Equilíbrio Sólido-Líquido I

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1 Equilíbrio Sólido-Líquido I Para focalizar: Água congela a 0 o C e glicerol, a 18 o C. Em que temperatura você espera que uma mistura desses dois líquidos congelaria? Modelo 1: Curvas de Resfriamento Calor é removido a uma velocidade constante de amostras de H 2 O e de glicerol a 1 bar de pressão. A figura abaixo mostra o gráfico da temperatura em função do tempo para esses processos. 1. Descreva em palavras como a temperatura varia com o tempo à medida que água é resfriada desde a temperatura ambiente até -10 o C, a 1 bar. 2. a) Para a água entre a temperatura ambiente e 0 o C, que fator(es) determina(m) a inclinação da reta temperatura/tempo? b) Por que há um patamar na temperatura de 0 o C e 1 bar? 3. a) Para o glicerol, entre 18 o C e -10 o C, que fator(es) determina(m) a inclinação da reta temperatura/tempo? b) Por que há um patamar na temperatura de 18 o C e 1 bar? 1

2 Modelo 2: Esfriando Água e Glicerol Gelo funde a 0 o C e 1 bar, enquanto que glicerol funde a 18 o C e 1 bar. O comportamento esquematizado na figura abaixo é observado quando água e glicerol são resfriados a partir da temperatura ambiente numa pressão de 1 atm. 4. Descreva o que ocorre com o glicerol quando ele é resfriado desde a temperatura ambiente até T < -10 o C, a 1 bar? 5. Somente duas variáveis intensivas são necessárias para descrever completamente o estado da água pura ou do glicerol puro a temperaturas acima de 18 o C. Quais são elas? Se a pressão é fixa a 1 bar, quantas variáveis intensivas são necessárias? 2

3 Modelo 3: Curvas de Resfriamento para Misturas Para cada mistura de glicerol e água as seguintes curvas temperatura/tempo foram obtidas, a p = 1 bar. Para uma porcentagem molar de 90 % em água, algum sólido surgiu a -10 o C e para 10 % em mol de H 2 O, o primeiro sólido a apareceu a 16 o C. 6. Qual a razão do surgimento de descontinuidades nessas curvas de resfriamento? 7. O que ocorre no patamar a -40 o C? 8. Para cada um dos diagrama abaixo, faça a correspondência entre o diagrama e as seguintes composições: (a) 90% em mol de H 2 O; - 10 o C; (b) 72% em mol de H 2 O, -40 o C; (c) 10% em mol de H 2 O, 16 o C: Obs.:- É claro que os diagrama não mostram as razões reais entre moléculas de água e de glicerol. 3

4 Informação Para o equilíbrio sólido/líquido tais como os do item (8), podem ser considerados as fases sólida, líquida e gasosa. Contudo, geralmente, se a pressão externa for maior que a pressão de vapor, despreza-se a fase de vapor. Portanto, no diagrama acima, considera-se que há somente duas fases presentes. 9. Quantas variáveis intensivas não necessáras para completamente especificar o estado de cada uma das misturas acima, item (8), a 25 o C? Quais são elas? Se a pressão estiver fixa, quantas variáveis intensivas serão necessárias? Quais são elas? 10. Determine o número de graus de liberdade de cada um dos sistemas acima, item (8). Modelo 4: Diagrama de Fases para o Sistema Glicerol/Água. O diagrama abaixo, para o sistema glicerol/água, é um exemplo de um diagrama eutético simples. O ponto de congelamento mais baixo é chamado de ponto eutético Use o diagrama de fases para o sistema glicerol/água para esquematizar as curvas de resfriamento da misturas contendo 80, 72 e 25 % em mol de água. 4

5 12. Como se pode obter experimentalmente um diagrama de fases sólido/líquido? 13. Identifique os sólidos 1 e Identifique as fases presentes nos pontos A, B, C e D. 15. Dê os graus de liberdade nos pontos A, B, C e D. Exercícios 1. Antimônio e chumbo forma um diagrama eutético simples. Antimônio funde a 630,5 o C e 1 bar, enquanto que nessa pressão o chumbo funde a 327,4 o C.. a) Esquematize o diagrama de fases do sistema antimônio/chumbo a 1 bar. b) Identifique cada região e o eutético, com os graus de liberdade. c) Esquematiza a curva de resfriamento para uma mistura 10 % em mol de chumbo. 2. Bismuto e cádmio formam um diagrama eutético simples. Bismuto funde a 271 o C e cádmio, a 321 o C, ambos a 1 bar. A entalpia de fusão do bismuto é 11,30 kj mol -1 emquanto que a do cádmio é 6,19 kj mol -1. Um eutético é observado para uma composição molar de 55,4 % de cádmio. a) Calcule a temperatura de fusão do eutético admitindo comportamento ideal. b) Esquematize o diagrama de fases a 1 bar. c) Esquematize a curva de resfriamento que passa pelo eutético. 3. Exercícios e Problemas do Livro Texto. 5

6 Equilíbrio Sólido-Líquido II Para focalizar: É possível uma mistura de dois compostos congelar a uma temperatura maior que a de cada um dos componentes puros? Modelo 1: Diagrama de Fases com Formação de Composto. O ponto M é chamado de ponto de fusão congruente. Se um sólido desse sistema contendo 50 % em mol de NaF for aquecido, ele se fundo num líquido de composição idêntica. Um líquido que tenha a composição M não apresenta um patamar eutético e, portanto, se comporta como uma substância pura.. 1. Qual é fórmula do composto, C, formado? 2. Esquematize as curvas de resfriamento para as seguintes composições em % em mol de MgF 2 : 90, 50, 40 e Identifique as fases presentes em cada segmento e descontinuidades. 6

7 Modelo 2: Pontos de Fusão Incongruentes. Quando um composto é formado que sofre decomposição com a formação de uma outra fase sólida numa temperatura abaixo do ponto de fusão congruente do composto, o diagrama de fases toma uma outra forma. Um ponto invariante descrevendo uma descontinuidade que não é um ponto de máximo ou de mínimo é chamado de peritético. 3. Qual é a fórmula do composto C formado? 4. Esquematize as curvas de resfriamento para uma mistura 40 % B e 10 % B. 5. Há um ponto eutético no diagrama? Se positivo, ele surge para qual composição? 7

8 Exercícios 1. A partir das seguintes curvas de resfriamento, obtidas para uma mistura de A e B, esquematize o melhor diagrama de fases que esses dados proporcionam. 2. Esquematize o diagrama de fases para o sistema zinco/magnésio a 1 bar. Zinco funde a 419 o C e magnésio, a 650 o C. Um composto contendo 33 % em mol de Mg é formado e se funde a 590 o C. Há dois eutéticos: a 380 o C e 347 o C, respectivamente para as composições de 10 % e 70 % de Mg. Identifique as fases presentes em cada região e dê o número de graus de liberdade em cada região e em cada ponto eutético. 3. Exercícios e Problemas do Livro Texto. 8