Discuta as principais diferenças entre a destilação simples e a fracionada e esboce gráficos de temperatura versus volume de destilado para a destilação da acetona e 1-butanol utilizando essas técnicas.
Passo 1
O enunciado pede duas coisas claras: (1) discutir as principais diferenças entre destilação simples e destilação fracionada; (2) esboçar gráficos de temperatura versus volume de destilado para a mistura acetona + 1-butanol, usando cada técnica.
Informações relevantes que temos (e que vou assumir explicitamente para poder explicar e esboçar os gráficos):
Informações relevantes que temos (e que vou assumir explicitamente para poder explicar e esboçar os gráficos):
- Componentes: acetona (vou chamar de
) e 1-butanol (vou chamar de ). - Pressão: assumimos pressão atmosférica (
). - Pontos de ebulição (valores a
): e . - Não foi dada composição inicial; para as ilustrações usarei um caso típico (mistura binária completamente miscível, por exemplo
por mol) — sempre explicarei quando fizer uma assunção.
Nada mais foi pedido (por exemplo, não foi pedida conta com constantes de Antoine), então vou trabalhar com conceitos de equilíbrio vapor-líquido ideal (Lei de Raoult) e ideias qualitativas/semicuantitativas.
Passo 2
Conceitos fundamentais (o “porquê” das curvas): equilíbrio vapor–líquido e Lei de Raoult + Lei de Dalton. Vou explicar passo a passo e mostrar a fórmula que relaciona composição da fase líquida e da fase vapor numa solução ideal binária.
- Lei de Raoult para solução binária ideal: se
e são frações molares do líquido e , são as pressões de vapor dos líquidos puros à temperatura , então as pressões parciais são
Aqui
. A ideia física: cada componente “aporta” à pressão total sua fração molar multiplicada pela sua pressão de vapor pura.
- Lei de Dalton: pressão total do vapor sobre a solução é
- Composição do vapor: a fração molar de
na fase vapor, , é
Isso é importante: a composição do vapor é em geral diferente da composição do líquido. Se
(isto é,
é mais volátil), então, para uma mesma
, teremos
. Logo o vapor fica enriquecido no componente mais volátil.
- Definição útil — volatilidade relativa
: uma forma prática de expressar “quem é mais volátil” é
Se
, a separação é fácil; se
próximo de
, é difícil.
Comentário prático: quando aquecemos a mistura, a primeira porção de vapor que se forma tem composição
obtida acima à temperatura naquele instante; esse vapor condensado (o destilado) será em geral mais rico no componente mais volátil (
, acetona). Conforme destilamos,
no líquido remanescente diminui e a temperatura de ebulição da mistura tende a subir em direção ao
.
Passo 3
Interpretação para acetona (
) e 1-butanol (
): números e consequências
- Dados numéricos que usei:
e . A diferença é grande:
-
Consequência física: acetona é muito mais volátil que 1-butanol (
muito maior que a temperaturas intermediárias). Isso implica uma volatilidade relativa bem acima de , o que facilita a separação por destilação. -
Consequência prática: com essa diferença grande de pontos de ebulição, até uma destilação simples convencional (sem coluna fracionadora eficiente) consegue uma separação razoável — o destilado inicial será rico em acetona. A destilação fracionada, no entanto, aumentará bastante a pureza do destilado de acetona se for necessário obter acetona praticamente pura.
Passo 4
Diferenças essenciais entre destilação simples e fracionada — explicação didática e com analogia
-
Ideia central (analogia): imagine separar areia fina (
) e pedras ( ) por peneira. A destilação simples é como uma peneira grosseira: deixa passar muita areia, mas também algum cascalho fino. A destilação fracionada é como uma série de peneiras cada vez mais finas — cada “plataforma” retém mais o componente menos volátil, deixando o vapor cada vez mais enriquecido no componente volátil. -
Destilação simples:
- Equipamento: balão de ebulição, condensador, coletor; sem coluna fracionadora ou com coluna muito curta.
- Processo físico: aproxima-se de um único estágio de equilíbrio vapor–líquido entre líquido no balão e vapor que sai. É como uma única aplicação da fórmula de
do Passo 2. - Resultado: separação moderada; temperatura do termômetro sobe gradualmente enquanto o componente mais volátil é consumido.
- Destilação fracionada:
- Equipamento: coluna fracionadora entre balão e condensador (pode ser coluna de fracionamento com recheio ou pratos), que promove muitas etapas de vaporização-condensação internas (múltiplos equilíbrios).
- Processo físico: cada “prato” da coluna faz um equilíbrio líquido–vapor; a cada estágio o vapor sai mais enriquecido em
. Isso é equivalente a aplicar várias vezes a fórmula com composições intermediárias (McCabe–Thiele é o método gráfico para quantificar, mas não precisamos desenhá-lo aqui). - Resultado: separação muito melhor (maior pureza), e a curva de temperatura tende a exibir platôs bem mais definidos próximos aos pontos de ebulição dos componentes.
- Critério prático de escolha: quando
é grande (tipicamente ) destilação simples muitas vezes é suficiente; quando é pequena ou quando se busca alta pureza, usa-se fracionada.
Passo 5
Como o comportamento térmico se traduz em gráficos
versus volume de destilado (intuição física antes do esboço)
- Eixo vertical: temperatura
em . Sempre usar o mesmo termômetro; o valor indica a temperatura da cabeça de destilação (vapor próximo ao condensador). - Eixo horizontal: volume acumulado do destilado coletado
ou tempo de coleta (usei ). - Interpretação de trechos do gráfico: um “platô” em
próximo a indica que o vapor condensado está praticamente dominado por . Um aumento contínuo de indica que a composição do líquido remanescente está mudando (enriquecendo em ), fazendo o ponto de ebulição da mistura subir.
Passo 6
Esboço/desenho do gráfico para destilação simples (descrição detalhada, passo a passo)
Assunção ilustrativa: mistura inicial equimolar
.
- Começo da destilação: ao aquecer, a primeira temperatura registrada quando a corrente de vapor sai será próxima, mas tipicamente um pouco acima, do
(porque a mistura não é puro , mas o vapor já estará enriquecido em ). Então o gráfico começa perto de . - À medida que se coleta acetona preferencialmente,
no balão diminui. Como o líquido remanescente fica relativamente mais rico em , o ponto de ebulição da mistura sobe. No gráfico isso aparece como uma subida contínua e relativamente suave da temperatura. Não aparece um platô limpo; em vez disso, a curva sobe de cerca de em direção a . - No final da coleta, quando a acetona quase acabou, a temperatura se aproxima do
e então estabiliza perto de enquanto se destila o butanol (se a aquecimento continuar).
Resumo do formato: curva que inicia baixa (próxima a
), sobe de modo contínuo sem platôs bem definidos, e termina próxima a
.
Passo 7
Esboço/desenho do gráfico para destilação fracionada (descrição detalhada, passo a passo)
- Início: com a coluna fracionadora funcionando bem e fluxo de vapores/condensado adequado, o vapor que chega ao topo pode estar muito puro em
. Assim o termômetro mostra um platô bem próximo de enquanto se destila a fração rica em acetona. No gráfico isso aparece como uma seção horizontal (ou quase horizontal) em . - Quando grande parte da acetona já foi removida, o equilíbrio na coluna muda e a temperatura no topo sobe relativamente rápido até que se estabilize numa nova região. Se a separação for ideal (muitas etapas), teremos outro platô próximo de
enquanto se destila o butanol. - Se a coluna não for perfeita (poucos pratos ou mau refluxo), os platôs serão menos planos e a transição mais inclinada — isso é uma forma de “meio termo” entre simples e ideal fracionada.
Resumo do formato: em fracionada ideal temos dois platôs distintos: primeiro perto de
, depois (após subida abrupta) outro perto de
. A porção de volume correspondente a cada platô depende da composição inicial.
Passo 8
Descrição numérica e interpretação final (um exemplo concreto para fixar a intuição)
Tomando como exemplo uma mistura inicial com
por mol:
- Em destilação simples, o primeiro
do volume destilado pode já conter uma grande fração de acetona, mas não será puro; a temperatura vai aumentar gradualmente dentro desse trecho. - Em destilação fracionada eficiente, o primeiro lote coletado terá temperatura quase constante em
e será muito mais próximo de acetona pura; quando isso acabar, haverá uma subida relativamente rápida até e um novo platô para o butanol.
Observação experimental útil: se no laboratório você vê temperatura subindo lentamente desde o início sem platô definido, provavelmente não há coluna eficaz (ou a mistura é relativamente fácil de separar mas a taxa de aquecimento/condensação altera o equilíbrio). Se vê um platô bem definido, a fracionadora está funcionando bem e a pureza do destilado naquele platô é alta.
Passo 9
Resumo prático — quando usar qual técnica e dicas rápidas
- Use destilação simples quando
for grande (como aqui) e a pureza exigida não seja extrema. Vantagem: rápido e simples. - Use destilação fracionada quando for preciso alta pureza ou quando
for pequena; a coluna fracionadora aumenta a eficiência (mais “platos”). - Dica de operação: controle taxa de aquecimento, observe o platô de temperatura, mantenha refluxo adequado na coluna para melhor separação.
Resposta
Diferenças principais: A destilação simples corresponde a praticamente um único equilíbrio vapor–líquido (apenas uma “etapa”), é mais rápida e separa moderadamente bem quando os pontos de ebulição diferem bastante; a destilação fracionada usa uma coluna que promove muitas etapas de vaporização-condensação (muitos equilíbrios), dando destilados muito mais puros e mostrando, idealmente, platôs de temperatura próximos aos pontos de ebulição de cada componente.
Gráficos versus
(descrição dos esboços): Para destilação simples — curva que começa próxima de
e sobe de forma contínua e suave até cerca de
(sem platôs bem definidos). Para destilação fracionada — curva com um platô inicial em
enquanto se destila acetona, seguida de subida relativamente rápida e então um segundo platô em
enquanto se destila 1-butanol.
Gráficos