propriedades de um sistema ternário- relatori

UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA – DEQ

QUÍMICA INDUSTRIAL

Quinto relatório de Laboratório de Físico-Química 2

Equilíbrio Heterogêneo (Sistema Ternário)

Professor: Luciano Costa

Aluna: Larissa Ciro Souza da Silva

Curso: Química Industrial

Recife, Dezembro2011

2

1- Introdução

O estado de equilíbrio de um sistema fechado é aquele estado no qual a energia de Gibbs total é o mínimo em relação a todas as possíveis mudanças nas temperaturas e pressão especificadas.

Muitos pares de espécies químicas, quando misturadas em uma certa faixa de composições para formar uma única fase líquida, podem não satisfazer o critério de estabilidade. Conseqüentemente, nesta faixa de composições, tais sistemas se dividem em duas fases líquidas com composições diferentes. Se as fases estão em equilíbrio termodinâmico, o fenômeno é um exemplo de equilíbrio líquido-líquido, que é importante em muitas operações industriais como a extração com solventes.

O conhecimento de dados de equilíbrio líquido-líquido é fundamental para o estudo dos processos de separação por extração. Geralmente os dados de equilíbrio líquido-líquido são representados por um gráfico triangular eqüilateral conhecido como curva binodal, que separa a região de duas fases da região homogênea. As composições das fases em equilíbrio podem ser determinadas através das linhas de amarração que representam as duas fases em equilíbrio.

1.1 Diagrama ternário É conveniente visualizar um sistema ternário utilizando um diagrama triangular,

chamado de diagrama ternário ou diagrama de Stokes e Roozeboom. Este diagrama é, geometricamente, um triângulo equilátero e define, por exemplo, as composições em porcentagem em massa (% m/m) do sistema ou em fração molar.

Cada vértice do triângulo representa um componente. Podemos traçar uma reta perpendicular a qualquer um dos lados do triângulo

passando por um dos vértices e dividir essa perpendicular em 10 partes iguais. Excluindo o vértice e o ponto formado pela interseção da perpendicular com o lado do triângulo, serão originados da divisão 9 pontos sobre a perpendicular. Podemos, então, traçar retas paralelas ao lado do triângulo em questão passando por cada um desses pontos.

Feito isso, tem-se a seguinte convenção: “Sabendo que o vértice A corresponde a um dos componentes do sistema ternário, o lado do triângulo oposto a este vértice representa uma composição nula deste componente no sistema.”

A primeira reta paralela a este lado, contando a partir do próprio lado, representa uma composição de 10 % do componente no sistema, a segunda paralela representa uma composição de 20 % e assim sucessivamente até que o próprio vértice A corresponde a uma composição de 100 % do componente no sistema, ou seja, o componente puro (Figura 1).

A

Figura 1. Construção do

diagrama ternário e sua leitura.

3

Este procedimento é feito para todos os lados do triângulo, originando o diagrama ternário (Figura 2).

Qualquer reta paralela a um dos lados do triângulo representa uma composição constante do componente locado no vértice oposto.

Qualquer ponto situado em um dos lados do triangulo indica que temos apenas dois componentes no sistema, de acordo com a convenção adotada.

Os pontos interiores ao triângulo apresentam 3 coordenadas, cada uma para a composição de um componente.

Experimentalmente, a curva traçada utilizando diagrama de fase ternário é obtida

preparando-se misturas conhecidas de 2 líquidos pouco miscíveis, às quais são adicionados volumes conhecidos de um terceiro líquido, até que a turbidez desapareça.

Calculando-se as frações molares (ou porcentagem em massa) de cada componente no momento em que a turbidez desaparece, determinam-se pontos no diagrama que permitem o traçado da curva de solubilidade (ou curva binodal), em vermelho na Figura 3.

A

C B

Figura 2. Diagrama ternário

pronto para utilização.

Figura 3. Diagrama ternário com curva de

solubilidade construída. Nele temos

também indicado um plalt point (em azul)

e duas tie lines (em cor-de-rosa).

L N

4

O diagrama ternário apresenta duas regiões, uma monofásica e outra bifásica. Para melhor entendimento do diagrama, esclarece-se que os pontos localizados acima

da curva binodal (em vermelho) compõem a configuração monofásica do sistema. Os pontos localizados abaixo da curva representam a configuração bifásica do sistema.

Já os pontos localizados exatamente sobre a curva binodal apresentam como característica um sistema turvo, indicando o limite entre os aspectos monofásico e o bifásico. Estes pontos são chamados de pontos de opalescência ou plalt points, definidos como pontos críticos do sistema.

Um sistema representado pelo ponto M, por exemplo, está separado em duas fases de composição L e N. Estas duas soluções são chamadas soluções conjugadas e a linha que une as composições dessas soluções é chamada de linha de amarração (linha de correlação ou tie line).

Em geral, as linhas de correlação não são paralelas, porque a solubilidade do componente, miscível nos outros dois, não é a mesma nas camadas. Conseqüentemente, a sua orientação deve ser determinada experimentalmente. No esquema da Figura 3 temos duas tie lines representadas em cor-de-rosa.

2.3 – Tipos de sistemas ternários

De acordo com a miscibilidade parcial dos três componentes envolvidos na formação do sistema, existem três tipos de sistema líquidos ternários.

O Tipo I representa um sistema em que só um par de componentes é parcial ou totalmente imiscível; os outros dois pares são completamente miscíveis em todas as proporções. É o diagrama mais comum que existe.

No Tipo II, dois pares de componentes são parciais ou totalmente imiscíveis. No tipo III, todos os três pares de componentes são parciais ou totalmente imiscíveis. De um modo geral, a área de imiscibilidade de um sistema ternário diminui quando a

temperatura se eleva. Um sistema ternário que apresenta relações de solubilidade do Tipo I, para dois pares

de componentes pode transformar-se num sistema do Tipo II, por abaixamento da temperatura. Semelhantemente, um sistema ternário que apresenta relações de solubilidade do tipo I para os três pares de componentes, pode transformar-se num sistema do Tipo III, por abaixamento da temperatura.

2- Objetivos

2.1- Objetivo Geral

Realizar um estudo sobre um sistema heterogêneo através da construção do

diagrama de fases de um sistema ternário.

.

2.2- Objetivo Específico

Verificar experimentalmente a solubilidade de dois líquidos parcialmente

miscíveis (água e éter) com um terceiro completamente miscível (ácido

acético) nos outros dois.

5

Construir o diagrama de solubilidade e do ponto crítico isotérmico para o

sistema ternário em questão.

Analisar a solubilidade de compostos e as variáveis que interferem neste

fenômeno.

Pela técnica da extração, determinar os pontos da tie line.

3- Materiais e Método

3.1- Materiais

Buretas de vidro de 50 mL

Suporte universal

Garra

Béquer de 50 mL

Erlenmeyers de 250 mL e 125 mL

Funis de separação de 125 mL

Anéis para suporte

Pipetas graduadas de 10 mL

Pipetas volumétricas de 5 mL

Provetas de vidro graduadas de 50 mL e 100 mL

Pêra de borracha

Água destilada,

Éter propílico P.A.

Ácido Acético

Solução de fenolftaleína

Solução aquosa de hidróxido de sódio (NaOH) 2,0 M

Balança semi-analítica

3.2- Procedimento Experimental

3.2.1 - Determinação da curva de solubilidade (1° parte)

Em um erlenmeyer de 250 mL foi adicionado 10 mL de éter e 3 mL de água destilada.

Essa mistura foi agitada até formar uma solução turva.

Em seguida, com uma bureta contendo ácido acético, adicionou-se o mesmo sob

agitação vigorosa, até a obtenção de um sistema límpido (solução dos 3 componentes).

Anotou-se o volume gasto do ácido acético. Logo após, foi adicionado à solução mais 2 mL de

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água destilada e repetiu-se o gotejamento de ácido acético com a bureta até obter-se

novamente uma solução homogênea, anotando o volume de ácido utilizado.

Este processo foi repetido, sendo adicionado mais 5, 10, 20, 30 mL de água não

sistema. Anotaram-se os volumes mínimos de ácido gasto para homogeneizar o sistema em

cada repetição.

Em outro erlenmeyer de 250 mL, foram adicionados 2 mL de éter e 5 mL de água e

agitou-se o sistema. Com a bureta, gotejou-se ácido acético até o sistema formado tornar-se

homogêneo e anotou-se o volume gasto do ácido, seguindo o procedimento inicial.

Da mesma forma realizada anteriormente, repetiu-se o processo, adicionando mais 5,

10, 20, e 30 mL de água e anotou-se o volume de ácido usado correspondente em cada caso.

3.2.1 - Determinação dos pontos tie line (2° parte)

Em três funis de decantação de 125 mL, foram preparadas as seguintes

misturas de acordo com a tabela (Tabela 1) a seguir:

Tabela 1: Especificações para o preparo dos sistemas de cada funil de separação.

Funil Volume de éter

(mL)

Volume de

água (mL)

Volume de

ácido acético

(mL)

Funil A 30 35 35

Funil B 30 25 45

Funil C 35 40 25

Após serem feitas as misturas, cada funil foi agitado vigorosamente, sempre

controlando a pressão interna da mistura e deixou-se as camadas se separarem, colocando os

funis suspensos em anéis de suporte.

Em seguida, o volume correto de cada fase aquosa foi determinado e 5 mL de cada

fase foi tomado, colocando-o num erlenmeyer previamente tarado. O conjunto foi pesado e o

sistema foi submetido a uma titulação utilizando a solução de hidróxido de sódio 2M e

fenolftaleína como indicador. Anotou-se o volume gasto.

Repetiu-se o procedimento para os funis restantes.

7

4- Resultados e Discussão

4.1 - Determinação da curva de solubilidade (1ª parte)

A tabela a seguir (Tabela 2) é composta pelos resultados experimentais encontrados quando

se fixou o volume de éter no sistema e houve adição de volume de água.

A massa (m) dos compostos é calculada de acordo com a seguinte expressão:

V d m

Em que d é a densidade do composto e V é o volume do mesmo.

A quantidade de matéria (n) é calculada de acordo com a seguinte expressão:

M

m n

Em que m é a massa do composto e M é a massa molar do mesmo.

Para realizar os cálculos são necessários os dados a seguir:

Água:

Densidade = 1,0 g/mL

Massa molar = 18 g/mol

Éter propílico:



Ácido Acético:



Tabela 2: Resultados experimentais adicionando água e mantendo fixo o volume de éter.

Água Éter Ácido Acético

Ensaio V (mL)

m (g) n (mol) V (mL)

m (g) n (mol) V (mL)

m (g) n (mol)

1 3 3 0,167 10 7,24 0,071 7,4 7,763 0,129 2 5 5 0,278 10 7,24 0,071 17,7 18,567 0,309 3 10 10 0,556 10 7,24 0,071 32,8 34,407 0,573 4 20 20 1,111 10 7,24 0,071 56,6 59,373 0,990 5 40 40 2,222 10 7,24 0,071 92,2 96,718 1,612 6 70 70 3,889 10 7,24 0,071 142 148,958 2,483

8

A partir dos valores da tabela, determinou-se a fração molar e a percentagem em

massa, utilizando as expressões a seguir, respectivamente. Os resultados obtidos pela

realização dos

cálculos estão na

tabela a seguir

(Tabela 3).

Tabela 3: Resultados experimentais


Ensaio m (g) Fração

molar

%

(m/m)

m (g) Fração

molar

%

(m/m)

m (g) Fração

molar

%

(m/m)

1 3 0,454 16,664 7,24 0,193 40,216 7,763 0,353 43,119

2 5 0,422 16,230 7,24 0,108 23,501 18,567 0,470 60,269

3 10 0,463 19,362 7,24 0,0592 14,018 34,407 0,478 66,620

4 20 0,512 23,091 7,24 0,033 8,359 59,373 0,456 68,5499

5 40 0,569 27,785 7,24 0,0182 5,030 96,719 0,413 67,185

6 70 0,604 30,946 7,24 0,0110 3,201 148,958 0,385 65,853

A tabela a seguir contém os resultados experimentais quando novamente se fixou o

volume de éter no sistema e variou-se o volume de água. Os cálculos realizados são similares

aos mostrados anteriormente.

Tabela 4: Resultados experimentais adicionando água o e mantendo fixo o volume de éter.


Ensaio V

(mL)

m (g) n (mol) V

(mL)

m (g) n (mol) V

(mL)

m (g) n (mol)

1 5 5 0,278 2 1,448 0,014 5,2 5,455 0,091

2 10 10 0,556 2 1,448 0,014 12 12,588 0,210

3 20 20 1,111 2 1,448 0,014 20,4 21,400 0,357

4 40 40 2,222 2 1,448 0,014 29 30,421 0,507

Do mesmo modo que anteriormente, com o auxílio dos valores na tabela, as frações

molares e percentagem em massa dos componentes do sistema foram determinadas no

% 100 m

(A) m (A) (m/m) %

n

(A)n (A)x

total

total

9

momento em que os mesmos estavam homogêneos. Os resultados obtidos através dos

cálculos constam na tabela a seguir (Tabela 5)

Tabela 5: Resultados experimentais.


Ensaio m (g) Fração

molar

%

(m/m)

m (g) Fração

molar

%

(m/m)

m (g) Fração

molar

%

(m/m)

1 5 0,725 42,007 1,448 0,037 12,165 5,455 0,237 45,828

2 10 0,713 41,604 1,448 0,018 6,024 12,588 0,269 52,371

3 20 0,750 46,677 1,448 0,010 3,379 21,400 0,241 49,944

4 40 0,810 55,657 1,448 0,005 2,014 30,421 0,185 42,328

Com base nas tabelas construídas, foram feitos os diagramas ternários que são

apresentados a seguir. O diagrama da figura 5 foi feito levando-se em consideração a

percentagem em massa. O diagrama da figura 6 foi plotado utilizando-se as composições em

fração molar. Nas mesmas figuras, as curvas de solubilidade estão representadas pelas auto-

formas.

Figura 5. Diagrama ternário plotado utilizando os valores de porcentagem em massa dos

compostos, constantes das Tabelas 3 e 5.

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Figura 6. Diagrama ternário plotado utilizando os valores de fração molar dos compostos,

constantes das Tabelas 3 e 5.

Figura 7. Diagrama ternário plotado utilizando os valores de massa/massa dos compostos,

constantes das Tabelas 3 e 5.

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5.2 - Determinação dos pontos tie line (2° parte)

A tabela a seguir contém os resultados das pesagens realizadas e dos volumes de base

gastos nas titulações, em que: m é a massa do volume de 5 mL da parte aquosa resultante e VT

é o volume gasto na titulação. Não foi possível prosseguir os cálculos com o funil B, pois não

houve separação das misturas.

Tabela 6. Valores obtidos na titulação. Fase aquosa.

Ensaio realizado no funil m (g) VT (mL)

A 5,48 19,43

B - -

C 5,52 15,75

Tabela 7. Valores obtidos na titulação. Fase orgânica.

Ensaio realizado no funil m (g) VT (mL)

A 4,30 8,90

B - -

C 4,16 5,60

Através dos volumes de NaOH, é possível determinar as massas de ácido acético em

cada fase das misturas utilizando a reação de neutralização do ácido pela base em questão

(concentração 1:1).

NaOH(aq) + CH3COOH(aq) → NaCH3COO(aq) + H2O(l)

Pela estequiometria da reação acima o número de mols de NaOH vai ser igual ao número de

mols do ácido acético, podendo assim determinar a massa de cada componente da mistura, através

das equações abaixo.

- Funil A:

- fase aquosa:

mtotal = 5,48 g

VNaOH = 19,43mL = 0,01943 L

C = )(LV

n

nNaOH = 0,039

mol

12

CNaOH = 2 mol/L

Como o número de mols de NaOH é igual ao numero de mols do HAC:

MHAC = 60 g/mol

mHAC = 2,33 g

- Funil C:

- fase aquosa:

mtotal = 5,52 g

VNaOH = 15,75 mL = 0,01575 L

CNaOH = 2 mol/L


MHAC = 60 g/mol

mHAC = 1,89 g

- Funil A:

- fase orgânica:

mtotal = 4,30 g

VNaOH = 8,90 mL = 0,0089 L

CNaOH = 2 mol/L


MHAC = 60 g/mol

mHAC = 1,07

- Funil C:

- fase orgânica:

mH2O = mtotal - mHAC

mH2O = 3,15 g

XHAC = 48,5

33,2.100 XH2O =

48,5

15,3.100

XHAC =42,52% XH2O =57,48%

mH2O = mtotal - mHAC

mH2O = 3,63 g

XHAC = 52,5

89,1.100 XH2O =

52,5

63,3.100

XHAC =34,24% XH2O =

65,76%

C = )(LV

n

nNaOH = 0,0315

mol

C = )(LV

n

nNaOH = 0,0178

mol

Méter = mtotal - mHAC

Méter = 3,23 g

XHAC = 30,4

07,1.100 Xéter =

30,4

23,3.100

XHAC = 24,88% Xéter = 75,12%

C = )(LV

n

nNaOH = 0,0112

mol

13

mtotal = 4,16 g

VNaOH = 5,60 mL = 0,0056 L

CNaOH = 2 mol/L


MHAC = 60 g/mol

mHAC = 0,67 g

As tabelas abaixo mostram os valores obtidos:

Tabela 8. Valores obtidos na titulação. Fase aquosa.

Ensaio realizado no

funil

H2O (%) Ác. Acético (%) Éter (%)

A 57,48 42,52 0

B - - -

C 65,76 34,24 0

Tabela 8. Valores obtidos na titulação. Fase orgânica

Ensaio realizado no

funil

H2O (%) Ác. Acético (%) Éter (%)

A 0 24,88 75,12

B - - -

C 0 16,11 83,89

OBS: Desconsiderou-se a presença de benzeno da fase aquosa. Assim, como na fase orgânica,

desconsiderou-se a presença de água.

Para determinar as tie lines é preciso ter um par de pontos, que são os pontos das fases

tanto aquosas quanto a orgânica.

Méter = mtotal - mHAC

Méter = 3,49 g

XHAC = 16,4

67,0.100 Xéter=

16,4

49,3.100

XHAC = 16,11% Xéter = 83,89%

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Com as tie lines, poderia ser determinado em quais os solventes o ácido acético seria

mais solúvel. Essa conclusão se dá pelo fato dessas linhas se unirem as fases em equilíbrio, e se

posicionarem em sentido crescente ou decrescente em direção à uma das fases.

Figura 7. Diagrama ternário plotado utilizando os valores de fração molar dos compostos,

determinação das tie lines.

Figura 8. Diagrama ternário plotado utilizando os valores de porcetagem de massa dos

compostos, determinação das tie lines.

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5- Conclusão

A realização da pratica foi muito importante para o aprendizado na analise de operações de extração, que é o diagrama ternário.

As curvas obtidas foram satisfatórias de acordo com o esperado, embora o experimento não seja muito preciso.

6- Referências

1) DE MIRANDA-PINTO, C. O. B.; De Souza, E. Manual de trabalhos práticos de Físico-química. Belo Horizonte: Editora UFMG, 2006.

2) DANIELS, F.; MATHEWS, J. H.; WILLIAMS, J. W.; BENDER, P. ALBERTY, R. A. Experimental physical chemistry. 5th ed. New York: McGraw-Hill Book Company, 1956. 3) MC CABE, W. L.; SMITH, J. C. HARRIOTT, P. Unit operations of chemical engeneering. 7th ed. New York: McGraw Hill, 2005. 4) DE ALMEIDA, A. M. Determinação voltamétrica de molibdênio(VI) utilizando um sistema ternário homogêneo de solventes. São Paulo: Universidade Estadual de campinas, 2003.

propriedades de um sistema ternário- relatori

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