PRÁTICA 5_ DIAGRAMA DE FASES TERNÁRIO

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Ministério da Educação
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Campus Curitiba
Departamento Acadêmico de Química e Biologia – DAQBI
Química
PRÁTICAS DE FÍSICO-QUÍMICA
PRÁTICA 5: DIAGRAMA DE FASES TERNÁRIO
08 DE ABRIL DE 2022
GRUPO 3
BRENDA MOTTA ALMINDA - 2127504
CAMILA GRASSMANN - 2092786
GUSTAVO PENNA - 2023520
MILENA YUMI SHIMURA - 2136791
PROFESSOR: JOÃO BATISTA FLORIANO
TURMA: S61
CURITIBA
15 DE ABRIL DE 2022
1. INTRODUÇÃO
Os diagramas de fases podem ser discutidos em termos da regra das fases, uma relação
geral deduzida pela primeira vez por Gibbs.[1] Se o sistema contém três componentes (C = 3), um
sistema ternário, a variância (F), é igual a F = C - P + 2 = 3 - P + 2. Sendo que a variância de um
sistema define-se como o número de variáveis intensivas que podem ser independentemente
alteradas sem perturbar o número de fases em equilíbrio no sistema.
Por exemplo, num sistema monofásico e com um só componente (P = 1 e C = 1), a pressão
e a temperatura podem ser alteradas, independentemente uma da outra, sem que se modifique o
número de fases, desta forma F = 2.[1] Assim, diz-se que o sistema é bi variante ou que tem dois
graus de liberdade.
Se o sistema possui apenas uma fase e três componentes, são necessárias quatro variáveis
para descrevê-lo, convenientemente escolhidas como: temperatura (T), pressão (p), fração molar da
substância 1 (x1) e fração molar da substância 2 (x2). Como não se pode representar graficamente
esse sistema em três ou duas dimensões, a temperatura e a pressão são mantidas constantes, de
forma com que a variância seja no máximo igual a 2, podendo assim ser representado no plano.
Feito isso restam apenas as frações molares das substâncias, x1, x2 e x3, que somadas são igual a
1. Ao se especificar duas delas, têm-se conhecimento da terceira e graficamente poderá ser
representado pelo diagrama ternário, proposto por Gibbs e Roozeboom, um triângulo equilátero.[2]
Algumas misturas de substâncias líquidas puras, em determinadas concentrações, pressão e
temperatura, apresentam duas fases devido serem mais estáveis assim de acordo com a energia
livre de Gibbs. Porém, ao alterar-se a quantidade de substância de um ou ambos compostos é
possível se encontrar um ponto onde as substâncias tornam-se solúveis, mesmo que uma em
baixíssima quantidade em relação à outra.[3]
Um exemplo simples do comportamento de um sistema ternário, e que foi utilizado no
experimento, é dado pelo sistema água-acetato de etila-etanol, onde os pares água-etanol e acetato
de etila-etanol são completamente miscíveis e acetato de etila e água não o são.[2] Nesse sistema,
quando não há a presença de etanol, é possível observar a presença de um sistema bifásico, devido
à imiscibilidade de água e acetato de etila. Já na presença de etanol, onde a água é miscível, devido
a presença de ligações de hidrogênio entre a hidroxila do álcool e a molécula da água, o acetato de
etila pode, por fim, se dissolver na água, formando um sistema homogêneo. Quando interpolado no
gráfico de Gibbs e Roozeboom, é possível prever a fração molar mínima necessária de etanol para
que se tenha um sistema monofásico.[4] Através da curva de solubilidade formada poderá descrever
também onde o sistema tem comportamento bifásico e onde terá comportamento homogêneo. O
trabalho teve como objetivo construir o diagrama de fases ternário da mistura água-etanol-acetato de
etila e determinar sua curva de solubilidade através do desaparecimento de duas fases.
2. PARTE EXPERIMENTAL
Para a realização deste experimento, 3 buretas de 10 cm3 foram preenchidas e identificadas
com acetato de etila P.A., etanol P.A. e água ultrapura, respectivamente. Em seguida, os tubos de
ensaio foram numerados de 1 a 11, e em cada um deles, com o auxílio das buretas, foi adicionado as
quantidades de água ultrapura e acetato de etila P.A. de acordo com a Tabela 1, apresentada abaixo:
Tabela 1: Volumes de Acetato de Etila e Água ultrapura utilizados nos Tubos 1 ao 11
Nº do Tubo V(Acet. de Etila P.A.)/cm³ V(Água Ultrapura)/cm³
TUBO 1 8,00 —
TUBO 2 0,500 1,75
TUBO 3 1,00 1,65
TUBO 4 1,00 1,05
TUBO 5 1,50 1,10
TUBO 6 1,50 0,650
TUBO 7 2,00 0,550
TUBO 8 3,00 0,550
TUBO 9 4,00 0,300
TUBO 10 5,00 0,300
TUBO 11 — 8,00
Com as soluções preparadas, dos tubos de ensaio 2 ao 10, foi adicionado etanol, gota a
gota, até que a turbidez ou as duas fases presentes desaparecessem, e o volume gasto foi anotado
na Tabela 2. Nos tubos de ensaio 1 e 11, não foi utilizado etanol, e o procedimento ocorreu de
maneira “inversa”, onde calculou-se o volume de reagente necessário para que líquido se
apresentasse turvo. No Tubo 1, foi adicionado água em 8,00 cm3 de acetato de etila, e no Tubo 11
acrescentou-se acetato de etila em 8,00 cm3 de água.
Com os dados obtidos neste procedimento, foi calculado os valores das frações molares dos
reagentes em cada um dos tubos de ensaio.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os valores das frações molares de acetato de etila P.A., água ultrapura e etanol P.A. de
todos os tubos encontram-se na tabela abaixo.
Tabela 2 - Frações molares dos Tubos 1 ao 11
Nº do Tubo V(Acet. de
Etila)/cm³
V(Água)/c
m³
V(Etanol)/c
m³
x(Acet. de
Etila)
x(Água) x(Etanol)
TUBO 1 8,00 0,390 0,000 0,787 0,213 0,000
TUBO 2 0,500 1,75 0,700 0,0457 0,847 0,107
TUBO 3 1,00 1,65 1,00 0,0875 0,766 0,147
TUBO 4 1,00 1,05 0,690 0,129 0,721 0,150
TUBO 5 1,50 1,10 0,870 0,171 0,664 0,166
TUBO 6 1,50 0,650 0,710 0,244 0,562 0,194
TUBO 7 2,00 0,550 0,650 0,333 0,486 0,181
TUBO 8 3,00 0,550 0,750 0,418 0,407 0,175
TUBO 9 4,00 0,300 0,500 0,622 0,247 0,130
TUBO 10 5,00 0,300 0,290 0,707 0,225 0,069
TUBO 11 0,90 8,00 0,000 0,021 0,979 0,000
Tendo as frações molares das três substâncias, podemos montar o Diagrama de Fases
Ternário, em que ao ter a fração molar de dois compostos, conseguimos estipular o valor do terceiro
para que todos estejam solubilizados, uma vez que todos os pontos dentro da linha indicam que
ambos os compostos (Acetato e Água) estão solubilizados no etanol. Segue o gráfico do Diagrama:
Gráfico 1 - Diagrama de Fases Ternário das frações molares do Acetato de Etila, Água e Etanol
O ponto do tubo 1 deveria estar mais para cima do que ele está, assim como o gráfico
deveria ter uma linha com menos “zigue-zague”, mas esses fatores se devem aos erros de medição
causados principalmente pelas buretas não devidamente higienizadas utilizadas na prática.
Para descobrir a quantidade necessária de etanol em uma mistura de água e acetato,
precisamos calcular a fração molar de ambos, ver em que ponto temos o encontro dessas frações e,
alinhando uma régua entre esse ponto e o vértice em que o etanol teria x=1, temos o ponto na reta
que equivale a fração molar de etanol em que temos a virada da solução de turva para transparente,
ou seja, a quantidade mínima necessária para o etanol solubilizar os outros dois componentes da
mistura.
No exercício feito em sala de aula, o ponto teórico visto no gráfico (equivalente a 3,10 mL de
etanol) divergiu um pouco do ponto real de virada (2,80 mL de etanol), o que indica um certo erro e
imprecisão no processo e no Diagrama.
4. CONCLUSÃO
A partir do gráfico obtido é possível determinar o número de fases para qualquer mistura
ternária ou binária entre etanol, água e acetato de etila, pois na área abaixo da curva obtida no
gráfico 1 teremos duas fases, devido a insolubilidade entre acetato de etila e água, podendo assim
observar também como a presença do etanol aumenta a solubilidade dos outros componentes.
A partir do gráfico também é possível determinar a quantidade de etanol necessária para a
solubilização de uma mistura binária água/acetato, porém como visto no exercício desempenhado
durante a aula, o desvio desta medida foi de aproximadamente 10%, então este grande desvio
impossibilita que possamos extrair informações quantitativas deste gráfico, sendo que este desvio
pode ser atribuído em grande parte à medida do tubo 1, assim como a formaçãode bolhas de ar nas
buretas, diminuindo a exatidão de todos os dados medidos.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] ATKINS, P.; PAULA, J. Físico-Química. 8.ed. Vol.1. Rio de Janeiro. LTC. 2008.
[2 ]CASTELLAN, G. Fundamentos de Físico-Química, 1.ed. (reimpressão), Rio de Janeiro,
LTC,1996.
[3]SILVA, F.C. Efeito da temperatura e da adição de açúcares na solubilidade dos acetatos de
butila e etila em solução aquosa. Tese de doutorado, UFU. 2014.
[4] DALTIN, D. Tensoativos: química, propriedades e aplicações. São Paulo: Blucher, 2011.