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Universidade Federal do Piauí - UFPI Centro de Ciências da Natureza - CCN Departamento de Química - DQ Disciplina: Físico-Química II /Q Prof. Dr. Francisco Carlos Marques Da Silva
SOLUBILIDADE MÚTUA DE DOIS LÍQUIDOS: MISCIBILIDADE DO SISTEMA FENOL E ÁGUA
Relatório apresentado como critério de terceira avaliação da disciplina FísicoQuímica II/Q do curso de Química da UFPI sob orientação do Prof. Dr. Francisco Carlos Marques da Silva.
WANDERLEY MATOS GONÇALVES
Teresina-PI Junho-2011
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO
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2. OBJETIVOS
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2.1. OBJETIVO GERAL
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2.2. OBJETIVOS ESPEC FICOS
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3. PARTE EXPERIMENTAL
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3.1. MATERIAIS E REAGENTES
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3.2. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
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4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
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5. CONCLUSÃO
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6. REFERÊNCIAS
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RESUMO
Prepararam-se algumas soluções de Fenol P. A., com frações volumétricas conhecidas, e mediu-se a temperatura de miscibilidade de cada uma delas, elaborando-se um gráfico de temperatura vs. fração volumétrica de fenol, descobrindo-se o comportamento da miscibilidade entre o fenol e a água, quando misturados, em função da temperatura. Bem como da determinação da temperatura consoluta ou a temperatura crítica de solubilidade, em acordo com a literatura de
físico-química, em especial o equilíbrio de fases condensadas.
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1. 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 líquidolíquido (SMITH et al., 2000). O processo de separação líquido-líquido mais utilizado industrialmente é a extração por solventes. Para representar o equilíbrio de fases deste processo são empregados diagramas de miscibilidade. Esses diagramas, por sua vez, possuem parâmetros de interação intermoleculares que precisam ser previamente determinados a partir de dados experimentais de equilíbrio líquido-líquido. Os limites de miscibilidade ou a curva binodal para estes sistemas foram obtidos pelo método da determinação do ponto de turbidez. Os dados para a construção das linhas de amarração foram determinados pela preparação de misturas de volumes conhecidos dos dois componentes na região de formação de duas fases. Estas misturas, após agitação, foram mantidas em repouso até a total separação das fases (PINTO et al, 2005). O Fenol (ácido carbólico, cristalizado no presente experimento) é uma função orgânica caracterizada por uma ou mais hidroxilas ligadas a um anel aromático. Apesar de possuir um grupo –OH (hidroxila) característico de um álcool, o fenol é mais ácido que este, pois possui uma estrutura de ressonância que estabiliza a base conjugada. São obtidos principalmente através da extração de óleos a partir do alcatrão de hulha. O Fenol também é o nome usual do fenol mais simples, que consiste em uma hidroxila ligada ao anel benzênico. Outros nomes para a mesma substância incluem: benzenol; ácido carbólico; ácido fénico (ou ácido fênico, no Brasil); ácido fenílico; hidroxibenzeno; monohidroxibenzeno. Sua fórmula molecular é C6H5OH. Geralmente os fenóis são sólidos, cristalinos, tóxicos, cáusticos e pouco solúveis em água. A figura 1 mostra a estrutura do Fenol.
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OU
FIGURA 1 – Estrutura molecular do fenol O fenol (hidroxibenzeno) é corrosivo e irritante das membranas mucosas. Potencialmente fatal se ingerido, inalado ou absorvido pela pele. Causa queimaduras severas e afeta o sistema nervoso central, fígado e rins. A Substância pode provocar em longo prazo câncer de diversos tipos. Quando em contato com a pele pode provocar desde um eritema até necrose e gangrena dos tecidos, dependendo do tempo de contato e da concentração das soluções. O maior perigo do fenol é a habilidade de penetrar rapidamente na pele, causando severas lesões que podem ser fatais. Logo todo o experimento usando fenol puro deve ser feito em capela de segurança. A tabela 1 mostra as principais propriedades físico-químicas do fenol.
TABELA 1 – Propriedades do fenol (hidrobenzeno) Massa molecular 94,111 g/mol Ponto de fusão 40,89 °C Ponto de ebulição 181,87 °C Densidade 1,0545 g/cm³ O fenol (hidroxibenzeno) tem uma limitada solubilidade em água (8.3 g/100 ml), uma vez que o sistema fenol e água formam um azeótropo a 9,2% em peso de fenol (PINTO et al. 2005). 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 (RANGEL, 1988). Seja um sistema constituído de dois líquidos parcialmente miscíveis a uma temperatura T1 ao se elevar a temperatura, a miscibilidade aumenta até o ponto em que o sistema apresente somente uma fase, isto é, a miscibilidade dos dois líquidos é completa. A mais alta temperatura de miscibilidade é denominada temperatura
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crítica de solubilidade ou temperatura consoluta (t.c.s.). No caso deste sistema binário de duas fases, à pressão constante, a regra das fases é igual a 1 (w = 3 – 2 = 1), ou seja, a variação do sistema é 1. Isto quer dizer que o estado do sistema é definido completamente pela temperatura ou pela sua composição. Assim, os estados deste sistema podem ser representados em um sistema isobárico (pressão constante) com temperatura vs fração molar (ou ainda volumétrica que foi o relatado em resultados). Experimentalmente, o estudo da miscibilidade é feito variando-se a proporção molar dos componentes e determinando-se a temperatura em que o sistema atinge a miscibilidade total (BUENO e LEGRENE, 1980).
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2. OBJETIVOS
2. 1. OBJETIVO GERAL Estudar a miscibilidade do sistema Fenol e água em função da temperatura.
2. 2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Verificar a miscibilidade do Fenol líquido em água em diferentes temperaturas e em diferentes frações volumétricas;
Comparar com a literatura de Físico-Química teórica os fundamentos envolvidos neste experimento;
Apresentar por meio de gráfico a curva de miscibilidade do sistema Fenol e água;
Encontrar a temperatura consoluta ou de solubilidade crítica.
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3. PARTE EXPERIMENTAL
3. 1. MATERIAIS E REAGENTES
2 termômetros de 0 a 200 (±0,5)°C;
3 béqueres de 250 mL;
1 suporte universal;
2 tubos de ensaio;
1 chapa de aquecimento Equipalabor Fisatorm;
1pipeta graduada de 10 mL;
1 pipeta graduada de 5 mL;
1 pêra de segurança;
2 pissetas;
3 garras.
Papel filme Parafilm ® “M” ;
Fenol P. A. Reagen Quimibras S. A.;
Água destilada.
Todo o experimento foi realizado na Capela de segurança do laboratório de Química analítica.
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3. 2. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS 1. Pipetou-se, de uma solução de concentração desconhecida de fenol, 2,5 mL e colocou-se este em um tubo de ensaio;
2. Adicionou-se ao tubo de ensaio, do item 1, 1.2 mL de água destilada; 3. Aqueceu-se o tubo, com solução, em banho-maria, agitando-se a mistura regularmente. No momento em que a mistura se tornou homogênea, isto é, quando a opalescência (turvação) desapareceu, registrou-se a temperatura;
4. Retirou-se do banho-maria a colocou-se o tubo de ensaio em um béquer contendo a água à temperatura ambiente (ou ainda deixou-se exposto sob atmosfera da capela), deixou-se esfriar lentamente, Quando retornou a opalescência (turvação) registrou-se a temperatura;
5. Repitiu-se o procedimento do item 1 ao item 4 em triplicata; 6. Repetiu-se todo o procedimento experimental (pelo menos em duplicata) para as quantidades apresentadas na tabela 2.
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TABELA 2 – Volumes de fenol e água usados nos pontos subseqüentes do procedimento Tubo
Água (mL)
Porcentagem de Fenol (%)
1,2
70
+ 0,7
60
3
+ 0,9
50
1
4,2
40
+ 0,4
38
3
+0,8
34
1
2,5
32
+ 0,3
30
3
+ 0,8
25
1
4,8
20
+ 2,0
15
+ 1,0
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Amostra
Fenol (mL)
1 Em I
Em II
Em III
Em IV
2
2
2
2 3
2,8
2,8
1,2
1,2
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4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os procedimentos seguidos em cada processo da parte experimental compõem uma analise físico-química chamada de Ebulioscopia, que nada mais é testar certas propriedades de certos compostos em função de temperatura, ou seja, da elevação da temperatura do sistema. Depois de seguido do roteiro propostos em “manual de laboratório de físico-química” pôde-se montar uma tabela contendo
todas as quantidades propostas, mas como o reagente usado se apresentava líquido (fenol) preferiu-se mudar massa em gramas por volumes em mililitros. Então foi também calculado as frações volumétricas do fenol para a construção do diagrama de miscibilidade, que possui como a temperatura consoluta a temperatura mais elevada. A tabela 3 mostra os resultados obtidos. TABELA 3 – Quantidades usadas durante o experimento de miscibilidade fenol e água Volume Fração volumétrica de Temp. de Temp. de Volume água Fenol fenol clarificação turvação 2,8 1,2 0,7000 39,0 37,0 2,5 1,2 0,6757 48,5 40,0 2,8 1,9 0,5957 58,0 58,0 2,8 2,8 0,5000 64,0 64,0 2,8 4,2 0,4000 66,0 66,0 0,3784 66,5 66,5 2,8 4,6 2,8 5,4 0,3415 66,0 66,0 1,2 2,5 0,3243 65,0 65,0 1,2 2,8 0,3000 64,0 64,0 1,2 3,6 0,2500 64,0 64,0 1,2 4,8 0,2000 64,0 64,0 1,2 6,8 0,1500 60,0 60,0 1,2 7,8 0,1333 56,0 56,0
Os dados contidos na tabelas, em especial a temperatura média de saturação obtida pela fórmula: Tm = T. de clarificação + T. de turvação/2 E a fração volumétrica de fenol foram “plotados” em um gráfico para verificar
o comportamento de miscibilidade entre o fenol e a água. As figuras 2 e 3 mostram este diagrama do fenol e água.
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FIGURA 2 – Diagrama de miscibilidade do sistema Fenol e água
Figura 3 – Diagrama de miscibilidade do mesmo sistema apresentado em Microsoft Excel 2007
A fração volumétrica foi calculada através da fórmula empírica: Xvol(fenol) = Vol(fenol)/VolT(fenol+água), Onde Xvol = fração volumétrica do composto em questão, que também pôde ser calculado para a água, mas o intuito aqui relatado foi obter um gráfico T vs Xvol(fenol) e a partir deste encontrar a temperatura crítica de
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solubilidade ou a consoluta. Esta temperatura foi de 66.5 ºC percebeu-se que diferiu de mostrada na literatura que é de 65,85 ºC (CASTELLAN, 1986). Mesmo com muitos empecilhos laboratórios, que foram desde a pouca habilidade de manuseio de reagentes tóxicos até a perda por volatilidade dos compostos analisados, a prática mostrou-se eficaz. O fenol por ser o líquido muito higroscópico pôde ser manipulado mais facilmente, o fenol sempre ficou na camada inferior do tubo, quando formava duas fases (heterogêneo), pois o fenol é mais denso do que a água, sua densidade vale 1,06 g mL -1 (aproximadamente). Preferiuse fazer os cálculos em função da fração volumétrica devido a limitações laboratoriais.
Figura 4 – Diagrama teórico de miscibilidade fenol e água.
As figuras 2 e 3 podem ser comparadas com a figura 4, que mostra comportamento teórico da miscibilidade do sistema fenol e água com sua temperatura consoluta, só que neste é usado a fração molar do fenol, mas o comportamento se mostra similar, pois o fenol é um composto de massa específica de valor bem próximo da unidade.
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5. CONCLUSÃO
Neste experimento foi possível confirmar a miscibilidade do sistema fenol e água em diferentes temperaturas, usando a fração volumétrica do f enol. O gráfico de miscibilidade deste resumiu simplificadamente o experimento de acordo com a literatura de físico-química teórica e experimental (sem muitas discrepâncias). Segundo a literatura, a solução apresentou um desvio positivo muito acentuado da Lei de Raoult, pois ocorreu a miscibilidade parcial, ou seja, as forças de interações entre as diferentes moléculas são diferentes daquelas existentes nos componentes puros.
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6. REFERÊNCIAS
BALL, D. W., Físico-química Vol. 1. São Paulo: Thomson, 2006.
BUENO, W. A.; LEGRENE, L., Manual de laboratório de físico-química. São Paulo: McGraw-Hill do Brasil, 1980.
CASTELLAN, G., Fundamentos de físico-química. Rio de Janeiro: LTC, 1986.
RANGEL, R. N., Práticas de físico-química. 2ed. São Paulo: Edgard Blucher, 1988.
PINTO, R.T.P.; LINTOMEN, L.; LUZ JR,.L.F.L.; WOLF-MACIEL, M.R. Strategies for recovering phenol from wastewater: thermodynamic evaluation and environmental concerns. Fluid Phase Equilibria, v. 228-229, p. 447-457, 2005.
SMITH, J.M.; VAN NESS, H.C.; ABBOTT, M.M. Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química. 5ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2000.