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Relatório Sobre Refratometria

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8
UNIVERSIDADE ESTADUAL DA PARAÍBA
CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
CURSO DE LICENCIATURA EM QUÍMICA
LUÍS HENRIQUE BARBOSA SOUZA
RELATÓRIO SOBRE REFRATOMETRIA
CAMPINA GRANDE-PB
1. INTRODUÇÃO
A refração da luz é um fenômeno óptico que ocorre quando a luz sofre uma mudança do meio de propagação, ou seja, do meio de incidência para o meio de refração, onde acaba ocorrendo uma variação na velocidade de propagação. Com isso temos que considerar que a velocidade da luz no ar é muito diferente da água, pois quando passamos a luz de um meio para o outro onde como exemplo podemos citar um copo com água, onde ocorre o fenômeno da refração, ou desvio do feixe de luz. 
Figura 1. Exemplo da refração em um copo com água
Ao analisarmos essa imagem podemos notar que durante esse processo, ocorre uma diminuição da velocidade da luz e do comprimento de onda, com isso podemos perceber que quando colocamos um objeto dentro de um copo de água, notamos que ele fica aparentemente maior do que seria fora do meio inserido. Esse mesmo caso ocorre quando observamos piscinas, onde temos a impressão de que ela parece ter uma menor profundidade.
Na verdade, o que ocorre nesse processo é que a luz sofre um desvio angular em relação a reta normal, quando ela passa de um meio transparente para outro. Se a incidência da luz no meio for normal, ela apresenta um ângulo de incidência igual a zero e a luz não sofrerá um desvio, resultando em um ângulo refratado ser nulo. Mas quando a luz sobre um desvio obliquo, o raio de luz acaba se aproximando mais da reta normal, onde acaba ocorrendo o fenômeno da refração.
Figura 2. Incidência do raio de luz
O fenômeno da refração possui duas leis básicas, onde podemos citar:
I. Primeira Lei da Refração: “O raio incidente, o raio refratado e a normal, no ponto de incidência, estão contidos no mesmo plano”, ou seja, são coplanares.
II. “Os senos dos ângulos de incidência e refracção são diretamente proporcionais às velocidades da onda nos respectivos meios”.
No fenômeno da refração também podemos encontrar alguns índices de fundamental importância para a efetuação dos cálculos. Os índices de refração determinam a relação existente entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade do meio. Quanto maior a frequência de luz, maior será o índice de refração e podem ser classificados em: absoluto e relativo.
· Índice de Refração Absoluta: corresponde a razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz no meio considerado, na medida que, quanto maior for o índice de refração de um meio, menor será a velocidade de propagação da luz nesse meio. O índice de refração absoluta sempre tem um valor maior ou igual a 1, e assume a seguinte expressão:
Onde:
= índice de refração
c = velocidade da luz no vácuo (3x108 m/s)
v = velocidade da luz no meio (m/s)
· Índice de Refração Relativo: responsável por calcular o índice de um meio para o outro, assumindo a seguinte fórmula:
O índice de refração depende da temperatura, da pressão, da natureza da substância e do comprimento de onda da luz. Quando o segundo meio é uma solução, o índice de refração depende, também, da sua concentração. Com isso o índice de refração é utilizado para identificar substancias e para determinar a concentração de misturas binárias. A refração especifica, R, ou refratividade de uma substancia é dada pela equação de 	Lorentz-Lorenz:
A medida do índice de refração é feita em refratômetros, onde o índice é medido diretamente, utilizando a luz branca e apenas algumas gotas do liquido em estudo. A luz branca consegue atravessar, com um ângulo critico de incidência, do meio cujo índice de refração se deseja determinar para um prisma de vidro de índice de refração elevado conhecido. A luz emergente passa por um conjunto de prismas especiais os prismas de Amici. Essa luz selecionada é dirigida através de uma luneta até uma ocular onde existe um reticulo. A incidência de 90° é obtida quando o campo da ocular se apresenta dividido em duas partes, clara e escura, cuja separação coincide exatamente com a interseção das linhas do reticulo. Atingida essa condição o índice de refração, entre 1,300 e 1,700 é lido na escala do aparelho.
A fim de tomar mais nítida e sem cores a linha de separação entre as partes clara e escura do campo ocular, os prismas de Amici são girados simultaneamente em direções opostas, de modo a atingir uma dispersão da luz igual e oposta à produzida pelo liquido em estudo.
 
Figura3. Alguns Refratômetros Existentes
Figura 4. Constituintes do Prisma de Abbé
Figura 5. Leitura Efetuada no Refratômetro de Abbé
2. OBJETIVO
O objetivo do presente experimento é calcular a refração molar e especifica de diferentes líquidos a partir do índice de refração obtido pelo refratômetro de ABBÉ, como também verificar o índice de Brix e de refração das diferentes concentrações de soluções de sacarose.
3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Abriu-se o conjunto de prismas e limpou-se as superfícies de vidro com cuidado, e sempre evitando tocar as superfícies com objetos rígidos para não danificar o equipamento. Com a pipeta, colocamos algumas gotas de água destilada no prisma inferior e em sequencia fechamos o prisma. Focalizamos a lanterna do celular de forma que o conjunto ficasse bastante iluminado e então adaptamos o telescópio ate que as linhas cruzadas obtivessem o foco exato. No próximo passo giramos o prisma com o botão giratório ate que a fronteira luz-escuro coincidir com a interseção das linhas cruzadas. Ajustamos então a imagem da fronteira luz-escuro, eliminando as cores do espectro girando o compensador. Para finalizarmos a analise leu-se o resultado do índice de refração diretamente na escala encontrada logo abaixo.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
	SUBSTÂNCIA
	FÓRMULA MOLECULAR
	MM (g/mol)
	ρ 25°C (g/cm3)
	ɳ 25° C
	Água
	H2O
	18,0153
	0,9965
	1,3325
	Tetracloreto de Carbono
	CCl4
	153,8227
	1,6226
	1,5025
	Etanol
	CH3CH2OH
	46,0684
	0,7864
	1,359
	n-Hexano
	C6H14
	86,1753
	0,6528
	1,372
	Acetona
	CH3COCH3
	58,0791
	0,7878
	1,357
	Isopropanol
	CH3CH(OH)CH3
	60,95
	0,7728
	1,375
	Clorofórmio
	CHCl3
	119,377
	1,4259
	1,444
Tabela 1 Propriedades físico-químicas
	SUBSTÂNCIA
	ρ 24°C (g/cm3)
	ɳ
	ERRO ɳ (%)
	R (cm3)
	R exp. (cm3)
	ERRO(R)
	BRIX
	Água
	0,997296
	1,334
	0,112
	1,3323
	4,7794
	
	---
	CCl4
	1,5042
	1,5025
	---
	1,4565
	29,8081
	
	---
	Etanol
	0,79
	1,363
	0,294
	1,3579
	8,4633
	
	---
	n-Hexano
	0,674
	1,376
	0,291
	1,372
	29,3391
	
	---
	Acetona
	0,7915
	1,3585
	0,110
	1,357
	16,1343
	
	---
	n-propanol
	0,782
	1,3755
	0,036
	1,375
	17,6130
	
	---
	Clorofórmio
	1,4725
	1,4435
	0,034
	1,444
	21,5140
	
	---
	Sacarose 10%
	1,0243
	1,349
	---
	---
	---
	
	10%
	Sacarose 20%
	1,0735
	1,362
	---
	---
	---
	
	19%
	Sacarose 30%
	1,1109
	1,377
	---
	---
	---
	
	27,75%
	Sacarose 40%
	1,1447
	1,3945
	---
	---
	---
	
	37,25%
Tabela 2 Dados obtidos experimentalmente
	SUBSTÂNCIA
	FÓRMULA MOLECULAR
	R exp
	C-Cl (cm3)
	C-H (cm3)
	C-C (cm3)
	C=O (cm3)
	C-OH (cm3)
	O-H (cm3)
	H2O
	H2O
	4,77
	x
	x
	x
	x
	x
	2,38
	CCl4
	CCl4
	29,8
	7,45
	x
	x
	x
	x
	x
	Etanol
	CH3CH2OH
	8,46
	x
	1,69
	8,66
	x
	8,46
	8,46
	n-Hexano
	C6H14
	29,3
	x
	2,09
	5,86
	x
	x
	x
	Acetona
	CH3COCH3
	16,1
	x
	2,68
	8,06
	16,13
	x
	x
	Isopropanol
	CH3CH(OH)CH3
	17,6
	x
	2,51
	8,80
	x
	17,6
	17,6
	Clorofórmio
	CHCl3
	21,5
	7,17
	21,5
	x
	x
	x
	x
Tabela 3 Contribuição das ligações
Para que fosse possível realizar os cálculos para completar as tabelas, foi necessário encontrarmos primeiramente as massas molares de todas as substâncias com o auxílio da tabela periódica, utilizando todas as casas decimais para diminuirmos a nossa percentagem de erro no experimento.
Analisando essas tabelas completadas experimentalmente, podemos notar que elas possuem diferentes características físico químicas, onde podemos calcular a refração de cada tipo de ligação de uma molécula, temos também o calculo das refrações molares e índice de refração, lembrando que alguns dados como a densidade especificade algumas substancias foram obtidas experimentalmente em outras práticas já realizadas. Para calcular a refração molar de cada sustância precisamos calcular a refração especifica (r) através da formula de Lorentz e Lorenz que foram derivadas das teorias eletromagnéticas e ondulatória.
Massas molares:
· H2O = 1,00797 (2) + 15,9994 = 18,01534 g/mol (água)
· CCl4 = 12,01115 + 35,453 (4) = 153,82315 g/mol (Tetracloreto de Carbono)
· C2H6 = 12,01115 (2) + 1,00797 (6) = 30,07012 g/mol (Etanol)
· C6H14 = 12,01115 (6) + 1,00797 (14) = 86,17848 g/mol (n-Hexano)
· C3H6O = 12,01115 (3) + 1,00797 (6) + 15,9994 = 58,08067 g/mol (Acetona)
· C3H8O = 12,01115 (3) + 1,00797 (8) +15,9994 = 60,09661 g/mol (n-propanol)
· CHCl3 = 12,01115 + 1,00797 + 35,453 (3) = 119,37812 g/mol (Clorofórmio)
· C12H22O11 = 12,01115 (12) + 1,00797 (22) + 15,9994 (11) = 342,30254 g/mol (Sacarose)
5. APLICAÇÃO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS
1) Calcule a refração molar e específica para todas as soluções, e apenas refração específica para as soluções aquosas de sacarose.
Cálculo da refração específica (r):
Para o cálculo da refração especifica necessitamos da seguinte formula química:
· Água (H2O)
 
· Tetracloreto de Carbono (CCl4)
· Etanol (C2H6)
· n-Hexano (C6H14)
· Acetona (C3H6O)
· n-propanol (C3H8O)
· Clorofórmio (CHCl3)
· Sacarose 10%
· Sacarose 20%
 cm3/g
· Sacarose 30%
· Sacarose 40%
Cálculo para a refração molar (R):
R = r x MM
· Água (H2O)
R = 0,26529871 x 18,01534
R = 4,779446462 cm3
· Etanol (C2H6)
R = 0,281453748 x 30,07012
R = 8,463347977 cm3
· Tetracloreto de Carbono (CCl4)
R = 0,193781762 x 153,82315
R = 29,80812104 cm3
· n-hexano (C6H14)
R = 0,340445844 x 86,17848
R = 29,33910536 cm3
· Acetona (C3H6O)
R = 0,277791397 x 58,08067
R = 16,13431046 cm3
· N-propanol
R = 0,293079447 x 60,09661
R = 17,61308123 cm3
· Clorofórmio (CHCl3)
R = 0,180217789 x 119,37812
R = 21,51406081 cm3
2) Dividindo a refração do tetracloreto de carbono por 4, teremos a refração da ligação C-Cl. Com esse dado, calcule as contribuições das ligações:
a) C-H 
Etanol Acetona
[R]= [R]= 
8,4633 = 5 (C-H) 16,1343 = 6 (C-H)
(C-H) = 1,69266 cm3 (C-H) = 2,68905 cm3
n-hexano Isopropanol
[R]= [R]= 
29,3391 = 14 (C-H) 17,6130 = 7 (C-H)
(C-H) = 2,09565 cm3 (C-H) = 2,5161 cm3
b) C-C
Etanol Acetona
[R]= [R]= 
8,4633 = 1 (C-C) 16,1343 = 2 (C-C)
(C-C) = 8,,4633cm3 (C-C) = 8,0671 cm3
n-hexano Isopropanol
[R]= [R]= 
29,3391 = 5 (C-C) 17,6130 = 2 (C-C)
(C-C) = 5,8672 cm3 (C-C) = 8,8065 cm3
c) C=O
Acetona
[R]= 
16,1343 = 1 (C=O)
(C=O) = 16,1343 cm3
d) C-OH
Etanol
[R]= 
8,4633 = 1 (C-OH)
(C-OH) = 8,4633 cm3
Isopropanol
[R]= 
17,6130 = 1 (C-OH)
(C-OH) = 17,6130 cm3
Água 
[R]= 
4,7794 = 2 (O-H) 
(O-H) = 2,3897 cm3
3) Compare os índices de refração e refração molar medidos experimentalmente com os obtidos da literatura.
4) Faça um breve relato sobre ângulo crítico.
R = Quando a luz viaja de um meio com índice de refração maior para um de índice menor, a Lei de Snell Descartes parece necessitar em alguns casos, que o seno do ângulo de refração seja maior que um. Isso claramente é impossível, e a luz nesses casos é completamente refletida pela fronteira, esse é o fenômeno conhecido como reflexão total. O maior ângulo de incidência possível que ainda resulta em um raio refratado é chamado de ângulo critico; nesse caso o raio refratado viaja ao longo da fronteira entre os dois meios.
Figura 3 Demonstração de não refração à ângulos maiores que o ângulo critico
Figura 4 Refração da luz na fronteira entre dois meios
5) Seja um raio luminoso incidindo em um prisma, meio que possui alto índice de refração faça um desenho das seguintes situações: 
R= respostas na imagem da questão anterior.
a) Se um ângulo de incidência ɵi for < ɵc parte da luz será refletida e outra parte será refratada.
b) Se um ângulo de incidência ɵi = ɵc, o raio tangenciará a separação entre os meios.
c) Se um ângulo de incidência ɵi for > ɵc, todos os raios serão refletidos.
6) Porque é possível utilizar o refratômetro de ABBÉ com a luz branca?
R = é possível utilizar a luz branca porque o mesmo possui os prismas de compensação, que são os prismas de Amici, de visão direta, que giram em direções opostas ao redor do eixo óptico do telescópio.
7) Quais as funções do prisma inferior (superfície rugosa) e dos prismas de Amici?
R = o prisma inferior ou superfície rugosa tem a função de dirigir a luz que chega ao prisma em todas as direções possíveis, tornando possível a utilização do mesmo com a luz branca.
8) Por meio das unidades de refração molar, dê o significado físico dessa grandeza.
R = a refração molar depende do número e da natureza dos átomos presentes, e também das características das ligações. a refração molar de uma substancia está diretamente ligada à sua polarizabilidade, que pode ser classificada como a facilidade de distorção da nuvem eletrônica de uma molécula.
9) Discuta o experimento de uma forma crítica, ou seja, observe os pontos fracos do experimento e a partir dai dê sugestões para corrigi-los.
R = o experimento obteve um bom resultado, com valores aceitáveis experimentalmente. Acredito que a forma como foi feito o experimento não precisa ser feita nenhuma modificação quanto ao experimento.
10) Citar aplicações praticas dos conceitos estudados nessa experiência.
R = é útil para descrever fenômenos como as cores que se formam em uma bolha de sabão ou em uma mancha de óleo, que são provenientes da interferência entre a luz refletida e a luz refratada. Por meio da refração é possível descrever a característica policromática da luz do sol e verificar as cores monocromáticas que a formam. Também observamos refração em lentes usadas para corrigir problemas de visão, lentes para aumentar e reduzir imagens.
6. CONCLUSÃO
O experimento baseou-se na determinação do índice de refração por meio do uso do refratômetro de Abbé para fluidos como a sacarose, álcool, agua destilada etc. com base no índice encontrado, calculou-se a refração molar por meio da expressão de Lorentz-Lorenz, sendo que tal refração molar pode ser calculada sabendo-se o índice de refração, a massa molecular e a densidade do fluido na temperatura em estudo. 
REFERÊNCIAS
Manual de físico-química experimental da UEPB.
ATKINS, P.; DE PAULA, J. Atkins, física-química. Rio de Janeiro: LTC, 2008. v. 1. ISBN 978-85- 216-1600-9.

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