Composição quantitativa de uma solução

soluto, solvente e solução concentração concentração mássica relação entre concentração e concentração mássica
percentagem em massa, em volume e em massa/volume partes por milhão fracção molar molalidade

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Soluto, solvente e solução

Uma solução é uma mistura homogénea de duas ou mais substâncias, o(s) soluto(s), substância(s) dissolvida(s), e o solvente, substância que dissolve.

Quando o solvente é a água dizemos que se trata de uma solução aquosa.

Quanto maior for a quantidade (ou massa) de soluto dissolvido por unidade de volume de solução, mais concentrada é a solução obtida.

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Concentração de um soluto numa solução

A concentração de um soluto numa solução é dada pela razão entre a quantidade de soluto dissolvido e o volume de solução :

A partir desta expressão podemos exprimir tanto a quantidade de soluto como o volume de solução em função da concentração:

Embora no SI a concentração de um soluto numa solução se exprima em mol m-3, é habitual exprimi-la em mol L-1 ou mol dm-3.

Para indicar a concentração de uma dada substância , escreve-se o símbolo/fórmula da substância, rodeado por dois parêntesis rectos:

 

Como determinar o volume final de uma solução diluída a partir de um dado volume de solução inicial?

Como apenas se adiciona água ao volume da solução a diluir, a quantidade de soluto mantém-se constante e então podemos indicar que ni = nf logo, ci x Vi = cf x Vf, o que é equivalente a termos ci / cf = Vi / Vf.

Aos quocientes ci / cf ou Vf / Vi chamamos factor de diluição (f), que nos indica o número de vezes que se deve diluir um dado volume da solução inicial (solução concentrada), de concentração ci, para se obter a solução final (solução diluída), de concentração cf, tal que f = ci / cf ou f = Vf / Vi.

 

Exemplos

  1. Calcular a concentração, em , de uma solução resultante da dissolução de 2,0 mol desta substância em água, perfazendo um volume de solução de meio litro.
  2. Resolução

  3. Determinar a quantidade de dissolvido em 250 cm3 de uma solução 0,200 mol dm-3 neste sal.
  4. Resolução

  5. Calcular a concentração em ião sódio e em ião sulfato de uma solução 1,0 mol L-1 em sulfato de sódio.

Resolução

Sabendo que:

Sulfato de sódio:

Ião sódio:

Ião sulfato:

Verifica-se que a proporção de combinação dos iões e no composto é de 2:1.

Por cada mole de que se dissolve ficam em solução duas moles de iões e uma mole de iões . Desta forma, o número de iões em solução é o dobro do número de iões e o dobro do número de unidades que se dissolveram.

O processo de dissolução é acompanhado por uma dissociação das unidades em e , tal que:

Logo, sabendo que:

, vem

, e

Conclusão

Uma solução pode ter uma dada concentração em relação a uma certa substância dissolvida e ter concentração diferente relativamente a um ou mais dos seus iões.

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Concentração em massa de um soluto numa solução

A concentração em massa de um soluto numa solução, ou concentração mássica, , é dada pela razão entre a massa de soluto dissolvida e o volume de solução , tal que:

A partir desta expressão podemos exprimir tanto a quantidade de soluto como o volume de solução em função da concentração:

Embora no SI a unidade seja o kg m-3, é habitual exprimir a concentração mássica em g dm-3.

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Relação entre a concentração mássica e a concentração

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Percentagem em massa, em volume e em massa/volume

Percentagem em massa % (m/m)

Image1302.gif (1385 bytes)

Pode exprimir-se a composição de uma solução em função da massa de soluto e da massa de solução.
É uma grandeza adimensional.

Percentagem em volume % (V/V)

Image1303.gif (1383 bytes)

Pode exprimir-se a composição de uma solução em função do volume de soluto e do volume de solução.
É uma grandeza adimensional.

Percentagem em massa/volume % (m/V)

Image1304.gif (1386 bytes)

Pode exprimir-se a composição de uma solução em função da massa de soluto e do volume de solução.
É uma grandeza que não é adimensional, exprimindo-se vulgarmente em g / 100 mL de solução.

Aplicações

1. Observa a tabela seguinte que diz respeito às propriedades de misturas de água e ácido sulfúrico (H2SO4).

  % (m/m) de H2SO4 d (H2SO4) a 20ºC
solução de H2SO4 de bateria de automóvel 38 1,3
solução de H2SO4 comercial 90 1,8

Explica que volume de solução de bateria de automóvel se consegue obter através da diluição de 1,00 L de ácido sulfúrico comercial com água.

 

tópicos de resolução

A densidade da solução de H2SO4 de bateria de automóvel é igual a 1,3 g cm-3.

A densidade da solução de H2SO4 comercial é igual a 1,8 g cm-3.

Cálculo da M(H2SO4) = 98,09 g mol-1.

Cálculo da massa de 1000 cm3 de solução de H2SO4 comercial a 90% igual a 1800 g.

Cálculo da massa de soluto presente na solução de H2SO4 comercial a 90% igual a 1620 g.

Cálculo da massa de 1000 cm3 de solução de H2SO4 da bateria de automóvel a 38% igual a 1300 g.

Cálculo da massa de soluto presente na solução de H2SO4 da bateria de automóvel a 38% igual a 494 g.

Cálculo do nº de moles de H2SO4 presentes em 1,00 L de solução comercial igual a 16,52 mol.

Cálculo da concentração da solução de H2SO4 comercial igual a 16,52 mol dm-3.

Cálculo do nº de moles de H2SO4 presentes em 1,00 L de solução de bateria de automóvel igual a 5,036 mol.

Cálculo da concentração da solução de H2SO4 de bateria de automóvel igual a 5,036 mol dm-3.

Como [H2SO4]comercial x Vcomercial = [H2SO4]bateria x Vbateria logo, 16,52 x 1,00 = 5,036 x Vbateria e então

Vbateria = 3,28 L

Conclusão, este é o volume de solução de bateria de automóvel obtido por diluição de 1,00 L de solução de ácido sulfúrico comercial a 90%.

 

2. Um whisky apresenta um teor alcoólico de 43% (V/V); um vinho do Porto 13,5% (V/V) e um conhaque 40% (V/V). Admite que o copo para servir estas bebidas tem a capacidade de 150 mL.

Explica qual o número de copos de cada bebida necessário para a ingestão de 100 mL de etanol.

 

tópicos de resolução

A percentagem volúmica de etanol é determinada através da relação Image1303.gif (1383 bytes).

Logo, o volume de whisky consumido, sendo o volume de etanol ingerido igual a 100 mL, seria de 232,6 mL, o volume de vinho do Porto consumido seria de 740,7 mL e o volume de conhaque ingerido de 250 mL.

O número de copos ingerido de cada bebida é calculado como a relação entre o volume de bebida ingerido e o volume do copo, isto é,

nº copos = Vsolução / V copo.

Logo, temos 232,6 / 150 = 1,6 copos de whisky; 740,7 / 150 = 4,9 copos de vinho do Porto; 250 / 150 = 1,7 copos de conhaque.

 

3. O conteúdo do ácido acético (CH3COOH) no vinagre é cerca de 3% (m/m). A densidade do vinagre é cerca de 1,0 g/mL.

Determina a concentração de ácido acético no vinagre.

 

tópicos de resolução

A densidade do vinagre é a massa volúmica, isto é, a massa de vinagre por unidade de volume.

Cálculo da massa de vinagre por 1000 mL de vinagre igual a 1000 g.

Utilizando a relação Image1302.gif (1385 bytes) temos que a massa de ácido acético (CH3COOH) nestes 1000 g de vinagre é de 30 g.

Cálculo da massa molar do ácido acético, M(CH3COOH) = 60,06 g/mol.

Cálculo do nº de moles de ácido acético, nestes 1000 g de vinagre, n(CH3COOH) = 0,50 mol.

Cálculo da concentração molar de ácido acético, [CH3COOH] = 0,50 mol/L.

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Partes por milhão (ppm)

Existem situações em que as concentrações têm valores tão pequenos que exigem uma outra forma de expressão, como é o caso dos poluentes que afectam o ambiente ou dos contaminantes dos alimentos.

1 ppm significa que existe 1 g de soluto em 1 x 106 g de solvente.

Assim, por exemplo, quando se refere que o teor em monóxido de carbono na atmosfera, numa zona de tráfego intenso, é de 100 ppm, tal significa que por 1 milhão de g de ar atmosférico existem 100 g de monóxido de carbono, CO.

No caso das soluções aquosas pode dizer-se que 1 ppm equivale a 1 mg de soluto por dm3 de solução, isto é, que 1ppm = 1 mg/L.

 

Aplicações

1. Uma embalagem de ácido sulfúrico (H2SO4) "AnalaR" apresenta no rótulo as seguintes indicações:

d = 1,84

%(m/m) = 98%

Limites máximos de impurezas

matéria não volátil 0,002% cálcio (Ca) 0,0001% magnésio (Mg) 0,00005%
cloreto (Cl) 0,00002% cobalto (Co) 0,000002% níquel (Ni) 0,000005%
nitrato (NO3) 0,00002% cobre (Cu) 0,000002% potássio (K) 0,00005%
amónio (NH4) 0,0002% ferro (Fe) 0,0001% sódio (Na) 0,0005%
cádmio (Cd) 0,000005% chumbo (Pb) 0,000005% zinco (Zn) 0,00005%

Converte as diferentes percentagens de impurezas em ppm.

 

tópicos de resolução

Então é assim:

0,002% = 2 x 10-3% = 2 x 10-5 =20 x 10-6 = 20 ppm

0,00002% = 2 x 10-5% = 2 x 10-7 =0,2 x 10-6 = 0,2 ppm

0,0002% = 2 x 10-4% = 2 x 10-6 =2 x 10-6 = 2 ppm

0,000005% = 5 x 10-6% = 5 x 10-8 =0,05 x 10-6 = 0,05 ppm

0,00005% = 5 x 10-5% = 5 x 10-7 =0,5 x 10-6 = 0,5 ppm

0,0005% = 5 x 10-4% = 5 x 10-6 = 5 ppm

0,0001% = 1 x 10-4% = 1 x 10-6 = 1 ppm

0,000002% = 2 x 10-6% = 2 x 10-8 =0,02 x 10-6 = 0,02 ppm

Logo,

matéria não volátil 20 ppm cálcio (Ca) 1 ppm magnésio (Mg) 0,5 ppm
cloreto (Cl) 0,2 ppm cobalto (Co) 0,02 ppm níquel (Ni) 0,05 ppm
nitrato (NO3) 0,2 ppm cobre (Cu) 0,02 ppm potássio (K) 0,5 ppm
amónio (NH4) 2 ppm ferro (Fe) 1 ppm sódio (Na) 5 ppm
cádmio (Cd) 0,05 ppm chumbo (Pb) 0,05 ppm zinco (Zn) 0,5 ppm

 

2. Uma embalagem de ácido sulfúrico (H2SO4) "Spectrosol" apresenta no rótulo as seguintes indicações:

d = 1,84

%(m/m) = 98%

Limites máximos de impurezas

cádmio (Cd) 0,01 ppm ferro (Fe) 0,1 ppm zinco (Zn) 0,1 ppm
cálcio (Ca) 0,5 ppm magnésio (Mg) 0,03 ppm    
cobalto (Co) 0,02 ppm níquel (Ni) 0,02 ppm    
cobre (Cu) 0,02 ppm potássio (K) 0,2 ppm    
chumbo (Pb) 0,02 ppm sódio (Na) 1 ppm    

Converte as diferentes impurezas expressas ppm em percentagem.

 

tópicos de resolução

Então é assim:

Como 1 ppm = 1 x 10-6 = = 1 x 10-4% = 0,0001%, seguindo este raciocínio temos que

cádmio (Cd) 0,000001% ferro (Fe) 0,00001% zinco (Zn) 0,00001%
cálcio (Ca) 0,00005% magnésio (Mg) 0,000003%    
cobalto (Co) 0,000002% níquel (Ni) 0,000002%    
cobre (Cu) 0,000002% potássio (K) 0,00002%    
chumbo (Pb) 0,000002% sódio (Na) 0,0001%    

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Fracção molar (xi)

A fracção molar é uma relação entre a quantidade química do componente i, que pode ser um soluto, ou seja, o número de moles do componente i, e a quantidade química total, ou seja, o número de moles total, indicado porImage1312.gif (964 bytes) em que Image1313.gif (866 bytes) é o número de moles do componente i e Image1314.gif (865 bytes) é o número total de moles em questão.

Esta grandeza é uma grandeza adimensional.

A fracção molar permite dar uma ideia acerca da composição de uma mistura em função de todos os seus componentes e é fácil de reconhecer que, numa mistura, a soma das fracções molares de todos os seus componentes é igual a 1 (100%).

 

Aplicações

1. Dois recipientes A e B contêm, respectivamente, nA e nB moles de dois gases diferentes, nas mesmas condições de pressão e temperatura.

Sabendo que nB = 3 x nA , qual a relação entre:

a) os volumes VA e VB

b) as  pressões parciais dos gases A e B, ou seja, PA e PB

 

tópicos de resolução

Então é assim:

a) Como a relação entre o volume e o nº de moles é constante, então VA / VB = nA / nB, logo VA / VB = 1/3.

b) xA = nA / n e xB = nB / n logo, xA = nA / n e xB = 3nA / n. Então, como PA = xAP e PB = xBP,   a relação pedida é PA / PB = 1/3.

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Molalidade de um soluto x (mx)

A molalidade de um soluto x representa a relação entre a quantidade química desse soluto, vulgo o seu número de moles, Image1316.gif (868 bytes), e a massa de solvente, Image1317.gif (859 bytes), tal que,  Image1315.gif (978 bytes).

A molalidade de um soluto x exprime-se em mol/kg, isto é, mol de soluto por kg de solvente.

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Bibliografia:

Pereira, Bercinda Ramos; Exercícios de Química, Porto Editora, págs. 42 e 43

Simões, Teresa;Queirós, Mª Alexandra;Simões, Mª Otilde; Técnicas Laboratoriais de Química - Bloco I, Porto Editora, págs. 143-148