UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO

CENTRO UNIVERSITÁRIO DO NORTE DO ESPIRÍTO SANTO

DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS NATURAIS

ENGENHARIA QUÍMICA

CAMILA CAROLYNE DE OLIVEIRA SANTOS

FREDERICO KROHLING MAYER

JULIO PANSIERE ZAVARISE

RELATÓRIO Nº 3

EXPERIMENTO 06 : EQUILÍBRIO DE FASES

SÃO MATEUS-2015

RESUMO

O relatório apresentado trata do experimento com objetivo de determinar

experimentalmente o diagrama de fases binário, a temperatura crítica e

aplicação da regra da alavanca para esse sistema composto fenol e água.

Também tem o objetivo de representar um diagrama de fases ternário com

suas linhas de amarração composto por água, ácido acético e clorofórmio e

calcular a massa das fases em equilíbrio. A partir de temperaturas de

turvamento em diferentes composições determinou-se para o sistema binário

uma temperatura crítica de Tc=66°C e por titulações obteve-se uma massa de

ácido acético em equilíbrio para os sistemas 1, 3 e 4, respectivamente ,de

14,03 ; 39,08 e 47,00 g e na fase aquosa e 0,1341 ; 0,7267 e 1,3220 g na fase

orgânica.

Palavras Chave: Diagrama de fases. temperatura crítica. regra da

alavanca.

1. INTRODUÇÃO :

Diagramas de fase são formas gráficas de se representar sistemas de

componentes com base nas condições de equilíbrio entre fases

termodinamicamente distintas. Estes diagramas podem ter como a variáveis a

pressão, composição e a temperatura, sendo o mais comum o diagrama de

temperatura versus composição, no qual pode-se descrever as fases

presentes, a composição dos componentes, a temperatura de ebulição ou de

fusão para determinada composição.[1]

Para equilíbrios entre dois líquidos, ou seja, sistema de dois componentes é

feito um diagrama de fases binário. Nesse diagrama obtém-se a curva de

solubilidade com variações de composição ou da temperatura. Quando se

adiciona uma pequena quantidade de líquido B puro em A puro em uma

determinada temperatura T, há uma dissolução completa e o sistema formado

é binário e monofásico (P=1). Se mais líquido B é adicionado, parte da solução

adicionada não é solubilizada assim o sistema é binário e bifásico (P=2). A

composição da solução bifásica pode ser determinada se a pressão é mantida

constante uma vez que pela regra de fases de Gibbs F= 3-P =1, mantendo a

composição que é determinada pela regra da alavanca:

Figura 1: Regra da alavanca. Fonte da imagem: http://people.cst.cmich.edu/teckl1m

m/PChemI/Chm351Ch8aF01.htm.

A figura acima representa graficamente a regra da alavanca, onde mostra a

região de equilíbrio entre duas fases α e β, e as distâncias em relação ao ponto

da isopleta representadas por lα e lβ. [2]

Analisando um diagrama de temperatura versus composição, as variações na

temperatura provocam mudanças na composição das fases promovendo a

miscibilidade. Através de várias composições diferentes pode-se determinar o

limite de solubilidade de um sistema bifásico, mantendo-se a pressão

constante.

Para sistemas formados por três componentes, ou seja, uma mistura ternária

recorre-se à geometria dos prismas de base triangular como diagrama de

representação onde às ordenadas se faz corresponder a temperatura ou a

pressão e à base (um triângulo equilátero) se associa a composição dos

componentes, de forma que a soma das frações mássica ou molar sejam iguais

a um. Cada vértice do triângulo corresponde aos componentes puros do

sistema ternário, pontos nos lados do triângulo representa a composição de

uma mistura binária e pontos dentro do triângulo representam misturas dos três

componentes.

No interior da área limitada por ACPDB (figura 2) existem duas fases (P=2) de

líquidos imiscíveis que mostram a composição global. O ponto A é o limite de

solubilidade do componente 3 em 2 e o ponto B o limite de solubilidade do

componente 2 em 3. O ponto P designa-se por ponto de crítico na qual as

composições de ambas as fases em equilíbrio são iguais. Fora da área limitada

existe apenas uma fase de líquidos miscíveis. [3]

Quando se aumenta a temperatura geralmente a solubilidade dos componentes

aumenta devido à agitação molecular, assim a área bifásica nos diagramas

triangulares vai sendo cada vez mais reduzida, como pode-se observar na

figura 2 abaixo:

Figura 2 : Esquema para ilustração de um diagrama ternário. Fonte da

imagem: http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/images/stories/llefund5.pn.

2. MATERIAIS E MÉTODOS :

2.1-EQUIPAMENTOS :

Termômetro ; Pipeta Pasteur;

Béquer; Pêra de succção ;

Suporte Universal ; Chapa de aquecimento;

Mufa; Frasco Lavador.

Garra ;

2.1.1-VIDRARIAS :

Tubos de ensaio; Bureta 50,00 mL;

Pipeta graduada de 5,00 mL; Béquer 100 mL;

Frasco Erlenmeyer 250 mL. Béquer 50 mL.

2.2-REAGENTES:

Água destilada; Ácido acético glacial P.A

(CH₃COOH);

Solução padrão de Hidróxido de

Sódio (NaOH) 0,8931 mol/L ;

Clorofórmio P.A (CHCl3);

Fenol/Ácido Fênico P.A (C6H5OH); Fenolftaleína.

2.3-PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL:

Parte I- Determinação do equilíbrio líquido-líquido em um sistema binário

Foram feitas misturas de diferentes composições para análise da temperatura

de miscibilização. Primeiramente foi pesado aproximadamente 4g de fenol em

um Béquer de 50 mL na balança analítica e depois transferiu-se toda a massa

para um tubo de ensaio, adicionando ao tubo com o auxílio de uma bureta de

50,00 mL os volumes de água destilada de 2;3;4 e 6 mL. Para cada

composição feita aqueceu-se o tubo em banho maria com temperatura entre 70

e 80°C até a completa dissolução. Após isto o tubo foi retirado do banho e com

um termômetro a mistura foi agitada até o aparecimento de turbidez da

solução, anotando esta temperatura. Realizou-se um novo aquecimento do

tubo de ensaio até a miscibilização e novamente foi observada a temperatura

de turvamento, de forma que esta não ultrapassasse mais que 1°C da primeira.

Repetiu-se o procedimento do parágrafo anterior para outro tubo de ensaio

limpo, porém partindo de 1g de fenol e adicionando os volumes de água de

2;3;4 e 5 mL. Em um outro tubo de ensaio, foi adicionado 0,5g de fenol e

volumes de 3; 3,5 e 5mL com o auxílio de uma bureta e o mesmo procedimento

de análise de temperatura de turvamento foi feito.

Parte II-Determinação do equilíbrio líquido-líquido em um sistema ternário

Tendo como componentes da mistura ternária água, ácido acético e clorofórmio

foram preparadas primeiramente misturas de acordo com a tabela 1 de forma

que cada mistura (enumeradas de 1 a 8), foram feitas adicionando os volumes

de dois componentes com o auxílio da bureta como indicado na tabela e do

terceiro indicado como “a determinar’’ que foi adicionado, também utilizando

uma bureta, até o aparecimento do turvamento da solução. Foram anotadas as

temperaturas do início e fim do experimento assim como os volumes dos

componentes adicionados.

Tabela 1. Misturas preparadas para determinação do diagrama de fases.

Vol. Água/ mL Vol. HAC/mL Vol. CHCl3/mL

1 24 16 A determinar

2 8 12 A determinar

3 5 15 A determinar

4 1 9 A determinar

5 A determinar 4 36

6 A determinar 5 15

7 A determinar 8 12

8 A determinar 12 8

Duas misturas foram preparadas adicionando os volumes de componentes de

acordo com a tabela 2, e após a completa separação das fases duas alíquotas

de 5mL de cada fase foram retiradas com uma pipeta graduada e colocadas

em 4 frascos erlenmeyers. Cada alíquota foi pesada, e titulada com solução de

NaOH 0,8931 mol/L usando como indicador fenolftaleína de forma a determinar

o volume de ácido acético solubilizado em cada fase.

Tabela 2. Sistemas sugeridos para determinação das fases em equilíbrio.

Vol. Água/ mL Vol. HAC/mL Vol. CHCl3/mL

1 18 4 18

2 14 8 18

3 10 12 18

4 6 16 18

2.4- METODOLOGIA DOS CÁLCULOS:

Para relacionar a massa de cada substância na mistura recorrem-se as

densidades absolutas a 25º C, dos componentes da mistura , listados na

tabela abaixo:

Tabela 3. Dados físico-químicos dos componentes do sistema ternário.

Densidades absolutas (

g/ml) , 25° C

Massa molar

(g/mol)

Água (líq.) 1,00 18

Fenol P.A - 94.11

Ácido Acético P.A (líq.) 1,051 60,05

Clorofórmio P.A (líq.) 1,48 119,38

Fazendo uso da definição de densidade absoluta (Equação 2) e rearranjando

os termos encontra-se uma expressão adequada para o cálculo da massa de

cada componente na mistura e somando as massas encontradas obtém-se a

massa total da mistura. Os resultados encontrados se encontram organizados

na tabela 1-1 e 2-3:

(Equação 2) .:

Para calcular as frações mássicas de cada componente nas misturas de 1 a 8 ,

utiliza-se a equação 3 , onde xi representa a massa da substância e M* a

massa total da mistura . Os resultados obtidos são apresentados na tabela 2-4:

(Equação 3).

Para calcular a massa média das alíquotas de 5 mL de cada fase , tomou-se a

massa de duas alíquotas , denotadas por 1 e 2 e utilizou-se a equação 3 . As

massas tomadas de cada uma das alíquotas retiradas, bem como a média das

determinações se encontram na tabela 2-5.

(Equação 4)

A equação 4 mostra o que acontece com a quantidade de matéria das

espécies químicas no ponto de equivalência , de acordo com a estequiometria

da reação . Substituindo a quantidade de matéria de NaOH pela concentração

molar multiplicada pelo volume adicionado da substância até atingir o ponto

final da titulação encontramos a equação 5 conveniente para encontrar a

quantidade de matéria de ácido acético em cada fase :

(Equação 4).

(Equação 5).

A massa de ácido acético presente em cada uma das fases pode ser calculada

pela equação 6 , onde a massa molar MCH3COOH = 60,05 g/mol e mCH3COOH

representa a massa de ácido acético presente na fase correspondente . Os

resultados obtidos , bem como a média das determinações de massa se

encontram na tabela 2.8:

(Equação 6)

A regra da alavanca permite determinar as proporções em cada fase a partir de

um único ponto. Para isso, precisa-se medir a distância do ponto até a curva de

equilíbrio da fase que se queria calcular a fração (α para a fase aquosa e β

para a fase orgânica ) e dividir pelo comprimento total da linha de amarração

(lα e lβ). Os resultados encontrados estão dispostos na tabela 2-10 .

2.5-CÁLCULOS:

Nota: Somente os cálculos julgados necessários foram mantidos. Os demais

cálculos realizados referentes foram omitidos por questão de simplicidade .

I-Determinação das frações mássicas dos componentes dos pontos A, B

e C de 1-3 ( referente à tabela 2-9) :

(Equação 2).

(Equação 3).

Sistema 1 (Ponto A):

Volume H2O

(mL)

Volume

CH3COOH (mL)

Volume CHCl3

(mL)

18 4 18

MH20= 1,00 g/mLx 18 mL=18 g

MCH3COOH =1,051 g/mL x 4 mL= 4,204 g

MCHCl3 =1,48 g/mL x 18 mL= 26,6 g

M* = 48,8 g

x H20 = 36,89 % (m/m)

x CH3COOH = 08,61% (m/m)

x CHCl3 = 54,50 % (m/m)

Sistema 3 ( Ponto B) :

Volume H2O

(mL)

Volume

CH3COOH (mL)

Volume CHCl3

(mL)

10 12 18

MH20= 1,00 g/mLx 10 mL= 10 g

MCH3COOH =1,051 g/mL x 12 mL= 12,612 g

MCHCl3 =1,48 g/mL x 18 mL= 26,6 g

M* = 49,2 g

x H20 = 20,30 % (m/m)

x CH3COOH = 25,63% (m/m)

x CHCl3 = 54,07 % (m/m)

Sistema 4 (Ponto C):

Volume H2O

(mL)

Volume

CH3COOH (mL)

Volume CHCl3

(mL)

6 16 18

MH20= 1,00 g/mLx 6 mL=6 g

MCH3COOH =1,051 g/mL x 16 mL=16,816 g

MCHCl3 =1,48 g/mL x 18 mL=26,6 g

M* = 49,4 g

x H20 = 12,14 % (m/m)

x CH3COOH = 34,02 % (m/m)

x CHCl3 = 53,86 % (m/m)

II-Determinação da quantidade de CH3COH presentes nas fases aquosa e

orgânica (referente à tabela 2-8 ) :

(Equação 5).

(Equação 6).

(Equação 3).

DADOS :

CNaOH = 0,8931 mol/L;

Sistema 1:

VNaOH fase aquosa VNaOH fase Orgânica

13,6 mL 2,5 mL

Fase aquosa :

0,8931 mol.L-1 x 13,6.10-3 L

nº mols CH3COOH = 0,01214616 mol

mCH3COOH =0,7294 g

% CH3COOH=

= 14,03 %

Fase orgânica :

0,8931 mol.L-1 x 2,5.10-3 L

nº mols CH3COOH = 0,00223275 mol

mCH3COOH = 0,1341 g

% CH3COOH =

= 1, 856 %

Sistema 3:

VNaOH fase aquosa VNaOH fase Orgânica

37,6 mL 13,55 mL

Fase aquosa :

0,8931 mol.L-1 x 37,6 .10-3 L

nº mols CH3COOH = 0,03358056 mol

mCH3COOH =2,0165 g

% CH3COOH==

= 39,08 %

Fase orgânica :

0,8931 mol.L-1 x 13,55.10-3 L

nº mols CH3COOH = 0,012101505 mol

m CH3COOH =0,7267 g

% CH3COOH =

=10,61 %

Sistema 4:

VNaOH fase aquosa VNaOH fase Orgânica

47, 95 mL 24,65 mL

Fase aquosa :

0,8931 mol.L-1 x 47, 95.10-3 L

nº mols CH3COOH = 0,042824145 mol

m CH3COOH =2,5716 g

% CH3COOH =

=47,00 %

Fase orgânica :

0,8931 mol.L-1 x 24,65.10-3 L

nº mols CH3COOH = 0,022014915 mol

m CH3COOH =1,3220 g

% CH3COOH=% CH3COOH =

= 19,72 %

II-Determinação das massas das fases em equilíbrio (referentes à tabela

2.10 ):

Regra da alavanca : mα. lα=mβ. lβ;

mα+mβ=1 ;

α=fase rica em água ;

β=fase rica em clorofórmio;

mα=fração mássica da fase rica em água ;

mβ= fração mássica da fase rica em clorofórmio .

Ponto A :

mα=(0,375-0,125)/(0,375-0,125 + 0,125-0,03 )= 0,725

mβ=0,275

Ponto B :

mα=(0,47-0,20)/(0,47-0,20 + 0,20-0,05 )=0,643

mβ=0,357

Ponto C:

mα=(0,64-0,375)/(0,375-0,25+0,64-0,375 )=0,680

mβ=0,320

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

I- Determinação do equilíbrio líquido-líquido em um sistema binário

Os dados obtidos experimentalmente estão representados na Tabela 1-1.

Tabela 1-1. Medidas da temperatura na qual se iniciam as turvações para

determinadas massas de água e fenol. * A densidade da água foi considerada 1 g/cm³.

Tubo

de

Ensaio

Massa

de fenol

(g)

Massa de

água (g)*

T1 (°C) T2 (°C) Tmed

(°C)

ΔT

(°C)

%

Fenol

(m/m)

I 4,2619 2,0 45,0 45,0 45,0 0 68,06

3,0 58,0 59,0 58,5 1,0 58,69

4,0 63,6 63,0 63,3 0,6 51,58

6,0 65,0 66,0 65,5 1,0 41,53

II 1,0242 2,0 65,0 66,0 65,5 1,0 33,87

3,0 64,0 63,5 63,7 0,5 24,94

4,0 62,0 62,0 62,0 0 20,38

5,0 59,0 58,9 58,9 0,1 17,00

III 0,5256 3,0 55,0 55,5 55,2 0,5 14,91

3,5 50,5 50,0 50,2 0,5 13,06

5,0 32,0 32,0 32,0 0 9,51

Com os valores de temperatura média do início das turvações e a composição

da mistura (em termos de fração mássica), foi construído o diagrama de fases

para este sistema binário, representado pela figura 3.

Figura 1-1 .Diagrama de fases água-fenol

No gráfico, a linha que liga os pontos é a curva de miscibilidade . A curva de

miscibilidade foi encontrada através de uma reta de regressão linear , que

utiliza um polinômio de grau 6 para interpolar os pontos experimentais obtidos

e delimitar a região bifásica . Dentro da região delimitada por essa linha, têm-se

P=2.Quando se tem P=2, F’=1. Isto significa que há um grau de liberdade,

apenas uma variável pode ser alterada. Este gráfico apresenta uma pressão

constante, que é a pressão atmosférica, 1 atm. Na região de duas fases o

equilíbrio se dá a pressão constante. A temperatura é a variável que está

sendo alterada, sendo, portanto, o fator responsável pela determinação da

composição das fases líquidas imiscíveis em equilíbrio. Fora da curva de

miscibilidade têm-se P=1 (correspondendo a um sistema em que dois líquidos

estão homogeneamente misturados), a temperatura e a composição podem ser

arbitrariamente fixadas.

A temperatura crítica superior de solução é a temperatura mais elevada em que

pode haver separação entre as fases. No diagrama de fases água-fenol

montado experimentalmente, representado pelo gráfico 1, esta temperatura é

de 66°C. A partir dessa temperatura, o fenol e a água são miscíveis um no

outro em quaisquer proporções. As interações intermoleculares do tipo água-

fenol se tornam maiores que as interações intermoleculares do tipo água-água

e fenol-fenol, tornando o sistema seja miscível.

Caracterização de um sistema composto por 4 g de fenol e 6 g de água

Um sistema composto por 4 g de fenol e 6 g de água, na temperatura de 50°C,

utilizando-se o Gráfico 1, pode ser caracterizado como com duas fases líquidas

imiscíveis. Traçando uma linha imaginária na temperatura de 50°C e utilizando-

se a regra da alavanca( Equação 1), obtêm-se:

mαlα=mβlβ

mα(0,4-0,12) = mβ(0,66-0,4)

0,28 mα = 0,26 mβ

Então, conclui-se que a relação entre a fase rica em água e a fase rica em

fenol é de 0,929. Agora, temos um sistema de equações:

mα = 0,929 mβ

mα + mβ = 1

Resolvendo o sistema de equações, encontra-se que a fase rica em água (mα)

corresponde a 48 % em massa do sistema, e a fase rica em fenol (mβ)

corresponde a 52% em massa do sistema. Para conhecimento da quantidade

em massa de água e de fenol nestas duas fases, é preciso analisar o gráfico. A

porcentagem de fenol é representada pelo segmento vertical das linhas de

amarração em interseção com o eixo x. Na fase rica em água há 87% em

massa de água e 13% em massa de fenol correspondendo a 4g e 0,6g,

respectivamente. Na fase rica em fenol há 37% de água (2g) e 63% de fenol

(3,4g).

II-Determinação do Equilíbrio Líquido-Líquido em um Sistema Ternário :

DETERMINAÇÃO DA CURVA DE MISCIBILIDADE DO DIAGRAMA TERNÁRIO:

Os volumes de clorofórmio adicionados até o aparecimento de uma fase turva

na solução de água e ácido acético encontram-se na tabela 2.1:

Tabela 2-1. Composição das soluções de água e ácido acético, e volumes de

clorofórmio adicionados a cada solução até o aparecimento de duas fases.

Mistura Volume H2O (mL) Volume CH3COOH (mL) Volume CHCl3 (mL)

1 24 16 1,80

2 8 12 2,60

3 5 15 7,00

4 1 9 12,50

Em seguida, foram determinados os volumes de água adicionados até o

aparecimento do turvamento nas misturas de ácido acético e clorofórmio. Os

volumes de água adicionados encontram-se na tabela 2.2.

Tabela 2-2. Composição das soluções de ácido acético e clorofórmio, e volumes de

água adicionados a cada solução até o aparecimento de duas fases.

Mistura Volume H2O (mL) Volume CH3COOH (mL) Volume CHCl3 (mL)

5 8,25 4 36

6 8,30 5 15

7 1,50 8 12

8 3,40 12 8

Ao analisar os resultados da tabela 2-1 , observa-se que o volume de

clorofórmio necessário para o início do turvamento é maior a medida que os

volumes de água e de ácido acético presentes na mistura diminuem . Com o

aumento da quantidade de ácido acético na mistura a água pode se miscibilizar

em maior quantidade. Logo, é necessário adicionar uma quantidade maior de

água para saturar a solução de ácido acético e clorofórmio, e isso indica que a

água e ácido acético são componentes completamente miscíveis , enquanto

água e clorofórmio não o são.

Um ponto importante a ressaltar é que a partir dos dados da tabela 2-1 e 2-2 e

pela diferença de solubilidade do ácido acético na água e no clorofórmio, pode-

se observar que comparando duas misturas, uma com uma grande quantidade

de água e outra com essa mesma quantidade, só que de clorofórmio, a mistura

que necessita menor volume de ácido acético para miscibilizá-la totalmente é a

que contém uma grande quantidade de clorofórmio. Isso sugere que o ácido

acético é mais solúvel em clorofórmio.

Para construir um diagrama ternário de miscibilidade a partir da composição

das misturas de 1 a 8 foi necessário converter os volumes medidos de cada

substância em massa e posteriormente encontrar as frações mássicas de cada

componente na mistura. Os resultados obtidos para a determinação das

massas dos componentes nas misturas de 1 a 8 e das respectivas frações

mássicas dos componentes, se encontram nas tabelas 2-3 e 2-4:

Tabela 2-3. Resultados obtidos para o cálculo das massas de cada componente nas

misturas de 1 a 8 .

Mistura MH2O (g) MCH3COOH (g) MCHCl3 (g)

Massa total da

mistura- M * (g)

1 24,00 16,82 02,68 43,50

2 08,00 12,61 03,45 24,06

3 05,00 15,76 10,36 31,12

4 01,00 09,46 18,50 28,96

5 08,25 04,20 53,28 65,73

6 08,30 05,26 22,20 35,76

7 01,50 08,41 17,76 27,67

8 03,40 12,61 11,92 27,93

* M= MH2O + MCH3COOH + MCHCl3

Tabela 2-4. Frações mássicas de cada componente nas misturas de 1 a 8 .

Mistura Fração mássica

H2O % (m/m)

Fração mássica

CH3COOH % (m/m)

Fração mássica CHCl3

% (m/m)

1 55,17 38,66 06,17

2 33,30 52,40 14,30

3 16,06 50,64 33,30

4 03,45 32,67 63,88

5 12,56 06,39 81,05

6 23,21 14,71 62,08

7 05,43 30,39 64,18

8 12,18 45,14 42,68

Para plotar o diagrama ternário através dos pontos obtidos traçou-se uma

curva de tendência , que seria a curva binodal ou curva de miscibilidade que

separa duas regiões de equílibrio líquido-líquido. No diagrama abaixo (figura 2)

, é possível observar que apenas os 5 primeiros pontos experimentais foram

usados. Os demais se deram em regiões consideradas muito discrepantes da

tendência natural da linha de transição de fases e, portanto, foram

desconsiderados. Os dois pontos nos quais a quantidade de ácido acético é

nula foram obtidos pela extrapolação dos resultados obtidos, respeitando a

progressão de caimento dos coeficientes angulares das retas que ligavam os

pontos anteriores.

A região do gráfico que se encontra interior à curva de solubilidade é a região

onde se tem duas fases em equilíbrio; uma fase rica em água, mas que

também contém pequenas quantidades dos outros componentes dissolvidos, e

outra fase rica em clorofórmio que também contém quantidades dissolvidas dos

outros. Isso acontece porque a água e o clorofórmio são parcialmente

miscíveis, enquanto que o ácido acético é completamente miscível em cada um

deles.

Figura 2-1. Diagrama ternário para o sistema água-ácido acético-clorofórmio

determinado experimentalmente.

No diagrama ternário construído, observa-se que a região compreendida

abaixo da curva binodal representa as composições onde existem duas fases

líquidas em equilíbrio . Nessa região temos P=2 , onde P representa o número

de fases em equilíbrio, e ao aplicar a Regra das Fases , com a condição de que

a temperatura e a pressão sejam mantidas constantes , obtemos que o número

de graus de variância ou graus de liberdade , do sistema água-ácido acético-

clorofórmio é igual a F’=1 . Se F’=1 isso implica que somente uma variável

intensiva pode ser mudada sem alterar a composição das fases em equilíbrio .

Na região acima da curva de miscibilidade , temos uma região homogênea ,

isto é , os componentes da mistura são completamente miscíveis e formam

uma única fase P=1. Quando P=1 pela Regra das Fases temos F’=2 , o que

implica que duas variáveis intensivas podem ser alteradas de forma

independente sem alterar as composições do sistema .

DETERMINAÇÃO DA COMPOSIÇÃO DAS FASES EM EQUÍLIBRIO

Preparou-se os sistemas 1, 3 e 4 com composições apresentadas na tabela 2.

Após realizar a agitação do béquer contendo a mistura , observou-se a

separação entres as fases orgânica e aquosa. Foi notado que a fase orgânica

(formada por clorofórmio e ácido acético) decantou, por ser mais densa que a

fase aquosa (formada por água e ácido acético) cuja a qual permaneceu como

sobrenadante.

Tabela 2-5. Massas das alíquotas de cada fase e a média aritméticas da

determinações realizadas.

Sistema

Fase Aquosa Fase Orgânica

Alíquota

1 (g)

Alíquota

2 (g) Média(g)

Alíquota

1 (g)

Alíquota

2 (g)

Média (g)

1 5,3544 5,0423 5,1984 7,2350 7,2180 7,2265

3 5,1488 5,1721 5,1604 6,8432 6,8509 6,8470

4 5,4726 - 5,4726 6,7042 - 6,7042

Para se determinar a quantidade exata de ácido acético procedeu-se a

titulação de duas alíquotas de 5,00 mL de cada fase contra uma solução

aquosa de NaOH padronizada , com concentração exatamente conhecida igual

a 0,8931 mol/L , usando fenolftaleína como indicador. As médias aritméticas

dos volumes gastos de NaOH para atingir o ponto final da titulações realizadas

encontram-se dispostas na tabela 2-7.

Tabela 2-7. Volumes médios de NaOH padronizado gastos na titulação das alíquotas

Sistema

Volume de NaOH gasto na

titulação da fase aquosa

(mL)

Volume de NaOH gasto na

titulação da fase orgânica (mL)

1 13,6 2,5

3 37,6 13,55

4 47, 95 24,65

Admitindo que o erro de titulação seja desprezível, pode-se então supor que o

ponto final e o ponto de equivalência sejam coincidentes e que a quantidade de

matéria (número de mols ) no ponto de equivalência seja equivalente a

quantidade de NaOH adicionada . A seguinte reação de neutralização

balanceada descreve a reação entre o analito(CH3COOH) e o titulante(NaOH):

CH3COOH (aq) + NaOH (aq) → CH3COONa (aq) + H2O (l)

O ponto final da titulação ,é indicado visivelmente pela mudança de cor da

solução titulada , que mudou de incolor (meio ácido) para rosa (meio básico).

Nota-se que há certa dificuldade em se detectar o ponto final da titulação

devido principalmente a incapacidade do olho humano de distinguir as cores

intermediárias da solução nos extremos do ponto de viragem. Logo,

inevitavelmente tem-se um fator responsável por erro positivo nas medições do

volume de NaOH ,que provavelmente afetou a determinação da quantidade de

matéria de CH3COOH presente nas fases orgânica e aquosa, apresentadas na

tabela 2-8.

Tabela 2-8. Massas de CH3COOH presentes nas fases aquosa e orgânica.

Sistema Massa de presente

CH3COOH na fase

aquosa (g)

%

CH3COOH

(m/m)

Massa de presente

CH3COOH na fase

orgânica (g)

%

CH3COOH

(m/m)

1 0,7294 14,03 0,1341 1, 856

3 2,0165 39,08 0,7267 10,61

4 2,5716 47,00 1,3220 19,72

As composições dos pontos A,B e C (que se localizam na região bifásica do

diagrama ternário), relativas aos sistema 1, 2 e 3 , se apresentam na tabela

2.9. Os pontos foram plotados no diagrama ternário e as linhas de amarração

foram obtidas coincidindo os dados de porcentagem da tabela 2.8 com a linha

de transição de fase obtida experimentalmente na figura 3. A figura 3 mostra o

diagrama ternário para essa mistura com as linhas de amarração desenhadas.

Tabela 2-9. Composições dos pontos A, B e C relativos aos sistemas 1, 2 e 3.

Sistema/Ponto % (m/m) H20 % (m/m)CH3COOH % (m/m) CHCl3

1 (A) 36,89 08,61 54,50

3 (B) 20,30 25,63 54,07

4 (C) 12,14 34,02 53,86

Figura 2-2. Diagrama ternário com as linhas de amarração determinadas com as

composições dos sistema 1, 2 e 3 , representadas pelos pontos A, B e C

respectivamente .

As linhas de amarração representam as composições globais das misturas de

duas fases em equilíbrio representadas; elas não são paralelas mudando a

inclinação de um modo suave, de acordo com a concentração.

A composição das fases em equilíbrio nos pontos A, B e C é obtida através da

Regra da Alavanca. Os resultados encontrados estão dispostos na tabela 2-9 .

Tabela 2-10. Frações mássicas das fases em equilíbrio.

Ponto % fração mássica da fase

rica em água α (m/m)

% fração mássica da fase

rica em água β (m/m)

A 72,5 27,5

B 64,3 35,7

C 68,0 32,0

A fase rica em água contém uma proporção muito maior de ácido acético do

que àquela rica em clorofórmio. Isso pode ser explicado pelo fato das

moléculas de ácido e água fazerem ligação de hidrogênio, enquanto que as

moléculas de ácido e clorofórmio interagem por forças de van der Waals, que

são mais fracas que as ligações de hidrogênio. Contudo, água e clorofórmio

não interagem entre si, formando, em cada fase a menor proporção da mistura

nos dois casos.

Sabe-se que solubilidade do clorofórmio em água é bastante limitada (a saber ,

0,8 g/100 ml a 20 °C) . De acordo com a regra empírica “semelhante dissolve

semelhante” ou “polar dissolve polar” , podemos predizer a apolaridade da

molécula CHCl3 ; que mesmo possuindo ligações C-Cl polares é uma molécula

apolar . Isso se explica pela geometria tetraédrica das molécula que torna o

momento dipolar da molécula nulo ; o que impede sua solubilização em água,

uma molécula extremamente polar . O molécula de CH3COOH por apresentar

uma pequena cadeia carbônica e um grupo hidroxila (OH) em sua estrutura ,

pode formar estabelecer ligações de hidrogênio, e é completamente solúvel em

água formando misturas homogêneas em qualquer proporção.

CONCLUSÃO

Foi possível observar neste experimento as propriedades de miscibilidade de

diferentes compostos e sua interação com a temperatura, como nos sistemas

de Fenol e Água onde foi possível determinar uma temperatura crítica superior

de 66°C. Isso mostra a temperatura onde estes compostos tornam-se

completamente miscíveis e, provando também, que os métodos utilizados

foram de grande eficácia, uma vez que o valor encontrado na literatura é de

65.5ºC.

Na construção do gráfico ternário houve discrepância em alguns dados,

pois o experimento era de difícil observação fazendo com que o ponto de

coleta dos dados fosse um pouco acima do correto em algumas análises. Isso

acarretou numa curva de equilíbrio de fases mais ampla do que o normal.

Entretanto se vê que é possível que dois líquidos a princípio imiscíveis, como a

água e o clorofórmio podem se tornar miscíveis com a adição de um terceiro

composto, o ácido acético, que se solubiliza com ambas as substâncias

tornando o sistema homogêneo. Foi possível observar também que o sistema

só adquire essa condição de miscibilidade dos 3 compostos a uma dada faixa

de temperatura e composição da mistura. A curva de equilíbrio, então,

corresponde a região na qual temperatura e composição da mistura

apresentam duas fases. Além, disso, devido à presença de acido acético e sua

característica comentada acima para esse sistema em específico, as fases

distintas apresentaram, cada uma, clorofórmio e água miscíveis em pequenas

proporções.

BIBLIOGRAFIA

1-ATKINS, P; PAULA J; Físico-Química, 9, Rio de janeiro ed. LTC, 2014.

2-LMDM - Laboratório de Material Didático Multimídia. Equilíbrio de Sistemas.

Disponível em: <http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao= exibir&

cap=16&top=216>. Acesso em 5 out. 2015

3-FCTUC-Departamento de engenharia Química. Fundamentos do equilíbrio

líquido-líquido(LLE).Disponível em:<http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.p

hp?option=com_content&task=view&id=150&Itemid=303>. Acesso em 5 out.

2015.

FICHA DE CORREÇÃO

Prática EQUILÍBRIO DE FASES

Alunos

CAMILA CAROLYNE DE OLIVEIRA SANTOS

FREDERICO KROHLING MAYER

JULIO PANSIERE ZAVARISE

Critério Peso Nota atribuída Nota do item

Resumo 1,50 6 9,0

Introdução 1,25 9 11,3

Materiais e Métodos 1,25 10 12,5

Resultados e Discussão 4,50 9,2 41,4

Conclusão 1,00 9,5 9,5

Referência 0,50 10 5,0

Questionário 0,00 0,0

Nota do relatório (média ponderada da "nota do item") 8,9