Relatório2_Exp2_Diagrama de equilíbrio_Final

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
DISCIPLINA: LABORATÓRIO DE FÍSICO QUÍMICA 
PROF. Lúcia Mascaro
RELATÓRIO 2 – EXPERIMENTO 2
DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO DE FASES DE UM SISTEMA BINÁRIO LÍQUIDO – VAPOR
ALUNOS:
Ahmed  Khodr (RA: 631051)
Ana Paula (RA: 598046)
SÃO CARLOS
2018
1. OBJETIVO
	Esse experimento tem como objetivo a determinação do Diagrama de Fases (Temperatura x Composição) de um sistema binário líquido - vapor, em diferentes temperaturas. Além disso, o experimento objetiva utilizar o diagrama para aplicação da regra da alavanca e consequentemente a determinação da quantidade de cada componente nas fases líquida e vapor, dada composição e temperatura.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. Materiais e Equipamentos
· Aparelho de Choppen-Cotrell
· Refratrômetro de Abe
· 1 termômetro
· 2 buretas de 10mL
· 2 mantas de aquecimento
· 33 tubos de ensaio de 20mL com tampas rosqueáveis
· Acetato de Etila 10 mol/L
· Ciclohexano 1,0mol/L
2.2. Métodos
	Inicialmente preparou-se as misturas de acordo com a tabela 1, utilizando uma bureta de 10mL. Os tubos foram fechados e nomeados. Em seguida, com auxílio de um pipeta de Pasteur, uma alíquota de cada tubo foi inserida no Refratômetro de Abe para medida de seu índice de refração. Esses valores, posteriormente, foram utilizados para construção da curva de calibração.
	Em seguida, a mistura contida em cada tubo foi transferida para o aparelho de Choppen-Cotrell e submetida a um aquecimento gradual, permitindo a ebulição do líquido. Com a estabilização da temperatura, indicando o equilíbrio líquido vapor, retirou-se uma alíquota do destilado e do condensado, destinando cada uma a um tubo de ensaio diferente, com identificação adequada. Esse procedimento foi repetido para todos as misturas, gerando 22 tubos de ensaio que tiveram seus índices de refração medidos e registrados em uma tabela, juntamente com suas temperaturas de equilíbrio.
	Por fim, descartou-se todas as misturas em local adequado.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Para realização do experimento, preparou-se 11 amostras com concentrações variadas de duas substâncias, acetato de etila (substância mais volátil) e ciclohexano (substância menos volátil). Na Tabela 1, encontra-se as especificações de cada tubo de ensaio.
Tabela 1 – Dados de volume de ciclohexano e acetato de etila para definir a composição inicial das amostras.
	Tubo de ensaio
	Volume das substâncias 
	
	Ciclohexano (mL) [±0,05]
	Acetato de etila (mL) [±0,05]
	1
	0,0
	15,0
	2
	1,5
	13,5
	3
	3,0
	12,0
	4
	4,0
	11,0
	5
	5,5
	9,5
	6
	7,5
	7,5
	7
	8,5
	6,5
	8
	11,0
	4,0
	9
	12,0
	3,0
	10
	13,5
	1,5
	11
	15,0
	0,0
	A partir de uma amostra de cada tubo de ensaio determinou-se o índice de refração das misturas (tubos de 2 a 10) e das substâncias puras (tubo 1 e 11). A composição molar foi calculada para o Acetato de Etila, a substância mais volátil – menor temperatura de ebulição – a partir da Equação 1.
 (1)
	Onde, Cac.et. é a concentração de acetato de etila em mol por litro, Cc.hexano é a concentração de ciclohexano em mol por litro, Vac.et e Vc.hexano é o volume de acetato de etila e ciclohexano em ml, respectivamente.
Tabela 2 – Dados experimentais de índice de refração e composição molar
	Curva de calibração
	Tubo de ensaio
	Índices de refração[±0,0005]
	Composição Molar (Acetato de Etila)
	1
	1,372
	1,o
	2
	1,377
	0,9
	3
	1,380
	0,8
	4
	1,384
	0,73
	5
	1,389
	0,63
	6
	1,395
	0,50
	7
	1,399
	0,43
	8
	1,407
	0,27
	9
	1,412
	0,20
	10
	1,4195
	0,1
	11
	1,425
	0
Com os dados da Tabela 2, plotou-se um gráfico de índice de refração x composição molar. Esse gráfico é chamado de calibração, pois é dele que será determinado a composição do destilado (vapor) e do resíduo (líquido). 
Figura 1 – Gráfico de calibração para determinar a composição de destilado e resíduo
A curva de calibração obtida tem alto grau confiabilidade devido ao seu R² = 0,9936, o que mostra um bom ajuste para os dados de composição molar em função do índice de refração. Assim, determinou-se a composição molar do resíduo e do destilado de cada tubo de ensaio, baseado no índice de refração medido no equipamento e chegando na composição molar a partir da equação linear obtida no gráfico de calibração. 
 (2)
A coleta dos dados de equilíbrio de cada um destes onze tubos de ensaio forneceu os seguintes dados para o resíduo e o destilado de cada um (Tabela 3):
Tabela 3 – Dados de equilíbrio das soluções: resíduo e destilado
	Destilado (vapor) e Resíduo (líquido)
	Tubo de origem
	Natureza
	Tubo de coleta
	Índice de refração
	Tequilíbrio (°C)
	Comp. Molar
	1
	Destilado
	1D 
	1,372
	74,0
	0,97
	
	Resíduo
	1R
	1,372
	
	0,97
	2
	Destilado
	2D
	1,381
	69,0
	0,80
	
	Resíduo
	2R
	1,377
	
	0,87
	3
	Destilado
	3D
	1,384
	68,5
	0,74
	
	Resíduo
	3R
	1,381
	
	0,80
	4
	Destilado
	4D
	1,385
	68,0
	0,72
	
	Resíduo
	4R
	1,384
	
	0,74
	5
	Destilado
	5D
	1,391
	68,0
	0,61
	
	Resíduo
	5R
	1,391
	
	0,61
	6
	Destilado
	6D
	1,393
	68,0
	0,57
	
	Resíduo
	6R
	1,395
	
	0,53
	7
	Destilado
	7D
	1,396
	68,5
	0,51
	
	Resíduo
	7R
	1,398
	
	0,47
	8
	Destilado
	8D
	1,403
	69,5
	0,38
	
	Resíduo
	8R
	1,406
	
	0,32
	9
	Destilado
	9D
	1,407
	71,0
	0,30
	
	Resíduo
	9R
	1,410
	
	0,25
	10
	Destilado
	10D
	1,412
	72,0
	0,21
	
	Resíduo
	10R
	1,415
	
	0,15
	11
	Destilado
	11D
	1,426
	75,5
	-0,06
	
	Resíduo
	11R
	1,422
	
	0,02
A Tabela 4 abaixo resume os valores para o gráfico do diagrama de fases. 
Tabela 4 – Dados de temperatura, composição molar de resíduo e destilado
	Diagrama de fases
	Tequlíbrio (°C)[±0,05]
	x (resíduo)
	y (destilado)
	74,0
	0,97
	0,97
	69,0
	0,87
	0,80
	68,5
	0,80
	0,74
	68,0
	0,74
	0,72
	68,0
	0,61
	0,61
	68,0
	0,53
	0,57
	68,5
	0,47
	0,51
	69,5
	0,32
	0,38
	71,0
	0,25
	0,30
	72,0
	0,15
	0,21
	75,5
	0,02
	-0,06
Com os dados da Tabela x obteve-se o diagrama de fases para o sistema binário proposto. O gráfico é apresentado a seguir na Figura 2. 
Figura 2 – Diagrama de Fases de um sistema binário
 
	Utilizando como base a composição de 0,15 de acetato de etila, abaixo do ponto de bolha a sistema está líquido sub-resfriado e aumentando a temperatura até 72°C aparece a primeira bolha de vapor do sistema binário (líquido saturado), a qual possui composição de x=0,15 e y = 0,21 (ligando uma linha de amarração até a curva de orvalho). Se continuar aumentando a temperatura, ficando entre as curvas, o sistema estará na região de equilíbrio líquido-vapor. A composição em um ponto dessa região é dada ligando uma linha amarração até a curva de orvalho e outra até a curva de bolha. Aumentando a temperatura até chegar na curva de orvalho (região de vapor saturado) é possível descobrir a composição da última gota de líquido. Passando desse ponto, o sistema estará na região de vapor super saturado.
	É importante notar que o diagrama de fases possui alguns erros, como a composição negativa do vapor e diferente do liquido (substância pura), valores totalmente incoerentes. Mas que podem ser explicados por um erro do experimentador no momento de realizar a leitura ou por contaminação do recipiente, onde estava a amostra. 
	A lei de Raoult possui duas hipóteses: a fase vapor se comporta como gás ideal e a fase líquida como uma solução ideal. Além disso, a temperatura deve estar abaixo da temperatura crítica. Para apresentar comportamento de gás ideal a fase vapor deve estar em uma condição de baixa pressão. Já a fase líquida apresentar comportamento ideal significa que as espécies que compõem o sistema não são tão diferentes em tamanho e são de mesma natureza química. 
	Dizer que a fase vapor do sistema binário de acetato de etila e ciclohexano comporta-se como gás ideal é aceitável, visto que o experimento foi realizado a pressão atmosférica. Porém, a segunda hipótese não é satisfeita, visto que a natureza química do acetato é éster e a do ciclohexano é um hidrocarboneto, portanto a interação entre as moléculas das duas substâncias na fase líquidase distancia da realidade.
	As misturas binárias podem apresentar ponto de ebulição mínimo ou máximo dependendo da interação entre as moléculas. Se a interação entre as substâncias A e substâncias B for maior do que com elas mesma, significa que há uma interação positiva, ou seja, mais forte. Então será necessário fornecer mais energia para fazer com a mistura entre em ebulição. 
	No caso desse sistema binário, observa-se que quando há zero de acetato a temperatura de ebulição é a do ciclohexano. Mas ao misturar com acetato a temperatura de ebulição vai diminuindo até chegar no azeótropo, neste caso um azeótropo de mínimo, é neste ponto que há um ponto de ebulição mínimo. Conforme a mistura é enriquecida com acetato a temperatura volta a subir. A partir da observação do diagrama, é possível dizer que o sistema binário acetato e ciclohexano possui um desvio negativo da lei de Raoult. 
Para determinar a temperatura e a composição do azeótropo, plotou-se um gráfico de composição de destilado x composição de resíduo, gráfico chamado de McCabe-Thiele. A Tabela 5 resume os pontos utilizados para plotar o gráfico expresso na Figura 3. 
Tabela 5 – Concentração molar de resíduo e destilado para obtenção do gráfico de McCabe-Thiele
	Gráfico McCabe-Thiele
	Curva equilíbrio
	x(res)
	y(dest)
	0,97
	0,97
	0,87
	0,80
	0,80
	0,74
	0,74
	0,72
	0,61
	0,61
	0,53
	0,57
	0,47
	0,51
	0,32
	0,38
	0,25
	0,30
	0,15
	0,21
	0,02
	-0,06
Figura 3 – Gráfico de McCabe-Thiele
A fração molar de acetato no azeótropo pode ser obtida quando a curva de composição do líquido pela do vapor se encontra com a reta na qual a composição do vapor é igual à do líquido (reta auxiliar, sendo y = x). De acordo com a Figura 3 verifica-se que o azeótropo da mistura de acetato de etila e ciclohexano possui composição de 0,61 e, analisando o diagrama de fases para este sistema, com esta composição determina-se a temperatura igual a 68ºC. 
Esses resultados obtidos graficamente, já havia sido observado pelos pontos experimentais, afinal o tudo de ensaio 5D e 5R apresentavam o mesmo índice de refração e, consequentemente a mesma composição molar. E essa, é exatamente a definição de azeótropo, as composições do destilado e resíduo são iguais, não é possível separar as substâncias por destilação simples. Porém, é importante ressaltar que nesse caso foi possível observar a igualdade dos pontos, mas com o gráfico de McCabe-Thiele é possível determinar a composição do azeótropo mesmo se não tiver pontos coincidindo.
4. Conclusão 
	Com um alto valor de R2 pode-se afirma que a metodologia utilizada para determinar a composição do destilado e do resfriado foi satisfatória e coerente para o experimento. Assim, foi possível obter um diagrama de fases para o sistema binário próximo da realidade, com azeótropo negativo, de acordo com o esperado. 
O azeótropo encontrado para a mistura binária foi negativo, o que significa que as interações moleculares na mistura são mais fracas do que as das substâncias puras. Este fenômeno ocorre, para estas substâncias, quando a composição molar é de 0,61 e a uma temperatura de 68°C.
5. Referências Bibliográficas 
[1] ATKINS, P.W.; DE PAULA, J. Físico-Química. 9 ed., Vol.1, Rio de Janeiro: LTC/Gen - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2012.
 [2] SILVA, R. R. da; BOCCHI, N; ROCHA-FILHO, R. C.; MACHADO, P. F. L. Introdução à Química Experimental. São Carlos: EdUFSCar, 2014.
[3] CASTELLAN, G. Fundamentos de Físico-Química. 1 ed. 17 reimpressão, Rio de Janeiro: LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2011.
[4] LEVINE, I. N. Físico-Química. 6 ed., Vol. 1, Rio de Janeiro: LTC/Gen - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2012.