pressÃo de vapor (lei de raoult)

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PRESSÃO DE VAPOR (LEI DE RAOULT) Comportamento físico das soluções: Propriedades coligativas O comportamento das soluções é qualitativamente similar aos do solvente puro mas são quantitativamente diferentes. A água pura entra em ebulição a 100,0 o C e congela a 0,0 o C, por exemplo, mas uma solução 1 molal (m) do NaCl em água entra em ebulição a 101,0 o C e congela a -3,7 o C. A elevação do ponto de ebulição e o abaixamento do ponto de congelamento que são observados quando comparamos um solvente puro com uma solução são exemplos de propriedades coligativas, propriedades que dependem da quantidade dissolvida do soluto e não de sua identidade química. (A palavra “colligative” significa “bound together in a collection). Outras propriedades coligativas são a diminuição (o abaixamento) da pressão de vapor de uma solução comparada com o solvente puro e a osmose que é a migração do solvente e outras moléculas pequenas através de membranas semipermeáveis. Abaixamento da pressão de vapor das soluções: Lei de Raoult Observamos no capítulo anterior que um líquido em um container fechado está em equilíbrio com seu vapor e que a quantidade de pressão exercida pelo vapor é chamada de pressão de vapor. Quando você comparar a pressão de vapor de um solvente puro com o de uma solução em que o solvente participa, a mesma temperatura verificou-se que os dois valores de pressão são deferentes. Se o soluto é não volátil e não tem apreciável pressão de vapor dele próprio, como ocorre quando um sólido é dissolvido, então a pressão de vapor da solução é sempre menor do que a do solvente puro. Se o soluto é volátil e tem uma significativa pressão de vapor, como ocorre em uma mistura de dois líquidos, a pressão de vapor da mistura é intermediária entre as pressões de vapor das duas substâncias puras. Soluções com um soluto não volátil É mais fácil de demonstrar usando manômetros que uma solução com um soluto não volátil tem uma pressão de vapor mais baixa do que a do solvente puro (figura 11.8).

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Page 1: PRESSÃO DE VAPOR (LEI DE RAOULT)

PRESSÃO DE VAPOR (LEI DE RAOULT)

Comportamento físico das soluções: Propriedades coligativas

O comportamento das soluções é qualitativamente similar aos do solvente puro mas são

quantitativamente diferentes. A água pura entra em ebulição a 100,0 oC e congela a 0,0

oC, por exemplo, mas uma solução 1 molal (m) do NaCl em água entra em ebulição a

101,0 oC e congela a -3,7

oC.

A elevação do ponto de ebulição e o abaixamento do ponto de congelamento que são

observados quando comparamos um solvente puro com uma solução são exemplos de

propriedades coligativas, propriedades que dependem da quantidade dissolvida do

soluto e não de sua identidade química. (A palavra “colligative” significa “bound

together in a collection). Outras propriedades coligativas são a diminuição (o

abaixamento) da pressão de vapor de uma solução comparada com o solvente puro e a

osmose que é a migração do solvente e outras moléculas pequenas através de

membranas semipermeáveis.

Abaixamento da pressão de vapor das soluções: Lei de Raoult

Observamos no capítulo anterior que um líquido em um container fechado está em

equilíbrio com seu vapor e que a quantidade de pressão exercida pelo vapor é chamada

de pressão de vapor. Quando você comparar a pressão de vapor de um solvente puro

com o de uma solução em que o solvente participa, a mesma temperatura verificou-se

que os dois valores de pressão são deferentes. Se o soluto é não volátil e não tem

apreciável pressão de vapor dele próprio, como ocorre quando um sólido é dissolvido,

então a pressão de vapor da solução é sempre menor do que a do solvente puro. Se o

soluto é volátil e tem uma significativa pressão de vapor, como ocorre em uma mistura

de dois líquidos, a pressão de vapor da mistura é intermediária entre as pressões de

vapor das duas substâncias puras.

Soluções com um soluto não volátil

É mais fácil de demonstrar usando manômetros que uma solução com um soluto não

volátil tem uma pressão de vapor mais baixa do que a do solvente puro (figura 11.8).

Page 2: PRESSÃO DE VAPOR (LEI DE RAOULT)

Alternativamente, você pode mostrar o mesmo efeito pela comparação da velocidade de

evaporação do solvente puro com a velocidade de evaporação de uma solução. Uma

solução sempre evapora mais lentamente do que a do solvente puro por que sua pressão

de vapor é menor e suas moléculas escapam menos rapidamente.

Figura 11.8 A pressão de vapor em equilíbrio de uma solução com (a) um soluto não

volátil é sempre mais baixa do que a pressão de vapor (b) do solvente puro por uma

quantidade que depende da fração molar do solvente.

De acordo com a lei de Raoult , a pressão de vapor de uma solução que contém um

soluto não volátil é igual a pressão de vapor do solvente purp vezes a fração molar do

solvente. Isto é,

Lei de Raoult: Psol = Psolv x Xsolv

Onde Psol é a pressão de vapor da solução, Psolv é a pressão de vapor do solvente a

mesma temperatura, e Xsolv é a fração molar do solvente na solução.

Observe uma solução de 1,00 mol de glicose em 15,0 mol de água a 25oC. A pressão de

vapor do solvente puro a 25oC é 23,76 mm Hg, e a fração molar da água na solução é

15,0 mol/ (1,00 mol + 15,0 mol) = 0,938.

Assim a lei de Raoult prediz a pressão de vapor para uma solução de 23,76 mm Hg x

0,938 = 22,3 mm Hg, que corresponde a um abaixamento de pressão de vapor, ΔPsol, de

1,5 mm Hg:

Psol = Psolv x Xsolv = 23,76 mm Hg x (15,0 mol/(1,00 mol +15,0 mol)) = 22,3 mm Hg

ΔPsol = Psolv – Psol = 23,76 mm Hg – 22,3 mm Hg = 1,5 mm Hg

Page 3: PRESSÃO DE VAPOR (LEI DE RAOULT)

Alternativamente, a quantidade do abaixamento da pressão de vapor pode ser calculada

multiplicando a fração molar do soluto pela pressão de vapor do solvente puro. Isto é,

ΔPsol = Psolv x Xsoluto = 23,76 mm Hg x (1,00 mol/ (1,00 mol + 15,0 mol)) = 1,5 mm Hg

Se uma substância iônica tal como o NaCl é o soluto, nós temos que calcular a fração

molar baseada no número total de partículas (íons) do soluto e não no número de

unidades do NaCl (dependendo da dissociação total ou parcial do soluto iônico). Uma

solução de 1 mol de NaCl em 15,0 mol de água a 25oC, conte, 2,00 mol de partículas

dissolvidas, resultando em uma fração molar para água de 0,882:

Xágua = 15,0 mol de H2O/ (1,00 mol de Na+ + 1,00 mol de Cl

- + 15,0 mol de H2O) =

0,882

Como a fração molar da água é menor na solução de 1,00 mol de NaCl do que a fração

molar da água em uma solução de 1,00 mol de glicose, a pressão de vapor da solução de

NaCl é menor do que o da solução de glicose: 21,0 mm Hg para o NaCl versus 22,3 mm

Hg para glicose a 25oC.

Psol = Psolv x Xsolv = 23,76 mm Hg x 0,882 = 21,0 mm Hg

Como explicar o abaixamento da pressão quando um soluto não volátil é dissolvido em

um solvente? Anteriormente nos notamos que um processo físico tal como a

vaporização de um líquido para um gás é acompanhado pela equação de Gibbs –

Helmholtz da variação da energia livre (ΔGvap = ΔHvap – T ΔSvap). Quanto mais

negativo o valor de ΔGvap mais fácil é a vaporização. Assim, se nós queremos comparar

a facilidade de evaporação de um solvente puro com a do solvente em uma solução, nós

temos que comparar os sinais e suas magnitudes relativas dos termos ΔHvap e ΔSvap

nos dois casos.

A vaporização de um líquido para um gás é desfavorecida pela entalpia (ΔHvap positiva)

por que a energia é requerida para sobrepor as atrações intermoleculares entre

moléculas líquidas. Ao mesmo tempo, a vaporização é favorecida pele entropia (ΔSvap

positiva) porque a desordem molecular aumenta quando moléculas vão de um estado

líquido semi-ordenado para um estado gasoso desordenado.

O calor de vaporização para um solvente puro e para uma solução é similar porque

forças intermoleculares similares devem ser sobrepostas em ambos os casos para que as

moléculas do solvente escapem do líquido. Assim, a diferença de vaporização não é

devido a diferença do ΔHap. Já a entropia de vaporização do solvente puro e da solução

não é similar. Por causa de a solução ter usualmente maior número de moléculas em

desordem e, portanto maior entropia do que o solvente puro, a variação de entropia que

vai do líquido para o vapor é menor para a solução do que para o solvente puro.

Subtraindo um menor TΔSvap do ΔHvap resulta em um maior (mais positivo) ΔGvap para

a solução. Como um resultado, a vaporização é mais difícil para a solução, e a pressão

de vapor da solução no equilíbrio é menor (Figura 11.9).

Page 4: PRESSÃO DE VAPOR (LEI DE RAOULT)

Figura 11.9 A pressão de vapor menor de uma solução relativa a pressão de vapor do

solvente puro é devido a diferença em suas entropias de vaporização, ΔSvap . Como a

entropia da solução é menor do que a do solvente puro resulta que a vaporização da

solução é menos favorecida (ΔGvap menos negativo, isto é mais positivo) fazendo com

que a pressão de vapor da solução seja menor.

Page 5: PRESSÃO DE VAPOR (LEI DE RAOULT)
Page 6: PRESSÃO DE VAPOR (LEI DE RAOULT)

Soluções com um soluto volátil

Usando a lei de Dalton, podemos dizer que a pressão de vapor total (Ptotal) de uma

mistura de dois líquidos voláteis (A e B) e a soma da contribuição individual da pressão

de vapor de cada um dos dois líquidos componentes (PA e PB):

Ptotal = PA + PB

As pressões individuais (parciais) PA e PB são calculadas pela lei de Raoult. Isto é a

pressão de vapor de A é igual a fração molar de A (XA) vezes a pressão de vapor do A

puro (Po

A), e a pressão de vapor de B é igual a fração molar de B (XB) vezes a pressão

de vapor do B puro (PoB). Assim, a pressão de vapor total da solução é

Ptotal = PA + PB = (Po

A XA) + (PoB XB)

Vamos agora observar uma mistura de dois líquidos orgânicos similares, o benzeno

(C6H6 , ponto de ebulição = 80,1 oC) e o tolueno (C7 H8, ponto de ebulição = 110,6

oC).

O benzeno puro tem uma pressão de vapor (Po) de 96,0 mm Hg a 25

oC e o tolueno puro

tem uma pressão de vapor(Po) de 30,3 mm Hg a mesma temperatura. Uma mistura

molar de 1:1 entre os dois possui uma fração molar(X) para cada igual de 0,500; a

pressão de vapor da solução é então de 63,2 mm Hg:

Ptotal = (Pobenzeno Xbenzeno) + (P

oBtolueno XBtolueno)

Ptotal = (96,0 mm Hg x 0,500) + (30,3 mm Hg x 0,500)

Ptotal = (48,0 mm Hg ) + (15,2 mm Hg) = 63,2 mm Hg

Não é surpresa que a pressão de vapor da mistura tenha um valor intermediário entre as

pressões de vapor dos dois líquidos puros (Figura 11.10). Em adição, você pode notar

Page 7: PRESSÃO DE VAPOR (LEI DE RAOULT)

que a pressão de vapor do componente de mais baixo ponto de ebulição é maior do que

a do componente de mais alto ponto de ebulição.

Figura 11.10 A pressão de vapor de uma solução com os dois líquidos voláteis (benzeno

e tolueno) a 25oC é a soma da pressão de vapor dos dois componentes, usando a lei de

Raoult.

O benzeno e o tolueno são considerados soluções ideais e para soluções reais certos

desvios positivos ou negativos devem ser considerados levando em consideração as

forças intermoleculares das espécies presentes na solução.

Exercício 11.9 O estireno, C8H8, é usado na fabricação de plásticos de poliestireno e

pode ser obtido a partir do etilbenzeno, C8H10.

Etilbenzeno Estireno

Page 8: PRESSÃO DE VAPOR (LEI DE RAOULT)

Uma determinada mistura líquida contém 38,0 g de estireno e 62,0 g de etilbenzeno, a

90°C. O estireno e o etilbenzeno são líquidos voláteis e não reagem entre si.

a) Calcule as frações molares de estireno e de etilbenzeno na mistura líquida, a 90°C.

b) Calcule as frações molares de estireno e etilbenzeno no vapor em equilíbrio com a

mistura líquida a, 90°C.

c) Uma amostra do vapor em equilíbrio com o líquido é coletada e condensada (tornada

líquida). O líquido resultante da condensação entra novamente em equilíbrio com o

vapor, a 90°C. Calcule a pressão de vapor dessa nova mistura.

d) Calcule a percentagem em massa de estireno no vapor nas condições do item “c”.

Dados: Pressão de vapor do estireno puro a 90oC = 134 mmHg;

Pressão de vapor do etilbenzeno puro a 90oC = 182 mmHg.

Solução:

a) Inicialmente calcular o numero de mol do estireno e etilbenzeno, usando as suas

massas molares: MM estireno = 104; MM etilbenzeno = 106.

mol 0,365g/mol 104

g 38

molar massa

massanest

mol 0,585g/mol 106

g 62

molar massa

massanetil

0,620,5850,365

0,585 0,38

0,5850,365

0,365etilest

b) Utilize as frações molares calculadas no item (a), assim como as pressões de vapor

dos líquidos voláteis puros, na equação da “lei de Raoult”.

mmHg 112,8182 x 0,62.PP

mmHg 50,9134 x 0,38.PP

etiletiletil

estestest

A pressão total é a soma das pressões parciais (Dalton)

Ptotal = Pest + Petil = 50,9 + 112,8 = 163,7 mmHg

As frações molares do est e etil no valor podem ser calculadas da seguinte maneira:

Page 9: PRESSÃO DE VAPOR (LEI DE RAOULT)

0,69 163,7

112,8

P

P Y ; 0,31

163,7

50,9

P

PY

total

etiletil

total

estest

c) Devemos agora usar as frações molares no vapor do item (b) como as novas frações

molares dos líquidos e calcular a pressão de vapor de cada componente.

0,69 ; 0,31 etilest

mmHg 167,1 125,6 41,5 P P P

mmHg 125,6182 x 0,69.PP

mmHg 41,5134 x 0,31.PP

etil estotalt

etiletiletil

estestest

d) Inicialmente devemos calcular as frações molares do est e etil no vapor, usando os

dados obtidos no item (c)

0,75 167,1

125,6

P

P Y ; 0,25

167,1

41,5

P

PY

total

etiletil'

total

estest'

Assim o vapor contem 0,25 mol de est para cada 0,75 mol de etil; ou

etil de g 8etil 1mol

etil g 106 xetil mol 0,75m

est de g 26est 1mol

est g 104 xest mol 0,25m

etil

est

0

Com estes valores podemos calcular a percentagem em massa de estireno no vapor.

est 25%100%x total massa de g 80)(26

est 26gest massa %

Exercícios

Metanol, CH4O, e etanol, C2H6O, são dois alcoóis voláteis a 25 °C. Ambos podem ser

usados como solvente ou combustível e muitas vezes a mistura dos dois é empregada

em processos de extração.

Dados a 25 °C: Metanol: P°metanol = 122,7 mmHg

d = 0,7918 g mL-1

Etanol: P°etanol

= 58,90 mmHg

d = 0,7894 g mL-1

Page 10: PRESSÃO DE VAPOR (LEI DE RAOULT)

a) Desenhe na figura abaixo, o perfil esperado para o comportamento da pressão de

vapor do etanol (Petanol) em função da sua fração molar em uma mistura metanol:etanol.

b) Calcule a pressão de vapor, a 25°C, de uma mistura contendo, em volume, 10% de

metanol e 90% de etanol.

c) Calcule a pressão de vapor de outra mistura de metanol e etanol quando são

adicionados 100,0 g de sacarose, C12H22O11, sabendo que fração molar do metanol é

0,2000 e a quantidade total de substâncias (nmetanol + netanol + nsacarose), em mol, é igual a

1. Considere que a sacarose é um soluto não volátil e que se solubiliza completamente

na mistura.

Resolução:

a)

P = x P° equação de uma reta que passa pela origem

Page 11: PRESSÃO DE VAPOR (LEI DE RAOULT)

90,8655x58, ,70,1345x122P

7,84 1 15,44 2,399n nn

46 33 MM

15,44n 0,90%710,46g 2,399n 0,10%79,1g

1L g 789,4 1L g 791,8

1mL 0,7894g d etanol 1mL 0,7918g d metanol

0,865517,84

15,44

n n

n x 90%etanol

0,134517,84

2,399

n n

n x metanol 10%

P x P xP Pv? b)

50,97

16,50

etanolmetanolt

etanolmetanol

metanol etanol

metanol etanol

metanol etanol

metanol metanol

metanolmetanol etanol etanol

m m Hg 67,48

__

__

0,500,290,21x

1

0,29x0,21xxxx

1n

0,2x

342 MM

mol 0,29 sacarose g 100

Pv 0,20x122,70,50.58,9P x P xPv c)

etanol

etanolsacaroseetanolmetanol

t

metanol

24,5429,45

metanolmetanol etanol etanol

m m Hg 53,99

O tetracloreto de carbono, CCl4, é um solvente que pode dissolver cera de vela, C22H46.

a) Qual será a pressão de vapor de uma solução preparada pela dissolução de 10 g de

cera, que é uma substância não volátil, em 40 g de CCl4, a 23oC? Mostre com cálculos.

b) Explique o que ocorre com a pressão de vapor de uma solução quando:

i) a quantidade de soluto é dobrada.

ii) a temperatura é aumentada.

Dados:

Pressão de vapor de CCl4 = 100 torr a 23oC.

Page 12: PRESSÃO DE VAPOR (LEI DE RAOULT)

Resolução:

a)

1-

HC

-1

CClCClCCl

mol g 310 MM

mol g 154 = MMP x= P

4622

44

4

cera

CClnn

nx

4CCl

4CCl

4

mol 0,0310/310n

mol 0,2640/154n

4622

4

HC

CCl

0,890,030,26

0,26x

0,260,030,26n

4CCl

t

P = 0,89 x 100 torr = 89 torr

b)i - O dobro do soluto (ncera) diminuirá a fração molar do solvente )(x4CCl logo, como a

Pv é diretamente proporcional a x, Pv diminuirá.

ii – Quando a T aumenta, aumenta também o movimento das moléculas, diminui o

número de interações entre as espécies e mais facilmente estas passam para a fase vapor

(escapam do líquido) Pv aumenta.

a) Uma mistura contendo os gases N2, O2 e He num recipiente de 20,0 L contém 2 mol

do gás N2, gás He numa fração molar igual a 0,1 e pressão total de 10,0 atm a 20 °C.

Calcule a pressão parcial de cada um dos gases na mistura.

b) Calcule a pressão de vapor de 500,0 mL de solução aquosa contendo 60,0 g de NaCl

e 0,2 mol de KBr a 20 °C.

Dados:

1

solução

OH

mL g 1,05d

C) (20 mmHg 17,6 P 2

Considere o NaCl e o KBr como solutos não voláteis.

Page 13: PRESSÃO DE VAPOR (LEI DE RAOULT)

Resolução:

N2 + O2 + He 20L/10 atm/20°C

Mol 2 + 273

=293 k

x 0,1

a) Pparcial = Pi = xi . P

PV = nt RT nt = 8,32mol0,082.293

10.20

RT

PV

nt = n N2 + n O2 + n He = 8,32 n O2 = 8,32 – 2 – 0,83 = 5,49

mol 0,838,32 x 0,1He n8,32

He n0,1

n

He nHex

0,66 8,32

5,49

8,32

O n

n

O nOx

0,248,32

2

n

N nNx

t

2

t

22

t

22

PHe = xHe P = 0,1 . 10 PHe = 1,0 atm

PN2 = xN2 P = 0,24 . 10 PN2 = 2,4 atm

PO2 = xO2 P = 0,66. 10 PO2 = 6,6 atm

b) PV

V = 500 mL

60 g NaCl + 0,2 mol kBr /20°C

P = x . Ppuro = ?

1 mol kBr 39 + 80 = 119 g

0,2 23,8 g

60 g NaCl 1,03 mol

58,50 g 1

d = 1,05 g/mL

1,05 gsolução 1 mLsolução

525 g 500 mL

Page 14: PRESSÃO DE VAPOR (LEI DE RAOULT)

525 g solução

- 23,8 g kBr

- 60 g NaCl

24,51 441,4 g água

1 mol 18

mmHg 16,7617,6 . 0,95P0,9525,74

24,51x

25,74 0,2 1,03 24,51

NaBr nNaCl nOH n

OH . nx

OH

2

2OH

2

2

Um estudante em férias estava em uma barraca, no deserto, com problemas para dormir:

a umidade relativa do ar era muito baixa (portanto pode ser desprezada nos cálculos

dessa questão). Lembrando das aulas sobre líquidos, teve uma idéia: colocar toda a água

que possuía 1,00 litro, em uma bacia, dentro da barraca (que era completamente

vedada). Sabendo que o volume do interior da barraca era de 12.650 litros, que a

temperatura era de 35o C e que a pressão de vapor da água nesta temperatura é de 42,18

mmHg, responda:

a) Qual a quantidade, em mol, de H2O estará no estado gasoso?

b) Qual o volume de H2O líquida que sobrará na bacia?

c) A adição de 900,0 g de sal, NaCl, no volume de água inicial, ajudaria o estudante

aumentar a umidade relativa do ar no interior da barraca? Por quê? (Explique sua

resposta e mostre com cálculos).

Dado: dagua=1,00 g/ml

Resolução:

a) 1 atm 760 mmHg

P 42,18 mmHg P = 0,0555 atm

PV = nRT

0,0555 atm. (12.650 L - 1 L 12.650 L ) = nH2O(g) .0,082 L atm/K mol .(35 + 273)

nH2O(g) = 27,8 mol

b) 1 mol H2O – 18 g nH2O total – nH2O(g) = nH2O( )

Page 15: PRESSÃO DE VAPOR (LEI DE RAOULT)

nH2O total 1000 g (1L) 55,56 – 27,8 = 27,76 mol

nH2O total = 55,56 mol

d = 1 g/ mL

1 g 1 mL 1 mol H2O – 18 g x = 499,68 g

500 g 500 mL 27,76 mol x 500 g

Resp. 500 mL

c) Não. Porque segundo a Lei de Raoult , a adição de um soluto não volátil abaixa a

pressão de vapor do líquido.

0,78mol 15,38mol 55,56

mol 55,56xsolv.

Lei de Raoult: P = x . P°

P = 0,78 . 42,18 mm Hg = 33,04 mm Hg