1. Introdução Destilação Fracionada e Misturas Azeotrópicas O ponto de ebulição normal de uma mistura binária líquida é a temperatura na qual a pressão de vapor total da mistura é igual a 1 atm. Ou seja, ao aquecer uma amostra de benzeno puro, sob pressão constante de 1 atm, ela começaria a ferver a 80,1 C; se a amostra fosse de tolueno, ferveria a 110,6 C. Uma mistura formada por benzeno e tolueno, portanto, ferve numa temperatura entre 80,1 C e 110,6 C, quando a pressão de vapor da mistura se iguala à pressão atmosférica, neste caso, 1 atm. Desta forma torna-se evidente que, para conhecer o comportamento de ebulição de uma mistura, é necessário conhecer como a pressão de vapor da mistura varia com sua composição. Segundo a Lei de Raoult, a pressão de vapor de um solvente é proporcional à sua fração molar em solução: P mistura = x solvente P solvente. Soluções que obedecem a essa relação em qualquer faixa de concentração são chamadas de soluções ideais. Quando a solução é formada por uma mistura binária de dois líquidos voláteis, A e B, cada componente tem a pressão de vapor dada pela Lei de Raoult: P A = x A,líquido P A,puro e P B = x B,líquido P B,puro Por outro lado, a Lei de Dalton das pressões parciais afirma que a pressão total do vapor é a soma das pressões parciais: P total = P A + P B P total = x A,líquido P A,puro + x B,líquido P B,puro Pela expressão acima, nota-se que o vapor da mistura é mais rico no componente mais volátil (componente com maior pressão de vapor) que o líquido. Assim, na mistura benzeno / tolueno, espera-se que o vapor em equilíbrio com a mistura líquida seja mais rico em benzeno que o líquido. Com o aumento da temperatura, espera-se ainda, que a composição do vapor fique cada vez mais rica no componente com maior pressão de vapor. A representação da variação da composição das fases líquida e vapor com a temperatura numa mistura binária é chamada diagrama de temperatura composição, e é apresentada na Figura 1. Figura 1: Diagrama de temperatura-composição de uma solução ideal. (Fig 6.14, cap6, Atkins8) De acordo com a Figura 1, quando um líquido com a composição a1 é aquecido, a ebulição se inicia ao atingir a temperatura T2. Neste ponto, o líquido tem a composição a2 1
(igual a a1) e o vapor formado tem a composição a 2 (obtido pela linha de amarração). Quando este vapor é condensado, o líquido obtido tem a composição a3. Se este líquido for reaquecido, entrará em ebulição na temperatura T3, formando um vapor com a composição a 3 que, ao ser resfriado, resultará no líquido de composição a4, com composição muito próxima a 1, ou seja, o líquido A puro. O parágrafo acima é uma descrição do processo de destilação fracionada. Nesta técnica, ilustrada na Figura 2, o ciclo de ebulição e condensação é repetido sucessivamente, e é utilizada para separar misturas de líquidos voláteis (quando a diferença entre os pontos de ebulição dos componentes da mistura é menor que 80 C). A mistura é aquecida e o vapor passa por uma coluna empacotada com material que tem alta área superficial. O vapor começa a condensar na parte inferior da coluna, mas conforme o aquecimento continua, o condensado (agora mais rico no componente mais volátil) evapora novamente e condensa um pouco mais acima na coluna. Desta maneira, o vapor que sobe a coluna fica progressivamente mais rico no componente com menor ponto de ebulição. Ao chegar ao condensador, o líquido condensado é praticamente puro. Figura 2: Esquema de montagem para destilação fracionada. Uma boa separação dos componentes de uma mistura através da destilação fracionada requer uma baixa velocidade de destilação, mantendo-se assim uma alta razão de refluxo. O objetivo principal das colunas de fracionamento eficientes é reduzir a proporção das frações intermediárias a um mínimo. Os fatores mais importantes que influenciam a separação de misturas em frações bem delineadas são: isolamento térmico, razão de refluxo, enchimento e tempo de destilação Quando misturas de dois líquidos têm comportamento muito afastado da idealidade, as curvas dos diagramas de temperatura composição podem ter um aspecto semelhante ao apresentado na Figura 3. O ponto comum das duas curvas é chamado ponto azeotrópico e a composição correspondente, composição azeotrópica. O ponto azeotrópico pode ser de máximo ou de mínimo. Uma mistura de composição azeotrópica entra em ebulição como um composto puro, isto é, a temperatura mantém-se constante durante a mudança de estado. Quando a composição azeotrópica é atingida, a destilação não pode separar os dois líquidos, pois o condensado tem a mesma composição que o vapor azeótropo. 2
65 60 56,4 55 50 Vapor L V Líquido L V 70 65 64,7 61,2 60 55 50 20 40 60 80 100 % fração molar de clorofórmio Figura 3: Diagrama temperatura-composição da mistura clorofórmio / acetona. 2. Objetivos Construir o diagrama líquido-vapor de uma mistura de acetona e clorofórmio determinando-se a composição do resíduo e do destilado obtidos por destilação fracionada. Utilizar um parâmetro que seja função da concentração, como é o caso do índice de refração, para determinar a composição de misturas binárias. 3. Procedimento Experimental 3.1 - Materiais utilizados Equipamento para destilação fracionada, conforme a Figura 2 10 tubos de ensaio com rolha Termômetro 2 pipetas graduadas de 2,0 ml 3 pipetas graduadas de 5,0 ml 2 provetas de 50 ml Refratômetro Algodão Acetona Clorofórmio 3.2 - Procedimento Monte o aparelho de destilação conforme mostra a Figura 2. Adicione 100 ml de acetona pura no balão e determine o seu ponto de ebulição (Tacetona). Deixe esfriar um pouco. Recolha 2 ml de destilado e guarde-os para determinar seu índice de refração. Adicione uma mistura de acetona e clorofórmio preparada segundo a Tabela 1. Aqueça o sistema até que a temperatura de ebulição se mantenha constante e anote 3
esta temperatura (T1). Rejeite os primeiros 2 ml destilados e recolha os próximos 2 ml em um tubo de ensaio com rolha. Na medida do possível, evite a evaporação durante a coleta. Repita o processo com todas as misturas da Tabela 1. Anote as respectivas temperaturas de ebulição das amostras (T2, T3, T4, T5 e T6). Determine o índice de refração das amostras de destilado. Coloque os dados na Tabela 2. Tabela 1: Quantidades de clorofórmio adicionada em cada amostra estudada, Amostra n o. 1 2 3 4 5 Clorofórmio (ml) 10 25 50 75 90 Acetona (ml) 90 75 50 25 10 Tebulição ( o C) 4. Discussão dos Resultados Determine a concentração (porcentagem de cada componente) de cada amostra, por meio de uma curva-padrão com os índices de refração de diferentes misturas de acetona e clorofórmio. Utilize a Tabela 2 para organizar seus resultados. Faça diagrama de Teb vs. percentagem molar de clorofórmio. Para cada temperatura há dois valores da percentagem molar, um para o líquido (mistura que não evaporou) e outro para o vapor (destilado), portanto é importante distingui-los com símbolos diferentes. 5. Referências Bibliográficas 1. Atkins, P; de Paula, J.; Físico-Química. Vols. 1-2. Nona Edição. Rio de Janeiro : LTC. 2012. 2. Rangel, R. N. Práticas de Físico-Química. 3ª ed. São Paulo : Edgard Blücher, 2006. 3. Atkins, P.; Jones, L.; Princípios de Química Questionando a vida moderna e o meio ambiente. 3ª ed. Porto Alegre : Bookman, 2006. 4. Bastos, A. C. L. M.; Rodrigues, E. M. S.; de Souza, J. P. U.; Físico-Química Experimental. Belém : UFPA, 2011. Disponível em: http://www2.ufpa.br/quimdist/livros_bloco_6/livros2011/livro%20fq%20exp.pdf, acessado em 06/08/2013. 4
Folha de dados Destilação fracionada Equipe: a)insira a seguir a curva de calibração e a respectiva equação da reta com o valor do coeficiente de correlação (R). b)tabela 2: Porcentagem molar de clorofórmio no resíduo e no destilado. Índice de refração Amostra Teb Destilado Resíduo (Líquido) 1 2 3 4 5 6 7 c) Insira a seguir seu diagrama de fases % do clorofórmio Destilado (Vapor) 5
Questionário Nomes: 1. No diagrama de fases obtido, indique o estado físico representado por cada uma de suas regiões. 2. Qual a percentagem do clorofórmio no ponto azeotrópico? 3. Quais os possíveis tipos de interações que levam um par de líquidos a formarem azeótropo de máximo? E de mínimo? 6