UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE QUÍMICA E BIOLOGIA

CURSO DE BACHARELADO EM QUÍMICA

GRUPO 02

Bruna Reis dos Santos – 1304470

Bruno Roberto Reis Alves – 1247123

Cleyton Nascimento Makara – 1304496

Marcelo André Petry Pontes – 1046861

EXPERIMENTO 05 – Propriedades de líquidos e estrutura molecular, densidade, índice de

refração, viscosidade e volume molar parcial

Experimento realizado em 20/12/2013

CURITIBA

2013

1

1. INTRODUÇÃO

A densidade ρ de um sistema é, por definição, a razão entre a sua massa m e o seu volume

V. A determinação da densidade, tanto de líquidos como de sólidos, pode ser obtida, medindo-se a

massa de um liquido ou de um sólido, que ocupa um volume conhecido, empregando- se método do

volume exato, método do picnômetro ou o método do empuxo, que tem por base o principio de

Arquimedes. 1

Todas as frequências de radiação eletromagnética (luz) viajam a mesma velocidade c

(3.108 m.s

-1) no vácuo. A velocidade da luz cB na substância B depende da natureza de B e da

frequência da luz. A razão c/cB para determinada frequência de luz é o índice de refração nB de B

para esta frequência específica: n c/Cb. 2

O índice de refração depende da temperatura, da pressão, da natureza da substância e do

comprimento de onda da luz. Tratando-se de uma solução, o índice de refração depende também de

sua concentração. Consequentemente, o índice de refração é usado para identificar substâncias

puras e para determinar a concentração de soluções. 1

A viscosidade, ou mais precisamente, o coeficiente de viscosidade de um líquido mede a

resistência ao escoamento sob tensão. Em virtude das moléculas de um líquido serem muito

próximas umas das outras, um líquido é muito mais viscoso que um gás. A viscosidade de um líquido

deve, então, ser atribuída ao efeito das forças coesivas entre as moléculas relativamente próximas

entre si. 1,3

Existem vários métodos de determinação do coeficiente de viscosidade de líquidos com

escoamento laminar. A maioria consiste em determinar a velocidade de escoamento do líquido no

interior de um tubo capilar, ou queda de um corpo esférico no líquido , utilizando as leis de Poiseuille

e de Stokes, respectivamente. O coeficiente de viscosidade pode, então, ser determinado através da

equação de Poiseuille. 1

A utilização de “viscosímetros cinemáticos” baseia-se na observação do tempo gasto para

um líquido fluir, sob influência da gravidade, através de um tubo capilar de raio e comprimento

conhecidos, escoando de um reservatório superior de volume definido, para um segundo reservatório

inferior. 1

A viscosidade relativa de um líquido é definida como a razão entre a sua viscosidade

absoluta e a do líquido-referência à mesma temperatura. 1

A propriedade parcial molar mais fácil de visualizar é o “volume parcial molar”, a

contribuição que um componente de uma mistura faz para o volume total de uma amostra. O volume

parcial molar de uma substância A numa mistura, é a variação de volume da mistura por mol de A

adicionado a um grande volume de mistura. Os volumes parciais molares dos componentes de uma

mistura variam com a composição, pois as vizinhanças de cada tipo de molécula se alteram á medida

que a composição passa de A puro para um B puro. O volume parcial molar é o coeficiente angular

da curva do volume total da mistura em função da composição. 4

Volumes parciais molares podem ser medidos de diversas maneiras. Um dos métodos

consiste em medir a dependência entre o volume e a composição de ajustar o volume observado a

2

uma função do número de mols de um dos componentes. Uma vez que a função seja encontrada,

seu coeficiente angular pode ser determinado em qualquer composição de interesse através de uma

derivada. 4

Este trabalho teve como objetivo reconhecer e determinar algumas propriedades de líquidos

puros e de misturas, que estão relacionadas com a estrutura molecular, como densidade, viscosidade

e índice de refração, assim como propriedade molar parcial, relacionando comportamento ideal e não

ideal de uma mistura.

2. PROCEDIMENTOS

2.1 Propriedades relacionadas com a estrutura molecular.

Mediu-se no refratômetro de Abbé o índice de refração (n) do etanol comercial, metanol P.A,

etanol P.A, 1-propanol P.A, 1-butanol P.A, n-hexano P.A., medindo-se também a temperatura

ambiente e das substâncias.

Determinou-se a densidade das substâncias com o auxílio de um picnômetro e uma balança

analítica de quatro casas decimais.

2.2 Densidade, índice refração e volume molar parcial.

Prepararam-se as soluções indicadas na tabela 2.1 com auxílio de balões volumétricos de

100 cm3 e de duas buretas de 50 cm

3, preenchidas respectivamente uma com água destilada e a

outra com etanol.

Tabela 2.1. – Volume de Água e Etanol adicionados aos balões.

Solução 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

* ----- 1,2 7,3 9,3 11,7 14,5 22 29 36 44 51 58 65,5 -----

** ----- 35,6 33,6 33,1 32,4 28 25 22 18 14,5 11 7,5 3,5 -----

*Volume de Etanol ** Volume de Água

Mediu-se para cada solução preparada o índice de refração no refratômetro de Abbé e a

densidade empregando um picnômetro. Mediu-se também a temperatura ambiente e das soluções.

2.3 Viscosidade relativa de substância pura e de misturas.

Preencheu-se o viscosímetro com ± 8 cm3 de água com o auxílio

de uma pipeta, sendo suficiente para encher até a metade do bulbo C do

viscosímetro, conforme figura 2.1.

Elevou-se o líquido até o bulbo A por sucção através de uma

pêra, cuidando para que o mesmo chegue cerca de 1 cm acima da marca

a, deixando então o líquido escoar livremente, conforme figura 2.1.

Mediu-se o tempo através do uso de um cronômetro para que o

líquido escorra entre as marcas a e b, conforme figura 2.1, realizando-se 3

medidas de tempo para obtenção de média.

Após isto se esvaziou o viscosímetro, ambientalizando com um

pouco de etanol.

Figura 2.1. Viscosímetro de Cannon-Fenske

3

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1 Propriedades relacionadas com a estrutura molecular.

Picnômetros são frascos de massa e volume determinados com exatidão e possuindo um

gargalo capilar, os quais podem ser completamente cheios com um líquido-problema. Dessa maneira,

conhecendo-se a massa do picnômetro cheio com o líquido problema, e substraindo-se esta da

massa do picnômetro vazio conhece-se a massa do líquido e do volume por este ocupado em uma

dada temperatura, determinando-se, a partir desses dados, a densidade desse líquido, de acordo

com equação 3.1. 1

O volume do picnômetro foi, então, calculado através dos dados obtidos e organizados na

tabela 3.1 e da equação 3.1, onde Vp é o volume do picnômetro.

Tabela 3.1. Dados obtidos para cálculo do volume do picnômetro.

Temperatura (ºC) I

II

III

22,0 13,9063 26,396 0,997773

I Massa do picnômetro vazio

II Massa do picnômetro com água

III Densidade da água à 22ºC

5

p mv-mp a

ρa (3.1)

Obteve-se assim o volume do picnômetro de .

Mantido o volume (V) constante das amostras, a única variável que interfere no cálculo da

densidade passa a ser a massa da substância (ms), como é mostrado pela equação 3.2,

apresentando a densidade ρ dos valores experimentais coerentes descritos na tabela 3.2.

ρ ms

(3.2)

Tabela 3.2. Dados para o cálculo da densidade das substâncias em estudo realizada à 22ºC.

Substâncias I II

III

IV

Vn

VIn

1-butanol P.A. 24,0244 10,1181 0,8083 0,8095 1,4000 1,3988

n-hexano P.A. 22,1306 8,2243 0,6570 0,6605 1,3775 1,3727

1-propanol P.A. 23,9518 10,0455 0,8025 0,7997 1,3865 1,3850

metanol P.A. 23,9220 10,0157 0,8001 0,7914 1,3405 1,3288

etanol P.A. 23,7784 9,8721 0,7887 0,7893 1,3645 1,3611

etanol comercial 24,4860 10,5797 0,8452 1,3665 I Massa do picnômetro cheio com uma substância

II Massa da substância

III Densidade

experimental IV

Densidade na literatura5 V

Índice de refração experimental V Índice de refração na

literatura5

Os grupos funcionais orgânicos possuem características próprias que fazem com que suas

propriedades físicas difiram entre si. Portanto, para um mesmo grupo funcional, espera-se que quanto

maior a massa molar da substância, maior seja sua densidade, consequentemente, seu índice de

refração também aumenta devido ao aumento na dificuldade de propagação da luz neste meio, o que

se observado, os valores para os álcoois foi confirmado pelo experimento. 6

A baixa densidade obtida para o n-hexano pode ser explicada pelo fato dos alcanos serem

os menos densos de todos os grupos de compostos orgânicos. Observou-se um alto índice de

4

refração, o que pode ser atribuído ao grande tamanho de suas moléculas, o que também dificulta a

propagação da luz. 6

Os valores experimentais obtidos do índice de refração também podem ser considerados

coerentes, por se apresentarem próximos ao da literatura.5

A refração específica r, ou refratividade de uma substância, para um determinado

comprimento de onda em uma dada temperatura, é obtida pela equação de Lorentz-Lorentz, onde n é

o índice de refração, e ρ a densidade da substância. Seu valor multiplicado pela massa molar M da

substância, equação 3.3, é a refração molar (Rm). 1

m (n2-

n2 2)M

ρ (3.3)

Define-se polarizabilidade de um átomo como o grau de deformação que a nuvem eletrônica

do átomo sofre sob a influência de um campo elétrico externo.7 A polarizabilidade de distorção pode

ser obtida medindo o índice de refração num determinado comprimento de onda no infravermelho,

onde a polarização por distorção é virtualmente completa. No entanto, não é cômodo medir o índice

de refração nesta zona, e em seu lugar é medido o índice de refração na banda D do sódio, com o

auxílio do refratômetro de Abbe. 8 A equação 3.4 indica a relação entre a refração molar (Rm) e,

consequentemente, o índice de refração n , com a polarizabilidade α , onde N significa constante de

Avogadro, para cada substância representada na tabela 3.3.

α 3 m

4 N (3.4)

Tabela 3.3. Dados para o cálculo da densidade das substâncias em estudo realizada à 22ºC.

Substâncias I

II (10

-24)

1-butanol P.A. 7,326 2,904

n-hexano P.A. 10,48 4,154

1-propanol P.A. 5,982 2,372

metanol P.A. 3,199 1,268

etanol P.A. 4,667 1,726

etanol comercial 4,354 1,850 I Refração molar

II Polarizabilidade

Qualitativamente, a polarizabilidade é uma medida da maior ou menor facilidade com que a

nuvem eletrônica de um átomo ou de uma molécula pode ser distorcida por ação de um campo

elétrico externo, polarizando-se. Foi observado que de acordo com os dados experimentais obtidos e

representados na tabela 3.3, quanto maior a molécula, maior o valor de polarizabilidade.

Evidenciando este fato, o n-hexano apresentou o maior valor de polarizabilidade, em comparação

com os demais compostos, corroborando o fato de que esta propriedade fisico-quimica é tanto maior

quanto maior o número de elétrons e quanto maior o tamanho da molécula4. Sendo assim, os valores

experimentais demonstraram-se coerentes.

A polarizabilidade ser diretamente proporcional à refração molecular, como mostra a

equação 3.4, indica que os valores obtidos de também estão de acordo com o esperado.

5

3.2 Densidade, índice refração e volume molar parcial.

As soluções da mistura água e etanol foram preparadas e os valores foram indicados na

tabela 3.4. Por se tratar de uma solução não ideal, foi necessário o cálculo do volume real, com o

auxílio do picnômetro, além do volume parcial molar, propriedade que descreve o comportamento da

solução não-ideal, indicados na tabela 3.5.

Tabela 3.4. Soluções preparadas para avaliar propriedades de líquidos puros e misturas destes, à 22ºC;

Sol. I /g

II /g

III /g

IV /g

V /mol

VI /mol

VII /mol

VIII

IX

1 ----- 18,0152 18,0152 18,0152 1 0 1 1 0

2 41,1519 76,7139 77,6240 36,4721 1,9740 0,0198 1,9938 0,9901 0,0099

3 44,6891 78,5167 84,6243 39,9352 1,8777 0,1326 2,0103 0,9341 0,0659

4 73,4166 106,6110 113,8017 40,3851 1,8426 0,1561 1,9987 0,9219 0,0781

5 63,8068 96,2592 105,2886 41,4818 1,8014 0,1960 1,9974 0,9019 0,0981

6 43,5976 71,9871 84,1639 40,5663 1,5759 0,2643 1,8402 0,8564 0,1436

7 45,5880 70,8427 87,7764 42,1884 1,4019 0,3676 1,7694 0,7923 0,2077

8 43,4329 65,6036 89,9276 46,4947 1,2307 0,5280 1,7587 0,6998 0,3002

9 45,5327 63,7029 91,5271 45,9944 1,0086 0,6040 1,6126 0,6255 0,3745

10 45,7841 59,4524 93,4070 47,6229 0,7587 0,7370 1,4957 0,5072 0,4928

11 57,2589 68,2416 110,6396 53,3807 0,6096 0,9203 1,5300 0,3985 0,6015

12 59,9100 66,9628 111,9258 52,0158 0,3915 0,9760 1,3675 0,2863 0,7137

13 39,6022 43,0026 93,6435 54,0413 0,1888 1,0992 1,2880 0,1465 0,8535

14 ----- ----- 46,0690 46,0690 0 1 1 0 1 I Massa balão

II Massa (balão + água)

III Massa (balão + água + etanol)

IV Massa solução

V Quantidade

de substância água VI

Quantidade de substância etanol VII

Quantidade de substância total VIII

Fração molar água

IX Fração molar etanol

Tabela 3.5. Densidade, índice de refração e volumes parciais molares das misturas água/etanol, à 22ºC

Solução I

n

II

III ̅

IV ̅

V ̅

2 0,9928 1,3340 36,74 18,4258 17,9855 62,4142

3 0,9746 1,3415 40,98 20,3839 18,0248 53,7972

4 0,9699 1,3440 41,64 20,8335 18,0892 53,2294

5 0,9649 1,3455 42,99 21,5226 17,4345 59,0965

6 0,9537 1,3510 42,54 23,1156 17,2672 57,9839

7 0,9325 1,3565 45,24 25,5687 16,0087 62,0290

8 0,9072 1,3595 51,25 29,1426 16,8438 57,8094

9 0,8573 1,3600 53,65 33,2688 18,5239 57,8924

10 0,8621 1,3625 55,24 36,9304 16,9703 57,4774

11 0,8467 1,3630 63,04 41,2070 17,9186 56,6336

12 0,8257 1,3625 63,00 46,0674 15,8809 58,1758

13 0,8066 1,3620 67,00 52,0205 17,3692 57,9706 I Densidade da solução

II Volume real da solução

III Volume parcial molar da solução

IV Volume parcial

molar da água V

Volume parcial molar do etanol

6

O comportamento da solução não ideal foi estudado avaliando a relação entre o volume

molar parcial da água e do etanol e a fração molar de etanol, a partir de dados da Tabela 3.4 e 3.5,

com o gráfico construído e representado na figura 3.1.

Figura 3.1. Gráfico em preto: volume parcial molar da água versus fração molar do etanol . Gráfico em vermelho: volume molar parcial do etanol versus fração molar do etanol, à temperatura de 22º C.

O comportamento do gráfico representado na Figura 3.1 seguiu a tendência encontrada na

literatura 9, do volume molar do etanol sofrer um decréscimo logo no inicio, no momento onde o

volume parcial da água se mantém quase constante. Com o decorrer do aumento da fração parcial

molar de etanol na solução, o volume parcial molar de etanol passa a aumentar e a queda do volume

molar parcial da água passa a ocorrer de forma mais acentuada. Os volumes parciais molares dos

compostos da mistura variaram à medida que a composição passa da água pura para o etanol puro,

devido à modificação das forças que atuam entre as moléculas.

Nas Figuras 3.2 e 3.3, os gráficos da relação entre a composição da mistura etanol/água

com o índice de refração e a densidade foram construídos e estudados respectivamente, a partir dos

dados da Tabela 3.4 e 3.5.

Figura 3.2. Gráfico do índice de refração versus a composição da mistura etanol/água à 22ºC

7

Figura 3.3. Gráfico da densidade versus a composição da mistura etanol/água, à temperatura de

22ºC

No estudo referente ao índice de refração em função da mistura etanol/água, representado

pela figura 3.2, ao final da curva fica claro que não se pode determinar a composição de uma amostra

de etanol/água.

Já o gráfico referente à mistura etanol/água em função da densidade, apresentado pela

figura 3.3, demonstra-se claramente uma tendência da densidade diminuir em relação a maior

concentração de etanol, podendo-se assim, determinar a composição da amostra em função da

densidade.

3.3 Viscosidade relativa de substância pura e de misturas.

As viscosidades dos líquidos puros e respectivas misturas foram determinadas a partir do

tempo de escoamento dos mesmos usando-se viscosímetros capilares segundo Cannon-Fenske. A

pressão que faz o líquido ser carregado é ρgh onde ρ significa densidade do líquido, g é a

aceleração da gravidade e h a diferença entre os dois “meniscos” do viscosímetro , e ρgh substitui

P1-P2 na lei de Poiseuille, equação 3.5, onde r é o raio do tubo capilar, g é a aceleração da gravidade,

h é a diferença de altura entre as superfícies do líquido, t é o tempo gasto pelo líquido para fluir

através do tubo capilar entre os dois reservatórios, V é o volume do reservatório superior e l é o

comprimento do tubo capilar. P1-P2/y1-y2 é o gradiente de pressão através do tubo. 2

t r4

- 2

- 2 (3.5)

Foram realizadas 3 medidas de tempo de queda para cada amostra na temperatura de

22ºC, de modo que o desvio máximo do tempo médio foi sempre inferior a 3%. A constante do

viscosímetro foi calculada a partir da equação 3.6, com o valor obtido de 2,51 10-5

cm2.s

-2.

a

ρat (3.6)

Calculou se a viscosidade dos líquidos a partir do líquido referência (água), de acordo com a

equação da viscosidade relativa, obtida a partir da equação 3.7.

8

b

a ρbtb

ρata (3.7)

Como a e ρ

a, viscosidade e densidade da água, respectivamente são conhecidos, e no

valor de 1002 µPa.s e 0,99773 g.cm-3

5 e ρ

b também é, experimentalmente e de acordo com a tabela

3.5, foi possível encontrar b.

Os tempos obtidos experimentalmente e as viscosidades calculadas, seguidos de suas

respectivas incertezas, foram apresentadas na tabela 3.6.

Tabela 3.6. Dados para o cálculo da viscosidade relativa de substâncias puras e de misturas em estudo realizada à 22ºC.

Substâncias (s) t2 (s) t3 (s) tm (s) Viscosidade (10-3)

Pa.s

Água 39,53 40,27 40,23 40,0±0,04 1,00±0,01

Etanol P.A 59,01 59,09 59,46 59,2±0,2 1,482±0,006

Mistura 2 65,00 65,88 65,86 65,6±0,5 1,64±0,01

Mistura 5 91,58 92,36 94,22 93±1 2,32±0,03

Mistura 7 104,06 107,77 110,02 10,7±3 2,69±0,07

Mistura 10 82,27 83,79 83,14 83,1±0,8 2,08±0,02

O valor da viscosidade do etanol obtido experimentalmente (1,482±0,006) mPa.s

apresentou-se bem parecido com o encontrado na literatura5, 1,074 mPa.s.

4. CONCLUSÃO

O picnômetro apesar de ser um método de grande precisão, erros pode ser atribuído a

possível formação de bolhas de ar dentro do líquido e a propagação de erros inerentes à execução

da série de medidas (massa do picnômetro vazio, massa do picnômetro cheio com o líquido de

referência, massa do picnômetro cheio com o líquido problema). A obtenção da densidade pelo

método do picnômetro é de grande precisão, uma vez que o cálculo do volume é feito pela medida

direta da massa de líquido deslocada.

Foi possível a determinação das densidades e índices de refração das substâncias puras

bem próximas aos valores encontrados na literatura. Em geral, quando a densidade de um meio

aumenta, o seu índice de refração também aumenta, sendo comprovado experimentalmente.

A partir destes dados, pode-se verificar de que forma o índice de refração está relacionado

com a estrutura do sistema através do cálculo da refração molar pela equação de Lorenz - Lorentz.

Com este dado foi possível calcular a polarizabilidade e de um modo geral, percebeu-se que ela é

tanto maior quanto maior o número de elétrons e quanto maior o tamanho da molécula.

Tratando-se das soluções de diferentes volumes de água e etanol, observou-se que

conforme foi aumentando a quantidade de etanol na mistura, a densidade da solução foi diminuindo,

podendo-se assim, determinar a composição da mistura etanol/água. Já para o índice de refração,

notou-se que quando se aumenta a quantidade de um dos compostos, o índice de refração vai se

aproximando ao do composto puro, pois tal propriedade depende da concentração da solução. De

fato, isto se torna parcialmente verdadeiro, até o momento em que a concentração aproxima-se do

9

composto puro, momento em que o índice começa a diminuir no caso em que a fração molar do

etanol aproxima-se de 1, fato este que não o torna um bom método para determinar a composição da

mistura etanol/água.

Devido às diferentes forças intermoleculares existentes nas soluções de diferentes

composições, fica claro o fato de que quanto maior a quantidade percentual de etanol na solução,

menor é o volume molar parcial da água. Para o etanol, há um inicial decréscimo e logo após um

aumento de seu volume molar parcial.

Pelo fato da soma dos volumes dos componentes das soluções etanol-água não equivaler

ao volume final da solução previsto se apresentasse comportamento ideal, concluiu-se que essa

mistura se comporta de maneira não ideal, sendo necessário o auxílio do picnômetro e de valores de

densidade encontrados na literatura para obter os valores corretos da solução não-ideal.

5. REFERÊNCIAS

1 MIRANDA-PINTO, Clotilde Otília Barbosa de; SOUZA, Edward de. Manual de trabalhos práticos

de físico-química. Belo Horizonte: Ed. UFMG, 2006.

2 LEVINE, Ira N. Físico-química. 6. ed. Rio de Janeiro , RJ: LTC, c2012. vol. 1.

3 CASTELLAN, Gilbert William. Fundamentos de físico-química. Rio de Janeiro, RJ: LTC, c1986.

4 ATKINS, P. W.; PAULA, Julio de. Físico-química. 8. ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2008. vol. 1.

5 CRC handbook of chemistry and physics: a ready-reference book of chemical and physical data.

90th ed. Boca Raton: CRC, 2009-2010. vol 1.

6 MCMURRY, John. Química orgânica. 4. ed. Rio de Janeiro: LTC, 1997.

7 VOLLHARDT, K. Peter C.; SCHORE, Neil Eric. Química orgânica: estrutura e função. 4. ed.

Porto Alegre: Bookman, 2004. 1112 p.

8 SHOEMAKER, David P; GARLAND, Carl W. Experimentos de físico-química. Mexico: Centro

Regional de Ayuda Tecnica, c1968. 634 p.

9 MOORE, Walter John. Physical chemistry. 4th ed. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall, 1972. 977

p.