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20 EXERCÍCIOS – PROPRIEDADES
COLIGATIVAS
PROFESSOR DSc.
ALEXANDRE VARGAS
GRILLO
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APRESENTAÇÃO DO AUTOR
Alexandre Vargas Grillo é graduado em Engenharia Química pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
(PUC-Rio), Pós-Graduado em Licenciatura de Ensino Fundamental e Médio pela Química (UCAM – Universidade
Cândido Mendes). Mestre e Doutor em Engenharia de Materiais e Processos Químicos e Metalúrgicos também pela
PUC-Rio. Atualmente atua como Professor do Instituto Federal do Rio de Janeiro – IFRJ – Campus Nilópolis. Leciona
também em turmas de alto nível (IME-ITA-OLIMPÍADAS) a mais de vinte anos.
Na pesquisa atua na área da Engenharia de Processos Químicos e Metalúrgicos em Síntese de nanopartículas, além de
atuar na Química, mais especificamente na Físico-Química em Nanotecnologia. Autor de inúmeras obras destinada à
Olimpíada, concursos de alto nível (IME-ITA), graduação e pós-graduação. Atua como professor colaborador em
pesquisas na área de Síntese de Nanopartículas pelo Departamento de Engenharia Química e de Materiais – PUC-Rio.
É membro da coordenação de Olimpíadas de Química do Rio de Janeiro – OQRJ e das turmas Olímpicas de Química
do IFRJ – Campus Nilópolis.
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Questão 41 – O benzeno puro congela a 5,45ºC. Verificou-se que uma solução contendo 7,24 g de C2H2Cl4 em 115 g de benzeno congela a 3,55ºC. Qual
o valor da constante molal de abaixamento do ponto de congelamento do benzeno?
Resolução: Cálculo da constante crioscópica molal (Kc): ∆Tc = Kc x W x i
Tsolução − Tsolvente = Kc x W x i
(3,55 − 5,45)°C = Kc x (
7,24
168
0,115
) x 1
Kc = −5,08 kg. °C. mol
−1
Questão 42 – Foram dissolvidos uma quantidade de 34,2 g de sacarose em uma quantidade de 180 g de água. Sabendo que a temperatura experimental
a pressão de vapor da água pura é de aproximadamente igual a 17,5 mmHg, determine:
a) O abaixamento relativo da pressão de vapor;
b) O abaixamento absoluto da pressão de vapor;
c) A pressão de vapor da solução aquosa de sacarose.
Resolução: Item a) Cálculo do abaixamento relativo da pressão de vapor:
∆P
P°
=
<MM>água
1000
x
nsacarose
m
kg
água x i
∆P
P°
=
18
1000
x
34,2
342
0,180
x 1 = 10−2
Cálculo do abaixamento absoluto da pressão de vapor (∆p): Através do item a, o abaixamento relativo da pressão de vapor é igual a 10-2, então o
abaixamento absoluto da pressão de vapor será igual a:
∆𝑝
𝑝0
= 10−2
∆p
17,5 mmHg
= 10−2
∆p = 0,175 mmHg
c) Cálculo da pressão de vapor da solução de sacarose (p): Através do item b, o abaixamento absoluto da pressão de vapor é igual a 0,175 mmHg, então
a pressão de vapor da solução de sacarose será igual a: ∆𝑝 = 0,175 𝑚𝑚𝐻𝑔
p − p0 = 0,175 mmHg
p − 17,5 mmHg = 0,175 mmHg
p = 17,67 mmHg
Questão 43 – (OLIMPÍADA NORTE – NORDESTE DE QUÍMICA) A adição de 3 gramas de determinada substância a 100 gramas de CCl4 eleva
o ponto de ebulição deste último de 0,60°C.
a) Calcule o abaixamento de sua temperatura de congelação.
b) Calcule a pressão osmótica da solução a 25°C.
c) Determine a massa molar da substância. Dados para a resolução da questão: Keb (CCl4) = 5,03°C/mol.kg-1; Kc (CCl4) = 31,8°C/mol.kg-1;
densidade do CCl4: d = 1,59 g/cm3, a 25°C; constante dos gases: R = 8,31 J/K.mol; (1 atm = 1,013 x 105 Pa; 1 Pa = 1 N/m2; 1 J = 1 N.m).
Resolução: Item c) Cálculo da massa molar, a partir da propriedade coligativa ebulioscópica com i = 1 (solução molecular):
∆𝑇𝑒𝑏 = 𝐾𝑒𝑏 𝑥 𝑊 𝑥 𝑖
0,60 = 5,03 𝑥 {
3,0
< 𝑀𝑀 >
0,100
} 𝑥 1
0,60 = 5,03 𝑥 {
3,0
0,100 𝑥 < 𝑀𝑀 >
}
< 𝑀𝑀 > = 251,5 𝑔. 𝑚𝑜𝑙−1
Item a) Cálculo da temperatura do abaixamento crioscópico: ∆𝑇𝑐 = 𝐾𝑐 𝑥 𝑊 𝑥 𝑖 = 31,8 𝑥 {
3,0 𝑔
251,5
0,100
} 𝑥 1 = 3,79°𝐶
Como a temperatura é crioscópica, levaremos em consideração o sinal de negativo, ∆𝑇𝑐 = −3,79°𝐶
Item b) Cálculo do volume da solução, a partir da densidade do tetracloreto de carbono: 𝑉 =
𝑚
𝑑
=
100
1,59
= 62,89 𝑐𝑚³ (62,89 𝑥 10−3 𝐿)
Cálculo da pressão osmótica: 𝜋 = {
𝑚
<𝑀𝑀>
𝑉𝑠𝑜𝑙𝑢çã𝑜
} 𝑥 𝑅 𝑥 𝑇 𝑥 [1 + (𝑛 − 1) 𝑥 𝛼]
𝜋 = {
3,0
251,5
62,89 𝑥 10−3
} 𝑥 0,08206 𝑥 (25 + 273) = {
3,0
251,5
62,89 𝑥 10−3
} 𝑥 0,08206 𝑥 298 = 4,65 𝑎𝑡𝑚
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Questão 44 – A dissolução de 3,00 g de uma substância A em 100,0 g de tetracloreto de carbono eleva o ponto de ebulição do tetracloreto de carbono
eleva o ponto de ebulição do tetracloreto de carbono de 0,600°C. Calcular:
a) O abaixamento do ponto de congelamento do solvente;
b) O abaixamento relativo da pressão de vapor do solvente;
c) A massa molar da substância A. Dados eventualmente necessários ao tetracloreto de carbono: Kc = 31,8°C.mol.kg-1; Keb = 5,03°C.mol.kg-1;
Densidade = 1,5 g.mL-1.
Resolução: Dados do problema: Soluto = Substância A; Solvente = tetracloreto de carbono (CCl4); Fator de Van’t Hoff: i = 1 (solução molecular)
Para a resolução deste problema, será necessário inicialmente calcular o item c, ou seja, a massa molecular da substância A.
Item c) Cálculo da massa molar da substância A: ∆Teb = Keb x W x i
0,600 = 5,03 x
(
3,0
< MM >A
)
0,100
x 1
< MM >A = 251,5 g. mol
−1
Item a) Cálculo do abaixamento do ponto de congelamento do solvente: ∆Tc = Kc x W x i
∆𝑇𝑐 = 31,8 𝑥
(
3,0
251,5
)
0,100
𝑥 1
∆𝑇𝑐 = 3,79°𝐶
Item b) Cálculo do abaixamento relativo da pressão de vapor do solvente:
∆P
P°
=
<MM>CCl4
1000
x
nsubstância A
m
kg
CCl4
x i
∆P
P°
=
154
1000
x
3,0
251,5
0,100
x 1 = 0,154 x
1,19 x 10−2
0,100
= 0,154 x 0,119 = 1,84 x 10−2
Questão 45 – A uma temperatura de 25°C, as pressões de vapor do benzeno e do tolueno são 12,5 kPa e 3,59 kPa, respectivamente. Qual a pressão que
deverá ser aplicada a uma solução preparada com 60,0 gramas de benzeno e 40,0 gramas de tolueno para que ferva a uma temperatura de 25°C?
Resolução: Cálculo do número de mol de benzeno (C6H6): nC6H6 =
mC6H6
<MM>C6H6
=
60,0
78
= 0,769 mol
Cálculo do número de mol de tolueno (nC7H8): nC7H8 =
mC7H8
<MM>C7H8
=
40,0
92
= 0,435 mol
Cálculo do número de mol total (nTOTAL): nTOTAL = nbenzeno + ntolueno = 0,769 + 0,435 = 1,204 mol
Cálculo da pressão de vapor da solução: Psolução
mistura = Psolução
C6H6 + Psolução
C7H8 = XC6H6 x PC6H6
0 + XC7H8 x PC7H8
0 = (
0,768
1,204
) x 12,50 kPa +
(
0,435
1,204
) x 3,59 kPa = 9,28 kPa
Questão 46 – O heptano apresenta uma pressão de vapor igual a 105 kPa a uma temperatura igual a 100°C. A mesma temperatura, o hidrocarboneto
octano apresenta uma pressão de vapor igual a 46 kPa. Qual será a pressão de vapor a uma mistura que compreende 25,0 g de heptano e 35,0 g de octano?
Observação: Considere ideal o comportamento da solução.
Resolução: Cálculo do número de mol de heptano, número de mol do octano e consequentemente do número de mol total:
nTotal = nC7H16 + nC8H18 =
mC7H16
< MM >C7H16
+
mC7H16
< MM >C7H16
=
25,0
100
+
35,0
114
= 0,56 mol
Cálculo da pressão de vapor de heptano na solução: Psolução
C7H16 = (
0,25
0,25+ 0,31
) x 105 kPa = (
0,25
0,56
) x 105 kPa = 46,87 kPa
Cálculo da pressão de vapor do octano na solução: Psolução
C8H18 = (
0,31
0,31+0,25
) x 47 kPa = 26,02 kPa
Cálculo da pressão de vapor da mistura: Psolução
mistura = Psolução
C7H16 + Psolução
C8H18 = 46,87 kPa + 26,02 kPa = 72,89 kPa
Questão 47 – O ponto de ebulição do tolueno puro é 110,60°C. Uma solução contendo 5,00 g de difenilo, C12H10, em 100 g de tolueno ferve a 111,68°C.
Uma solução contendo 6,00 g de uma substância desconhecida não-volátil, em 200 g de tolueno, ferve a 112,00°C. Calcular a massa molecular da amostra
desconhecida.
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Resolução: Dados do problema: Solvente = Tolueno (C7H8); Soluto = difenilo (C12H10) e Fator de Van’t Hoff: i = 1 (solução molecular)
Cálculo da constanteebulioscópica molal: Tebulição
solução
− Tebulição
solvente = Keb x W x i
111,68 − 110,60 = Keb x |
(
5,0
154
)
0,100
| x 1
Keb = 3,33°C. kg. mol
−1
Cálculo da massa molecular (<MM>) da amostra desconhecida: ∆Teb = Keb x W x i
Tsolução
ebulição
− Tsolvente
ebulição
= Keb x W x i
112,0 − 110,60 = 3,33 x
(
6,0
< MM >
)
0,200
x 1
< MM > =
19,98
0,280
= 71,36 g. mol−1
Questão 48 – Determine a temperatura de ebulição normal de uma solução que contém 4,7 g de fenol em 500 g de álcool etílico. Dados: Temperatura
de ebulição normal: Teb = 78,4°C; Constante ebulioscópica molal: Keb = 1,2°C.kg.mol-1. Resolução: Dados do problema: Soluto = Fenol (C6H6O);
Solvente = álcool etílico (C2H6O) e Fator de Van’t Hoff: i = 1 (solução molecular).
Cálculo da temperatura de ebulição da solução: ∆Teb = Keb x W x i
Tsolução
ebulição
− Tnormal
ebulição
= Keb x W x i
Tsolução
ebulição
− 78,40 = 1,20 x
(
4,70
94
)
0,500
x 1
Tsolução
ebulição
= 78,40 + 0,12 = 78,52°C
Questão 49 – Determine a massa de naftaleno que dissolvida em éter etílico (42,8 gramas), forma uma solução que apresenta temperatura de ebulição
normal superior em 0,2°C a temperatura de ebulição normal de éter etílico. Dado: Keb = 2,14°C.kg.mol-1. Resolução: Dados do problema: Soluto =
Naftaleno (C10H8); Solvente = éter etílico (C4H10O) e Fator de Van’t Hoff: i = 1 (solução molecular)
Cálculo da molalidade (W), a partir do efeito ebulioscópico: ∆Teb = Keb x W x i
0,20 = 2,14 x W x 1
W =
0,20
2,14
= 9,34 x 10−2 mol. kg−1
Cálculo da massa do soluto: W =
nsoluto
m
solvente
(kg)
9,34 x 10−2 =
(
m
128
)
42,8 x 10−3
m = 0,512 g
Questão 50 - A temperatura de congelamento de uma solução aquosa (Kc da água = 1,86) 0,40 mol.kg-1 de um sulfato metálico, onde o sal está totalmente
dissociado é -3,72°C. Determine o número de oxidação do metal neste sal? Resolução: Dados do problema: Soluto = sulfato metálico [M2(SO4)a];
Solvente = água.
Equação de dissociação do sulfato metálico: M2(SO4)a(aq) → 2 M+a(aq) + a SO4-2(aq)
Cálculo do número de oxidação do sulfato metálico, considerando 100% dissociado, a partir do efeito coligativo crioscópico: ∆Tc = Kc x W x i
⌊0 − (−3,72)⌋ = 1,86 x 0,40 x {1 + (2 + a − 1) x 1}
3,72
0,744
= {1 + (2 + a − 1) x 1}
a = +3
Questão 51 – (GRILLO) A pressão de vapor do benzeno, a uma temperatura de 60,50°C é de aproximadamente 400 torr. Quando são dissolvidos 19,0
g de um determinado composto orgânico não-volátil em 500 g de benzeno, a pressão de vapor do benzeno passa a ser de 386 torr. Diante dessa informação,
determine a massa molar do composto desconhecido. Resolução: Dados do problema: Soluto = desconhecido (19,0 g); Solvente = benzeno (0,50 kg) e
Fator de Van’t Hoff: i = 1 (solução molecular)
Cálculo da constante tonoscópica molal (Kt): Kt =
<MM>solvente
1000
=
78
1000
= 78 x 10−3
Cálculo da massa molecular (<MM>) do soluto desconhecido:
∆P
P°
=
<MM>solvente
1000
x
nsoluto
mkg
benzeno x i
|
386 − 400
400
| =
78
1000
x
19
< MM >soluto
0,500
x 1
< MM >solvente= 84,68 g. mol
−1
6
Questão 52 – Sabendo que a pressão de vapor do propan-2-ol é 50,0 kPa a 340°C, mas cai a 49,6 kPa quando se dissolve, em 250g de propan-2-ol, 8,69
g de um composto orgânico desconhecido não volátil. A partir destas informações, calcule a massa molar do composto. Resolução: Dados do problema:
Soluto: desconhecido; Solvente: propano-2-ol (C3H8O) e Fator de Van’t Hoff: i = 1 (solução molecular)
Cálculo da massa molar do composto desconhecido:
∆P
P°
=
<MM>solvente
1000
x
nsoluto
m
kg
propan−2−ol x i
|
50,0 − 49,6
50,0
| =
60
1000
x
8,69
< MM >X
0,250
x 1
< MM >X= 260,7 g. mol
−1
Questão 53 – (GRILLO) Uma pequena amostra de proteína de hemoglobina com uma massa de aproximadamente 0,500 g foi dissolvida em água
suficiente para preparar 100,0 mL de solução. A pressão osmótica da solução medida a uma temperatura ambiente foi de 1,35 mmHg. Calcule a massa
molecular da hemoglobina. Resolução: Dados do problema: Soluto: hemoglobina; Solvente: água e Fator de Van’t Hoff: i = 1 (solução molecular).
Cálculo da massa molecular da hemoglobina (<MM>): π = {
mhemoglobina
<MM>hemoglobina
Vsolução
} x R x T x i
1,35 mmHg
760 mmHg
= {
0,50
< MM >hemoglobina
0,10
} x 0,08206 x (25 + 273) x 1
1,35 mmHg
760 mmHg
= {
5
< MM >hemoglobina
} x 0,08206 x 298
< MM >hemoglobina =
12,23
0,000178
= 68833,14 g. mol−1
Questão 54 – (GRILLO) Quimicamente, a gelatina é uma proteína de origem animal, um polímero formado de aminoácidos. Ela é derivada de colágeno,
que é uma proteína na grande maioria dos mamíferos tem basicamente a mesma composição; o colágeno dos peixes e répteis apresentam composição
ligeiramente diferente. Considere uma quantidade de aproximadamente 0,614 g de gelatina que foi dissolvido em água suficiente para preparar 125 mL
de solução. A 25°C, a pressão osmótica da solução encontrada foi 67,20 mmHg. Calcule a massa molecular aparente da gelatina. Resolução: Dados do
problema: Soluto: gelatina; Solvente: água e Fator de Van’t Hoff: i = 1 (solução molecular)
Cálculo da massa molecular (<MM>) da gelatina: π = {
m
<MM>
Vsolução
} x R x T x i
67,20 mmHg
760 mmHg
= {
0,614
< MM >
0,125
} x 0,08206 x (25 + 273) x 1,0
< MM > = 1358,47 g. mol−1
Questão 55 – A pressão osmótica de uma solução (1) contendo 32 g.L-1 de um soluto é 8,20 atm a 27°C. Qual a pressão osmótica a 47°C de uma solução
(2) contendo 10 g.L-1 do mesmo soluto no mesmo solvente?
Resolução: Analisando a solução (1):
π1 = {
m
< MM >
Vsolução
} x R x T1 x i = {
C
< MM >
} x R x T1 x i
Substituindo os dados do problema na equação acima temos: 8,20 = {
32
<MM>
} x R x (27 + 273) x i
8,20 x < MM > = 32 x R x (27 + 273) x i
8,20 x < MM > = 9600 x R x i (Equação A)
Analisando a solução (2):
π2 = {
m
< MM >
Vsolução
} x R x T2 x i = {
C
< MM >
} x R x T2 x i
Substituindo os dados do problema na equação acima temos: π2 = {
C
<MM>
} x R x T2 x i
π2 x < MM > = 10 x R x (47 + 273)x i (Equação B)
Dividindo a Equação (A) pela Equação (B):
8,20 x<MM>
π2 x <MM>
=
9600 x R x i
10 x R x (47+273)x i
8,20 x < MM >
π2 x < MM >
= 3
π2 =
8,20
3
= 2,73 atm
7
Questão 56 – Quando 8,05 g de um composto desconhecido foram dissolvidos em 100 g de benzeno, a pressão de vapor do benzeno diminui de 100,0
mmHg para 94,8 mmHg a uma temperatura de 30°C. Determine:
a) A fração molar do benzeno;
b) A massa molar do composto desconhecido.
Resolução: Dados do problema: Soluto: composto desconhecido; Solvente: benzeno e Fator de Van’t Hoff: 1 (solução molecular)
Item b) Determinação da massa molar do composto desconhecido (<MM>X):
Cálculo da constante tonoscópica (Kt): Kt =
<MM>solvente
1000
=
78
1000
= 78 x 10−3
Cálculo da massa molecular do composto A (<MM>X):
∆P
P°
=
<MM>solvente
1000
x
nsoluto
mkg
benzeno x i
|
94,8 − 100,0
100,0
| =
78
1000
x
8,05
< MM >X
0,100
x 1
0,052 =
627,90
100 x < MM >X
< MM >X= 120,75 g. mol
−1
Item b) Cálculo do número de mol do benzeno: 𝑛𝑏𝑒𝑛𝑧𝑒𝑛𝑜 =
𝑚𝑏𝑒𝑛𝑧𝑒𝑛𝑜
<𝑀𝑀>𝑏𝑒𝑛𝑧𝑒𝑛𝑜
=
100
78
= 1,28 𝑚𝑜𝑙
Cálculo do número de mol do composto desconhecido (X): 𝑛𝑋 =
𝑚𝑋
<𝑀𝑀>𝑋
=
8,05
120,75
= 6,7 𝑥 10−2 𝑚𝑜𝑙
Cálculo do número de mol total (nbenzeno + nX): nTOTAL = nbenzeno + nX = 1,28 + 0,067 = 1,35 mol
Cálculo da fração molar (Xbenzeno): XBenzeno =
nBenzeno
nBenzeno+ nX
=
1,28
1,28+0,067
≅ 0,95
Questão 57 – A adição de 10,0 g de um composto X a 250 g de naftaleno provocou um abaixamento crioscópico de 10,5 K. Calcule a massa molar do
composto X. Dado: Kc = 6,94°C.kg.mol-1. Resolução: Dados do problema: Soluto: composto X; Solvente: naftaleno (C10H8) e Fator de Van’t Hoff: i =
1 (solução molecular).
Cálculoda massa molar do composto X: ∆Tc = Kc x W x i
10,5 = 6,94 x {
10,0
< MM >x
0,250
} x 1
10,5 = 6,94 x {
10,0
0,250 x < MM >x
} x 1
10,5 =
69,4
0,250 x < MM >x
< MM >x= 26,44 g. mol
−1
Questão 58 – O benzeno puro congela a uma temperatura de aproximadamente igual a 5,45°C. Verificou-se que uma solução contendo 7,24 g de C2H2Cl2
em 115 g de benzeno congela a uma temperatura de aproximadamente de 3,55°C. Determine o valor da constante molal de abaixamento do ponto de
congelamento do benzeno.
Resolução: Dados do problema: Soluto: C2H2Cl2; Solvente: benzeno (C6H6) e Fator de Van’t Hoff: i = 1 (solução molecular)
Cálculo da massa molar do soluto desconhecido, a partir do efeito crioscópico: ∆Tc = Kc x W x i
3,55 = Kc x {
7,24
97
0,500
} x 1
Kc = 5,47°C. kg. 𝑚𝑜𝑙
−1
8
Questão 59 – Uma solução igual a 30 g.L-1, de um soluto não-iônico de massa molecular 90, é isotônica de uma solução de sulfato férrico 20 gramas de
soluto em 600 mL de solução. Qual o grau de dissociação do sulfato férrico na segunda solução?
Resolução: Analisando a solução molecular (i = 1):
πmolecular = {
C
< MM >
} x R x T x i = {
30
90
} x R x T x 1,0 =
R x T
3
Analisando o sulfato de ferro III: Fe2(SO4)3(aq) → 2 Fe+3(aq) + 3 SO4-2(aq)
Fator de van´t Hoff:
i = 1 + [(3+2) -1].α
i = 1 + 4.α
πiônica = {
20
400 x 0,60
} x R x T x (1 + 4α)
πiônica = {
1
12
} x R x T x (1 + 4α)
Como as pressões osmóticas são iguais (solução isotônica): πmolecular =
R x T
3
= {
1
12
} x R x T x (1 + 4α) = πiônica
1
3
= {
1
12
} x (1 + 4α)
α = 0,75 (75%)
Questão 60 – 10 gramas de uma substância de massa molecular igual a 266 foram dissolvidos em 500 gramas de tetracloreto de carbono. Qual é a
temperatura de ebulição da solução, sob pressão normal? Dados relacionados ao tetracloreto de carbono: Temperatura de ebulição = 77°C e Calor latente
de ebulição = 46 cal.g-1.
Resolução: Dados do problema: Solvente = tetracloreto de carbono (CCl4); Soluto = substância de massa igual a 10 gramas e massa molecular igual a
266.
Fator de Van’t Hoff (i) = 1 (solução molecular)
Cálculo da constante ebulioscópica (Keb): 𝐾𝑒𝑏 =
𝑅 𝑥 𝑇𝑒𝑏
2
1000 𝑥 𝐿𝑣
, onde:
Keb = constante ebulioscópica molal;
R = constante dos gases;
Te = temperatura absoluta de ebulição do solvente puro;
Lv = calor latente de vaporização do solvente puro.
𝐾𝑒𝑏 =
𝑅 𝑥 𝑇𝑒𝑏
2
1000 𝑥 𝐿𝑣
𝐾𝑒𝑏 =
2 𝑥 (77 + 273)²
1000 𝑥 46
𝐾𝑒𝑏 = 5,33°𝐶. 𝑘𝑔. 𝑚𝑜𝑙
−1
Cálculo da variação da temperatura ebulioscópica: ∆Teb = Keb x W x i
∆Teb = 5,33 x [
(
10,0
266
)
0,500
] x 1 = 0,400°C
Cálculo da temperatura de ebulição da solução: ∆Teb = 0,40°C
T − 77°C = 0,40°C
T = 0,40°C + 77℃ = 77,40°C