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Química Industrial ·
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Equilíbrio de Solubilidade Química Analítica Clássica Química Analítica Clássica Importância da solubilidade As estalactites e estalagmites encontradas em grutas e cavernas não são mais do que equilíbrios de solubilidade entre os depósitos subterrâneos constituídos essencialmente por carbonato de cálcio CaCO3 e as águas naturais como por exemplo a água da chuva Outro exemplo é o sulfato de bário BaSO4 sal insolúvel e opaco aos raios X que é usado em meios de diagnóstico de problemas do tubo digestivo Classificação das Soluções Quanto à SOLUBILIDADE ou COEFICIENTE DE SOLUBILIDADE A Solubilidade ou o Coeficiente de Solubilidade ou de Saturação CS é a quantidade máxima de um soluto sólido que pode ser dissolvida em certa quantidade de um solvente em dada temperatura O CS é uma grandeza determinada experimentalmente e apresentada em tabelas Por exemplo NaCl CS 36 g100 g de água à 20o C CaSO4 CS 02 g100 g de água à 20o C KNO3 CS 133 g100 g de água à 20o C Química Analítica Clássica SOLUÇÕES Classificação das Soluções Tomandose como base o CS as soluções podem ser INSATURADAS msoluto dissolvido CS Ex 30 g NaCl100 g H2O à 20o C diluída 300 g NaCl100 g H2O à 20o C concentrada SATURADAS msoluto dissolvido CS Ex 36 g NaCl100 g H2O à 20o C SUPERSATURADAS msoluto dissolvido CS Ex 38g NaCl100 g H2O à 20oC Química Analítica Clássica SOLUÇÕES As soluções supersaturadas são preparadas aquecendo uma solução que apresenta corpo de fundo até a total dissolução do soluto presente Após a mesma sofre lento resfriamento até a temperatura de referência 20oC o que possibilita que o excesso de soluto além do CS permaneça dissolvido Entretanto são soluções muito instáveis onde o excesso irá precipitar por simples agitação mecânica choque térmico ou adição de um germen de cristalização Germen de cristalização macrocristal do soluto sobre o qual o excesso dissolvido se aglutina Química Analítica Clássica SOLUÇÕES SOLUÇÕES Solubilidade e temperatura Para solutos sólidos em geral o aumento da temperatura provoca aumento na solubilidade Esse efeito varia de substância para substância e pode ser facilmente evidenciado em diagramas de solubilidade Para substâncias gasosas o fenômeno é oposto pois o aumento da temperatura diminui a solubilidade Por esse motivo devemos conservar um refrigerante após aberto em geladeira pois a menor temperatura favorece a dissolução do CO2 Química Analítica Clássica Solubilidade e temperatura SOLUÇÕES Química Analítica Clássica Solubilidade e temperatura O quadro ao lado mostra a variação da solubilidade de KNO3 com a temperatura identificando as regiões de soluções insaturadas saturadas e supersaturadas SOLUÇÕES Química Analítica Clássica Química Analítica Clássica Equilíbrio de Solubilidade Considerando uma solução saturada de cloreto de prata AgCl Se continuarmos a adicionar AgCl a uma solução saturada verificamos que há formação de precipitado e passamos a ter uma solução heterogênea com uma fase líquida e uma fase sólida Nestas condições ocorre um equilíbrio entre estas duas fases designado por equilíbrio em soluções saturadas de sais e que neste caso pode ser representado por AgCl s AgCl aq O momento em que a velocidade de dissolução igualase à velocidade de precipitação corresponde ao instante em que se estabelece o equilíbrio de solubilidade do sal em estudo Química Analítica Clássica Equilíbrio de solubilidade MAs MAaq MAaq M M M M M A A A A A MAs MAaq M A S M Obs os haletos de prata agem como eletrólitos fracos dissociandose apenas parcialmente em água Química Analítica Clássica Constante do Produto de Solubilidade Kps MAs M aq A aq s MA A M Kps MAs MAaq MAaq M M M M M A A A A A Química Analítica Clássica Equilíbrio de solubilidade A maioria dos sais pouco solúveis encontrase essencial e totalmente dissociado em soluções aquosas saturadas BaIO32s Ba2 aq 2IO3 2 2 3 2 3 BaIO Ba IO ps K s K 2 2 3 3 2 Ba IO BaIO K s Obs quando dizemos que um sal pouco solúvel está completamente dissociado não significa que todo o sal se dissolve Ao contrário a pequena quantidade que realmente solubiliza dissociase totalmente Química Analítica Clássica Constante do Produto de Solubilidade Kps Exemplo 1 Solução de BaIO32s ocorre o seguinte equilíbrio O equilíbrio independe da quantidade de sólido em contato com a solução 2 3 3 2 Ba IO Ba IO Kps BaIO32s Ba2 aq 2IO3 Química Analítica Clássica Produto de Solubilidade e Solubilidade Ex AgCl S representa a solubilidade em molL1 do AgCl em água 1AgCls 1Ag 1Cl Como um mol de Ag é formado para cada mol de AgCl a S do AgCl Ag e sei que Ag Cl Kps AgCl Kps S S Kps S2 Kps S Química Analítica Clássica Equilíbrio de solubilidade Equilíbrio entre um eletrólito pouco solúvel e os íons que este eletrólito libera em solução Ex solução de AgCl ocorrem os seguintes equilíbrios AgCl s AgCl aq Ag aq Cl aq Kps Ks Kps Ks Calcular a solubilidade do AgCl em água destilada Kps 182 x 1010 Solubilidade S AgClaq Agaq x Claq Ag Cl Ag Cl Kps 182 x 1010 Ag 182 x 1010 135 x 105 Então S 135 x 105 molL Química Analítica Clássica Equilíbrio de solubilidade Resolução Química Analítica Clássica Produto de Solubilidade e Solubilidade Em geral para sais moderadamente solúveis x y y x ps y x K S Química Analítica Clássica Princípio do produto de solubilidade Em uma solução saturada de um eletrólito pouco solúvel o produto das concentrações molares dos íons molL1 elevadas a potências apropriadas é constante para uma dada temperatura independentemente de outros eletrólitos presentes na solução Nernst 1889 Química Analítica Clássica Produto de Solubilidade e Solubilidade Ex CaF2 Ca2 2F Como um mol de Ca2 é formado para cada mol de CaF2 a S do CaF2 Ca2 e F 2S Kps Ca21 F2 Kps S1 2S2 4S3 Kps 4S3 3 4 Kps S Química Analítica Clássica Produto de Solubilidade e Solubilidade Química Analítica Clássica Cálculo de Kps a partir da solubilidade Exemplo 1 A solubilidade do AgCl a 25C é 19x104 g por 100 mL Calcular seu Kps Exemplo 2 A solubilidade do Ag3PO4 é 020 mg por 100mL Calcular seu Kps Química Analítica Clássica Kps e formação de precipitado Kps de um eletrólito pouco solúvel estabelece o critério para a formação de um precipitado Kps constante para uma dada temperatura Se o produto das concentrações molares dos íons com seus expoentes correspondentes PI é menor que Kps a solução não está saturada ou seja não haverá formação de precipitado Química Analítica Clássica Kps e formação de precipitado Se PI Kps solução não saturada não haverá ppt Se PI Kps solução saturada não haverá ppt Se PI Kps formase ppt ou a solução está supersaturada metaestável Há precipitação do soluto quando o valor de KPS é ultrapassado Química Analítica Clássica Kps e formação de precipitado Exemplo 3 O Kps para o BaSO4 é 10 x 1010 Se em 1L de solução existem 00010 mol de Ba2 e 000010 mol de SO4 2 haverá precipitação de BaSO4 Calcular a concentração de íon sulfeto necessária para iniciar a precipitação de FeS em uma solução 10x104 molL1 em Fe2 Kps 5x1018 Exemplo 4 Química Analítica Clássica Fatores que afetam a solubilidade 1 Efeito da Pressão A pressão sobre o equilíbrio de soluções não exerce efeito significativo e prático pois os líquidos sofrem menos o efeito da pressão do que gases Além disso em geral as soluções são trabalhadas sob pressão atmosférica Química Analítica Clássica Fatores que afetam a solubilidade 2 Efeito da Temperatura Química Analítica Clássica Fatores que afetam a solubilidade 3 Efeito da natureza do solvente A natureza polar da molécula de água exerce efeitos de solvatação sobre ânions e cátions do soluto formando íons hidratados Esta força de atração supera as forças que mantêm cátions e ânions na estrutura cristalina do sal Solventes orgânicos não apresentam estas forças de atração iônicas da mesma forma que a água Então muitos sais inorgânicos são pouco solúveis nesses solventes Química Analítica Clássica Fatores que afetam a solubilidade 4 Efeito do pH A solubilidade de precipitados contendo um ânion com propriedades básicas ou um cátion com propriedades ácidas ou ambos depende do pH Os precipitados que contêm ânions do tipo base conjugada de um ácido fraco são mais solúveis em pH mais baixo Química Analítica Clássica Fatores que afetam a solubilidade 5 Efeito do íon comum O efeito do íon é uma consequência da Lei das Ação das Massas descrita no princípio de Le Chatelier O efeito do íon comum é responsável pela redução da solubilidade de um precipitado iônico quando um composto solúvel contendo um dos íons do precipitado é adicionada à solução que está em equilíbrio com o precipitado Química Analítica Clássica Fatores que afetam a solubilidade 5 Efeito do íon estranho Medidas de solubilidade de diferentes eletrólitos pouco solúveis indicam que a solubilidade em solução salina é maior do que em água Exemplo AgCl e BaSO4 são mais solúveis em solução de KNO3 do que em água
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Equilíbrio de Solubilidade Química Analítica Clássica Química Analítica Clássica Importância da solubilidade As estalactites e estalagmites encontradas em grutas e cavernas não são mais do que equilíbrios de solubilidade entre os depósitos subterrâneos constituídos essencialmente por carbonato de cálcio CaCO3 e as águas naturais como por exemplo a água da chuva Outro exemplo é o sulfato de bário BaSO4 sal insolúvel e opaco aos raios X que é usado em meios de diagnóstico de problemas do tubo digestivo Classificação das Soluções Quanto à SOLUBILIDADE ou COEFICIENTE DE SOLUBILIDADE A Solubilidade ou o Coeficiente de Solubilidade ou de Saturação CS é a quantidade máxima de um soluto sólido que pode ser dissolvida em certa quantidade de um solvente em dada temperatura O CS é uma grandeza determinada experimentalmente e apresentada em tabelas Por exemplo NaCl CS 36 g100 g de água à 20o C CaSO4 CS 02 g100 g de água à 20o C KNO3 CS 133 g100 g de água à 20o C Química Analítica Clássica SOLUÇÕES Classificação das Soluções Tomandose como base o CS as soluções podem ser INSATURADAS msoluto dissolvido CS Ex 30 g NaCl100 g H2O à 20o C diluída 300 g NaCl100 g H2O à 20o C concentrada SATURADAS msoluto dissolvido CS Ex 36 g NaCl100 g H2O à 20o C SUPERSATURADAS msoluto dissolvido CS Ex 38g NaCl100 g H2O à 20oC Química Analítica Clássica SOLUÇÕES As soluções supersaturadas são preparadas aquecendo uma solução que apresenta corpo de fundo até a total dissolução do soluto presente Após a mesma sofre lento resfriamento até a temperatura de referência 20oC o que possibilita que o excesso de soluto além do CS permaneça dissolvido Entretanto são soluções muito instáveis onde o excesso irá precipitar por simples agitação mecânica choque térmico ou adição de um germen de cristalização Germen de cristalização macrocristal do soluto sobre o qual o excesso dissolvido se aglutina Química Analítica Clássica SOLUÇÕES SOLUÇÕES Solubilidade e temperatura Para solutos sólidos em geral o aumento da temperatura provoca aumento na solubilidade Esse efeito varia de substância para substância e pode ser facilmente evidenciado em diagramas de solubilidade Para substâncias gasosas o fenômeno é oposto pois o aumento da temperatura diminui a solubilidade Por esse motivo devemos conservar um refrigerante após aberto em geladeira pois a menor temperatura favorece a dissolução do CO2 Química Analítica Clássica Solubilidade e temperatura SOLUÇÕES Química Analítica Clássica Solubilidade e temperatura O quadro ao lado mostra a variação da solubilidade de KNO3 com a temperatura identificando as regiões de soluções insaturadas saturadas e supersaturadas SOLUÇÕES Química Analítica Clássica Química Analítica Clássica Equilíbrio de Solubilidade Considerando uma solução saturada de cloreto de prata AgCl Se continuarmos a adicionar AgCl a uma solução saturada verificamos que há formação de precipitado e passamos a ter uma solução heterogênea com uma fase líquida e uma fase sólida Nestas condições ocorre um equilíbrio entre estas duas fases designado por equilíbrio em soluções saturadas de sais e que neste caso pode ser representado por AgCl s AgCl aq O momento em que a velocidade de dissolução igualase à velocidade de precipitação corresponde ao instante em que se estabelece o equilíbrio de solubilidade do sal em estudo Química Analítica Clássica Equilíbrio de solubilidade MAs MAaq MAaq M M M M M A A A A A MAs MAaq M A S M Obs os haletos de prata agem como eletrólitos fracos dissociandose apenas parcialmente em água Química Analítica Clássica Constante do Produto de Solubilidade Kps MAs M aq A aq s MA A M Kps MAs MAaq MAaq M M M M M A A A A A Química Analítica Clássica Equilíbrio de solubilidade A maioria dos sais pouco solúveis encontrase essencial e totalmente dissociado em soluções aquosas saturadas BaIO32s Ba2 aq 2IO3 2 2 3 2 3 BaIO Ba IO ps K s K 2 2 3 3 2 Ba IO BaIO K s Obs quando dizemos que um sal pouco solúvel está completamente dissociado não significa que todo o sal se dissolve Ao contrário a pequena quantidade que realmente solubiliza dissociase totalmente Química Analítica Clássica Constante do Produto de Solubilidade Kps Exemplo 1 Solução de BaIO32s ocorre o seguinte equilíbrio O equilíbrio independe da quantidade de sólido em contato com a solução 2 3 3 2 Ba IO Ba IO Kps BaIO32s Ba2 aq 2IO3 Química Analítica Clássica Produto de Solubilidade e Solubilidade Ex AgCl S representa a solubilidade em molL1 do AgCl em água 1AgCls 1Ag 1Cl Como um mol de Ag é formado para cada mol de AgCl a S do AgCl Ag e sei que Ag Cl Kps AgCl Kps S S Kps S2 Kps S Química Analítica Clássica Equilíbrio de solubilidade Equilíbrio entre um eletrólito pouco solúvel e os íons que este eletrólito libera em solução Ex solução de AgCl ocorrem os seguintes equilíbrios AgCl s AgCl aq Ag aq Cl aq Kps Ks Kps Ks Calcular a solubilidade do AgCl em água destilada Kps 182 x 1010 Solubilidade S AgClaq Agaq x Claq Ag Cl Ag Cl Kps 182 x 1010 Ag 182 x 1010 135 x 105 Então S 135 x 105 molL Química Analítica Clássica Equilíbrio de solubilidade Resolução Química Analítica Clássica Produto de Solubilidade e Solubilidade Em geral para sais moderadamente solúveis x y y x ps y x K S Química Analítica Clássica Princípio do produto de solubilidade Em uma solução saturada de um eletrólito pouco solúvel o produto das concentrações molares dos íons molL1 elevadas a potências apropriadas é constante para uma dada temperatura independentemente de outros eletrólitos presentes na solução Nernst 1889 Química Analítica Clássica Produto de Solubilidade e Solubilidade Ex CaF2 Ca2 2F Como um mol de Ca2 é formado para cada mol de CaF2 a S do CaF2 Ca2 e F 2S Kps Ca21 F2 Kps S1 2S2 4S3 Kps 4S3 3 4 Kps S Química Analítica Clássica Produto de Solubilidade e Solubilidade Química Analítica Clássica Cálculo de Kps a partir da solubilidade Exemplo 1 A solubilidade do AgCl a 25C é 19x104 g por 100 mL Calcular seu Kps Exemplo 2 A solubilidade do Ag3PO4 é 020 mg por 100mL Calcular seu Kps Química Analítica Clássica Kps e formação de precipitado Kps de um eletrólito pouco solúvel estabelece o critério para a formação de um precipitado Kps constante para uma dada temperatura Se o produto das concentrações molares dos íons com seus expoentes correspondentes PI é menor que Kps a solução não está saturada ou seja não haverá formação de precipitado Química Analítica Clássica Kps e formação de precipitado Se PI Kps solução não saturada não haverá ppt Se PI Kps solução saturada não haverá ppt Se PI Kps formase ppt ou a solução está supersaturada metaestável Há precipitação do soluto quando o valor de KPS é ultrapassado Química Analítica Clássica Kps e formação de precipitado Exemplo 3 O Kps para o BaSO4 é 10 x 1010 Se em 1L de solução existem 00010 mol de Ba2 e 000010 mol de SO4 2 haverá precipitação de BaSO4 Calcular a concentração de íon sulfeto necessária para iniciar a precipitação de FeS em uma solução 10x104 molL1 em Fe2 Kps 5x1018 Exemplo 4 Química Analítica Clássica Fatores que afetam a solubilidade 1 Efeito da Pressão A pressão sobre o equilíbrio de soluções não exerce efeito significativo e prático pois os líquidos sofrem menos o efeito da pressão do que gases Além disso em geral as soluções são trabalhadas sob pressão atmosférica Química Analítica Clássica Fatores que afetam a solubilidade 2 Efeito da Temperatura Química Analítica Clássica Fatores que afetam a solubilidade 3 Efeito da natureza do solvente A natureza polar da molécula de água exerce efeitos de solvatação sobre ânions e cátions do soluto formando íons hidratados Esta força de atração supera as forças que mantêm cátions e ânions na estrutura cristalina do sal Solventes orgânicos não apresentam estas forças de atração iônicas da mesma forma que a água Então muitos sais inorgânicos são pouco solúveis nesses solventes Química Analítica Clássica Fatores que afetam a solubilidade 4 Efeito do pH A solubilidade de precipitados contendo um ânion com propriedades básicas ou um cátion com propriedades ácidas ou ambos depende do pH Os precipitados que contêm ânions do tipo base conjugada de um ácido fraco são mais solúveis em pH mais baixo Química Analítica Clássica Fatores que afetam a solubilidade 5 Efeito do íon comum O efeito do íon é uma consequência da Lei das Ação das Massas descrita no princípio de Le Chatelier O efeito do íon comum é responsável pela redução da solubilidade de um precipitado iônico quando um composto solúvel contendo um dos íons do precipitado é adicionada à solução que está em equilíbrio com o precipitado Química Analítica Clássica Fatores que afetam a solubilidade 5 Efeito do íon estranho Medidas de solubilidade de diferentes eletrólitos pouco solúveis indicam que a solubilidade em solução salina é maior do que em água Exemplo AgCl e BaSO4 são mais solúveis em solução de KNO3 do que em água