Química dos ensinos fundamental e médio · Grades 1–12
31A dissolução dos sólidos iônicos e moleculares
Uma pitada de sal mexida na água some em segundos; a mesma pitada mexida no óleo de cozinha fica no fundo do copo, sem mudar, por quanto tempo alguém quiser olhar. Uma frigideira engordurada enxaguada na torneira continua engordurada; uma gota de detergente, e a gordura se solta. O que decide se uma substância se dissolve num líquido? A resposta está nas cargas parciais e nas forças entre partículas do capítulo anterior.
O que você já sabe
A solubilidade; os líquidos miscíveis e imiscíveis (Capítulo 9). Um composto iônico é formado por cátions e ânions em proporções que o tornam neutro (Capítulo 17). As moléculas polares e apolares, as ligações de hidrogênio, as interações de van der Waals (Capítulo 30). A extração líquido–líquido (Capítulo 22). A concentração molar (Capítulo 26).
31.1 A dissolução de um sólido iônico
Num cristal de cloreto de sódio, cada íon sódio está cercado por íons cloreto e cada íon cloreto por íons sódio, todos mantidos pela atração entre cargas opostas. As moléculas de água, polares, são atraídas por essas cargas: o seu lado do oxigênio () se volta para os cátions, o seu lado dos hidrogênios () para os ânions.
Definição 31.1 (Dissociação)
A dissociação de um sólido iônico num solvente é a separação dos seus íons uns dos outros: eles deixam o cristal e se afastam na solução.
Definição 31.2 (Solvatação, hidratação)
A solvatação de uma partícula dissolvida é o seu envolvimento por moléculas de solvente, presas a ela por atrações; na água, ela se chama hidratação. O símbolo (aq) depois de uma fórmula quer dizer “hidratado”.
Proposição 31.3 (As três etapas da dissolução)
Um sólido iônico se dissolve na água em três etapas que acontecem juntas: os íons são arrancados do cristal (dissociação), envolvidos por moléculas de água (hidratação) e espalhados por toda a solução (dispersão). Para o cloreto de sódio,
Demonstração. Admitido: as atrações entre os íons e as moléculas polares de água, somadas, são fortes o bastante para substituir as atrações entre os íons do cristal. ∎
31.2 As concentrações dos íons
Método 31.4 (A concentração de cada íon)
- Escreva a equação de dissolução, balanceada em átomos e em carga: para o cloreto de cálcio, .
- Calcule a quantidade de sólido dissolvido, e a concentração da solução em soluto.
- Cada íon tem a concentração multiplicada pelo seu coeficiente na equação: aqui e .
Os colchetes indicam a concentração molar de uma espécie dissolvida.
Exemplo 31.5 (O cloreto de cálcio)
de cloreto de cálcio () dissolvidos para fazer de solução: , , logo e . A solução é neutra: de carga positiva por litro para de negativa.
31.3 Polaridade e solubilidade
Proposição 31.6 (Semelhante dissolve semelhante)
Um solvente polar, como a água, dissolve os sólidos iônicos e as espécies polares, sobretudo as capazes de formar ligações de hidrogênio com ele; um solvente apolar, como o ciclo-hexano ou um óleo vegetal, dissolve as espécies apolares. Os sólidos iônicos se dissolvem muito pouco nos solventes apolares, e as espécies apolares muito pouco na água.
Demonstração. Admitido: um soluto se dissolve bem quando as atrações que ele pode formar com o solvente são pelo menos tão fortes quanto as que ele rompe, entre as suas próprias partículas e entre as moléculas do solvente. ∎
Exemplo 31.7 (Três casos)
O etanol se mistura com a água em todas as proporções: o seu grupo forma ligações de hidrogênio com a água. O sal se dissolve na água, mas não no óleo. O iodo, , uma molécula apolar, se dissolve mal na água (cerca de , uma solução marrom), mas bem nos solventes apolares ( por quilograma de heptano, uma solução violeta).
31.4 A extração líquido–líquido, explicada
Uma extração líquido–líquido leva uma espécie de um solvente para outro, imiscível com o primeiro, no qual ela é mais solúvel. A regra “semelhante dissolve semelhante” diz que solvente escolher.
No laboratório — Extrair o iodo
de uma solução aquosa marrom de iodo são despejados num funil de separação com de ciclo-hexano. O funil é tampado, agitado, a sua pressão é aliviada pela torneira, e ele é deixado em repouso. Formam-se duas camadas: o ciclo-hexano, menos denso, em cima. A camada de cima agora é violeta, a de baixo quase incolor: o iodo passou para o ciclo-hexano. A camada de baixo é escoada pela torneira, e o iodo é recuperado no ciclo-hexano.
Segurança
O ciclo-hexano é altamente inflamável, o seu vapor dá sonolência, ele é nocivo para os pulmões se ingerido e muito tóxico para os organismos aquáticos. O iodo é nocivo em contato com a pele e se inalado. Capela de exaustão, óculos de proteção e luvas, nenhuma chama por perto; os resíduos orgânicos são recolhidos.
31.5 Os sabões e as moléculas anfifílicas
Definição 31.8 (Hidrofílico, hidrofóbico)
Uma espécie ou uma parte de uma molécula é hidrofílica se é atraída pela água (grupos iônicos ou polares, grupos que formam ligações de hidrogênio); ela é hidrofóbica se não é (longas cadeias de átomos de carbono e de hidrogênio, apolares). As espécies hidrofóbicas se dissolvem nas gorduras e nos óleos.
Definição 31.9 (Molécula anfifílica, micela)
Uma molécula ou um íon anfifílico tem uma cabeça hidrofílica e uma cauda hidrofóbica. Na água, os íons anfifílicos se agrupam em micelas: esferas minúsculas com as caudas dentro, fora da água, e as cabeças na superfície, em contato com ela.
Exemplo 31.10 (Um sabão)
O estearato de sódio, (), é um sabão típico, feito de gorduras animais ou vegetais. Na água, ele se dissolve na forma de íons sódio e íons estearato : uma cabeça , iônica, hidrofílica, e uma cauda de 17 átomos de carbono, hidrofóbica.
Proposição 31.11 (Como o sabão remove a gordura)
A gordura é hidrofóbica e não se dissolve na água. Na água com sabão, as caudas dos íons do sabão se dissolvem na gordura enquanto as cabeças ficam na água; a gordura se quebra em gotículas minúsculas, cada uma envolvida por uma micela cuja superfície carregada fica voltada para a água, e as gotículas são levadas embora pela água do enxágue.
Demonstração. Admitido: isso decorre de “semelhante dissolve semelhante” aplicado a cada extremidade do íon; as cabeças carregadas do lado de fora também impedem que as gotículas se juntem de novo, já que cargas de mesmo sinal se repelem. ∎
Observação 31.12 (Água dura e borra de sabão)
A água dura contém muitos íons cálcio e íons magnésio , dissolvidos das rochas por onde ela passou. Com os íons estearato, eles formam um precipitado (Capítulo 17), o estearato de cálcio:
Esse sólido acinzentado é a borra que forma um anel na pia, e cada íon de sabão preso nela fica perdido para a lavagem: na água dura, o sabão faz pouca espuma até que se tenha acrescentado o bastante para precipitar todo o cálcio.
31.6 Exercícios
Exercício 31.1 ★
Escreva as equações de dissolução na água do cloreto de sódio , do cloreto de cálcio , do sulfato de sódio e do cloreto de alumínio .
Solução
Solução de Exercício 31.1.
; ; ; .
Exercício 31.2 ★
Uma solução de sulfato de sódio tem . Dê as concentrações dos íons sódio e dos íons sulfato.
Solução
Solução de Exercício 31.2.
; .
Exercício 31.3 ★
O que se entende por hidratação de um íon? Que extremidade de uma molécula de água aponta para um cátion, e qual aponta para um ânion? Por quê?
Solução
Solução de Exercício 31.3.
A hidratação é o envolvimento do íon por moléculas de água presas a ele. A extremidade do oxigênio () aponta para um cátion, a extremidade dos hidrogênios () para um ânion: cargas opostas se atraem.
Exercício 31.4 ★
Dissolvem-se de cloreto de alumínio para fazer de solução. Calcule a concentração da solução e a de cada íon.
Solução
Solução de Exercício 31.4.
; ; ; , .
Exercício 31.5 ★
Identifique cada parte do íon estearato como hidrofílica ou hidrofóbica, e diga por quê.
Solução
Solução de Exercício 31.5.
A cabeça é iônica, atraída pela água: hidrofílica. A cauda de 17 átomos de carbono, só com ligações e ligações quase apolares, é apolar: hidrofóbica.
Exercício 31.6 ★★
Que solvente, água ou ciclo-hexano, você escolheria para dissolver: o sal; a cera de vela (longas cadeias de hidrocarbonetos); o açúcar (muitos grupos ); o iodo? Justifique cada escolha.
Solução
Solução de Exercício 31.6.
Sal: água (sólido iônico, solvente polar). Cera: ciclo-hexano (cadeias apolares). Açúcar: água (os seus grupos formam ligações de hidrogênio com a água). Iodo: ciclo-hexano (molécula apolar).
Exercício 31.7 ★★
O etanol se mistura com a água em todas as proporções, mas o hexano não se mistura com a água. Explique.
Solução
Solução de Exercício 31.7.
O grupo do etanol forma ligações de hidrogênio com as moléculas de água, que substituem as que ele rompe: o etanol se encaixa na água. O hexano, apolar, não consegue formar essas ligações; as moléculas de água, presas umas às outras por ligações de hidrogênio, não o deixam entrar.
Exercício 31.8 ★★
Olhe a figura da micela. Por que as caudas ficam dentro e as cabeças fora? Por que duas micelas não se juntam numa gota maior de gordura?
Solução
Solução de Exercício 31.8.
As caudas hidrofóbicas evitam a água e se dissolvem na gordura, no centro; as cabeças carregadas são atraídas pela água e ficam do lado de fora. Todas as micelas têm cargas negativas na superfície, e cargas de mesmo sinal se repelem: elas ficam separadas.
Exercício 31.9 ★★
Um aroma vegetal está dissolvido na água. Para extraí-lo, um químico pode usar etanol ou ciclo-hexano. Qual deles é adequado, e por que o outro não é (pense na miscibilidade)?
Solução
Solução de Exercício 31.9.
O ciclo-hexano: ele é imiscível com a água, por isso forma uma camada separada que pode ser escoada, e o aroma (apolar) se dissolve bem nele. O etanol é miscível com a água: não se forma uma segunda camada, e nada pode ser separado.
Exercício 31.10 ★★
Na extração do iodo, por que a camada de ciclo-hexano fica em cima? Que camada é escoada pela torneira? Onde está o iodo no fim?
Solução
Solução de Exercício 31.10.
O ciclo-hexano é menos denso que a água. A camada de baixo, aquosa, é escoada pela torneira. O iodo está na camada de ciclo-hexano de cima, que fica no funil.
Exercício 31.11 ★★
Uma solução azul de sulfato de cobre é agitada com ciclo-hexano. O que acontece com a cor azul? Explique.
Solução
Solução de Exercício 31.11.
Nada: o sulfato de cobre é iônico e não se dissolve no ciclo-hexano apolar. A água continua azul e o ciclo-hexano incolor.
Exercício 31.12 ★★★
Que massa de cloreto de cálcio deve ser dissolvida para fazer de uma solução em que ?
Solução
Solução de Exercício 31.12.
, logo ; ; .
Exercício 31.13 ★★★
Verifica-se que uma amostra de água do mar contém de íons cálcio e de íons magnésio. Explique por que o sabão comum faz muito pouca espuma na água do mar. Quanto estearato de sódio seria precipitado só pelos íons cálcio de um litro de água do mar?
Exercício 31.14 ★★★
de solução de cloreto de sódio a são misturados com de solução de cloreto de cálcio a . Não se forma nenhum precipitado. Calcule as concentrações de , e na mistura, e verifique que ela é neutra.
Solução
Solução de Exercício 31.14.
Volume . : ; : ; : . Carga positiva: ; negativa: . Neutra.
Exercício 31.15 ★★★
O iodo se dissolve até cerca de por litro de água e por quilograma de heptano. O heptano tem uma densidade de cerca de . Quantas vezes mais iodo um litro de heptano consegue conter que um litro de água? O que isso significa para uma extração?
Solução
Solução de Exercício 31.15.
Um litro de heptano tem massa de e consegue conter de iodo, cerca de 40 vezes mais que um litro de água. Agitados juntos, quase todo o iodo passa para o heptano: a extração é eficiente.
31.7 Problema: o sabão e a água dura
Problema 31.1
Problema de fim de semana — quanto sabão um banho de água dura desperdiça em borra?
Uma água da torneira contém de íons cálcio e de íons magnésio por litro. Uma banheira é enchida com dela, e a pessoa que toma banho usa um sabão feito de estearato de sódio, .
Parte I — O que há na água.
- De onde vêm os íons cálcio e magnésio da água da torneira?
- Calcule as concentrações molares dos íons cálcio e dos íons magnésio.
- Os íons cálcio vêm acompanhados de íons hidrogenocarbonato, , como se tivesse sido dissolvido hidrogenocarbonato de cálcio . Escreva essa equação de dissolução, e deduza a concentração de íons hidrogenocarbonato que acompanha o cálcio.
- Que quantidade de íons cálcio a banheira contém?
Parte II — O sabão.
- Calcule a massa molar do estearato de sódio.
- Escreva a sua equação de dissolução na água.
- Que parte do íon estearato é hidrofílica, e qual é hidrofóbica? Por que ele é chamado de anfifílico?
- Descreva uma micela, e explique como ela remove a gordura da pele.
- Por que o sabão deve ser dissolvido na água, e não no óleo, para lavar?
Parte III — A borra.
- Escreva a equação da precipitação do estearato de cálcio. Verifique que ela está balanceada em carga.
- Preencha a tabela de avanço para da água da torneira e um excesso de íons estearato. Que reagente é limitante?
- Que quantidade de íons estearato é perdida por litro para o cálcio?
- Calcule a massa molar do estearato de cálcio, e a massa de borra formada por litro.
- O estearato de magnésio precipita do mesmo modo. Que quantidade de estearato os íons magnésio tomam por litro?
Parte IV — O banho.
- Que quantidade de íons estearato o cálcio da banheira inteira precipita?
- Que massa de sabão é essa?
- Somando o magnésio, que massa de sabão é desperdiçada ao todo?
- As barras de sabão pesam cerca de . Quantas barras o cálcio sozinho consome?
- Dê a resposta final: que massa de sabão o cálcio de um banho de dessa água desperdiça em borra?
Solução
Solução de Problema 31.1.
1. Das rochas por onde a água passou (calcário, dolomita, gipsita), que se dissolvem um pouco.
2. ; .
3. ; logo .
4. .
5. .
6. .
7. Cabeça : hidrofílica; cauda : hidrofóbica. Ele tem os dois tipos de parte: é anfifílico.
8. Uma esfera minúscula de íons de sabão, caudas para dentro, cabeças para fora. As caudas se dissolvem na gordura, que se quebra em gotículas envolvidas por micelas; as superfícies carregadas mantêm as gotículas separadas na água, que as leva embora no enxágue.
9. O sabão precisa formar íons e micelas, o que exige água em volta das cabeças; e a gordura é levada embora pela água do enxágue. No óleo, a gordura simplesmente continuaria dissolvida na pele.
10. : cargas à esquerda, à direita.
11. : excesso ; : ; estearato de cálcio: . Os íons cálcio são limitantes: .
12. por litro.
13. ; de borra por litro.
14. por litro.
15. .
16. .
17. Magnésio: , que toma de estearato, de sabão; ao todo, cerca de .
18. barras.
19. O cálcio de um banho desperdiça cerca de de sabão em borra.