Sistema ternário

1. UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA – DEQ
QUÍMICA INDUSTRIAL













Quinto relatório de Laboratório de Físico-Química 2
Equilíbrio Heterogêneo
(Sistema Ternário)











Professor: Luciano Costa
Aluna: Larissa Ciro Souza da Silva
Curso: Química Industrial




Recife, Dezembro2011

2. 2

1- Introdução
O estado de equilíbrio de um sistema fechado é aquele estado no qual a energia de
Gibbs total é o mínimo em relação a todas as possíveis mudanças nas temperaturas e pressão
especificadas.
Muitos pares de espécies químicas, quando misturadas em uma certa faixa de
composições para formar uma única fase líquida, podem não satisfazer o critério de
estabilidade. Conseqüentemente, nesta faixa de composições, tais sistemas se dividem em
duas fases líquidas com composições diferentes. Se as fases estão em equilíbrio
termodinâmico, o fenômeno é um exemplo de equilíbrio líquido-líquido, que é importante em
muitas operações industriais como a extração com solventes.
O conhecimento de dados de equilíbrio líquido-líquido é fundamental para o estudo
dos processos de separação por extração. Geralmente os dados de equilíbrio líquido-líquido
são representados por um gráfico triangular eqüilateral conhecido como curva binodal, que
separa a região de duas fases da região homogênea. As composições das fases em equilíbrio
podem ser determinadas através das linhas de amarração que representam as duas fases em
equilíbrio.

1.1 Diagrama ternário

É conveniente visualizar um sistema ternário utilizando um diagrama triangular,
chamado de diagrama ternário ou diagrama de Stokes e Roozeboom. Este diagrama é,
geometricamente, um triângulo equilátero e define, por exemplo, as composições em
porcentagem em massa (% m/m) do sistema ou em fração molar.
Cada vértice do triângulo representa um componente.
Podemos traçar uma reta perpendicular a qualquer um dos lados do triângulo
passando por um dos vértices e dividir essa perpendicular em 10 partes iguais. Excluindo o
vértice e o ponto formado pela interseção da perpendicular com o lado do triângulo, serão
originados da divisão 9 pontos sobre a perpendicular. Podemos, então, traçar retas paralelas
ao lado do triângulo em questão passando por cada um desses pontos.
Feito isso, tem-se a seguinte convenção: “Sabendo que o vértice A corresponde a um
dos componentes do sistema ternário, o lado do triângulo oposto a este vértice representa
uma composição nula deste componente no sistema.”
A primeira reta paralela a este lado, contando a partir do próprio lado, representa uma
composição de 10 % do componente no sistema, a segunda paralela representa uma
composição de 20 % e assim sucessivamente até que o próprio vértice A corresponde a uma
composição de 100 % do componente no sistema, ou seja, o componente puro (Figura 1).














A
Figura 1. Construção do
diagrama ternário e sua leitura.

3. 3

Este procedimento é feito para todos os lados do triângulo, originando o diagrama
ternário (Figura 2).
Qualquer reta paralela a um dos lados do triângulo representa uma composição
constante do componente locado no vértice oposto.
Qualquer ponto situado em um dos lados do triangulo indica que temos apenas dois
componentes no sistema, de acordo com a convenção adotada.
Os pontos interiores ao triângulo apresentam 3 coordenadas, cada uma para a
composição de um componente.



















Experimentalmente, a curva traçada utilizando diagrama de fase ternário é obtida
preparando-se misturas conhecidas de 2 líquidos pouco miscíveis, às quais são adicionados
volumes conhecidos de um terceiro líquido, até que a turbidez desapareça.
Calculando-se as frações molares (ou porcentagem em massa) de cada componente no
momento em que a turbidez desaparece, determinam-se pontos no diagrama que permitem o
traçado da curva de solubilidade (ou curva binodal), em vermelho na Figura 3.



















A
C B
Figura 2. Diagrama ternário
pronto para utilização.
Figura 3. Diagrama ternário com curva de
solubilidade construída. Nele temos
também indicado um plalt point (em azul)
e duas tie lines (em cor-de-rosa).
L
N

4. 4

O diagrama ternário apresenta duas regiões, uma monofásica e outra bifásica.
Para melhor entendimento do diagrama, esclarece-se que os pontos localizados acima
da curva binodal (em vermelho) compõem a configuração monofásica do sistema. Os pontos
localizados abaixo da curva representam a configuração bifásica do sistema.
Já os pontos localizados exatamente sobre a curva binodal apresentam como
característica um sistema turvo, indicando o limite entre os aspectos monofásico e o bifásico.
Estes pontos são chamados de pontos de opalescência ou plalt points, definidos como pontos
críticos do sistema.
Um sistema representado pelo ponto M, por exemplo, está separado em duas fases de
composição L e N. Estas duas soluções são chamadas soluções conjugadas e a linha que une as
composições dessas soluções é chamada de linha de amarração (linha de correlação ou tie
line).
Em geral, as linhas de correlação não são paralelas, porque a solubilidade do
componente, miscível nos outros dois, não é a mesma nas camadas. Conseqüentemente, a sua
orientação deve ser determinada experimentalmente. No esquema da Figura 3 temos duas tie
lines representadas em cor-de-rosa.

2.3 – Tipos de sistemas ternários
De acordo com a miscibilidade parcial dos três componentes envolvidos na formação
do sistema, existem três tipos de sistema líquidos ternários.
O Tipo I representa um sistema em que só um par de componentes é parcial ou
totalmente imiscível; os outros dois pares são completamente miscíveis em todas as
proporções. É o diagrama mais comum que existe.
No Tipo II, dois pares de componentes são parciais ou totalmente imiscíveis.
No tipo III, todos os três pares de componentes são parciais ou totalmente imiscíveis.
De um modo geral, a área de imiscibilidade de um sistema ternário diminui quando a
temperatura se eleva.
Um sistema ternário que apresenta relações de solubilidade do Tipo I, para dois pares
de componentes pode transformar-se num sistema do Tipo II, por abaixamento da
temperatura. Semelhantemente, um sistema ternário que apresenta relações de solubilidade
do tipo I para os três pares de componentes, pode transformar-se num sistema do Tipo III, por
abaixamento da temperatura.
2- Objetivos
2.1- Objetivo Geral
Realizar um estudo sobre um sistema heterogêneo através da construção do
diagrama de fases de um sistema ternário.
.
2.2- Objetivo Específico
Verificar experimentalmente a solubilidade de dois líquidos parcialmente
miscíveis (água e éter) com um terceiro completamente miscível (ácido
acético) nos outros dois.

5. 5

Construir o diagrama de solubilidade e do ponto crítico isotérmico para o
sistema ternário em questão.
Analisar a solubilidade de compostos e as variáveis que interferem neste
fenômeno.
Pela técnica da extração, determinar os pontos da tie line.

3- Materiais e Método
3.1- Materiais
Buretas de vidro de 50 mL
Suporte universal
Garra
Béquer de 50 mL
Erlenmeyers de 250 mL e 125 mL
Funis de separação de 125 mL
Anéis para suporte
Pipetas graduadas de 10 mL
Pipetas volumétricas de 5 mL
Provetas de vidro graduadas de 50 mL e 100 mL
Pêra de borracha
Água destilada,
Éter propílico P.A.
Ácido Acético
Solução de fenolftaleína
Solução aquosa de hidróxido de sódio (NaOH) 2,0 M
Balança semi-analítica
3.2- Procedimento Experimental
3.2.1 - Determinação da curva de solubilidade (1° parte)
Em um erlenmeyer de 250 mL foi adicionado 10 mL de éter e 3 mL de água destilada.
Essa mistura foi agitada até formar uma solução turva.
Em seguida, com uma bureta contendo ácido acético, adicionou-se o mesmo sob
agitação vigorosa, até a obtenção de um sistema límpido (solução dos 3 componentes).
Anotou-se o volume gasto do ácido acético. Logo após, foi adicionado à solução mais 2 mL de

6. 6

água destilada e repetiu-se o gotejamento de ácido acético com a bureta até obter-se
novamente uma solução homogênea, anotando o volume de ácido utilizado.
Este processo foi repetido, sendo adicionado mais 5, 10, 20, 30 mL de água não
sistema. Anotaram-se os volumes mínimos de ácido gasto para homogeneizar o sistema em
cada repetição.
Em outro erlenmeyer de 250 mL, foram adicionados 2 mL de éter e 5 mL de água e
agitou-se o sistema. Com a bureta, gotejou-se ácido acético até o sistema formado tornar-se
homogêneo e anotou-se o volume gasto do ácido, seguindo o procedimento inicial.
Da mesma forma realizada anteriormente, repetiu-se o processo, adicionando mais 5,
10, 20, e 30 mL de água e anotou-se o volume de ácido usado correspondente em cada caso.
3.2.1 - Determinação dos pontos tie line (2° parte)
Em três funis de decantação de 125 mL, foram preparadas as seguintes
misturas de acordo com a tabela (Tabela 1) a seguir:

Tabela 1: Especificações para o preparo dos sistemas de cada funil de separação.
Funil Volume de éter
(mL)
Volume de
água (mL)
Volume de
ácido acético
(mL)
Funil A 30 35 35
Funil B 30 25 45
Funil C 35 40 25

Após serem feitas as misturas, cada funil foi agitado vigorosamente, sempre
controlando a pressão interna da mistura e deixou-se as camadas se separarem, colocando os
funis suspensos em anéis de suporte.
Em seguida, o volume correto de cada fase aquosa foi determinado e 5 mL de cada
fase foi tomado, colocando-o num erlenmeyer previamente tarado. O conjunto foi pesado e o
sistema foi submetido a uma titulação utilizando a solução de hidróxido de sódio 2M e
fenolftaleína como indicador. Anotou-se o volume gasto.
Repetiu-se o procedimento para os funis restantes.

7. 7

4- Resultados e Discussão
4.1 - Determinação da curva de solubilidade (1ª parte)

A tabela a seguir (Tabela 2) é composta pelos resultados experimentais encontrados quando
se fixou o volume de éter no sistema e houve adição de volume de água.
A massa (m) dos compostos é calculada de acordo com a seguinte expressão: V d m

Em que d é a densidade do composto e V é o volume do mesmo.
A quantidade de matéria (n) é calculada de acordo com a seguinte expressão:
M
m
n

Em que m é a massa do composto e M é a massa molar do mesmo.
Para realizar os cálculos são necessários os dados a seguir:
Água:
Densidade = 1,0 g/mL
Massa molar = 18 g/mol
Éter propílico:
Densidade = 0,724 g/mL
Massa molar = 102 g/mol
Ácido Acético:
Densidade = 1,049 g/mL
Massa molar = 60 g/mol

Tabela 2: Resultados experimentais adicionando água e mantendo fixo o volume de éter.
Água Éter Ácido Acético
Ensaio V
(mL)
m (g) n (mol) V
(mL)
m (g) n (mol) V
(mL)
m (g) n (mol)
1 3 3 0,167 10 7,24 0,071 7,4 7,763 0,129
2 5 5 0,278 10 7,24 0,071 17,7 18,567 0,309
3 10 10 0,556 10 7,24 0,071 32,8 34,407 0,573
4 20 20 1,111 10 7,24 0,071 56,6 59,373 0,990
5 40 40 2,222 10 7,24 0,071 92,2 96,718 1,612
6 70 70 3,889 10 7,24 0,071 142 148,958 2,483

8. 8

A partir dos valores da tabela, determinou-se a fração molar e a percentagem em
massa, utilizando as expressões a seguir, respectivamente. Os resultados obtidos pela
realização dos
cálculos estão na
tabela a seguir
(Tabela 3).


Tabela 3: Resultados experimentais
Água Éter Ácido Acético
Ensaio m (g) Fração
molar
%
(m/m)
m (g) Fração
molar
%
(m/m)
m (g) Fração
molar
%
(m/m)
1 3 0,454 16,664 7,24 0,193 40,216 7,763 0,353 43,119
2 5 0,422 16,230 7,24 0,108 23,501 18,567 0,470 60,269
3 10 0,463 19,362 7,24 0,0592 14,018 34,407 0,478 66,620
4 20 0,512 23,091 7,24 0,033 8,359 59,373 0,456 68,5499
5 40 0,569 27,785 7,24 0,0182 5,030 96,719 0,413 67,185
6 70 0,604 30,946 7,24 0,0110 3,201 148,958 0,385 65,853

A tabela a seguir contém os resultados experimentais quando novamente se fixou o
volume de éter no sistema e variou-se o volume de água. Os cálculos realizados são similares
aos mostrados anteriormente.

Tabela 4: Resultados experimentais adicionando água o e mantendo fixo o volume de éter.
Água Éter Ácido Acético
Ensaio V
(mL)
m (g) n (mol) V
(mL)
m (g) n (mol) V
(mL)
m (g) n (mol)
1 5 5 0,278 2 1,448 0,014 5,2 5,455 0,091
2 10 10 0,556 2 1,448 0,014 12 12,588 0,210
3 20 20 1,111 2 1,448 0,014 20,4 21,400 0,357
4 40 40 2,222 2 1,448 0,014 29 30,421 0,507

Do mesmo modo que anteriormente, com o auxílio dos valores na tabela, as frações
molares e percentagem em massa dos componentes do sistema foram determinadas no % 100
m
(A) m
(A) (m/m) %

n
(A)n
(A)x
total
total

9. 9

momento em que os mesmos estavam homogêneos. Os resultados obtidos através dos
cálculos constam na tabela a seguir (Tabela 5)

Tabela 5: Resultados experimentais.
Água Éter Ácido Acético
Ensaio m (g) Fração
molar
%
(m/m)
m (g) Fração
molar
%
(m/m)
m (g) Fração
molar
%
(m/m)
1 5 0,725 42,007 1,448 0,037 12,165 5,455 0,237 45,828
2 10 0,713 41,604 1,448 0,018 6,024 12,588 0,269 52,371
3 20 0,750 46,677 1,448 0,010 3,379 21,400 0,241 49,944
4 40 0,810 55,657 1,448 0,005 2,014 30,421 0,185 42,328

Com base nas tabelas construídas, foram feitos os diagramas ternários que são
apresentados a seguir. O diagrama da figura 5 foi feito levando-se em consideração a
percentagem em massa. O diagrama da figura 6 foi plotado utilizando-se as composições em
fração molar. Nas mesmas figuras, as curvas de solubilidade estão representadas pelas auto-
formas.


Figura 5. Diagrama ternário plotado utilizando os valores de porcentagem em massa dos
compostos, constantes das Tabelas 3 e 5.

10. 10


Figura 6. Diagrama ternário plotado utilizando os valores de fração molar dos compostos,
constantes das Tabelas 3 e 5.

Figura 7. Diagrama ternário plotado utilizando os valores de massa/massa dos compostos,
constantes das Tabelas 3 e 5.

11. 11

5.2 - Determinação dos pontos tie line (2° parte)

A tabela a seguir contém os resultados das pesagens realizadas e dos volumes de base
gastos nas titulações, em que: m é a massa do volume de 5 mL da parte aquosa resultante e VT
é o volume gasto na titulação. Não foi possível prosseguir os cálculos com o funil B, pois não
houve separação das misturas.

Tabela 6. Valores obtidos na titulação. Fase aquosa.
Ensaio realizado no funil m (g) VT (mL)
A 5,48 19,43
B - -
C 5,52 15,75

Tabela 7. Valores obtidos na titulação. Fase orgânica.
Ensaio realizado no funil m (g) VT (mL)
A 4,30 8,90
B - -
C 4,16 5,60

Através dos volumes de NaOH, é possível determinar as massas de ácido acético em
cada fase das misturas utilizando a reação de neutralização do ácido pela base em questão
(concentração 1:1).
NaOH(aq) + CH3COOH(aq) → NaCH3COO(aq) + H2O(l)

Pela estequiometria da reação acima o número de mols de NaOH vai ser igual ao número de
mols do ácido acético, podendo assim determinar a massa de cada componente da mistura, através
das equações abaixo.


- Funil A:
- fase aquosa:

mtotal = 5,48 g
VNaOH = 19,43mL = 0,01943 L
C = )(LV
n
nNaOH = 0,039

mol

12. 12

CNaOH = 2 mol/L

Como o número de mols de NaOH é igual ao numero de mols do HAC:

MHAC = 60 g/mol
mHAC = 2,33 g


- Funil C:
- fase aquosa:

mtotal = 5,52 g
VNaOH = 15,75 mL = 0,01575 L
CNaOH = 2 mol/L

Como o número de mols de NaOH é igual ao numero de mols do HAC:

MHAC = 60 g/mol
mHAC = 1,89 g

- Funil A:
- fase orgânica:

mtotal = 4,30 g
VNaOH = 8,90 mL = 0,0089 L
CNaOH = 2 mol/L

Como o número de mols de NaOH é igual ao numero de mols do HAC:

MHAC = 60 g/mol
mHAC = 1,07


- Funil C:
- fase orgânica:
mH2O = mtotal - mHAC
mH2O = 3,15 g

XHAC = 48,5
33,2 .100 XH2O = 48,5
15,3 .100
XHAC =42,52% XH2O =57,48%

mH2O = mtotal - mHAC
mH2O = 3,63 g

XHAC = 52,5
89,1 .100 XH2O = 52,5
63,3 .100
XHAC =34,24% XH2O =
65,76%

C = )(LV
n
nNaOH = 0,0315

mol

C = )(LV
n
nNaOH = 0,0178

mol

Méter = mtotal - mHAC
Méter = 3,23 g

XHAC = 30,4
07,1 .100 Xéter = 30,4
23,3 .100

XHAC = 24,88% Xéter = 75,12%

C = )(LV
n
nNaOH = 0,0112

mol

13. 13


mtotal = 4,16 g
VNaOH = 5,60 mL = 0,0056 L
CNaOH = 2 mol/L

Como o número de mols de NaOH é igual ao numero de mols do HAC:

MHAC = 60 g/mol
mHAC = 0,67 g


As tabelas abaixo mostram os valores obtidos:

Tabela 8. Valores obtidos na titulação. Fase aquosa.
Ensaio realizado no
funil
H2O (%) Ác. Acético (%) Éter (%)
A 57,48 42,52 0
B - - -
C 65,76 34,24 0


Tabela 8. Valores obtidos na titulação. Fase orgânica
Ensaio realizado no
funil
H2O (%) Ác. Acético (%) Éter (%)
A 0 24,88 75,12
B - - -
C 0 16,11 83,89

OBS: Desconsiderou-se a presença de benzeno da fase aquosa. Assim, como na fase orgânica,
desconsiderou-se a presença de água.

Para determinar as tie lines é preciso ter um par de pontos, que são os pontos das fases
tanto aquosas quanto a orgânica.
Méter = mtotal - mHAC
Méter = 3,49 g

XHAC = 16,4
67,0 .100 Xéter= 16,4
49,3 .100

XHAC = 16,11% Xéter = 83,89%

14. 14

Com as tie lines, poderia ser determinado em quais os solventes o ácido acético seria
mais solúvel. Essa conclusão se dá pelo fato dessas linhas se unirem as fases em equilíbrio, e se
posicionarem em sentido crescente ou decrescente em direção à uma das fases.


Figura 7. Diagrama ternário plotado utilizando os valores de fração molar dos compostos,
determinação das tie lines.


Figura 8. Diagrama ternário plotado utilizando os valores de porcetagem de massa dos
compostos, determinação das tie lines.

15. 15

5- Conclusão
A realização da pratica foi muito importante para o aprendizado na analise de
operações de extração, que é o diagrama ternário.
As curvas obtidas foram satisfatórias de acordo com o esperado, embora o
experimento não seja muito preciso.

6- Referências
1) DE MIRANDA-PINTO, C. O. B.; De Souza, E. Manual de trabalhos práticos de Físico-
química. Belo Horizonte: Editora UFMG, 2006.


2) DANIELS, F.; MATHEWS, J. H.; WILLIAMS, J. W.; BENDER, P. ALBERTY, R. A. Experimental
physical chemistry. 5
th
ed. New York: McGraw-Hill Book Company, 1956.


3) MC CABE, W. L.; SMITH, J. C. HARRIOTT, P. Unit operations of chemical engeneering. 7
th

ed. New York: McGraw Hill, 2005.

4) DE ALMEIDA, A. M. Determinação voltamétrica de molibdênio(VI) utilizando um sistema
ternário homogêneo de solventes. São Paulo: Universidade Estadual de campinas, 2003.