11-aula diagramas de fase - udesc - cct · estanho branco ou beta, condutor metálico, ......

Diagramas de Fase1

Objetivos:

• Interpretar diagramas de fases de substâncias puras• Deslocamento da fronteira entre as fases• Interpretar diagramas de fases de compostos

• Diagramas de misturas líquidas• Diagramas de misturas líquidas• Diagramas de pressão de vapor• Diagramas de temperatura – composição

• Graus de liberdade• A regra das fases• A regra da alavanca• Destilação de líquidos azeótropos• Sistemas ternários

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Equação de Clayperon

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Diagramas de fase da água

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Diagramas de fase do CO2

Sólido, líquido e vapor

5 Exercício

Use o diagrama de fase do CO2 para descrever as mudanças de fase quando variam as seguintes condições:A) de 50K para 350K a uma pressão de 1,00 barB) de 50K para 350K, a uma pressão de 10 barC) de 1 bar para 100 bar, a uma temperatura de 220 K

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Diagramas de fase do S8

Sólido-sólido, líquido e vapor

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8Diagramas de fase do CarbonoSólido-sólido, líquido e vapor

TRANSFORMAÇÃO ALOTRÓPICA DO ESTANHOVídeo interessantíssimo deste site também muito legalhttp://www.periodictable.ru/index_en.html(em russo com versão em inglês)...

Ele foi filmado por 30 horas e depois acelerado para que coubesse em 15 segundos (1 s = 2 h de tempo real).Vemos um disco de estanho (Sn) metálico (d = 7,29 g/cm3), também chamado estanho branco ou beta, condutor metálico, que é estável à temperatura ambiente. Abaixo de 13,2 oC, a forma mais estável do elemento é o chamado estanho cinzento (ou alfa), semicondutor, menos denso que o alótropo beta (d = 5,77 g/cm3). A conversão de Sn beta em alfa é muito lenta a 0 oC mas é acelerada a temperaturas

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conversão de Sn beta em alfa é muito lenta a 0 oC mas é acelerada a temperaturas mais baixas. No experimento, o bloco de Sn beta é colocado a -38 oC. A partir de núcleos iniciais, a transformação começa... como o Sn alfa é menos denso e a massa do elemento se conserva, vemos o aumento do volume do metal e a perda de brilho inicialmente visto.

www.facebook.com/QualitativaInorgUfrj/videos/1165435216818882/

10Diagramas de fase Sólido LíquidoFerro-Carbono

Diagramas de Fase11

Objetivos:

• Interpretar diagramas de fases de substâncias puras• Deslocamento da fronteira entre as fases• Interpretar diagramas de fases de compostos

• Diagramas de misturas líquidas• Diagramas de misturas líquidas• Diagramas de pressão de vapor• Diagramas de temperatura – composição

• Graus de liberdade• A regra das fases• A regra da alavanca• Destilação de líquidos azeótropos• Sistemas ternários

Deslocamento da fronteira entre as fases12

Equação de Clapeyron

Equação de Clausius-Clapeyron

Exercício:Exercício:Calcule a pressão necessária para fundir água a -10oC, sabendo que o volume molar da água líquida é 18,01 mL e que o volume molar do gelo é 19,64 mL. ∆S molar para o processo é +22,04 J/K. Admita que estes valores permanecem relativamente constantes com a temperatura. Você precisará do seguinte fator de conversão: 1L.bar = 100 J

Interpretar diagramas de fases de compostosDiagramas de misturas líquidas

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Variando Pressão, T = cte Variando Temperatura, P=cte

líquidolíquido

vapor

L+v

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Fazer no quadro

15Destilação Fracionada

Utilizada quando a diferença nas temperaturas de ebulição de dois líquidos miscíveis é reduzida.

O vapor (contendo A e B) é recolhido e condensado. Este condensado é aquecido condensado é aquecido novamente e o vapor gerado (mais rico no componente com menor temperatura de ebulição) será condensado novamente.

Este ciclo se repete inúmeras vezes, até separar o componente mais volátil quase puro.

Interpretar diagramas de fases de compostosDiagramas de misturas líquidas

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Destilação simples – separação de misturas voláteis

Vapor contendo A e B, mas rico em A

Mistura de A e BSendo que PoA > PoB

Vapor liquefeito contendo A e B, mas rico em A

Interpretar diagramas de fases de compostosDiagramas de misturas líquidas

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Destilação fracionada – separação de misturas voláteis

Para obter a mistura separada é necessário repetir várias vezes o

processo de destilação

ouDestilação em coluna de fracionamento.

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Uma coluna defracionamento é projetadapara realizar uma série decondensações de vapor evaporização contínua de

Colunas de Fracionamento

vaporização contínua decondensado, ou seja, umadestilação fracionada écomposta por várias micro-destilações simplessucessivas.

19Ao iniciar o aquecimento da mistura contida no balão dedestilação, dois líquidos entram em ebulição e começam asubir a coluna de fracionamento.

O líquido que tem maior pressão de vapor se volatiliza primeiroe ganha a coluna de fracionamento. À medida que o vaporde líquido mais volátil sobe pela coluna ocorre perda deenergia e consequentemente as moléculas se condensam,

Colunas de Fracionamento

energia e consequentemente as moléculas se condensam,ocasionando o retorno do líquido, que se choca com asmoléculas que estão subindo a coluna, enriquecendo o vaporcom o componente mais volátil.

Apenas uma parte do líquido mais volátil no estado gasosoconsegue sair da coluna.

Quanto maior a superfície de contato da coluna, maior suacapacidade em separar os componentes.

20Aplicação Industrial

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22Azeótropos - Misturas azeotrópicas

Na composição azeotrópica:

composição do vapor = composição líquido.

Portanto a destilação não contribui mais para a separação dos dois líquidos.

23Azeótropos - Misturas azeotrópicas

Exemplo de misturas azeotrópicas de máximo:

-HCl e H2O (20/80 % m/m) a 108,6 oC.

- CHCl3 e acetona (80/20) a 64,7oC.

24Azeótropos - Misturas azeotrópicas

Na composição azeotrópica:

composição do vapor = composição líquido.

Portanto a destilação não contribui mais para a separação dos dois líquidos.

Exemplo: Etanol/água 96/4

25Líquidos parcialmente miscíveis

Líquidos parcialmente solúveis não se solubilizam mutuamente em todas as proporções, em todas as temperaturas.

Separação entre fases:

Em a existem 2 fases de composição a’ e a”, líquido

líquidos

Em a existem 2 fases de composição a’ e a”, rica em hexano e rica em nitrobenzeno, respectivamente

Fase rica em hexano Fase rica em

nitrobenzeno

Acima de Tcs (temperatura crítica de solução) os componentes são completamente miscíveis

líquido

26Líquidos parcialmente miscíveis

Exercício:

Prepara-se, a 290 K, uma mistura de 50g de hexano (0,59 mol) e 50g de nitrobenzeno(0,41 mol). Quais as composições das fases e em que proporções ocorrem? A que temperatura a amostra deve ser aquecida para que se tenha uma só fase no sistema? Qual é a proporção entre no número de mols das duas fases?

27Líquidos parcialmente miscíveis

28Destilação de Líquidos parcialmente miscíveis

Separação entre fases:

L+v

PontoAzeotrópico

Fase rica em B

Fase rica A

miscível

imiscível

lmiscívelmiscível

miscível

29Destilação de Líquidos parcialmente miscíveis

Separação entre fases:

Não há temperatura crítica superior de solução.

Em a1: líquido miscível rico em BEm a2: formação de vapor de composição b1Em b1: vapor formado que,

Fase rica em B

Em b1: vapor formado que, liquefeito, forma b3;Em b3: líquido de duas fases b3´eb3”, ricas em A e B , respectivamente.

30Destilação de Líquidos parcialmente miscíveis

Separação entre fases:

Azeótropo heterogêneo: o vapor tem a mesma composição global do líquido

Na isopleta e:Em e1 líquido com duas fases, que quando aquecido, forma vapor em e2;Em e2: vapor formado tem a mesma composição das fases líquidas em equilíbrio, portanto azeótropoheterogêneo.

Fase rica A

Exatamente nesta temperatura co-existem:Um líquido rico em BUm líquido rico em AUm vapor contendo A e B de composição idêntica à composição global do líquido.

mesma composição global do líquido (duas fases).

31Destilação de Líquidos parcialmente miscíveisExercício:

Considere o diagrama abaixo de um sistema parcialmente miscível. Quais as fases presentes nos pontos a1, a2, b1, c e b3?

Diagrama de fases líquido-sólido32

Na isopleta a:a1: líquido miscível de A+Ba2: ao resfriar a1, surge a fase sólida (B puro) em equilíbrio com o líquido (A+B misturados);a3: a mistura heterogênea a2 foi resfriada e mais B puro sólido foi depositado e a fase líquida (b3) tem a mesma quantidade em mols da fase sólida

fronteira sólido/líquido = fusão

Ponto eutético:Mistura com a menor

tem a mesma quantidade em mols da fase sólida (regra da alavanca).a4: ao resfriar a3, mais sólido B puro foi depositado e a fase líquida será menor que a fase sólida (regra da alavanca). Quando a4 é atingido, forma-se um líquido e que solidifica formando duas fases puras de A e B.

a menor temperatura de fusão

Um líquido eutético congela formando A e B sólidos puros, sem deposição prévia de sólidos.

Um sólido eutético funde formando um líquido fundido de mesma composição do sólido.

Mistura eutéticaPb/Sn 33/67 %, funde a 183oC.

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Diagrama de fases ternárioSistemas que envolvem três componentes são mais facilmente representados em diagramas ternários, sendo que a variância é F = 3-P+2 = 5-P. Se houver uma fase presente, será necessário conhecer 4 variáveis (P, T, composição A e B, por exemplo).Portanto, nos diagramas ternários P e T são mantidos constantes de modo que F = 2, se houve uma fase presente.

Fonte: https://www.youtube.com/watch?v=mIjbkhpwo_Q

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Diagrama de fases ternárioA análise do diagrama ternário é realizado da seguinte forma:

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Diagrama de fases ternárioA análise do diagrama ternário é realizado da seguinte forma:

Fonte: https://www.csun.edu/~jeloranta/CHEM355L/experiment5.pdf

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Diagrama de fases ternário: Tipos de diagrama

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Diagrama de fases ternárioQual a composição da mistura:

50% de CH3COOH40% de água10% de CH3Cl

Qual a composição da mistura:

10% de CH3COOH20% de água70% de CH Cl70% de CH3Cl

A mistura global é homogênea se contiver:

30% de CH3COOH10% de água60% de CH3Cl

A mistura de clorometano e água é miscível em qual faixa de composição?

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Diagrama de fases ternário

Ponto crítico: a composição das duas fases formadas são iguais.

Linha de amarração

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Diagrama de fases ternário: efeito da temperatura

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Diagrama de fases ternário: efeito da do íon comum