Destilação Simples

Destilação de uma mistura miscível

Alguns líquidos evaporam totalmente com o tempo se deixados em um recipiente aberto em temperatura ambiente. No entanto, esse processo de evaporação pode ser significativamente acelerado se o líquido for aquecido. À medida que o líquido é aquecido, as moléculas dentro dele ganham energia para escapar da fase líquida e fazer a transição para a fase gasosa na forma de bolhas. Esse fenômeno é chamado de ebulição.

Pressão de vapor

Considere um recipiente fechado de líquido. Inicialmente, parte desse líquido evapora, mas apenas até que a taxa de vaporização seja igual à taxa de condensação. Depois que esse ponto é alcançado, não há mais mudanças no sistema e o líquido e o vapor estão em equilíbrio. Uma vez estabelecido, a pressão exercida pelo vapor acima do líquido é chamada de pressão de vapor. A tendência de um líquido vaporizar é chamada de volatilidade. Um líquido mais volátil tem uma pressão de vapor mais alta, enquanto um líquido menos volátil tem uma pressão de vapor mais baixa.

Quando um recipiente aberto de líquido é aquecido, mais líquido evapora. Se calor suficiente for adicionado, bolhas de vapor se formam no líquido e o líquido ferve. A temperatura na qual a pressão de vapor do líquido é igual à pressão atmosférica é conhecida como ponto de ebulição.

Para uma substância pura, a pressão de vapor é simples de determinar. Que tal uma mistura de diferentes líquidos? Se os líquidos puros formarem uma solução homogênea miscível, cada um contribuirá para a pressão total do vapor como pressões parciais. A pressão total do gás de uma mistura de gases é igual à soma das pressões individuais que cada gás exerceria isoladamente. Esta regra é conhecida como lei de Dalton. Portanto, para determinar a pressão de vapor total da mistura, você deve conhecer as pressões de vapor das substâncias puras e a contribuição molar de cada líquido para a mistura total, um valor conhecido como fração molar. Essa relação é conhecida como lei de Raoult:

p_A = p_A* x_A

onde p_A é a pressão de vapor de um componente líquido em uma mistura, p_A^* é a pressão de vapor do líquido puro isoladamente, que pode ser referenciada na literatura, e x_A é a fração molar do componente líquido na mistura líquida. As frações molares são calculadas dividindo o número de moles do componente líquido pelo número total de moles de cada componente na mistura líquida.

A lei de Dalton das pressões parciais pode ser aplicada uma vez que você conheça a pressão de vapor de cada componente individual.

P = p_A + p_B

A pressão total (P) é a soma da pressão de vapor de ambos os líquidos acima da mistura, onde p_A e p_B são as pressões de vapor dos líquidos A e B, respectivamente, acima da mistura.

ponto de ebulição

A temperatura na qual uma substância orgânica pura é alterada da fase líquida para a fase gasosa é conhecida como ponto de ebulição. Em uma mistura de líquidos miscíveis, a solução ferve quando a pressão total de vapor da solução é igual à pressão atmosférica. Assim, o ponto de ebulição de uma mistura ocorre a uma temperatura entre os pontos de ebulição dos dois líquidos puros.

À medida que a mistura é aquecida até o ponto de ebulição, algumas das moléculas escapam da fase líquida e entram na fase gasosa. A temperatura na qual as primeiras bolhas começam a se formar em uma solução miscível que está sendo aquecida é a temperatura do ponto de bolha. No caso de um líquido puro, o ponto de bolha é o mesmo que o ponto de ebulição.

A fase gasosa é rica em moléculas do componente mais volátil, ou o componente com maior pressão de vapor e menor ponto de ebulição. O número de moléculas que evaporam aumenta à medida que mais calor é aplicado. Assim, a fase líquida é rica em moléculas do componente menos volátil, ou o componente com menor pressão de vapor e maior ponto de ebulição. A temperatura na qual as primeiras gotas de líquido começam a se formar durante a destilação é conhecida como temperatura do ponto de orvalho.

Diagrama de Equilíbrio Vapor-Líquido

Um diagrama de equilíbrio vapor-líquido é um gráfico da temperatura de equilíbrio da fração molar dos componentes de uma mistura binária, com uma curva desenhada para a fase líquida e a fase de vapor. O eixo x representa a fração molar de cada um dos dois componentes da mistura e o eixo y é a temperatura. Esses gráficos estão disponíveis na literatura para misturas comuns e podem ser usados para identificar as temperaturas do ponto de ebulição de uma mistura, dada a fração molar de cada componente. Eles também são usados para determinar a composição de cada fase em um experimento de destilação.

destilação

A destilação é uma técnica de separação que aproveita as propriedades do ponto de ebulição das misturas. Para efectuar a destilação, aquece-se uma mistura miscível de dois líquidos com uma diferença significativa nos pontos de ebulição — pelo menos 20 °C — À medida que a solução aquece e atinge o ponto de bolha do componente mais volátil, algumas moléculas do componente mais volátil fazem a transição para a fase gasosa e viajam para cima no condensador. O condensador é um tubo de vidro com seções internas e externas separadas. O vapor viaja para a seção interna do condensador, onde é condensado em líquido pela água fria que flui na seção externa do condensador. Esse vapor condensado é chamado de destilado e é coletado em um cilindro graduado ou tubo de ensaio.

À medida que a destilação progride, a temperatura necessária para ferver a solução aumenta à medida que o componente mais volátil ferve mais cedo. Assim, a composição do destilado muda com o tempo. No início da destilação, o destilado é rico com o componente mais volátil; No meio da destilação, o destilado contém uma mistura dos dois componentes; e no final da destilação, o destilado é rico com o componente menos volátil.

O diagrama de equilíbrio vapor-líquido mostra a mudança na composição do líquido no frasco e do destilado ao longo da destilação. Existem duas curvas no gráfico; A curva inferior descreve o ponto de ebulição do líquido no frasco no que se refere à sua composição, enquanto a curva superior descreve a temperatura do vapor no que se refere à sua composição. Por extensão, a curva superior descreve a composição do destilado.

Um diagrama de equilíbrio vapor-líquido publicado na literatura pode ser usado para identificar a composição do líquido e do vapor a uma determinada temperatura durante o experimento. Isso pode ajudar a determinar quando terminar a destilação para separar os dois componentes.

Referências

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Química e Reatividade Química. Belmont, CA: Brooks / Cole, Cengage Learning.
2. Silderberg, M.S. (2009). Química: A Natureza Molecular da Matéria e da Mudança. Boston, MA: Colina McGraw.
3. Felder, R.M., Rousseau, R.W. (2000). Princípios Elementares de Processos Químicos. Nova York, NY: Wiley and Sons, Inc.