Universidade Estadual de Montes Claros - UNIMONTES

Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas - CCET

Curso de Química Licenciatura

Prática n° 3

Efeito da temperatura sobre a miscibilidade de dois líquidos

Eusienne Vieira Faria

Walber G. G. Júnior

Bocaiúva-MG

Outubro /2012

Introdução

Alguns pares de líquidos puros, quando misturados em proporções apropriadas a certas

temperaturas e pressões, não formam apenas uma fase líquida homogênea, mas duas fases líquidas com

diferentes composições. Este fato acontece devido ao estado bifásico ser mais estável que o estado

monofásico. Se estas fases estão em equilíbrio, então o fenômeno é chamado equilíbrio líquido-líquido.

O estado de equilíbrio termodinâmico é buscado por todos os sistemas. A termodinâmica fornece

um critério de estabilidade que deve ser satisfeito, estabelecendo que, a uma temperatura e pressão

constantes, um estado estável é aquele que apresenta um mínimo na energia livre de Gibbs:

dGT,p ≤ 0

Ao misturar duas ou mais substâncias, define-se dG como a diferença entre a energia livre de

Gibbs da solução e a dos compostos puros. Se dG ≤ 0 , forma-se uma solução monofásica estável; porém

se dG 0, a solução homogênea é instável e o sistema é obrigado a se dividir em duas ou mais fases, a

fim de minimizar a energia livre de Gibbs. Desta maneira se formam sistemas bifásicos ou até

multifásicos.

Um sistema heterogêneo composto de duas ou mais fases é um sistema fechado e cada fase dentro

deste sistema é um sistema homogêneo aberto dentro do sistema total fechado. Um sistema deste tipo, em

que não ocorra reação química, estará em equilíbrio em relação aos processos de transferência de calor,

deslocamento da fronteira e transferência de massa.

Dependendo das condições de concentração e temperatura, uma mistura binária de dois líquidos

pode apresentar formando uma única fase homogênea ou formando duas fases com concentrações

distintas, com uma interface separando-as. Este fenômeno denomina separação de fases ou também

transição de fase líquido-líquido. O comportamento destes sistemas em equilíbrio se estuda por meio de

gráficos que se conhecem como diagramas de fases, o qual mostra uma curva de coexistência das fases,

que separa a região onde o sistema se apresenta em uma única fase da região em que o sistema apresenta

duas fases.

Sempre que se misturam dois componentes líquidos podem ocorrer dois casos extremos:

a) Ambos os líquidos são completamente miscíveis entre si, ou seja, podem ser misturados em

quaisquer proporções. Por exemplo, o sistema água e etanol, ou tolueno ao benzeno; a mistura se mantém

em uma única fase (monofásica) independente da quantidade do segundo componente adicionado.

b) Os líquidos são imiscíveis entre, ou seja, não se misturam em sua totalidade. Um exemplo é a

mistura de água com pentano que resulta na formação de duas camadas liquidas separadas; uma delas, a

de água, contem apenas traços de pentano, enquanto que a outra, do pentano, contem traços de água

dissolvida.

Entre estes dois casos extremos, podemos encontrar pares de líquidos que são parcialmente

miscíveis, ou seja, apresentam solubilidade parcial, comportando-se como miscíveis em determinadas

proporções e imiscíveis em outras. Como exemplo o sistema água e fenol. Inicialmente, pequenas

quantidades de fenol se dissolvem na água, resultando uma mistura monofásica; entretanto, num

determinado instante a água torna-se saturada, e com a posterior adição de fenol obtém duas camadas

líquidas distintas, uma rica em água, a outra rica em fenol.

Objetivos

Construir a curva de solubilidade mútua para dois líquidos parcialmente miscíveis e determinar a

temperatura crítica de solução.

Materiais e reagentes

Espátula

Balança semi-analítica

Erlenmeyer

Béquer

Pipeta

Fenol P.A.

Água destilada

Bico de Bünsen

Tripé

Tela de amianto

Termômetro

Procedimento

Mediu-se 2,5; 5,0 e 10 g de fenol e transferiu-se para três erlenmeyers distintos.

Introduziu-se no erlenmeyer contendo 2,5 g de fenol um termômetro e adicionou-se 12,5 mL de

água destilada.

Aqueceu-se o frasco até que a mistura tornou-se límpida e anotou-se a temperatura. Deixou-se

esfriar, agitando continuamente. Anotou-se a temperatura em que reapareceu a segunda fase líquida,

caracterizada pela aparência leitosa do líquido.

Adicionou-se à mistura, em seguida, mais 4 mL de água destilada e determinou-se a temperatura

de saturação desta nova mistura. Procedeu-se do mesmo modo adicionando mais 6 e 7 mL.

Realizou-se o mesmo procedimento descrito anteriormente utilizando para 5,0g de fenol 7,5mL

de água e adicionando sucessivamente mais 1,5; 3,0; 3,0 e 3,0 mL de água, e para 10 g de fenol utilizou-

se 4,0mL de água e adicionou-se sucessivamente mais 1,0; 3,0 e 4,0 mL de água.

Através da Equação I a seguir, pode-se calcular a fração molar do fenol na solução.

(Fenol) =

Equação I

Para todo o sistema, foram aplicadas as seguintes fórmulas:

Através da equação de densidade pôde-se calcular a massa de água na solução. Considerou-se a

densidade da água igual a 1g . cm-3

.

m(H2O) = (H2O) x volume

n = m/MM, onde m é a massa, n é o número de mols e MM corresponde à massa molecular.

E com as Equações II .

∆Gmist. = nRT ∑ xi.ln(xi) Equação II

E o calculo de erro da temperatura critica da solução foi obtido através da Equação IV.

=

X 100 Equação IV.

Resultado e discussão

Para fins de calculo, considerou-se a temperatura de 293,15 K (20 °C).

Os dados encontrados estão dispostos na Tabela 1.

Tabela 1 - Valores de Temperatura média, Fração Molar e ∆Gmist.

Amostra de fenol

(g)

Temperatura

Média (°C)

Fração Molar do

fenol - fenol (%)

∆Gmist. (kJ . mol-1

)

2,5

57 4,17 -0,6914

50 3,17 -0,4462

40,5 2,35 -0,1503

37,5 1,80 3,1

5

60 15,41 -0,595

66,5 12,08 -0,691

62 10,69 -0,707

62 9,11 0,773

10

18,5 7,39 -0,502

31,5 32,40 -0,594

53,5 30,0 -0,733

59,5 19,33 0,31

Com os dados de temperatura media e fração molar do fenol, o gráfico de temperatura em função

da composição (Figura I) pôde ser obtido.

Figura I – Diagrama de fases para o sistema fenol-água.

O ajuste dos pontos nos mostra uma parábola, que foi dividida em dois segmentos. O primeiro

segmento (c) é a curva ajustada aos dados obtidos e o segundo segmento (d) nos deu uma estimativa dos

pontos, isso é, uma projeção de como se comportaria o sistema em outras composições.

Abaixo da curva o sistema é homogêneo e acima o sistema é heterogêneo, configurando assim a

miscibilidade, como sendo a área abaixo da curva e a imiscibilidade, toda a área acima da mesma,

representado por P =1 e P = 2, onde significam que existe apenas uma fase e onde existem duas fases,

respectivamente.

Em solução não-ideal o calor de mistura é não nulo, com isso o ∆G deixa de ser uma grandeza

definida apenas pela entropia. Considerando T = 293,15 K, o ∆G= 1,69 kJ . mol-1

, para uma mistura

binária equimolar, como 1,69 kJ . mol-1

não é valor alto, caso o calor de mistura for maior que

1,69 kJ . mol-1

, ∆G > 0, os líquidos passam a não misturar, isso é, deixam de ser miscíveis, o que

corresponde os dados, onde ocorre a não miscibilidade dos líquidos (P = 2), ∆G > 0.

∆Gmist. = nRT ∑ xi.ln (xi)

∆Gmist. = 0,721 . 8,314 . 330,15 . [0,0266 . ln(0,0266) + 0,6944 . ln(0,6944)]

∆Gmist. = -0,6914 kJ . mol-1

O fenol e água formam uma solução parcialmente miscível a pressão atmosférica e temperatura

ambiente. A temperatura critica superior experimental foi de 66,5 °C, correspondendo a um erro de

1,53% em relação à temperatura superior da literatura, concluindo-se tratar de um método experimental

bastante confiável.

=

X 100 = 1,53 %

Mesmo obtendo um erro baixo, podemos destacar a perda de material ao agitar com o termômetro

a solução, a perda na transferência de material do béquer para o erlenmeyer, e nos arredondamentos do

aferimento da temperatura.

Conclusão

A partir do estudo e construção de diagramas de fases líquido-líquido de substâncias parcialmente

miscíveis é possível determinar em que região de temperatura se encontrará fases homogêneas ou

heterogêneas formada por essa mistura. Essas informações são de vital importância para a análise de

misturas. Líquidos parcialmente miscíveis são líquidos que não se misturam em todas as proporções. O

exemplo utilizado foi o sistema água-fenol, a miscibilidade entre os dois componentes varia com a

temperatura a composição das duas fases, dessa maneira, utilizamos dessas variáveis para construir um

diagrama de fases de temperatura X composição da mistura para mostrar a composição do sistema a cada

temperatura. Com isso foi possível determinar a temperatura critica da solução, 66,5 °C e seu erro de

1,53%.

Referências

LIDE, D. R. Handbook of Chemistry and Physics. National Institute of Standards and Technology: CRC

Press, 2005.

ATKINS, P. W., PAULA, J., Físico-Química. Rio de Janeiro. Vol. I: LTC, 2004.

CASTELLAN, G., Fundamentos de Físico-Química. Rio de Janeiro: LTC. 1986.