Após faltar a todas as aulas, um estudante de Operações Unitárias III pegou os cadernos de vários alunos e elaborou 5 sentenças (abaixo) resumindo as informações pesquisadas. Avalie as sentenças abaixo indicando se você concorda ou não, justificando por que não concorda:
Baixos coeficientes de distribuição e altas seletividades são condições suficientes e necessárias para a seleção de um solvente para o processo de extração líquido-líquido.
Baixos coeficientes de distribuição e altas seletividades são condições suficientes e necessárias para a seleção de um solvente para o processo de extração líquido-líquido.
Passo 1
O enunciado pede que eu avalie a sentença e diga se concordo ou não, justificando. A sentença é:
“Baixos coeficientes de distribuição e altas seletividades são condições suficientes e necessárias para a seleção de um solvente para o processo de extração líquido-líquido.”
Informações/elementos presentes no enunciado que vamos usar:
- “coeficiente(s) de distribuição” (aqui vou chamar de
, para uma dada substância entre fase solvente e fase aquosa). - “seletividade(s)” (relação entre coeficientes de distribuição de duas espécies, vou chamar de
). - afirmação sobre essas duas propriedades serem “condições suficientes e necessárias” para a escolha do solvente.
Nada mais foi dado. A tarefa é avaliar (concordo / discordo) e justificar com argumentos.
Passo 2
Definição e interpretação física do coeficiente de distribuição.
Defino o coeficiente de distribuição de um soluto entre o solvente orgânico (fase s) e a fase aquosa/raffinate (fase a) por
onde
é a concentração do soluto na fase solvente em equilíbrio e
é a concentração do soluto na fase aquosa em equilíbrio. Interpretação: se
a substância “prefere” o solvente; se
ela “prefere” a fase aquosa. Este número é um dado termo de equilíbrio que depende de temperatura e composição.
Passo 3
Definição e interpretação da seletividade.
Para separar dois solutos
e
o conceito útil é a seletividade
onde
e
são os coeficientes de distribuição de
e
. Se
, o solvente extrai preferencialmente
em relação a
. Se
, o solvente não discrimina bem entre
e
.
Passo 4
O que significa a frase “suficientes e necessárias”.
- Uma condição necessária: todo solvente adequado teria de satisfazer essa condição.
- Uma condição suficiente: se um solvente satisfaz essa condição então ele é automaticamente adequado.
A sentença afirma que “baixos
e altas seletividades” são simultaneamente necessárias e suficientes — ou seja, todo solvente aceitável tem que ter baixos
e altas seletividades, e qualquer solvente com essas duas características é automaticamente adequado. Vou analisar essas duas afirmações.
Passo 5
Erro de sentido sobre “baixos coeficientes de distribuição”.
A frase pede “baixos coeficientes de distribuição” como desejáveis — isso é estranho e, na maioria dos casos, incorreto. Para extrair um soluto da fase aquosa para o solvente orgânico costuma-se desejar que o coeficiente de distribuição do soluto alvo seja alto (
grande), porque assim uma grande fração do soluto passa para a fase solvente em poucas etapas/pequeno fluxo de solvente. Coeficiente baixo (
) significa que o soluto favorece a fase aquosa e a extração será ineficiente sem muito solvente ou muitas etapas. Logo a afirmação de que "baixos
" são condição correta está, em geral, errada (está invertida).
Passo 6
Matemática simples que mostra por que um
pequeno não é absolutamente proibitivo (mas também por que não é desejável).
Considere uma extração em uma etapa de uma solução aquosa (volume
) com um solvente orgânico (volume
). Em equilíbrio,
Fazendo balanço de massa do soluto na etapa única, se a concentração inicial na fase aquosa for
, a fração extraída
após uma etapa é
onde defini
(relação de fases solvente/aqueosa). Essa fórmula vem de balanço + condição de equilíbrio (desenvolvimento padrão: soluto total inicial
; em equilíbrio
; substituir
e isolar
). Observações práticas:
- Se
é pequeno, ainda assim posso obter grande aumentando (usar mais solvente) ou usando várias etapas em contracorrente. - Porém em termos práticos, um
pequeno implica grande consumo de solvente, maiores custos e possivelmente problemas de engenharia (regeneração do solvente, carregamento de água, emulsões etc.).
Exemplo numérico rápido: se
e
então
e
. Ou seja, mesmo com
“baixo” dá para extrair bastante, mas custará muito solvente.
Conclusão deste passo: um
baixo não torna impossível a extração (logo não é, em sentido estrito, uma condição impossível / necessariamente proibitiva), mas tampouco é uma característica desejável na maioria dos casos operacionais.
Passo 7
Por que altas seletividades sozinhas não são suficientes.
Suponha um solvente com
e
. Então
ou seja, seletividade alta. Mas
é pequeno: a quantidade absoluta de
que vai para o solvente em cada etapa é limitada, exigindo muito solvente ou muitas etapas. Assim:
- Alta seletividade é desejável para discriminar
de , mas se os coeficientes absolutos forem pequenos a extração pode ser inviável na prática. - Ou seja, seletividade alta por si só não é suficiente para garantir que o solvente seja adequado.
Passo 8
Outros critérios fundamentais que a sentença ignora (por isso afirmar suficiência é errado)
A escolha de um solvente não depende só de
e
. Critérios práticos e termodinâmicos importantes:
- imiscibilidade adequada entre as fases (para formar duas fases separáveis),
- baixa solubilidade do solvente na fase aquosa (para não carregar muito solvente perdido),
- diferença de densidade conveniente (para separar fases por decantação),
- baixa tendência a formar emulsões,
- estabilidade química (não reagir com soluto ou corromper-se),
- volatilidade e ponto de ebulição (para facilitar regeneração por destilação se necessário),
- toxicidade e segurança, custo e disponibilidade,
- facilidade de regeneração e impacto ambiental.
Mesmo que um solvente tenha as “propriedades
e
pedidas”, se falhar em qualquer um desses itens pode ser impraticável. Portanto as duas propriedades não são suficientes.
Passo 9
Argumentos finais sobre necessidade e suficiência
- Necessidade: A sentença diz que baixos
e altas seletividades são necessários. Isso é falso: não é necessário que seja baixo (na verdade normalmente queremos alto para o soluto alvo) e não é necessário que tenha um valor absoluto (podemos compensar seletividade moderada com mais estágios ou com etapas complementares). - Suficiência: Mesmo se um solvente tivesse baixos
e altas (ou seja, alta seletividade mas coeficientes absolutos pequenos), isso não garante que seja um bom solvente por razões práticas listadas no passo anterior. Logo não é suficiente.
Passo 10
Síntese (tom amigo e motivador)
Resumindo: a frase está errada em dois sentidos. Primeiro porque diz que “baixos coeficientes de distribuição” são desejáveis — normalmente queremos o contrário (coeficiente grande para o soluto alvo). Segundo porque limitar a seleção só a
e
ignora várias restrições de engenharia e econômicas; portanto essas duas propriedades não são condições necessárias nem suficientes, isoladamente, para escolher um solvente prático. Se estiver inseguro para a prova: memorize que o ideal é um
razoavelmente alto para o soluto, boa seletividade versus impurezas, e que se complemente isso com análise de custos, miscibilidade, toxicidade e facilidade de regeneração.
Resposta
Não concordo.