Resumo baseado no livro ATKINS sobre diagrama de fases

Prévia do material em texto

Trabalho de Recuperação de Nota
Disciplina: Físico-Química
NOME: Amanda Mezete Gouveia
MATRICULA: 2014.1.13.003
Capitulo 7 e Capítulo 8 – ATKINS
Propriedades coligativas - Mistura simples
Diagrama de Fases (exceto regra de fases)
Misturas Simples:
Misturas binárias
Volume parcial molar: O volume ocupado por um conjunto de moléculas depende da identidade das moléculas que o rodeiam. Corresponde à variação de volume que se observa quando se adiciona uma mole dessa substância a um volume grande da mistura de composição conhecida.
Com a adição de moles de A emoles de B, o volume total da mistura varia, dessa forma, teremos a seguinte equação:
Se os volumes parciais molares se mantiverem constantes à medida que aumenta o volume, integramos a equação anterior para calcular o volume:
Medição de volumes parciais molares:
Medição experimental da variação do volume com a composição da mistura; ajuste de uma função que ajuste bem à curva experimental; a função pode ser derivada em qualquer ponto de modo a poder determinar o volume parcial molar de um componente para qualquer composição da mistura.
Energia de Gibbs parcial molar:
Quando T, p e a restante composição se mantêm constantes.
Com isso, temos que a energia de livre de Gibbs total da mistura, por integração é dada por:
O potencial químico de uma substância numa mistura é a contribuição dessa substância para a energia de Gibbs da mistura. 
Gibbs varia com a temperatura, pressão e composição da mistura, o que, junto, pode deduzir a equação fundamental da termodinâmica, que é dada por:
A pressão e temperatura constantes. 
A energia livre de Gibbs assim definida, a T e p constantes, é igual ao trabalho adicional que o sistema pode efetuar, sendo dada então pela fórmula:
Obs: o trabalho não é de expansão
A equação de Gibbs-Duhem: O potencial químico varia com a composição, quando a composição varia infinitesimalmente espera-se que a energia de Gibbs total do sistema varie como na formula a seguir:
A pressão e temperatura constantes dG é dado por:
Como a energia de Gibbs é função de estado, a somatória do potencial quimico de A e B devem ser zero. Generalizando, a equação será:
Concluindo, temos que aumento da quantidade parcial molar de um dos componentes implica a diminuição dessa quantidade parcial molar do outro componente.
Termodinâmica da mistura:
Tendo dois gases perfeitos separados, o potencial químico é a soma dos potenciais químicos de cada gás puro: 
Fração molar é dada por:
Com a pressão e o número de mols são proporcionais, pode-se definir:
Outras funções termodinamicas de mistura são a entropia e entalpia, dadas por:
Respectivamente. 
Como o lnx na entropia é sempre negativo, então a variação de entropia é sempre positiva.
Potencial químico dos líquidos: Para uma substância pura, quando o líquido e o vapor se encontram em equilíbrio, os seus potenciais químicos são iguais.
Se a substancia contiver um soluto dissolvido, o potencial quimico passa a ser dado por:
A variação de potencial químico é dado por:
Lei de Raoult:
Numa mistura binária ideal, a pressão de vapor total e as pressões parciais de vapor são proporcionais às fracções molares dos componentes. 
Para misturas que tem comportamento ideal, usamos:
A presença de um soluto disperso num solvente reduz a velocidade com que as moléculas de solvente deixam a superfície do líquido, passando ao estado gasoso, mas não inibem o processo oposto. 
soluções reais observam-se desvios. 
Em particular, as moléculas de solvente encontram-se numa vizinhança muito semelhante à do solvente puro, mas as moléculas de soluto encontram-se numa vizinhança diferente.
Quando a solução é diluída: o solvente é quase puro, a sua fracção molar é proporcional à pressão de vapor.
A pressão de vapor é proporcional à fracção molar, mas a constante de proporcionalidade é outra.
Soluções ideais e soluções reais: 
Conforme as interações que se estabelecem entre A e B, também a entalpia de mistura pode ser positiva ou negativa. Como resultado, a formação de soluções reais pode ser caracterizada por variação de energia de Gibbs negativa ou positiva.
Propriedades Coligativas: dependem do número de partículas de soluto dispersas no solvente, não da identidade. As propriedades coligativas são: abaixamento de pressão de vapor; elevação ebulioscópica; depressão crioscópica e pressão osmótica. 
Estas variações são observadas em consequência da presença de um soluto num solvente.
 
Diagrama de fases: Forma esquemática de representar as mudanças de estado físico de substâncias puras em função de temperatura e pressão. 
Fase: forma uma substância em toda sua extensão. 
Transição de fase: conversão espontânea de uma fase em oura fase.
Temperatura de transição: temperatura em que duas fases se encontram em equilíbrio e a energia de Gibbs é mínima para determinada pressão.
Fase metaestável: fase que é termodinamicamente estável, mas que persiste porque a transição tem cinética desfavorável.
Fronteiras de fase:
Regiões de p e T em que fases são estáveis, as linhas que separam cada fase são chamadas de fronteiras de fase, e mostram os valores de pressão e temperatura em que as fases coexistem. 
Ponto triplo: temperatura e pressão que as fases sólidas, líquidas e gasosas coexistem em equilíbrio. 
Ponto de fusão e ponto triplo: A temperatura de fusão de uma substancia é aquela em que determinada pressão, as fases solidas e liquidas coexistem. 
Transição de fases e estabilidade: 
Potencial químico: Para um sistema o potencial químico é igual à energia de Gibbs molar. O potencial químico é uma medida de potencial que uma substancia tem para sofrer alterações físico-químicas. 
No equilíbrio, o potencial químico de uma substância é igual em todo o sistema. 
Em baixas temperaturas, a pressão é baixa e o estado sólido apresenta o potencial químico ainda mais baixo. 
O potencial químico varia com a pressão proporcionalmente ao volume molar:
Localização das fronteiras entre fases: se duas fases coexistem em equilibrio seus potenciais quimicos são iguais. Se tiver uma alteração infinitesimal, podemos deduzir a equação de Clapeyron, a qual é dada por:
Sólido-líquido: variação de entropia molar relacionada com a variação de entropia dada por:
Líquido-vapor: ao passar pelo estado de vapor a variação do volume molar é grande e positiva, se considerarmos o gás em condições perfeitas, teremos: 
 
Esta equação é definida pela lei de Clapeyron.
Sólido-vapor: 
 
Pela equação de Clapeyron, teremos:
Aplicações biotecnológicas: 
Aplicação de propriedade coligativa: As propriedades coligativas podem ser muito utilizadas em indústrias no geral.
Um exemplo básico seria o uso de membranas semipermeáveis em tratamentos de resíduos que contenham material biológico, utilizando a pressão osmótica. A membrana permite somente a passagem de solvente, como por exemplo o citoplasma celular. 
 http://s3-sa-east-1.amazonaws.com/descomplica-blog/wp-content/uploads/2015/06/osm%C3%B3tica.jpg
Aplicação de diagrama de fases: 
Liofilização, processo de secagem no qual uma substancia é congelada sem passar pelo estado líquido. 
É muito utilizada na produção de vacinas, no qual o vírus é liofilizado. A quantidade de água do produto é reduzida, e as reações de oxidação e ação enzimática são reduzidas. 
A substancia volta ao normal apenas com adição de água. 
É utilizado também pela NASA para congelar comida que será levada pelos astronautas em viagens espaciais. 
 
 
 Diagrama de fases da água.
Questões:
Que fatores determinam o número de pratos teóricos necessários para atingir o grau de separação desejado numa destilação fracionada?
A pressão de vapor de um líquido puro A é 76,7 kPa a 300 K e a de outro líquido B, também puro, é52,0 kPa. Esses dois compostos formam soluções líquidas ideais e misturas gasosas também ideais. Imaginemos o equilíbrio de uma solução com um vapor no qual a fração molar de A é 0,350. Calcule a pressão total do vapor e a composição da fase líquida.
Os seguintes dados de temperatura/composição foram obtidos para soluções de octano (O) e metilbenzeno (M), a 1,0 atm. A fração molar na solução líquida é x e no vapor em equilíbrio é y. O ponto de ebulição do metilbenzeno é 110,6 °C, e o do octano, 125,6 °C. Trace o diagrama da temperatura contra a composição do sistema. Qual a composição do vapor em equilíbrio com a solução líquida que tem (a) x M = 0,250 e (b) x O = 0,250?
O metano (ponto de fusão a 91 K) e o tetrafluormetano (ponto de fusão a 89 K) não formam solução sólida e, na fase líquida, são apenas parcialmente miscíveis. A temperatura crítica superior da mistura líquida é 94 K, com x(CF4) = 0,43. Há um eutético com x (CF4) = 0,88 e temperatura eutética de 84 K. A 86 K, a fase em equilíbrio com a solução líquida rica em tetrafluormetano se transforma de metano sólido em solução líquida rica em metano. Nessa temperatura, as duas soluções líquidas que estão em equilíbrio têm as composições x(CF4) = 0,10 e x (CF4) = 0,80. Esboce o diagrama de fases.
Resolução:
O número de pratos teóricos não pode ser determinado a partir das dimensões da coluna; é calculado a partir da separação efetuada pela destilação de uma mistura líquida, cujas composições de vapor e de líquido são conhecidas com precisão.
Quanto maior o número de pratos teóricos (n), menor a altura equivalente do prato teórico (HEPT), e, portanto, maior a eficiência. 
A escolha de uma coluna depende da diferença dos pontos de ebulição dos componentes da mistura. Quanto menor a diferença de ponto de ebulição, maior será o número de pratos teóricos necessários para uma separação eficiente.