RELATÓRIO físico química experimental

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Físico Química Experimental – QUI 02370
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
Físico Química Experimental
Relatório nº 2
Estudo das propriedades molares parciais
Profº: Anderson M. Fuzer
Barbara Queiroz Guimarães
Elaine Pagung
Vitória
2018
PRÁTICA 2
Soluções
Estudo das propriedades molares parciais
1. Introdução
Solução é por definição uma mistura homogênea formada por apenas uma fase (líquida, sólida ou gasosa), na qual suas propriedades são constantes. [1]
Em fases condensadas, ditas sólidas e líquidas, as interações intermoleculares não podem ser ignoradas, devido à proximidade das moléculas dessas soluções, dessa forma, o termo ideal, que é usado em gases, não tem o mesmo significado, assim, em soluções líquidas ou sólidas, a idealidade é atingida quando as moléculas são tão parecidas que a mistura e duas substâncias não leve à alteração da estrutura espacial da solução ou da energia das interações intermoleculares. [1]
Um sistema monofásico, líquido, com mais de um componente, é constituído por uma substância denominada solvente e as substâncias dispersas, denominadas solutos. [2]
A representação de uma mistura pode ser dada pela razão do número de mols de cada componente e ao número total de mols, obtendo a relação denominada fração molar (equação 1), onde xi, índice subscrito i, indica a espécie i. 
onde n é a quantidade de matéria da substância , em que n =, e ni, referente a espécie i.
A relação da quantidade de matéria pode ser inserida nas variáveis de um sistema, assim uma grandeza parcial molar é a contribuição, por mol, que uma substância faz a uma propriedade total da mistura. [2][3]
Ao formar uma substância a partir da mistura de n1, n2, ..., nr mols das substâncias 1, 2, ..., r, obtém-se o volume total dos componentes puros a serem misturados (V*), que pode ser representado pela equação: [3]
onde V*m,i é o volume molar da substância i pura.
Ao fim da mistura é verificado que o volume V da substância não é a soma dos volumes dos componentes antes da mistura, ou seja, V ≠ V*. Isso se deve a dois fatores: A diferença de interações intermoleculares na solução em relação às substâncias puras é devido ao empacotamento das moléculas da solução ser diferente, pois há os tamanhos e formas de moléculas das substâncias misturadas são também diferentes. [3]
Volume parcial molar é a variação de volume de uma mistura por mol de uma determinada substância adicionada a um grande volume da mesma. Esse volume parcial molar varia justamente pela alteração da estrutura da solução ao adicionar uma substância diferente. [4]
A definição matemática para volume molar parcial é:
onde n’ significa que a quantidade de matéria das outras substâncias é constante, p é a pressão e T é a temperatura. [4]
Volume molar parcial é uma medida obtida através da razão de duas propriedades extensivas, e dessa forma se torna uma propriedade intensiva. [3]
A relação entre volume molar parcial e o volume da solução é dada pela equação:[4]
A variação de volume ao misturar os componentes puros para formar a solução é expressa por:[3]
A importância desse conceito é que as propriedades extensivas de uma solução podem ser expressas pelas propriedades molares parciais, que são facilmente determinadas experimentalmente.[1]
O Objetivo deste experimento é analisar e obter o volume parcial molar de um sistema constituído por água e álcool etílico preparado em diferentes proporções. 
2. Procedimento Experimental.
Parte 1: Experimento realizado a temperatura de 22°C.
2.1. Preparação das soluções
As soluções foram preparadas utilizando balões volumétricos de 50 mL, misturando álcool etílico e água nas seguintes porcentagens (v/v):0,0; 2,0; 4,0; 10,0; 20,0; 40,0; 50,0; 60,0; 80,0; 90;0 e 100,0. Foram utilizadas buretas para fazer as adições dos dois componentes, sendo uma bureta para álcool etílico e outra para a água. Os balões foram identificados e anotou-se o volume adicionado por cada bureta nos balões.
2.2. Calibração do volume do picnômetro
Determinou-se a massa do picnômetro vazio e cheio com água destilada em balança analítica. E por meio da diferença entre as massas obtive-se a massa da água. Usando a massa específica da água (obtida no handbook), de acordo com a temperatura medida com o termômetro durante o experimento, obteve-se o volume do picnômetro.
2.3. Medida da massa específica das soluções 
Mediu-se a massa de cada solução preparada no item 2.1. em triplicata utilizando o picnômetro e a balança analítica. Os valores foram anotados para cálculos posteriores.
3. Resultados e Discussão
O primeiro cálculo tem finalidade de encontrar o volume dos picnômetros usados no experimento. O volume do picnômetro é calculado pela relação de massa específica, ou seja:
onde m é a massa da água (calculada por: ), V é o volume de água ocupado no mesmo, e ρ é a massa específica da água na temperatura obtida na literatura [5]. Como a temperatura era de 22 ˚C, a massa específica da água é de 0,9977 g/mL.
Tabela 1: Relação dos volumes dos picnômetros usados no experimento
	Picnômetro
	mPV/ g
	mPC /g
	m/ g
	 /g
	VP /mL
	01
	13,310
	23,948
	23,936
	23,941
	10,638
	10,626
	10,631
	10,632
	10,656
	02
	14,251
	25,100
	25,116
	25,097
	10,851
	10,865
	10,846
	10,854
	10,878
Para calcular a massa específica das soluções preparadas foram medidas as massas das mesmas nos picnômetros.
Tabela 2: Relação dos valores reais de fração em volume e as massas especificas das respectivas soluções.
	xv
	xVreal
	msolução / g
	 /g
	ρ /g.mL-1
	0,020
	0,020
	10,597
	10,601
	10,603
	10,601
	0,9949
	0,040
	0,040
	10,589
	10,597
	10,598
	10,594
	0,9943
	0,100
	0,102
	10,702
	10,700
	10,710
	10,704
	0,9840
	0,200
	0,201
	10,331
	10,372
	10,379
	10,361
	0,9722
	0,400
	0,401
	10,314
	10,313
	10,311
	10,312
	0,9480
	0,500
	0,500
	9,913
	9,923
	9,912
	9,916
	0,9305
	0,600
	0,599
	9,903
	9,903
	9,901
	9,902
	0,9103
	0,800
	0,800
	9,229
	9,221
	9,219
	9,223
	0,8655
	0,900
	0,902
	9,158
	9,132
	9,137
	9,142
	0,8404
	1,000
	1,000
	8,655
	8,649
	8,649
	8,651
	0,8118
xvreal é o valor da fração em volume obtida através da equação (7), usando os volumes reais usados no preparo da solução.
onde Vi é o volume do etanol puro e V é o volume da solução.
As massas das soluções com frações em volume 0,0; 2,0 ;4,0 ;20,1 ;50,0 ; 80,0 e 100,0 foram determinadas utilizando o picnômetro 1. E as massas com frações em volume 10,2 ;40,1 ; 60,1 e 90,0 foram determinadas utilizando o picnômetro 2.
A solução de etanol usada para o preparo das soluções tem massa específica de valor 0,810 ± 0,003 g/mL. Através dela pode-se calcular o volume molar da substância pura, pela equação:
onde Mi é massa molecular do etanol.
Da mesma forma é calculado o volume molar da água.
Tabela 3: Dados fixos das variáveis utilizadas no sistema.
	V*m,A/mL
	18,056
	V*m,i/mL
	56,872
	MA/g.mol-1
	18,015
	Mi/g.mol-1
	46,067
onde i é o etanol e A é a água.
Com adição dos volumes para obter a mistura, observou-se que a solução no balão volumétrico apresentou uma compressão no volume total, como pode ser observado nas frações %(v/v) de 80 e 90 (figura1), onde os volumes das solução não estão de acordo com a marcação do balão volumétrico e também observa-se uma compressão maior para fração em volume de 80%(v/v), uma vez que esta apresenta uma diferença de proporção maior entre as substâncias. Isso se deve às forças intermoleculares que atuam entre as moléculas de álcool e água. Essas forças são mais intensas, pois ambas as moléculas são polares. [6] 
 Figura 1: Balões volumétricos contendo as soluções de 80%(v/v) e 90%(v/v)
Através desses dados é possível descobrir outros dados.
Para calcular a fração em mol, é usada a seguinte equação: 
Para calcular a massa e a quantidade de matéria do soluto, e em seguida a massa de solvente e também sua quantidade de matérias, usa-se a relação de xv e xm, que se dá pela equação:
Tabela 4: Dados experimentais obtidos.
	xV
	xi
	ρ /g.mL
	mi /g
	ni /mol
	mA/g
	nA /mol
	n (nA + ni) / mol
	0,0000
	0,000
	0,9977
	0
	0
	10,632
	0,5902
	0,5902
	0,0200
	0,006
	0,9949
	0,2120
	0,0046
	10,389
	0,5767
	0,5813
	0,0400
	0,013
	0,9943
	0,4238
	0,0092
	10,170
	0,5645
	0,5737
	0,1017
	0,035
	0,9840
	1,0918
	0,0237
	9,612
	0,5336
	0,5573
	0,2015
	0,073
	0,9720
	2,0817
	0,0452
	8,279
	0,4596
	0,5048
	0,4012
	0,170
	0,9480
	4,1352
	0,0898
	6,177
	0,3429
	0,4326
	0,5000
	0,232
	0,9305
	4,9572
	0,1076
	4,959
	0,2753
	0,3829
	0,5996
	0,311
	0,9103
	5,9512
	0,1292
	3,951
	0,2193
	0,3485
	0,8000
	0,540
	0,8655
	7,3775
	0,1601
	1,845
	0,1024
	0,2626
	0,9018
	0,723
	0,8400
	8,2238
	0,1785
	0,918
	0,0510
	0,2295
	1,0000
	1,000
	0,8119
	8,6508
	0,1878
	0,000206
	0,0000
	0,1878
Através dos dados experimentais pode-se calcular a fração em volume do etanol, a variação em volume da mistura, o volume molar parcial do etanol e da água.
A variação em volume da mistura é calculada através da equação:
onde V é o volume do picnômetro e V* é a soma dos volumes molares dos componentes puros da mistura, de forma que:
Para obter o Δvmis /n, pode-se usar a relação apresentada nas equações (11) e (12), onde n é o a quantidade de matéria da solução.
Sabendo que
Conforme a equação (5), pode-se reescrever da seguinte forma:
Dividindo a equação por n, temos:
Se
reorganizando, tem-se:
substituindo na equação, tem-se:
Fazendo a distributiva temos o seguinte resultado:
Rearranjando a equação, tem-se:
A equação de uma reta se dá por:
Ao comparar com a equação (16), pode-se dizer que:
Como sabe-se os valores de e , ao calcular os valores de a e b, é possível prever os valores de e .
Com os dados obtidos na tabela 5 foi possível construir um gráfico de versus . E a partir das retas tangentes obtidas foi possível calcular o volume molar parcial das soluções água-etanol. 
Tabela 5. Dados obtidos para os valores dos volumes molares parciais.
	xVreal
	xi
	ΔmisV/n
	 
	 
	0,0
	0,000
	-0,0025
	52,05
	18,05
	2,0
	0,006
	-0,0328
	45,72
	18,09
	4,0
	0,013
	-0,1056
	53,18
	18,00
	10,2
	0,035
	-0,1814
	50,80
	18,08
	20,1
	0,073
	-0,4108
	51,27
	18,04
	40,1
	0,170
	-0,9390
	53,68
	17,55
	50,0
	0,232
	-1,0993
	54,84
	17,20
	60,1
	0,311
	-1,1818
	55,89
	16,72
	80,0
	0,540
	-1,0717
	56,49
	16,02
	90,0
	0,723
	-0,7465
	56,74
	15,36
	100,0
	1,000
	-0,0007
	56,74
	18,06
Figura 2: Δvmis/n vs xi para as soluções água-etanol a 22°C. 
Esse gráfico (figura 2) mostra que a reta tangente à curva, quando traçada para xi = 0,33, é utilizada para determinar os volumes molares parciais para esta fração molar. Na sua interseção em xi = 0, ou quando a quantidade de soluto é zero, o coeficiente linear é dado por -1,33 cm3/mol, a partir dele, como mostra a relação (18), pode-se encontrar o volume parcial molar do solvente, e assim temos que cm3/mol.
Quando a reta tangente intercepta em xi = 1, ou seja, quando temos apenas o soluto em solução, o valor de b é -0,85 cm3/mol, para calcular o volume molar parcial do soluto é usado a relação (17), assim sendo cm3/mol.
De acordo com o gráfico (figura 2), temos que a variação de que acompanham a formação da solução é devido ás variações intermoleculares, tanto energéticas como estruturais, essas variações podem contribuir de forma positiva ou negativa e algumas vezes é suficientemente negativa para compensar a contribuição do aumento de volume, que é o que ocorre na mistura desde experimento, onde a ligação de hidrogênio entre o etanol e água é mais forte que as forças de ligação de hidrogênio nos componentes puros. [3]
De maneira análoga foram traçadas retas tangentes aos pontos obtidos (figura 2) para determinar os demais valores de volumes molares parciais em solução água-etanol a 22°C (tabela 5). E assim obter o gráfico a seguir:
Figura 3: volumes molares parciais em soluções água-etanol a 22°C.
O volume parcial molar de uma substância é uma propriedade que considera a mesma como componente de uma solução, dessa forma, ela vai variar de acordo com a composição da solução. Isso ocorre porque as moléculas da substância estão sob influência das interações intermoleculares das moléculas de natureza diferente, que variam conforme a variação da concentração de cada um dos componentes. [6]
Esse gráfico mostra que quando o volume molar parcial do etanol está diminuindo, o volume molar parcial da água está aumentando e vice-versa. [3]
4. Conclusão
 A partir do experimento foi possível obter os volumes parciais molares das soluções de água-etanol. Compreender que esses volumes variam de acordo com a variação da composição da solução, e que é uma característica normal de soluções formadas por moléculas com interações intermoleculares fortes. 
Caso as soluções fossem feitas de substâncias com características físico-química parecidas, o volume parcial molar não variaria, e assim teria uma solução ideal.
Estas conclusões foram confirmadas na preparação das misturas com as duas substâncias escolhidas, pois foi verificado experimentalmente que o volume final da solução não é a soma dos volumes parciais de cada componente.
5. Referências Bibliográficas.
[1] MESQUITA, A. F; NASCIMENTO, K. S. Físico-Química Experimental. Vitória: Universidade Federal do Espírito Santo, Núcleo de Educação Aberta e a Distância, 2013.
[2] CASTELLAN, G. W. Fundamentos de físico-química. Rio de Janeiro, LTC Editora, 2007.
[3] LEVINE, Iran N. Físico-química. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012
[4] ATKINS, P.; DE PAULA, J. Físico-Química. 8ª edição. LTC Editora, 2006.
[5] LIDE, David R, CRC. Handbook of Chemistry and Physics. 87th ed. California, p. 986
[6] PILLA, L. Físico-química I – Termodinâmica química e equilíbrio químico. 2ª edição revisada. UFRGS Editora, 2005.
0	6.4462512991037982E-3	1.3031258962364229E-2	3.4687435559709254E-2	7.3128815913412096E-2	0.16980610900822313	0.23231808462523962	0.31118819046374779	0.54043415607340783	0.72333288986834554	0.99999999999999989	-2.5284988713313488E-3	-3.2771001685051593E-2	-0.10562805579313427	-0.18138612029779197	-0.41075754612866133	-0.939004807973858	1	-1.0992610127920446	-1.1817603347547601	-1.0716643376662891	-0.74652148613214653	-6.5556561187021995E-4	0	6.4462512991037982E-3	1.3031258962364229E-2	3.4687435559709254E-2	7.3128815913412096E-2	0.16980610900822313	0.23231808462523962	0.31118819046374779	0.54043415607340783	0.72333288986834554	0.99999999999999989	-1.3312093076958988	-1.3281134780163217	-1.3249510102163156	-1.3145505726371067	-1.296088995403925	-1.2496594630421174	-1.2196379171133911	-1.1817603347547601	-1.0716643376662891	-0.983	82672442925179	-0.85095659399740453	xi
ΔmisV/n 
Etanol	0	6.4462512991037982E-3	1.3031258962364229E-2	3.4687435559709254E-2	7.3128815913412096E-2	0.16980610900822313	0.23231808462523962	52.048984711290871	45.717470457993308	53.184738409773246	50.801801998836837	51.267794025461271	53.675703437999907	54.840732108643152	Água	0	6.4462512991037982E-3	1.3031258962364229E-2	3.4687435559709254E-2	7.312881	5913412096E-2	0.16980610900822313	0.23231808462523962	18.053471501128669	18.094550840856368	17.995958151569468	18.081586326569106	18.0448202195660	91	17.552311502477121	17.199747212662896	16.724790692304101	16.023594716094209	xi
⊽ (cm3/mol)
7