Determinação de composição percentual em massa em uma solução aquosa

Fonte: Laboratório do Dr. Neal Abrams — SUNY College of Environmental Science and Forestry

Determinar a composição de uma solução é uma importante técnica analítica e forense. Quando as soluções são feitas com água, elas são referidas como sendo aquosas, ou contendo água. O componente primário de uma solução é referido como solvente, e o componente menor dissolvido é chamado de soluto. O soluto é dissolvido no solvente para fazer uma solução. A água é o solvente mais comum na vida cotidiana, assim como quase todos os sistemas biológicos. Nos laboratórios de química, o solvente pode ser outro líquido, como acetona, éter ou álcool. O soluto pode ser um líquido ou um sólido, mas este experimento só aborda a determinação dos sólidos.

Quando um soluto é dissolvido em um solvente, a massa da solução resultante é uma soma da massa do soluto e do solvente. Segue-se a Lei de Conservação da Missa:

Isso difere da adição de volumes, que é poucodditivo, uma vez que moléculas do soluto se encaixam em espaços abertos entre as moléculas do solvente e mantém o volume total menor do que o esperado. Determinar por cento por massa é uma técnica simples e importante para analisar a composição de uma solução. Por definição, um por cento é um valor fracionado e sem unidade de um componente em comparação com o todo. Neste caso, o percentual por massa pode ser representado matematicamente como:

Embora a porcentagem por massa seja unitária, esse valor às vezes é representado com as unidades (c/w) para transmitir que a comparação é apenas por massa (peso) e não por volume. Por cento por volumes são indicados como peso por volume (w/v) ou volume por volume (v/v). Nos cálculos de c/w, é importante notar que o denominador é a massa de toda a solução, não o solvente. Enquanto o percentual por massa é usado para determinar a concentração de soluções, percentual por toupeira é normalmente usado para calcular a porcentagem de anelement ou grupo em uma molécula. É difícil calcular por cento por toupeira em uma solução, uma vez que as verrugas totais de soluto e solvente precisariam ser conhecidas. Se esses valores fossem conhecidos, o cálculo geral seria irrelevante.

Em alguns casos, obter a massa do solvente ou solucionar individualmente pode ser difícil ou impraticável. Nestes casos, a densidade de uma solução pode ser usada para determinar por cento de massa, produzindo primeiro uma curva de calibração de soluções com composições conhecidas. Isso requer o seguinte para ser conhecido: a identidade do solute e uma faixa razoável da concentração da solução. Métodos analíticos mais complexos são necessários quando mais de um soluto está presente na solução. Por exemplo, precipitação seletiva ou troca de íons poderia ser usado para analisar por um soluto de interesse. Para soluções solutuosas únicas, deve-se estar disponível material suficiente para criar uma série de soluções de concentração conhecida. Dois por cento por métodos de massa são demonstrados aqui.

1. Por cento por Massa - Direto

1. Coloque um pequeno volume de uma solução em um béquer limpo e seco no forno ou prato de cristalização.
2. Depois de determinar com precisão a massa total precisa da solução, aqueça o béquer ou prato em uma placa quente ou em um forno para afastar a água. A evaporação lenta é o melhor método, pois a ebulição pode resultar em respingos da solução.
3. Uma vez que o solvente tenha evaporado, esfrie o sólido restante (soluto) e determine a massa.
4. Calcule a porcentagem de massa como:
   

2. Por cento por massa - Usando uma curva de calibração

1. Faça uma série de soluções padrão dissolvendo quantidades conhecidas de soluto em um solvente. Cinco padrões são recomendados e devem variar das composições mínimas ao máximo esperados.
   1. Se o valor aproximado for desconhecido, produza uma série de soluções que variam de 0% até o máximo de solubilidade do soluute na água. Tabelas de referência estão disponíveis para indicar a solubilidade máxima para muitos sólidos na água sobre uma variedade de faixas de temperatura.
   2. Por exemplo, para produzir uma solução de cloreto de sódio (CNA) de 35%, adicionar 35 g a um frasco, depois adicionar 65 g (ou 65 mL, pois o volume também pode ser usado ao medir água pura, uma vez que a densidade é conhecida por ser 1,0 g/mL a temperaturas ambientes) de água, e misturar a solução até que o sólido seja dissolvido. Como a massa é aditiva, isso seria o mesmo que adicionar água suficiente para que a solução total tenha uma massa de 100 g.
2. Depois de medir a massa de um volume preciso de cada uma das soluções padrão, calcule a densidade como:

3. Análise de dados

1. Plote os valores de densidade em relação à porcentagem por massa das soluções padrão e determine a inclinação da linha. Esta inclinação corresponde à densidade versus por cento da solução, encaixando uma equação linear, y = mx + b (Figura 1).
2. Calcule a densidade da solução amostral desconhecida obtendo a massa do volume específico de soluções. Agora que a inclinação da linha é conhecida, determine a porcentagem por massa de soluto resolvendo para "x" usando a densidade medida e inclinação da curva de calibração.

Utilizando o exemplo mostrado na Figura 1,foi elaborado um conjunto de padrões de cloreto de sódio com composições de massa por cento de 5.000%, 10,00%, 15,00%, 20,00% e 25,00% de soluto na solução. As densidades medidas foram de 1.025, 1.042, 1.060, 1.070 e 1.090 g/mL, respectivamente. Após a plotagem desses dados, uma linha de tendência linear é aplicada, encaixando a equação y = 3.446 x 10^-3x + 1,0048, onde y é a densidade e x é a composição por cento de massa.

Em seguida, o volume de 10,00 g de solução com composição percentual desconhecida é medido e determinado em 9.497 mL. Dividindo a massa pelo volume, a densidade é então calculada como 1,053 g/mL. Inserindo o valor de densidade na equação linear, a porcentagem de massa é determinada como x:

Figura 1. Densidade da solução de cloreto de sódio aquoso em função da composição percentual por massa.

A porcentagem de açúcar em refrigerante poderia ser facilmente determinada a uso do princípio da composição por cento de massa. O procedimento para fazer este experimento seria medir a massa e o volume de refrigerante desgaseado (sem bolhas) e calcular a densidade da solução. Uma curva de calibração de densidade versus porcentagem por massa para várias soluções padrão de sacarose (açúcar) precisaria ser criada, e então essa calibração poderia ser usada para resolver para a porcentagem de sacarose no refrigerante. Uma suposição é que a sacarose é o principal contribuinte para uma mudança na densidade do refrigerante, o que é verdade para refrigerantes sem açúcar.

A água do mar é composta por vários sais diferentes dissolvidos na água; por exemplo, NaCl, MgCl₂e NaBr₂. Embora seja difícil determinar por cento de massa usando uma curva de calibração, a evaporação fornece uma solução simples para o problema. Tomando uma massa conhecida de água do mar e evaporando-a, a massa pode ser determinada pela quantidade de soluto restante após a evaporação do solvente. Em seguida, a massa de soluto precisa ser dividida pela massa total da solução original para calcular a massa por cento dos sais (sólidos dissolvidos) na água do mar.

Existem uma variedade de compostos iônicos que têm moléculas de água e são chamados de hidratos. O número de moléculas de água em um composto pode ser determinado por porcentagem de composição. Por exemplo, o cloreto de cobalto (II) normalmente é azul, mas fica rosa quando é hidratado. Se 5,0 gramas de hidrato de cobalto rosa (II) é aquecido ao ponto de ficar azul, então a massa final do sólido azul é registrada como 2,73. A diferença, de 2,27 g, corresponde à massa de água que estava nos 5 g de sólido hidratado. A amostra original foi de 45,4 % de água por massa. Convertendo valores de massa em mols, pode-se calcular que 0,02101 mols de cloreto de cobalto (129,93 g/mol) e 0,126 mols de água (18 g/mol) estão presentes. Dividindo pelo menor valor, pode-se determinar que 6 mols de água estão presentes para cada mol de cloreto de cobalto.