Relatório 8%2c Prática 9

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Universidade Estadual do Oeste do Paraná – UNIOESTE
Centro de Engenharias e Ciências Exatas – CECE
Campus de Toledo
Diagrama de Fases Ternário
Acadêmicos: Diego Batista Messias, Edimara Zacarias dos Santos e Juliana Sbardelotto
 
Relatório parcial referente a disciplina de Laboratório de Físico-Química do curso de Química Licenciatura, 3º ano, visando a obtenção da nota parcial.
Toledo
2016
INTRODUÇÃO
A palavra fase vem do grego e significa aparência. Em um sistema, o número de fases está ligado ao número de sistemas com diferentes aparências que existem em uma determinada condição. Uma ou mais fases podem estar em equilíbrio em sistemas de um ou mais componentes, e a identificação do tipo de sistema que é esperado em certa condição é de extrema importância para processos industriais. Essas informações podem ser representadas por meio de um diagrama de fases, onde representa-se o número de fases em equilíbrio em um certo sistema, em função de parâmetros chamados variáveis intensivas (ATKINS & DE PAULA, 2008).
Para Atkins (2001), um diagrama de fase é um mapa que ilustra qual fase é a mais estável a diferentes pressões e temperaturas. O autor ainda destaca que: "As linhas que separam as regiões em um diagrama de fases são chamadas divisórias de fase. Em qualquer ponto de uma linha divisória entre duas regiões, as duas fases vizinhas coexistem em equilíbrio dinâmico entre si". (ATKINS, 2001, P. 434).
Três fases coexistem em equilíbrio mútuo no ponto triplo, um ponto onde três divisórias de fases se encontram. No ponto triplo, as diferentes fases (Gelo, líquido e vapor) coexistem em equilíbrio dinâmico. A localização de um determinado ponto triplo de uma substância é uma propriedade fixa da mesma, que não pode ser modificado por meio de condições diferentes (ATKINS, 2001).
Nas temperaturas mais elevadas existem as separações de fases. Acima da temperatura crítica superior (Tcs), os dois componentes são completamente miscíveis. Nessa temperatura, a energia do movimento de agitação térmica supera qualquer ganho de energia potencial que tenham as moléculas que permanecem juntas e a explicação da temperatura crítica superior da solução é dada com base na energia de Gibbs de mistura e na sua variação com a temperatura. Ao contrário disso, existe a temperatura crítica inferior (Tci), onde abaixo desta há miscibilidade, e acima, formação de duas fases (ATKINS & DE PAULA, 2008).
De acordo com Atkins (2001) , nunca foi observada a coexistência de quatro fases em um sistema de um componente, pois essa possibilidade foi descartada por um famoso resultado da termodinâmica. O mesmo Gibbs que abordou o conceito de energia livre obteve este resultado por meio de um sistema formado por c componentes/substâncias individuais e p fases em equilíbrio mútuo. Gibbs demonstrou que o número de graus de liberdade/número de variáveis intensivas, f, como pressão e temperatura, que podem ser alteradas independentemente sem perturbar o número de fases em equilíbrio, é determinado pela regra de fase:
f = c- p + 2 (Equação 1)
A variação da pressão ou da temperatura significa um grau de liberdade. Para preservar um equilíbrio ao variar a pressão, a temperatura deve ser ajustada para um valor apropriado; para preservar o equilíbrio ao variar atemperatura, se deve mudar adequadamente a pressão, ou seja, as pressões e as temperaturas nas quais duas fases estão presentes em um sistema de um componente não são independentes uma da outra, e a relação entre elas é representada por uma linha no diagrama de fase. Ao alterar a temperatura, a pressão é modificada e é indicada por uma linha divisória de fases (ATKINS, 2001).
Segundo Atkins (2001), quando três fases estão em equilíbrio mútuo, p = 3 e f = 3 - 3 = 0. Nem a temperatura e nem pressão podem ser variadas. Essa é a razão pela qual a condição para a existência mútua de três fases em equilíbrio é representada por um ponto triplo. Se a pressão ou a temperatura difere dos valores exatos para o ponto triplo, uma das fases tem que desaparecer.
O método gráfico mais comum, o de Gibbs e Roozeboom, recorre a um triângulo equilátero, que serve para facilitar a localização dos pontos correspondentes às várias composições, no qual a altura é dividida em dez ou mais segmentos iguais, e traça-se a cada lado uma série de segmentos paralelos. Os vértices do triângulo representam os componentes puros. Qualquer ponto interno do triângulo indica um sistema de três componentes; um ponto situado em um dos lados representa somente dois componentes e a quantidade do terceiro componente é zero (DRAGUNSKI, 2016). 
Figura 1 - Diagrama triangular representando um sistema ternário. 
	
Os pontos constituintes da curva representam um lugar geométrico, onde as proporções de três líquidos estão em equilíbrio de miscibilidade (ATIKINS, 2001).
Quando um solvente líquido é posto junto a uma solução de um soluto num outro solvente, de maneira que ambos solventes sejam não miscíveis ou parcialmente miscíveis entre si, o soluto se distribui pelas duas fases até que se estabeleça um equilíbrio (ATKINS, 2001). É importante destacar que a concentração do soluto nas duas fases , ao atingir o equilíbrio , depende da finidade relativa dos dois solventes.
A diferença de fases e a miscibilidade estão presente no cotidiano dos seres humanos, por exemplo, água e óleo, gelo e água líquida e vapor de água no cozimento de alimentos. 
Por se tratar de um assunto abrangente e fácil de ser visualizado, a diferença de fases e a miscibilidade pode ser abordada no ensino médio por meio dos exemplos encontrados no dia a dia dos estudantes e pode ser trabalhada em diversos experimentos de química. Um experimento simples é o que trata da mudança de fases da água, que consiste na utilização de uma pedra de gelo e um copo, que devem ser deixados na temperatura ambiente, a fim de se verificar as mudanças de fases. Em seguida o professor pode abordar os conceitos relacionados ao diagrama de fase da água, utilizando um diagrama e imagens por meio de slides para uma melhor compreensão dos estudantes sobre o ponto tríplice da água.
OBJETIVOS
Determinar os volumes de acetona suficiente para eliminar a opalescência da mistura de diferentes volumes de água destilada e de acetato de etila, construir o diagrama triangular de fases água-acetona-acetato de etila e obter um lugar geométrico no diagrama triangular de fases que define as proporções em que os três líquidos estão em equilíbrio de miscibilidade.
MATERIAIS E MÉTODOS
Os materiais (reagentes, vidrarias e demais utensílios) necessários para a realização do experimento estão descritos na tabela a seguir (Tabela 01).
Tabela 01. Materiais necessários para realização do experimento.
	Reagentes
	Vidrarias e demais utensílios
	Água destilada
	Papel preto
	Acetato de etila
	Duas provetas de 25 mL
	Acetona
	Uma bureta de 25 mL
	
	Doze erlenmeyers de 100 mL
Para realização do experimento, primeiramente pegou-se uma bureta de 25mL. Essa bureta de 25mL foi completada com acetona. Na sequência enumerou-se doze erlenmeyers de 100mL. Com o auxílio de duas provetas de 25 mL, adicionaram-se em cada um dos erlenmeyers (Total 12) os volumes de água destilada e de acetato de etila, descritos na tabela a seguir (Tabela 02).
Tabela 02. Volumes de água destilada e de acetato de etila.
	Erlenmeyers
	Água destilada (mL)
	Acetato de etila (mL)
	1
	22,0 mL
	3,0 mL
	2
	21,0 mL
	4,0 mL
	3
	19,0 mL
	6,0 mL
	4
	16,0 mL
	9,0 mL
	5
	14,0 mL
	11,0 mL
	6
	11,0 mL
	14,0 mL
	7
	9,0 mL
	16,0 mL
	8
	6,0 mL
	19,0 mL
	9
	5,0 mL
	20,0 mL
	10
	4,0 mL
	21,0 mL
	11
	3,0 mL
	22,0 mL
	12
	2,0 mL
	23,0 mL
Com o auxílio de uma bureta de 25 mL, adicionaram-se em cada um dos erlenmeyers (Total 12), que já continham os volumes de água destilada e de acetato de etila destacados na tabela (Tabela 2) acima, volumes de acetona suficiente para eliminar a opalescência da misturatornando-a completamente miscível (Transparente). Ao final, os volumes de acetona necessários para a eliminação de opalescência foram anotados para a posterior construção do diagrama de fases ternário.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Com as soluções já adicionadas em cada um dos erlenmeyers, foi adicionada a acetona, e cada um dos doze erlenmeyers tiveram um volume diferente como pode ser observado na tabela a seguir.
Tabela 03: Volumes de acetona para cada frasco de acetato e água.
	FRASCO
	VACETATO (mL)
	VÁGUA (mL)
	VACETONA (mL)
	VTOTAL (mL)
	1
	3,0
	22,0
	5,7
	30,7
	2
	4,0
	21,0
	8,6
	33,6
	3
	6,0
	19,0
	11,9
	36,9
	4
	9,0
	16,0
	14,5
	39,5
	5
	11,0
	14,0
	15,7
	40,7
	6
	14,0
	11,0
	17,2
	42,2
	7
	16,0
	9,0
	17,7
	42,7
	8
	19,0
	6,0
	16,3
	41,3
	9
	20,0
	5,0
	15,2
	40,2
	10
	21,0
	4,0
	14,0
	39,0
	11
	22,0
	3,0
	12,7
	37,7
	12
	23,0
	2,0
	8,6
	33,6
Percebe-se com a tabela 03 que a quantidade de água utilizada diminui com o aumento do acetato, o acetato é parcialmente miscível em água o que visualmente é caracterizado pela presença de duas fases. Com o aumento de acetato e diminuição da água a solução ficou cada vez mais turva. A acetona em acetato e em água é miscível (RODRIGUES, 2013). Com a adição de acetona, a quantidade de uma das fases vai aumentando, consequentemente, a massa da outra fase diminui, até que o sistema fique em uma única fase.
	Segundo Atkins (2001), ao se colocar um solvente líquido junto a uma solução de um soluto em outro solvente, de maneira que ambos sejam não miscíveis ou parcialmente miscíveis entre si, o soluto se distribui pelas duas fases até que o equilíbrio seja estabelecido. 
	Com isso, é possível observar nos primeiros cinco erlenmeyers que a fase que aumenta é a de água, já que seu volume na solução é maior e a acetona tem afinidade com ela fazendo com que a fase maior seja da água, e a fase que diminui é a de acetato. Nos demais, conforme vai aumentando a quantidade de acetato, a fase em maior quantidade será a do mesmo devido a acetona também ter afinidade com ele. Nesse caso, a fase de menor quantidade será a da água.
	Após obter todos os volumes de acetona para os doze frascos, determinou-se a porcentagem de cada componente presente na solução, podendo ser observada na tabela 04 a seguir
Tabela 04: Porcentagem relativa de cada componente do sistema.
	FRASCO
	%ACETATO (V/V)
	%ÁGUA (V/V)
	%ACETONA (V/V)
	1
	9,77
	71,66
	18,57
	2
	11,90
	62,5
	25,6
	3
	16,26
	51,5
	32,24
	4
	22,8
	40,5
	36,7
	5
	27,02
	34,4
	38,58
	6
	33,17
	26,06
	40,77
	7
	37,47
	21,07
	41,46
	8
	46,00
	14,53
	39,47
	9
	49,75
	12,44
	37,81
	10
	53,85
	10,26
	35,89
	11
	58,35
	7,95
	33,7
	12
	68,45
	5,95
	25,6
Hackbart (2007) em sua dissertação diz que 
Se a mistura apresenta duas fases, F = 1 é necessário conhecer a composição de apenas um componente em uma determinada fase para conhecer a composição das fases conjugadas. Estes sistemas de três componentes são representados por diagramas de fase triangulares, ou, diagramas ternários, onde a composição é indicada por um ponto em um triângulo equilátero.
Com esses valores de porcentagem foi possível construir o diagrama de fases ternário, que está em anexo. O diagrama foi construído manualmente em folha de papel milimetrado. Cada lado do triângulo equilátero mede 20cm, distribuídos em 10 partes de 2cm que representam 0,1% da substância em cada lado do triângulo. Proporcionalmente aos valores dispostos na tabela 4, os pontos foram marcados no gráfico conforme sua quantidade relativa.
A parte do gráfico que se encontra abaixo dos pontos encontrados, demonstra sistematicamente as concentrações de acetato, água e acetona quando essa mistura ainda apresenta duas fases. Mais próximos do canto inferior direito do diagrama, estão os pontos que apresentam uma maior quantidade de água miscibilizada com a acetona e menor quantidade de acetato, tendo sido identificado visualmente pela presença da turbidez da solução durante a realização do experimento. À medida que a concentração de acetato aumenta, os pontos passam a se localizar mais para o lado inferior esquerdo, onde há maior concentração de acetato. 
Percebe-se que, quanto à concentração de acetona necessária para que houvesse a miscibilização de toda solução, esta aumenta até valores por volta dos 40%, e depois voltam a baixar. A interpretação desse fato vem da propriedade da acetona de se miscibilizar com os outros dois componentes, visto que, quando as concentrações das três substâncias norteiam essa proporcionalidade de 40%, 25% e 35% (para acetona, acetato e água, respectivamente) a solução passa a apresentar apenas uma fase, entrando então no equilíbrio entre as fases.
Não foi possível o encontro de valores teóricos para a proporcionalidade de cada substância ao alcançarem a miscibilidade, porém, percebe-se pelo diagrama construído, que os valores encontrados não seguem uma continuidade sequenciada, o que pode estar relacionado a erros sistemáticos durante a realização do experimento.
Um dos pontos é a visualização dificultada da miscibilidade da solução devido a esta ser incolor e as partículas visíveis de insolubilidade se tornarem muito pequenas à medida que a solução vai se solubilizando. O escoamento rápido da acetona em alguns casos pode ter interferido também nos valores encontrados, visto que a quantidade de acetona utilizada (em mL), observada na bureta, poderia ser maior se ainda houvesse acetona nas paredes da bureta. Por vezes, a bureta apresentou bolhas próximas à torneira e por não ser possível quantificar o volume da bolha, essa quantidade de acetona referente ao volume da bolha também não foi quantificada, causando diferença nos valores anotados. 
CONCLUSÕES
A imiscibilidade, caracterizada visualmente pela opalescência da mistura de água e acetato em diferentes concentrações, passou a ser substituída por uma solução miscível à medida que a essas soluções foi adicionada acetona. Os volumes de adição de acetona foram quantificados entre 5,7mL e 17,2mL, alternância ligada às concentrações das duas outras substâncias, já que a formação de apenas uma fase se dá pela solubilização de todas as substâncias presentes.
Relacionado a essa faixa de valores utilizados de acetona para miscibilização da solução, a partir de uma quantidade máxima de +- 40% da solução de acetona, a proporção dos três líquidos está em equilíbrio de miscibilidade.
REFERÊNCIAS
ATKINS, Peter. Princípios de química: questionando a vida e o meio ambiente / Peter Atkins e Loretta Jones; Trad. Ignez Caracelli ... [et al.]. – Porto Alegre: Bookman, 2001, p. 434-437;
ATKINS, P.; PAULA, J. Físico-Química – V. 1. 6ª Ed - Rio de Janeiro: LTC, 2008, p. 157;
DRAGUNSKI, C. D. Manual de aulas práticas - Curso de Química - 3 ª série, 2016, p. 35.
HACKBART, L. M. Equilíbrio líquido-líquido de sistemas contendo fenol-águasolvente: Obtenção E Modelagem Termodinâmica. Disponível em: <http://www.pipe.ufpr.br/portal/defesas/dissertacao/119.pdf> Acessado em: 19 de dezembro de 2016.
RODRIGUES, J. Acetato de Etilo. Disponível em: <http://www.fciencias.com/2013/05/23/acetato-de-etilo-molecula-da-semana/> Acessado em: 18 de dezembro de 2016. 
TELLES, A. L. et al., Diagrama de solubilidade para um sistema ternário de líquidos. Disponível em: < https://www.passeidireto.com/arquivo/20559587/diagrama-de-solubilidade-para-um-sistema-ternario-de-liquidos/2> Acessado em: 21 de dezembro de 2016.