Baixe Equilíbrio Líquido-vapor – Misturas Azeotrópicas e outras Trabalhos em PDF para Físico-Química, somente na Docsity! Universidade Federal de Goiás Instituto de Química Físico-Química Experimental II Equilíbrio Líquido-VAPOR – MISTURAS AZEOTRÓPICAS Alunos: Carlos Daniel p. freitas isaac santana Goiânia 2019 1. Introdução Uma mistura de dois líquidos pode levar a formação de uma solução ideal ou uma solução não ideal. Soluções ideais são aquelas que seguem a lei de Raoult, dessa forma, as interações entre as moléculas dos constituintes da solução são da mesma natureza e magnitude. No geral, as soluções apresentam um desvio significativo da lei de Raoult, assim, são ditas como soluções não ideias, e não possuem interações de mesma natureza e magnitude. Soluções ideias podem ter seus constituintes separados por meio de um simples processo de destilação fracionada. Já as soluções não ideias, não podem ser completamente fracionadas em seus constituintes por meio de uma destilação fracionada, isso se deve a formação de uma solução de composição azeotrópica (azeótropo). Os diagramas de fases de azeótropo apresentam um ponto de máximo ou um ponto de mínimo, caracterizando-o como azeótropo de máximo ou de mínimo, quando o ponto de ebulição da mistura azeotrópica for maior que o ponto de ebulição dos líquidos puros, tem-se um azeótropo de máximo, e quando o ponto de ebulição da mistura azeotrópica for menor do que o ponto de ebulição dos líquidos puros, tem-se um azeótropo de mínimo. 2. Objetivos Avaliar o equilíbrio líquido-vapor da mistura azeotrópica de ciclohexano e isopropanol e construir o diagrama de fase líquido-vapor da mistura. 3. Resultados e Discussão Na tabela 1 abaixo, são apresentados os índices de refração das misturas de ciclohexano e isopropanol e a fração molar de ciclohexano para a construção da curva de calibração apresentada no gráfico 1. Tabela 1. Dados para construção da curva de calibração de índice de refração em função da fração molar de ciclohexano. Visopropanol / mL Vciclohexano / mL η Χciclohexano 0,00 11,00 1,4205 1,000 1,10 9,95 1,4148 0,865 1,95 8,98 1,4090 0,765 2,98 7,97 1,4044 0,654 3,98 7,05 1,4007 0,556 5,03 6,02 1,3946 0,459 5,95 5,02 1,3918 0,374 7,03 3,97 1,3858 0,285 8,01 2,96 1,3832 0,207 8,99 2,04 1,3802 0,138 10,02 0,99 1,3762 0,065 11,00 0,00 1,3726 0,000 Gráfico 3. Diagrama de fase líquido-vapor da mistura ciclohexano/isopropanol. Regressão para a curva do líquido (resíduo) em azul, y = 68,49 x3 – 36,70 x2 -31,46x + 79,31; R2 = 0,89. Regressão para a curva do vapor (destilado) em verde e preto, y = -26,79 x2 - 8,21 x + 80,81; R2 = 0,98 e y = -96,47 x2 + 202,52 x – 24,49; R2 = 0,99, respectivamente. No Gráfico 3 acima, são apresentadas as regressões das curvas de equilíbrio do diagrama de fases líquido-vapor. A curva em azul é a curva do líquido (resíduo) com equação y = 68,49 x3 – 36,70 x2 -31,46x + 79,31; R2 = 0,89. E a fim de se obter um melhor ajuste para a curva de vapor (destilado), a mesma foi dividida em duas e então obteve-se duas equações em verde y = -26,79 x2 - 8,21 x + 80,81; R2 = 0,98, e em preto e e y = -96,47 x2 + 202,52 x – 24,49; R2 = 0,99. Pelo diagrama de fases obtido, pode-se observar que a mistura é uma mistura azeotrópica e ainda pode ser caracterizado como um azeótropo de mínimo. Sendo assim, o diagrama possui um ponto de mínimo que caracteriza a composição azeotrópica da mistura. Essa composição azeotrópica pode ser determinada pela derivada primeira da curva obtida para a fase líquida (ponto de mínimo), a partir dessa operação é possível obter os valores de fração molar e temperatura de ebulição da composição azeotrópica. O ponto de mínimo da mistura pode ser determinado pela derivada da equação da curva do líquido (resíduo), que é y = 68,49 x3 – 36,70 x2 -31,46x + 79,31. e y = 68,49 (0,61)3 – 36,70 (0,61)2 -31,46(0,61) + 79,31 = T Assim, a temperatura de ebulição da composição azeotrópica é 62,00 °C e a fração molar da composição é . As duas curvas de destilado apresentam equações iguais a y = -26,79 x2 - 8,21 x + 80,81 e y = -96,47 x2 + 202,52 x – 24,49, igualando-as é possível também determinar a fração molar de ciclohexano na composição azeotrópica y = -26,79 x2 - 8,21 x + 80,81 y = -96,47 x2 + 202,52 x – 24,49 -26,79 x2 - 8,21 x + 80,81 = -96,47 x2 + 202,52 x – 24,49 X1= 0.63 e X2= 2.38 Como pode ser visto, obtém-se dois valores para a fração molar de ciclohexano na composição azeotrópica, no entanto, apenas X1 tem significado químico, uma vez que a fração molar varia de 0 a 1. Substituindo o valor da fração molar encontrado em uma das curvas do vapor, temos que: y = -96,47 (0.63)2 + 202,52 (0.63) - 24,49 A curva do resíduo também poderia ser igualada as duas curvas de vapor e encontrar mais dois valores de temperatura de ebulição na composição azeotrópica, no entanto, os valores encontrados foram bastantes discrepantes dos demais e, por isso, não foi utilizado. A composição da mistura azeotrópica pode ser determinada pela média dos dois valores calculados anteriormente: A temperatura de ebulição do azeótropo também pode ser determinada pela média dos dois valores calculados anteriormente: Para a caracterização do sistema em uma fração molar de ciclohexano igual a 0,850 a uma temperatura de 70,00 °C, temos que: y = 68,49 x3 – 36,70 x2 -31,46x + 79,31 y = -96,47 x2 + 202,52 x -24,49 Através das equações da curva de líquido e de vapor é possível determinar a quantidade de líquido e vapor no ponto de 0,850 e 70,00 °C. y = 68,49 x3 – 36,70 x2 -31,46x + 79,31 70,0 = 68,49 x3 – 36,70 x2 -31,46x + 79,31 X1 = 0,88 (Líquido) y = -96,47 x2 + 202,52 x -24,49 70,0 = -96,47 x2 + 202,52 x -24,49 X = 0,69(Vapor) Utilizando-se da regra da alavanca, tem-se que: Pela regra da alavanca, podemos calcular a proporção entre a fase vapor e a fase líquida no ponto de caracterização, temos que: % fase Vapor = = 15,8% % fase Líquida = = 84,2 % Analisando o Gráfico 3, é possível determinar a composição da ciclohexano e isopropanol tanto na fase vapor quanto na fase líquida, assim temos que: ▲ Composição da fase vapor: 69,0% de ciclohexano e 31% de isopropanol na fase vapor. ▲ Composição da fase líquida: 88% de ciclohexano e 12% de isopropanol na fase líquida. 4. Conclusões Através da realização da prática foi possível avaliar o equilíbrio líquido-vapor da mistura azeotrópica ciclohexano/isopropanol, bem como determinar a fração molar e o ponto de ebulição da composição azeotrópica, 0,62 e 63,4 respectivamente. A partir do diagrama de fases da mistura azeotrópica foi possível determinar que a mistura ciclohexano e isopropanol forma uma azeótropo de mínimo, característico de quando a mistura formada possui ponto de ebulição inferior ao ponto de ebulição dos líquidos puros separados. O sistema também foi caracterizado na fração molar de 0,85 a 70,0 °C, neste ponto 15,8% é de vapor e 84,2% é líquido, sendo a composição da fase de vapor, 69,0% de ciclohexano e 31% de isopropanol e a composição da fase líquida, 88% de ciclohexano e 12% de isopropanol. 5. Referências [1] ATKINS, P. W.; DE PAULA, Julio. Físico-Química Volume 1. 9ª edição. 2012. [2] GUIMARÃES, F. F.; JÚNIOR, F. C.; MARTINS, T. D.; XAVIER, M. da L. B.; SALGADO, A. M. Manual de laboratório: Físico-Química Experimental II. Universidade Federal de Goiás – Instituto de Química, Goiânia 2019. [3] CASTELLAN, G. Fundamentos de Físico-Química. Rio de Janeiro, 1986.

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