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Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP Instituto de Química – IQ

QF952A – 2s/2009

Equilíbrio Líquido - Vapor (Clorofórmio/Acetona)

Rodrigo Steter Rocco RA017300 Flávia da Silva Nascimento RA032861 Flávio Araújo de Freitas RA032880 12/09/2009

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1- Introdução

O estudo sobre equilíbrio entre líquidos e vapores é de grande importância já que este

conhecimento permite entender melhor o processo de destilação, usado com frequência no

laboratório e na indústria.

A partir de dados obtidos com experimentos onde este tipo de equilíbrio é analisado pode-

se construir diagramas de fases, onde o eixo da abscissa representa a fração molar ou mássica

e o eixo da ordenada a temperatura de equilíbrio Líquido-Vapor ou a pressão de equilíbrio e a

partir deste, é possível obter informações como a composição e número de fases do sistema e

índices de refração.

O principal variável a se determinar é a composição do sistema, e para isto pode-se utilizar

vários métodos, tais como: medida de densidade, cromatografia em fase gasosa, em fase

líquida, titulação, índice de refração, espectrofometria, etc.

Com a regra da alavanca pode-se determinar as proporções das fases em equilíbrio em um

sistema.

As misturas não-ideais frequentemente formam azeótropos, ou seja, uma mistura onde os

componentes entram em ebulição na mesma temperatura como se fosse uma substância pura.

E nestes casos, não é mais possível separá-los através de destilação fracionada.

Soluções reais seguem a lei de Raoult (Psolução= p1*.X1 + p2*.X2...), onde p*= pressão de

vapor do componente puro e X = fração molar do mesmo componente na solução. Nestas

soluções as interações entre os diferentes líquidos da mistura possuem interações moleculares

muito próximas daquelas existentes nos compornentes puros. Mas a maioria das soluções não

são ideais, neste caso e pode-se perceber um desvio positivo (quando a interação entre as

moléculas dos dois líquidos é mais forte que a interação das moléculas dos componentes

puros) ou um desvio negativo (quando a interação entre as moléculas dos dois líquidos é mais

fraca que a interação das moléculas dos componentes puros).

Outra regra que podemos usar é a regra da fases de Gibbs (F= C – Ph + 2. Esta nos

permite saber a partir do número de componentes (C ) e do número de fases presentes no

sistema (Ph), o número propriedades intensivas (Temperatura, Pressão e Componentes em

cada fase) que podem ser mudadas sem alterar o equilíbrio, também conhecido como graus de

liberdade (F).

Neste experimento realizou-se a mistura de dois componentes (Clorofórmio/Acetona e

Clorofórmio/Metanol) a fim de se determinar a composição da fase líquida e gasosa através de

comparação do índice de refração das alíquotas coletadas com o índice de refração de

amostras com composição conhecidas, dos mesmos componentes, previamente conhecidas.

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2- Objetivo

Obter e analisar os diagramas de fase líquido-vapor para os dois sistemas binários, e

dessa forma verificar se há ou não a formação de azeótropo, à uma pressão constante.

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3- Materiais e Métodos

3.1- Materiais

Buretas de 10ml

Balão volumétrico de10ml

Béckers de 50ml

Cotrell

Termômetro de 100,0 °C

Eppendorf

Condensador

Provetas de 50ml.

Refratômetro Abbe

Suportes, pinças e garras para vidrarias

3.2- Reagentes

Clorofórmio. Densidade 119,38

Acetona. Densidade 58,08

3.3- Procedimento

Curva de calibração

1. Preparou-se misturas do par Acetona/Clorofórmio nas seguinte proporções 9ml/1ml, 8ml/2ml,

7ml/3ml, 6ml/4ml, 5ml/5ml, 4ml/6ml, 3ml/7ml, 2ml/8ml, 1ml/9ml nos balões de 10ml.

2. Agitou-se bem as soluções.

3. Mediu-se o índice de refração das 9 soluções e do clorofórmio e acetona puros.

Diagrama de fase

1. Adicionou-se 50ml de clorofórmio ao cotrell pelo condensador e mediu-se a temperatura quando

atingisse o ponto de ebulição.

2. Adicionou-se incrementos de acetona, e a cada adição alíquotas de vapor condensado e de líquido

foram recolhidas nos eppendorfes depois que o sistema atingia o equilíbrio (quando a temperatura

atingia o ponto de ebulição).

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3. As quantidades de acetona foram adicionadas nas seguintes proporções:

Solução ml de acetona adicionado a 50

ml de clorofórmio

1 0

2 8

3 8

4 6

5 6

6 6

4. Mediu-se os índices de refração para cada alíquota.

5. Repetiu-se o procedimento acima iniciando com 50ml de acetona no cotrell e depois acrescentando

incrementos de clorofórmio nas seguintes proporções:

Solução ml de clorofórmio adicionado a

50 ml de acetona

7 10

8 10

9 10

10 10

11 10

12 10

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4- Resultados e discussão:

Tabela1: Dados para curva de calibração

Clorofórmio/ Acetona

Clorofórmio (mol) 9-1 Acetona (mol) 1-9 Soma Xm Clorofórmio Xm Acetona Refração

1 1,4425

0,112 0,014 0,125 0,892 0,108 1,435

0,099 0,027 0,126 0,785 0,215 1,426

0,087 0,041 0,127 0,681 0,319 1,417

0,074 0,054 0,129 0,578 0,422 1,4165

0,062 0,068 0,130 0,477 0,523 1,4

0,050 0,081 0,131 0,379 0,621 1,393

0,037 0,095 0,132 0,281 0,719 1,383

0,025 0,109 0,133 0,186 0,814 1,374

0,012 0,122 0,135 0,092 0,908 1,3655

Gráfico1. Curva de calibração

A curva de calibração apresentou um ponto que destoa dos outros valores encontrados,

mas, apesar disto pode-se ver a reta esperada que foi formada, e portanto esse único

ponto não atrapalhaou a análise do gráfico.

A partir da equação gerada pelo gráfico, substituiu-se o valor do índice de refração

encontrado das alíquotas do vapor condensado e do líquido na incognita x e obteve-se

então o valor da fração molar de clorofórmio naquela alíquota.

Por diferença encontrou-se o valor da concentração molar de acetona.

C alibraç ãoy = 11,568x - 15,721

R 2 = 0,9884

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,35 1,4 1,45

Indic e de re fra ç ã o

Co

nce

ntr

ação

mo

lar

de

clo

rofó

rmio

C alibraç ão

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Esses valores obtidos foram expostos na tabela abaixo e a partir destes valores construiu-

se o diagrama de fase de clorofórmio.

Tabela2. Dados para diagrama de fase

Solução Clorofórmio (50 mL)/Acetona Acetona Clorofórmio

Acetona Temperatura Índ de Refração (V) Índ de Refração (L) X vap X liq X vap X liq

0 56,6 1,356 1,356 0 0 1 1

8 58,6 1,433 1,431 0,155 0,178 0,845 0,822

8 59,6 1,425 1,4213 0,247 0,290 0,753 0,710

6 59,8 1,414 1,4142 0,374 0,372 0,626 0,628

6 59,8 1,406 1,409 0,467 0,432 0,533 0,568

6 59,5 1,398 1,403 0,559 0,501 0,441 0,499

Solução Acetona (50mL)/ Clorofórmio Acetona Clorofórmio

Clorofórmio Temperatura Índ de Refração (V) Índ de Refração (L) X vap X liq X vap X liq

10 55 1,364 1,3735 0,952 0,843 0,048 0,157

10 57 1,374 1,385 0,836 0,709 0,164 0,291

10 58,5 1,387 1,3955 0,686 0,588 0,314 0,412

10 59,4 1,398 1,403 0,560 0,501 0,440 0,499

10 59,8 1,407 1,409 0,455 0,432 0,545 0,568

10 60 1,4155 1,415 0,357 0,363 0,643 0,637

Gráfico2. Diagrama de fase para o sistema clorofórmio/acetona

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60

61

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

F ra ç ã o Mo la r (Clo ro f ó rm io )

Tem

pe

ratu

ra

Vap o r

Vap o r

Líq u id o

Líq u id o

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Como pode-se perceber o diagrama apresenta um comportamento de um azeótropo.

Sendo que é um azeótropo positivo.

No sistema cicloexano/tolueno, não veríamos esse comportamento pois este sistema é

uma solução ideal, os componentes em uma determinada temperatura e composição não

se comportam como uma substância simples, entrando em ebulição numa mesma

temperatura, e por esse motivo pode-se realizar uma destilação fracionada, na qual

repetem-se sucessivos ciclos de ebulição e condensação até a obtenção, primeiramente,

do líquido mais volátil praticamente puro.

Pela regra das fases de Gibbs temos que dentre as três propriedades intensivas

(temperatura, pressão e composição) na região abaixo da curva do líquido Fl= 2 – 1+ 2

F= 3, ou seja, três dessas propriedades podem ser alteradas sem que haja mudança no

equilíbrio do sistema. Na região entre as duas curvas Fl-v= 2 – 2 + 2 F= 2, então duas

propriedades intensivas podem se alteradas. E na região acima da curva de vapor Fv = 2 –

1 + 2 F= 3. Portanto aqui também três propriedades intensivas podem ser alteradas sem

que haja mudança no equilíbrio do sistema.

Partindo-se de 1L da mesma solução Acetona/Clorofórmio contando fração molar 0,5 dos

dois componentes, percebemos analisando o gráfico de calibração e o diagrama que uma

destilação fracionada teria composição:

0,467 de vapor de acetona

0,533 de vapor de clorofórmio

0,432 de acetona líquida

0,568 de clorofórmio líquido

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.

5- Conclusão

Após análise dos dados obtidos e do diagrama construído pode-se notar que o

experimento é um bom indicador para analisar a composição das misturas durante uma

destilação. Neste experimento pode-se confirmar a formação de um azeótropo positivo, ou

seja, uma mistura onde a interação das moléculas dos diferentes compostos é mais

intensa que entre as moléculas dos reagentes puros, e onde a uma determinada

composição a mistura se comporta como se fosse uma substância pura (sem na verdade

ser) entrando os dois componentes em ebulição a uma mesma temperatura.

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6- Bibliografia

1. Atkins, P. W. “Physical Chemistry” 5th ed. Oxford University Press, 1994. Cap.8 Phase Diagrams. 2. Levine, I. N. “Physical Chemistry” 5

th ed. McGraw Hill, New York, 2002. Cap.12

3. http://www.poli.usp.br/p/luiz.terron/destilacao/3_paginas_termo/3_2_regra_das_fases_Gibbs.htm