2 Relatorio - LEQ II

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Universidade Federal de Campina Grande
Centro de Ciências e Tecnologia
Unidade Acadêmica de Engenharia Química
Laboratório de Engenharia Química I
DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO DE UM SISTEMA TERNÁRIO
RELATÓRIO Nº 2
Aluna: Ranna Theresa dos Santos Cajá
Matrícula: 121111162
Professor: Eudésio Oliveira Vilar
26/08/2023
Campina Grande - PB
SUMÁRIO
1.INTRODUÇÃO………………………………………………………………………………………….3
2. OBJETIVOS………………...…………………………………………………………………………..3
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA……………………………………………………………………..4
4. MATERIAIS NECESSÁRIOS………………………………………………………………………..16
5. METODOLOGIA……………………………………………………………………………………..16
6. RESULTADOS………………………………………………………………………………………...18
7. DISCUSSÕES………………………………………………………………………………………….20
8. CONCLUSÃO…………………………………………………………………………………………21
9. BIBLIOGRAFIA CONSULTADA…………………………………………………………………...22
2
1. INTRODUÇÃO
O experimento abordado neste relatório visa construir um diagrama de equilíbrio
de um sistema ternário, composto por água, álcool e benzeno. O objetivo principal é
criar uma curva de equilíbrio que representa a solubilidade desses componentes em
diferentes proporções. Esse experimento é relevante no contexto das Operações
Unitárias e processos de separação, proporcionando insights sobre as interações entre os
componentes e suas respectivas fases.
2. OBJETIVOS
2.1 Objetivos gerais
Construir uma curva de equilíbrio entre três componentes (água , álcool e
benzeno)
obtendo a linha de solubilidade da mistura.
2.2 Objetivos específicos
1. Preparar misturas contendo água, álcool e benzeno em diferentes
proporções nos tubos de ensaio.
2. Adicionar álcool etílico gota a gota às misturas até que uma fase única
seja alcançada, observando a ausência de turbidez.
3. Registrar o volume de álcool etílico necessário para atingir o equilíbrio
em cada mistura.
4. Construir um diagrama de equilíbrio ternário a partir dos dados de
volume de álcool etílico adicionado e das composições das misturas.
5. Interpretar o diagrama de equilíbrio para identificar a linha de
solubilidade e as regiões monofásica e bifásica.
3
6. Compreender as implicações práticas do diagrama de equilíbrio para
processos de separação e operações unitárias.
7. Analisar como as interações entre os componentes afetam o equilíbrio
entre as fases nas misturas ternárias.
8. Relacionar os resultados obtidos no experimento com os conceitos
teóricos de diagramas de fase e equilíbrio químico.
9. Comparar as composições das misturas observadas experimentalmente
com as previsões feitas a partir do diagrama de equilíbrio.
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
A temperaturas suficientemente inferiores aquelas em que se verifica o
aparecimento do equilíbrio líquido-vapor, pode observar-se a formação de fases líquidas
(ou sólidas) total ou parcialmente imiscíveis. É o que acontece, por exemplo, no sistema
cujo diagrama se esquematiza na Figura 1.
Figura 01 - Esquema ilustrativo do diagrama de fases de um sistema com formação de
duas fases líquidas
4
Observando na Figura 1 verifica-se que partindo de uma mistura binária
homogênea, gasosa, no estado representado pelo ponto A, baixando sucessivamente a
temperatura (mantendo a pressão), quando se atinge a temperatura TB aparece a primeira
gota de líquido (o ponto B está sobre a curva dos pontos de orvalho). Entre B e C, à
medida que a temperatura diminui, a quantidade de sistema na fase líquida vai
aumentando até que, à temperatura TC, desaparece a último gás (o ponto C localiza-se
sobre a curva dos pontos de bolha). Entre TC e TD obtém-se uma única fase líquida,
homogénea. À temperatura TD observa-se a formação de uma segunda fase líquida. Se a
fase líquida pré-existente estiver a ser agitada, o aparecimento da imiscibilidade
(parcial) entre os dois líquidos pode ser facilmente detectado pela ocorrência de turbidez
no sistema líquido. Abaixo da temperatura TD têm-se duas fases líquidas, lα e lβ,
parcialmente miscíveis, em equilíbrio. Por exemplo, à temperatura TE a mistura de
composição global representada pelo ponto E separa-se em duas fases líquidas
representadas pelos pontos F e G. A recta horizontal é, obviamente, uma tie-line,
visto que une duas fases em equilíbrio à mesma temperatura e à mesma pressão.
Considerando apenas a região inferior do diagrama, correspondente às temperaturas em
que prevalece a coexistência de fases líquidas, podem observar-se três situações, que se
ilustram na Figura 2.
Figura 02 - Diagramas (T, x), a pressão constante.
5
A situação de imiscibilidade parcial que acaba de ser descrita está representada
na Figura 2(a). As composições dos dois líquidos em equilíbrio (la e lb) à temperatura TE
são, respectivamente, x1α e x1β. A temperatura TU é denominada temperatura crítica de
solubilidade superior: acima dessa temperatura existe uma única fase líquida em toda a
gama de composições (0 ≤ x1 ≤ 1). A linha é denominada curva binodal. O troço𝐹𝑈𝐺
, à esquerda de U, corresponde às composições da fase líquida la (mais rica no𝐹𝑈
componente 2) ao passo que o troço , à direita de U, dá as composições da fase𝑈𝐺
líquida lb (mais rica no componente 1): a cada temperatura T (< TU) as composições x1α
e x1β dos dois líquidos em equilíbrio são determinadas pela intersecção da curva binodal
com a tie-line (horizontal) respectiva. É claro que a temperaturas sucessivamente mais
baixas as fases líquidas acabarão por solidificar e a curva binodal terminará na linha de
solidificação. No ponto U as duas fases líquidas tornam-se indistinguíveis. A
designação de ponto crítico de solubilidade para U (e de temperatura crítica de
solubilidade para TU), resulta disto mesmo por analogia com o ponto crítico das
substâncias puras, onde duas fases (líquida e gasosa) também se tornam idênticas, com
as mesmas propriedades. A Figura 2(b) ilustra um outro caso possível de imiscibilidade
parcial de duas fases líquidas, onde agora o ponto L corresponde a uma temperatura
crítica de solubilidade inferior. Abaixo da temperatura TL existe uma só fase líquida em
toda a gama de composições. A curva binodal é limitada superiormente pelas suas
intersecções com a curva dos pontos de bolha no equilíbrio (líquido + vapor). O caso
representado na Figura 2(c), em que a curva binodal se fecha sobre si própria, com
existência simultânea de dois pontos críticos, superior e inferior (U e L,
respectivamente), é bastante mais raro: neste caso a imiscibilidade parcial das duas fases
líquidas só pode ocorrer a temperaturas entre TU e TL.
DIAGRAMAS TERNÁRIOS
Para representar sistemas ternários recorre-se à geometria dos prismas de base
triangular onde às ordenadas se faz corresponder a temperatura ou a pressão e à base
(um triângulo equilátero) se associa a composição dos componentes em fracção molar
(ou percentagens molares) (x1, x2 e x3) ou frações (ou percentagens ponderais) (w1, w2 e
6
w3). Como a soma das distâncias de um ponto no interior de um triângulo (equilátero)
aos três lados é igual à sua altura, h, (Figura 3), será . Normalizando,ℎ = 𝑎 + 𝑏 + 𝑐
ter-se-á que e desta forma𝑎
ℎ = 𝑥
1
 (𝑜𝑢 𝑤
1
), 𝑏
ℎ = 𝑥
2
 (𝑜𝑢 𝑤
2
) 𝑒 𝑐
ℎ = 𝑥
3
 (𝑜𝑢 𝑤
3
)
verifica-se a relação entre as fracções molares (ou, entre fracções mássicas,
𝑖=1
𝑐
∑ 𝑥
𝑖
= 1
).
𝑖=1
𝑐
∑ 𝑤
𝑖
= 1
Figura 03 - Triângulo equilátero utilizado na representação das variáveis de
composição em sistemas ternários.
Aos vértices do triângulo fazem-se corresponder os componentes puros da
mistura ternária. Qualquer ponto sobre um dos lados do triângulo representa, assim, (a
composição de) uma mistura binária, enquanto os pontos no interior do triângulo
representam misturas dos três componentes, como se ilustra na Figura 4. Misturando
dois sistemas ternários cujas composições sejam dadas pelos pontos P e Q obtém-se,
sempre, um sistema cuja composição global é dada por um ponto sobre a reta . A𝑃𝑅𝑄
localização exata do ponto representativo do sistema final R dependerá das massas
relativas de P e Q que se misturam. Sea uma mistura binária dos componentes 2 e 3
representada pelo ponto E, formos adicionando quantidades crescentes do componente 1
obtemos um sistema ternário cuja composição é representada por sucessivos pontos
sobre a reta [1SE], uma vez que as proporções dos componentes 2 e 3 no sistema se
mantêm. Quanto maior for a quantidade de componente 1 adicionada mais o ponto (S)
que representa o sistema ternário se afastará da base, i.e. do ponto E, sobre o lado [23], e
7
se aproximará do vértice 1, correspondente à substância que está a ser adicionada. Se,
pelo contrário, partimos de um sistema ternário de composição dada por S e se dele
formos removendo o componente 1 (por exemplo, por evaporação), a composição
global do sistema vai evoluindo de modo que a sua representação se desloca sobre a
recta [1SE] aproximando-se do ponto E.
Figura 04 - Representação da composição de um sistema ternário.
Vamos agora ver como se interpretam geometricamente os diagramas de fases
ternárias onde os três componentes (1, 2 e 3) do sistema são líquidos à temperatura e à
pressão consideradas.
Se dois dos componentes forem parcialmente miscíveis, o diagrama
representativo das diversas composições apresentará o aspecto ilustrado na Figura 5. É
um diagrama do tipo I.
8
Figura 05
À temperatura e pressão consideradas, no interior da área limitada pelos pontos
[ACPDB] existem duas fases (líquidas) imiscíveis: o ponto A representa o limite de
solubilidade do componente 3 no componente 2; em contrapartida, o ponto B representa
o limite de solubilidade do componente 2 no componente 3; quando o sistema contém,
também, o componente 1 e a composição global é representada por um ponto no interior
da área [ACPDB] o sistema desdobra-se em duas fases líquidas ternárias em equilíbrio
termodinâmico. Por exemplo, um sistema ternário de composição global dada pelo
ponto R apresenta-se como sendo constituído por duas fases líquidas cujas composições
são dadas pelos pontos C e D. A linha reta [CRD] une duas fases em equilíbrio: uma (a
fase com a composição do ponto D) mais rica no componente 3 e outra (a fase com a
composição dada pelo ponto C) mais rica no componente 2. Quer dizer: a adição do
componente 1 aos sistemas binários de componentes 2 e 3 cuja composição inicial
esteja compreendida entre as de A e B dá origem ao aumento da solubilidade mútua de
2 e 3, de modo que a zona bifásica vai diminuindo, até se atingir um ponto também
ternário de composição dada por P, em que a solubilidade de 2 em 3 e a de 3 em 2 se
igualam. O ponto P designa-se por ponto de enlace ou ponto crítico (ou plait point, em
Inglês). As retas como [CD] que unem duas fases em equilíbrio são denominadas
tie-lines, na designação em língua inglesa, que se generalizou. Pelo que ficou dito se
conclui que a linha [ACP] é a curva de solubilidade do componente 3 no sistema
constituído pelos três líquidos 1, 2 e 3, enquanto que a curva [PDB] representa os
limites de solubilidade do componente 2 no sistema ternário. A curva de solubilidade
9
limitante da zona bifásica [ACPDB] denomina-se curva binodal. No exterior da curva
binodal um sistema ternário como o que estamos a tratar é monofásico.
À medida que aumenta a temperatura a solubilidade mútua dos componentes
aumenta (geralmente) devido à agitação molecular, pelo que a área bifásica nos
diagramas triangulares como o da Figura 5 vai sendo cada vez mais reduzida, como se
torna evidente observando a Figura 6. Em projecção sobre a base do prisma triangular
obtêm-se as curvas de solubilidade às diversas temperaturas como se esquematiza na
Figura 6(b).
Figura 06 - Diagrama ternário (T, wi) esquemático, a pressão constante.
Por vezes acontece que dentre os três líquidos há dois pares (e não um só) que
são parcialmente imiscíveis. São os diagramas do tipo II. Nesta situação o diagrama
triangular tem o aspecto que se mostra na Figura 7. Se a temperatura baixar, as duas
zonas bifásicas aumentam de área, de forma que poderão intersectar-se, coalescendo,
como se mostra na Figura 8. Neste caso o diagrama (T, wi), ou (T, xi), teria o aspecto
ilustrado na Figura 9.
10
Figura 07 - Diagrama triangular em que os pares 1-3 e 1-2 são parcialmente imiscíveis.
Figura 08 - Os pares 1-3 e 1-2 são parcialmente imiscíveis e as áreas de imiscibilidade
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Figura 09 - Diagrama ternário (T, wi)
Quando os três líquidos forem parcialmente imiscíveis dois a dois e se as suas
áreas de imiscibilidade parcial se intersectam o diagrama triangular respectivo toma o
aspecto que se mostra na Figura 10. São geralmente designados por diagramas do tipo
III.
Figura 10 - Diagrama triangular em que os componentes 1, 2 e 3 são parcialmente
imiscíveis à temperatura considerada.
12
Para ilustrar alguns casos práticos, na Figura 11 mostra-se um conjunto de
diagramas de equilíbrio líquido-líquido para sistemas aquosos de etanol e ésteres. Na
figura podemos verificar a existência de diagramas de tipo I e tipo II.
Figura 11: Diagramas ternários para o sistemas do tipo água+ester+etanol e
água+acetato de N-butilo+acetato de etilo a 25 ºC.
Os diagramas ternários envolvendo fases líquidas são úteis para a compreensão
da operação de extração. Neste contexto usam-se as chamadas curvas de distribuição.
Estas são construídas a partir dos diagramas triangulares, representando a concentração
do componente que é solúvel nas duas fases parcialmente miscíveis, uma em função da
outra. Podem surgir aqui várias situações indicadas na Figura 12. Por exemplo, se os
componentes 1 e 2 forem parcialmente imiscíveis e o componente 3 for completamente
miscível quer com o componente 1 quer com o componente 2, designando por w3,1 a
concentração (em fração ponderal) do componente 3 na fase mais rica no componente 1
e por w3,2 a concentração do componente 3 na fase mais rica no componente 2 obtém-se
do diagrama triangular a curva de distribuição respectiva como se ilustra na Figura
12(a). Nesta figura apresenta-se, de forma genérica, o processo de construção.
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Figura 12: Diversos tipos de curvas de distribuição.
Estes conceitos são muito importantes na extração líquido-líquido tão
importantes que a nomenclatura desta operação unitária adotou designações particulares
para os componentes e para as fases em equilíbrio. Para assentar conceitos considere-se
a Figura 13 onde se representa um diagrama ternário em que à temperatura considerada
os componentes 1 e 2 são completamente miscíveis (como, aliás também acontece com
o par 1-3).
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Figura 13: Diagrama ternário a temperatura constante. As linhas a tracejado são
tie-lines.
Admitamos que pretendemos separar as substâncias líquidas 1 e 2 existentes
numa mistura (binária) inicial representada pelo ponto F. Adicionando quantidades
crescentes de componente 3 (que se designa por solvente) à mistura F a composição
global do sistema mover-se-á ao longo da recta [FM3]. Por adição de quantidade
adequada do componente 3, a composição global do sistema (ternário) passa a ser
representada pelo ponto M. Neste ponto o sistema é heterogêneo, separando-se em duas
fases cujas composições são dadas pelos pontos P e Q.
A fase Q tem uma composição mais rica no solvente (componente 3). Esta fase,
em terminologia de extração líquido-líquido, é denominada fase extracto (ou fase
solvente). A fase P, que tem um conteúdo mais baixo em solvente, chama-se fase
refinado (ou fase resíduo). Eliminando progressivamente o solvente (componente 3) da
fase extracto (Q), por destilação ou outra operação equivalente, obtém-se um extracto
livre de solvente cuja composição é representada pelo ponto S na Figura 10. Da mesma
forma, o refinado (ou resíduo), R, é obtido da fase P por eliminação do solvente. Assim,
por extracção líquido-líquido (que começa pela adição de solvente à mistura binária
inicial, F) e separação das duas fases resultantes (P e Q) seguida de remoção do solvente
(componente 3) de cada uma das fases em equilíbrio, a mistura original (F) pode serseparada em duas outras misturas binárias (R e S). Comparando com a mistura inicial
(F) a mistura S tem uma composição mais elevada no componente 1 e a mistura R
contém uma menor fracção deste componente. Este princípio de separação pode ser
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repetido sequencialmente com vista à separação dos componentes 1 e 2 (completamente
miscíveis) em extractos e refinados progressivamente mais ricos nos componentes (1 ou
2) que se querem separar por extracção líquido-líquido. É claro que a extensão do
processo de extracção está condicionada pela temperatura e pressão, pela área coberta
pela curva de solubilidade e pela natureza do sistema ternário
4. MATERIAIS NECESSÁRIOS
● Pipetas;
● Nove Tubos de Ensaio;
● Suporte de madeira para tubos de ensaio;
● Água Destilada;
● Benzol (Benzeno), marca: Química Moderna;
● Buretas.
5. METODOLOGIA
Com uma pipeta colocou 2.5 ml de benzeno nos primeiros cinco tubos de ensaio.
Em seguida, colocou-se do primeiro ao quinto tubo 0.5; 1.0; 2.0; 3.0; 5.0 ml de água,
respectivamente. Com uma bureta, foi adicionado gota a gota quantidades crescentes de
álcool etílico até obter uma fase única, ausência de estado leitoso. Anotou o volume
gasto. Do sexto ao nono tubo de ensaio, usamos as seguintes quantidades de água e
benzeno:
● Sexto – 5.0 ml de água e 0.3 ml
de benzeno;
● Sétimo – 5.0 ml de água e 0.5
ml de benzeno;
● Oitavo – 0.3 ml de água e 5.0 ml
de benzeno;
● Nono- 0.5 ml de água e 5.0 ml
de benzeno.
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Figura 14 - Tubos de ensaio
Figura 15 - Água com Benzeno
Novamente com uma bureta, deve adicionar gota a gota quantidades crescentes
de álcool etílico até que se obtenha uma fase única, ausência de estado leitoso. Anota-se
o volume gasto.
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6. RESULTADOS
6.1 RESULTADOS
Temperatura do experimento: 22ºC
Tabela 1 - Volume (mL) adicionado de cada substância nos nove tubos.
Tubos Água (mL) Benzeno (mL) Álcool Etílico (mL)
1 0.5 2.5 3.7
2 1.0 2.5 5.6
3 2.0 2.5 8.0
4 3.0 2.5 11.9
5 5.0 2.5 13.5
6 5.0 0.3 6.4
7 5.0 0.5 3.9
8 0.3 5.0 4.4
9 0.5 5.0 5.4
Para criar o diagrama, utilizaremos a fração mássica de cada substância. Para
isso, é necessário calcular a massa de cada uma delas, utilizando a seguinte fórmula:
𝑚
𝑖
= ρ
𝑖
· 𝑉
𝑖
Dados obtidos da literatura:
ρ
𝐻
2
𝑂
= 0, 9978 𝑔/𝑚𝐿
ρ
𝐶
6
𝐻
6
= 0, 879 𝑔/𝑚𝐿
ρ
𝐶𝐻
3
𝐶𝐻
2
𝑂𝐻
= 0, 789𝑔/𝑚𝐿
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Tabela 2 -Massa (g) de cada substância nos nove tubos.
Tubos Água (g) Benzeno (g) Álcool Etílico (g)
1 0,4989 2,1975 2,9193
2 0,9978 2,1975 4,4184
3 1,9956 2,1975 6,312
4 2,9934 2,1975 9,3891
5 4,989 2,1975 10,6515
6 4,989 0,2637 5,0496
7 4,989 0,4395 3,0771
8 0,29934 4,395 3,4716
9 0,4989 4,395 4,2606
Agora deve calcular a fração mássica de cada substância, para isso utilizaremos
a seguinte fórmula:
ω
𝑖
=
𝑚
𝑖
𝑚
𝑇
Tabela 3 - Fração mássica de cada substância nos nove tubos.
Tubos Água Benzeno Álcool Etílico
1 0,08884021582 0,3913136385 0,5198461456
2 0,131053233 0,2886244533 0,5803223137
3 0,1899648742 0,2091841106 0,6008510152
4 0,205308642 0,1507201646 0,6439711934
5 0,2796838211 0,1231920619 0,5971241171
6 0,4842607961 0,02559622609 0,4901429778
7 0,5865547404 0,05167183973 0,3617734199
19
8 0,03665713929 0,5382111551 0,4251317056
9 0,05449778797 0,4800917582 0,4654104539
Figura 16 - Diagrama ternário construído com dados coletados.
7. DISCUSSÕES
Pode-se observar que o diagrama ternário não atingiu a perfeição desejada,
porém, essa imprecisão pode ser atribuída a uma variedade de elementos. Inicialmente,
é válido destacar que uma quantidade limitada de pontos amostrados pode ter
contribuído para a indistinção de nível presente na curva.
Logo é plausível considerar a quantidade específica de álcool etílico empregado.
É possível que tenha ultrapassado o ponto de transição crucial sem pleno discernimento,
o que teria impactado diretamente nos resultados. É válido refletir sobre esses fatores,
confirmando que a busca pela precisão exige atenção minuciosa a cada detalhe do
procedimento experimental.
20
8. CONCLUSÃO
No desenvolvimento deste experimento, foi visado a construção de um diagrama
de equilíbrio para um sistema ternário composto por água, álcool e benzeno. Este estudo
revela-se de importância significativa no contexto das Operações Unitárias e processos
de separação, proporcionando compreensão das interações entre os componentes e suas
respectivas fases.
Ao traçar os objetivos, busca-se meticulosamente cada passo para a conclusão
do experimento. Foi preparado misturas contendo os componentes nos tubos de ensaio,
adicionando cuidadosamente álcool etílico até a obtenção de uma única fase, evitando
qualquer turbidez que pudesse comprometer a precisão dos resultados.
Os dados coletados foram tabulados e analisados, o que permitiu construir um
diagrama de equilíbrio ternário. A interpretação desse diagrama revelou uma linha de
solubilidade, bem como as regiões monofásica e bifásica. Através da análise, pode
compreender como as interações entre os componentes influenciam o equilíbrio entre as
fases nas misturas ternárias.
Na verdade, o diagrama não alcançou a perfeição almejada. A limitação na
quantidade de pontos amostrados contribuiu para uma leve indistinção na curva. Além
disso, a quantidade precisa de álcool etílico utilizado desempenhou um papel crucial;
uma superação do ponto de virada poderia ter passado despercebida, afetando a precisão
dos resultados obtidos.
Portanto a realização de experimentos desse gênero exige uma abordagem
minuciosa, atenta aos detalhes e às nuances. A busca incessante por resultados precisos
requer uma análise cuidadosa de cada etapa do procedimento experimental, a fim de
garantir que fatores externos não influenciem de maneira indesejada nos resultados
finais
21
9. BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
Apostila de Laboratório de Engenharia Química I. Departamento de Engenharia
Química. UFCG. Acesso: 08/2023
http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_content&task=view
&id=150&Itemid=30. Acesso: 08/2023
https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/286169/mod_resource/content/2/TABE
LA%20DE%20DENSIDADE%20DA%20%C3%81GUA%20COM%20A%20T
EMPERATURA.pdf. Acesso: 08/2023
https://www.materiais.gelsonluz.com/2018/09/densidade-benzeno.html#google_
vignette. Acesso: 08/2023
https://www.vhtex.com.br/reagentes?product_id=200290. Acesso: 08/2023
22