) A evaporação é uma operação unitária em que se concentra uma solução por evaporação do solvente. A temperatura da solução no corpo do evaporador não é necessariamente igual à temperatura de ebulição do solvente na pressão de operação. Essa diferença pode ser associada ao efeito da concentração da solução. Explique, detalhadamente, o efeito da concentração da solução com a elevação do ponto de ebulição no processo. Justifique sua resposta.
Passo 1
O enunciado trata da evaporação de uma solução e pergunta por que a temperatura de ebulição da solução concentrada no corpo do evaporador fica acima da temperatura de ebulição do solvente puro à mesma pressão. O conteúdo envolvido é propriedade coligativa de elevação do ponto de ebulição, e para resolver precisamos usar a lei de Raoult e o conceito de vapor‐pressão do solvente em presença de soluto não volátil.
Passo 2
Quando adicionamos um soluto não volátil a um solvente, a fração molar do solvente na fase líquida,
, diminui. Pela lei de Raoult, a pressão de vapor do solvente sobre a solução é
em que
é a pressão de vapor do solvente puro à temperatura dada. Como
, segue que
. Isso significa que, para alcançar a mesma pressão de vapor
de ebulição (por exemplo, a pressão de operação do evaporador), a solução precisa ser aquecida a uma temperatura maior do que aquela necessária para o solvente puro.
Passo 3
A diferença entre a temperatura de ebulição da solução,
, e a do solvente puro,
, é a elevação ebuliométrica
. Em diluições moderadas, vale a expressão coligativa
em que
é a constante ebuliométrica do solvente e
é a molalidade da solução. Quanto maior
, maior
.
Passo 4
No evaporador, à medida que o solvente evapora, a concentração (e, portanto, a molalidade) da solução líquida aumenta, elevando progressivamente o ponto de ebulição. Por isso a temperatura real da solução pode ficar acima de
mesmo sob a mesma pressão de operação. Esse efeito exige mais fornecimento de calor para manter a evaporação conforme a concentração sobe.
Resposta
A presença de soluto não volátil diminui a fração molar do solvente e, pela lei de Raoult, reduz sua pressão de vapor. Para atingir a pressão de ebulição do evaporador, a solução deve ser aquecida a uma temperatura maior, resultando na elevação do ponto de ebulição
. Quanto mais concentrada a solução, maior a elevação ebuliométrica e maior a temperatura necessária para evaporar o solvente.