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Sistema ternário

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Sistema ternário

  1. 1. UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA – DEQ QUÍMICA INDUSTRIAL Quinto relatório de Laboratório de Físico-Química 2 Equilíbrio Heterogêneo (Sistema Ternário)Professor: Luciano CostaAluna: Larissa Ciro Souza da SilvaCurso: Química Industrial Recife, Dezembro2011
  2. 2. 1- Introdução O estado de equilíbrio de um sistema fechado é aquele estado no qual a energia deGibbs total é o mínimo em relação a todas as possíveis mudanças nas temperaturas e pressãoespecificadas. Muitos pares de espécies químicas, quando misturadas em uma certa faixa decomposições para formar uma única fase líquida, podem não satisfazer o critério deestabilidade. Conseqüentemente, nesta faixa de composições, tais sistemas se dividem emduas fases líquidas com composições diferentes. Se as fases estão em equilíbriotermodinâmico, o fenômeno é um exemplo de equilíbrio líquido-líquido, que é importante emmuitas operações industriais como a extração com solventes. O conhecimento de dados de equilíbrio líquido-líquido é fundamental para o estudodos processos de separação por extração. Geralmente os dados de equilíbrio líquido-líquidosão representados por um gráfico triangular eqüilateral conhecido como curva binodal, quesepara a região de duas fases da região homogênea. As composições das fases em equilíbriopodem ser determinadas através das linhas de amarração que representam as duas fases emequilíbrio.1.1 Diagrama ternário É conveniente visualizar um sistema ternário utilizando um diagrama triangular,chamado de diagrama ternário ou diagrama de Stokes e Roozeboom. Este diagrama é,geometricamente, um triângulo equilátero e define, por exemplo, as composições emporcentagem em massa (% m/m) do sistema ou em fração molar. Cada vértice do triângulo representa um componente. Podemos traçar uma reta perpendicular a qualquer um dos lados do triângulopassando por um dos vértices e dividir essa perpendicular em 10 partes iguais. Excluindo ovértice e o ponto formado pela interseção da perpendicular com o lado do triângulo, serãooriginados da divisão 9 pontos sobre a perpendicular. Podemos, então, traçar retas paralelasao lado do triângulo em questão passando por cada um desses pontos. Feito isso, tem-se a seguinte convenção: “Sabendo que o vértice A corresponde a umdos componentes do sistema ternário, o lado do triângulo oposto a este vértice representauma composição nula deste componente no sistema.” A primeira reta paralela a este lado, contando a partir do próprio lado, representa umacomposição de 10 % do componente no sistema, a segunda paralela representa umacomposição de 20 % e assim sucessivamente até que o próprio vértice A corresponde a umacomposição de 100 % do componente no sistema, ou seja, o componente puro (Figura 1). A Figura 1. Construção do diagrama ternário e sua leitura. 2
  3. 3. Este procedimento é feito para todos os lados do triângulo, originando o diagrama ternário (Figura 2). Qualquer reta paralela a um dos lados do triângulo representa uma composição constante do componente locado no vértice oposto. Qualquer ponto situado em um dos lados do triangulo indica que temos apenas dois componentes no sistema, de acordo com a convenção adotada. Os pontos interiores ao triângulo apresentam 3 coordenadas, cada uma para a composição de um componente. A Figura 2. Diagrama ternário pronto para utilização. B C Experimentalmente, a curva traçada utilizando diagrama de fase ternário é obtida preparando-se misturas conhecidas de 2 líquidos pouco miscíveis, às quais são adicionados volumes conhecidos de um terceiro líquido, até que a turbidez desapareça. Calculando-se as frações molares (ou porcentagem em massa) de cada componente no momento em que a turbidez desaparece, determinam-se pontos no diagrama que permitem o traçado da curva de solubilidade (ou curva binodal), em vermelho na Figura 3.Figura 3. Diagrama ternário com curva desolubilidade construída. Nele temostambém indicado um plalt point (em azul)e duas tie lines (em cor-de-rosa). N L 3
  4. 4. O diagrama ternário apresenta duas regiões, uma monofásica e outra bifásica. Para melhor entendimento do diagrama, esclarece-se que os pontos localizados acimada curva binodal (em vermelho) compõem a configuração monofásica do sistema. Os pontoslocalizados abaixo da curva representam a configuração bifásica do sistema. Já os pontos localizados exatamente sobre a curva binodal apresentam comocaracterística um sistema turvo, indicando o limite entre os aspectos monofásico e o bifásico.Estes pontos são chamados de pontos de opalescência ou plalt points, definidos como pontoscríticos do sistema. Um sistema representado pelo ponto M, por exemplo, está separado em duas fases decomposição L e N. Estas duas soluções são chamadas soluções conjugadas e a linha que une ascomposições dessas soluções é chamada de linha de amarração (linha de correlação ou tieline). Em geral, as linhas de correlação não são paralelas, porque a solubilidade docomponente, miscível nos outros dois, não é a mesma nas camadas. Conseqüentemente, a suaorientação deve ser determinada experimentalmente. No esquema da Figura 3 temos duas tielines representadas em cor-de-rosa.2.3 – Tipos de sistemas ternários De acordo com a miscibilidade parcial dos três componentes envolvidos na formaçãodo sistema, existem três tipos de sistema líquidos ternários. O Tipo I representa um sistema em que só um par de componentes é parcial outotalmente imiscível; os outros dois pares são completamente miscíveis em todas asproporções. É o diagrama mais comum que existe. No Tipo II, dois pares de componentes são parciais ou totalmente imiscíveis. No tipo III, todos os três pares de componentes são parciais ou totalmente imiscíveis. De um modo geral, a área de imiscibilidade de um sistema ternário diminui quando atemperatura se eleva. Um sistema ternário que apresenta relações de solubilidade do Tipo I, para dois paresde componentes pode transformar-se num sistema do Tipo II, por abaixamento datemperatura. Semelhantemente, um sistema ternário que apresenta relações de solubilidadedo tipo I para os três pares de componentes, pode transformar-se num sistema do Tipo III, porabaixamento da temperatura. 2- Objetivos2.1- Objetivo Geral Realizar um estudo sobre um sistema heterogêneo através da construção do diagrama de fases de um sistema ternário. .2.2- Objetivo Específico Verificar experimentalmente a solubilidade de dois líquidos parcialmente miscíveis (água e éter) com um terceiro completamente miscível (ácido acético) nos outros dois. 4
  5. 5. Construir o diagrama de solubilidade e do ponto crítico isotérmico para o sistema ternário em questão. Analisar a solubilidade de compostos e as variáveis que interferem neste fenômeno. Pela técnica da extração, determinar os pontos da tie line. 3- Materiais e Método3.1- Materiais Buretas de vidro de 50 mL Suporte universal Garra Béquer de 50 mL Erlenmeyers de 250 mL e 125 mL Funis de separação de 125 mL Anéis para suporte Pipetas graduadas de 10 mL Pipetas volumétricas de 5 mL Provetas de vidro graduadas de 50 mL e 100 mL Pêra de borracha Água destilada, Éter propílico P.A. Ácido Acético Solução de fenolftaleína Solução aquosa de hidróxido de sódio (NaOH) 2,0 M Balança semi-analítica3.2- Procedimento Experimental3.2.1 - Determinação da curva de solubilidade (1° parte) Em um erlenmeyer de 250 mL foi adicionado 10 mL de éter e 3 mL de água destilada.Essa mistura foi agitada até formar uma solução turva. Em seguida, com uma bureta contendo ácido acético, adicionou-se o mesmo sobagitação vigorosa, até a obtenção de um sistema límpido (solução dos 3 componentes).Anotou-se o volume gasto do ácido acético. Logo após, foi adicionado à solução mais 2 mL de 5
  6. 6. água destilada e repetiu-se o gotejamento de ácido acético com a bureta até obter-senovamente uma solução homogênea, anotando o volume de ácido utilizado. Este processo foi repetido, sendo adicionado mais 5, 10, 20, 30 mL de água nãosistema. Anotaram-se os volumes mínimos de ácido gasto para homogeneizar o sistema emcada repetição. Em outro erlenmeyer de 250 mL, foram adicionados 2 mL de éter e 5 mL de água eagitou-se o sistema. Com a bureta, gotejou-se ácido acético até o sistema formado tornar-sehomogêneo e anotou-se o volume gasto do ácido, seguindo o procedimento inicial. Da mesma forma realizada anteriormente, repetiu-se o processo, adicionando mais 5,10, 20, e 30 mL de água e anotou-se o volume de ácido usado correspondente em cada caso.3.2.1 - Determinação dos pontos tie line (2° parte) Em três funis de decantação de 125 mL, foram preparadas as seguintesmisturas de acordo com a tabela (Tabela 1) a seguir:Tabela 1: Especificações para o preparo dos sistemas de cada funil de separação. Funil Volume de éter Volume de Volume de (mL) água (mL) ácido acético (mL) Funil A 30 35 35 Funil B 30 25 45 Funil C 35 40 25 Após serem feitas as misturas, cada funil foi agitado vigorosamente, semprecontrolando a pressão interna da mistura e deixou-se as camadas se separarem, colocando osfunis suspensos em anéis de suporte. Em seguida, o volume correto de cada fase aquosa foi determinado e 5 mL de cadafase foi tomado, colocando-o num erlenmeyer previamente tarado. O conjunto foi pesado e osistema foi submetido a uma titulação utilizando a solução de hidróxido de sódio 2M efenolftaleína como indicador. Anotou-se o volume gasto. Repetiu-se o procedimento para os funis restantes. 6
  7. 7. 4- Resultados e Discussão4.1 - Determinação da curva de solubilidade (1ª parte) A tabela a seguir (Tabela 2) é composta pelos resultados experimentais encontrados quandose fixou o volume de éter no sistema e houve adição de volume de água. A massa (m) dos compostos é calculada de acordo com a seguinte expressão: m d V Em que d é a densidade do composto e V é o volume do mesmo. A quantidade de matéria (n) é calculada de acordo com a seguinte expressão: m n M Em que m é a massa do composto e M é a massa molar do mesmo. Para realizar os cálculos são necessários os dados a seguir: Água: Densidade = 1,0 g/mL Massa molar = 18 g/mol Éter propílico: Densidade = 0,724 g/mL Massa molar = 102 g/mol Ácido Acético: Densidade = 1,049 g/mL Massa molar = 60 g/molTabela 2: Resultados experimentais adicionando água e mantendo fixo o volume de éter. Água Éter Ácido AcéticoEnsaio V m (g) n (mol) V m (g) n (mol) V m (g) n (mol) (mL) (mL) (mL) 1 3 3 0,167 10 7,24 0,071 7,4 7,763 0,129 2 5 5 0,278 10 7,24 0,071 17,7 18,567 0,309 3 10 10 0,556 10 7,24 0,071 32,8 34,407 0,573 4 20 20 1,111 10 7,24 0,071 56,6 59,373 0,990 5 40 40 2,222 10 7,24 0,071 92,2 96,718 1,612 6 70 70 3,889 10 7,24 0,071 142 148,958 2,483 7
  8. 8. A partir dos valores da tabela, determinou-se a fração molar e a percentagem emmassa, utilizando as expressões a seguir, respectivamente. Os resultados obtidos pelarealização doscálculos estão na n (A)tabela a seguir x (A) n total(Tabela 3). m (A) % (m/m) (A) 100 % m totalTabela 3: Resultados experimentais Água Éter Ácido AcéticoEnsaio m (g) Fração % m (g) Fração % m (g) Fração % molar (m/m) molar (m/m) molar (m/m) 1 3 0,454 16,664 7,24 0,193 40,216 7,763 0,353 43,119 2 5 0,422 16,230 7,24 0,108 23,501 18,567 0,470 60,269 3 10 0,463 19,362 7,24 0,0592 14,018 34,407 0,478 66,620 4 20 0,512 23,091 7,24 0,033 8,359 59,373 0,456 68,5499 5 40 0,569 27,785 7,24 0,0182 5,030 96,719 0,413 67,185 6 70 0,604 30,946 7,24 0,0110 3,201 148,958 0,385 65,853 A tabela a seguir contém os resultados experimentais quando novamente se fixou ovolume de éter no sistema e variou-se o volume de água. Os cálculos realizados são similaresaos mostrados anteriormente.Tabela 4: Resultados experimentais adicionando água o e mantendo fixo o volume de éter. Água Éter Ácido AcéticoEnsaio V m (g) n (mol) V m (g) n (mol) V m (g) n (mol) (mL) (mL) (mL) 1 5 5 0,278 2 1,448 0,014 5,2 5,455 0,091 2 10 10 0,556 2 1,448 0,014 12 12,588 0,210 3 20 20 1,111 2 1,448 0,014 20,4 21,400 0,357 4 40 40 2,222 2 1,448 0,014 29 30,421 0,507 Do mesmo modo que anteriormente, com o auxílio dos valores na tabela, as fraçõesmolares e percentagem em massa dos componentes do sistema foram determinadas no 8
  9. 9. momento em que os mesmos estavam homogêneos. Os resultados obtidos através doscálculos constam na tabela a seguir (Tabela 5)Tabela 5: Resultados experimentais. Água Éter Ácido AcéticoEnsaio m (g) Fração % m (g) Fração % m (g) Fração % molar (m/m) molar (m/m) molar (m/m) 1 5 0,725 42,007 1,448 0,037 12,165 5,455 0,237 45,828 2 10 0,713 41,604 1,448 0,018 6,024 12,588 0,269 52,371 3 20 0,750 46,677 1,448 0,010 3,379 21,400 0,241 49,944 4 40 0,810 55,657 1,448 0,005 2,014 30,421 0,185 42,328 Com base nas tabelas construídas, foram feitos os diagramas ternários que sãoapresentados a seguir. O diagrama da figura 5 foi feito levando-se em consideração apercentagem em massa. O diagrama da figura 6 foi plotado utilizando-se as composições emfração molar. Nas mesmas figuras, as curvas de solubilidade estão representadas pelas auto-formas. Figura 5. Diagrama ternário plotado utilizando os valores de porcentagem em massa dos compostos, constantes das Tabelas 3 e 5. 9
  10. 10. Figura 6. Diagrama ternário plotado utilizando os valores de fração molar dos compostos, constantes das Tabelas 3 e 5.Figura 7. Diagrama ternário plotado utilizando os valores de massa/massa dos compostos,constantes das Tabelas 3 e 5. 10
  11. 11. 5.2 - Determinação dos pontos tie line (2° parte) A tabela a seguir contém os resultados das pesagens realizadas e dos volumes de basegastos nas titulações, em que: m é a massa do volume de 5 mL da parte aquosa resultante e VTé o volume gasto na titulação. Não foi possível prosseguir os cálculos com o funil B, pois nãohouve separação das misturas. Tabela 6. Valores obtidos na titulação. Fase aquosa. Ensaio realizado no funil m (g) VT (mL) A 5,48 19,43 B - - C 5,52 15,75 Tabela 7. Valores obtidos na titulação. Fase orgânica. Ensaio realizado no funil m (g) VT (mL) A 4,30 8,90 B - - C 4,16 5,60 Através dos volumes de NaOH, é possível determinar as massas de ácido acético emcada fase das misturas utilizando a reação de neutralização do ácido pela base em questão(concentração 1:1). NaOH(aq) + CH3COOH(aq) → NaCH3COO(aq) + H2O(l) Pela estequiometria da reação acima o número de mols de NaOH vai ser igual ao número demols do ácido acético, podendo assim determinar a massa de cada componente da mistura, atravésdas equações abaixo.- Funil A: - fase aquosa: n C= V (L) mtotal = 5,48 g nNaOH = 0,039 VNaOH = 19,43mL = 0,01943 L mol 11
  12. 12. CNaOH = 2 mol/L Como o número de mols de NaOH é igual ao numero de mols do HAC: mH2O = mtotal - mHAC 2,33 3,15MHAC = 60 g/mol XHAC = .100 XH2O = .100 mH2O = 3,15 g 5,48 5,48mHAC = 2,33 g XHAC =42,52% XH2O =57,48%- Funil C: - fase aquosa: n C= V (L) mtotal = 5,52 g nNaOH = 0,0315 VNaOH = 15,75 mL = 0,01575 L mol CNaOH = 2 mol/L Como o número de mols de NaOH é igual ao numero de mols do HAC: mH2O = mtotal - mHAC 1,89 3,63MHAC = 60 g/mol XHAC = .100 XH2O = .100 mH2O = 3,63 g 5,52 5,52mHAC = 1,89 g XHAC =34,24% XH2O =- Funil A: 65,76% - fase orgânica: n C= V (L) mtotal = 4,30 g nNaOH = 0,0178 VNaOH = 8,90 mL = 0,0089 L mol CNaOH = 2 mol/L Como o número de mols de NaOH é igual ao numero de mols do HAC: Méter = mtotal - mHAC 1,07 3,23MHAC = 60 g/mol XHAC = .100 Xéter = .100 Méter = 3,23 g 4,30 4,30mHAC = 1,07 XHAC = 24,88% Xéter = 75,12%- Funil C: - fase orgânica: n C= 12 V (L) nNaOH = 0,0112 mol
  13. 13. mtotal = 4,16 g VNaOH = 5,60 mL = 0,0056 L CNaOH = 2 mol/L Como o número de mols de NaOH é igual ao numero de mols do HAC: Méter = mtotal - mHAC 0,67 3,49MHAC = 60 g/mol XHAC = .100 Xéter= .100 Méter = 3,49 g 4,16 4,16mHAC = 0,67 g XHAC = 16,11% Xéter = 83,89% As tabelas abaixo mostram os valores obtidos: Tabela 8. Valores obtidos na titulação. Fase aquosa. Ensaio realizado no H2O (%) Ác. Acético (%) Éter (%) funil A 57,48 42,52 0 B - - - C 65,76 34,24 0 Tabela 8. Valores obtidos na titulação. Fase orgânica Ensaio realizado no H2O (%) Ác. Acético (%) Éter (%) funil A 0 24,88 75,12 B - - - C 0 16,11 83,89OBS: Desconsiderou-se a presença de benzeno da fase aquosa. Assim, como na fase orgânica,desconsiderou-se a presença de água. Para determinar as tie lines é preciso ter um par de pontos, que são os pontos das fasestanto aquosas quanto a orgânica. 13
  14. 14. Com as tie lines, poderia ser determinado em quais os solventes o ácido acético seriamais solúvel. Essa conclusão se dá pelo fato dessas linhas se unirem as fases em equilíbrio, e seposicionarem em sentido crescente ou decrescente em direção à uma das fases. Figura 7. Diagrama ternário plotado utilizando os valores de fração molar dos compostos, determinação das tie lines. Figura 8. Diagrama ternário plotado utilizando os valores de porcetagem de massa doscompostos, determinação das tie lines. 14
  15. 15. 5- Conclusão A realização da pratica foi muito importante para o aprendizado na analise de operações de extração, que é o diagrama ternário. As curvas obtidas foram satisfatórias de acordo com o esperado, embora o experimento não seja muito preciso.6- Referências 1) DE MIRANDA-PINTO, C. O. B.; De Souza, E. Manual de trabalhos práticos de Físico- química. Belo Horizonte: Editora UFMG, 2006. 2) DANIELS, F.; MATHEWS, J. H.; WILLIAMS, J. W.; BENDER, P. ALBERTY, R. A. Experimental physical chemistry. 5th ed. New York: McGraw-Hill Book Company, 1956. 3) MC CABE, W. L.; SMITH, J. C. HARRIOTT, P. Unit operations of chemical engeneering. 7th ed. New York: McGraw Hill, 2005. 4) DE ALMEIDA, A. M. Determinação voltamétrica de molibdênio(VI) utilizando um sistema ternário homogêneo de solventes. São Paulo: Universidade Estadual de campinas, 2003. 15

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