Uma substância tem pressão de vapor de 50 mmHg no ponto de fusão \left(100^{\circ} \mathrm{C}\right). Descreva o que você faria, experimentalmente, para sublimar esta substância.

Passo 1

O enunciado dá a seguinte informação e pede uma ação experimental. Informações que temos:
\;P_{\text{vap}}=50\\ \mathrm{mmHg} (pressão de vapor) no ponto de fusão \;T_{\text{fus}}=100^\circ\mathrm{C}.
A pergunta: descrever, experimentalmente, como sublimar essa substância (ou seja, como convertê‑la do sólido diretamente para o vapor e recolher o vapor condensado, evitando que forme líquido).

Passo 2

Entendendo o que significa a informação dada (aula curta e simpática).
Vapor de uma substância e pressão de vapor: a pressão de vapor em uma temperatura T é a pressão do vapor quando o sólido (ou o líquido) está em equilíbrio com seu vapor. Se o sistema estiver a uma pressão externa maior do que a pressão de vapor do sólido a essa temperatura, o vapor não se formará livremente; se a pressão externa for menor, as moléculas tendem a passar para a fase gasosa.
Ponto de fusão e coexistência: em \;T_{\text{fus}}=100^\circ\mathrm{C} a substância, se houver líquido e sólido, tem vapor cuja pressão de equilíbrio é \;50\\ \mathrm{mmHg}. Isso significa que, se você mantiver a pressão externa abaixo de \;50\\ \mathrm{mmHg}, a fase líquida não será estável em 100^\circ\mathrm{C} — então, ao aquecer o sólido sob essa pressão baixa, ele tende a passar diretamente para o vapor (sublimação) em vez de derreter para líquido.

Passo 3

Regra prática (resumida): para sublimar sem formar líquido, trabalhar a pressão do sistema abaixo de \;50\\ \mathrm{mmHg}. Recomenda‑se escolher uma pressão de trabalho bem menor que \;50\\ \mathrm{mmHg} (por exemplo \;1 a \;10\\ \mathrm{mmHg}) para ter folga e evitar que algum ponto local alcance condições de fusão. Expliquei o porquê: assim o equilíbrio sólido–líquido não existe nessa pressão/temperatura, e o sólido pode fornecer vapor diretamente.

Passo 4

Descrição do equipamento necessário (o que é cada peça e para que serve):
  • Um frasco para sublimação ou um tubo/retorta onde se coloca a amostra sólida (local de aquecimento).
  • Um “cold finger” ou condensador frio acima da amostra, onde o vapor vai se depositar como sublimação reversa (sólido condensado). O cold finger deve ser resfriado (banho de gelo, gelo+sal, gelo seco/acetona, ou nitrogênio líquido dependendo do ponto de condensação).
  • Bomba de vácuo (por exemplo, bomba rotativa) capaz de atingir pressões da ordem de alguns \mathrm{mmHg}.
  • Manômetro/vacúometro para monitorar a pressão em \mathrm{mmHg}.
  • Fonte de calor controlável (banho de óleo, manta térmica, ou placa de aquecimento) e um termômetro para monitorar a temperatura da amostra.
  • Armadilha (cold trap) entre o sistema e a bomba para evitar que vapor entre na bomba e a danifique.
  • Válvulas de isolação e linhas bem seladas (vedantes de borracha ou juntas de vidro).

Passo 5

Passo a passo experimental detalhado (faça como se eu estivesse no laboratório com você, devagarzinho):
  1. Montar o aparelho de sublimação: colocar a amostra sólida no frasco inferior e ajustar o cold finger acima dela; conectar o frasco à bomba via uma linha com armadilha e manômetro. Certificar‑se de que todas as junções estão bem vedadas.
  2. Preparar o sistema de condensação: decidir qual banho usar no cold finger. Para vapores que condensam facilmente, gelo/água ( 0^\circ\mathrm{C}) pode bastar; se o vapor for menos condensável, usar gelo seco/acetona ( \approx-78^\circ\mathrm{C}). Resfriar o cold finger antes de iniciar a evacuação/ aquecimento.
  3. Evacuar o sistema: ligar a bomba e reduzir a pressão até um valor abaixo de \;50\\ \mathrm{mmHg}. Objetivo prático: atingir algo entre \;1 e \;10\\ \mathrm{mmHg}. Monitorar com o vacuômetro. Mantendo essa pressão, não haverá formação de líquido ao aquecer.
  4. Aquecer com cuidado: aquecer a amostra lentamente e controlar a temperatura com termômetro. Não é preciso necessariamente atingir \;100^\circ\mathrm{C}; aqueça até ver formação de vapor e deposição no cold finger — muitas substâncias sublimam bem abaixo do ponto de fusão quando em vácuo. Evitar aquecer demais para não decompor a amostra.
  5. Acompanhar a sublimação: observar o crescimento do depósito sólido no cold finger. Manter pressão e temperatura estáveis até que se tenha transferido a quantidade desejada. Se a pressão subir (vazamento ou degaseificação), interromper e recompor o vácuo.
  6. Encerrar com segurança: desligar o aquecimento, deixar o sistema esfriar, ainda sob vácuo; quando estiver frio, ventilar cuidadosamente o sistema com gás inerte (por exemplo, nitrogênio) até a pressão atmosférica e só então abrir para coletar o sublima no cold finger. Não abrir com ar úmido se o material for higroscópico.

Passo 6

Por que cada cuidado é importante (explicação didática):
  • Por que reduzir pressão abaixo de \;50\\ \mathrm{mmHg}? Porque a \;50\\ \mathrm{mmHg} é a pressão de vapor à temperatura de fusão; trabalhar abaixo disso impede a formação da fase líquida ao aquecer, forçando passagem sólido→gás.
  • Por que resfriar o cold finger? A sublimação só gera vapor; para recuperar a substância em forma sólida precisamos de uma superfície fria onde o vapor perca energia e se reconverta em sólido (deposição).
  • Por que aquecer lentamente e monitorar temperatura? Aquecimento rápido pode causar superaquecimento local, decomposição ou “bumping” (liberação violenta de vapor).
  • Por que usar armadilha antes da bomba? Para proteger a bomba do vapor condensável que poderia contaminar ou danificar suas partes.

Passo 7

Valores práticos e dicas finais (telinha de “truques de laboratório”):
  • Meta prática de vácuo: escolher algo como \;1 \;10\\ \mathrm{mmHg}. Bombas rotativas comuns conseguem isso; para pressões menores pode usar bomba difusora ou sistemas de vácuo mais sofisticados.
  • Temperatura: começar aquecendo bem abaixo de \;100^\circ\mathrm{C} e subir até ver depósito. Muitos sólidos sublimam a temperaturas bem menores quando o sistema está a baixa pressão.
  • Se o sublima depositar ineficientemente no cold finger (ou formarem gotículas), usar um cold finger mais frio.
  • Sempre verificar estabilidade térmica da substância (se decompõe ao aquecer). Se houver decomposição, sublimação pode não ser adequada.
  • Segurança: usar proteção ocular, capela se o vapor for tóxico, e ter cuidado com bombas quentes/óleo.

Resposta

Montar um aparelho de sublimação com cold finger resfriado, evacuar o sistema até pressão menor que \;50\\ \mathrm{mmHg} (por exemplo \;1 \;10\\ \mathrm{mmHg}), aquecer lentamente a amostra mantendo essa baixa pressão para que o sólido passe diretamente a vapor e deposite no cold finger; encerrar esfriando, ventilar com gás inerte e recolher o sublimate.

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