Físico Química Exp 5 DETERMINAÇÃO DO VOLUME PARCIAL MOLAR

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Universidade Federal de Uberlândia
Instituto de Química
Química Industrial
Ítalo Silva Felix - 11611QID036
Jéssica Gonçalves Braga - 11711QID007
Paula Nunes Santos - 11611QID012
Experimento 5: Determinação do Volume Parcial Molar
Uberlândia
2021
1. INTRODUÇÃO
A quantidade parcial molar de um elemento em uma solução é definida a partir da propriedade extensiva da solução e relacionada com o número de mols deste elemento. A definição é abstrata mas possível de compreensão quando examinamos o volume parcial molar. Em uma mistura, esta propriedade é definida pela variação do volume total do meio quando se adiciona um mol de um substância à uma grande quantidade dessa mistura. Pode ser também definido como o volume ocupado por 1 mol de uma substância pura. 
Por exemplo, o volume molar da água pura é 18 cm3/mol, assim, quando se adiciona 1 mol de água num grande volume de água pura, há um aumento de 18 cm3 no volume total. Porém este comportamento não acontece em misturas. [1]
Ao estudarmos uma mistura de etanol e água, por exemplo, sua aplicação fica ainda mais clara pois ao misturar volumes iguais desses compostos puros o volume total final não será a soma dos volumes dos compostos isolados. Isso ocorre devido às interações intermoleculares das moléculas de água com as moléculas de álcool. Assim é possível notar que essas moléculas ocupam um volume diferente em mistura do que quando estão puros. [2]
As forças intermoleculares existentes na solução são diferentes das existentes nos compostos puros, e o empacotamento das moléculas na solução muda de acordo com o meio. Assim, as moléculas de água cercadas por moléculas de etanol se agrupam mais, ou seja, se retraem, ocupando um volume menor que 18 cm3 e o aumento de volume total causado pela adição de 1 mol de água, é de apenas 14 cm3. Essa grandeza (14 cm3) é o volume parcial molar da água em etanol puro.
É interessante notar que os volumes molares são sempre positivos, mas as grandezas parciais molares nem sempre são positivas Por exemplo, o volume parcial molar do MgSO4 em água, quando sua concentração tende à zero, é -1,4 cm3/mol, indicando que a adição de 1 mol de MgSO4 a um grande volume de água provoca uma diminuição de 1,4 cm3 do volume total. Neste caso, a contração da mistura é provocada pelo rompimento da estrutura da água no processo de hidratação do sal.
Logo é de extrema importância o estudo dos volumes parciais molares em misturas pois através deles entendemos o comportamento desses meios e como eles funcionam variando outras características com a temperatura, pressão e composição. [3]
2. OBJETIVOS
Calcular os volumes reais das misturas assim como os volumes molares médios das misturas de etanol e água, real e ideal, e os volumes parciais molares de ambos os componentes das misturas. Investigar a validade dos volumes parciais molares da água e do etanol comparando o volume calculado para a mistura (experimental) com o volume medido (teórico).
3. METODOLOGIA
1.1. MATERIAIS
· álcool etílico absoluto PA;
· água destilada
· 2 pipetas graduadas de 10 mL
· 2 béqueres de 250 mL
· 9 frascos de vidro com tampa cap. 100 mL
· 01 picnômetro de 10 mL;
· pêra de borracha;
· papel higiênico;
· 01 termômetro de vidro escala -10/110 °C;
· termostato.
1.2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Inicialmente calibrou-se um picnômetro (Figura 1) de 25,00 ml, pesou-se a massa de sua capacidade volumétrica de água cuja densidade era conhecida, com uma precisão de no mínimo 0,001g. Em seguida preparou-se misturas de etanol e água de acordo com a Tabela 1 adicionando cuidadosamente com uma pipeta de Pasteur gota a gota em um frasco com tampa tarado (Figura 2), o primeiro componente até que atingiu a massa desejada, anotou-se o resultado. Em seguida, tarou-se a balança, adicionou o segundo componente no mesmo frasco até que atingiu o peso desejado e anotou-se. Posteriormente tampou rapidamente o frasco. Após esta etapa, preencheu-se até a marca o picnômetro com cada uma das misturas conhecidas. Pesaram-se os picnômetros, verificou-se o volume e secou exteriormente. A partir das diferenças de peso foi possível determinar a massa do volume da mistura.
Figura 1. Imagem do picnômetro utilizado para calcular as densidades das soluções.
Figura 2. Imagem do frasco utilizado para armazenar as misturas de água e etanol.
Tabela 1. Tabela referente às massas de água e etanol que deverão ser adicionadas em cada frasco.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Inicialmente calculou-se o volume real do picnômetro pela fórmula da densidade:
 (1)
Isolou-se o v real picnômetro da Equação 1 e utilizando a densidade da água à 28°C (0,996232 g/mL) obteve-se a Equação 2:
(2)
Em seguida, as soluções de etanol e água foram preparadas de acordo com os valores apresentados na Tabela 1 da parte de procedimento experimental e suas massas pesadas constam na Tabela 2.
Tabela 2. Tabela referente às massas de água, etanol e total da mistura de água e etanol adicionados em cada frasco.
	Frasco
	Massa da água / g
	Massa do etanol / g
	Massa da mistura / g
	1
	1,379
	30,445
	31,824
	2
	2,888
	29,326
	32,214
	3
	4,807
	27,902
	32,709
	4
	7,061
	26,190
	33,251
	5
	9,457
	24,590
	34,047
	6
	12,685
	21,603
	34,288
	7
	16,775
	18,357
	35,132
	8
	22,087
	14,171
	36,258
	9
	26,415
	8,357
	37,772
Utilizou-se então as massas molares da água (18,02 g/mol) e do etanol (46,08 g/mol) para calcular o número de mols de água, de etanol e da mistura de água e etanol utilizados em cada frasco, conforme mostra a Tabela 3.
Tabela 3. Tabela referente ao número de mols de água, etanol e total da mistura de água e etanol contidos em cada frasco.
	Frasco
	N° de mols da água (nH2O)
	Nº de mols do etanol (nETANOL)
	Nº de mols total da mistura (nT)
	1
	0,0765
	0,6607
	0,7372
	2
	0,1603
	0,6364
	0,7967
	3
	0,2668
	0,6055
	0,8723
	4
	0,3918
	0,5684
	0,9602
	5
	0,5248
	0,5336
	1,058
	6
	0,7039
	0,4688
	1,173
	7
	0,9309
	0,3984
	1,329
	8
	1,226
	0,3075
	1,533
	9
	1,632
	0,1814
	1,813
Os valores de número de mols contido de cada substância em cada frasco foram utilizados para calcular os valores de frações molares da água (XA) e do etanol (XE) em cada frasco(Eq. 3 e 4).
(3)
(4)
Tabela 4. Tabela referente às frações molares da água e do etanol em cada frasco.
	Frasco
	Fração molar da água (XA)
	Fração molar do etanol (XE)
	1
	0,1038
	0,8962
	2
	0,2012
	0,7988
	3
	0,3059
	0,6941
	4
	0,4080
	0,5920
	5
	0,4960
	0,5043
	6
	0,6001
	0,3997
	7
	0,7004
	0,2998
	8
	0,7997
	0,2006
	9
	0,9002
	0,1000
Tarou-se o picnômetro em uma balança analítica e transferiu-se a mistura contida no frasco para o picnômetro até completar seu volume máximo. Em seguida, pesou-se o picnômetro. Calculou-se a densidade da solução com a seguinte fórmula para cada um dos frascos (Eq.5):
(5)
Os valores de densidade da solução que foram calculados utilizando-se os valores de massa da solução contidos no picnômetro (msolução) e o valor real de volume do picnômetro (26,944 mL), foram organizados na Tabela 5 e posteriormente utilizados para calcular o volume real da mistura, utilizando-se a Equação 6. Sendo que o volume real da mistura foi calculado utilizando-se dos valores de massa da mistura contidos nos frascos. Esses valores de volume real da mistura foram organizados também na Tabela 5.
(6)
Tabela 5. Tabela referente às massas das soluções colocadas no interior do picnômetro juntamente com suas respectivas densidades e as massas das misturas colocadas nos frascos juntamente com seus respectivos volumes reais das misturas.
	Frasco
	Massa da solução no picnômetro / g
	Densidade da solução / g.mL-1
	Massa da mistura / g
	Volume real da mistura / mL
	1
	21,426
	0,79517
	31,824
	40,022
	2
	21,708
	0,80567
	32,214
	39,984
	3
	22,154
	0,82222
	32,709
	39,781
	4
	22,555
	0,83711
	33,251
	39,721
	5
	23,000
	0,85362
	34,047
	39,885
	6
	23,560
	0,87441
	34,288
	39,213
	7
	24,145
	0,89612
	35,13239,205
	8
	24,995
	0,92766
	36,258
	39,085
	9
	25,795
	0,95736
	37,772
	39,454
Em seguida o volume real da mistura foi utilizado para o cálculo do volume molar real médio da mistura (⊽r) (Eq. 7). Esse volume leva em consideração que as moléculas de etanol e água interagem entre si e é considerado na literatura o valor teórico.
 (7)
Já o volume molar ideal médio (⊽id) considera que não há interação entre as moléculas de água e de etanol. Para calcular o volume molar ideal médio (Eq. 8) utiliza-se o valores tabelados de volume molar puro da água (18,073 mL/mol) e volume molar puro do etanol (58,277 mL/mol).
 (8)
Calculou-se as diferenças entre os volumes molares real médio e os volumes molares ideal médio e essa diferença foi chamada de volume molar médio da mistura (ΔM⊽) (Eq. 9).
 (9)
Os valores de volumes molares reais médio (⊽r), volumes molares ideais médio (⊽id) e os volumes molares médio (ΔM⊽) foram calculados e organizados na Tabela 5. 
Tabela 6. Tabela referente aos dados referente aos volumes molares reais médio, volumes molares ideias médio e volumes molares médio.
	Frasco
	Volume molar real da mistura (⊽r) / mL.mol-1
	Volume molar ideal da mistura (⊽id) / mL.mol-1 
	Volume molar médio da mistura(ΔM⊽) / mL.mol-1
	1
	54,289
	54,104
	0,185
	2
	50,187
	50,188
	0,001
	3
	45,605
	45,979
	-0,374
	4
	41,367
	41,874
	-0,507
	5
	37,698
	38,353
	-0,655
	6
	33,430
	34,139
	-0,709
	7
	29,500
	30,130
	-0,63
	8
	25,496
	26,143
	-0,647
	9
	21,762
	22,097
	-0,335
Quando as dos volumes molares real e ideal das misturas resultam em um valor positivo, indica que houve expansão no volume da mistura, ou seja, entre as moléculas de água e etanol predominam forças intermoleculares repulsivas. Quando essa diferença resulta em um valor negativo, indica que houve redução/contração no volume da mistura, ou seja, entre as moléculas de água e etanol predominam forças intermoleculares atrativas.
Foi feito um gráfico (Figura 1) utilizando-se o volume molar médio da mistura(ΔM⊽) em função da fração molar de etanol. A equação obtida neste gráfico (Eq. 10) foi utilizada para o cálculo do volume parcial molar do etanol e da água.
(10)
Figura 1. Gráfico do volume molar médio da mistura(ΔM⊽) em função da fração molar de etanol.
Derivou-se a equação 10 e obteve-se a Equação 11 para que assim pudesse ser utilizada nos cálculos do volume parcial molar do etanol (Eq.12) e da água (Eq. 13) para cada frasco.
 (11)
(12)
(13)
Cálculo-se também o volume real molar experimental da mistura (Eq. 14) a partir dos valores de volumes parciais molares do etanol e da água.
(14)
Os valores de volume parcial molar do etanol e da água e de volume real molar experimental da mistura para cada frasco foram organizados na Tabela 7.
Tabela 7. Tabela referente aos dados dos volumes parciais molares da água (VA), do etanol (VE), volume molar real médio da mistura (⊽r), chamado teórico, e o volume molar real experimental da mistura (⊽r), chamado experimental.
	Frasco
	VA / mL.mol-1
	VE / mL.mol-1
	⊽r / mL.mol-1
	⊽r / mL.mol-1
	1
	14,975
	58,082
	54,289
	52,711
	2
	15,709
	57,682
	50,187
	49,237
	3
	16,168
	57,228
	45,605
	44,668
	4
	16,696
	57,170
	41,367
	40,657
	5
	16,996
	57,207
	37,698
	37,284
	6
	17,331
	57,518
	33,430
	33,389
	7
	17,634
	58,093
	29,500
	29,767
	8
	17,697
	58,711
	25,496
	25,929
	9
	17,946
	59,812
	21,762
	22,136
Os volumes molares reais médio da mistura (⊽r) e os volumes molares reais experimentais da mistura (⊽r) foram utilizados para calcular o erro percentual relativos associado a cada frasco (Eq. 13). Os dados foram organizados na Tabela 8.
Tabela 8. Tabela referente aos erros associados a cada uma das medidas realizadas.
	Frasco
	⊽r / mL.mol-1
	⊽r / mL.mol-1
	Erro percentual relativo
	1
	54,289
	52,711
	2,99%
	2
	50,187
	49,237
	1,93%
	3
	45,605
	44,668
	2,09%
	4
	41,367
	40,657
	1,75%
	5
	37,698
	37,284
	1,11%
	6
	33,430
	33,389
	0,12%
	7
	29,500
	29,767
	0,89%
	8
	25,496
	25,929
	1,67%
	9
	21,762
	22,136
	1,69%
As possíveis causas para os erros associados ao volumes molares reais experimentais da mistura podem ser atribuídas ao operador, como no momento de pesar as massas da água e etanol e calibrar o picnômetro, aos equipamentos, como erro da balança analítica e podem ser atribuídas à variações de temperatura e pressão no momento da realização do experimento.
Os volumes parciais molares dos componentes das misturas foram utilizados para elaboração do gráfico dos volumes parciais molares da água e do etanol em função da fração molar do etanol (Figura 2) a fim de se realizar uma comparação com o gráfico dos volumes parciais molares da água e etanol obtido na literatura (Figura 3). O perfil dos gráficos se diferem devido às diferenças de temperaturas e pressão durante a realização do experimento e aos erros atribuídos às medidas. O experimento deveria ser realizado à 25°C, à temperatura e pressão constantes.
Figura 2. Gráfico dos volumes parciais molares da água e do etanol à 28°C obtido experimentalmente.
Figura 3. Gráfico dos volumes parciais molares da água e do etanol à 25°C obtido da literatura.[4]
5. CONCLUSÃO
Calculou-se os volumes reais, volumes molares reais médio e volumes molares ideais médio de cada uma das misturas contidas nos frascos, e a partir destes os volumes molares médios (ΔM⊽) das misturas. Calculou-se também os volumes parciais molares tanto da água quanto do etanol. Realizou-se uma comparação do gráfico de volumes parciais molares de água e etanol em função da fração molar de etanol obtido experimentalmente com o da literatura e conclui-se que o experimental não segue o perfil teórico.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] CHANG, R. Físico-Química para as ciências químicas e biológicas. v.2. 3ª ed. São Paulo: AMGH Editora, 2010. p. 313-314.
[2] Quantidade parcial molar. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=DZjKsegunds&t=475s>. Acesso em: 30 ago. 2021.
[3] BORGES, M. G. Tensão Superficial Dinâmica de Soluções Aquosas do Surfactante Catiônico Cloreto de Cetilpiridínio pelo Método da Massa da Gota. 2001. Tese (Mestre em Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2001.
[4] ATKINS, P.; PAULA, J. Atkins: Físico-Química. v.1. 8ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2006. p. 124.