Desenhe um diagrama líquido-vapor de dois componentes (temperatura-composição), apresentando a formação de um azeótropo em
e completa miscibilidade. Identifique as regiões do diagrama, indicando quais substâncias estão presentes e se estão no estado líquido ou gasoso.
Passo 1
Você pede um diagrama temperatura–composição (eixo
vs. fração molar líquida de
, isto é
) para um sistema binário com miscibilidade completa e formação de azeótropo em
. O que preciso entregar: (1) um rascunho/descrição do diagrama
vs.
mostrando bolha (bubble) e orvalho (dew) que se encontram num azeótropo em
; (2) identificação das regiões do diagrama, dizendo quais substâncias estão presentes e em que estado (líquido, vapor ou mistura L+V). Dados fornecidos: azeótropo em
e miscibilidade completa. Não há valores numéricos de temperaturas para os pontos puros, então usarei marcações gerais (
,
,
).
Passo 2
Definindo e rotulando os eixos (importante para desenhar e entender):
- Eixo vertical: temperatura
(cresce para cima). - Eixo horizontal: fração molar do componente
no líquido, , variando de (líquido puro ) até (líquido puro ). - Pontos de referência: temperaturas de ebulição dos puros serão chamadas
em e em . O azeótropo está em e tem temperatura de ebulição .
Passo 3
Conceitos essenciais (muito didático, passo a passo):
- Bubble point (curva de bolha): para cada composição líquida
existe uma temperatura onde o primeiro vapor aparece ao aquecer o líquido — essa temperatura é a temperatura de bolha para aquela composição. A curva de bolha é a fronteira inferior entre região líquida pura e região de duas fases L+V. - Dew point (curva de orvalho): para cada composição de vapor existe uma temperatura onde o primeiro líquido aparece ao resfriar o vapor — em um diagrama
vs. plotamos a composição equivalente do vapor contra : a curva de orvalho é a fronteira superior entre região de duas fases e região de vapor puro. - Relações básicas (sem cálculos numéricos, apenas para entender fórmulas):
é a soma das pressões parciais (Lei de Raoult ideal; e são as pressões de vapor dos puros à temperatura ). A partir daí, para uma temperatura e conhecemos a pressão total; ou, invertendo, para pressão fixa (por exemplo, 1 atm) encontramos a de bolha. - Composição do vapor:
A curva de orvalho é construída relacionando com para a condição de equilíbrio. - Azeótropo: ocorre quando, num ponto de equilíbrio vapor–líquido,
Nesse ponto a curva de bolha e a curva de orvalho se encontram (mesma e mesma composição), e o sistema comporta-se como se fosse um único “componente” ao ferver — a composição do vapor é igual à do líquido. Para um azeótropo mínimo (mais comum), . Vou desenhar o caso de azeótropo de ebulição mínima (azeótropo de ponto de ebulição menor que os puros).
Passo 4
Como desenhar as curvas (passo a passo prático para você reproduzir no caderno):
- Faça dois eixos: vertical
e horizontal de a . - Marque em
a temperatura (ebulição do puro ) e em a temperatura (ebulição do puro ). - Em
marque um ponto mais baixo que ambos os e — esse é o azeótropo . - Desenhe a curva de bolha: partindo de
, a curva desce (no caso de desvio positivo e azeótropo mínimo) até o mínimo em e sobe novamente até . - Desenhe a curva de orvalho: a curva também passa por
e forma uma “v” ou “U” com a curva de bolha, encontrando-se exatamente no azeótropo (curva de orvalho fica acima da de bolha exceto no ponto de encontro). - Rotule claramente: ponto azeótropo
com ; curvas: “bubble” (inferior) e “dew” (superior).
Passo 5
Esboço ASCII do diagrama (use isto como guia para desenhar no caderno). As curvas são qualitativas — enfoque na forma: bolha e orvalho se encontram em
.
T
^
| dew curve
| .'''''''''.
| .' '.
| .-' '-.
| .-' '-.
| T_A^eb .-' '. T_B^eb
| .-' '-.
| .' '.
| / \
| / bubble curve (min at azeotrope) \
| / \
| / \
| / \
+--------------------------------------------------> x_B
0 0,333 1
(azeótropo em \(\mathrm{x}_{\mathrm{B}}=0,333\))
(Observe: o ponto comum das duas curvas em
é o azeótropo com
.)
Passo 6
Identificação das regiões do diagrama e quais fases/substâncias estão presentes:
- Região abaixo da curva de bolha (região de menor
): - Estado: líquido único (somente fase líquida).
- Composição do líquido:
(a composição do líquido é a que você escolheu no eixo horizontal). - Substâncias: mistura homogênea líquida dos dois componentes
e (completa miscibilidade).
- Região entre a curva de bolha e a curva de orvalho (região intermediária):
- Estado: coexistência de líquido + vapor (duas fases, L + V).
- No equilíbrio, o líquido terá composição
(ponto na curva de bolha correspondente) e o vapor terá composição (ponto na curva de orvalho correspondente). Geralmente salvo no azeótropo. - Substâncias: ambas presentes em duas fases (vapor contendo A e B; líquido contendo A e B).
- Região acima da curva de orvalho (região de maior
): - Estado: vapor único (somente fase gasosa).
- Composição do vapor:
(mas no eixo horizontal nós plotamos ; para vapor puro a composição de “líquido equivalente” não é usada aqui — o importante é que o sistema está todo em vapor). - Substâncias: mistura gasosa homogênea de
e .
- Ponto especial — azeótropo em
: - Estado no ponto de ebulição: líquido e vapor coexistem com mesma composição (
). - Consequência prática: ao ferver essa mistura a composição do vapor que se forma tem a mesma composição do líquido, portanto destilação simples não altera a composição — o azeótropo se comporta como se fosse uma substância pura ao ferver.
- Estado no ponto de ebulição: líquido e vapor coexistem com mesma composição (
Passo 7
Exemplos práticos (para você praticar no caderno e entender a interpretação):
- Escolha
: - Se
bubble → somente líquido (A+B, líquido). - Se bubble
dew → mistura L + V; líquido com e vapor com (tipicamente o vapor é enriquecido no componente mais volátil). - Se
dew → somente vapor (A+B, gasoso).
- Se
- No azeótropo
e : - Ao ferver, o vapor tem também
. Não se consegue separar e por destilação simples além desse ponto.
- Ao ferver, o vapor tem também
Passo 8
Resumo prático que você deve anotar no caderno (literal e claro para consulta rápida):
- Eixos:
vertical, horizontal (0 → 1). - Curvas: bubble (inferior) e dew (superior) que se tocam em
→ azeótropo. - Regiões:
- Abaixo da bubble: fase líquida única (mistura líquida A+B).
- Entre bubble e dew: duas fases (líquido + vapor, ambas contendo A e B).
- Acima da dew: fase vapor única (mistura gasosa A+B).
- Ponto azeótropo:
, ; aqui e não é possível separar por destilação simples.
Resposta
(Desenho qualitativo)
Veja o esboço ASCII no passo anterior: curvas bubble e dew se encontram em formando um azeótropo com temperatura
.
Veja o esboço ASCII no passo anterior: curvas bubble e dew se encontram em
(Identificação das regiões)
Abaixo da curva de bolha: mistura líquida homogênea de e
(fase líquida única).
Entre as curvas de bolha e orvalho: coexistência de líquido + vapor — líquido com composição e vapor com composição
(duas fases, L + V).
Acima da curva de orvalho: mistura gasosa homogênea de e
(fase vapor única).
Ponto especial: azeótropo em com
e temperatura de ebulição
(não separável por destilação simples).
Abaixo da curva de bolha: mistura líquida homogênea de
Entre as curvas de bolha e orvalho: coexistência de líquido + vapor — líquido com composição
Acima da curva de orvalho: mistura gasosa homogênea de
Ponto especial: azeótropo em