Lista de Exercícios
Destilação
GABARITO
1. Na Figura 1, encontra-se esquematizada a aparelhagem montada por um estudante para conduzir uma destilação fracionada. Identifique as partes especificadas pelos rótulos e diga por que o professor pediu que o estudante remontasse a aparelhagem de outra maneira.
A montagem teve de ser refeita porque o aluno usou 2 condensadores, ao invés de uma coluna de fracionamento. As mangueiras com a água para o resfriamento do destilado devem ser conectadas no condensador inclinado próximo à proveta. O outro condensador vertical deve ser trocado por uma coluna de fracionamento, sem resfriamento. Casso isso acontecer, não haverá destilação, o destilado ira condensar e retornar ao balão
s
water out
water in
. Figura 1: Aparelhagem montada para destilação.
2. Considerando os dados apresentado as curvas de pressão de vapor de dois líquidos miscíveis apresentadas na Figura 2, responda às questões propostas. Estime os dados a partir das curvas tão bem quanto seja possível.
Figura 2: Curvas de equilíbrio para pressões de vapor, a várias temperaturas. Os líquidos são miscíveis, portanto, essa destilação será regida pela lei de Raoult.
𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙= 𝑃𝐴(𝑋𝐴) + 𝑃𝐵 (𝑋𝐵)
(a) Qual é o ponto de ebulição normal de uma mistura equimolar dos compostos A e B?
Considerando a CNTP, a pressão externa será de 1 atm ou 760 mmHg 100 20 40 60 80 900 400 1000 800 600 200 0 Compound A 0 temperature, °C 20 40 60 80 100 900 400 1000 800 600 200 0 Compound B 0 temperature, °C Manta de Aquecimento Balão com amostra
Condensador
Numa mistura equimolar de A e B suas frações molares serão iguais a 0,5, assim: 760 = 𝑃𝐴(0,5) + 𝑃𝐵 (0,5)
Portanto => 760
0,5 = 𝑃𝐴+ 𝑃𝐵
Como os dois líquidos são uma solução eles vão entrar em ebulição na mesma temperatura. Para essa mistura equimolar, o ponto de ebulição será a temperatura em que a soma das pressões de A e B seja igual a 1520. Desta maneira lemos a pressão de cada composto em uma determinada temperatura e somamos os valores. Fazendo a leitura no gráfico, esse valor seria atingido em torno de 85 oC
(b) Calcule quatro pontos a partir do diagrama composição-temperatura: para a ebulição normal de A puro; para a ebulição normal de B puro; a composição (fração molar) do líqüido em ebulição para um mistura equimolar de A e B; a composição do vapor (fração molar) dessa mesma mistura.
Para ter a temperatura de ebulição desses compostos é só procurar no gráfico a temperatura em que a pressão de cada composto é 760.
Temperatura de A aprox. 90 oC e B 80 oC
A parte que deixei em realce é um pouco mais complexa envolve montar muitas equações que não vem ao caso no momento
(c) Essa mistura equimolar seria separada adequadamente (componentes ca. 95% puros) durante uma destilação simples cuidadosa? Explicite as razões de sua resposta. Não por uma destilação simples os pontos de ebulição dos compostos puros são muto próximos. A diferença nesses pontos deveria ser maior do que 100 oC para ser eficiente
2. Explique, detalhadamente, porque a hexanona (p.e. = 156 °C), preparada de ciclo-hexanol (p.e. = 160 °C), destila por arraste de vapor de água a uma temperatura de cerca de 95 °C, enquanto a ebulição de uma mistura equimolar de hexanona e ciclo-hexanol se inicia a 158 °C. Utilize diagramas de fase, gráficos, etc.
A diferença nas temperaturas ocorre devidos aos mecanismos distintos de cada processo. Na destilação por arraste de vapor, o processe depende somente das pressões de cada composto isoladamente (Lei de Dalton), por serem 2 líquidos insolúveis entre si. Assim como há uma soma direta das pressões, a ebulição sempre irá acontecer numa temperatura menor que a do composto de menor ponto de ebulição, nesse caso a água. No segundo caso os dois compostos são miscíveis entre si, destilando segundo a lei de Raoult, dependendo da fração molar de cada composto. Assim, como ambos estão em proporção igual a temperatura de ebulição fica a média dos dois compostos puros.
3. Na Figura 3, estão apresentadas as curvas de pressão de vapor de água e de um hidrocarboneto orgânico, em escala. Estime graficamente a temperatura na qual ocorrerá a destilação por arraste a vapor de uma mistura desse hidrocarboneto e água, à pressão normal. Calcule a fração molar aproximada desses componentes no destilado.
Sendo destilação à vapor, seguimos a Lei de Dalton, que trata dos gases ideais=> PV=nRT. Nos slides da aula tem a dedução matemática podem olhar lá
= O H O H aa aa O H aa mw m mw m
P
P
2 2 2As pressões de cada composto estarão diretamente proporcionais ao seu número de mols. Então voltando às perguntas: A temperatura de ebulição da mistura será aquela onde a
Lendo a pressão de cada composto e fazendo a razão acima temos como resultado 4,8 isso significa que para cada mol de água temos 4,8 do hidrocarboneto assim calculaos a fração molar 1 água + 4,8 HH = 5,8 => Xágua = 4,8/5,8 = 0,83 (83%) e XHH=1/5,8 =
0,17(17%)
Figura 3: Curvas de equilíbrio para pressões de vapor, a várias temperaturas, para água e um hidrocarboneto orgânico.
5. Considerando que a composição do azeótropo acetona/clorofórmio é de 20,0% de CH3COCH3 e 80,0% de CHCl3, em massa, com ponto de ebulição de 64,7 °C, esboce um diagrama de composição versus ponto de ebulição para este sistema, que forma um azeótropo de máximo. Descreva o comportamento para uma mistura que, inicialmente, é rica em clorofórmio (90%).
Pontos de ebulição: CHCl3 = 61 °C; CH3COCH3 = 56 °C
As proporções dos compostos são dadas em massa, assim temos de calcular as frações molares.
MClor= 119,38 g/mol Macet = 58,08
nclor= 0,67 mol nacet = 0,34 mol => ntotal= 0,67+0,34 = 1,01
Xclor=0,66 (66%) Xacet= 0,34 (34%) 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % clorofórmio
Y= temperatura
oC
Segundo o gráfico, para uma mistura com 90% de clorofórmio. Considerando que a porcentagem foi dada em massa, como para o azeótropo temos de calcular a fração molar do clorofórmio nessa mistura (como feito acima). Nesse caso, a fração molar do clorofórmio é de 81,5%, a qual está indicada por uma seta no gráfico. A destilação de uma mistura com essa composição teria como resultado a destilação do clorofórmio puro, restando no balão o azeótropo
6. Em um laboratório, efetuou-se a nitração do fenol, obtendo-se o-nitro-fenol (A) e p-nitro-fenol (B). Para a separação desses compostos do meio reacional, utilizou-se a aparelhagem esboçada na Figura 4. Analise as constantes físicas desses compostos, apresentadas na Tabela 1, e avalie se o procedimento empregado para o isolamento desses dois isômeros foi adequado, justificando claramente sua resposta. Caso necessário, proponha um método que permita a obtenção desses dois isômeros.
Tabela 1: Constantes Físicas
Produto M (g mol-1). P.F. oC P.E. oC Solubilidade em água
o-nitrofenol 139,11 46 217 Insolúvel p-nitrofenol 139,11 112 >> 217 Solúvel à quente
Figura 4: Aparelhagem utilizada.
A aparelhagem indicada é para uma destilação de arraste de vapor de água. Como um dos compostos é insolúvel em água e possui om ponto de fusão baixo (o-nitro) e o outro é solúvel à quente, pode-se proceder a destilação por arraste de vapor, pois o derivado o-nitro à quente será um líquido insolúvel em água passível de destilação por arraste.
O outro que é solúvel à quente ficará em solução e não será destilado. Após, o resfriamento do sistema ambos irão cristalizar o derivado o-nitro no destilado e o derivado p-nitro no balão da destilação.
7. A destilação de uma mistura homogênea binária é governada pela Lei de Raoult, enquanto na destilação de uma mistura heterogênea (i. e. arraste a vapor) a pressão de vapor exercida pelos componentes individuais independe de suas concentrações. Discuta essa afirmação e suas ramificações no que se refere ao isolamento de substâncias voláteis insolúveis em água. Empregue equações e gráficos para ilustrar sua discussão.
Isso já veio sendo discutido nas questões anteriores só fazer um resumo
8. Sabendo que, ao se dissolverem 8,05 g de um composto desconhecido Y em 100,0 g de benzeno (C6H6), a pressão de vapor do benzeno é reduzida de 100,0 Torr para 94,8 Torr a t = 26o C, responda:
Como se trata de uma solução usa-se a lei de Raoult (a) Qual é a fração molar de Y na solução?
A pressão do benzeno puro era 100 => PparcBenz = Pbenz * Xbenz
(b) Qual é a massa molar de Y?
Foram dissolvidos 8,05 g de Y que correspondem a 0,052 mol Portanto Y tem uma massa molar de 154,8 mol/g
9. Utilizando os gráficos apresentados na Figura 5, a seguir, responda às questões.
a. O índice de refração de uma mistura de etanol e 1-butanol foi determinado como sendo de 1,3940. Qual é a composição dessa mistura em termos de fração molar porcentual? Ler no Gráfico => 88% de 1-butanol
b. Qual é o ponto de ebulição de uma mistura composta por 60% de 1-butanol e 40% de etanol, em porcentagem molar? 94 oC
c. Qual é a composição do vapor (em porcentagem molar) que está em equilíbrio com uma mistura de etanol e butanol que ferva a 110 oC? 74 % 1-butanol e 26 % Etanol
d. Uma mistura de 81,5% de 1-butanol e 18,5% de etanol é destilada por fracionamento através de um condensador de ar empacotado frouxamente com uma esponja de aço. A composição do primeiro destilado é 5% 1-butanol e 95% etanol. Estime a eficiência da coluna em termos de pratos teóricos.
Composição do vapor aprox. 50 % de cada composto
Ler no Gráfico os equilíbrios líquido-vapor da solução inicial até o destilado final. Isso dá aprox. 3 pratos teóricos
