UNIVERSIDADE ESTADUAL DA PARAÍBA

CENTRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA

LICENCIATURA EM QUÍMICA

FÍSICO-QUÍMICA EXPERIMENTAL

PROFESSORA JANAÍNA

DETERMINAÇÃO DA REFRATIVIDADE DA ÁGUA, ETANOL E ACETONA

UTILIZANDO O REFRATÔMETRO DE ABBE

Campina Grande – PB2012

UNIVERSIDADE ESTADUAL DA PARAÍBA

CENTRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA

LICENCIATURA EM QUÍMICA

Disciplina: Físico-Química Experimental

Local: Laboratório de Físico-Química Experimental

Professora: Janaína Oliveira

Alunos:

(1) Adriana Nunes dos Santos

(2) Ana Cecília Rocha

(3) Bruna Carla de Lima

(4) Leonardo Arcanjo de Andrade

Curso: Licenciatura Plena em Química

Título do Experimento: DETERMINAÇÃO DA REFRATIVIDADE DA ÁGUA,

ETANOL E ACETONA UTILIZANDO O REFRATÔMETRO DE ABBE.

Data do Experimento: 14/06/2012

Avaliação do(a) Professor(a):

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Nota: ______________ (___________________)

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1 INTRODUÇÃO

Quando um raio de luz passa de um meio para o outro e ocorre certa

variação no ângulo de sua trajetória, dar-se a este desvio o nome de refração.

No vácuo, a velocidade da luz é de aproximadamente 3,0 x 1010 cm.s-1,

enquanto que num meio qualquer, a velocidade diminui em virtude da interação

do campo eletromagnético com os elétrons do meio, devido ao fenômeno que

chamamos de refratividade.

O índice de refração é uma propriedade física importante de sólidos,

líquidos e gases. A medida de índice de refração pode ser usada para

determinar a concentração de uma solução pois o índice de refração dela varia

com a concentração.

O índice de refração (n) de uma substância é a relação entre a

velocidade (c) da luz no vácuo e sua velocidade na substância (v). Ele também

pode ser definido como a relação entre o seno do ângulo de incidência e o

seno do ângulo de refração.

ni=cv i

= sin isin r

(Eq .1)

Na prática determina-se a refração em relação ao ar e a substância, em

lugar da relação ao vácuo e a substância, visto que isso não apresenta

influência significativa nos valores observados. O índice de refração absoluto

no vácuo é igual a 1, e em qualquer outro meio o índice é maior que 1, pois o

mesmo sofre a interação do meio e o inverso no vácuo.

O índice de refração é inversamente proporcional a velocidade de

propagação da luz, ou seja, quanto maior for o índice de refração de um meio,

menor será a velocidade de propagação da luz no meio.

Na maioria das vezes, por conveniência prática, costuma-se usar o ar e

não o vácuo como referência, visto que isso não apresenta influência

significativa nos valores observados.

O índice de refração depende da natureza química da substância, do

comprimento de onda da luz usada em sua medida e da temperatura. Se o

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segundo meio é uma solução, o índice de refração depende também da

concentração da mesma.

A refração molar de uma substância está diretamente ligada ao índice de

refração e é igual à polarizabilidade da mesma. Entende-se por polarizabilidade

a facilidade de distorção da nuvem eletrônica de uma molécula. O índice de

refração, ao fornecer a diminuição da velocidade da luz quando a mesma

penetra em uma substância em relação ao vácuo, quantifica o grau de

interação do campo elétrico da radiação com as moléculas da substância, ao

distorcer a nuvem eletrônica das mesmas. Desta forma, a refração molar nos

fornece uma medida do grau de polarizabilidade da molécula de uma

substância.

O índice de refração pode ser usado para determinar a concentração de

materiais, para estabelecer a identidade e a pureza de um composto químico e

como uma ajuda valiosa para provar a estrutura de um composto. O uso mais

comum é determinar a concentração de açúcar em um fluido, também

conhecido por índice de Brix, em frutas, doces preparados, mel e outros

alimentos.

O índice de refração, em conjunto com a densidade, pode servir como

uma valiosa ajuda para provar a estrutura de um novo composto através do

uso da refração específica (r), a qual é definida pela equação de Lorentz-

Lorenz:

r=( n2−1n2+2 )x 1d ( cm3g )(Eq .2)

E dela deriva-se a refração molar (R):

R=r .MM (cm3);

n = índice de refração da substância usando a raia D do sódio;

d = densidade da substância à mesma temperatura;

M = peso molecular da substância.

A refração molar de uma substância está diretamente ligada ao índice de

refração e igual à polarizabilidade da mesma. Polarizabilidade é a facilidade de

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distorção da nuvem eletrônica de uma molécula. O índice de refração, ao

fornecer a diminuição da velocidade da luz quando a mesma penetra em uma

substância em relação ao vácuo, quantifica o grau de interação do campo

elétrico da radiação com as moléculas das substâncias, ao distorcer a nuvem

eletrônica da mesma. Dessa forma a refração molar fornece uma medida do

grau de polarizabilidade da molécula de uma substância.

A refração molar depende do número e natureza dos átomos presentes,

e também das características das ligações. A contribuição das duplas e triplas

ligações à refração é encontrada a partir das refrações de eteno e etileno. Os

pares eletrônicos das ligações estão mais fracamente ligados que os da ligação

simples. Grupos incluindo oxigênio mostram que a refração depende do modo

de ligação do oxigênio. A refração, que inclui dois pares de elétrons do

oxigênio, bem como os pares de elétrons de ligação, é diferente para cetonas,

éteres e alcoóis.

Para compostos simples, a soma das refrações dos grupos é a refração

molar do composto com razoável exatidão. Aparecem algumas dificuldades em

compostos com duplas ligações conjugadas que possuem refração maior que a

esperada. R independe da temperatura ou estado físico e fornece uma medida

aproximada do volume total (sem espaços livres) de um mol de moléculas.

A determinação da refração específica pode ser comparada com a

calculada a partir de considerações estruturais. Dois sistemas são atualmente

utilizados: um baseado na refratividade de ligações e outro baseado na

refratividade atômica e estrutural. Em ambos os casos o componente

refratividade para qualquer estrutura dada são adicionados, e esta soma (a

refração molar) é dividida pelo peso molecular da estrutura dada. Para a

maioria dos compostos orgânicos a medida da refração específica mostrou não

diferir da refração específica calculada em mais que 1%. A refração específica

e a refração molar são independentes da temperatura e inclusive do estado de

agregação. São de grande importância para as determinações de concentração

de misturas de líquidos, visto que se alteram linearmente com a concentração,

o qual não é válido para o índice de refração nem a densidade.

O conhecimento das contribuições de ligações diferentes pode ser

usado para estudar a estrutura molecular ou predizer os índices de refração de

substâncias orgânicas.

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Algumas contribuições atômicas e de ligações, determinadas para a raia

D do sódio são dadas na tabela abaixo. A refração molar depende do número e

natureza dos átomos presentes, e também das características das ligações.

Estes valores podem ser usados para comparar a refração molar calculada

com a observada, e assim confirmar a estrutura das moléculas.

O índice de refração varia com a temperatura e, para a maioria dos

líquidos orgânicos usados, um aumento na temperatura de 1oC, causa uma

diminuição em ‘n’ de 3,5.10-4 a 5,5.10-4. Na ausência do dado correto, o valor

de 4,5.10-4 pode ser usado como uma aproximação.

1.1 ÂNGULO CRÍTICO OU ÂNGULO LIMITE

Considerando-se uma situação em que o feixe incidente esteja num

meio mais refringente (índice de refração maior) e encontre uma interface que

separe este meio de um outro menos refringente. A situação acima é

esquematizada na Figura 1.

De acordo com a lei de Snell-Descarte tem-se que o raio incidente será

refratado para o meio n1 com um ângulo de refração em relação à normal.

n1 sinϴi=n2 sinϴr(Eq .3)

Matematicamente o ângulo crítico ϴc pode ser determinado fazendo-se,

na lei de Snell-Descarte, o ângulo ϴr = 90o, isto é:

n1 sinϴc=n2 sin 90 ° ou∈ϴc=n2n1

(Eq .4)

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Figura 1 – Esquema ilustrativo de uma interface que separa dois meios com n1>n2 e um feixe

incidente num meio material mais refringente.

Agora, se aumentado o ângulo de incidência (θi) verificamos que o

ângulo de refração (θr) também aumenta através da relação (3). Continuando a

aumentar o θi = θc chegamos numa situação limite para o ângulo de refração

onde θr = 90° (vide Figura 2). Nesta configuração temos a situação em que o

raio refratado sai tangenciando a superfície de separação. O ângulo θc é

chamado de ângulo crítico. E, obtemos a seguinte relação substituindo θr = 90°

em (3) : O ângulo crítico é o maior ângulo de incidência capaz de produzir

refração. Para ângulo maior que o ângulo crítico, não ocorre mais a refração e

sim ocorre a reflexão total, isto é, o raio incidente é totalmente refletido. É

importante notar que para se aplicar a propriedade do ângulo limite devemos ir

de um meio mais refringente para um meio menos refringente. Exemplo, do

prisma para a nossa amostra. O prisma tem um alto índice de refração.

1.2 REFRATÔMETRO DE ABBE

O refratômetro de Abbe faz uso do princípio de ângulo crítico ou ângulo

limite de reflexão total. O campo no telescópio irá mostrar uma região clara e

outra escura, a fina linha de demarcação entre elas corresponde ao ângulo

crítico.

O refratômetro de Abbe é composto essencialmente de quatro partes: o

telescópio, os prismas de Abbe, o círculo graduado de cristal com microscópio

de leitura e os prismas de compensação.

O telescópio consta de uma objetiva, uma ocular e um disco com linhas

cruzadas montado no plano focal da objetiva. A função do telescópio é formar

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Figura 2 – – Esquema de três raios incidentes com ângulos de incidência diferentes. É mostrada

uma situação em que o raio refratado sai tangenciando a interface AB.

uma imagem da linha extrema de reflexão total, ou linha limite, no plano de

linhas cruzadas.

Os prismas de Abbe consistem de dois prismas semelhantes de vidro de

alto índice de refração, montados em uma cavidade rodeada por uma camisa

de água, de modo que se possa manter o controle da temperatura ao redor dos

prismas.

A superfície exposta do prisma superior é polida enquanto que a do

prisma inferior é áspera, resultando no que se chama de superfície rugosa.

Esta superfície serve para dirigir a luz que chega ao prisma para todas as

direções possíveis. No espaço entre os 2 prismas (0,1 mm espessura) é

colocado o líquido cujo índice de refração se deseja determinar.

Os prismas de compensação são prismas de Amici, de visão direta, que

giram em direções opostas ao redor do eixo óptico do Telescópio. Estes

prismas tornam possível a utilização do instrumento com luz branca.

Embora a luz branca seja usada, o índice de refração medido ( ), é

para a linha D do sódio, 5893 , porque os prismas de compensação de Amici

são construídos com vidros especiais tal que a luz deste comprimento de onda

não é desviada, mais qualquer outra luz é desviada, denominado prisma de

compensação.

Um anel saliente no meio da barra do telescópio é girado até a

compensação ser completa e as franjas de cor desaparecem, levando a uma

fina linha de demarcação entre as 2 partes do campo.

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Figura 3 - Refratômetro de Abbe

Figura 4 - Seção transversal e vista por cima do prisma inferior

Figura 5 - Caminho da luz através do Refratômetro de Abbe

1.2.1 Análise quantitativa por refratômetria

O índice de refração varia de acordo com a concentração do soluto. Ele

aumenta linearmente com a concentração somente quando esta for expressa

por massa por volume.O índice de refração de soluções de sacarose tem sido

determinado com boa exatidão e precisão, e sua concentração tem sido obtida

através de tabelas internacionais. Este método possui uma série de vantagens

em relação à densimetria, tais como: velocidade, facilidade de manipulação e

quantidade da amostra necessária. O método refratômétrico é usado para

medida de sólidos solúveis, principalmente frutas e produtos de frutas, mas

também pode ser usado em ovos, cerveja, vinagre, leite e produtos lácteos.

Para a determinação da concentração de sacarose nas substâncias,

usa-se o método chamado Brix. A escala Brix é calibrada pelo número de

gramas de açúcar contidos em 100 g de solução. Quando se mede o índice de

refração de uma solução de açúcar, a leitura em percentagem de Brix deve

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combinar com a concentração real de açúcar na solução. As escalas em

percentagem de Brix, apresentam as concentrações percentuais dos sólidos

solúveis contidos em uma amostra (solução com água). Os sólidos solúveis

contidos é o total de todos os sólidos dissolvidos na água, começando com

açúcar, sais, proteínas, ácidos, etc. A leitura do valor medido é a soma total

desses.

1.3 OBJETIVOS

Aprender a manusear o refratômetro de Abbe;

Determinar o índice de refração específica da água, do álcool etílico e

acetona (propanona) utilizando o refratômetro de Abbe;

Calcular a refração molar destas substâncias;

Calcular o desvio (erro) na refratividade destas substâncias.

2 PARTE EXPERIMRENTAL - MATERIAL E MÉTODO

2.1 REAGENTES

Água; Etanol; Acetona.

2.2 MATERIAIS

Refratômetro de ABBE; Lenço de papel; Pipetas; Béqueres.

2.3 PERCUSSO METODOLÓGICO

Inicialmente abriu-se o conjunto de prisma (prisma inferior e superior) e

com o botão da esquerda deixa-o bem plano.

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Limpou-se bem as superfícies com papel macio umedecido com álcool,

secando em seguida. Não se toca as superfícies com outros objetos. Iniciou-se

o procedimento com a água destilada, com auxílio de uma pipeta, colocou-se

algumas gotas da água no prisma inferior (tendo cuidado para que não

houvesse contato direto com a pipeta), e fechou-se rapidamente a fim de evitar

evaporação. Na sequência, leu-se a temperatura, e com o mesmo líquido

(água) realizou-se a calibração do equipamento, ou seja, primeiro procurou-se

o colorido, em seguida o eliminou, e centralizou-se a reta, a qual informa índice

de refração. Feito isso, o mesmo procedimento foi feito para as demais

substâncias (sem refazer a parte da calibração).

3 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Tabela 1: valores tabelados das substâncias utilizadas no experimento

Substânci

a

Fórmula

molecular

MM

(g/mol)

ρ a 25°C

(g/cm3)

n a

25ºC

Refração

Específica (r)

Refração

Molar [R]

Água H2O 18,0153 0,9965 1,3325 0,2061 cm3/g 3,7136cm3

Etanol CH3CH2OH 46,0684 0,7864 1,3590 0,2799cm3/g 12,8994cm3

Acetona CH3COCH3 58,0791 0,7878 1,3570 0,2780 cm3/g 16,1487cm3

Tabela 2: Dados Experimentais

Substância ρ (g/cm3) n a 25°C n Erro n [R]Ref

(cm3)

[R]Exp

(cm3)

Erro

[R]

H2O 0,9968 1,3325 1,6310 22.4% 3,7136 6,4170 72,8%

CH3CH2OH 0,79 1,3590 1,6310 20% 12,8994 16,4095 27,2%

CH3COCH3 0,7857 1,3570 1,6305 22.15% 16,1487 20,6761 28%

3.1 CÁLCULOS EXPERIMENTAIS

3.1.1 Refração Específica (ρ25 °C )

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Água

r=[ (n)2−1(n)2+2 ] ∙ 1ρá gua=¿

Etanol

r=[ (n)2−1(n)2+2 ] ∙ 1ρetanol

=¿

Acetona

r=[ (n)2−1(n)2+2 ] ∙ 1ρacetona

=¿

3.1.2 Refração Molar Experimental

Água

R=r ∙ MM=0,3572∙18,0153=6,43506cm3

Etanol

R=r ∙ MM=0,4542∙46,0684=20,9242cm3

Acetona

R=r ∙ MM=0,4518 ∙58,0791=26,2401cm3

3.2 ERRO PERCENTUAL DO ÍNDICE DE REFRAÇÃO

Água

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E%=|rexp−rteórica|r teó rico

100=|0,3572−0,2061|

0,2061=73,31%

Etanol

E%=|rexp−rteórica|r teó rico

100=|0,4542−0,2799|

0,2799=62,2%

Acetona

E%=|rexp−rteórica|r teó rico

100=|0,4518−0,2780|

0,2780=62,5%

3.3 ERRO PERCENTUAL DO ÍNDICE DE REFRAÇÃO MOLAR

Água

E%=|Rexp−R teó rica|

Rte órico100=

|6,43506−3,7136|3,7136

=72,2%

Etanol

E%=|Rexp−R teó rica|

Rte órico100=

|20,9242−12,8994|12,8994

=62,2%

Acetona

E%=|Rexp−R teó rica|

Rte órico100=

|26,2401−16,1487|16,1487

=62,4%

É notável a considerável magnitude dos erros encontrados

experimentais obtidos. No início da atividade, verificamos um mau

funcionamento do refratômetro, onde o mesmo apresentava resistência à

calibração. Nas leituras, o refratômetro não apresentava variação nos valores

para os respectivos líquidos, como pôde ser percebido nos valores de n

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obtidos, comprovando o mau funcionamento que resultou nos altos valores

para os erros. É notável que os resultados obtidos não possam ser utilizados

para determinarmos a pureza dos líquidos utilizados, devido a problemas no

refratômetro, resultando em dados não representativos.

Os dados também foram satisfatórios para avaliarmos a influência da

massa molar com a refração molar das substâncias analisadas.

Tabela 3- Comparação dos valores de refração molar e índice de refração obtido nesta

experiência com os valores do Handbook.

Substância

Refração Molar Índice de Refração

Teórico Experimental Teórico Experimental

Água 3,7080 cm3 6,43506 cm3 1,3325 72,2 %

Etanol 12,7978 cm3 20,9242 cm3 1,3590 62,2 %

Acetona 16,0705 cm3 26,2401 cm3 1,3570 62,4 %

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS

O experimento não atingiu todas as expectativas, pois o refratômetro de

Abbe estava com defeito, esta também é uma das razões por ter obtido erros

tão elevados, como mostram as tabelas (2 e 3).

Um outro problema nesta experiência foi a falta de reagentes, não sendo

porssível a determinação da refração de ligação de algumas substãncias para

algumas substãncias não especificadas.

No entanto, esta experiência nos trouxe conhecimentos significativos,

tais como o índice de refração (como calcular e suas contribuições), a

importância da refração molar, além de também entendermos sobre o

funcionamento do refratômetro de Abbe, apesar do mau funcionamento.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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BUENO, W. A; DEGRÈVE, L. Manual de Laboratório de Físico-Química,

Editora McGraw Hill do Brasil, São Paulo, 1980.

Handbook of Chemistry and Physics, 57a edição, WEAST, R. C. (editor), CRC

Press, 1977.

FILHO, Antônio João da Silva. Determinação da Ordem de Reação entre o

Tiossulfato de Sódio e o Ácido Clorídrico – Método da Velocidade Inicial. In:

Relatório de Físico-Química Experimental. Campina Grande: CCT/UEPB,

2011.

Apostila de Físico-Química. Disponível em </www.fcfrp.usp.br/dfq/FQ/apostilas.doc>

acesso em 02/07/2012 às 15h48min.

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