Efeito da Composição Sobre o Volume Molar - Apostilas - Quimica, Notas de estudo de Química. Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)
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Maraca1 de Março de 2013

Efeito da Composição Sobre o Volume Molar - Apostilas - Quimica, Notas de estudo de Química. Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)

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Apostilas sobre o estudo da determinação do volume parcial molar e a viscosidade relativa do etanol e da acetona em soluções binárias medindo a viscosidade absoluta da água.
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CFM - CENTRO DE CIÊNCIAS FÍSICAS E MATEMÁTICA

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

QMC 5416 – FÍSICO-QUÍMICA EXPERIMENTAL A

Experiência 04 – Efeito da Composição Sobre o Volume Molar e a Viscosidade dos Componentes de Misturas Binárias.

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FLORIANÓPOLIS, SETEMBRO DE 2012.

RESUMO

O experimento foi realizado visando observar o efeito da composição sobre o volume molar do etanol 95% e da acetona P.A, como resultado das interações moleculares. Durante o experimento foi determinado a viscosidade das soluções binárias com concentrações variadas através do uso de viscosímetros de Höppler e Ostwald, também foi possível medir a densidade do etanol com o uso de um picnômetro e a viscosidade absoluta da água.

Ambos os viscosímetros utilizados são direcionados ao estudo de líquidos newtonianos. Utilizando o viscosímetro de Ostwald medimos o tempo de escoamento do líquido através de um capilar, é necessário que este líquido tenha baixa viscosidade. E para o viscosímetro de Höppler medimos o tempo necessário para que uma esfera percorra uma determinada distância, para esta observação o líquido deve ser transparente.

O volume molar é uma propriedade físico-química que varia de acordo com a composição da solução. Neste experimento observou-se que o volume parcial molar da acetona não apresentou variação significativa na presença de etanol. Este fato ocorre devido às fracas interações entre as duas substâncias.

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OBJETIVO

Determinar o volume parcial molar e a viscosidade relativa do etanol e da

acetona em soluções binárias e medir a viscosidade absoluta da água.

INTRODUÇÃO

As misturas possuem comportamentos que diferem dos seus componentes puros,

isso ocorre devido a uma mudança de interação nas moléculas vizinhas a uma dada molécula presente na mistura. Essa mudança nas interações e consequentemente nas forças entre essas moléculas gera uma variação nas propriedades termodinâmicas.

Como é o caso, por exemplo, do volume parcial molar de um componente de uma mistura. Quando adicionamos certa quantidade de um componente, o volume que ele ocupa é diferente do volume que ele ocuparia se estivesse puro. Esse fato é decorrente das moléculas vizinhas do outro componente interagirem de uma forma diferente do que as moléculas do próprio componente que foi adicionado.

A definição de volume parcial molar, VJ, de uma substância J numa certa composição é:

VJ = ( V/nJ)p,T,n’

Onde o índice n’ significa que os números de moles dos outros componentes

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presentes são constantes. O volume parcial molar é o coeficiente angular da curva

do volume total das mistura em função do número de moles de J, quando a pressão, a temperatura, e os números de moles dos outros componentes são constantes.

A viscosidade ou coeficiente de viscosidade (η) é determinada a partir da derivada do gráfico da taxa de cisalhamento (γ) por unidade de área entre dois planos paralelos de líquido em movimento relativo (tensão de cisalhamento (τ)) vs. O gradiente de velocidade dv⁄dx=γ entre os dois planos, isto é, τ=γη. Ver tabela 1.1.

Tabela 1.1: Principais relações matemáticas envolvidas na determinação da viscosidade.

Taxa de cisalhamento Tensão de cisalhamento Coeficiente de viscosidade

γ=dv/dx

τ=F/A η=dτ/dγ=((F⁄A))/((dv⁄dx))

Existem vários tipos de viscosímetros cuja escolha depende do propósito da medida

e do tipo de líquido a ser investigado.

Viscosímetro capilar ou de Ostwald: A viscosidade é medida pela

velocidade de escoamento do líquido através de um capilar de vidro.

Viscosímetro de esfera ou de Höppler: A viscosidade é medida pela

velocidade de queda de uma esfera dentro de um líquido colocado em um cilindro vertical de vidro.

Viscosímetro de orifício: A viscosidade é medida pelo tempo que um

volume fixo de líquido gasta para escoar através de um orifício existente no fundo de um recipiente.

Viscosímetro rotacional ou de Stormer: A viscosidade é medida pela

velocidade angular de uma parte móvel separada de uma parte fixa pelo líquido. A parte fixa é, em geral, a parede do próprio recipiente cilíndrico onde está o líquido.

Os instrumentos utilizados, Ostwald Höppler, possuem dependências diferentes

com relação as grandezas envolvidas, essas serão expostas na tabela 1.2.

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Tabela 1.2: Diferença entre as relações matemáticas de Ostwald e Höppler.

Viscosímetro Ostwald Höppler

Relação Matemática η=(πr^4 tp)/8VL η=t(d_S-d_L )K

Legenda η=viscosidade, r=raio do capilar,

t=tempo,

V=volume

p=pressão externa,

L=comprimento do capilar η=viscosidade

t=tempo

K=cte específica da bola

d_S=densidade da bola

d_L=densidade do líquido

EXPERIMENTOS

Instrumentos:

Balão volumétrico 25,00mL

Pipetas graduadas 25,00mL

Pipetas volumétricas 10,00mL

Pipetador

Balança

Viscosímetro de Höppler

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Viscosímetro de Ostwald

Cronômetro

Picnômetro

Béquer 100,00mL, 150,00mL

Suporte universal

Garra

Reagentes e Soluções:

Acetona P.A.

Etanol 95,0%

Metodologia:

Medição da viscosidade utilizando o viscosímetro de

Ostiwald:

Os balões foram pesados com suas tampas e numerados de 1 a 8, em seguida adicionou-se acetona, a quantidade variou respectivamente de acordo com a numeração: 0,00, 2,50, 5,00, 10,00, 12,50, 15,00, 20,00, 25,00 mL. Após serem pesados novamente completou-se os balões de 1 a 7 com etanol.

Uso do viscosímetro: o instrumento é fixado ao suporte, pelo capilar de raio

maior introduz-se o líquido a ser analisado (newtoniano). Com o auxílio de um pipetador o líquido é sugado acima da marca superior existente no capilar com raio menor, então marcou-se o tempo levado para que o líquido atravesse o espaço entre as duas marcações existentes. O tempo multiplicado pela densidade nos dá a viscosidade. O processo é repetido 3 vezes para que se faça a média.

Uma quantidade de 10,00mL de água é introduzida no viscosímetro, para que se possa obter uma medida padrão de viscosidade. Esvazia e repete-se o processo com todas as 8 soluções. A

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razão existente entre a viscosidade da solução e a viscosidade padrão nos da a viscosidade relativa do líquido.

Medição da viscosidade utilizando o viscosímetro de Höppler:

Inicialmente calibrou-se o instrumento, vedou-se uma das pontas e após introduziu-se o líquido (newtoniano e transparente), no caso etanol, até total preenchimento do capilar interno, uma esfera com uma constante específica é colocada no capilar e a segunda ponta é vedada, ele é fechado e marcou-se o tempo que a esfera leva para deslocar-se da marca superior a inferior. O processo é repetido três vezes.

Densidade do etanol:

Pesou-se o picnômetro vazio, após faz-se um preenchimento completo com etanol e pesou-se novamente. Para calibrar o picnômetro repetiu-se o procedimento com água que já possui densidade conhecida. A relação massa por densidade com água será o volume exato do picnômetro, e a relação entre a massa de etanol e o volume do balão representará a densidade do etanol. A massa dos líquidos é obtida a partir da subtração da massa do picnômetro vazio da massa do picnômetro preenchido.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Tabela1.Valores das massas experimentais da acetona com adição de etanol e o tempo de escoamento da viscosidade no viscosímetro de Ostwald.

Balão Massa balão (mb) Volume de acetona (mL) mb + massa acetona (ma) mb + ma + massa etanol (me) Tempo de escoamento (s)

1 20,30 0 20,30 40,30 142

2 23,85 2,5 25,82 43,93 114

3 21,98 5 25,92 42,07 95

4 25,35 10 33,06 45,37 67

5 22,38 12,5 31,86 42,27 59

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6 23,81 15 35,37 43,71 53

7 24,32 20 39,49 44,23 41

8 19,77 25 39,45 39,45 35

A partir dos dados da tabela 1 obtém-se o numero de mols do Etanol e da Acetona.

Tabela 2.Valores da massa e nº de moles da acetona e do etanol.

Solução macetona (g) nacetona metanol (g) netanol

1 0 0 20,00 0,434

2 1,97 0,034 18,11 0,393

3 3,94 0,068 16,15 0,350

4 7,71 0,133 12,31 0,267

5 9,48 0,163 10,41 0,226

6 11,56 0,199 8,34 0,181

7 15,17 0,261 4,74 0,103

8 19,68 0,339 0 0

.

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A partir dos dados da Tabela 1 e 2 podemos calcular a fração molar de etanol (Xe) e o Volume Molar Médio (Vm).

Calculo da Xe: Calculo do Vm :

Tabela 3. Valores de xetanol e Vm

Solução xetanol Vm (ml mol-1)

1 1 57,16

2 0,920 58,48

3 0,837 59,90

4 0,668 63,18

5 0,580 65,34

6 0,476 66,68

7 0,283 71,10

8 0 73,45

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Grafico 1. Volume molar VS xetanol

Pela equação da reta y = ax + b, temos que a = -16,76 e b = 74,66

Pelos valores dos coeficientes determinados pelos gráficos, achamos os valores dos volumes parciais molares da acetona e do etanol.

Determinamos os valores pelas seguintes equações:

Tabela 4. Valores de Va e Vb

Balão Volume parcial molar acetona (mol ml-1) xacetona Volume Parcial molar etanol (mol ml-1)

1 73,92 0 57,16

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2 73,90 0,08 57,14

3 73,93 0,163 57,17

4 74,38 0,332 57,62

5 75,06 0,420 58,30

6 74,66 0.523 57,90

7 75,84 0,717 59,08

8 73,45 1 56,70

A partir de todos os dados calculamos os valores da densidade da solução (ρsolução )e da viscosidade relativa(ηr).

Para o calculo da ρsolução foi usada a seguinte equação:

ρsolução =

E para o calculo da ηr foi usada a seguinte equação:

*A ρo foi determinada a partir de um picnometro em relação com a densidade da água.

Pesou-se o picnometro vazio (para determinar a massa) e depois foi pesado com etanol juntamente pesou-se o picnometro com água. Assim determinou-se o volume do picnometro e assim conseqüentemente achou-se o valor de ρ0.

Tabela 5. Dados experimentais das massas solicitadas.

Massa picnometro vazio (g) Massa Picnometro + etanol (g) Massa picnometro + água (g) Massa do etanol (g) Massa da água (g)

30,48 69,88 79,37 39,40 48,89

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Sabendo que a densidade da água (ρágua) é 1g/mL

ρágua = V = =

V = 48,89 mL

ρ0 = = ρ0 = 0,806g/mL

Tabela 6. Valores das densidades da soluções e viscosidades relativas.

Balão ρsolução (g mL-1) ηr

1 0,806 1

2 0,804 0,80

3 0,802 0,67

4 0,792 0,46

5 0,782 0,40

6 0,785 0,36

7 0,768 0,28

8 0,787 0,24

Gráfico 2. Viscosidade VS xetanol

.

Nota-se que com o aumento da fração molar de etanol, ou seja o aumento do numero de mols de etanol, a viscosidade relativa também aumenta, mostrando um comportamento exponencial, portanto a solução é classificada como real. Caso fose linear, a solução seria considerado ideal.

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A não linearidade do Gráfico 2, pode ser justificada devido ao fato das interações intramolecularesdo etanol serem mais intensas que as da acetona.

Caso a solução de acetona e etanol fosse um azeótropo, espera-se que esse seja de mínimo de temperatura de ebulição, pois as interações entre as moléculas de etanol e acetona são fracas, diminuindo assim o potencial químico das misturas.

CONCLUSÃO

Este experimento possibilitou determinar o volume parcial molar de etanol e acetona de soluções binárias de ambos e a viscosidade das misturas, através de aparelhos simples como viscosímetros e que o volume parcial molar da acetona não mudou significativamente na presença de etanol.

BIBLIOGRAFIA

. Apostila de Físico Química Experimental A – Experiência 04

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