LISTA DE EXERCÍCIOS 4. Equilíbrio de Misturas Líquidas Binárias com o Vapor

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1 DEPARTAMENTO DE FÍSICO-QUÍMICA DISCIPLINA QUI FÍSICO-QUÍMICA II-B INTRODUÇÃO LISTA DE EXERCÍCIOS 4 Equilíbrio de Misturas Líquidas Binárias com o Vapor Na presente unidade, será examinado o comportamento de misturas líquidas, principalmente binárias, em equilíbrio com a fase vapor, sob o enfoque da regra das fases, considerando os seguintes casos: 1) Líquidos totalmente miscíveis 2) Líquidos parcialmente miscíveis 3) Líquidos totalmente imiscíveis 4) Distribuição de um soluto entre dois líquidos imiscíveis OBJETIVOS 1. Caracterizar os diferentes tipos de diagramas de equilíbrio entre soluções líquidas binárias e seu vapor, sob temperatura e pressão constantes. 2. Aplicar os princípios estabelecidos no item anterior à destilação em equilíbrio e à destilação fracionada. Calcular o número de pratos teóricos de uma destilação. 3. Caracterizar o comportamento de líquidos parcialmente miscíveis, traçando seu diagrama de equilíbrio sob pressão constante, prevendo, por meio da regra das fases, os resultados obtidos na destilação. 4. Examinar o comportamento de líquidos totalmente miscíveis em equilíbrio com seu vapor, aplicando as relações estabelecidas à destilação por arraste de vapor. 5. Estabelecer, por via empírica e por via termodinâmica a lei da distribuição de um soluto entre dois líquidos imiscíveis. Problemas A) DESTILAÇÃO DE MISTURAS BINÁRIAS 1) Misturas de Metilciclohexano (M) e tolueno(t) são frequentemente usadas para determinar o número de pratos teóricos de colunas de fracionamento. OS dados de equilíbrio correspondentes a este sistema a 760 mmhg são: Fração Molar de M no líquido Fração Molar de M no vapor 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600 0,700 0,800 0,900 1,000 0,143 0,270 0,378 0,470 0,560 0,650 0,737 0,818 0,906 1,000 Os pontos de ebulição de M e T são, respectivamente, 100,8 o C e 110,7 o C. Determine, pelo método de McCabe-Thiele, o número de pratos teóricos de uma coluna que produz um destilado contendo 70 mol% de M, a partir de um alimentador que injeta líquido com 30 mol% de M. Resposta: 6 pratos teóricos (7degraus) 2) Álcool Isobutílico (Teb = 107,9 o C) e brometo de isobutila (Teb = 91,0 o C) formam um azeótropo a 88,8 o C, contendo 12 % em peso de álcool. a) Trace de modo aproximado as curvas de ponto de ebulição-composição.

2 b) Qual dos componentes pode ser obtido puro por destilação fracionada de uma mistura com 50 % em peso de cada um? Resposta: O álcool. 3) O diagrama abaixo refere-se ao sistema acetato de etila-água. Uma solução de fração molar 0,50 é aquecida em frasco aberto. Com relação a esse sistema calcule: a) A temperatura em que teve início a ebulição do líquido. b) A composição da solução quando a temperatura de ebulição do sistema subiu de 5 o C; a composição do vapor que se forma nesta temperatura. c) A composição da última gota do líquido se a ebulição fosse continuada até o fim em frasco aberto. d) Seja um sistema contendo 3 mols de acetato de etila e 5 mols de água. Que quantidade de acetato de etila deve ser adicionada a esse sistema para se atingir a composição da mistura azeotrópica? 4) Seja o sistema líquido A-B, cujos pontos de ebulição variam com a composição do líquido conforme a tabela abaixo: Teb ( o C) ,7 50 % ponderal de B no líquido % ponderal de B no vapor 0 2,1 6 22, a) Construa o diagrama de equilíbrio com os dados acima (Teb x composição). b) Que desvio apresenta esse sistema em relação à lei de Raoult? Qual a composição do azeótropo? c) Uma solução líquida do sistema acima, contendo 60 % de B é aquecida em recipiente fechado, sob pressão constante, até que 50 % da solução evaporou.

3 Estime a composição do líquido em equilíbrio com o vapor. A que temperatura se dá tal equilíbrio? d) Qual dos líquidos pode ser obtido puro no destilado quando se faz uma solução fracionada partindo de um líquido com 20 % de B? Qual será a composição do resíduo líquido? e) Seja um sistema formado por 50 g de B e 50 g de A. Qual a massa e a composição de líquido e vapor em equilíbrio, na temperatura de 115 o C? Uma certa quantidade de uma solução de etanol em benzeno, com Xet = 0,20 é introduzida num frasco vazio. Uma parte do líquido vaporiza e a solução residual apresenta uma pressão de vapor de 750 torr a 72,5 o C. Consultando o diagrama dado abaixo, determine a composição da solução líquida e do vapor, no equilíbrio, a 72,5 o C assim como a percentagem da solução original que vaporizou. Respostas: Xet (em equilíbrio) = 0,08 X et (em equilíbrio) = 0,23 Vaporizaram 75 % B) LÍQUIDOS PARCIALMENTE MISCÍVEIS 5) Seja o diagrama de equilíbrio para o sistema água anilina (parcialmente miscíveis). Partindose de uma dada mistura dos dois componentes, e aquecendo-a a 110 o C, verifica-se que ela contém duas camadas em equilíbrio. A camada rica em anilina pesa 20 g e a rica em água pesa 35 g. Calcule quantos gramas de anilina devem ser acrescentados a esse sistema, a 110 o C, para que ele se torne homogêneo. Respostas: a) ponto global: 40 % anilina e 60 % H 2 O. Devem-se adicionar 77 g de anilina.

4 6) A 60 o C, água e fenol formam duas soluções conjugadas. A primeira apresenta 16,8 % em peso de fenol e a segunda, 44,9 % de H 2 O. Calcule a quantidade de água que deve ser adicionada a 100 g de uma mistura homogênea dos dois componentes, contendo 80 % de fenol, para que ela se torne turva a 60 o C. Resposta: 45,19 g de água. 7) Seja o sistema condensado de líquidos parcialmente miscíveis A e B, cujo diagrama de equilíbrio a pressão constante é representado a seguir. Determine: a) a composição das soluções conjugadas em equilíbrio a 50 o C. b) a proporção ponderal entre as camadas em equilíbrio, a 50 o C, sabendo que o sistema contém, lobalmente, 60 % em peso de B. c) A massa de A contida em cada solução conjugada do sistemna referido no ítem b), sabendo que a massa total (original) do sistema é de 120 g. Respostas: (M A ) a = 33,6 g (M A ) b = 14,4 g

5 8) Com relação ao mesmo sistema representado no problema anterior, descreva o que acontece quando uma mistura contendo 40 % de B é aquecida até 70 o C. Considere uma nova situação onde tem-se 100 g de uma mistura contendo 40 % de B a 55 o C. Calcule a quantidade mínima de B que lhe deve ser adicionada para que o sistema se torne monofásico, nessa temperatura. Resposta: Adicionar 172,7 g de B. C) LÍQUIDOS IMISCÍVEIS 9) Se uma mistura de água e clorobenzeno (mutuamente imiscíveis) é destilada sob pressão externa de 740,2 mmhg, verifica-se que ela ferve a 90,3 o C, a pressão de vapor da água pura é 530,1 mmhg. Calcule a % ponderal de clorobenzeno no destilado. A massa molar do clorobenzeno é 112 g/mol. Resposta: % clorobenzeno = 71,15 % 10) Os seguintes dados referem-se a pressão de vapor de CCl 4 e H 2 O a várias temperaturas. T ( o C) P CCl4(mmHg) P H2O(mmHg) a) Supondo os líquidos imiscíveis, determine graficamente o ponto de ebulição de uma mistura sob 1 atm de pressão. b) Calcule a percentagem de CCl 4 no destilado. Respostas: a) 67,5 o C b) 72,4 mol % CCl 4 11) Um líquido orgânico desconhecido é imiscível com água, e uma mistura dos dois ferve a 90 o C, sob 750 mmhg de pressão. A pressão de vapor da água nessa temperatura é 527 mmhg. A análise do vapor mostra que ele contém 70 % em peso dessa substância desconhecida. Qual é o seu peso molecular? Resposta: 99,4 g/mol. 12) Água e C 10 H 16 são essencialmente imiscíveis. Uma mistura de ambas substâncias ferve a 95 o C a uma pressão total de 744 mmhg. A pressão de vapor da água nessa temperatura é de 634 mmhg. a) Calcule a composição do destilado em percentagem ponderal e molar. b) Quantos gramas de vapor de água serão necessários para arrastar 100 g de C 10 H 16? Resposta: 76 g de água. D) LEI DA DISTRIBUIÇÃO 13) O coeficiente de distribuição do ácido bórico entre água e álcool amílico é de 3,35 a 25 o C. Calcule o número de mols de H 3 BO 3 que pode ser extraído de 50 ml de uma solução aquosa 0,2 molar desse ácido por uma única extração com 150 ml de álcool amílico. Resposta: 0,00472 mols. 14) A 25 o C, o coeficiente de distribuição do H 2 S entre H 2 O e C 6 H 6, expresso sob a forma C H2O /C C6H6 vale 0,167. Qual é o volume mínimo de benzeno necessário para extrair, em uma única vez, 90 % do H 2 S de um litro de uma solução aquosa 0,1 molar desse ácido a 25 o C? Resposta: 1,503 L

6 15) Quando iodo é distribuído entre CS 2 puro e uma solução aquosa 0,125 molar de KI, a concentração do iodo no sulfeto de carbono é igual a 0,1896 mols/l. Qual é a concentração de íons I - 3 na fase aquosa? A concentração total de Iodo nessa fase é 0,02832 M. + + Dados: ( CI no CS 2 )/ ( C na H 2O) = 625 I 2 + K I K I 2 I2 3 Resposta: Concentração de I - 3 = 0,02802 M 16) Seja o coeficiente de distribuição do ácido láctico entre água e clorofórmio, a 25 o C, dado por C 0, 0203 (concentrações expressas em mol/l). CHCl / C = 3 H 2O a) Qual a quantidade de ácido extraída de 100 ml de uma solução 0,8 M de ácido láctico em CHCl3, quando essa for misturada com 100 ml de água? b) Qual será a quantidade total extraída, se forem feitas duas extrações consecutivas com 50 ml de água cada uma? Respostas: a) 0,0784 mols b) 0,0798 mols 17) Os seguintes dados referem-se à distribuição de ácido benzóico entre benzeno e água a 6 o C. C B e C A são, respectivamente, concentrações do ácido nas camadas de benzeno e água. C B (mol/l) 0,0156 0,0495 0,0835 0,195 C A (mol/l) 0, , , ,0114 Desprezando a leve dissociação do ácido na água, determine quantas moléculas do ácido benzóico estão associadas para formar uma partícula no benzeno. Resposta: n = 2,03 = 2

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