Capítulo 3. Medições de massa e volume

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1 Capítulo 3 Medições de massa e volume slide 1

2 3.1 Introdução: J. J. Berzelius J. J. Berzelius é considerado o maior químico experimental de todos os tempos. Trabalhando com apenas alguns alunos por vez, ele foi o responsável por: descobrir vários elementos, determinar o peso atômico de 50 elementos e idealizar o sistema de símbolos elementares (H para hidrogênio, O para oxigênio e assim por diante) que usamos até os dias de hoje. slide 2

3 3.1 Introdução: J. J. Berzelius Ele também determinou a composição química de cerca de minerais, compilou a primeira lista abrangente de pesos atômicos e cunhou os termos proteína e catalisador, criou diversos tipos de vidraria que ainda podem ser encontrados em laboratórios modernos. Uma característica fundamental do trabalho de Berzelius foi sua insistência na utilização de boas práticas de laboratório e medições cuidadosas. slide 3

4 3.2 Medições de massa A massa é uma das propriedades fundamentais da matéria, e é definida como a quantidade de matéria em um objeto. Essa quantidade é geralmente determinada em laboratório por meio de uma balança - aparelho de medição mais antigo de que se tem conhecimento. As balanças servem para medir amostras em análises, pesar substâncias químicas para o preparo de reagentes e determinar a quantidade de um produto resultante de uma reação. slide 4

5 3.2 Medições de massa As vantagens das medições de massa são que elas podem ser realizadas com rapidez, precisão e reprodutibilidade com equipamentos relativamente simples e de baixo custo Determinação da massa Peso versus massa. O processo de determinação da massa ou do peso de uma substância é geralmente chamado de pesagem. Massa se refere à quantidade de matéria em um objeto. slide 5

6 3.2 Medições de massa Determinação da massa O peso difere da massa por ser uma medida da atração de uma força sobre um objeto. Na maioria dos casos, a gravidade é a principal força que age sobre um objeto enquanto ele é pesado, mas outras forças também podem entrar em ação. Conversão de peso para massa. Uma balança faz essa conversão comparando o objeto a um peso de referência com massa conhecida. slide 6

7 3.2 Medições de massa Determinação da massa Quando o objeto e o peso de referência são colocados em lados opostos de uma balança, as mesmas forças do meio circundante atuarão sobre eles, fazendo com que enfrentem o mesmo campo gravitacional local. Assim, a diferença de força entre os dois lados deve estar diretamente relacionada com sua diferença em massa. As forças que atuam sobre um objeto quando ele é colocado em uma balança estão ilustradas na figura a seguir. slide 7

8 3.2 Medições de massa Determinação da massa slide 8

9 3.2 Medições de massa Determinação da massa Primeiro, há a força da gravidade que exerce uma força de atração em direção ao solo sobre o objeto. Essa força é descrita pela equação: Força da gravidade = m obj g Uma equação semelhante pode ser escrita para o peso de referência, em que a força resultante da gravidade será igual a m ref g. slide 9

10 3.2 Medições de massa Determinação da massa A gravidade não é a única força que determina o peso de um objeto. Outro fator importante é a força normal - tratase da força que atua contra a gravidade quando se está pesando um objeto. O tamanho dessa força é dado pela equação: Força normal = -m ar g slide 10

11 3.2 Medições de massa Determinação da massa Quando o objeto e o peso de referência estão no mesmo nível em uma balança de braços iguais, as forças globais que atuam sobre o objeto e o peso de referência também devem ser iguais. Podemos descrever essa situação combinando as equações anteriores para produzir uma nova relação. Peso do objeto Peso de referência m obj g - m obj (d ar /d obj ) g = m ref g - m ref (d ar /d ref ) g slide 11

12 3.2 Medições de massa Determinação da massa Para simplificar essa equação, podemos combinar termos comuns e dividir ambos os lados pela constante g. Essa razão representa os diferentes efeitos da força normal que atuam sobre o objeto e o peso de referência. Embora essa razão seja muitas vezes ignorada em medições rotineiras de massa, ela deve ser considerada quando massas de alta precisão são necessárias. slide 12

13 3.2 Medições de massa Tipos de balança de laboratório Balanças mecânicas e balanças eletrônicas. Um dos tipos de balança de laboratório é a mecânica, que utiliza uma abordagem mecânica para a determinação de massas. Um exemplo é a balança de braços iguais (ou dois pratos), outro tipo de balança mecânica é a balança de substituição ou balança mecânica de prato único. O tipo mais popular de balança em laboratórios de química modernos é a eletrônica, que se divide em dois modelos: slide 13

14 3.2 Medições de massa Tipos de balança de laboratório Balança analítica (modelo com compartimento de pesagem fechado) e balança de precisão ou balança de carga superior (modelo com área de pesagem aberta). Outros dispositivos de medição de massa: Microbalança de cristal de quartzo (QCM). slide 14

15 3.2 Medições de massa Procedimentos recomendados em medições de massa Seleção e uso de balanças. Fatores importantes a serem considerados: a carga máxima (ou capacidade) de cada balança, a legibilidade, a resolução de cada uma. slide 15

16 3.2 Medições de massa Procedimentos recomendados em medições de massa A tabela abaixo relaciona capacidades, legibilidades e resoluções de várias balanças de laboratório. slide 16

17 3.2 Medições de massa Procedimentos recomendados em medições de massa Esses dispositivos podem ser classificados em um dos dois grupos gerais com base em sua capacidade de leitura e modelo: balança analítica balança de precisão Métodos de pesagem. Existem duas abordagens comuns para isso. slide 17

18 3.2 Medições de massa Procedimentos recomendados em medições de massa A primeira é a pesagem direta, que é executada pelo simples posicionamento de um objeto sobre o prato da balança e pelo registro da massa exibida no mostrador. A massa de um produto químico também pode ser determinada por meio de uma abordagem conhecida como peso por diferença. Nesse procedimento, a massa de uma amostra é calculada tomando-se a diferença entre a massa dessa amostra mais seu recipiente e a massa do próprio recipiente. slide 18

19 3.2 Medições de massa Procedimentos recomendados em medições de massa Correções da força normal. Os efeitos da força normal devem ser considerados sempre que se quiser medir uma massa com quatro ou mais algarismos significativos. O processo de ajuste a esses efeitos é conhecido como correção da força normal. Essa correção pode ser executada por meio de: slide 19

20 3.2 Medições de massa Procedimentos recomendados em medições de massa A equação anterior mostra que se pode obter a massa medida correta de um objeto quando se conhece 1. a massa aparente exibida pelo mostrador da balança, 2. a densidade da amostra, 3. a densidade do peso de referência usado para calibrar a balança e 4. a densidade do meio circundante. slide 20

21 3.3 Medições de volume Volume pode ser definido como a quantidade de espaço ocupado por um objeto tridimensional. Em materiais sólidos, o volume pode ser calculado a partir da altura, da largura e do comprimento do objeto, ou pela medição do volume de líquido que é deslocado por ele. No caso dos líquidos, o volume é determinado pela medição do espaço que o líquido ocupa em um recipiente. Medições de volume também podem ser utilizadas diretamente para medir teores químicos. slide 21

22 3.3 Medições de volume Determinação do volume Volume versus massa. O volume apresenta diversas vantagens quando se trata de descrever matérias. O volume de uma amostra é mais fácil de ser visualizado do que sua massa. Os volumes são mais convenientes de serem medidos no caso de líquidos, caso em que basta colocar o líquido em um recipiente devidamente marcado. slide 22

23 3.3 Medições de volume Determinação do volume Uma desvantagem no uso de volumes é que o volume de uma amostra, ao contrário de sua massa, pode variar de acordo com a temperatura e a pressão. A massa de um objeto também pode normalmente ser mensurada com maior precisão do que seu volume. A unidade fundamental do volume no sistema SI é o metro cúbico (m 3 ). Com frequência os químicos usam o litro (L), que passou a ser definido no sistema SI como sendo igual a um decímetro cúbico (ou cm 3 ). slide 23

24 3.3 Medições de volume Determinação do volume O volume e a massa de um material estão relacionados entre si por meio de sua densidade. Ela se refere à massa (m) por unidade de volume (V) de um material, e costuma ser representada pelos símbolos d ouρ, onde d = m/v. A densidade de um objeto muda de acordo com a pressão e a temperatura. Entretanto, a densidade de um material não tem o mesmo valor independentemente do tamanho real do material, o que a torna mais útil do que o volume ou a massa como um meio de identificação química. slide 24

25 3.3 Medições de volume Determinação do volume Medições de volume analítico. Em laboratórios de química modernos, as medições de volume mais precisas são feitas em bases rotineiras. Esse nível maior de precisão é obtido por meio de dispositivos especialmente projetados para medições de volume, como balões volumétricos e pipetas volumétricas (alguns dos quais podem determinar um volume com uma precisão de 0,025 por cento). slide 25

26 3.3 Medições de volume Determinação do volume Uma característica exclusiva desses instrumentos de medição de volume é o material de que são fabricados. Atualmente, o vidro mais comumente encontrado em laboratórios é o de borosilicato, que contém uma quantidade significativa de óxido de boro (B 2 O 3 ) e uma porcentagem menor de óxido de sódio (Na 2 O) e outros óxidos do que o vidro comum. Alguns laboratórios de análises utilizam recipientes especiais de plástico que são feitos de Teflon, polimetilpentano ou polipropileno. slide 26

27 3.3 Medições de volume Tipos de equipamento volumétrico Há um grande número de dispositivos para medir volumes que são utilizados para a medição analítica. Esses dispositivos incluem: Balões volumétricos, dispositivos que servem para preparar soluções e diluí-las a um volume específico (geralmente de 1 a ml). slide 27

28 3.3 Medições de volume Tipos de equipamento volumétrico Pipetas volumétricas, destinase a medir e a dispensar um volume único e específico de líquido em um recipiente separado, como um frasco volumétrico. slide 28

29 3.3 Medições de volume Tipos de equipamento volumétrico Buretas, serve para medir e dispensar com precisão quantidades variáveis de um líquido. Outros dispositivos volumétricos são apresentados na figura a seguir. slide 29

30 3.3 Medições de volume Tipos de equipamento volumétrico slide 30

31 3.3 Medições de volume Procedimentos recomendados para medições de volume Seleção e utilização de dispositivos volumétricos. Quatro fatores devem ser considerados quando tivermos de escolher um dispositivo volumétrico: 1. o objetivo geral da medição do volume, 2. o volume ou conjunto de volumes a ser medido, 3. o grau de confiabilidade necessário à medição e 4. o número de medições a fazer. slide 31

32 3.3 Medições de volume Procedimentos recomendados para medições de volume A utilização correta da vidraria volumétrica implica saber ler corretamente o nível de um líquido em tais dispositivos. Quando estiver usando um recipiente de vidro com muitas marcas calibradas (como uma pipeta de Mohr ou sorológica), lembre-se de estimar em que medida o nível de líquido ocorre entre as marcas calibradas, desse modo proporcionando um algarismo significativo adicional em sua medida. slide 32

33 3.3 Medições de volume Procedimentos recomendados para medições de volume Calibração de dispositivos volumétricos. É uma boa ideia calibrar o equipamento volumétrico periodicamente. Um meio de determinar o volume real de um recipiente de vidro é simplesmente usá-lo para medir uma amostra de água destilada. É importante corrigir os efeitos da força normal durante esse processo. slide 33

34 3.4 Amostras, reagentes e soluções Descrição da composição de amostras e reagentes Quando se tem uma mistura química com uma distribuição uniforme para todos os seus componentes, ela é chamada de solução. O componente mais abundante da solução (ou aquele que é usado para dissolver e conter as demais substâncias químicas) é conhecido como solvente. Todas as outras substâncias presentes na mistura são denominadas solutos. slide 34

35 3.4 Amostras, reagentes e soluções Descrição da composição de amostras e reagentes Podemos descrever o teor de uma solução por meio de uma concentração, que pode ser definida como a quantidade de uma substância que está presente em um dado volume ou massa de solução. Razões de massa e volume. Esse índice é calculado dividindo-se a massa do analito ou da substância de interesse pela massa total da mistura. slide 35

36 3.4 Amostras, reagentes e soluções Descrição da composição de amostras e reagentes Uma segunda maneira de descrever a composição química é usar uma razão volume/volume (v/v). Esse tipo de relação é empregado quando se lida com misturas de líquidos ou gases, nos quais os volumes são mais fáceis de serem medidos do que as massas. slide 36

37 3.4 Amostras, reagentes e soluções Descrição da composição de amostras e reagentes A razão massa/volume (m/v) é outra maneira de indicar o teor químico. Essa relação é calculada pela determinação da massa de um composto químico que esteja presente no volume total de uma mistura, e é frequentemente usada para descrever soluções que contenham sólidos dissolvidos como solutos. slide 37

38 3.4 Amostras, reagentes e soluções Descrição da composição de amostras e reagentes Concentração (mol/kg) e Concentração (mol/l). Para entender como as substâncias químicas podem reagir entre si, é valioso conhecer o número real de um dado tipo de molécula, átomo ou íon que possa estar presente na solução. As unidades de concentração que medem a quantidade de soluto em mols são: molalidade (Concentração (mol/kg)) e molaridade (Concentração (mol/l)). A molalidade (representada pelo símbolo m) é igual ao número de mols de um soluto por quilograma de solvente. slide 38

39 3.4 Amostras, reagentes e soluções Descrição da composição de amostras e reagentes É mais comum em trabalhos laboratoriais de rotina usar uma unidade relacionada conhecida como molaridade (M), que pode ser definida como o número de mols (ou a quantidade de matéria em gramas) de uma substância presente em cada litro de solução. slide 39

40 3.4 Amostras, reagentes e soluções Descrição da composição de amostras e reagentes Quando se lida com uma solução aquosa relativamente diluída, em temperatura ambiente, a molalidade e a molaridade da solução apresentam aproximadamente o mesmo valor numérico, embora tenham diferentes unidades (solução de NaCl/L em mol/l versus mol de NaCl/kg de solvente). slide 40

41 3.4 Amostras, reagentes e soluções Descrição da composição de amostras e reagentes Outras unidades. Existem outras medidas de composição química que poderão ser encontradas ocasionalmente em livros, artigos científicos ou catálogos de química. Um desses casos é quando se deve descrever a quantidade de uma substância química sobre uma superfície. Por exemplo, a quantidade de óxido de ferro (ferrugem) na superfície de uma barra de ferro pode ser expressa como uma concentração de superfície, com unidades de mols por metro quadrado. slide 41

42 3.4 Amostras, reagentes e soluções Descrição da composição de amostras e reagentes Outro exemplo é o uso de radioatividade para descrever a composição química, como a medida do decaimento de carbono-14 para determinar a idade de uma amostra biológica. Outra medida de reatividade química é a unidade de normalidade (representada pelo símbolo N), que descreve a quantidade de uma substância química disponível para um tipo específico de reação, como se faz usando os equivalentes da substância por litro de solução. slide 42

43 3.4 Amostras, reagentes e soluções Preparo de soluções Pureza química. Quando você prepara uma solução para um método analítico, um fator a considerar é a pureza das substâncias químicas que serão colocadas em suas amostras e reagentes. Para o trabalho analítico em geral, substâncias com maior pureza podem ser obtidas a partir de produtos químicos que atendam aos requisitos estabelecidos pela American Chemical Society ou por agências reguladoras dos laboratórios de análises. slide 43

44 3.4 Amostras, reagentes e soluções Preparo de soluções Há também substâncias que foram preparadas para atender às necessidades de métodos específicos. Exemplos disso são substâncias químicas de grau CLAE, grau residual de metais e grau biotecnologia. Ao selecionar substâncias químicas, é importante também considerar a pureza de seus solventes. A água de alta pureza é particularmente crucial porque muitas das amostras e reagentes em química analítica consistem em soluções aquosas. slide 44

45 3.4 Amostras, reagentes e soluções Preparo de soluções A tabela ao lado mostra alguns contaminantes que podem ser encontrados na água comum. slide 45

46 3.4 Amostras, reagentes e soluções Preparo de soluções Um método comum e relativamente barato de purificação de água é a destilação, em que a água é aquecida ao ponto de ebulição e o vapor condensado é usado em uma forma purificada conhecida como água destilada. Alguns laboratórios tratam ainda mais a água destilada empregando a deionização. Esse método usa cartuchos que trocam os cátions e os ânions na água por íons hidrogênio (H + ) e íons hidróxido (OH - ), que reagirão para formar mais água. A água purificada obtida dessa forma é chamada de água deionizada (ou água DI). slide 46

47 3.4 Amostras, reagentes e soluções Preparo de soluções Alíquotas e diluições. Alguns termos usados para descrever o preparo de soluções: Solução-estoque, consiste em um reagente utilizado para preparar outras soluções de menor concentração para um ensaio. Quando parte de uma solução-estoque ou amostra é usada para preparar uma segunda solução de menor concentração, a porção que é extraída da solução original ou amostra é conhecida como alíquota. slide 47

48 3.4 Amostras, reagentes e soluções Preparo de soluções Se mais solvente for adicionado à alíquota, esse processo passará a ser denominado diluição. Como mostra a figura a seguir, os mols de cada substância química na alíquota serão iguais aos mols presentes na solução diluída. Podemos usar esse fato para relacionar as concentrações iniciais e finais do analito: (mol soluto) Diluição = (mol soluto) Alíquota ou M Diluição V Diluição = M Alíquota V Alíquota slide 48

49 3.4 Amostras, reagentes e soluções Preparo de soluções slide 49

50 3.4 Amostras, reagentes e soluções Preparo de soluções Efeitos da temperatura. Outro fator a ser considerado ao se preparar soluções é a temperatura a que você está submetendo suas amostras e reagentes ao fazê-las e usálas. O volume e a concentração de uma solução podem mudar de acordo com as oscilações de temperatura (figura a seguir). A nova concentração (M 2 ) na temperatura final pode ser determinada por meio da equação: M 1 V 1 =M 2 V 2 slide 50

51 3.4 Amostras, reagentes e soluções Preparo de soluções slide 51

52 3.4 Amostras, reagentes e soluções Preparo de soluções Se você não sabe qual é o volume de sua solução final, mas conhece as densidades das soluções inicial e final (d 1 e d 2 ), o volume da nova solução pode ser calculado usandose a equação: d 1 V 1 = d 2 V 2 Você pode então utilizar o valor obtido para V 2 determinar a molaridade da solução final. para slide 52