Dê o diagrama de fases para cada tipo de sistema a seguir. Em cada um, identifique as regiões e as curvas, os constituintes presentes (compostos, azeótropos etc.) e a fase de cada um (sólida, líquida, gasosa). (a) Diagrama de um sistema de um componente, com a pressão em função da temperatura. A densidade do líquido é maior que a do sólido. (b) Diagrama de um sistema binário com fases sólidas e líquidas, no plano da temperatura-composição. Há um composto
que funde congruentemente, e a solubilidade em fase sólida é desprezível.
Passo 1
Beleza, vamos resolver esse exercício juntos! O que precisamos fazer aqui é desenhar diagramas de fases para dois tipos de sistemas diferentes. O conteúdo envolvido é a termodinâmica de fases, que ajuda a entender como diferentes estados da matéria coexistem sob certas condições de pressão e temperatura.
Para resolver isso, vamos precisar entender:
- Diagrama de Fases: Representa as condições de equilíbrio entre diferentes fases (sólida, líquida, gasosa).
- Regiões e Curvas: As áreas no diagrama que mostram quais fases estão presentes e as linhas que indicam transições entre elas.
- Constituintes: Componentes químicos presentes, como compostos ou azeótropos.
- Fases: Estados físicos dos constituintes (sólida, líquida, gasosa).
Vamos começar com a parte (a).
Passo 2
Parte (a): Diagrama de um sistema de um componente, com pressão em função da temperatura
Primeiro, vamos resumir o que temos:
- Sistema de um componente: Só tem uma substância pura.
- Pressão em função da temperatura: O diagrama vai ter a pressão no eixo Y e a temperatura no eixo X.
- Densidade do líquido é maior que a do sólido: Indica que, quando a substância muda de sólido para líquido, ela se expande.
Agora, vamos pensar nas fases envolvidas:
- Sólida: Estado sólido da substância.
- Líquida: Estado líquido da substância.
- Gasosa: Estado gasoso da substância.
E as curvas de transição:
- Curva de Fusão: Onde sólido vira líquido.
- Curva de Vaporização: Onde líquido vira gás.
- Curva de Sublimação: Onde sólido vira gás diretamente.
Também temos pontos importantes:
- Ponto Triplo: Onde sólido, líquido e gás coexistem.
- Ponto Crítico: Além do qual a distinção entre líquido e gás desaparece.
Passo 3
Vamos descrever como fica o diagrama:
- Eixo X (Temperatura) e Eixo Y (Pressão).
- Região Sólida: Baixas temperaturas e pressões.
- Região Líquida: Temperaturas e pressões intermediárias.
- Região Gasosa: Altas temperaturas e pressões.
- Curvas:
- Curva de Sublimação: Vem do estado sólido diretamente para o gasoso.
- Curva de Fusão: Limita entre sólido e líquido.
- Curva de Vaporização: Limita entre líquido e gasoso.
Como a densidade do líquido é maior que a do sólido, isso afeta a inclinação da curva de fusão. Normalmente, para a maioria das substâncias, a curva de fusão tem inclinação positiva, mas se a densidade do líquido é maior, pode ter uma inclinação negativa.
Passo 4
Agora, identificando os constituintes presentes:
- Compostos: Como estamos falando de um sistema de um componente, não há mistura de substâncias.
- Azeótropos: Não se aplicam aqui, pois azeótropos envolvem misturas que têm composição constante na ebulição.
E as fases:
- Sólida, Líquida e Gasosa.
Passo 5
Resumindo tudo:
Temos um diagrama que mostra as três fases da substância pura sob diferentes condições de temperatura e pressão. As curvas indicam onde ocorre a transição entre essas fases, e as regiões mostram onde cada fase está presente. O fato de a densidade do líquido ser maior que a do sólido influencia a inclinação da curva de fusão, possivelmente tornando-a negativa.
Passo 6
Parte (b): Diagrama de um sistema binário com fases sólidas e líquidas, no plano da temperatura-composição
Aqui, temos um sistema com dois componentes, vamos chamar de A e B. As características são:
- Fases sólidas e líquidas: Não consideramos a fase gasosa aqui.
- Composto AB que funde congruentemente: Significa que AB é um composto estequiométrico que derrete sem decompor.
- Solubilidade em fase sólida é desprezível: Os componentes A e B não se dissolvem bem no sólido um do outro.
Vamos entender o que isso implica:
- Eixo X (Composição): Percentual de um dos componentes, por exemplo, A.
- Eixo Y (Temperatura).
Agora, as regiões no diagrama:
- Região Sólida A: Predominantemente componente A em sólido.
- Região Sólida B: Predominantemente componente B em sólido.
- Região Líquida: Mistura líquida de A e B.
- Região de Compostos: Onde o composto AB está presente.
As curvas de transição:
- Curva de Melting (Fusão): Onde passam do sólido para o líquido.
- Curvas de Líquido-Líquido: Indicam as composições onde ocorre a separação das fases.
Como a solubilidade em fase sólida é desprezível, as regiões sólidas são quase puras em cada componente.
Passo 7
Identificando os constituintes presentes:
- Componentes puros: A e B.
- Composto: AB.
- Não há azeótropos aqui porque estamos lidando com um composto que funde congruentemente.
E as fases:
- Sólida: A e B separadamente.
- Líquida: Solução líquida de A e B.
- Composto: AB sólido ou líquido dependendo da temperatura.
Passo 8
Resumindo o diagrama:
No diagrama temperatura-composição para um sistema binário com as características dadas, teremos uma região onde apenas A sólido está presente, outra onde apenas B sólido está presente, e uma região líquida onde A e B estão dissolvidos. O composto AB aparece como um ponto específico onde ocorre a fusão congruente, formando uma ligação estável sem decomposição. Como a solubilidade na fase sólida é desprezível, não há mistura sólida significativa entre A e B.
Resposta
(a) Para um sistema de um componente com pressão em função da temperatura, o diagrama de fases apresenta três regiões distintas: sólida, líquida e gasosa. As curvas que delimitam essas regiões são a curva de sublimão (sólido para gás), a curva de fusão (sólido para líquido) e a curva de vaporização (líquido para gás). Neste caso, como a densidade do líquido é maior que a do sólido, a curva de fusão tende a ter inclinação negativa. O ponto triplo e o ponto crítico também estão presentes, indicando onde as três fases coexistem e onde ocorre a transição final entre líquido e gás.
(b) Para um sistema binário no plano temperatura-composição com solidez desprezível e um composto AB que funde congruentemente, o diagrama de fases mostra regiões sólidas puras de A e B, uma região líquida onde A e B estão dissolvidos, e a presença do composto AB. As curvas de transição indicam as temperaturas de fusão e solidificação, e a solubilidade desprezível na fase sólida impede a formação de misturas sólidas, mantendo as áreas de sólidos puros bem definidas.
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