Relatório actividade experimentalA.L. 1.6 - Funcionamento de um sistema tampão

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Introdução/ Base do método/ Objectivos

O pH (potencial de hidrogénio iónico) é um índice que indica a acidez, neutralidade ou alcalinidade de um meio. O conceito foi introduzido em 1909 por S. P. L. Sørensen.

O pH pode ser determinado:- por adição de um indicador de pH na solução em análise; a cor do indicador varia consoante o

pH da solução; um indicador é uma substância que varia de cor dentro de um pequeno intervalo de pH, devido ao facto de poder existir em duas ou mais formas que têm estruturas distintas e apresentam cores diferentes.

- usando um medidor de pH que é um multímetro com uma escala que converte o valor de tensão do eléctrodo de pH em unidades de pH.

Uma titulação ácido-base consiste na determinação da concentração de um ácido (ou de uma base), por reacção de uma base (ou de um ácido) de concentração rigorosamente conhecida.

A solução cuja concentração é conhecida designa-se por titulante. A titulação ou volumetria é normalmente realizada com uma bureta, de modo a permitir medir o volume de titulante. O titulado é a solução cuja concentração se pretende determinar; um volume rigorosamente medido desta solução é vertido num gobelé e recebe gota a gota a solução da bureta.  

Apenas um reduzido número de reacções químicas pode ser usado em volumetria, pois devem satisfazer determinados requisitos: ser simples, traduzida por uma equação química conhecida; ser quantitativa, praticamente completa; ser rápida, para que a titulação não seja demorada; apresentar, no ponto de equivalência, uma variação brusca de uma propriedade, física ou química, facilmente detectável.

As reacções utilizadas em volumetria de ácido – base em solução aquosa podem ser:- Ácido forte – base forte- Ácido fraco - base forte- Ácido forte – base fracaO traçado do gráfico de variação do pH em função do volume adicionado de titulante designa-se

por curva de titulação.Na titulação ácido forte/base forte, assim como na titulação base forte/ácido forte a 25ºC e no

ponto de equivalência a solução é neutra, pelo que o pH da solução é 7.O efeito tampão, como o próprio nome indica, consiste no efeito produzido por um tampão. Um

tampão é uma mistura de compostos químicos capaz de manter um determinado valor de pH. Os tampões mais comuns consistem em misturas de um ácido orgânico fraco e de um dos seus sais ou de uma mistura de sais do ácido fosfórico. A adição de um ácido ou de uma base provoca o deslocamento do equilíbrio químico, mantendo-se assim um valor de pH constante.

As soluções tampão resistem a variações bruscas de pH provocadas pela adição de ácidos ou bases. Isto acontece porque existem nas soluções concentrações suficientes de ácido e de base que, em caso de perturbação do equilíbrio por adição de uma base ou de um ácido, conseguem consumir quantidades apreciáveis de OH- ou H3O+.

Este tipo de soluções desempenha um papel fundamental no equilíbrio de alguns sistemas biológicos. Exemplo disso é o caso do sangue humano, meio aquoso tamponado, cujo pH se situa dentro de estreitos limites em torno de pH 7,4.

No laboratório, as soluções tampão são usadas para preparar soluções de pH estável conhecido.Estas também são usadas em medicina, por exemplo em injecções intravenosas, na agricultura e

em muitos processos industriais, como por exemplo para tingir, em processos de fermentação e na indústria alimentar.

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Uma curva de titulação apresenta algumas zonas quase verticais: a adição de uma pequena quantidade de ácido ou de base provoca uma variação brusca de pH. Outras zonas apresentam um declive suave, quase horizontal onde o pH quase não muda por adição de um ácido ou base, formando então um sistema tampão.

Esta actividade laboratorial tem como objectivos principais a determinação das zonas com efeito tampão através da realização de uma titulação ácido forte – base fraca, ou seja, Na2CO3 e HNO3 de concentrações previamente conhecidas. O gráfico de titulação vais ser construído através da medição do pH ao longo do processo experimental e traçada depois a curva de titulação com os respectivos pontos de equivalência e identificação das zonas tampão.

Neste tipo de titulação (cuja reacção é completa), o ponto de equivalência é inferior a 7, pois, neste ponto a solução resultante de reacção entre titulante e titulado possui pH inferior a 7, devido ao facto do sal formado (que está em solução aquosa) derivar da base fraca e do ácido forte.

Como a base é fraca, o seu ácido conjugado será forte que facilmente reagirá com a água, formando iões H3O+.

Reacções que ocorrem na titulação a realizar:

Na2CO3 (aq) → 2Na (aq) + CO32- (aq) (dissolução do sal)

CO32- (aq) + HNO3 (aq) → HCO3

- (aq) + NO3- (aq)

HCO3- (aq) + HNO3 (aq) → H2CO3 (aq) + NO3

- (aq)

2Na (aq) + 2NO3- (aq) → 2NaNO3 (aq)

Equação geral da reacção:

Na2CO3 (aq) + 2HNO3 (aq) → 2NaNO3 (aq) + H2CO3 (aq)

Para uma boa elaboração dos trabalhos experimentais, deve ter-se sempre em conta as regras de segurança em laboratório, respeitando todas as ordens do elemento superior (no nosso caso, do professor).

Ilustração 1 - Gráfico ideal da actividade laboratorial

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Esquema de montagem

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Garra para buretas

Bureta de 50 mL com solução aquosa HNO3 (titulante)

Esguicho com água destilada

Medidor de pH

Gobelé de 200 mL com solução aquosa de Na2CO3 (titulado)

Suporte universal Pipeta com

macrocontrolador

Termómetro

Balão volumétrico de

250 mL

Material/Reagentes

Bureta de 50 mL Esguicho com água destilada Gobelé de 200 mL Pipeta de 2 mL Pipeta de 10 mL Medidor de pH Suporte universal Funil Garra para bureta Papel de limpeza Balança analítica Macrocontrolador 2×Balão volumétrico de 250 mL Solução aquosa HNO3de concentração 14,3 mol/dm3

Solução aquosa HNO3de concentração 0,10 mol/dm3 (titulante) Solução aquosa Na2CO3de concentração 0,10 mol/dm3 (titulado)

Regras de segurança

HNO3 – R: 35 – S: 23-26-36/37/39-45 Na2CO3 – R: 36 – S: 22-26

R35 : Provoca queimaduras graves R36 : Irritante para os olhosS22 : Não respirar o pó S23 : Não respirar o vapor/gás/fumo/aerossol S26 : Em caso de contacto com os olhos lavar imediata abundantemente em água e chamar um médico S36 : Usar vestuário de protecção adequado S37 : Usar luvas adequadas S39 : Usar protecção adequada para os olhos/cara S45 : Em caso de acidente ou indisposição consultar imediatamente um médico (se possível mostrar-lhe o rótulo do produto)S37/39 : Usar luvas adequadas e protecção para os olhos/cara

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Modo de proceder

1) Preparar a solução aquosa de HNO3 de concentração 0,10 mol/L a partir da mesma solução mas de concentração 14,3 mol/L

2) Preparar a solução aquosa de Na2CO3 de concentração 0,10 mol/L a partir da massa de Na2CO3,adicionando água destilada

3) Preparar um balão volumétrico de 250 cm3 com um volume de 1,74 cm3 de solução aquosa HNO3 de concentração 0,10 mol/L, adicionando água destilada até aos 250 cm3

4) Medir 10 cm3 de solução aquosa de Na2CO3 de concentração 0,10 mol/L e adicionar 20 cm3 de água destilada num gobelé de 200 cm3

5) Preparar uma bureta de 50 mL com um volume de 25 mL de solução aquosa de HNO3 de concentração 0,10 mol/L, lavando antes a bureta com água destilada e com solução aquosa de HNO3

6) Posicionar a bureta no suporte universal com a ajuda de uma garra para buretas7) Colocar o gobelé com solução aquosa de Na2CO3 debaixo da bureta para poder adicionar

titulante ao titulado8) Lavar o eléctrodo do medidor de pH com água destilada9) Introduzir o eléctrodo do medidor de pH dentro do gobelé com o titulado (Na2CO3)10) Medir e registar o valor do pH e da temperatura antes da titulação11) Adicionar o titulante (HNO3) em intervalos de 0,5 cm3 ao titulado e registar o valor do pH após

cada adição numa tabela12) Traçar a curva de titulação com os valores obtidos nesta titulação, ou seja, o pH em função do

volume de titulante adicionado13) Identificar as zonas tampão no gráfico e fazer uma análise crítica da actividade experimental.

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Registo de observações/Medições

Volume Adicionado de HNO3 (cm3) pH

0 11,230,5 11,071 10,881,5 10,732 10,59

2,5 10,483 10,383,5 10,274 10,194,5 10,15 10,025,5 9,936 9,836,5 9,727 9,617,5 9,458 9,38,5 9,079 8,369,5 7,810 7,5410,5 7,411 7,2811,5 7,1412 6,99

12,5 6,9413 6,8413,5 6,7614 6,6414,5 6,5715 6,4415,5 6,3716 6,316,5 6,1517 5,8717,5 5,7318 5,0718,5 3,4819 3,0219,5 2,8220 2,6620,5 2,5921 2,5121,5 2,4522 2,3822,5 2,3423 2,323,5 2,2624 2,2224,5 2,1925 2,16

m (Na2CO3 (s)) = 2,6498 gV (HNO3 (aq)) = 1,74 cm3

V (Na2CO3 (aq)) = 10 cm3

V água destilada = 20 cm3

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Cálculos

HNO3

- 65% de HNO3 em 100% de solução concentrada de HNO3

- ρ = 1,39 kg/L = 1,39 g/ cm3

- Supondo que em 100g de solução concentrada de HNO3 temos em que existem 65g de HNO3, então os restantes 35 g são de H2O

- M (HNO3) = 63 g/L- m (HNO3) = 65g- cf = 0,10 mol/L- Vf = 250 cm3

- M (Na2CO3) = 105,99 g/mol

n = mM =

6563 = 1,03 mol (HNO3)

ρ = mV ⟨¿ ⟩

100V =1,39 ⟨¿ ⟩ Vi = 71, 94 cm3 = 0,07194 dm3

ci = n

V i ⟨¿ ⟩ ci =

1,03 mol0,07194 L = 14,3 mol L

ciVi = cfVf ⟨¿ ⟩ 14,3 × Vi = 0,10 × 250 ⟨¿ ⟩ Vi = 1,74 cm3 (HNO3)

Na2CO3

c = 0,10 mol/LV= 250 cm3 = 0,250 dm3

c = nV ⟨¿ ⟩ n = c × V ⟨¿ ⟩ n = 0,10 × 0, 250 ⟨¿ ⟩ n = 0,025 mol (Na2CO3)

n = mM ⟨¿ ⟩ m = n × M ⟨¿ ⟩ m = 0,025 × 105,99 ⟨¿ ⟩ m = 2,6498 g Na2CO3

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Gráfico

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 250

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Gráfico de neutralização de uma solução de Na2CO3 (aq) com uma solução de HNO3 (aq)

pH

Volume de titulante adicionado - HNO3 (aq)

pH

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Conclusão/discussão crítica

Na realização desta actividade laboratorial foi necessário tomar especial cuidado no manuseamento do ácido forte (HNO3) visto que, em contacto com a pele, pode causar irritação cutânea.

A realização do trabalho experimental foi de acordo com as regras de segurança e os resultados obtidos confirmaram o suporte teórico acerca do funcionamento de um sistema tampão visto que conseguimos identificar no gráfico obtido as zonas que funcionam como um tampão.

O gráfico obtido da titulação foi muito parecido ao gráfico ideal, podendo observar muito bem os pontos de equivalência e as zonas tampão. O ião carbónico é uma base diprótica e a sua titulação potenciométrica permite identificar os seus dois pontos de equivalência, assim como as zonas em que a solução te comportamento de solução tampão.

1) Quantas zonas tampão podem ser identificadas no gráfico traçado?No gráfico podem ser identificadas 3 zonas tampão nos intervalos 11-9; 7,5-6 e 3-2, na escala do

pH. São consideradas zonas com efeito tampão por não ocorrer uma variação significativa do valor de pH à medida que se adiciona o titulante.

2) Quais são os pares de espécies responsáveis por tal efeito?HNO3/HCO3

- HNO3/H2CO3

3) Provavelmente formaram-se bolhas gasosas na parte final da titulação, devido à decomposiçãodo ácido carbónico (H2CO3). Escreva a equação química correspondente.

H2CO3 (aq) → CO2 (g) + H2O (l)

4) Durante esforços físicos intensos há produção de ácido láctico nos músculos. Por que motivo opH do sangue não sofra grandes variações nessas situações?

O pH do sangue não sofre grandes variações durante esforços intensos, onde há produção de ácido láctico nos músculos, porque no nosso organismo existem sistemas tampão, cujo objectivo é impedir variações bruscas de pH.

O sistema tampão constituído pelo bicarbonato e pelo ácido carbónico tem características especiais nos líquidos do organismo. O ácido carbónico é um ácido bastante fraco e a sua dissociação em iões hidrogénio e iões bicarbonato é mínima, em comparação com outros ácidos.

Assim, quando um ácido é produzido no organismo, o sal do sistema tampão reage com o mesmo, produzindo um novo sal de sódio e ácido carbónico ou então dióxido de carbono e água. O dióxido de carbono em excesso no organismo é eliminado pelos pulmões. Quando uma base é produzida no organismo, o ácido do sistema tampão reage com a mesma, produzindo bicarbonato de sódio e água. O bicarbonato em excesso é eliminado pelos rins.

Por estes motivos, quando há esforços intensos, com consequente formação de ácido láctico nos músculos, o pH do sangue não varia porque o sal do sistema tampão reage com o ácido láctico.

Bibliografia − https://www.infopedia.pt/$solucao-tampao

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− http://209.85.129.132/search?q=cache:sa6WivO8FQwJ:www.exames.org/index.php%3Foption%3Dcom_docman%26task%3Ddoc_download%26gid%3D1580%26Itemid%3D45+trabalhos+sobre+o+efeito+tampão&cd=10&hl=pt-PT&ct=clnk&gl=pt

− http://pt.wikibooks.org/wiki/Ficheiro:Titolazione.gif

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