Relatório de cinética Equilíbrio sólido líquido

Prévia do material em texto

CEFET MG – CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA
QUÍMICA TECNOLÓGICA – 2010
Departamento de Química - Laboratório de Equilíbrio, Cinética Química e Fenômenos
Equilíbrio sólido-líquido: misturas eutéticas
Relatório referente à aula prática 05, apresentado ao professor Marcelo elaborado por: 
Daphne Chiara Antônio
Gabriele de Azevedo Cardoso
Belo Horizonte, 20 de maio de 2011.
Introdução
Para uma mistura de dois sólidos – sistema binário – é possível estudar as interferências e relações entre vários estados do sistema a partir das variações de pressão volume e temperatura.[1]
No equilíbrio sólido-líquido é comum a existência de sistemas eutéticos. Nesta condição é observado um equilíbrio entre a fase líquida e as duas fases sólidas. A temperatura eutética é a temperatura mais baixa à qual pode existir líquido.[1]
Para construir diagramas de equilíbrio de fases de uma mistura de dois componentes de concentrações ou proporções conhecidas utiliza-se a curva de resfriamento da mistura. Essa curva é construída quando funde-se a mistura inicial e em seguida faz-se leituras das temperaturas em intervalos de tempo regulares. Essas curvas são construídas em gráficos de temperatura em função do tempo.[2]
Espera-se para substâncias puras uma curva de resfriamento semelhante à representada em A na figura 1. Enquanto o composto está na fase líquida ele deve sofrer um resfriamento em taxa praticamente constante. Quando ele atinge a temperatura de fusão, a temperatura mantem-se constante até que todo o líquido mude de fase, só então a temperatura volta a cair, tendendo à temperatura ambiente. Já para misturas eutéticas (figura 2) deve-se observar um ponto de inflexão, quando um dos componentes começa a solidificar, mas a temperatura só estabilizará quando os dois componentes estiverem solidificando. Quando o processo de solidificação finda, a temperatura tende à temperatura ambiente. A cristalização de um dos componentes libera calor, o que provoca o ponto de inflexão e a diminuição da velocidade de resfriamento.[2] 
A partir das curvas de resfriamento, da composição do eutético e dos pontos de solidificação é possível traçar as curvas que compõem o diagrama de fases.[2]No diagrama de fases – feito por temperatura em função da fração molar – existemduas curvas: a “líquidus” – curva de completa fusão – e “solidus” – curva de completa solidificação. Essas linhas representam as condições nas quais o sistema divide-se em fases. Qualquer ponto acima das curvas de fusão representa um sistema homogêneo composto apenas pela fase líquida (L). Todos os pontos abaixo da curva de solidificação representam um sistema de fase única, sólida (S1 e S2). Em contrapartida, os pontos localizados nas regiões delimitadas pelas curvas “solidus e líquidus” representam um sistema bifásico, onde coexistem a fase líquida (L) e a sólida (S1 ou S2).O ponto eutético é um estado atípico e único da mistura, onde, nas condições específicas, coexistem três fases: líquida (L), sólido 1 puro (S1) e sólido 2 puro (S2).[1]
Figura 1: Curvas de resfriamento.[2]
Figura 2: Curva de resfriamento de uma mistura eutética.[2]
Figura 3: Diagrama de fases sólido-líquido.[1]
Objetivos
Construir o diagrama de equilíbrio de fases, sólido-líquido, de um sistema binário a partir dos dados obtidos pela análise térmica de misturas de dois componentes em várias proporções.
Parte Experimental
Materiais e Reagentes
Difenilamina, naftaleno, água destilada, seis tubos de ensaio, suporte de tubo de ensaio, termômetros, cronômetros, balança, parafilme, chapa aquecedora, béqueres. 
Procedimentos
Os seis tubos de ensaio foram numerados e cada um deles foi preenchido com as quantidades de naftaleno e difenilamina representados na tabela 1.
Para cada tubo de ensaio foi separado um termômetro que foi utilizado durante toda a prática. Os tubos de ensaio foram tampados com parafilme. Também com este, fixou-se otermômetro no interior de cada tubo. 
Tabela 1:Valores das massas dos componentes das misturas
	Tubo
	Massa de naftaleno / g
	Massa de difenilamina / g
	1
	(2,500±0,001)
	0,00
	2
	(2,500±0,001)
	(0,875±0,001)
	3
	(1,252±0,001)
	(1,104±0,001)
	4
	(1,254±0,001)
	(2,483±0,001)
	5
	(0,497±0,001)
	(2,682±0,001)
	6
	(0,256±0,001)
	(2,520±0,001)
	7
	0,00
	(2,502±0,001)
Os tubos de ensaio preenchidos foram aquecidos em banho-maria (~90ºC) em dois béqueres contendo água. A chapa aquecedora foi utilizada para atingir e manter essa temperatura. Quando o sistema já se encontrava fundido, o cronômetro foi acionado e a temperatura foi lida. A partir daí a cada 15 segundos fez-se a coleta das temperaturas. A mistura foi mantida sob agitação, e os dados foram coletados até que o sistema estivesse sólido e com uma temperatura próxima à ambiente (t.a. ~25ºC)
Com os dados obtidos e a massa molar do naftaleno (128,2g.mol-1) e da difenilamina (169,2g.mol-1) foi possível calcular o número de mol e a fração molar de cada tubo de ensaio. Os valores obtidos possibilitaram construir o diagrama sólido líquido dessa mistura. 
Resultados 
A partir dos valores de temperatura de decaimento obtidos para cada tubo de ensaio construiu-se os gráficos 4-11 no software Origin 8.0. 
Temperatura do eutético: 79 °C
Figura 4: Gráfico Temperatura (°C) x Tempo (min) para a mistura 1.
Ponto de inflexão: 66,5 °C
Temperatura do eutético: ~30°C
Figura 5: Gráfico Temperatura (°C) x Tempo (min) para a mistura 2.
Ponto de inflexão: 53°C
Temperatura do eutético: 32°C
Figura 6: Gráfico Temperatura (°C) x Tempo (min) para a mistura 3.
Ponto de inflexão: 33°C
Temperatura do eutético: 32°C
Figura 7: Gráfico Temperatura (°C) x Tempo (min) para a mistura 4.
Ponto de inflexão: 35°C
Temperatura do eutético: 33°C
Figura 8: Gráfico Temperatura (°C) x Tempo (min) para a mistura 5.
Ponto de inflexão: 40°C
Temperatura do eutético: 33°C
Figura 9: Gráfico Temperatura (°C) x Tempo (min) para a mistura 6.
Temperatura do eutético: 52°C
Figura 10: Gráfico Temperatura (°C) x Tempo (min) para a mistura 7.
A partir das massas de cada reagente (Tabela 1) calculou-se as frações molares em cada mistura e preencheu-se a Tabela 2. 
Tabela 2: Valores de número de mols e fração molar dos componentes da mistura[2]
	
Tubo
	Número de mols
	Fração molar
	
	Naftaleno
	Difenilamina
	Naftaleno
	Difenilamina
	1
	0,01950
	---
	1,0
	----
	2
	0,01950
	5,171 x10-3
	0,79
	0,21
	3
	9,766x10-3
	6,525 x10-3
	0,60
	0,40
	4
	9,782x10-3
	0,0147
	0,40
	0,60
	5
	3,877 x10-3
	0,0159
	0,20
	0,80
	6
	1,997x10-3
	0,01489
	0,12
	0,88
	7
	----
	0,01478
	----
	1,0
Tabela 3: Valores de temperatura de solidificação e eutética das misturas [2]
	Tubo
	X naftaleno
	Ponto de solidificação/ °C
	Temperatura Eutética /°C
	1
	1,0
	(79,5±0,5)
	----
	2
	0,79
	(66,5±0,5)
	(30,0±0,5)
	3
	0,60
	(53,0±0,5)
	(32,0±0,5)
	4
	0,40
	(33,0±0,5)
	(32,0±0,5)
	5
	0,20
	(35,0±0,5)
	(33,0±0,5)
	6
	0,12
	(40,0±0,5)
	(33,0±0,5)
	7
	----
	(52,0±0,5)
	-----
Figura 11: Diagrama de fases para diferentes frações molares de naftaleno
Discussão dos resultados 
A inflexão encontrada nos gráficos do tipo temperatura versus tempo corresponde à temperatura de solidificação do componente que está em excesso na solução. No caso dos tubos 1,2 e 3 a inflexão indicará a temperatura de solidificação do naftaleno, pois a mistura está mais rica deste componente. Pela mesma razão, nas demais misturas a inflexão indicará a temperatura de solidificação da difenilamina. 
À medida que um componente precipita, a difenilamina ou o naftaleno, a solução vai ficando mais rica no outro componente. O sistema continua resfriando até esse outro componente, agora em excesso, começar a solidificar. A temperatura de solidificação será diretamente influenciada pelo componente que estiver em maior quantidade, ou seja, a temperatura da inflexãoserá próxima da temperatura de solidificação do componente em excesso.
No tubo 1 o ponto de inflexão corresponde à temperatura de solidificação do naftaleno, pois se trata de uma substância pura. Assim como no tubo 7 será a temperatura de solidificação da difenilamina.
Para os tubos 2 e 3 o ponto de inflexão será próximo à temperatura de solidificação do naftaleno, porém para essa relação será mais acentuada para a mistura 2, pois a proporção de naftaleno para difenilamina é de 4:1 e na mistura 3 é de 3:1.
Para os tubos 4,5 e 6 essa mesma relação pode ser estabelecida, mas agora para a difenilamina. Todas essas misturas apresentaram ponto de inflexão será próximo à temperatura de solidificação da difenilamina, porém para essa relação será mais acentuada para a mistura 6, pois a proporção de difenilamina para naftaleno é de 7:1e nas misturas 4 e 5 é de ,respectivamente, 4:1 e 3:2.
No gráfico 11, a relação quantidade de naftaleno e temperatura de solidificação já estabelecida pode ser evidenciada de forma mais objetiva. Pode-se observar que a medida que aumenta-se a quantidade de naftaleno aumenta a temperatura de solidificação do sistema até a temperatura eutética. Na temperatura eutética (Te) o sistema é invariante, ou seja, a solução possui composição constante. Para esse ponto não é aplicada a regra da alavanca.
No diagrama de fases, o número de fases presentes em cada região do gráfico foi representado pela letra P e o número de variáveis intensivas que descrevem o sistema foi representado pela letra F. 
Como base na equação 
F=C-P+2 Equação (1)
Onde F é o número de variáveis intensivas que descrevem o sistema, C é o número de componentes da solução e P é o número de fases presentes na região, calculou-se o F e o P para cada região do digrama considerando-se que o número de componentes é constante para esse sistema binário. 
No caso deste sistema a equação 1 será reescrita como F=C-P+1, pois trabalhamos com pressão constante, nesse caso a pressão ambiente. 
Na região acima da curva, há uma fase, uma solução límpida de naftaleno e difenilamina , (P=1).
F=C-P+1= 2-1+1 
 F=2 
Assim, o número de variáveis intensivas que descrevem o sistema é igual a dois, temperatura (°C) e composição de naftaleno ( % m/m ). Ou seja, para descrever o sistema é necessário saber a composição e a temperatura.
No ponto E, ponto do eutético, há três fases, uma solução de naftaleno e difenilamina, naftaleno sólido e difenilamina sólida, (P=3).
F=C-P+1= 3-3
 F=0 
Assim o sistema é invariante, ou seja, de composição fixa. 
Na região I, há duas fases, uma solução de naftaleno e difenilamina e um precipitado de difenilamina, (P=2). 
F=C-P+1= 2-2+1 
 F=1 
Assim, o número de variáveis intensivas que descrevem o sistema é igual a um, temperatura (°C) ou composição de naftaleno (% m/m ). Ou seja, para descrever o sistema é necessário saber a composição ou a temperatura.
Na região II, há duas fases, uma solução de naftaleno e difenilamina e um precipitado de naftaleno, (P=2). 
F=C-P+1= 2-2+1 
 F=1 
Assim, o número de variáveis intensivas que descrevem o sistema é igual a um, temperatura (°C) ou composição de naftaleno (% m/m ). Ou seja, para descrever o sistema é necessário saber a composição ou a temperatura.
Na região III, há duas fases, dois sólidos: difenilamina e naftaleno. (P=2). 
F=C-P+1= 2-2+1 
 F=1 
Assim, o número de variáveis intensivas que descrevem o sistema é igual a um, temperatura (°C) ou composição de naftaleno (% m/m ). Ou seja, para descrever o sistema é necessário saber a composição ou a temperatura.
Conclusão 
Nesta prática foi possível construir o diagrama de equilíbrio de fases, sólido-líquido, de um sistema binário a partir dos dados obtidos pela análise térmica de misturas de dois componentes em várias proporções.
Referências Bibliográficas
Determinação de solubilidade sólido líquido. Propriedades termofísicas 1999 -2000; Conceitos Fundamentais. Tema 13. Universidade de Coimbra. Disponível em <http://www.eq.uc.pt/~ines/pt 2.html>. Acesso em 19 mai. 2010. 
VIANA, Marcelo Machado. Prática 1: Equilíbrio Químico em soluções. Laboratório de Equilíbrio, Cinética Química e Fenômenos. CEFET-MG. Belo Horizonte. Mar. 2011.