Relatorio 03 de Lab de Eq e Cin

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA
Instituto de Ciências Exatas
Departamento de Química
Laboratório de Equilíbrio e Cinética
RELATÓRIO III : Equilíbrio sólido-líquido: misturas eutéticas
ANA LETÍCIA O. FONSECA
LUIZ FELIPE CANTARINO
MARCOS GUILHERME DE JESUS
SOFIA GUERSON
Docente: ANTÔNIO CARLOS SANT’ANA
JUIZ DE FORA
2022
1. Introdução
O equilíbrio existente em as fases líquida e sólida de uma mistura
representado pela igualdade entre os potenciais químicos das fases como mostrado
na expressão abaixo:
,µ
𝑖
*(𝑠) = µ
𝑖
(𝑙)
onde é o potencial químico do sólido puro e , o potencial químico doµ
𝑖
*(𝑠) µ
𝑖
(𝑙)
líquido. Essa expressão pode ser escrita em função da fração molar da fase líquida:
µ
𝑖
*(𝑠) = µ
𝑖
*(𝑙) + 𝑇𝑅𝑙𝑛𝑥
𝑖
, onde é o potencial químico do líquido puro, T a temperatura, R constante dosµ
𝑖
*(𝑙)
gases ideias e a fração molar da fase líquida. Em condições ideais a expressão𝑥
𝑖
pode ser escrita da seguinte forma:
𝑙𝑛𝑥
𝑖
=−
∆𝐻
𝑓𝑢𝑠ã𝑜
𝑅
1
𝑇 −
1
𝑇*( )
Considerando uma mistura líquida de duas substância A e B, à medida que a
temperatura da mistura vai diminuindo é possível observar a formação de sólido e
essa temperatura é considerada a temperatura de solidificação da mistura que vai
depender da composição dela. O diagrama de representa essa mudança de fases é
parecido com o da figura 1.
Figura 1: Diagrama de fase sólido-líquido. Fonte: Castellan, G. FUNDAMENTOS DE FÍSICO-QUÍMICA.
Neste diagrama podemos ver a variação da temperatura em função da
composição da mistura. O ponto E representa a composição eutética da mistura,
abaixo das curvas é possível observar mistura de sólido e líquido. A curva da
esquerda representa a solidificação com composto A e a direita do composto B.
Abaixo da reta DF é observado ambas as substâncias sólidas.
Neste experimento será observado a solidificação de uma mistura de
naftaleno e difenilamina em diferentes concentrações. Portanto, é esperado uma a
temperatura de solidificação seja diferente para cada composição e um patamar de
temperatura constante na temperatura eutética, como representado na figura 2.
Figura 2: Curvas de resfriamento. Fonte: Apostila de Laboratório de Equilíbrio e Cinética.
2. Objetivos
Determinar o comportamento térmico do resfriamento, até o estado sólido, de
misturas líquidas de naftaleno-difenilamina para várias proporções desses dois
componentes. Construir o diagrama de equilíbrio de fase sólido-líquido para o
sistema binário naftaleno-difenilamina.
3. Materiais e equipamentos
3.1. Reagentes: Naftaleno e difenilamina
3.2. Equipamentos: Tubos de ensaio resistentes ao calor, chapa
aquecedora, termômetro (termopar de haste metálica), rolhas
contendo um furo central, béquer com água para o banho-maria.
4. Procedimento experimental
4.1. Preparativos iniciais
Diferentes amostras de misturas sólidas de naftaleno-difenilamina foram
preparadas em diferentes tubos de ensaio (resistentes ao calor). As proporções
desses dois componentes são mostradas na Tabela 1.
Os tubos de ensaio foram tampados com rolhas contendo um furo central que
é atravessado pela haste metálica de um termômetro (termopar de haste metálica).
Tabela 1: Composição para diferentes amostras de misturas de
naftaleno-difenilamina.
Amostra Massa de naftaleno / g Massa de difenilamina / g
1 5,0 0,0
2 4,5 0,5
3 3,5 1,5
4 2,5 2,5
5 1,5 3,5
6 1,0 4,0
7 0,5 4,5
8 0,0 5,0
4.2. Procedimento experimental
a) As misturas sólidas naftaleno-difenilamina e os sólidos puros foram aquecidos em
um banho térmico até aproximadamente 90°C, agitando-se regularmente a mistura.
Prosseguiu-se com o aquecimento até que fosse verificada a completa fusão dos
sólidos.
b) Com a fusão completa, o tubo foi retirado do banho térmico e fixado em um
suporte. Em seguida foi feita a leitura e anotação da temperatura do sistema.
Simultaneamente, disparou-se o cronômetro e registrou-se o tempo da leitura da
primeira temperatura como o tempo 0 (zero).
c) Novas leituras de temperatura foram feitas a cada 30 segundos. Registrou-se os
valores dessas temperaturas e dos tempos transcorridos. Continuou-se com essas
leituras de temperaturas de 2 a 3 minutos após verificação da solidificação completa
da amostra.
5. Resultados e discussões
Os dados obtidos na prática estão listados na tabela 2. Com eles foram montadas
várias curvas de resfriamento que podem ser observadas no gráfico abaixo.
Tabela 2: Temperatura das amostras a cada 30 segundos após a formação do
primeiro cristal
Tempo (s)
Temperatura das amostras (°C)
1 2 3 4 5 6 7 8
0,00 82,1 84,8 70 54,1 59,8 41 44,1 55,3
0,30 78,9 77,8 67,3 52,2 56,6 39,5 42,2 51,8
0,60 78,6 75,6 64,5 50,9 55,8 38,9 40,5 51,1
0,90 78,3 74,6 62,8 50,1 51 38,4 44,4 51
1,20 78,5 74 62 49,2 47,3 37,9 44,6 50,9
1,50 78,5 73,4 62,3 48,4 46,2 37,6 44,3 51
1,80 77,2 72,5 62 47,3 44,2 37,1 44 50,9
2,10 73,5 71,5 62,3 46,4 42,5 36,6 43,6 50,9
2,40 62,9 70,1 61,6 45,5 40,7 36,2 43,3 50,8
2,70 52,8 68,9 60,2 44,6 39,1 35,8 42,9 50,8
3,00 45,2 67,6 59 43,8 37,6 36,1 42,6 50,8
3,30 38,6 65,7 57,8 42,6 36,4 35,7 42,1 50,8
3,60 34,5 63,5 56,4 41,9 35,3 35,1 41,7 50,6
3,90 32,1 61,6 54,9 41 34,3 34,2 41,3 50,5
4,20 31,3 60 53,1 39,9 33,3 33,8 41,1 50,3
4,50 * 57,3 51,8 38,7 32,3 33,4 40,7 50,3
4,80 * 59,9 50,3 38 31,6 32,9 40,2 50,1
5,10 * 52,1 48,8 37,3 30,7 32,6 39,8 49,9
5,40 * 50,3 47,3 36,6 29,9 32,2 39,3 49,7
5,70 * 47 45,9 35,9 * 31,8 38,8 49,5
6,00 * 44,5 44,5 35,1 * 31,5 38,2 49
6,30 * 42,4 43,1 34,4 * 31,1 37,4 48,4
6,60 * 40,7 41,8 33,5 * 30,9 36,8 47,6
6,90 * 39,1 40,6 32,9 * 30,6 36 46,4
7,20 * 37,6 39,3 32,1 * 30,5 35,3 45,1
7,50 * 36,6 38,2 31,7 * 30,3 34,6 43,3
7,80 * 35,1 37,1 30,9 * 30,1 33,9 41,4
8,10 * 34,2 36,1 30,6 * 30 33,2 39,9
8,40 * 33,1 35,2 30,6 * 29,9 32,5 38,4
8,70 * 32,2 34,3 31,8 * 29,9 31,9 36,9
9,00 * 31,8 33,5 32,1 * 29,9 31,3 35,6
9,30 * 31,3 32,7 32,1 * 30 30,8 34,5
9,60 * 30,7 32,1 32,1 * 30,1 29,8 33,3
9,90 * 30,1 31,5 * * 30,2 29,4 32,3
10,20 * * * * * 30,3 29,1 31,4
10,50 * * * * * 30,3 28,9 30,6
Legenda: *Não foi necessário coletar o dado.
A variação da taxa de resfriamento em função do tempo deve indicar
mudanças de fase do sistema,e apesar do perfil das curvas de resfriamento não se
apresentarem de maneira ideal por conta de dificuldades operacionais, a coleta de
dados indica mudanças de fases que podem ser observadas em 79°C na curva 1.
Essa mudança de taxa para um patamar constante indica a solidificação do
Naftaleno que era o único composto presente nessa amostra. Na literatura, o ponto
de fusão do Naftaleno é 80,26 ºC, um valor apenas 1,56% acima do obtido
experimentalmente. Esse erro pode estar relacionado à precisão do termômetro,
pois o naftaleno analisado é puro, então a fusão deveria ocorrer em 80,26°C.
A variação da taxa de resfriamento na curva 2 foi obtida em 77 °C, ela indica
a intercessão com a linha liquidus para aquela composição, acarretando em um
equilíbrio entre o naftaleno sólido e uma solução. As mudanças em 62°C para a
curva 3, em 54°C para a curva 4, em 47°C para a curva 5, em 39°C para a curva 6 e
na curva 7, em 44°C representam o mesmo processo para as respectivas
composições. Na curva 8 a mudança na taxa de resfriamento foi obtida em 50°C,
relativa a amostra com a difenilamina pura. O valor na literatura para o ponto de
fusão da difenilamina é de 53 ºC, sendo observado, dessa forma, uma variação de
1,5% em relação aos dados experimentais. Este resultado deixa ainda mais clara a
precisão do termômetro, já que os erros foram próximos.
A amostra 6 foi definida como a composição eutética devido ao baixo ponto
de fusão e consistência da temperatura em relação ao tempo. Com os dados
obtidos durante o resfriamento, foi possível esboçar um diagrama de fases para a
mistura naftaleno-difenilamina.
Abaixo, os dados para o ponto eutético.
Ponto eutético:
● Temperatura: 41°C ou 314,15K
● Composição: 24,82% Naftaleno e 75,18% Difenilamina
6. Conclusão
A partir da teoria discutida na introdução e dos resultados obtidoscom o
experimento pôde-se concluir que a mistura eutética é a de número 6 que contém 1
g de naftaleno e 4 g de difenilamina. Essa conclusão foi obtida baseada na
comparação com as demais misturas. Era esperado observar uma mudança de
inclinação da curva de resfriamento no momento que começasse a solidificar e um
patamar constante ao atingir o ponto eutético, observando o diagrama de uma
mistura sólido-líquido eutética e comparando com os nossos resultados, temos:
Na curva 1 é possível observar um patamar constante que corresponde à
solidificação do naftaleno no seu próprio ponto de fusão, o que é coerente já que se
trata de uma solução pura. Na curva 2, podemos observar uma mudança de
inclinação próximo de 77°C que indica que a solução atingiu a linha liquidus e agora
existe um equilíbrio entre naftaleno sólido e líquido. Esse ponto pode ser observado
na curva 3, em 62°C, na curva 4, em 54°C, na curva 5, em 47°C, na curva 6, em
39°C e na curva 7, em 44°C. Na curva 8 é possível observar um patamar constante
em 50°C, o que é próximo do ponto de fusão da difenilamina.
Por fim, a curva 6 é a que apresenta menor temperatura de fusão e uma
variação de temperatura menor, em um intervalo de tempo maior, no processo de
solidificação, sendo possível concluir que esta é a mistura mais próxima da mistura
eutética. Quanto ao patamar eutético, não foi possível observá-lo com precisão, por
conta da demora na execução do experimento. Mas analisando os gráficos pode-se
perceber o início de um patamar constante ao final das curvas de 2 à 7, o que leva a
acreditar que mais alguns minutos de resfriamento seria possível observá-los mais
nitidamente.
7. Referências
Castellan, G. - Fundamentos de Físico-química – LTC, 1996
ATKINS, P. W; PAULA, Júlio de. Físico-química biológica. Rio de Janeiro: LTC, 2008