Refratometria Relatório 1

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
Instituto de Química
PROPRIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DE MISTURAS BINÁRIAS DE LÍQUIDOS (REFRATOMETRIA, DENSIDADE)
Alunos: Thawan Gomes de Oliveira n°usp: 9288596
 Ramon Medeiro n°usp: 9296891
Turma: 2
Setembro – 21/09/2017
São Paulo – SP
INTRODUÇÃO TEORICA
O fenômeno de refração se caracteriza pela forma como a luz (radiação eletromagnética) se propaga de um meio para o outro. Ou seja, na interface entre dois meios existem certas descontinuidades das propriedades dos materiais (transição de várias camadas atômicas), e assim uma mudança de meio ótico, e este vai mudar a velocidade de propagação da luz. [1]Eq (1)
 Figura 1- Ângulo de reflexão e refração
Pela figura 1, o ângulo de reflexão e um raio refratado transmitido para o meio 2, e forma o ângulo de refração. E pela equação 1 defina-se o índice de refração, que está relacionado proporcionalmente com a concentração. O índice de refração pode ser usado para determinar a concentração de soluções, estabelecer a identidade e a pureza de um composto químico. [1]
Portanto, defina-se a refração específica (Re) de uma substância é dada pela equação:[2]
 Eq (2)
E a refração molar é dada: (Rm) = Re. M Eq (3)
Contundo, a refratividade molar (Rm) de uma substância está diretamente ligada à sua polarizabilidade. [2] O momento elétrico do dipolo induzido, produzido por um campo de intensidade f , que atua sobre a molécula isolada, então: [3]
µ = αf Eq (4)
Considerações eletrostáticas mostram que o momento induzido numa esfera perfeitamente condutora de raio r é igual ao produto: [2] 
 r3EEq (5)
E assim, a partir da polarizabilidade da molécula, pode-se calcular seu raio: [2] 
 r3Eq (6)
OBJETIVO
Estudos das propriedades físicos químicas de substâncias puras e misturas binarias de líquidos, usando propriedades óticas (refratometria) e densitometria. 
METODOLOGIA
Refratometria
		Refratômetro de Abbé
 (b)
(a)
Figura 1 – (a) Refratômetro de Abbé (RL3 Nr 11750/854), (b) Caminho da luz através do refratômetro de ABBE
Usando um refratômetro de Abbé, mede-se o índice de refração de várias substancias. Que no primeiro momento prepara-se soluções de etanol/água em diversas concentrações v/v: (% de etanol), 15 %, 30 %, 45 %, 60 % e 80 %. Então depois das medidas de etanol/água, faz das soluções puras. Após cada medida sempre limpar muito bem os prismas e não misturas as pipetas. E no final pelo mesmo procedimento encontrar o índice (n) para amostra de pinga.
Repetir o mesmo procedimento para amostras: tolueno, ciclohexano e acetona.
Densidade
Figura 2 - Picnômetro
	Com uso de um picnometro, medir as densidades das misturas de etanol/água nas mesmas proporções com descrito anteriormente. E assim fazer as mesmas medidas com as substancias puras.
MATERIAIS E REAGENTES
 Materiais:
- Conta-gotas
- Papel absorvente
- Refratômetro de Abbé (RL3 Nr 11750/86)
- Picnometro 
Reagentes:
- Etanol
- Água
- ciclohexano
- tolueno
- acetona
- Pinga
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Refratometria
Primeiramente, determinou-se o índice de refração das misturas água/etanol, e separadamente das soluções puras, como descrito na metodologia. Como se observa na tabela (1) abaixo: 
	Substâncias/misturas
	Índice de Refração (n)
	15 % (porcentagem de etanol)
	1,340
	30 % (porcentagem de etanol)
	1.345
	45 % (porcentagem de etanol)
	1.356
	60 % (porcentagem de etanol)
	1,361
	80 % (porcentagem de etanol)
	1,363
	Água Pura
	1,333
	Etanol Puro
	1,362
	Tolueno
	1,495
	Ciclohexano
	1,423
	Acetona
	1,358
	Pinga 
	1,355
Observação: Todas as medidas foram feitas a 26°C
Tabela 1 – Índice de Refração de algumas substâncias e misturas.
Portanto, com os índices de refração das substâncias puras consegue-se obter alguns paramentos físico-químicos, como por exemplo a suas refratividades molares e as polarizabilidades. O índice de refração varia com a temperatura, com o comprimento de onda da luz e com a quantidade de sólidos dissolvidos em uma solução. 
Pela equação (2) determina-se a refração específica (Re) das substâncias puras, para se obter as refrações molares equação (3).
 eq (2)
 (Rm) = Re. M eq (3)
Dados: 
	 n (índice de refração das substâncias puras)
 d (densidade das substancias puras)
Substâncias puras (Água, Etanol, Tolueno, Ciclohexano, Acetona)
De acordo com o Handbook [4], as densidades são: (0,9968; 0,789; 0,8668; 0,7739; 0,7845) g/cm3
Massa molares (18,015;46,068;92,139;84,159;58,079) g/mol [4]
Analisando a tabela (2) abaixo, pode-se estudar algumas características a respeito da estrutura dos compostos. A velocidade da luz no vácuo é c = 3x 108 m/s e em outro meio qualquer é menor do que este valor. Consequentemente, o valor do índice de refração em qualquer meio, exceto o vácuo, é sempre maior que a unidade (n > 1). E como a refratividades molar depende da quantidade e natureza químicas das substâncias, como ligações químicas, e estes possuem variações no índice. 
	Substância
	Refração Específica (cm3/g)
	Refração Molar
(cm3/mol)
	Água
	0,2064
	3,718
	Etanol
	0,2811
	12,85
	Tolueno
	0,3364
	31,00
	Ciclohexano
	0,3290
	27,69
	Acetona
	0,2799
	16,26
Tabela 2 – Refração especifica e molar de substâncias puras
As formulas estruturais das substâncias puras descrita na figura (1) abaixo [4], pode ser útil para compreender as refratividades molares. 
 (e)
(d)
(c)
(b)
(a)
Figura 1 – Formulas estruturais ((a) Água, (b) Etanol, (c) Tolueno, (d) Ciclohexano, (e) Acetona).
Devido a todas as ligações simples são ligações б. Todas as ligações duplas são compostas por uma ligação б e uma ligação . Todas as ligações triplas são compostas por uma ligação б e duas ligações . Assim, comprimentos e forças de uma ligação simples, dupla e tripla, vemos que quanto mais ligações segurando os dois átomos de carbono, menor e mais forte é a ligação carbono-carbono. Ligações triplas são menores e mais fortes que ligações duplas, que são menores e mais fortes que ligações simples. Ou seja, as ligações duplas dão a molécula uma maior rigidez, diminuindo as rotações das moléculas, e estas vão ter um maior índice de refração. [5]
Contundo, quando analisamos a moléculas de tolueno e ciclohexano observa-se que este tem índices de refração maior, e o tolueno um pouco maior em relação ao seu anel aromáticos, pois este tem ligações conjugadas de seis elétrons . Então, não estão localizados em um único carbono nem em uma ligação entre dois carbonos. Ao contrário, cada elétron é compartilhado por todos os seis carbonos. Os seis elétrons estão deslocalizados, eles vagam livremente dentro das nuvens eletrônicas que existem acima e abaixo do anel de átomos de carbono. A luz ao entrar em contato com essa molécula, sobre mais desvios com grande índice de refração. 
As moléculas de água, etanol e cetona está relacionado a diferenças no tipo de ligação do oxigênio, pois água está mantida por ligações não covalente, chamada ligação de hidrogênio, com caráter de 10 % covalente e 90 % eletrostática. Essa é mais fraca que as ligações covalente como no caso do etanol e acetona, e este tipo de ligação está constantemente se quebrando e formando, e assim o índice de refração é menor. No caso do etanol e acetona, estão formados por ligações covalentes, pela sobreposição de orbitais moléculas são mais fortes que as não-covalente, tendo índices de refrações maiores.
A refração molar também está ligada diretamente com a polarizabilidade, ou seja, pela facilidade de distorção da nuvem eletrônica. Pela equação (7), calcula-se a polarizabilidade:= 3Rm eq (7)
 4 NA
E com a polarizabilidade da molécula, encontra-se o raio molecular pela equação (8):
 α = r3 eq (8)
Dados: 
 α = polarizabilidade da espécie
 NA = constante de Avogadro (6,02214086x1023 mol-1)
	Substancias
	Polarizabilidade (α)
(cm3)
	Raio molecular
(cm)
	Água
	1,475x10-24
	1,138x10-8
	Etanol
	5,097x10-24
	1,721x10-8
	Tolueno
	1,230x10-23
	2,308x10-8
	Ciclohexano
	1,098x10-23
	2,223x10-8
	Acetona
	6,449x10-24
	1,861x10-8
Tabela 3 – Polarizabilidade e raio molecular de substâncias puras
No ponto de vista microscópio, a luz (radiação eletromagnética) como radiação incidente cria um dipolo induzido oscilante que emite luz de mesma frequência da luz incidente, então esse depende da polarizabilidade (α). Então de acordo com a tabela (2) e tabela (3) temos quanto maior o índice de refração maior é polarizabilidade. Assim pela equação (1), quanto maior o índice (n) menor é velocidade de propagação da luz no meio material. Então o índice de refração, por exemplo, do ciclohexano e tolueno que tem maiores (n) apresentação uma diminuição significativa da velocidade da luz, estes vão alterar o grau de interação do campo elétrico, e assim a distorção da nuvem eletrônica (α). Portanto, quanto maior o (n) menor vai ser o momento de dipolo induzido da molécula, como na eq (4).
Figura 2 – Índice refração versus concentração em v/v (%etanol) em água
Observando a figura (2) temos uma linearidade entre a concentração em volume de etanol e o índice de refração, no qual o aumento das partículas no líquido faz com que o índice de refração aumenta.
Fazendo alguns ajustes analíticos, encontra-se a equação da reta do processo:
y = 0,0004 x + 1,3355 eq (9)
No ponto de vista termodinâmico uma mistura binária se caracteriza por um processo espontâneo que provoca uma diminuição de energia livre de Gibbs.
ΔG mist = nRT(x1 In x1 + x2 In x2 + ………..) eq (10)
x1 e x2 são componentes da mistura
dG = Vdp – SdT= - S
Derivando a expressão (11):= - nR(x1 In x1 + x2 In x2 + ………)
(Variação de entropia)
Como a contribuição da entalpia é nula, a diminuição só depende da entropia. A mistura em nível molecular pela mecânica estatística tem mais microestados disponíveis no sistema, então a tendência natural é ocupar mais níveis de estados possíveis e vai aumentando a entropia. [6]
Portanto em cada meio o índice de refração tem o seu comportamento, e suas propriedades vão depender da termodinâmica daquele meio, assim as moléculas de etanol tendem a desordem no sistema, e luz ao propagar vai interagir diferentemente em cada composição x1 e x2.
Amostra de Pinga
No experimento também encontra-se o índice de refração da pinga, no qual através da eq (9) pela curva de calibração (padrão externo) da medida de refratometria água/etanol, pode-se obter a concentração do etanol comercial (pinga). E no caso o índice de refração da pinga medido é 1,355.
Y = 0,0004 x + 1,3355 
Dados:
		y= índice de refração
 x = concentração em v/v de etanol
Então com os cálculos, chega-se a 48,75 % em v/v de etanol na pinga. E na amostra a porcentagem é 40 %. 
Os erros nas medidas destaquem-se por dificuldades do analista em manusear os instrumentos, pois no refratômetro foi difícil aprender a colocar no campo claro e campo escuro. Também pela incerteza das quantidades certas de volume de etanol em água que este pode sempre está atrelado a erros instrumentais de volume, e como a quantidade de espécies em solução altera o índice este também pode ser uma hipótese a ser considerada. 
Densitometria
No início, foi determinado o volume do picnômetro por aferição, em sequência determinou-se as densidades das soluções de água/etanol, e separadamente das soluções puras, como descrito na metodologia. Como se observa na tabela (4) abaixo: 
	Substancias
	Densidade ρ (g.cm-3)
	15 % (porcentagem de etanol)
	 0,9722
	30 % (porcentagem de etanol)
	 0,9566
	45 % (porcentagem de etanol)
	 0,9191
	60 % (porcentagem de etanol)
	 0,9006
	80 % (porcentagem de etanol)
	 0,8476
	Água Pura
	 0,9968
	Etanol Puro
	 0,7861
	Tolueno
	 0,8609
	Ciclohexano
	 
	Acetona
	 0,7897
Todas as medidas foram feitas a 26 °C
Tabela 4 – Densidade de algumas substâncias e misturas.
Figura 3 – Densidade versus concentração em v/v (%etanol) em água
A equação da reta obtida a partir dos dados experimentais é dada por:
 y= -0,0019x + 1,0076 eq (11)
A densidade da pinga medida no experimento foi 0,9574 g.cm-3
Usando a equação acima, o valor da concentração da pinga calculado foi de 26,421% em relação ao volume de água. O valor nominal era de 40%, portanto, o resultado obtido em laboratório foi menor do que o valor descrito no rótulo. A diferença na medida experimental em relação ao esperado, pode associado a primeiramente ao picnometro que na aferição, pois o analista não utilizou luvas podendo a gordura ter sido contabilizada. E o picnometro pode ter interferentes, e também o capilar apresentava vários no volume.
	A densitometria é aplicada a áreas de fermentação alcoólica, como no controle de qualidade do teor de álcool em vinagres. E também aplicado na determinação do teor de álcool em gasolina, pois muitos postos tem esse problema de adulteração. 
CONCLUSÃO
O experimento se caracteriza pelo estudo de duas técnicas: Refratômetro e densitometria. No qual temos informações sobre a estruturas das moléculas e também parâmetros a respeito das misturas binárias.
Contudo, o índice de refração é uma propriedade física importante de sólidos, líquidos e gases. A medida de índice de refração pode ser usada para determinar a concentração de uma solução pois o índice de refração varia com a concentração. Assim com as medidas consegue-se fazer um estudo das propriedades das moléculas, e ver o que o comportamento está de acordo com o esperado. 
Então observa-se que no caso do índice de refração quanto mais concentrado maior é índice, e na densidade está diminui com aumento da concentração de álcool. Portanto, quanto mais denso menor é o índice de refração. 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS 
[1] - 	H. Moysés Nussenzveig, Curso de Física Básica 4. 4a edição, Editora Edgard Blücher, 2002.
[2] -	 P. W. Atkins. Physical Chemistry, cap.22, pag 644, 4th ed. Oxford University Press, 1990.
[3] – 	Rangel, Renato Nunes. Práticas de Físico-química. 3°edição, Edgard Blucher,2006.
[4] - 	CRC Handbook of Chemistry and Physics, 76th ed. CRC Press
[5] - 	BRUICE, Paula Yurkanis. Química orgânica. 4. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2006. v.1
[6] - Castellan,G.W. Fundamentos de Físico-Química, Livros Técnicos e Científicos, Rio de Janeiro,1986.