Diagrama ternário

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA GOIANO

Docente: Dr. Jéferson Aparecido Moreto

3° LISTA DE OPERAÇÕES UNITÁRIAS

Discente:

Nathália Duarte Leite

Rio Verde – GO

Abril, 2015

Sumário

1. INTRODUÇÃO..................................................................................................................3

2. OBJETIVOS......................................................................................................................5

3. MATÉRIAIS E MÉTODOS..............................................................................................6

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO...................................................................................10

5. CONCLUSÃO.................................................................................................................14

6. REFERÊNCIAS..............................................................................................................15

ANEXOS 1..............................................................................................................................16

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1. INTRODUÇÃO

Grande parte das substancias encontradas no dia-a-dia são misturas que sob o aspecto macroscópico apresentam-se com o aspecto homogêneo (uma única fase) ou heterogêneo (mais de uma fase). As misturas homogêneas são chamadas de soluções. Alguns exemplo cotidianos de misturas são: ar (mistura de vários gases), o latão (mistura de zinco e cobre), os fluidos que compõem o nosso corpo e a água que bebemos que contém sai e gases dissolvidos. As soluções podem ser líquidas, sólidas ou gases. Cada substância da solução é denominada componente. Geralmente o componente em maior quantidade na solução é chamado de solvente, os outros componentes são chamados de solutos.

Caracteriza-se como solubilidade a capacidade que um determinado soluto tem de se dissolver em outro, conforme a temperatura e a quantidade de solvente disponível (ou, ao mesmo tempo, a quantidade de soluto presente na solução). Para os líquidos, utiliza-se também o termo miscibilidade, que caracteriza a capacidade que uma substância líquida tem de se misturar, formando um sistema homogêneo, ou se dissolver em outro líquido. Neste caso, geralmente considera-se a miscibilidade como uma propriedade mútua entre os dois líquidos do sistema.

Substâncias que se misturam e se solubilizam completamente, independente da sua proporção, são consideradas totalmente solúveis ou miscíveis. As interações entre as partículas das substâncias completamente solúveis são bastante efetivas e fortes.

Sistemas compostos geralmente por substâncias de polaridade muito diferentes, ou por sólidos iônicos que, apesar de serem polares, possuem elevada energia de hidratação, são considerados insolúveis, já que não solubilizam ou possuem solubilidade muito baixa (muitas vezes abaixo de 1g/100ml de solvente) em qualquer condição de temperatura ou de composição do sistema.

Já nos casos de compostos iônicos insolúveis em água, isto geralmente ocorre quando o cátion é pequeno e o ânion é bastante volumoso. Neste caso, o composto iônico passa a apresentar também um caráter covalente, e o pequeno cátion se torna quase que totalmente envolvido pelo ânion, dificultando o acesso das moléculas do solvente ao cátion, e fazendo com que a energia de hidratação dos íons não seja suficiente pra vencer a energia de rede do composto, e, assim, os íons não são separados e solvatados, o que os torna insolúveis neste solvente.

A maior parte das substâncias, porém, é parcialmente solúvel. Isto quer dizer que, para que elas sejam solúveis em um dado solvente, há determinadas condições de temperatura e de composição. Fora destas condições, a solubilidade é afetada. Existem líquidos que também são parcialmente miscíveis. Estes líquidos não se solubilizam mutuamente em todas as proporções, mas existem algumas destas condições em que eles formam uma única fase.

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Quando uma pequena quantidade de líquido B é adicionada a uma amostra de um segundo líquido A, a uma certa temperatura T’, há a dissolução completa e o sistema torna-se monofásico. Porém, se a adição de B continuar, há um ponto em que não há mais dissolução, se a temperatura continuar constante, a dissolução só volta a ocorrer se a temperatura aumentar. À temperatura inicial, e com a nova composição, o sistema é constituído por duas fases em equilíbrio: uma fase mais abundante, onde A é saturado por B, e uma fase bem menos abundante, onde B é saturado por A. Porém, se continuar-se adicionando B no sistema, chegará um ponto em que a proporção dos dois líquidos será tal que, mesmo mantendo-se a temperatura inicial, o sistema volta a ser monofásico, porque o líquido B dissolverá totalmente o líquido A.

Define-se fase como uma parte fisicamente definida e homogênea do sistema, quer seja sólida, líquida ou gasosa. Podem coexistir em equilíbrio várias fases sólidas e líquidas; porém em virtude da miscibilidade total dos gases entre si, só pode haver uma fase gasosa.

Diagramas de fase são também chamados de diagramas de equilíbrio ou de constituição e são mapas que apresentam a relação de fases em equilíbrio em função da temperatura, pressão e composição. Fornecem as informações necessárias para o controle das fases e microestruturas, conforme o equilíbrio termodinâmico.

Um tipo de diagrama utilizado para líquidos é o diagrama ternário utilizado para representar sistemas ternários (com três componentes).

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2. OBJETIVOS

Esse relatório teve como objetivo obter a curva binodal a pressão e temperatura ambiente, construção das linhas de união para um sistema de três componentes (água - ácido acético - clorofórmio), dos quais dois são totalmente miscíveis (ácido acético – água; ácido acético – clorofórmio).

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3. MATÉRIAIS E MÉTODOS

1.1. MATÉRIAIS

No experimento foram utilizados:

1. Erlenmeyers;

2. Bureta;

3. Balões de separação;

4. Solução NaOH

5. Ácido acético glacial

6. Clorofórmio

7. Fenolftaleína

1.2. MÉTODOS

Obtenção da curva binodal

Em cada frasco de Elermeyer com tampa foram colocados um sistema de 20g constituído por dois componentes totalmente miscíveis (água – ácido acético) com 10, 25, 40, 60 e 80% em peso de cada um deles. Preparou-se as soluções colocando os volumes adequados com bureta, tendo em conta as densidades dos líquidos utilizados. Titulou-se cada solução com o terceiro componente (clorofórmio) até turbidez permanente originada pelo aparecimento de outra fase. Anotou-se o valor correspondente ao primeiro aparecimento de turbidez, adicionou-se uma gota em excesso para verificar se houve aumento da turbidez. Após achados estes pontos no diagrama repetiu-se o processo de forma semelhante com o outro par miscível (ácido-acético – clorofórmio) e titulou-se com água. Completou-se a curva binodal.

Os valores obtidos estão listados nas tabelas 1 e 2.

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Tabela 1. Sistema 1: Solução de água em ácido acético: titulação com clorofórmio

Água (mL) Ácido Acético(mL) Clorofórmio (mL) Total

8 11,4 2,5 21,9

12 7,6 0,7 20,3

16 3,8 0,5 20,3

17 3,3 0,51 20,81

19,3 1,7 0,35 21,35

Tabela 2. Sistema 2: Solução de clorofórmio em ácido acético: titulação com água


0,2 1,90 12,16 14,26

1,1 4,70 10,14 15,94

2,0 7,63 8,10 17,73

6,0 11,44 5,40 22,84

11,3 15,25 2,70 29,25

Construção das linhas de união

Preparou-se três sistemas com diferentes composições totais, que foram tomadas do gráfico de modo que estivessem distribuídas dentro da curva binodal. Agitou-se cada sistema por 30 segundos, e separou-se as duas fases formadas com o auxilio de um balão de decantação. Determinou-se o volume e a densidade de cada uma das fases (balança de Mohr). Tomou-se uma aliqota de 2 mL de cada fase e se colocou-se em frascos erlenmeyer, separados, adicionou-se 30- 40 mL de água, 2 gotas de fenolftaleína e titulou-se por duplicado até a cor vermelho persistente (1 minuto).

Os pontos escolhidos com os respectivos volumes e os resultados do volume das fases e da titulação são mostrados nas tabelas 3 e 4.

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Tabela 4. Amostras para determinação das linhas de união

Amostra Fase % Voilume (cm³)

1

Ácido acético 40 38,13

Clorofórmio 25 16,89

Água 35 35

2



Água 25 25

3



Água 50 50

Tabela 5. Titulação com NaOH e volume das fases inferior (orgânica) e superior (aquosa)

Amostra Fase Volume (mL) Densidade (g/cm³)

VNaOH/mL

1

Inferior 16 1,4572 8,8

Superior 72 1,0253 18,8

2

Inferior 38 1,4059 7,3

Superior 42 1,0688 15,5

3

Inferior 28 1,3383 0,9

Superior 58,5 1,0845 5,9

Calculo da porcentagem em peso de ácido acético

A porcentagem em peso de ácido acético é dada pela formula abaixo:

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% em peso de ácido acético= (V1*f*N*10-1*Peq)/ V2

Onde :

V1: Volume de NaOH utilizado para titular a alíquota

V2: Volume em mL da alíquota

f: fator da solução valorada

N normalidade da solução de NaOH

Peq: peso equivalente do ácido acético em g/equivalente

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4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Em um diagrama ternário recorre-se à geometria dos prismas de base triangular onde às ordenadas se faz corresponder a temperatura ou a pressão e à base (um triângulo equilátero) se associa a composição dos componentes em fração molar (ou percentagens molares) (x1, x2 e x3) ou frações (ou percentagens ponderais) (w1, w2 e w3). Aos vértices do triângulo fazem-se corresponder os componentes puros da mistura ternária. Qualquer ponto sobre um dos lados do triângulo representa, assim, (a composição de) uma mistura binária, enquanto os pontos no interior do triângulo representam misturas dos três componentes.

Quando um sistema ternário apresenta dois líquidos miscíveis utiliza-se o diagrama tipo I que apresenta a forma da figura 1. Nela a linha [ACP] é a curva de solubilidade do componente 3 no sistema constituído pelos três líquidos 1, 2 e 3, enquanto que a curva [PDB] representa os limites de solubilidade do componente 2 no sistema ternário. A curva de solubilidade limitante da zona bifásica [ACPDB] denomina-se curva binodal. No exterior da curva binodal um sistema ternário é monofásico.

Figura 1. Diagrama triangular em que os pares 1-3 e 1-2 são parcialmente imiscíveis. As rectas no interior das zonas bifásicas representam tie-lines.

Quando em um sistema ternário há três pares (e não um só) que são parcialmente imiscíveis, são utilizados os diagramas do tipo II. Nesta situação o diagrama triangular tem o aspecto que se mostra na Figura 2. Se a temperatura baixar as duas zonas bifásicas aumentam de área, de forma que poderão intersectar-se, coalescendo, como se mostra na Figura 3.

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Figura 2: Diagrama triangular em que os pares 1-3 e 1-2 são parcialmente imiscíveis. As rectas no interior das zonas bifásicas representam tie-lines.

Figura 03: Os pares 1-3 e 1-2 são parcialmente imiscíveis e as áreas de imiscibilidade mútua intersectam-se. As retas no interior da zona bifásica são tie-lines.

As tie-lines ou linhas de união são retas que a uma dada temperatura une a composição de duas fases (conjugadas) em equilíbrio uma com a outra. E ponto de dobra representa a quantidade de ácido acético na que este se distribui de igual forma na fase aquosa e a orgânica.

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No experimento feito os pontos encontrados no diagrama estão na tabela 5 e 6, correspondentes ao sistema água - ácido acético, titulado com clorofórmio e ao sistema clorofórmio – ácido acético titulado com água, respectivamente.

Tabela 5- Frações de água, ácido acético e clorofórmio – Sistema 1

Fração de água Fração de ácido acético

Fração de clorofórmio

Total

0,37 0,52 0,11 1

0,59 0,37 0,04 1

0,79 0,19 0,02 1

0,82 0,16 0,02 1

0,90 0,08 0,02 1

Tabela 5- Frações de água, ácido acético e clorofórmio – Sistema 2


0,02 0,13 0,85 1

0,07 0,29 0,64 1

0,11 0,43 0,46 1

0,26 0,50 0,24 1

0,39 0,52 0,09 1

Os cálculos utilizados para encontrar as porcentagem em peso de ácido acético estão no anexo 1. Encontrado essa porcentagem e considerando desprezíveis as massas de água e de clorofórmio nas fases inferior (orgânica) e superior (aquosa), respectivamente, as porcentagens mássicas nas misturas são apresentadas na tabela abaixo:

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Tabela 7. Frações mássicas nas fases inferiores e superiores

Amostra Fase Fração da água

Fração do ácido acético

Fração do clorofórmio

Fração total

1

Inferior -- 0,25 0,75 1

Superior 0,46 0,54 -- 1

2

Inferior -- 0,34 0,84 1

Superior 0,66 0,16 -- 1

3

Inferior -- 0,03 0,97 1

Superior 0,87 0,17 0,83 1

Plotando os resultados obtidos para a curva binodal e linhas de união ou tie-lines em um diagrama triangular, obtém-se o diagrama de fases do sistema água, ácido acético e clorofórmio, mostrado abaixo:

Gráfico 1. Diagrama de fases

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5. CONCLUSÃO

O diagrama ternário determina as fases ternarias e binárias no equilíbrio líquido- líquido, demonstrando a miscibilidade entre eles.

Os sistemas ácido acético – água e ácido acético – clorofórmio são totalmente miscíveis. No diagrama o sistema água - clorofórmio (base do triangulo) se encontra abaixo da curva, demonstrando que são totalmente insolúveis e formam duas fases, já os sistemas completamente miscíveis formam apenas uma fase e se localizam acima da curva.

Conforme o gráfico o clorofórmio só se torna miscível em água, quando solubilizado em grande volume de água. O mesmo acontece inversamente.

Diferentes frações de água, clorofórmio e ácido acético podem formar tanto duas como uma fase. Esse sistema será monofásico quando houver medias a altas concentrações de ácido acético, e as concentrações de água e clorofórmio estiverem em pontos opostos no gráfico. O sistema será bifásico quando houver medias ou baixas concentrações de ácido acético e concentrações de água e clorofórmio medias ou altas.

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6. REFERÊNCIAS

LABVIRTUAL. Fundamentos do equilíbrio líquido-líquido (LLE). Disponível em: <http://labvirtual.eq.uc.pt/siteJoomla/index.php?option=com_content&task=view&id=150&Itemid=303> Acesso em 11 de abril de 2015.

Equilíbrio Líquido-Líquido para o sistema Água-Clorofórmio-Ácido Acético. Disponível em: <http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAY_4AI/equilibrio-liquido-liquido-sistema-agua-cloroformio-acido-acetico>. Acesso em: 11 de abril de 2015.

Solubilidade, miscibilidade e sistemas miscíveis, imiscíveis e parcialmente miscíveis. Disponível em: <http://www.ebah.com.br/content/ABAAAA6TcAB/solubilidade-miscibilidade-sistemas-misciveis-imisciveis-parcialmente-misciveis >. Acesso em:11 de Abril de 2015

ATKINS, P.; DE PAULA, J. Físico-Química. Tradução de Edilson Clemente da Silva, Márcio J. E. de Mello Cardoso e Oswaldo Esteves Barcia. 7 ed. Volume 1. Rio de Janeiro: LTC, 2003.

Scheid, Adriano. Diagramas de fase. UFPR. Jul. 2009. Disponível em: <http://ftp.demec.ufpr.br/disciplinas/TM343/Diagrama%20de%20Fases.pdf> . Acesso: 11 de abril de 2015.

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ANEXOS 1

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Diagrama ternário

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