Misturas Binárias líquidas

Teoria Completa

O que é uma mistura binária?

Uma mistura binária é uma mistura homogênea de dois componentes!

A gente já viu que um líquido entra em equilíbrio dinâmico com o seu vapor depois de um tempo, né? A mesma coisa acontece quando temos uma mistura de dois líquidos voláteis!

Por exemplo, quando fazemos uma solução de água com álcool, essa solução também entra em equilíbrio com o seu vapor (e é importante perceber que esse vapor também vai ser uma mistura de água + álcool).

Pressão de vapor da mistura

Vamos continuar com nosso exemplo de mistura água + álcool. Se essa mistura for uma mistura ideal, sabemos que ela segue a lei de Raoult:

P á g u a = x á g u a   n a   m i s t u r a   l í q u i d a . P á g u a   p u r a

Onde x á g u a   n a   m i s t u r a é a fração molar de água na mistura líquida, P á g u a   p u r a é a pressão de vapor de água em uma solução composta 100% por água e P á g u a é a pressão parcial de água no vapor em equilíbrio com a mistura.

A gente sabe também que a pressão de vapor total de uma mistura é a soma das pressões de vapor de seus componentes... logo:

P t o t a l = P á g u a + P á l c o o l = x á g u a ( l ) . P á g u a   p u r a + x á l c o o l ( l ) . P á l c o o l   p u r o

E a fração molar dos componentes na fase gás?

Para achar isso, vamos precisar lembrar da definição de pressão parcial!

P r e s s ã o   p a r c i a l   d e   á g u a = P á g u a = x á g u a   n a   f a s e   v a p o r . P t o t a l

P t o t a l = P á g u a + P á l c o o l

À partir daí você consegue juntar as duas equações e achar a relação que vai te dar o x á g u a   n a   f a s e   v a p o r !

OBS: Para simplificar a vida, vamos definir a notação y c o m p o n e n t e toda vez que falarmos da fração molar na fase vapor!

y á g u a = P á g u a P t o t a l = P á g u a P á g u a + P á l c o o l = x á g u a . P á g u a   p u r a x á g u a . P á g u a   p u r a   + x á l c o o l . P á l c o o l   p u r o

Uma análise legal que sai à partir dessa fórmula é que o composto mais volátil (com a maior pressão de vapor puro), vai ter uma maior fração molar na fase vapor! Isso faz sentido, já que, se ele é mais volátil, ele tem uma maior preferência pela fase vapor 😊

Diagramas de temperatura - composição

Como a pressão de vapor da mistura é diferente dos líquidos puros, o ponto de ebulição da mistura também é diferente! Mas como a gente quantifica isso?

Para saber o que se passa quando tentamos ferver uma mistura, fazemos um diagrama com a temperatura e a composição da mistura em um dos componentes.

Calma, é confuso de entender mas vamos por partes! O diagrama tem 3 áreas bem definidas que delimitam as fases da mistura: líquido, vapor, e líquido + vapor coexistindo.

As extremidades do gráfico (ponto de ebulição de B puro e de A puro) fazem sentido se analisarmos que no eixo x é a fração molar de A! Se a fração molar de A for 0, só existe B em solução, e a passagem da fase líquida para a fase vapor vai ser feita na temperatura de ebulição de B.

A mesma coisa acontece se a fração molar de A for 1: só vai haver A em solução e a transição de fase vai ser feita no ponto de ebulição de A.

A linha de baixo do gráfico é a linha que representa o ponto de ebulição da mistura, ou seja, quando chegamos a essa temperatura formamos a primeira bolha de vapor.

Vamos analisar com calma:

O ponto A do gráfico mostra a temperatura de ebulição da mistura de composição x b e n z e n o = 0,4 . Nessa temperatura de ebulição se forma a primeira bolha de vapor, e essa bolha tem a composição marcada no ponto B.

Ou seja, na temperatura de ebulição dessa mistura, o vapor tem composição y b e n z e n o = 0,75 .

Analisando um outro diagrama, agora considerando uma solução x m e t a n o l = 0,5 . Na temperatura de ebulição da solução, ≅ 70,8 o C , a primeira bolha de vapor tem composição y m e t a n o l ≅ 0,62 .

Misturas azeotrópicas

Como nem tudo é perfeito nessa vida, algumas misturas não seguem a lei de Raoult por causa da interação entre os componentes e, portanto, não são ideais.

Essas misturas são chamadas azeotrópicas, e seus diagramas de equilíbrio líquido-vapor são um pouco particulares.

  • Azeótropo de ponto de ebulição mínimo:
  • É uma mistura que ferve em uma temperatura mais baixa que o ponto de ebulição dos dois componentes!

    Isso acontece porque as interações entre os componentes na solução é mais fraca do que as interações deles sozinhos, e as forças intermoleculares na solução acabam sendo mais fracas que nos componentes puros. É um desvio positivo da lei de Raoult!

    Na composição do ponto A (a composição do azeótropo), a mistura entra em ebulição como se fosse uma substância pura, ou seja, a composição do líquido e do vapor é a mesma.

  • Azeótropo de ponto de ebulição máximo: a mistura na composição azeotrópica tem um ponto de ebulição mais alto que ambos os constituintes, o que constitui um desvio negativo da lei de Raoult!

Isso acontece porque as interações dos componentes na mistura é mais forte do que quando eles estão sozinhos. Assim, as forças intermoleculares na mistura são mais fortes do que as dos componentes puros.

Muitas infos, né? Vamos fazer uns exercícios que vai ficar tudo mais fácil! 😊

Expandir

Exercício Resolvido #1

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp365-Exemplo 9.11

Qual é a pressão de vapor de cada componente, em 25 o C , e a pressão de vapor total de uma mistura na qual um terço das moléculas são benzeno (logo, x b e n z e n o l = 1 3 e x t o l u e n o l = 2 3 )?

As pressões de vapor do benzeno e do tolueno, em 25 o C , são 94,6 e 29,1 Torr, respectivamente.

MOSTRAR SOLUÇÃO COMPLETA

Passo 1

Para resolver esse tipo de questão, precisamos de duas fórmulas, a lei de Raoult e a definição de pressão parcial:

  • P b e n z e n o = x b e n z e n o   n a   m i s t u r a   l í q u i d a . P b e n z e n o   p u r o – Lei de Raoult
  • P r e s s ã o   p a r c i a l   d e   b e n z e n o = P b e n z e n o = x b e n z e n o   n a   f a s e   v a p o r . P t o t a l

Vamos chamar o x b e n z e n o   n a   f a s e   v a p o r de y b e n z e n o .

Como temos as frações molares no líquido, vamos começar pela lei de Raoult!

P b e n z e n o = 1 3   x   94,6   T o r r = 31,53   T o r r

P t o l u e n o = 2 3   x   29,1   T o r r = 19,4   T o r r

Como a pressão total é a soma das pressões dos componentes:

P t o t a l = P b e n z e n o + P t o l u e n o

P t o t a l = 50,93   T o r r

Passo 2

Agora que já temos a P t o t a l e as pressões de cada componente, podemos calcular a fração molar na fase gás!

P b e n z e n o = x b e n z e n o   n a   f a s e   v a p o r . P t o t a l

31,53   T o r r = y b e n z e n o . 50,93   T o r r

y b e n z e n o = 0,62

Para o tolueno:

P t o l u e n o = y t o l u e n o . P t o t a l

19,4   T o r r = y t o l u e n o . 50,93   T o r r

y t o l u e n o = 0,38

Resposta

P t o l u e n o = 19,4   T o r r

P b e n z e n o = 31,53   T o r r

y b e n z e n o = 0,62

y t o l u e n o = 0,38

Exercício Resolvido #2

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp377-Exercício 9.75

O benzeno, C 6 H 6 , e o tolueno, C 6 H 5 C H 3 , formam uma solução ideal. A pressão de vapor do benzeno é 94,6 Torr e a do tolueno, 29,1 Torr, em 25 o C . Calcule a pressão de vapor de cada uma das seguintes soluções e a fração molar de cada substância na fase vapor que está acima das soluções:

a) 1,5 mol de C 6 H 6 misturado com 0,50 mol de C 6 H 5 C H 3