Teoria

Opaa! Seja muito bem vindo ao RespondeAí! Bora entender melhor como funciona isso de Misturas Binárias?

E afinal, o que é uma mistura binária?

Uma mistura binária é uma mistura homogênea de dois componentes!

-Beleza, mas e daí?

Quando temos um componente puro existe um equilíbrio dinâmico líquido-vapor. A mesma coisa acontece com misturas binárias!

Por exemplo, quando fazemos uma solução de água com álcool, essa solução também entra em equilíbrio com o seu vapor e esse vapor também vai ser uma mistura de água + álcool! 😱😱😱

Se liga nessa imagem a baixo:

Diagrama de fases de uma mistura binária.
Diagrama de fases de uma mistura binária.

Essas duas curvas na imagem se chama de diagrama de fases, ou envelope de fases. A partir dela podemos acompanhar a variação da composição da fase líquida e vapor de acordo com a variação da temperatura.

Se você ficou confuso, não se preocupa! Hoje a gente entender como funciona o diagrama de fases e vai aprender a tirar todas as informações importantes que ele pode dar pra a gente!

Então vamos começar com uma revisão sobre pressão de vapor e Lei de Raoult!

Pressão de vapor

Vamos continuar com nosso exemplo de mistura água + álcool. Se essa mistura for uma mistura ideal, ela vai seguir a lei de Raoult:

ááíá

Onde áí é a fração molar de água na mistura líquida, á  é a pressão de vapor de água em uma solução composta por água e á é a pressão parcial de água no vapor em equilíbrio com a mistura.

A gente sabe também que a pressão de vapor total de uma mistura é a soma das pressões de vapor de seus componentes... logo:

áááááá

Fração molar dos componentes na fase gás

Para achar isso, vamos usar a definição de pressão parcial!

ãááá
áá

À partir daí você consegue juntar as duas equações e achar a relação que vai te dar o á !

OBS: Para simplificar a vida, vamos definir a notação  toda vez que falarmos da fração molar na fase vapor!

Fração molar na fase vapor.
Fração molar na fase vapor.

Uma análise legal que sai à partir dessa fórmula é que o composto mais volátil (com a maior pressão de vapor puro), vai ter uma maior fração molar na fase vapor! Isso faz sentido, já que, se ele é mais volátil, ele tem uma maior preferência pela fase vapor 😊

Agora estamos prontos pra encarar o diagrama de fases!

Diagramas de Fases: Composição X Temperatura

Como a pressão de vapor da mistura é diferente dos líquidos puros, o ponto de ebulição da mistura também é diferente! Mas como a gente quantifica isso?

Para saber o que se passa quando tentamos ferver uma mistura, fazemos um diagrama de fases, com a temperatura e a composição da mistura em um dos componentes.

O resultado é esse carinha que a gente viu lá em cima:

Envelope de fases: fração molar X Temperatura
Envelope de fases: fração molar X Temperatura

Calma, é confuso de entender mas vamos por partes! 😉

O diagrama tem 3 áreas bem definidas que delimitam as fases da mistura: líquido, vapor, e líquido + vapor coexistindo.

  • As Extremidades do gráfico nos mostram o ponto de ebulição de puro e de puro! Isso faz todo sentido, pois observando o eixo vemos que a fração molar de é , logo a fração molar de será , portanto temos puro.
    A mesma coisa ocorre na extremidade direita, quando , temos apenas o componente , logo o eixo da temperatura nos da o ponto de ebulição de .
  • A Curva inferior representa o ponto de ebulição da mistura. A medida que variamos a composição da mistura, variamos o ponto de ebulição! Quando aquecemos uma mistura binária essa curva nos mostra o momento onde forma a primeira bolha de vapor.
  • Já a Curva superior nos mostra o momento onde a última bolha de vapor estoura, transformando toda a mistura em vapor. Nela lemos o ponto de orvalho!
    Vamos analisar com calma:
Diagrama de fases: Linha de amarração
Diagrama de fases: Linha de amarração

O ponto do gráfico mostra a temperatura de ebulição da mistura de composição . Chamamos esse ponto de ponto de bolha.

Porque nessa temperatura de ebulição se forma a primeira bolha de vapore essa bolha tem a composição marcada no ponto pela linha de amarração.

-Ué, mas eu já não sei a composição?

A gente conhece a composição global, ou seja, considerando a fase líquida e a fase vapor. O que vamos encontrar agora é a composição apenas da fase vapor, nesse caso o vapor tem composição .

Vamos analisar agora um outro diagrama e eu quero que você me diga qual é a temperatura de ebulição da mistura quando .

Diagrama de fases: Metanol-Etanol
Diagrama de fases: Metanol-Etanol

O gráfico não ajuda muito a gente, mas podemos ver que o ponto de bolha fica em aproximadamente , podemos ler sua composição em , onde aproximadamente. O que significa que essa bolha tem de etanol!

Misturas azeotrópicas

As misturas azeotrópicas são misturas que não seguem a lei de Raoult por causa da interação entre os componentes e, portanto, não são ideais.

Os seus diagramas de equilíbrio líquido-vapor são um pouco particulares.

Azeótropo de ponto de ebulição mínimo:

azeótropo com ponto de ebulição mínimo
azeótropo com ponto de ebulição mínimo

É uma mistura que ferve em uma temperatura mais baixa que o ponto de ebulição dos dois componentes!

Isso acontece porque as interações entre os componentes na solução é mais fraca do que as interações deles sozinhos, e as forças intermoleculares na solução acabam sendo mais fracas que nos componentes puros. É um desvio positivo da lei de Raoult!

Na composição do ponto (a composição do azeótropo), a mistura entra em ebulição como se fosse uma substância pura, ou seja, a composição do líquido e do vapor é a mesma.

Azeótropo de ponto de ebulição máximo

Nesse caso, a mistura na composição azeotrópica tem um ponto de ebulição mais alto que ambos os constituintes, o que constitui um desvio negativo da lei de Raoult!

Isso acontece porque as interações dos componentes na mistura é mais forte do que quando eles estão sozinhos. Assim, as forças intermoleculares na mistura são mais fortes do que as dos componentes puros.

Azeótropo com ponto de ebulição máximo
Azeótropo com ponto de ebulição máximo

Muitas informações, né? Vamos fazer uns exercícios que vai ficar tudo mais fácil! 😊

Pressão de vapor

Diagramas de Fases: Composição X Temperatura

Misturas azeotrópicas

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