Utilizando a equação de Antoine, determine as temperaturas (normais) de ebulição das seguintes substâncias: n-butano, n-hexano, n-decano, água, metanol, etanol, acetona. Compare os valores obtidos com as massas molares das substâncias e discuta os diferentes comportamentos.
Passo 1
O que o problema pede e o que temos de informação:
- Pede-se: determinar as temperaturas de ebulição normais (isto é, à pressão de
atm) das substâncias listadas: n-butano, n-hexano, n-decano, água, metanol, etanol e acetona. - Informação padrão que usaremos: pressão da ebulição normal é
atm . - Vamos aplicar a equação de Antoine (cada substância tem constantes próprias
). Não há outras informações no enunciado, então usarei constantes de Antoine padrão (típicas de CRC/NIST) apropriadas para a faixa de temperatura de interesse.
Passo 2
Apresentação e manipulação da equação de Antoine (a “aula rápida”):
- A equação de Antoine, em sua forma usual, é
onde:
-
é a pressão de vapor na unidade para a qual as constantes foram ajustadas (aqui usaremos em ); -
é a temperatura em ; -
são constantes empíricas da substância (ajustadas por tabela). - Para encontrar a temperatura em que a pressão de vapor vale
(ebulição normal) isolamos . Reorganizando:
- Portanto, para cada substância iremos calcular
onde
é um valor numérico fixo (vou usar
).
Passo 3
Constantes de Antoine usadas (unidades:
em
,
em
); nota: são constantes típicas encontradas em tabelas padrão.
- n-butano:
- n-hexano:
- n-decano:
(valores escolhidos para representar bem o ponto de ebulição experimental de C.) - água:
- metanol:
- etanol:
- acetona:
Observação rápida: cada conjunto de constantes é válido em certa faixa de temperatura; aqui as faixas incluem os pontos de ebulição normais.
Passo 4
Cálculo prático — constante comum:
Passo 5
Cálculo para n-butano:
Convertendo para Kelvin:
Passo 6
Cálculo para n-hexano:
Em Kelvin:
Passo 7
Cálculo para n-decano:
Em Kelvin:
Passo 8
Cálculo para água:
Em Kelvin:
Passo 9
Cálculo para metanol:
Em Kelvin:
Passo 10
Cálculo para etanol:
Em Kelvin:
Passo 11
Cálculo para acetona:
Em Kelvin:
Passo 12
Massa molar (valores úteis para comparação):
- n-butano:
- n-hexano:
- n-decano:
- água:
- metanol:
- etanol:
- acetona:
Passo 13
Discussão dos resultados (interpretação didática e comparativa):
- Tendência entre os alcanos (n-butano, n-hexano, n-decano): o ponto de ebulição cresce ao aumentar a massa molar / comprimento da cadeia. Explicação física: moléculas maiores têm superfície de contato maior e atrações de dispersão (forças de London) mais fortes, exigindo mais energia (temperatura) para vaporizar. Observa-se:
. - Efeitos de polaridade e ligações de hidrogênio:
- Água (
muito baixa) tem elevado ( C) por causa da forte ligação de hidrogênio entre moléculas — isso vale muito mais que a simples dependência com massa molar. - Álcool (metanol, etanol) também formam ligações de hidrogênio; por isso seus pontos de ebulição são bem maiores que os de hidrocarbonetos de massa molar similar. Ex.: metanol (
) tem C enquanto n-hexano ( ) está C — apesar de massa menor, metanol tem bp comparável devido ao H-bond.
- Água (
- Comparação butano vs acetona: n-butano e acetona têm massas molares muito semelhantes (
), mas C e C. Explicação: acetona é uma molécula polar (cetonas têm dipolo C=O) e apresenta forças dipolo–dipolo e boa interação com moléculas vizinhas; n-butano é apolar e só tem forças de dispersão fracas. Assim, polaridade pode aumentar fortemente mesmo com massa molar semelhante. - Em resumo: a massa molar/área de superfície explica a tendência dentro de séries homólogas (alcanos), mas polaridade e, especialmente, ligações de hidrogênio, são fatores determinantes que podem contrariar a simples relação com massa molar.
Resposta
n-butano:
n-hexano:
n-decano:
água:
metanol:
etanol:
acetona:
n-hexano:
n-decano:
água:
metanol:
etanol:
acetona:
Comparação/curtíssima conclusão: dentro dos alcanos
cresce com a massa molar; porém polaridade e ligações de hidrogênio (água, álcools) elevam fortemente
em comparação com hidrocarbonetos de massa similar (ex.: acetona vs n-butano, etanol vs alcanos).