Construa um diagrama aproximado de composição-ponto de ebulição para o sistema acetona-clorofórmio, que tem um azeótropo de ponto de ebulição máximo (Tabela 15.4). Descreva o comportamento de uma mistura inicialmente rica em acetona (
) e, depois, o de uma mistura inicialmente rica em clorofórmio (
).
Tabela 15.4
Passo 1
O enunciado pede duas coisas: (i) “construir um diagrama aproximado de composição–ponto de ebulição” para o sistema acetona–clorofórmio sabendo que ele tem um azeótropo de ponto de ebulição máximo; (ii) descrever o comportamento de uma mistura inicialmente rica em acetona (
) e, depois, de uma mistura inicialmente rica em clorofórmio (
).
Informações relevantes fornecidas: o sistema forma um azeótropo de ponto de ebulição máximo (isto é, o azeótropo tem ponto de ebulição maior que o dos dois componentes puros).
Importante: a referência “Tabela 15.4” não foi enviada. Sem os valores numéricos daquela tabela eu não posso fornecer temperaturas ou composições numéricas exatas do azeótropo. Posso, porém, construir um diagrama qualitativo correto (formato e leitura) e explicar passo a passo o comportamento físico das misturas acetona e
clorofórmio.
Informações relevantes fornecidas: o sistema forma um azeótropo de ponto de ebulição máximo (isto é, o azeótropo tem ponto de ebulição maior que o dos dois componentes puros).
Importante: a referência “Tabela 15.4” não foi enviada. Sem os valores numéricos daquela tabela eu não posso fornecer temperaturas ou composições numéricas exatas do azeótropo. Posso, porém, construir um diagrama qualitativo correto (formato e leitura) e explicar passo a passo o comportamento físico das misturas
Passo 2
Conceitos básicos (curta aula para entender o desenho e a interpretação do diagrama).
- Raoult ideal (referência): para uma mistura binária de componentes
(acetona) e (clorofórmio) a pressão parcial ideal seria , onde:
= fração molar do componente na fase líquida;
= pressão de vapor do componente puro à temperatura considerada. - Em sistemas reais usamos coeficientes de atividade
: . Expliquei porque: corrige desvios de idealidade (interações intermoleculares diferentes). - Pressão total:
. A ebulição, a uma pressão externa fixa (por ex. atm), ocorre quando alcança essa pressão. Em lugar de desenhar -x, é comum desenhar -x (ponto de ebulição vs. composição): para cada composição líquida existe uma temperatura de bolha (bubble point) e uma composição do vapor em equilíbrio (dew point). - Azeótropo: é a composição em que a mistura vapor e líquido têm a mesma composição, ou seja
. Para um azeótropo de ponto de ebulição máximo dizemos que a curva tem um máximo nesse ponto — a mistura azeotrópica tem ponto de ebulição maior que os dos líquidos puros.
Passo 3
Como é o diagrama composição–ponto de ebulição (desenho qualitativo passo a passo). Instrução para desenhar com papel e lápis:
- Eixo horizontal: fração molar de acetona na fase líquida
variando de (puro clorofórmio) à (puro acetona). Use porcentagem se preferir, mas aqui trabalho em fração molar/porcentagem indiferente. - Eixo vertical: temperatura
(ponto de ebulição). Marque, qualitativamente, os pontos correspondentes aos pontos de ebulição dos puros: para acetona e para clorofórmio. No caso real a acetona tem ponto de ebulição menor que o clorofórmio (ou seja, ). - Desenhe a curva de ponto de bolha (bubble point) começando em
em , subindo e fazendo um máximo em um ponto intermediário (esse é o azeótropo de máximo ponto de ebulição), e descendo até em . Esta curva tem um pico (o máximo) no azeótropo. - Desenhe também a curva dew (composição do vapor
vs ) que fica abaixo da curva bubble, e que se encontra com ela justamente no azeótropo (no máximo). Em resumo: as duas curvas se encontram no ponto azeotrópico, que é um máximo em .
Observação prática para o desenho: marque claramente quee . Isso caracteriza o azeótropo de ponto de ebulição máximo.
Passo 4
Como interpretar o diagrama para uma dada composição líquida
. (Leitura de uma etapa de destilação simples)
- Escolha
na escala horizontal e suba até a curva bubble; o valor é a temperatura à qual o líquido começa a formar bolhas (início da ebulição). - No mesmo valor de temperatura, a interseção com a curva dew dá a composição do vapor
que está em equilíbrio com aquele líquido. Normalmente o vapor é enriquecido no componente mais volátil (aquele com menor ). No nosso sistema o componente mais volátil é a acetona, então tipicamente quando se está longe do azeótropo. - No azeótropo, por definição,
: o vapor tem exatamente a mesma composição que o líquido, então não há modo de separá-los por destilação simples além daquele ponto.
Passo 5
Consequência física do azeótropo de ponto de ebulição máximo (intuição):
- Como o azeótropo tem o maior ponto de ebulição, ele é o mais “pouco volátil” da família dessas misturas — isto é, quando se destila uma mistura a pressão fixa, as frações mais voláteis (aqui, acetona) tendem a sair primeiro como vapor, deixando para trás um líquido que gradualmente se aproxima do azeótropo. Portanto o azeótropo tende a se concentrar no resíduo (pot, resto no balão) em destilação a quente.
- Em termos práticos: o azeótropo atua como uma espécie de “produto de fundo” (ou pelo menos um ponto em que a separação por destilação simples pára), porque ele não se separa em componentes mais puros por destilação: líquido e vapor têm a mesma composição nesse ponto.
Passo 6
Descrição passo a passo do comportamento de uma mistura inicialmente rica em acetona (
acetona). Seja informal e prático:
- Estado inicial: mistura com
(liquido no balão). Ponto de ebulição inicial é menor que o ponto de ebulição do azeótropo (porque estamos à esquerda do pico). - Primeiro evento de ebulição: o vapor formado estará enriquecido em acetona, ou seja
. Então as primeiras frações condensadas (o destilado) serão ainda mais ricas em acetona do que a mistura inicial — ótimo se quiser coletar acetona. - À medida que você remove vapor (condensa e recolhe o destilado), o líquido remanescente fica menos rico em acetona (perde acetona) e, portanto, a composição do líquido desloca-se para a direita no eixo
(menor ). Esse deslocamento continua até que o líquido atinja a composição do azeótropo . - Quando o líquido no balão chegar à composição do azeótropo, sua temperatura de ebulição será
(o máximo) e o vapor que se forma terá a mesma composição . A partir desse ponto não é mais possível separar acetona e clorofórmio por simples destilação: o que sai é azeótropo com composição fixa. - Resumo prático: começando em
acetona você obtém destilado muito rico em acetona nas primeiras frações; com o tempo o líquido do balão vai ficando mais rico em clorofórmio e tende a atingir o azeótropo, que não pode ser separado por destilação simples (o azeótropo acaba concentrando-se no final do processo no balão ou vindo como fração com composição azeotrópica).
Passo 7
Descrição passo a passo do comportamento de uma mistura inicialmente rica em clorofórmio (
clorofórmio, ou seja
acetona). Novamente:
- Estado inicial:
(muito clorofórmio). A uma dada pressão, esse líquido tem um ponto de ebulição que é menor que (estamos do lado direito do pico), mas normalmente maior do que o ponto de ebulião do acetona puro? (não precisamos do número exato). - Primeiro evento de ebulição: mesmo que haja pouco acetona, ela é o componente mais volátil; portanto o vapor produzido estará enriquecido em acetona comparado ao líquido:
. Assim as primeiras frações que você recolher terão mais acetona do que a mistura de partida (ou seja, destilado com mais acetona). - À medida que você destila, remove acetona preferencialmente (a fração mais volátil sai primeiro), e o líquido remanescente tende a ficar ainda mais rico em clorofórmio (a fração de acetona diminui no balão). Com remoção contínua, o líquido poderá se aproximar do azeótropo pela direita ou pode chegar a um ponto onde o azeótropo fica concentrado no balão. Como o azeótropo tem o maior ponto de ebulição, ele tende a acumular-se no resíduo — isto é, ao final da destilação o que resta no balão tende a aproximar-se da composição azeotrópica (ou pode já sair como fração final azeotrópica se as condições favorecerem).
- Resumo prático: começando em
clorofórmio, as primeiras frações ainda serão enriquecidas em acetona (apesar de começar pobre), e o azeótropo, por ser o ponto de menor volatilidade (maior ), tenderá a concentrar-se no resíduo do balão ou aparecer como fração final com composição azeotrópica. Assim, novamente, não se consegue separar totalmente os dois componentes por destilação simples além do limite imposto pelo azeótropo.
Passo 8
Comentários finais e dicas para prova (estratégia mental para responder com desenho):
- No desenho, sempre marque: (i) acetona no lado direito ou esquerdo? Eu recomendo: eixo
= fração molar de acetona, então é clorofórmio puro, é acetona pura; marque e o pico no meio para o azeótropo. - Ao ler uma pergunta sobre "inicialmente rica em
" pense: vapor será enriquecido em se for mais volátil; a direção do movimento de no balão é oposta à do destilado (o destilado é mais rico no mais volátil; o balão fica mais pobre). O azeótropo de ponto de ebulição máximo é o ponto que fica para trás — ele é equipado como um limite para separação por destilação simples. - Se a prova pedir valores numéricos ou a composição exata do azeótropo, lembre-se de que você precisa dos dados de tabela (pressões de vapor ou a composição do azeótropo). Sem a tabela dá só para desenho qualitativo e interpretação.
Resposta
Uma explicação qualitativa: o diagrama
vs
tem um pico (máximo) no azeótropo;
e
.\n
Para mistura inicial com acetona: ao aquecer, o vapor será enriquecido em acetona (
), o destilado sai muito rico em acetona; o líquido remanescente fica progressivamente menos acetona e tende a aproximar‑se da composição do azeótropo; quando o balão atinge a composição azeotrópica a destilação simples não separa mais (o azeótropo é o resíduo / fração final que não se separa mais).\n
Para mistura inicial com clorofórmio: mesmo começando pobre em acetona, o vapor será relativamente enriquecido em acetona (
), portanto as primeiras frações coletadas são mais ricas em acetona; o líquido remanescente tende a concentrar o componente menos volátil e acabará aproximando‑se do azeótropo (que, por ser de maior ponto de ebulição, tende a acumular‑se no resíduo), de modo que a separação completa por destilação simples fica limitada pelo azeótropo.
Para mistura inicial com
Para mistura inicial com