MATÉRIA, ENERGIA E AS TRANSFORMAÇÕES NA TERRA

Entre os meses de dezembro e março de cada ano, que marcam o verão no hemisfério Sul, o período do dia é maior do que o da noite e as temperaturas dos dias são mais quentes, além de ser comum ocorrerem chuvas intensas em diferentes regiões do Brasil.

O Sol é a estrela do Sistema Solar. Sua luz é composta de radiação ultravioleta, luz visível e radiação infravermelha, chegando aos planetas desse sistema com diferentes intensidades. Ao atingir a superfície terrestre, parte das ondas eletromagnéticas provenientes do Sol, nesse caso a radiação infravermelha, aquece a superfície do planeta e seus componentes bióticos e abióticos, como a água abre parênteses H subscrito 2 O fecha parênteses$\left({\text{H}}_2\text{O}\right)$.

Ao absorver esse tipo de radiação, a água pode mudar seu estado de agregação, ou seja, a disposição de suas moléculas no espaço, passando da fase sólida para a líquida ou da líquida para a gasosa. Essas mudanças podem ser identificadas no ciclo hidrológico e são essenciais para a ciclagem desse composto no ambiente.

O ciclo hidrológico, também conhecido como ciclo da água, é o movimento contínuo da água no ambiente e entre seus componentes e, assim como outros ciclos da natureza, é biogeoquímico. Confira a seguir um esquema do ciclo hidrológico.

Professor, professora: Oriente os estudantes a ler as informações do esquema seguindo a ordem numérica crescente.

Imagem elaborada com base em: MILLER, G. Tyler; SPOOLMAN, Scott E. Ciência ambiental. 11. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2008. p. 56.

Estudando os estados de agregação da matéria

Professor e professora: Comente com os estudantes que, neste capítulo, será utilizado o termo estado para se referir ao estado de agregação/fase. Enfatize que eles poderão encontrar o termo estado físico sendo utilizado como sinônimo em outros materiais.

No ciclo hidrológico é possível identificar três diferentes estados de agregação da matéria ou fases da matéria: sólido, líquido e gasoso. Esses estados de agregação não são exclusivos da água, podendo também ser encontrados em outros materiais. Na natureza, há outros estados de agregação, no entanto nosso estudo se concentrará apenas nesses três, que são mais comuns no ambiente e em nosso cotidiano.

Estado de agregação: sólido.

Nesse estado, que é o de menor energia entre os três estados da matéria citados, os componentes têm mínima mobilidade, mantendo-se unidos. Além disso, as interações entre os componentes são fortes, conferindo resistência física ao material.

• Forma: fixa.
• Volume: fixo.

Professor, professora: Comente com os estudantes que existem outros estados de agregação além dos abordados nesta página, como o plasma e o condensado de bose-einstein. Se julgar conveniente, leia mais informações sobre esses estados de agregação no capítulo 9 do livro digital disponível em: https://s.livro.pro/1c29ro. Acesso: 19 out. 2024.

Estado de agregação: líquido.

Esse estado apresenta energia intermediária em relação ao estado de agregação sólido e gasoso. Os componentes de materiais líquidos têm relativa mobilidade e suas interações entre os componentes são mais fracas do que o ocorrido na fase sólida.

• Forma: acomoda-se no recipiente onde se encontra.
• Volume: fixo.

Leão-marinho (Zalophus wollebaeki): pode atingir aproximadamente 2 vírgula 5 metros$\text{2,5 m}$ de comprimento.

Salema (Xenocys jessiae): pode atingir aproximadamente 30 centímetros$\text{30 cm}$ de comprimento.

Estado de agregação: gasoso.

É o estado de agregação mais energético entre os três citados. Nele, os componentes têm alta mobilidade, portanto as interações entre eles são fracas.

• Forma: tem a forma do recipiente onde se encontra.
• Volume: tem o volume do recipiente onde se encontra.

Imagens elaboradas com base em: BROWN, Theodore L. et al. Química: a ciência central. Tradução: Eloiza Lopes, Tiago Jonas e Sonia Midori Yamamoto. 13. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2016. p. 7.

Os átomos e moléculas que compõem os materiais estão em constante movimentação, e a intensidade desse movimento está diretamente relacionada à temperatura do sistema. Quanto maior for a temperatura, maior será a intensidade.

Em baixas temperaturas, a energia cinética das partículas que constituem o material é baixa, por isso elas tendem a se empacotar, mantendo pouca distância umas das outras e adquirindo uma forma rígida e estável.

Por outro lado, quando a temperatura é alta, as partículas se movem intensamente. A energia cinética do sistema torna-se suficientemente forte para romper as interações entre as partículas, aumentando seu livre movimento. É por essa razão que as partículas de um gás ocupam a forma e o volume do recipiente onde se encontram, confinando-se a ele.

Baixa temperatura

Alta temperatura

Imagens elaboradas com base em: ATKINS, Peter; JONES, Loretta; LAVERMAN, Leroy. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 7. ed. Porto Alegre: Bookman, 2018. p. F5.

Agora, confira a situação a seguir.

Um material sólido, quando resfriado ou aquecido, contrai-se e expande-se, respectivamente. Trata-se do mesmo princípio segundo o qual quanto maior for a temperatura, maior será a movimentação das partículas. Na situação apresentada, a peça I foi aquecida, causando afastamento de suas partículas e dilatação da estrutura, embora esse aumento de temperatura não tenha sido suficiente para transformar o metal em líquido. Como resultado, após o aquecimento, a peça I não consegue atravessar a peça II.

Transformações físicas

Analise as fotografias a seguir e responda às questões 7 e 8.

A matéria que nos cerca está sujeita a transformações que alteram, em algum nível, a forma como ela se encontra e interage com outros materiais. Essas transformações podem ser físicas ou químicas. As transformações físicas envolvem as mudanças de estado de agregação da matéria ou mudanças de fase. Nesse tipo de transformação, não há mudança na constituição da matéria. Na situação anterior, por exemplo, a água passou por uma transformação física, em que o estado de agregação sólido se alterou para o líquido, porém a matéria permaneceu a mesma: água.

Ou seja, dependendo das condições às quais está sujeita, a matéria pode mudar de fase, passando por uma transformação física. Um dos fatores que interfere nesse tipo de transformação é a temperatura. Assim, as mudanças de fase podem envolver ganho ou perda de energia. Confira o esquema a seguir.

1. Fusão: mudança da fase sólida para a líquida. Nesse processo, os componentes da água sólida, inicialmente agrupados em uma estrutura cristalina, recebem energia suficiente para enfraquecer essa estrutura e ganhar mobilidade, transformando-se em água líquida.

2. Solidificação: mudança da fase líquida para a sólida. Em baixas temperaturas, a substância líquida perde energia para o meio e interage mais ativamente com moléculas vizinhas, criando a estrutura cristalina do sólido. Esse fenômeno pode ser identificado no orvalho que se forma quando parte da umidade do ar se condensa. Em condições de temperatura igual ou inferior a 0 grau Celsius$0\text{ °C}$, o orvalho se solidifica.

3. Vaporização: mudança de estado de agregação líquido para o gasoso. Pode haver três tipos, de acordo com a quantidade de energia recebida: evaporação, ebulição e calefação.

Na evaporação, os componentes da água recebem quantidade de energia suficiente para romper as interações entre eles, garantindo ampla mobilidade. A evaporação é um processo que ocorre a temperaturas relativamente baixas, como a temperatura ambiente, de forma lenta e próximo à superfície do líquido. A água de mares e rios é um exemplo de material que evapora naturalmente. Na ebulição, por outro lado, há ganho superior de energia em toda a extensão do líquido, resultando na formação de bolhas no interior dele, como a água fervida em um fogão. Já a calefação é a passagem repentina da fase líquida à gasosa, quando o material recebe grande quantidade de energia em curto intervalo de tempo. Esse fenômeno pode ser identificado, por exemplo, quando uma gota de água entra em contato com uma frigideira quente.

4. Condensação: mudança do estado de agregação gasoso para o líquido. Nesse processo, as moléculas do material, inicialmente com muita energia e dispersas, perdem energia para o ambiente e se aglomeram na forma líquida.

5. Sublimação: mudança sofrida por uma substância ao passar do estado de agregação sólido para o gasoso.

6. Deposição: mudança sofrida por uma substância ao passar do estado de agregação gasoso para o sólido.

Os fenômenos de sublimação e deposição são menos comuns na natureza.

Os raios solares são uma importante fonte natural de energia necessária para as transformações físicas da matéria. A radiação infravermelha dos raios solares, ao atingir a matéria presente na superfície terrestre, promove uma vibração mais intensa em suas partículas. O aumento da vibração leva a um afastamento entre os átomos ou as moléculas e aumenta a temperatura do sistema, provocando uma mudança de fase.

Substâncias apresentam valores específicos de temperatura, que, em determinadas condições de pressão, possibilitam sua mudança de fase. A temperatura na qual um sólido se transforma em um líquido é chamada de temperatura de fusão abre parênteses T subscrito f fecha parênteses$\left(T_{\text{f}}\right)$, enquanto a temperatura na qual um líquido se transforma em vapor é chamada de temperatura de ebulição abre parênteses T subscrito e fecha parênteses$\left(T_{\text{e}}\right)$. Tais temperaturas são determinadas, basicamente, por dois fatores: a pressão sobre o material e a pressão de vapor do material.

A pressão sobre o material se refere à força exercida por fatores externos sobre as partículas da substância. Em condições normais, quando não há mecanismos para controlá-la, a força e a pressão exercidas são a atmosférica. Já a pressão de vapor é exercida pelas moléculas gasosas da própria substância. Quando a pressão de vapor de uma substância líquida se iguala à pressão atmosférica local, o líquido entra em ebulição.

O valor da pressão de gases é normalmente expresso em atmosfera abre parênteses a t m fecha parênteses$\left(\text{atm}\right)$ ou milímetros de mercúrio milímetro de mercúrio$\left(\text{mmHg}\right)$. No nível do mar, a pressão atmosférica é igual a 1 a t m$\text{1 atm}$ ou 760 milímetros Hg$760\text{ mmHg}$. Em altitudes mais elevadas, o ar se torna rarefeito e a pressão atmosférica é menor do que 1 a t m$\text{1 atm}$. Assim, nesses locais, menos energia será necessária para que um líquido entre em ebulição e, consequentemente, menor será sua temperatura de ebulição.

Por outro lado, em altitudes menores do que o nível do mar, a coluna de ar é maior e a pressão atmosférica fica acima de 1 a t m$\text{1 atm}$. Nesse caso, mais energia é necessária para que um líquido entre em ebulição e, consequentemente, maior será sua temperatura de ebulição.

A pressão no interior de uma panela de pressão, por exemplo, pode ser até duas vezes maior do que a atmosférica, aumentando a temperatura de ebulição da água e, dessa forma, a velocidade de cozimento dos alimentos.

Pressão de vapor

A água líquida contida em um recipiente aberto tende a evaporar. Quanto maior a temperatura do ambiente, maior a velocidade de evaporação.

Mesmo se a água estiver em uma garrafa hermeticamente fechada (um sistema que impede a entrada e saída de matéria), algumas moléculas passam do estado líquido para o gasoso (evaporação). O esquema a seguir representa de forma simplificada esse processo de evaporação.

A.

B.

C.

D.

Representação do processo de evaporação de um líquido, em um sistema fechado, a certa temperatura, até a sua saturação.

Quando há equilíbrio entre as fases líquida e gasosa, ou seja, quando os valores das velocidades de evaporação e condensação se igualam, ocorre o equilíbrio dinâmico, havendo passagem constante de partículas de uma fase para a outra. Enquanto houver esse equilíbrio dinâmico entre as fases, a pressão da fase gasosa sobre a superfície da fase líquida se manterá constante, sendo denominada pressão máxima de vapor do líquido.

A pressão de vapor de uma substância é a pressão da fase gasosa dela quando está em equilíbrio dinâmico com o líquido (ou sólido) correspondente.

Influência da temperatura na pressão de vapor de uma substância

Podemos analisar o comportamento da pressão de vapor da água com a variação de 0 grau Celsius$0\text{°C}$ a 100 graus Celsius$100\text{ °C}$, por exemplo. Para isso, experimentalmente, é possível organizar os dados em uma tabela e representá-los por meio de um gráfico, como o apresentado a seguir.

Fonte de pesquisa: CHANG, Raymond; GOLDSBY, Kenneth A. Química. 11. ed. Porto Alegre: AMGH, 2013. p. 199.

Pressão de vapor da água com variação de temperatura

Fonte de pesquisa: CHANG, Raymond; GOLDSBY, Kenneth A. Química. 11. ed. Porto Alegre: AMGH, 2013. p. 199.

As medidas de pressão de vapor mostram que quanto maior a temperatura de um líquido, maior sua pressão de vapor.

A uma dada temperatura, a pressão de vapor de um líquido não depende do volume desse líquido nem do formato do recipiente que o contém.

Na representação gráfica da página a seguir, temos as medidas de pressão de vapor de diferentes substâncias em diferentes temperaturas.

Variação da pressão de vapor de algumas substâncias em relação à temperatura

Fonte de pesquisa: KOTZ, John C. et al. Química geral e reações químicas. Tradução: Noveritis do Brasil. 9. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2015. v. 1. p. 529.

Verificando a representação dos dados no gráfico, podemos concluir que:

• a pressão de vapor de um líquido aumenta com o aumento da temperatura;
• à mesma temperatura, líquidos diferentes têm pressões de vapor diferentes.

Considere a seguinte situação: despejam-se 10 centímetros cúbicos abre parênteses 10 mililitros fecha parênteses$10{\text{cm}}^3\left(10\text{mL}\right)$ de álcool etílico abre parênteses C subscrito 2 H subscrito 6 O fecha parênteses$\left({\text{C}}_2{\text{H}}_6\text{O}\right)$ em um pires, 10 centímetros cúbicos$10{\text{cm}}^3$ de éter comum (etoxietano, C subscrito 4 H subscrito 10 O${\text{C}}_4{\text{H}}_{10}\text{O}$) em outro pires e em um terceiro despejam-se 10 centímetros cúbicos$10{\text{cm}}^3$ de água abre parênteses H subscrito 2 O fecha parênteses$\left({\text{H}}_2\text{O}\right)$.

Em determinado momento, os três pires ficarão vazios, pois, de acordo com o que estudamos, os líquidos sofrem o processo de evaporação. Fazendo uma relação com a pressão de vapor, podemos prever qual dos três pires esvaziará primeiro, ou seja, qual dos três líquidos vai evaporar totalmente antes dos outros dois.

Na tabela, apresentamos as pressões de vapor dos três líquidos – álcool etílico, éter comum e água – à temperatura de 20 graus Celsius.$20\text{ °C}.$

Fonte de pesquisa: KOTZ, John C. et al. Química geral e reações químicas. Tradução: Noveritis do Brasil. 9. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2015. v. 1. p. 518.

A ordem decrescente de volatilidade das três substâncias do quadro é éter comum > álcool etílico > água. Por isso, na situação, o éter comum evaporou mais rapidamente. Assim, quanto mais volátil uma substância, maior a sua pressão de vapor. Consequentemente, quanto mais volátil, menores as interações intermoleculares.

A pressão de vapor e a temperatura de ebulição

Num dado momento, ao aquecermos um líquido em um recipiente aberto, ele ferve, ou seja, entra em ebulição. Isso ocorre quando a pressão de vapor do líquido se iguala à pressão atmosférica local. Ao nível do mar, como a pressão atmosférica é igual a 1 a t m$1\text{ atm}$, o líquido entrará em ebulição quando a sua pressão de vapor se igualar à pressão atmosférica.

Variação da pressão de vapor de algumas substâncias em relação à temperatura e à temperatura de ebulição

Fonte de pesquisa: KOTZ, John C. et al. Química geral e reações químicas. Tradução: Noveritis do Brasil. 9. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2015. v. 1. p. 518.

Considerando a pressão de vapor da água, do álcool etílico e do éter comum, apresentadas anteriormente, podemos representar por meio de um gráfico a variação de temperatura e indicar a temperatura de ebulição de cada uma das substâncias.

Ao analisarmos a representação gráfica, podemos concluir que, ao nível do mar (pressão atmosférica igual a 760 milímetros Hg$760\text{ mmHg}$), a temperatura de ebulição dessas três substâncias é a seguinte:

• éter comum: 34 vírgula 6 graus Celsius$\mathrm{34,6}\text{ °C}$;
• álcool etílico: 78 vírgula 4 graus Celsius$\mathrm{78,4}\text{ °C}$;
• água: 100 graus Celsius$100\text{ °C}$.

Das três substâncias, o éter é o que apresenta a menor temperatura de ebulição, sendo a substância mais volátil entre elas.

A temperatura de ebulição é aquela em que a pressão de vapor do líquido se iguala à pressão externa exercida sobre o líquido.

Diagrama de fases de uma substância

A determinada pressão, durante a mudança de estado físico de uma substância, há equilíbrio dinâmico entre as fases envolvidas e, nesse caso, a temperatura se mantém constante. Experimentos mostram que, ao variar a pressão, também variam as temperaturas em que há mudanças de estado.

Sob determinadas condições de temperatura e pressão, é possível a coexistência em equilíbrio dinâmico dos três estados físicos dessa substância. Nessa situação, ocorre o ponto triplo da substância.

Assim, pode-se montar o diagrama de fases de uma substância variando a pressão e a temperatura, conforme representado.

Diagrama genérico de fases de uma substância

Fonte de pesquisa: BROWN, Theodore L. et al. Química: a ciência central. 13. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2016. p. 489.

Nesse diagrama, a curva 1 é de fusão/solidificação; a curva 2, de ebulição/condensação; e a curva 3; de sublimação/deposição.

Mudanças de fase

Ponto	Estado físico
A	sólido duas meias setas que apontam em direções opostas líquido$\text{sólido}\rightleftharpoons \text{líquido}$
B	líquido duas meias setas que apontam em direções opostas gasoso$\text{líquido}\rightleftharpoons \text{gasoso}$
C	sólido duas meias setas que apontam em direções opostas gasoso$\text{sólido}\rightleftharpoons \text{gasoso}$
T

O diagrama de fases da água tem, em relação ao diagrama de fases da maioria das substâncias, comportamento anômalo^✚ na curva 1 (fusão/solidificação), como representado no Diagrama de fases da água.

Diagrama de fases da água

Fonte de pesquisa: CHANG, Raymond; GOLDSBY, Kenneth A. Química. 11. ed. Porto Alegre: AMGH, 2013. p. 506.

O ponto triplo da água indica a temperatura e a pressão em que há coexistência em equilíbrio dinâmico das três fases. Assim, esquematicamente, tem-se:

Outro ponto importante é o ponto crítico, que, para a água, ocorre na temperatura de 374 graus Celsius$374\text{ °C}$ e à pressão de 165.680 milímetros Hg$165.680\text{ mmHg}$ abre parênteses 218 a t m fecha parênteses$\left(218\text{ atm}\right)$. Nesse ponto, a água torna-se um fluido supercrítico, comportando-se como gás, mas relativamente densa como um líquido.

No diagrama, é possível verificar que, em temperaturas e pressões superiores às do ponto crítico, a água torna-se um fluido supercrítico.

Diagrama de fases da água com o ponto crítico

Fonte de pesquisa: ATKINS, Peter; JONES, Loretta; LAVERMAN, Leroy. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 7. ed. Porto Alegre: Bookman, 2018.

Transformações químicas

Confira as fotografias a seguir.

A.

B.

A matéria pode sofrer transformações químicas, também chamadas de reações químicas. Nesse tipo de transformação, ocorre alteração da composição da matéria. Nesse caso, o balde apresentado na fotografia A, composto de ferro abre parênteses F e fecha parênteses$\left(\text{Fe}\right)$, sofreu oxidação, resultando no exposto na fotografia B. A formação do óxido de ferro(III) abre parênteses F e subscrito 2 O subscrito 3 fecha parênteses$\left({\text{Fe}}_2{\text{O}}_3\right)$ se deve à ação do vapor de água e de gás oxigênio abre parênteses O subscrito 2 fecha parênteses$\left({\text{O}}_2\right)$ presentes na atmosfera.

A oxidação do ferro é constatada pela mudança na coloração do material. Por isso, dizemos que a mudança de cor é uma evidência de transformação química. Confira a seguir outras evidências.

Formação de gás: a formação de bolhas de gás é um indicativo importante de que uma reação química está acontecendo, pois pode representar a formação de uma nova substância na forma gasosa. Um comprimido efervescente, quando em contato com a água, forma novas substâncias, como o gás dióxido de carbono abre parênteses C O subscrito 2 fecha parênteses$\left({\text{CO}}_2\right)$, liberado em bolhas.

Formação de precipitado: o precipitado é uma substância sólida imersa em uma mistura líquida ou gasosa. A formação de estalactites é resultado da precipitação de carbonato de cálcio abre parênteses C a C O subscrito 3 fecha parênteses$\left(\text{Ca}{\text{CO}}_3\right)$.

Mudança de temperatura: transformações químicas podem envolver trocas energéticas. Assim, quando a transformação libera energia, a temperatura aumenta; quando consome energia, diminui.

Liberação de luz: algumas reações químicas específicas liberam energia na forma de luz visível. As reações que acontecem no Sol, por exemplo, causam tanto o aumento de temperatura, provocando os raios solares que chegam à Terra, quanto a liberação de luz.

Astro (dimensão)

Sol: aproximadamente 1.390.000 quilômetros$1.390.000\text{ km}$ de diâmetro.

Uma evidência menos usual de transformação química é a liberação de odor, como ocorre em um alimento que apodreceu. Substâncias desconhecidas podem ser prejudiciais ao organismo, portanto não é recomendável inalá-las.

Leis ponderais

Conservação da matéria

"Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma". Você provavelmente já ouviu essa afirmativa, mas sabe o que ela significa? Antes de explorarmos melhor essas informações, considere o experimento a seguir.

A. Um erlenmeyer contendo uma pequena quantidade de água é acoplado a um balão de borracha, semelhante aos usados em festas. Dentro desse balão, há uma pastilha de hidrogenocarbonato de sódio ou bicarbonato de sódio abre parênteses N a H C O subscrito 3 fecha parênteses$\left({\text{NaHCO}}_3\right)$, similar ao medicamento utilizado para combater a acidez do estômago. O sistema montado foi colocado sobre uma balança comum, que registra a massa de 208 gramas.

B. A pastilha de hidrogenocarbonato de sódio, no interior do balão de borracha, é despejada na água. Imediatamente, identificam-se a formação de bolhas na água e a liberação de um gás esbranquiçado. Também é possível notar que o balão de borracha começa a inflar.

A formação de bolhas e de gás evidencia uma reação química, que pode ser representada por:

N a H C O subscrito 3 abre parênteses s fecha parênteses expressão com detalhe acima, início da expressão, seta para a direita, fim da expressão, início do detalhe acima, H subscrito 2 O, fim do detalhe acima N a O H abre parênteses a q fecha parênteses mais C O subscrito 2 abre parênteses g fecha parênteses${\text{NaHCO}}_3\left(\text{s}\right)\stackrel{{\text{ H}}_2\text{O }}{\to }\text{NaOH}\left(\text{aq}\right)+{\text{CO}}_2\left(\text{g}\right)$

Como você pôde notar no experimento, a massa do sistema se manteve, mesmo após a reação química. Isso foi possível porque não houve entrada nem saída de substâncias. Nesse sentido, o gás dióxido de carbono foi impedido, pelo balão de borracha, de escapar do sistema.

A constatação de que nada pode ser criado ou perdido, e sim transformado, pode parecer óbvia atualmente, mas já foi tema de muitos questionamentos e teorias na Antiguidade, tendo íntima relação com o que se entendia por matéria. A seguir, vamos começar a explorar esse assunto com base na substância água.

A água sempre foi assunto de grande interesse para os químicos. Sua abundância na natureza, os diferentes estados de agregação que pode apresentar no ambiente e sua importância para os seres vivos deram à água papel de destaque nos estudos primordiais da Química, mesmo antes de serem desenvolvidos os estudos sobre os elementos químicos, átomos ou substâncias.

O filósofo grego Tales de Mileto (cerca de 624 a.C.-556 a.C.) denominou a água como "elemento primordial". Posteriormente, os também filósofos gregos Empédocles (490 a.C.-430 a.C.) e Aristóteles (384 a.C.-322 a.C.) criaram a teoria dos quatro elementos, segundo a qual toda a matéria era formada por combinações de água, fogo, terra e ar. Com o passar dos séculos, a teoria dos quatro elementos foi se modificando, mas a água sempre tomou posição de destaque sem perder o status de elemento primordial. Acreditava-se, no entanto, que a água é uma entidade indivisível.

Apenas após a metade do século XVIII, com a contribuição de diversos cientistas, em especial do químico francês Henry Cavendish (1731-1810), cientista que fundamentou a descoberta do hidrogênio, foi proposto que a água é formada pelos elementos químicos hidrogênio abre parênteses H fecha parênteses$\left(\text{H}\right)$ e oxigênio abre parênteses O fecha parênteses$\left(\text{O}\right)$. Posteriormente, com os experimentos dos químicos franceses Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) e Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850) e do químico inglês John Dalton (1766-1844), descobriu-se a composição exata da água: dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio.

A reação de síntese da água é uma das principais reações químicas envolvidas na formulação da composição dela. Veja a seguir a equação química dessa reação.

Segundo essa equação, que representa a síntese da água, duas moléculas de gás hidrogênio abre parênteses H subscrito 2 fecha parênteses$\left({\text{H}}_2\right)$ e uma molécula de gás oxigênio reagem entre si, formando duas moléculas de água. Perceba que a quantidade de átomos de hidrogênio e de oxigênio é igual entre os reagentes e os produtos. A isso chamamos de lei da conservação das massas, ou primeira lei ponderal, proposta por Lavoisier em 1773. Confira a seguir a equação de síntese da água, agora envolvendo uma quantidade de massa das substâncias.

Nessa equação, 4 gramas$4\text{g}$ de H subscrito 2 abre parênteses g fecha parênteses${\text{H}}_2\left(\text{g}\right)$ reagiram com 32 gramas$32\text{ g}$ de O subscrito 2 abre parênteses g fecha parênteses${\text{O}}_2\left(\text{g}\right)$, formando 36 gramas$36\text{ g}$ de H subscrito 2 O abre parênteses g fecha parênteses${\text{H}}_2\text{O}\left(\text{g}\right)$. Ou seja, 36 gramas$36\text{ g}$ de reagentes se transformaram em 36 gramas$36\text{ g}$ de produtos, seguindo a lei de conservação das massas.

Outra característica importante de reações químicas é que sempre há uma proporcionalidade entre as massas de reagentes e de produtos. Confira a seguir.

Quando o dobro de massa de gás hidrogênio e o dobro de massa de gás oxigênio são utilizados, obtemos o dobro de massa de água. A essa característica dá-se o nome de lei das proporções constantes, ou segunda lei ponderal, formulada pelo químico francês Joseph Louis Proust (1754-1826) em 1794.

Vamos estudar as leis ponderais mais detalhadamente a seguir.

Primeira lei ponderal: lei da conservação das massas

Os trabalhos de Antoine Lavoisier foram pioneiros para definir a Química como uma ciência quantitativa, ou seja, que trabalha com quantidades numéricas.

Uma característica importante dos trabalhos de Lavoisier diz respeito à sua constituição em sistemas fechados. Nesse tipo de sistema, depois de misturados os reagentes, nenhuma matéria entra e nenhuma matéria sai dele, como é o caso de um balão de vidro hermeticamente fechado e do sistema apresentado na página 195. Assim, Lavoisier tinha a certeza de que qualquer alteração que viesse a acontecer em seus experimentos químicos deveria ser resultante do próprio sistema, incluindo uma possível mudança de massa e liberação de gases.

A atenção especial de Lavoisier no campo da Química se voltou aos seus aspectos ponderais, ou seja, relativos à massa de reagentes e de produtos. Sua constatação mais conhecida é a de que a massa das substâncias dentro de um sistema fechado é a mesma antes e depois de uma reação química. Isso também pode ser identificado na reação de combustão do carbono abre parênteses C fecha parênteses$\left(\text{C}\right)$.

Com base em sua descoberta, Lavoisier enunciou a lei da conservação das massas, posteriormente conhecida como primeira lei ponderal. De acordo com essa lei, em uma reação química em recipiente fechado a soma das massas dos reagentes é igual à soma das massas dos produtos.

Essa lei também ficou conhecida pela afirmação "na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma". Do ponto de vista das mudanças físicas e químicas, a lei de Lavoisier é válida, pois durante essas transformações, nenhum átomo é criado ou destruído, uma vez que se reorganizam, formando substâncias diferentes. Essa conclusão, na época, pôs fim às ideias dos alquimistas sobre a transmutação dos metais, por exemplo.

Outra experiência importante realizada por Lavoisier foi o aquecimento do mercúrio abre parênteses H g fecha parênteses$\left(\text{Hg}\right)$ em um sistema fechado durante 12 dias, conforme representado a seguir.

A.

A. Em uma retorta^✚ com tubo longo e recurvado foi colocado mercúrio metálico, de maneira que a ponta dela alcançava uma redoma de ar feita sobre uma cuba de vidro, na qual também havia mercúrio. A retorta foi, então, aquecida pelo calor de um forno.

B.

B. Com o passar do tempo, notou-se a formação de um pó vermelho nas paredes da retorta, além da redução do volume de ar contido na redoma em cerca de 20%.

A reação ocorrida no interior da retorta correspondeu à oxidação do mercúrio, formando óxido de mercúrio(II) abre parênteses H g O fecha parênteses$\left(\text{HgO}\right)$. Confira a seguir a equação dessa reação.

2 H g abre parênteses l fecha parênteses mais O subscrito 2 abre parênteses g fecha parênteses seta para a direita 2 H g O abre parênteses s fecha parênteses$2\text{ Hg}\left(\mathcal{\text{l}}\right)+{\text{O}}_2\left(\text{g}\right)\to 2\text{ HgO}\left(\text{s}\right)$

Segunda lei ponderal: lei das proporções constantes

Confira a seguir a equação da reação química que representa a decomposição da água.

Note que essa reação é o inverso da que vimos anteriormente para a síntese da água. Nela, a água é o reagente e os gases hidrogênio e oxigênio são os produtos. Perceba que, de acordo com a primeira lei ponderal, a soma da massa dos reagentes é igual à soma da massa dos produtos. Confira agora o que aconteceria se fossem usadas outras massas de água como reagente.

Independentemente da massa de água utilizada como reagente da reação química, a proporção de quantidade de massa entre o gás oxigênio e o gás hidrogênio produzidos é a mesma: 8 para 1, respectivamente.

Agora, analise novamente a equação da reação de síntese de água e as massas apresentadas.

Essa reação parece não seguir a lei da conservação das massas. Isso porque a proporção entre gás hidrogênio e gás oxigênio não está correta, pois, em vez de termos oito vezes a massa de oxigênio, temos apenas quatro. Nesse caso, dizemos que o gás hidrogênio está em excesso na reação química ou que o gás oxigênio está em falta. Perceba a seguir o que aconteceria se fossem utilizados 64 gramas$64\text{ g}$ de gás oxigênio.

Para a produção de determinado produto, precisamos de uma proporção fixa entre os reagentes, de maneira que o excesso de um ou de outro reagente não altere a quantidade de produto formado, pois o excedente não participa da reação. Essa observação entre a proporção dos reagentes para a formação de produtos foi evidenciada pela primeira vez pelo químico francês Joseph Louis Proust e ficou conhecida como lei das proporções constantes, ou simplesmente lei de Proust.

Após vários experimentos e comparações entre os valores das massas de cada substância participante das reações, Proust constatou que havia proporção constante entre suas massas. Em 1794, formulou essa lei, que posteriormente ficou conhecida como segunda lei ponderal, cujo enunciado pode ser expresso por: determinada substância composta é formada por substâncias mais simples, unidas sempre na mesma proporção em massa.

Em praticamente sua totalidade, os sistemas químicos encontrados na natureza são formados por misturas. E parte considerável dos materiais de nosso cotidiano está na forma de soluções.

As proporções estabelecidas entre as quantidades de soluto e de solvente são aspectos quantitativos das soluções, ou seja, envolvem quantificação de grandezas como massa, números de mol$\text{mol}$ e volume.

A presença de soluto em um solvente também forma uma mistura com propriedades diferentes das que ele apresentava quando puro. A água do mar, por exemplo, pode ser considerada uma solução de cloreto de sódio abre parênteses N a C l fecha parênteses$\left(\text{NaC}\mathcal{\text{l}}\right)$ dissolvido em água, e a presença do sal altera a temperatura de ebulição da água, aumentando-a.

Neste capítulo, vamos estudar como as concentrações das soluções podem ser expressas e quais são as diferenças de propriedades entre uma solução e a substância pura.

Concentrações de soluções

As duas fotografias a seguir mostram xícaras de café que têm diferentes quantidades de solvente (também chamado de dispersante, é a substância em maior quantidade a compor a solução) e de concentrações, mas ambas as bebidas foram preparadas inicialmente com a mesma quantidade de solvente, o mesmo tipo de pó de café (disperso) e a mesma temperatura.

Em laboratório, a preparação de uma solução é feita pela dissolução de determinada massa de uma substância em certo volume de solvente apropriado. A massa da substância a ser usada depende da concentração e do volume da solução que se deseja preparar.

Como a solução é preparada com base em dados previamente calculados (quantidades de soluto/solvente/solução), significa que já conhecemos a sua concentração. Em Química, o termo concentração se refere às quantidades de soluto na solução, ou seja, às relações entre soluto e solvente.

Com uma solução concentrada, pode-se preparar outra solução adicionando solvente. Nesse caso, faz-se uma diluição de solução. Também é possível misturar soluções de mesmo soluto e mesmo solvente, porém com concentrações diferentes, a fim de obter uma solução com concentração (intermediária) desejada.

Como se deve preparar uma solução com soluto sólido

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

O esquema a seguir apresenta o preparo de soluções líquidas a partir de dispersos sólidos.

1º. Meça a massa do soluto em uma balança, usando um béquer.

2º. Coloque água no béquer com o soluto e, utilizando um bastão de vidro, misture-o até a sua dissolução total. Se durante o processo de dissolução ocorrer variação na temperatura da mistura, espere atingir a temperatura ambiente antes de passar para o balão, pois a temperatura afeta a precisão da medida.

3º. Passe o conteúdo da mistura do béquer para um balão volumétrico de capacidade adequada. Para isso, acople um funil de vidro (conforme ilustração) para verter a mistura.

4º. Usando uma pisseta, adicione água aos poucos e coloque a mistura no balão até retirar todo o resquício da mistura do béquer.

5º. Adicione mais água ao balão volumétrico até a medida de aferição, que é o traço ou menisco presente no balão.

6º. Feche o balão volumétrico e agite.

Vamos agora estabelecer algumas correlações envolvendo as quantidades de soluto, de solvente e de solução.

Concentração em massa abre parênteses C fecha parênteses$\mathbf{\left(}\mathit{C}\mathbf{\right)}$

Para preparar um café instantâneo mais concentrado, é preciso aumentar a proporção de pó de café em relação à água utilizada. Nesse caso, a concentração pode ser facilmente determinada em massa.

A concentração em massa (ou concentração comum) expressa a relação entre a massa do soluto 'm' subscrito 1$m_1$ e o volume da solução V$V$. Essa concentração de solução pode ser expressa da seguinte forma:

em que:

• 'm' subscrito 1$m_1$ é a massa do soluto;
• V$V$ é o volume da solução.

Por exemplo, em uma solução foram dissolvidos 5 gramas$5\text{ g}$ de permanganato de potássio em 200 centímetros cúbicos$200\text{ c}{\text{m}}^3$ de água. É possível determinar a concentração comum dessa solução em grama por litro$\text{g/L}$ usando as seguintes relações de volume:

1 centímetro cúbico é igual a 1 mililitro$1{\text{cm}}^3=1\text{ mL}$, e 1 mililitro é igual a 0 vírgula 1 litro$1\text{ mL}=\mathrm{0,1}\text{ L}$.

Logo, 200 centímetros cúbicos$200\text{ c}{\text{m}}^3$ (volume) equivalem a 200 mililitros$\text{200 mL}$, então 0 vírgula 2 litro.$\text{0,2 L.}$, tem-se:

'C' é igual a início de fração, numerador: 'm' subscrito 1, denominador: V, fim de fração implica em 'C' é igual a início de fração, numerador: 5 gramas, denominador: 0 vírgula 2 litro, fim de fração portanto 'C' é igual a 25 gramas por litro$C=\frac{m_1}{V}\Rightarrow C=\frac{5\text{ g}}{\mathrm{0,2}\text{ L}}\mathbf{\therefore }C=25\text{ g/L}$ de K M n O subscrito 4$\text{KMn}{\text{O}}_4$

Portanto, a concentração comum, ou concentração em massa, da solução de K M n O subscrito 4$\text{KMn}{\text{O}}_4$ é 'C' é igual a 25 gramas por litro$C=25\text{ g/L}$. Isso significa que em cada litro dessa solução há 25 gramas$25\text{ g}$ do sal dissolvidos.

Analise como resolver usando regra de três se há 5 gramas$5\text{ g}$ de soluto em 0 vírgula 2 litro$\mathrm{0,2}\text{ L}$ de solução.

Logo, a concentração comum dessa solução é 25 gramas por litro$25\text{ g/L}$.

Densidade

Você já viu o equipamento apresentado na fotografia nas bombas de postos de combustíveis?

Esse equipamento é um densímetro, que nesse caso serve para medir a densidade da mistura que forma o combustível.

Como visto anteriormente, a densidade d$d$ de uma substância ou material expressa a relação entre massa 'm'$m$ e volume V$V$ da substância do material e pode ser expressa em: grama por metro cúbico$\text{g}/{\text{m}}^3$, grama por mililitro$\text{g/mL}$, grama por litro$\text{g/L}$ etc. Contudo, não se deve confundir concentração em massa com densidade da solução.

Toda matéria, seja ela uma substância simples, seja uma mistura, tem densidade, pois apresenta massa e volume independentemente de seu estado físico.

Porcentagem em massa de soluto abre parênteses por cento m barra m fecha parênteses$\mathbf{\left(}\mathbf{\text{\% }}\mathit{m}\mathbf{\text{/}}\mathit{m}\mathbf{\right)}$

Na embalagem do soro fisiológico, há uma informação em porcentagem do cloreto de sódio, que é a porcentagem em massa de soluto.

Essa porcentagem expressa a massa de soluto 'm' subscrito 1$m_1$ em 100 gramas$100\text{ g}$ de solução. Esse tipo de concentração de solução é muito utilizado em indústrias químicas e farmacêuticas. No caso do soro fisiológico, em 100 gramas$100\text{ g}$ da solução há 0 vírgula 9 grama$\mathrm{0,9}\text{ g}$ de cloreto de sódio.

A porcentagem em massa de soluto pode ser expressa da seguinte forma:

por cento 'm' barra 'm' é igual a 100 vezes início de fração, numerador: 'm' subscrito 1, denominador: 'm' subscrito 1 mais 'm' subscrito 2, fim de fração portanto por cento 'm' barra 'm' é igual a 100 vezes início de fração, numerador: 'm' subscrito 1, denominador: 'm', fim de fração abre parênteses por cento fecha parênteses$\begin{array}{c}\mathrm{\%}m\text{/}m=100\mathbf{·}\frac{m_1}{m_1+m_2}\mathbf{\therefore }\\ \mathrm{\%}\mathrm{m}\text{/}\mathrm{m}=100\mathbf{·}\frac{{\mathrm{m}}_1}{\mathrm{m}}\left(\mathrm{\%}\right)\end{array}$

em que:

• 'm' subscrito 1$m_1$ é a massa do soluto;
• 'm' subscrito 2$m_2$ é a massa do solvente;
• 'm'$m$ é a massa da solução abre parênteses 'm' é igual a 'm' subscrito 1 mais 'm' subscrito 2 fecha parênteses$\left(m=m_1+m_2\right)$.

A concentração de solução expressa em por cento 'm' barra 'm'$\text{\% }m\text{/}m$ é adimensional, ou seja, sem unidades de grandezas.

Podemos calcular a porcentagem em massa de soluto de uma solução. Por exemplo, uma solução é preparada pela dissolução de 5 gramas$5\text{ g}$ de hidróxido de sódio abre parênteses N a O H fecha parênteses$\left(\text{NaOH}\right)$ em 20 gramas$20\text{ g}$ de água. Qual é a porcentagem em massa de soluto nessa solução?

Sabemos que:

• soluto é o hidróxido de sódio em quantidade de 5 gramas$5\text{ g}$, assim 'm' subscrito 1 é igual a 5 gramas$m_1=5\text{ g}$;
• solvente é a água, assim 'm' subscrito 2 é igual a 20 gramas$m_2=20\text{ g}$;
• logo, 'm' é igual a 25 gramas$m=25\text{ g}$.

Portanto, substituindo os valores conhecidos na expressão da porcentagem em massa de soluto, tem-se:

por cento 'm' barra 'm' é igual a 100 vezes início de fração, numerador: 'm' subscrito 1, denominador: 'm' subscrito 1 mais 'm' subscrito 2, fim de fração implica em por cento 'm' barra 'm' é igual a 100 vezes início de fração, numerador: 5 gramas, denominador: 5 gramas mais 20 gramas, fim de fração portanto por cento 'm' barra 'm' é igual a 20 por cento$\mathrm{\%}m\text{/}m=100\mathbf{·}\frac{m_1}{m_1\text{+}{m}_2}\Rightarrow \mathrm{\%}m\text{/}m=100\mathbf{·}\frac{5\text{ g}}{5\text{ g}+20\text{ g}}\mathbf{\therefore }\mathrm{\%}m\text{/}m=20\mathrm{\%}$

Assim, a porcentagem em massa de soluto nessa solução é por cento 'm' barra 'm' é igual a 20 por cento$\mathrm{\%}m\text{/}m=20\mathrm{\%}$. Isso significa que em cada 100 gramas$100\text{ g}$ de solução há 20 gramas$20\text{ g}$ de soluto.

Confira este exemplo resolvido utilizando a regra de três:

'm' subscrito 1 é igual a 20 gramas de N a O H$m_1=20\text{ g de NaOH}$

por cento 'm' barra 'm' é igual a 20 por cento$\mathrm{\%}m\text{/}m=20\mathrm{\%}$

Título em massa abre parênteses tau fecha parênteses$\mathbf{\left(}\mathbf{\tau }\mathbf{\right)}$

A relação entre a massa do soluto e a massa da solução, conforme abordado na porcentagem em massa do soluto, é o título tau$\mathrm{\tau }$ em massa da solução. Essa relação expressa a massa de soluto 'm' subscrito 1$m_1$ em 1 grama$1\text{ g}$ de solução, que pode ser dada por:

No soro fisiológico, o título é igual a 0,009. Isso significa que para cada unidade de massa da solução há 0,009 unidade de massa de cloreto de sódio e 0,991 unidade de massa de solvente.

Concentração em partes por milhão abre parênteses p p m fecha parênteses$\mathbf{\left(}\mathbf{ppm}\mathbf{\right)}$ e em partes por bilhão abre parênteses p p b fecha parênteses$\mathbf{\left(}\mathbf{ppb}\mathbf{\right)}$

Já vimos que para determinar a concentração de soluções, em termos de massa do soluto por massa da solução 'm' subscrito 1 barra 'm'$m_1/m$, utilizamos o título em massa.

Existem casos em que a quantidade de soluto é muito pequena. A concentração em p p m$\text{ppm}$ indica quantas partes de soluto (em massa ou em volume) há em 1 milhão abre parênteses 10 elevado a 6 fecha parênteses$\left({10}^6\right)$ de partes da solução. Essa forma de expressar concentrações é utilizada, por exemplo, para avaliar poluentes ambientais. Portanto:

Para exemplificar isso, podemos citar uma norma estabelecida pelo Conselho Nacional do Meio Ambiente (Conama). Ela estabelece que a quantidade máxima aceitável de enxofre abre parênteses S fecha parênteses$\left(\text{S}\right)$ no óleo diesel deve ser de 10 p p m$10\text{ ppm}$, ou seja, 10 partes de enxofre (soluto) para 10 elevado a 6${10}^6$ partes de óleo diesel (mistura). Essa ação busca melhorar a qualidade do ar, principalmente nas grandes cidades brasileiras, beneficiando o meio ambiente e a saúde humana.

Já a concentração em p p b$\text{ppb}$ indica quantas partes de soluto (em massa ou em volume) há em 1 bilhão abre parênteses 10 elevado a 9 fecha parênteses$\left({10}^9\right)$ de partes da mistura (solução). Assim, matematicamente podemos expressar:

Como exemplo, citamos a portaria nº 2.914/2011 do Conama, que estabelece o limite de 0 vírgula 0 1 miligrama por litro$\mathrm{0,01}\text{ mg/L}$ de chumbo abre parênteses P b fecha parênteses$\left(\text{Pb}\right)$ na água para considerá-la potável. Como a densidade é é aproximadamente igual a 1 grama por mililitro$\simeq 1\text{ g/mL}$, esse valor equivale a 0 vírgula 0 1 p p m$\mathrm{0,01}\text{ ppm}$ de chumbo na água potável. Em partes por bilhão, isso equivale a 10 vírgula 0 p p b$\mathrm{10,0}\text{ ppb}$ e significa que a quantidade máxima permitida de chumbo nas águas de abastecimento público é de 10 gramas$10\text{ g}$ de chumbo para 10 elevado a 9 grama${10}^9\text{ g}$ de água potável.

Concentração em quantidade de matéria abre parênteses c fecha parênteses$\mathbf{\left(}\mathit{c}\mathbf{\right)}$

A concentração em quantidade de matéria é a relação entre a quantidade de matéria do soluto n subscrito 1$n_1$ e o volume da solução V$V$ em decímetro cúbico${\text{dm}}^3$ ou litro$\text{L}$. A concentração de solução em quantidade de matéria depende da massa do soluto e é considerada uma das mais importantes expressões de concentração.

A concentração em quantidade de matéria ou concentração em mol por litro$\text{mol/L}$ é a expressão recomendada pela IUPAC e pelo SI. Ela pode ser expressa por:

c é igual a início de fração, numerador: n subscrito 1, denominador: V, fim de fração$c=\frac{n_1}{V}$ (expressa em mol por decímetro cúbico$\text{mol/}{\text{dm}}^3$ ou mol por litro$\text{mol/L}$)

Professor, professora: Enfatize aos estudantes que utiliza-se 'C'$C$ (cê maiúsculo e em itálico) para representar a concentração em massa e c$c$ (cê minúsculo e em itálico) para concentração em quantidade de matéria.

em que:

• n subscrito 1$n_1$ é a quantidade de matéria do soluto;
• V$V$ é o volume da solução.

Por exemplo, podemos determinar a concentração em quantidade de matéria da solução preparada pela dissolução de 12 gramas$12\text{ g}$ de hidróxido de sódio em água suficiente para obter 0 vírgula 5 litro$\mathrm{0,5}\text{ L}$ de solução. Para isso:

1º. Deve-se determinar a quantidade de matéria do soluto, conhecida por número de mol do soluto, n subscrito 1$n_1$, por meio do cálculo da massa molar do soluto.

M subscrito N a O H é igual a abre parênteses 23 mais 16 mais 1 fecha parênteses grama barra mol implica em M subscrito N a O H é igual a 40 gramas barra mol$M_{\text{NaOH}}=\left(23+16+1\right)\text{ g/mol}\Rightarrow M_{\text{NaOH}}=40\text{ g/mol}$

Em seguida, determina-se a quantidade de matéria de soluto n subscrito 1$n_1$, que pode ser calculada pela expressão n subscrito 1 é igual a início de fração, numerador: 'm' subscrito 1, denominador: M subscrito 1, fim de fração$n_1\text{=}\frac{m_1}{M_1}$, em que 'm' subscrito 1$m_1$ é a massa do soluto e M subscrito 1$M_1$ é a massa molar dele.

n subscrito 1 é igual a início de fração, numerador: 'm' subscrito 1, denominador: M subscrito 1, fim de fração implica em n subscrito 1 é igual a início de fração, numerador: 12 gramas, denominador: 40 gramas barra mol, fim de fração implica em n subscrito 1 é igual a 0 vírgula 3 mol$n_1=\frac{m_1}{M_1}\Rightarrow n_1=\frac{12\text{ g}}{40\text{ g/mol}}\Rightarrow n_1=\mathrm{0,3}\text{ mol}$ de soluto abre parênteses N a O H fecha parênteses$\left(\text{NaOH}\right)$

2º. Depois, calcula-se a concentração em quantidade de matéria substituindo os valores na expressão:

c é igual a início de fração, numerador: n subscrito 1, denominador: V, fim de fração implica em c é igual a início de fração, numerador: 0 vírgula 3 mol, denominador: 0 vírgula 5 litro, fim de fração implica em c é igual a 0 vírgula 6 mol barra litro$c=\frac{n_1}{V}\Rightarrow c=\frac{\mathrm{0,3}\text{ mol}}{\mathrm{0,5}\text{ L}}\Rightarrow c=\text{0,6 mol/L}$

A concentração em mol por litro$\text{mol/L}$ dessa solução é 0 vírgula 6 mol por litro$\mathrm{0,6}\text{ mol/L}$. Isso significa que para cada litro dessa solução há 0 vírgula 6 mol$\mathrm{0,6}\text{ mol}$ de soluto.

Resolvendo pela regra de três.

Inicialmente, determina-se a quantidade de matéria de soluto n subscrito 1$n_1$.

Depois, calcula-se a concentração em quantidade de matéria da solução.

Concentração em mol por quilograma$\mathbf{\text{mol}}\mathbf{/}\mathbf{\text{kg}}$ abre parênteses Ⱳ fecha parênteses$\mathbf{\left(}\mathit{Ⱳ}\mathbf{\right)}$

Em geral, a concentração em mol por quilograma$\text{mol/kg}$ é usada quando há variação da temperatura do sistema, pois o volume da solução pode variar.

A concentração em mol por quilograma$\text{mol/kg}$ expressa a quantidade do soluto n subscrito 1$n_1$ e a massa do solvente 'm' subscrito 2$m_2$, em quilogramas, e pode ser representada por:

em que:

• n subscrito 1$n_1$ é a quantidade do soluto;
• 'm' subscrito 2$m_2$ é a massa do solvente.

Por exemplo, tem-se uma solução de ácido sulfúrico abre parênteses H subscrito 2 S O subscrito 4 fecha parênteses$\left({\text{H}}_2\text{S}{\text{O}}_4\right)$ em que 24 vírgula 5 gramas$\mathrm{24,5}\text{ g}$ de ácido sulfúrico estão dissolvidos em 500 gramas$500\text{ g}$ de água. Qual é a concentração em mol por quilograma$\text{mol/kg}$ dessa solução?

1º. Inicialmente, calcula-se a massa molar do soluto.

M início subscrito, H subscrito 2 S O subscrito 4, fim subscrito é igual a abre parênteses 1 vezes 2 mais 32 vezes 1 mais 16 vezes 4 fecha parênteses grama por mol implica em M início subscrito, H subscrito 2 S O subscrito 4, fim subscrito é igual a 98 gramas barra mol$M_{{\text{H}}_2{\text{SO}}_4}=\left(1\mathbf{·}2+32\mathbf{·}1+16\mathbf{·}4\right)\text{ g/mol}\Rightarrow M_{{\text{H}}_2\text{S}{\text{O}}_4}=98\text{ g/mol}$

2º. Em seguida, calcula-se a quantidade de matéria de soluto n subscrito 1$n_1$.

n subscrito 1 é igual a início de fração, numerador: 'm' subscrito 1, denominador: M subscrito 1, fim de fração implica em n subscrito 1 é igual a início de fração, numerador: 24 vírgula 5 gramas, denominador: 98 gramas barra mol, fim de fração implica em n subscrito 1 é igual a 0 vírgula 25 mol de soluto abre parênteses H subscrito 2 S O subscrito 4 fecha parênteses$n_1=\frac{m_1}{M_1}\Rightarrow n_1=\frac{\mathrm{24,5}\text{ g}}{98\text{ g/mol}}\Rightarrow n_1=\mathrm{0,25}\text{ mol de soluto }\left({\text{H}}_2{\text{SO}}_4\right)$

3º. Depois, é possível determinar a concentração em mol por quilograma$\text{mol/kg}$, substituindo os valores na expressão:

Ⱳ é igual a início de fração, numerador: n subscrito 1, denominador: 'm' subscrito 2, fim de fração implica em Ⱳ é igual a início de fração, numerador: 0 vírgula 25 mol, denominador: 0 vírgula 50 quilograma, fim de fração implica em Ⱳ é igual a 0 vírgula 50 mol barra quilograma$\mathrm{Ⱳ}=\frac{n_1}{m_2}\Rightarrow \mathrm{Ⱳ}=\frac{\mathrm{0,25}\text{ mol}}{\mathrm{0,50}\text{ kg}}\Rightarrow \mathrm{Ⱳ}=\mathrm{0,50}\text{ mol/kg}$

A concentração em mol por quilograma$\text{mol/kg}$ dessa solução é 0 vírgula 50 mol por quilograma$\mathrm{0,50}\text{ mol/kg}$. Isso significa que para cada quilograma de solvente há 0 vírgula 50 mol$\mathrm{0,50}\text{ mol}$ de soluto.

O ácido sulfúrico é material corrosivo, portanto deve-se evitar seu contato direto com a pele. Ele pode ser usado na fabricação de fertilizantes, no tratamento de água, como desidratante industrial, entre outras aplicações.

Concentração de íons em mol por litro$\mathbf{\text{mol}}\mathbf{/}\mathbf{\text{L}}$

Nas soluções que apresentam íons, é possível determinar a concentração em mol por litro$\text{mol/L}$ do soluto e a dos íons provenientes de sua ionização^✚ ou dissociação^✚. Essa concentração de íons em mol por litro$\text{mol/L}$ é proporcional aos coeficientes estequiométricos de suas equações químicas e ao seu grau de ionização^✚ ou dissociação abre parênteses alfa fecha parênteses$\left(\text{α}\right)$.

Por exemplo, sabendo que uma solução aquosa de sulfato de alumínio abre parênteses A l subscrito 2 abre parênteses S O subscrito 4 fecha parênteses subscrito 3 fecha parênteses$\left({\text{A}\mathcal{\text{l}}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3\right)$ foi preparada de maneira que, a cada 400 centímetros cúbicos$400{\text{cm}}^3$ de solução, haja 68 vírgula 4 gramas$\mathrm{68,4}\text{ g}$ desse sal, dissolvido à temperatura de 20 graus Celsius$20\text{ °C}$, podemos determinar a concentração em quantidade de matéria do sal e dos íons A l elevado a início expoente, 3 mais, fim expoente abre parênteses aq fecha parênteses${\text{A}\mathcal{\text{l}}}^{\text{3+}}\left(\text{aq}\right)$ e S O subscrito 4 elevado a início expoente, 2 menos, fim expoente abre parênteses a q fecha parênteses${{\text{SO}}_4}^{2-}\left(\text{aq}\right)$ nessa solução, sabendo que o seu grau de dissociação é de 60%.

1º. Inicialmente, determina-se a massa molar do soluto:

M início subscrito, A l subscrito 2 abre parênteses S O subscrito 4 fecha parênteses subscrito 3, fim subscrito é igual a 27 vezes 2 mais 32 vezes 3 mais 16 vezes 12 implica em M início subscrito, A l subscrito 2 abre parênteses S O subscrito 4 fecha parênteses subscrito 3, fim subscrito é igual a 342 gramas barra mol$M_{{\text{A}\mathcal{\text{l}}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3}=27\mathbf{·}2+32\mathbf{·}3+16\mathbf{·}12\Rightarrow M_{{\text{A}\mathcal{\text{l}}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3}=342\text{ g/mol}$

2º. Em seguida, determina-se a quantidade de matéria do soluto, que é o número de mol do soluto n subscrito 1$n_1$.

n subscrito 1 é igual a início de fração, numerador: 'm' subscrito 1, denominador: M subscrito 1, fim de fração implica em n subscrito 1 é igual a início de fração, numerador: 68 vírgula 4 gramas, denominador: 342 gramas barra mol, fim de fração implica em n subscrito 1 é igual a 0 vírgula 2 mol de soluto abre parênteses A l subscrito 2 abre parênteses S O subscrito 4 fecha parênteses subscrito 3 fecha parênteses$n_1\text{=}\frac{m_1}{M_1}\Rightarrow n_1=\frac{\mathrm{68,4}\text{ g}}{342\text{ g/mol}}\Rightarrow n_1=\mathrm{0,2}\text{ mol de soluto }\left({\text{A}\mathcal{\text{l}}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3\right)$

3º. Depois, pode-se determinar a concentração em quantidade de matéria do soluto abre parênteses A l subscrito 2 abre parênteses S O subscrito 4 fecha parênteses subscrito 3 fecha parênteses$\left({\text{A}\mathcal{\text{l}}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3\right)$, substituindo os valores na expressão.

c é igual a início de fração, numerador: n subscrito 1, denominador: V, fim de fração implica em c é igual a início de fração, numerador: 0 vírgula 2 mol, denominador: 0 vírgula 4 litro, fim de fração implica em c é igual a 0 vírgula 5 mol barra L de A l subscrito 2 abre parênteses S O subscrito 4 fecha parênteses subscrito 3 abre parênteses a q fecha parênteses$c=\frac{n_1}{V}\Rightarrow c=\frac{\mathrm{0,2}\text{ mol}}{\mathrm{0,4}\text{ L}}\Rightarrow c=\mathrm{0,5}\text{ mol/L de }{\text{A}\mathcal{\text{l}}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3\left(\text{aq}\right)$

Logo, a concentração em quantidade de matéria do sal é 0 vírgula 5 mol por litro$\mathrm{0,5}\text{ mol/L}$ de A l subscrito 2 abre parênteses S O subscrito 4 fecha parênteses subscrito 3 abre parênteses a q fecha parênteses${\text{A}\mathcal{\text{l}}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3\left(\text{aq}\right)$. Isso significa que em cada 1 litro$1\text{ L}$ dessa solução há 0 vírgula 5 mol$\mathrm{0,5}\text{ mol}$ de soluto dissolvido.

Por meio da regra de três, calcula-se a massa molar do sal abre parênteses A l subscrito 2 abre parênteses S O subscrito 4 fecha parênteses subscrito 3 fecha parênteses$\left({\text{A}\mathcal{\text{l}}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3\right)$:

M início subscrito, A l subscrito 2 abre parênteses S O subscrito 4 fecha parênteses subscrito 3, fim subscrito é igual a 27 vezes 2 mais 32 vezes 3 mais 16 vezes 12 implica em M início subscrito, A l subscrito 2 abre parênteses S O subscrito 4 fecha parênteses subscrito 3, fim subscrito é igual a 342 gramas barra mol${\text{M}}_{{\text{A}\mathcal{\text{l}}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3}=27\mathbf{·}2+32\mathbf{·}3+16\mathbf{·}12\Rightarrow {\text{M}}_{{\text{A}\mathcal{\text{l}}}_2{\left({\text{SO}}_4\right)}_3}=342\text{ g/mol}$

Em seguida, calcula-se a quantidade de matéria do sal.

Considerando que 400 centímetros cúbicos$400{\text{ cm}}^3$ equivalem a 400 mililitros$400\text{ mL}$, tem-se então 0 vírgula 4 litro$\mathrm{0,4}\text{ L}$ de solução. Agora, vamos fazer o cálculo da determinação da concentração em quantidade de matéria do sal.

4º. Para determinar a concentração em quantidade de matéria dos íons A l elevado a início expoente, 3 mais, fim expoente abre parênteses aq fecha parênteses${\text{A}\mathcal{\text{l}}}^{\text{3+}}\left(\text{aq}\right)$ e S O subscrito 4 elevado a início expoente, 2 menos, fim expoente abre parênteses a q fecha parênteses${{\text{SO}}_4}^{2-}\left(\text{aq}\right)$ nessa solução, é necessário considerar a proporção de seus coeficientes estequiométricos e o grau de dissociação.

Assim, as concentrações em quantidade de matéria dos íons são 0 vírgula 6 mol por litro$\text{0,6 mol/L }$ de íons Al elevado a início expoente, 3 mais, fim expoente abre parênteses a q fecha parênteses${\text{A}\mathcal{\text{l}}}^{3+}\left(\text{aq}\right)$ e 0 vírgula 9 mol por litro$\mathrm{0,9}\text{ mol/L }$ de íons S O subscrito 4 elevado a início expoente, 2 menos, fim expoente${{\text{SO}}_4}^{2-}$.

Fração em quantidade de matéria

A palavra fração, em nosso estudo, tem o mesmo significado que você estudou em Matemática. Neste caso, a razão é entre números de mol dos componentes presentes na solução.

Sendo assim, a fração em quantidade de matéria ou fração molar corresponde à razão entre a quantidade de matéria em mol do soluto (ou do solvente) e a soma das quantidades de matéria em mol de todos os componentes da solução.

Logo, temos que:

Então, a soma das frações em quantidades de matéria do soluto e do solvente é sempre 1, ou seja, x subscrito 1 mais x subscrito 2 é igual a 1$x_1+x_2=1$.

Considere que um soro glicosado com 5% de massa (soluto/solvente) utilizado em hospitais é uma solução formada por 5 gramas$5\text{ g}$ de glicose abre parênteses C subscrito 6 H subscrito 12 O subscrito 6 fecha parênteses$\left({\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6\right)$ dissolvidos em 100 gramas$100\text{ g}$ de água abre parênteses H subscrito 2 O fecha parênteses$\left({\text{H}}_2\text{O}\right)$. Com esses dados, podemos determinar as frações em quantidade de matéria do soluto (glicose) e do solvente (água).

1º. Inicialmente, calculam-se as massas molares de cada um dos componentes da solução.

M início subscrito, C subscrito 6 H subscrito 12 O subscrito 6, fim subscrito é igual a abre parênteses 12 vezes 6 mais 1 vezes 12 mais 16 vezes 6 fecha parênteses grama barra mol implica em M início subscrito, C subscrito 6 H subscrito 12 O subscrito 6, fim subscrito é igual a 180 gramas barra mol$M_{{\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6}=\left(12\mathbf{·}6+1\mathbf{·}12+16\mathbf{·}6\right)\text{ g/mol}\Rightarrow M_{{\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6}=180\text{ g/mol}$

M início subscrito, H subscrito 2 O, fim subscrito é igual a abre parênteses 1 vezes 2 mais 16 vezes 1 fecha parênteses grama barra mol implica em M início subscrito, H subscrito 2 O, fim subscrito é igual a 18 gramas barra mol$M_{{\text{H}}_2\text{O}}=\left(1\mathbf{·}2+16\mathbf{·}1\right)\text{ g/mol}\Rightarrow M_{{\text{H}}_2\text{O}}=18\text{ g/mol}$

2º. Em seguida, determinam-se n subscrito 1$n_1$, n subscrito 2$n_2$ e n$n$.

n subscrito 1 é igual a início de fração, numerador: 'm' subscrito 1, denominador: M subscrito 1, fim de fração implica em n subscrito 1 é igual a início de fração, numerador: 5 gramas, denominador: 180 gramas barra mol, fim de fração implica em n subscrito 1 é aproximadamente igual a 0 vírgula 0 28 mol de soluto abre parênteses C subscrito 6 H subscrito 12 O subscrito 6 fecha parênteses$n_1=\frac{m_1}{M_1}\Rightarrow n_1=\frac{\text{5 g}}{180\text{ g/mol}}\Rightarrow n_1\simeq \mathrm{0,028}\text{ mol de soluto }\left({\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6\right)$

n subscrito 2 é igual a início de fração, numerador: 'm' subscrito 2, denominador: M subscrito 2, fim de fração implica em n subscrito 2 é igual a início de fração, numerador: 100 gramas, denominador: 18 gramas barra mol, fim de fração implica em n subscrito 2 é aproximadamente igual a 5 vírgula 556 mol de solvente abre parênteses H subscrito 2 O fecha parênteses$n_2=\frac{m_2}{M_2}\Rightarrow n_2=\frac{\text{100 g}}{18\text{ g/mol}}\Rightarrow n_2\simeq \mathrm{5,556}\text{ mol de solvente }\left({\text{H}}_2\text{O}\right)$

n é igual a n subscrito 1 mais n subscrito 2 implica em n é igual a abre parênteses 0 vírgula 0 28 mais 5 vírgula 556 fecha parênteses mol implica em n é aproximadamente igual a 5 vírgula 584 mol abre parênteses solução fecha parênteses$n=n_1+n_2\Rightarrow n=\left(\text{0,028 }+\text{ 5,556}\right)\text{ mol }\Rightarrow n\simeq \text{ 5,584 mol }\left(\text{solução}\right)$

3º. Assim, a fração em quantidade de matéria de soluto x subscrito 1$x_1$ é dada por:

x subscrito 1 é igual a início de fração, numerador: n subscrito 1, denominador: n, fim de fração implica em x subscrito 1 é igual a início de fração, numerador: 0 vírgula 0 28 mol, denominador: 5 vírgula 584 mol, fim de fração implica em x subscrito 1 é aproximadamente igual a 0 vírgula 0 0 5$x_1=\frac{n_1}{n}\Rightarrow x_1=\frac{\mathrm{0,028}\text{ mol}}{\mathrm{5,584}\text{ mol}}\Rightarrow x_1\simeq \mathrm{0,005}$

Isso significa que em cada 1 mol$1\text{ mol}$ de solução há aproximadamente 0 vírgula 0 0 5 mol$\mathrm{0,005}\text{ mol}$ de soluto.

Já a fração em quantidade de matéria de solvente x subscrito 2$x_2$ é dada por:

x subscrito 2 é igual a início de fração, numerador: n subscrito 2, denominador: n, fim de fração implica em x subscrito 2 é igual a início de fração, numerador: 5 vírgula 556 mol, denominador: 5 vírgula 584 mol, fim de fração implica em x subscrito 2 é aproximadamente igual a 0 vírgula 995$x_2=\frac{n_2}{n}\Rightarrow x_2=\frac{5,556\text{ mol}}{5,584\text{ mol}}\Rightarrow x_2\simeq \mathrm{0,995}$

Esse valor também pode ser obtido pelo uso da relação:

x subscrito 1 mais x subscrito 2 é igual a 1 implica em 0 vírgula 0 0 5 mais x subscrito 2 é igual a 1 implica em x subscrito 2 é igual a 0 vírgula 995$x_1+x_2=1\Rightarrow \mathrm{0,005}+x_2=1\Rightarrow x_2=\mathrm{0,995}$

Isso significa que em cada 1 mol$1\text{ mol}$ de solução há 0 vírgula 995 mol$\mathrm{0,995}\text{ mol}$ de solvente.

Pela regra de três, é possível calcular a fração em quantidade de matéria de soluto x subscrito 1$x_1$ e de solvente x subscrito 2$x_2$.

O cálculo da quantidade de matéria da solução abre parênteses n fecha parênteses$\left(n\right)$ é:

n é igual a n subscrito 1 mais n subscrito 2 implica em n é igual a abre parênteses 0 vírgula 0 28 mais 5 vírgula 556 fecha parênteses mol implica em n é aproximadamente igual a 5 vírgula 584 mol abre parênteses solução fecha parênteses$n=n_1+n_2\Rightarrow n=\left(\mathrm{0,028}+\mathrm{5,556}\right)\text{ mol}\Rightarrow n\simeq \mathrm{5,584}\text{ mol }\left(\text{solução}\right)$

Assim, a fração em quantidade de matéria de soluto x subscrito 1$x_1$ é dada por:

Isso significa que em cada 1 mol$1\text{ mol}$ de solução há aproximadamente 0 vírgula 0 0 5 mol$\mathrm{0,005}\text{ mol}$ de soluto.

Já a fração em quantidade de matéria de solvente x subscrito 2$x_2$ é dada por:

Essa relação é pouco utilizada em soluções líquidas, pois geralmente a quantidade de matéria do soluto é bem menor que a quantidade de matéria da solução.

Relações entre algumas concentrações de soluções

As concentrações em massa 'C'$C$ e em quantidade de matéria c$c$ podem ser relacionadas da seguinte forma:

em que: n subscrito 1 é igual a início de fração, numerador: 'm' subscrito 1, denominador: M subscrito 1, fim de fração$n_1=\frac{m_1}{M_1}$ (3)

Substituindo (3) em (1), obtém-se:

c é igual a início de fração, numerador: 'm' subscrito 1, denominador: M subscrito 1 vezes V, fim de fração implica em c é igual a início de fração, numerador: 'C', denominador: M subscrito 1, fim de fração$c=\frac{m_1}{M_1\mathbf{·}V}\Rightarrow c=\frac{C}{M_1}$

Isolando 'C'$C$, a relação obtida é:

'C' é igual a c vezes M subscrito 1$C=c\mathbf{·}{M}_1$

Outras relações envolvendo concentrações de soluções e densidade de solução

Relações entre as concentrações e a densidade

Diluição de soluções

É muito comum que rótulos de embalagens de sucos concentrados orientem os consumidores a acrescentar determinada porção de água durante o preparo. A fotografia na próxima página mostra exatamente esse procedimento. Nesse caso, a água adicionada desempenhou função de solvente, diluindo assim a solução (suco concentrado). Dessa forma, a concentração da solução diminuiu.

Em Química, o termo diluir indica acréscimo de solvente a uma solução, o que diminui a sua concentração. Nesse caso, a quantidade de soluto permanece constante. Em laboratório, utiliza-se uma pipeta (com pera) para transferir uma alíquota^✚ de volume conhecido da solução concentrada (solução inicial) para um balão volumétrico e, em seguida, adiciona-se água até o volume final desejado, obtendo a solução diluída (solução final). Analise a representação desse processo a seguir.

Em geral, o termo concentrar, em Química, indica diminuição da quantidade de solvente da solução, o que aumenta a sua concentração. Nesse caso, se o soluto não for volátil^✚ e o solvente não for inflamável^✚, ao aquecer a solução para provocar a evaporação do solvente, aumenta-se a concentração da solução.

Não podemos confundir diluição com dissolução. Na dissolução, adicionamos soluto ao solvente, preparando assim uma solução. Ao acrescentarmos mais solvente, teremos uma diluição.

Perceba que a quantidade de soluto permaneceu constante nas duas situações apresentadas (diluição e concentração de soluções), mas a concentração da solução variou. Assim, temos:

Se a massa do soluto presente na solução se mantiver constante durante a diluição ou a concentração da solução, conclui-se que a quantidade de matéria do soluto permanecerá constante n subscrito i é igual a n subscrito f$n_{\text{i}}=n_{\text{f}}$. Assim, para a concentração em quantidade de matéria abre parênteses mol por litro fecha parênteses$\left(\text{mol/L}\right)$, obtém-se a seguinte relação:

Esquematicamente, para uma diluição, tem-se:

em que V$V$ e 'C'$C$ são grandezas inversamente proporcionais.

ATIVIDADES RESOLVIDAS

R3. Foram pipetados 25 centímetros cúbicos$25{\text{cm}}^3$ de uma solução aquosa inicial de ácido nítrico abre parênteses H N O subscrito 3 fecha parênteses$\left({\text{HNO}}_3\right)$, de concentração 16 mol por litro$16\text{ mol/L}$, em 200 centímetros cúbicos$200{\text{cm}}^3$ de água. Em seguida, adicionou-se água suficiente para atingir o volume final de 500 centímetros cúbicos$500{\text{cm}}^3$. Determine a concentração da solução final, em mol por litro$\text{mol/L}$.

Resolução

• V subscrito i é igual a 25 centímetros cúbicos$V_{\text{i}}=25{\text{cm}}^3$, ou seja, 25 mililitros$25\text{ mL}$
• c subscrito i é igual a 16 mol por litro$c_{\text{i}}=16\text{ mol/L}$
• V subscrito f é igual a 500 centímetros cúbicos$V_{\text{f}}=500{\text{cm}}^3$
• c subscrito f é igual a ponto de interrogação$c_{\text{f}}=?$

Como houve adição de solvente a uma solução inicial (concentrada), o volume aumentou e a concentração diminuiu. Trata-se, portanto, de um procedimento de diluição. Assim, com base na expressão matemática usada em diluição de soluções, se isolarmos a concentração em quantidade de matéria final c subscrito f$c_{\text{f}}$ e, em seguida, substituirmos os valores das demais grandezas, teremos:

c subscrito i vezes V subscrito i é igual a c subscrito f vezes V subscrito f implica em c subscrito f é igual a início de fração, numerador: c subscrito i vezes V subscrito i, denominador: V subscrito f, fim de fração$c_{\text{i}}\mathbf{·}{V}_i=c_{\text{f}}\mathbf{·}{V}_{\text{f}}\Rightarrow c_{\text{f}}=\frac{c_{\text{i}}\mathbf{·}{V}_{\text{i}}}{V_{\text{f}}}$

c subscrito f é igual a início de fração, numerador: 16 mol barra L vezes 25 centímetros cúbicos, denominador: 500 centímetros cúbicos, fim de fração implica em c subscrito f é igual a 0 vírgula 8 mol por litro$c_{\text{f}}=\frac{16\text{ mol/L}\mathbf{·}25{\text{ cm}}^3}{500{\text{cm}}^3}\Rightarrow c_{\text{f}}=\mathrm{0,8}\text{ mol/L}$

Logo, a concentração em quantidade de matéria final para essa solução é 0 vírgula 8 mol por litro$\mathrm{0,8}\text{ mol/L}$. Isso significa que em cada 1 litro$1\text{ L}$ dessa solução (final) há 0 vírgula 8 mol$\mathrm{0,8}\text{ mol}$ de soluto dissolvido.

Pelos dados contidos no texto, vê-se que o volume aumentou 20 vezes abre parênteses de 25 centímetros cúbicos para 500 centímetros cúbicos fecha parênteses$\left(\text{de }25{\text{cm}}^3\text{ para }500{\text{cm}}^3\right)$. Como concentração de solução e volume são grandezas inversamente proporcionais, a concentração final dessa solução deve ser 20 vezes menor.

Mistura de soluções

De acordo com o que já estudamos, é comum prepararmos soluções, que podem ser muito ou pouco concentradas.

Há situações em que podemos misturar duas soluções, como acrescentar adoçante ao café ou juntar um café mais concentrado a outro menos concentrado. Em ambos os casos, estamos colocando duas soluções em um mesmo recipiente, ou seja, misturando soluções.

Imagens desta página sem proporção e em cores fantasia.

Há casos em que, após misturar soluções, é necessário determinar a concentração de cada componente da mistura final. Para isso, é preciso saber se as soluções misturadas reagem ou não entre si.

Mistura de soluções que não reagem entre si

Na mistura de café com adoçante ou do café concentrado com outro menos concentrado não há reação química. As misturas de soluções que não reagem entre si podem ser tanto de soluções de mesmo soluto como de solutos diferentes.

Ao misturar soluções de mesmo soluto, mas com concentrações diferentes, obtemos uma solução final cujo valor da concentração final fica entre os valores das soluções mais e menos concentradas.

Se considerarmos uma mistura de duas soluções aquosas de sulfato de cobre(II) abre parênteses C u S O subscrito 4 abre parênteses a q fecha parênteses fecha parênteses$\left(\text{CuS}{\text{O}}_4\left(\text{aq}\right)\right)$ de concentrações diferentes, seria possível notar o resultado da mistura em relação à cor das concentrações. Uma mistura da solução 1 com a solução 2, ambas apresentadas nas imagens, resultaria em uma solução com tonalidade intermediária entre elas.

Consideremos um experimento em que duas soluções de hidróxido de sódio foram preparadas. A solução A foi preparada dissolvendo 40 gramas$40\text{ g}$ em 250 centímetros cúbicos$250{\text{cm}}^3$ de solvente e a solução B dissolvendo 60 gramas$60\text{ g}$ em 250 centímetros cúbicos$250{\text{cm}}^3$. A concentração final obtida ao misturar as soluções é apresentada a seguir.

'm' início subscrito, 1 subscrito A, fim subscrito é igual a 40 gramas$m_{1_{\mathbf{\text{A}}}}=40\text{ g}$

V subscrito A é igual a 250 centímetros cúbicos$V_{\mathbf{A}}=250{\text{cm}}^3$

'C' subscrito A é igual a início de fração, numerador: 40 gramas, denominador: 250 centímetros cúbicos, fim de fração implica em 'C' subscrito A é igual a 0 vírgula 16 grama por centímetro cúbico$C_{\mathbf{\text{A}}}=\frac{40\text{ g}}{250{\text{cm}}^3}\Rightarrow C_{\mathbf{\text{A}}}=\mathrm{0,16}\text{ g/}{\text{cm}}^3$

'm' início subscrito, 1 subscrito B, fim subscrito é igual a 60 gramas$m_{1_{\mathbf{\text{B}}}}=60\text{ g}$

V subscrito B é igual a 250 centímetros cúbicos$V_{\mathbf{B}}=250{\text{cm}}^3$

'C' subscrito B é igual a início de fração, numerador: 60 gramas, denominador: 250 centímetros cúbicos, fim de fração implica em 'C' subscrito B é igual a 0 vírgula 24 grama por centímetro cúbico$C_{\mathbf{\text{B}}}=\frac{60\text{ g}}{250{\text{ cm}}^3}\Rightarrow C_{\mathbf{\text{B}}}=\mathrm{0,24}\text{ g/}{\text{cm}}^3$

'm' início subscrito, 1 subscrito f, fim subscrito é igual a 100 gramas$m_{1_{\text{f}}}=100\text{ g}$

V subscrito f é igual a 500 centímetros cúbicos$V_{\text{f}}=500{\text{cm}}^3$

'C' subscrito f é igual a início de fração, numerador: 100 gramas, denominador: 500 centímetros cúbicos, fim de fração implica em 'C' subscrito f é igual a 0 vírgula 20 grama por centímetro cúbico$C_{\text{f}}=\frac{100\text{ g}}{500{\text{ cm}}^3}\Rightarrow C_{\text{f}}=\mathrm{0,20}\text{ g/}{\text{cm}}^3$