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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA TEMODINÂMICA QUÍMICA EXPERIMENTAL
PRÁTICA: VOLUME PARCIAL MOLAR
Belém - PA 2009
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CENTRO TECNOLÓGICO FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA TEMODINÂMICA QUÍMICA EXPERIMENTAL
PRÁTICA: VOLUME PARCIAL MOLAR
Relatório apresentado como parte da avaliação da disciplina Termodinâmica Química Experimental código EN03047, turma 025047A, do curso de Engenharia Química da Universidade Federal do Pará.
Professor: José Ribamar Bogéa Lobato Relatores: Danilo Souza - 05025001301 Helder Kiyoshi Miyagawa - 07025000201
Belém - PA 2009
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RESUMO Quantidades parciais molares nos mostram como uma propriedade de uma solução varia com a adição ou retirada infinitesimal de uma amostra de um dado componente químico em uma solução. O volume molar parcial é a quantidade molar parcial mais fácil de ser visualizada e é definido como a contribuição volumétrica que um componente de uma solução faz para o volume total da solução. Para determinar o volume molar dos componentes de uma mistura de etanol e água, foram feitas diversas medições de volume para diferentes proporções de água e etanol, plotado o gráfico do volume molar total em função da fração molar de cada elemento e encontrando o volume molar igual a 15,308 mL/mol e 51,001 mL/mol para a água e o etanol respectivamente. Palavras chave: Volume molar parcial, água, etanol.
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SUMÁRIO 1 Introdução............................................................................................................ pag. 05 2 Objetivo............................................................................................................... pag. 06 3 Procedimento Experimental................................................................................. pag. 06 3.1 Material................................................................................................. pag. 06 3.2 Método.................................................................................................. pag. 06 4 Questões............................................................................................................... pag. 07 4.1 Explique o que você entendeu sobre volume molar parcial.................. pag. 07 4.2 Preencha as colunas 2, 3 e 4 da tabela 2 e faça dois gráficos............... pag. 07 5 Conclusão............................................................................................................. pag. 08 Referências Bibliográficas...................................................................................... pag. 09
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1 Introdução O conceito de propriedade parcial molar é muito importante no estudo de sistemas homogêneos, uma vez que traduz a variação duma determinada propriedade com a temperatura, pressão e a composição de outros componentes da mistura constantes. Quando se estuda misturas de gases fala-se sobre pressões parciais, que é a contribuição para a pressão total de um componente da mistura gasosa. Quando se estuda soluções líquidas, outras quantidades molares parciais são importantes, como, por exemplo, a energia de Gibbs molar parcial ou volume molar parcial. Em geral, o volume parcial molar de uma substância A numa mistura é a variação de volume da mistura provocada pela adição de um mol de A a um grande volume de mistura (ATKINS, 1999). Os volumes parciais molares dos componentes de uma mistura variam de acordo com a composição, pois as vizinhanças de cada tipo de molécula se alteram a medida que a composição passa de A puro para a de B puro (ATKINS, 1999). É a modificação do ambiente de cada molécula, e portanto das forças que atuam entre as moléculas, a responsável pela varia das propriedades de uma mistura em função de sua composição. A definição de volume parcial molar, Vj de uma substância J numa certa composição é: ∂V VJ = ∂n J P,T,n
Onde nJ é o número de mols do componente J e n significa que o número de mols de todos os componentes da solução da mistura permanecem constantes. O volume parcial molar é o coeficiente angular da curva do volume total da mistura em função dos moles de J (ATKINS, 1999), sendo a composição de todos os outros elementos constantes. Se a composição de uma mistura for alterada pela adição de dnA moles de A e dnB moles de B, o volume total da mistura se altera por ∂V ∂V dV = m dn A + m dn B ∂n A P,T,n B ∂n B P,T,n A
dV = VA dn A + VB dn B
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Uma vez sejam conhecidos os volumes parciais molares dos dois componentes de uma mistura binária, na composição de interesse, pode-se determinar o volume total, V, de uma mistura por
V = VA n A + VB n B Enquanto, em geral, volumes parciais molares sejam positivos (um exemplo clássico é a adição de água em etanol), existem vários exemplos onde o volume parcial molar é negativo. A adição de um componente com um volume parcial molar negativo causa diminuição do volume da solução. É o caso, por exemplo, da adição do Li0,5CoO2 quando a adição de Li resulta na redução do volume do cristal (CARTER, 2001).
2 Objetivo
Determinar o volume molar dos componentes de uma mistura simples;
Determinar o volume total da solução a partir dos volumes molares dos componentes da mistura.
3 Procedimento Experimental 3.1 Material
Água destilada;
Etanol;
Balança analítica;
Picnômetros;
Vidrarias (erlenmeyers, pipetas);
3.2 Método As soluções de água etanol foram preparadas de acordo com a tabela 1. A determinação da densidade das soluções foi feita retirando uma amostra da solução e utilizando-se o picnômetro. E então a tabela 1 foi preenchida. sol m etanol(g) m água (g) mol etanol mol água d solução (g/ml) V solução (ml) 1 0 100,028 0,000 5,557 1,141 87,690 2 10,020 90,365 0,218 5,020 1,133 88,625 3 20,106 80,186 0,437 4,455 1,084 92,486 4 30,018 70,147 0,653 3,897 1,084 92,386 5 50,016 50,076 1,087 2,782 1,050 95,317 6 70,012 30,353 1,522 1,686 0,970 103,469 7 80,008 20,160 1,739 1,120 0,958 104,549 8 90,010 10,016 1,957 0,556 0,942 106,241 9 100,062 0,000 2,175 0,000 0,883 113,308 Tabela 1: Dados obtidos experimentalmente
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4 Questões 4.1 Explique o que você entendeu sobre volume molar parcial O volume parcial molar é o volume que um mol de substância ocupa quando adicionada em outra em uma mistura. Em outras palavras, é a contribuição volumétrica que um componente de uma solução faz para o volume. O volume parcial molar difere do real, pois as interações existentes entre os compostos de uma mistura modificam o volume real. 4.2 Preencha as colunas 2, 3 e 4 da tabela 2 e faça dois gráficos: Primeiro: Volume molar da solução versus fração molar da água.
Vm vs. Xágua 60 50 Vm
40 30 20 10 0 0 0,1 0,2 y = -35,693x + 51,001
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0,9
1
Xa
2
R = 0,9977
Gráfico 1: Volume molar contra fração molar da água.
Segundo: Volume molar da solução versus fração molar do etanol. Vm vs. Xetanol 60 50 Vm
40 30 20 10 0 0 0,1 0,2 y = 35,693x + 15,308 2
R = 0,9977
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
Xb
Gráfico 2: Volume molar contra fração molar do etanol.
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A partir de cada gráfico encontrar a tangente em cada ponto e usar as equações:
∂V Vm = VA + m x B ∂x B
∂V Vm = VB + m x A ∂x A
onde o coeficiente angular de cada gráfico fornece
∂Vm ∂Vm = 35, 639 e = −35, 639 ∂ x ∂ x B A para calcular os valores de Va e Vb em cada composição. sol
n° mol total
Vm da Solução (ml/mol)
1 5,557 15,780 2 5,238 16,919 3 4,892 18,906 4 4,550 20,306 5 3,869 24,634 6 3,208 32,251 7 2,859 36,564 8 2,513 42,274 9 2,175 52,089 Tabela 2: Volumes molares
X água (A) 1,000 0,958 0,911 0,857 0,719 0,526 0,392 0,221 0,000
X etanol (B) 0,000 0,042 0,089 0,143 0,281 0,474 0,608 0,779 1,000
V molar da água
V molar do etanol
15,780 15,435 15,717 15,187 14,604 15,318 14,852 14,483 16,396
51,473 51,128 51,410 50,880 50,297 51,011 50,545 50,176 52,089
O volume molar da água é a média dos volumes molares obtidos na tabela 2, sendo igual a:
VA = 15,308 ± 0,2037 mL/mol O volume molar do etanol é a média dos volumes molares obtidos na tabela 2, sendo igual a:
VB = 51,001 ± 0,2037 mL/mol O volume parcial da água no etanol puro é igual a 25°C é 14 mL/mol. Sendo assim, calculando o erro relativo, encontramos um erro relativo de aproximadamente 9,3% (0,0934) para a água.
5 Conclusão Observando-se o resultado obtido para o erro, pode-se ver que o resultado não é muito satisfatório, com valor relativamente alto de erro, devido, provavelmente, pela temperatura ambiente do laboratório acima da temperatura de 25°C ou a erros operacionais no momento do experimento. Porém, isto ainda sugere que existe uma
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semelhança das forças intermoleculares entre o etanol e a água para os valores obtidos experimentalmente.
Referências Bibliográficas ATKINS, P. W. Físico-química. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 1999. CAMARGO, A. J. Volume Parcial Molar. Roteiro experimental. UEG, ano desconhecido. Disponível em http://www.fisica.ueg.br/ademir/aulas/aula06.pdf acesso em 14 jun 2009. CARTER, W. C. Chapter 4: Solution Theory. Notas de aula. MIT OCW, 2001. Disponível em http://ocw.mit.edu/NR/rdonlyres/Materials-Science-and-Engineering/320Materials-at-EquilibriumFall2003/01394EF4-1847-4627-AED61AA2CEA9FC26/0/mixtures.pdf. Acesso em 14 jun 2009. DETERMINAÇÃO de volumes parciais molares. Roteiro de laboratório. Universidade de Coimbra, ano desconhecido. Disponível em www.eq.uc.pt/~abel/TL_2-1.doc. Acesso em 14 jun 2009. PEREIRA, D. K. S.; RAMALHO, B. L. Volume Parcial Molar. Relatório referente a matéria Físico-Química II. UFPB, 2006.
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