco atinja a graduação volumostrica. Tampe o frasco novamente e inverta-o várias vezes para garantir a dissolução completa e a mistura.

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 se baseia no soluto, solvente e taxa de resfriamento. A supersaturação é alcançada primeiro dissolvendo o soluto em uma condição onde a solubilidade é alta, e depois mudando rapidamente a condição da solução — por exemplo, diminuindo sua temperatura ou volume — mais rapidamente do que as partículas soluto podem sair da solução. Neste ponto, mais soluto permaneceria em solução sob as novas condições do que seria possível, dissolvendo o soluto diretamente nessas condições. Para criar uma solução supersaturada de sacarose, primeiro coloque 100 mL de água em um béquer. Adicione uma barra de agitação magnética e mexa em uma placa quente. Adicione 220 g de sacarose na água de agitação e deixe a mistura de sacarose mexer por 15 minutos. Depois de 15 min, observe que nem toda a sacarose se dissolveu. Neste ponto, aqueça a mistura a 50 °C. Continue mexendo a mistura por mais 10 minutos.

Examine a solução novamente. Toda a sacarose deveria ter sido dissolvida na água de 50 °C. Agora, deixe a solução esfriar lentamente até a temperatura ambiente e remova a barra de mexida. Observe que a sacarose ainda permanece dissolvida. A solução de temperatura ambiente está agora supersaturada. Adicionar até mesmo uma pequena quantidade de pó de sacarose adicional nesta solução pode desencadear uma rápida recristasização de toda a sacarose dissolvida.

Agora que você já viu como preparar soluções com concentrações específicas, vamos olhar para alguns exemplos de como o conceito pode ser uma consideração importante para várias aplicações.

A concentração de reagentes, componentes solventes e outros componentes de uma reação química muitas vezes têm impacto significativo na taxa de produtos da reação. Concentrações mais altas aumentam a probabilidade de que as moléculas se encontrem e reajam, 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 "repelente de água".

Pesquisadores aqui estudaram a auto-montagem de uma molécula complexa em polímeros longos na presença de concentrações variadas de sal no solvente de reação. Eles descobriram que, em concentrações de sal mais altas, a montagem das moléculas em polímeros ocorre mais facilmente.

A concentração também afeta a taxa de processos físicos, como a cristalização. Biólogos muitas vezes cristalizam moléculas como proteínas, onde elas se tornam ordenadamente dispostas em uma rede de cristal, para que sua estrutura possa ser deduzida estudando como o raio-X difrata 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 gotícula da solução proteica, a fim de equilibrar a concentração precipitante entre a gotícula e o reservatório, a proteína se torna cada vez mais supersaturada e eventualmente cristaliza para fora da solução. Para obter mais informações, consulte nosso vídeo sobre cristais em crescimento.

Por fim, a 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 corta uma proteína específica. Para realizar o ensaio, uma "curva padrão" é gerada pela primeira vez 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 a introdução do 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 tema.

Obrigado por assistir!

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Results

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O procedimento passo 1 cria 100 mL de uma solução de sacarose de 0,0100 M. Para converter em medidas de concentração que não sejam molaridade, determine a massa de água utilizada para preparar a solução. Embora isso possa ser medido com precisão, na ausência de uma medição pode-se supor que o volume de partículas de solute dissolvidos é insignificante (ou seja, o volume de água utilizado foi de 100 mL). Usando a densidade da água...

Equation 7

A molalidade da sacarose nesta solução é assim:

Equation 8

As partes por massa de sacarose são iguais a:

Equation 9

A fração toupeira de sacarose pode ser calculada determinando o número de mols em 100 g de água e dividindo a quantidade de sacarose pela quantidade total de partículas na solução.

Equation 10

O procedimento passo 2 ilustra que a solubilidade da sacarose na água é dependente da temperatura. Após o aquecimento, a sacarose não resolvida descansando em uma solução saturada se dissolve, formando uma solução saturada de maior concentração em temperaturas mais altas. Quando esta solução esfria, a sacarose não precipita fora da solução. A solução resfriada resultante é supersaturada com sacarose. Adicionar até mesmo uma pequena quantidade de pó de sacarose adicional nesta solução pode desencadear uma rápida recristasização de toda a sacarose dissolvida.

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Applications and Summary

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Soluções de líquido sólido são onipresentes em química. A maioria das reações químicas são executadas em solução porque solutos dissolvidos são móveis o suficiente para se misturar rapidamente e esbarrar uns nos outros. As soluções também podem ser usadas para armazenar pequenas quantidades de solutos em volumes macroscópicos e de fácil manuseio. As soluções exibem algumas propriedades físicas interessantes chamadas propriedades colligativas que podem ser atribuídas aos efeitos entropicos de dissolver um soluto em um solvente.

Pode-se perguntar por que existem tantas medidas diferentes de concentração de soluções. A resposta está nas muitas aplicações de soluções e nas muitas ordens de magnitude sobre as quais as concentrações se estendem. Em amostras de água do ambiente, por exemplo, as concentrações de íons metálicos podem estar na faixa de algumas partes por milhão — é impraticável e potencialmente enganoso expressar essa pequena concentração como uma molaridade ou fração de toupeira. Embora a molaridade seja uma medida conveniente de concentração para cálculos de estequiometria envolvendo reações químicas, a molalidade é mais apropriada em estudos de certas propriedades colligativas.

Aperfeiçoar a técnica de preparação de soluções é importante, pois em muitos contextos, o conhecimento preciso da concentração é essencial. Ao executar uma reação química, por exemplo, o uso de muito ou muito pouco soluto pode resultar em reagentes desperdiçados ou baixos rendimentos do produto. Estudos de relações empíricas envolvendo concentração, como a lei de Beer, dependem de concentrações precisamente conhecidas. Muitas vezes, a imprecisão nas concentrações de soluções leva diretamente à incerteza em valores calculados, como as inpies de reação. Embora seja impossível eliminar completamente a imprecisão, o uso de técnicas analíticas para a fabricação de soluções garante que a incerteza seja minimizada.

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