Universidade Estadual de Montes Claros - UNIMONTES
Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas - CCET
Curso de Química Licenciatura
Prática n° 3
Efeito da temperatura sobre a miscibilidade de dois líquidos
Eusienne Vieira Faria
Walber G. G. Júnior
Bocaiúva-MG
Outubro /2012
Introdução
Alguns pares de líquidos puros, quando misturados em proporções apropriadas a certas
temperaturas e pressões, não formam apenas uma fase líquida homogênea, mas duas fases líquidas com
diferentes composições. Este fato acontece devido ao estado bifásico ser mais estável que o estado
monofásico. Se estas fases estão em equilíbrio, então o fenômeno é chamado equilíbrio líquido-líquido.
O estado de equilíbrio termodinâmico é buscado por todos os sistemas. A termodinâmica fornece
um critério de estabilidade que deve ser satisfeito, estabelecendo que, a uma temperatura e pressão
constantes, um estado estável é aquele que apresenta um mínimo na energia livre de Gibbs:
dGT,p ≤ 0
Ao misturar duas ou mais substâncias, define-se dG como a diferença entre a energia livre de
Gibbs da solução e a dos compostos puros. Se dG ≤ 0 , forma-se uma solução monofásica estável; porém
se dG 0, a solução homogênea é instável e o sistema é obrigado a se dividir em duas ou mais fases, a
fim de minimizar a energia livre de Gibbs. Desta maneira se formam sistemas bifásicos ou até
multifásicos.
Um sistema heterogêneo composto de duas ou mais fases é um sistema fechado e cada fase dentro
deste sistema é um sistema homogêneo aberto dentro do sistema total fechado. Um sistema deste tipo, em
que não ocorra reação química, estará em equilíbrio em relação aos processos de transferência de calor,
deslocamento da fronteira e transferência de massa.
Dependendo das condições de concentração e temperatura, uma mistura binária de dois líquidos
pode apresentar formando uma única fase homogênea ou formando duas fases com concentrações
distintas, com uma interface separando-as. Este fenômeno denomina separação de fases ou também
transição de fase líquido-líquido. O comportamento destes sistemas em equilíbrio se estuda por meio de
gráficos que se conhecem como diagramas de fases, o qual mostra uma curva de coexistência das fases,
que separa a região onde o sistema se apresenta em uma única fase da região em que o sistema apresenta
duas fases.
Sempre que se misturam dois componentes líquidos podem ocorrer dois casos extremos:
a) Ambos os líquidos são completamente miscíveis entre si, ou seja, podem ser misturados em
quaisquer proporções. Por exemplo, o sistema água e etanol, ou tolueno ao benzeno; a mistura se mantém
em uma única fase (monofásica) independente da quantidade do segundo componente adicionado.
b) Os líquidos são imiscíveis entre, ou seja, não se misturam em sua totalidade. Um exemplo é a
mistura de água com pentano que resulta na formação de duas camadas liquidas separadas; uma delas, a
de água, contem apenas traços de pentano, enquanto que a outra, do pentano, contem traços de água
dissolvida.
Entre estes dois casos extremos, podemos encontrar pares de líquidos que são parcialmente
miscíveis, ou seja, apresentam solubilidade parcial, comportando-se como miscíveis em determinadas
proporções e imiscíveis em outras. Como exemplo o sistema água e fenol. Inicialmente, pequenas
quantidades de fenol se dissolvem na água, resultando uma mistura monofásica; entretanto, num
determinado instante a água torna-se saturada, e com a posterior adição de fenol obtém duas camadas
líquidas distintas, uma rica em água, a outra rica em fenol.
Objetivos
Construir a curva de solubilidade mútua para dois líquidos parcialmente miscíveis e determinar a
temperatura crítica de solução.
Materiais e reagentes
Espátula
Balança semi-analítica
Erlenmeyer
Béquer
Pipeta
Fenol P.A.
Água destilada
Bico de Bünsen
Tripé
Tela de amianto
Termômetro
Procedimento
Mediu-se 2,5; 5,0 e 10 g de fenol e transferiu-se para três erlenmeyers distintos.
Introduziu-se no erlenmeyer contendo 2,5 g de fenol um termômetro e adicionou-se 12,5 mL de
água destilada.
Aqueceu-se o frasco até que a mistura tornou-se límpida e anotou-se a temperatura. Deixou-se
esfriar, agitando continuamente. Anotou-se a temperatura em que reapareceu a segunda fase líquida,
caracterizada pela aparência leitosa do líquido.
Adicionou-se à mistura, em seguida, mais 4 mL de água destilada e determinou-se a temperatura
de saturação desta nova mistura. Procedeu-se do mesmo modo adicionando mais 6 e 7 mL.
Realizou-se o mesmo procedimento descrito anteriormente utilizando para 5,0g de fenol 7,5mL
de água e adicionando sucessivamente mais 1,5; 3,0; 3,0 e 3,0 mL de água, e para 10 g de fenol utilizou-
se 4,0mL de água e adicionou-se sucessivamente mais 1,0; 3,0 e 4,0 mL de água.
Através da Equação I a seguir, pode-se calcular a fração molar do fenol na solução.
(Fenol) =
Equação I
Para todo o sistema, foram aplicadas as seguintes fórmulas:
Através da equação de densidade pôde-se calcular a massa de água na solução. Considerou-se a
densidade da água igual a 1g . cm-3
.
m(H2O) = (H2O) x volume
n = m/MM, onde m é a massa, n é o número de mols e MM corresponde à massa molecular.
E com as Equações II .
∆Gmist. = nRT ∑ xi.ln(xi) Equação II
E o calculo de erro da temperatura critica da solução foi obtido através da Equação IV.
=
X 100 Equação IV.
Resultado e discussão
Para fins de calculo, considerou-se a temperatura de 293,15 K (20 °C).
Os dados encontrados estão dispostos na Tabela 1.
Tabela 1 - Valores de Temperatura média, Fração Molar e ∆Gmist.
Amostra de fenol
(g)
Temperatura
Média (°C)
Fração Molar do
fenol - fenol (%)
∆Gmist. (kJ . mol-1
)
2,5
57 4,17 -0,6914
50 3,17 -0,4462
40,5 2,35 -0,1503
37,5 1,80 3,1
5
60 15,41 -0,595
66,5 12,08 -0,691
62 10,69 -0,707
62 9,11 0,773
10
18,5 7,39 -0,502
31,5 32,40 -0,594
53,5 30,0 -0,733
59,5 19,33 0,31
Com os dados de temperatura media e fração molar do fenol, o gráfico de temperatura em função
da composição (Figura I) pôde ser obtido.
Figura I – Diagrama de fases para o sistema fenol-água.
O ajuste dos pontos nos mostra uma parábola, que foi dividida em dois segmentos. O primeiro
segmento (c) é a curva ajustada aos dados obtidos e o segundo segmento (d) nos deu uma estimativa dos
pontos, isso é, uma projeção de como se comportaria o sistema em outras composições.
Abaixo da curva o sistema é homogêneo e acima o sistema é heterogêneo, configurando assim a
miscibilidade, como sendo a área abaixo da curva e a imiscibilidade, toda a área acima da mesma,
representado por P =1 e P = 2, onde significam que existe apenas uma fase e onde existem duas fases,
respectivamente.
Em solução não-ideal o calor de mistura é não nulo, com isso o ∆G deixa de ser uma grandeza
definida apenas pela entropia. Considerando T = 293,15 K, o ∆G= 1,69 kJ . mol-1
, para uma mistura
binária equimolar, como 1,69 kJ . mol-1
não é valor alto, caso o calor de mistura for maior que
1,69 kJ . mol-1
, ∆G > 0, os líquidos passam a não misturar, isso é, deixam de ser miscíveis, o que
corresponde os dados, onde ocorre a não miscibilidade dos líquidos (P = 2), ∆G > 0.
∆Gmist. = nRT ∑ xi.ln (xi)
∆Gmist. = 0,721 . 8,314 . 330,15 . [0,0266 . ln(0,0266) + 0,6944 . ln(0,6944)]
∆Gmist. = -0,6914 kJ . mol-1
O fenol e água formam uma solução parcialmente miscível a pressão atmosférica e temperatura
ambiente. A temperatura critica superior experimental foi de 66,5 °C, correspondendo a um erro de
1,53% em relação à temperatura superior da literatura, concluindo-se tratar de um método experimental
bastante confiável.
=
X 100 = 1,53 %
Mesmo obtendo um erro baixo, podemos destacar a perda de material ao agitar com o termômetro
a solução, a perda na transferência de material do béquer para o erlenmeyer, e nos arredondamentos do
aferimento da temperatura.
Conclusão
A partir do estudo e construção de diagramas de fases líquido-líquido de substâncias parcialmente
miscíveis é possível determinar em que região de temperatura se encontrará fases homogêneas ou
heterogêneas formada por essa mistura. Essas informações são de vital importância para a análise de
misturas. Líquidos parcialmente miscíveis são líquidos que não se misturam em todas as proporções. O
exemplo utilizado foi o sistema água-fenol, a miscibilidade entre os dois componentes varia com a
temperatura a composição das duas fases, dessa maneira, utilizamos dessas variáveis para construir um
diagrama de fases de temperatura X composição da mistura para mostrar a composição do sistema a cada
temperatura. Com isso foi possível determinar a temperatura critica da solução, 66,5 °C e seu erro de
1,53%.
Referências
LIDE, D. R. Handbook of Chemistry and Physics. National Institute of Standards and Technology: CRC
Press, 2005.
ATKINS, P. W., PAULA, J., Físico-Química. Rio de Janeiro. Vol. I: LTC, 2004.
CASTELLAN, G., Fundamentos de Físico-Química. Rio de Janeiro: LTC. 1986.