Vaporização | Resumo e Exercícios Resolvido
Ponto de ebulição/vaporização
Ok, e pra que a gente usa isso?
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Agora que a gente já sabe um pouco sobre o equilíbrio de duas fases de uma mesma substância (o equilíbrio dinâmico de fases, lembra dele?) vamos se aprofundar mais nesse rolê!
Você lembra que a pressão de vapor de uma substância é a pressão que o vapor exerce quando num sistema líquido – gás quando as duas fases estão em equilíbrio, né?
Então vamos ver mais alguns conceitos importantes ligados à isso. 😊
A volatilidade de uma substância mede a facilidade que ela tem pra evaporar.
Podemos relacionar isso com a pressão de vapor bem facilmente: se um líquido tem uma pressão de vapor alta, isso quer dizer que no equilíbrio as moléculas "preferem" ficar na fase gás, então ele evapora mais fácil – consequentemente, é mais volátil!
Ou seja: m a i o r p r e s s ã o d e v a p o r = m a i o r v o l a t i d i d a d e ã !
Você lembra que a pressão de vapor aumenta com a temperatura, né?
Mas como podemos relacionar essas duas grandezas físicas?
É fácil: existe uma equação (encontrada depois de muiiita termodinâmica) que relaciona a pressão de vapor de um líquido em duas temperaturas diferentes!
ln ⁡ P 2 P 1 = ∆ H v a p 0 R 1 T 1 - 1 T 2
Ela se chama equação de Clausius-Clapeyron e relaciona a pressão de vapor P 1 na temperatura T 1 à pressão de vapor P 2 à temperatura T 2 . O R é a constante universal dos gases e o ∆ H v a p 0 é a entalpia padrão de vaporização de uma substância.
A pressão de vapor é importante também para a vaporização!
A vaporização de um líquido ocorre quando a pressão de vapor se iguala à pressão externa.
É quando o vapor que está em equilíbrio com o líquido consegue atingir a mesma pressão que a pressão externa à ele e, assim, abrir espaço para mais moléculas virarem vapor também!
O ponto de ebulição então é a temperatura em que a pressão de vapor da substância se iguala à pressão externa!
Tá confuso ainda? Calma, vamos pegar uns exemplos:
Que a pressão de vapor aumenta com a temperatura a gente já tá cansado de saber, né?
As moléculas ficam mais agitadas e a transição de fase líquido – vapor é facilitada! Mas olhando esse gráfico a gente pode também descobrir os pontos de ebulição de cada substância...
Começando pela água, considerando que estamos fazendo um experimento no nível do mar (onde a pressão externa é de 1 atm): conforme a temperatura vai subindo, a pressão de vapor da água vai subindo também, isso é, mais moléculas estão na fase vapor no equilíbrio.
Quando chegamos a 100 ° C , a pressão de vapor da água se iguala à pressão atmosférica, e a fase vapor tem pressão suficiente pra se expandir – daí começa a ebulição.
Já as outras substâncias tem pontos de ebulição menores, já que suas interações intermoleculares são mais fracas, logo, suas pressões de vapor são menores.
O etanol, por exemplo, iguala sua pressão de vapor a pressão atmosférica com 78 ° C , o metanol com 63 ° C e o dissulfeto de carbono com 44 ° C .
Além de usar pra resolver exercícios heheh, na vida real (principalmente na cozinha), a gente vê todos esses conceitos muito bem aplicados!
Quando usamos uma panela de pressão para cozinhar o feijão, é como se aumentássemos a pressão externa. Assim, fazemos com que a pressão de vapor para que a água entre em ebulição deva ser maior do que em uma panela normal (onde a pressão externa é a pressão atmosférica).
Ou seja, para que a água entre em ebulição sua pressão de vapor deve aumentar, e isso acontece quando a sua temperatura aumenta. A água que está no feijão, então, não vai mais ferver a 100 ° C , e sim a uma temperatura maior!
E por que isso é bom pra cozinhar o feijão? (momento Masterchef ahahah)
Como a temperatura de ebulição da água não é mais 100 ° C , na panela de pressão ela pode se manter ainda na fase líquida em temperaturas mais elevadas do que na panela normal. Isso quer dizer que ela pode passar mais calor pro feijão antes de evaporar e o feijão cozinha mais rápido (porque recebeu mais calor durante o tempo de cozimento).
Outro exemplo da vida real que temos é quando fervemos água em cidades que ficam a muitos metros de altitude em relação ao nível do mar.
Quanto maior é a altitude, menor é a pressão atmosférica na cidade. Então o efeito é o contrário da panela de pressão: a pressão de vapor para que a água entre em ebulição deve ser menor do que comparada à uma cidade no nível do mar. Assim, a temperatura é menor e a água ferve antes dos 100 ° C !
No gráfico a gente vê que dependendo da altitude a pressão atmosférica é menor e, portanto, a pressão de vapor se iguala a ela numa temperatura menor! O ponto de ebulição da água no Monte Everest, por exemplo, é 71 ° C .
Esse assunto é um pouco complicado mesmo! Vamos exercitar pra fixar melhor? 😊
Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, pp337-Exemplo 9.1
O tetracloro-metano, C C l 4 , que agora sabemos ser cancerígeno, era usado como solvente para lavagem a seco. A entalpia de vaporização do C C l 4 é de 33,05 k J . m o l - 1 e sua pressão de vapor em 57,8 ° C é de 405 T o r r . Qual a pressão de vapor do tetracloro-metado em 25 ° C ?
Para começarmos o exercício, precisamos lembrar da equação de Clausius-Clapeyron, que relaciona justamente as pressões de vapor de uma mesma substância em temperaturas diferentes.
ln ⁡ P 2 P 1 = Δ H v a p 0 R 1 T 1 - 1 T 2
Onde R é a constante dos gases ideais e Δ H v a p 0 a entalpia de vaporização (que o enunciado nos dá).
Daí é só substituir os valores na equação!
Como vamos usar R = 8,31 J . m o l - 1 . K - 1 , precisamos ajustar as unidades!
T 1 = 57,8 o C = 330,8 K T 2 = 25 o C = 298 K
Para a pressão, como o ln é adimensional, podemos deixar P1 em Torr! Mas encontraremos P 2 em Torr também!
ln ⁡ P 2 405 = 33050 J m o l 8,31 J m o l . K 1 330,8 K - 1 298 K
ln ⁡ P 2 405 = - 1,3233
ln ⁡ P 2 - ln ⁡ 405 = - 1,3233
ln ⁡ P 2 = 4,6806
P 2 = 107,83 T o r r
Para saber se a resposta está coerente ou não fisicamente, podemos pensar que a pressão de vapor aumenta com a temperatura, né? Maior agitação de moléculas, mais fácil passar pra fase gasosa, mais moléculas na fase gasosa e essa tour toda!
Então, quando comparamos a pressão de vapor do C C l 4 em duas temperaturas diferentes, o esperado é mesmo que na temperatura menor (nesse caso, em 25 ° C ) a pressão de vapor seja menor!
107,83 Torr
Adaptado da lista de exercícios UNICAMP.
As pressões de vapor dos líquidos A e B, em função da temperatura, estão representadas no gráfico abaixo:
a) Sob pressão de 1,0 atm (nível do mar), qual a temperatura de ebulição de cada um dos líquidos?
b) Qual dos líquidos é mais volátil a 50 ° C , e qual o valor aproximado de sua pressão de vapor em mmHg nessa temperatura ?
a) Como a temperatura de ebulição é a temperatura quando a pressão de vapor do líquido se iguala à pressão atmosférica, só temos que ver no gráfico onde a pressão de vapor dos líquidos chega a 1 atm!
Para o líquido A, esse ponto é em 60 ° C , então seu ponto de ebulição é 60 ° C .
Já o ponto de ebulição do líquido B é 70 ° C .
b) O líquido mais volátil é aquele que tem a maior pressão de vapor.
Assim, como a 50 ° C a pressão de vapor do líquido A é maior que a do líquido B, o A é o líquido mais volátil.
A conversão atm – mmHg é 1 atm = 760 mmHg. No gráfico podemos ver que a 50 ° C a pressão de vapor do líquido A é 0,8 atm, o que dá 608 mmHg.
a) A temperatura de ebulição do líquido A é 60 ° C e do líquido B, 70 ° C .
b) O líquido A é mais volátil a 50 ° C (tem uma maior pressão de vapor) e sua pressão de vapor é 608 mmHg
Lista de exercícios VUNESP.
Analisando o gráfico acima, qual das substâncias é mais volátil?
A substância mais volátil é a que tem a maior facilidade pra evaporar, isso é: a que tem a pressão de vapor mais alta! Daí fica fácil de ver que é a substância 1, pois se compararmos todas na mesma temperatura a 1 é a que tem a maior pressão de vapor sempre.
Além disso, como a substância mais volátil tem a maior pressão de vapor, ela igualará sua pressão de vapor à pressão atmosférica com menos temperatura. Consequentemente, ela tem o menor ponto de ebulição!
A substância 1 é a mais volátil.
Lista de exercícios UFFRJ.
A pressão atmosférica varia com a altitude. Como a pressão atmosférica corresponde ao peso da coluna de ar sobre a área correspondente, ao subirmos do nível do mar para um local montanhoso, o peso da coluna de ar e a pressão atmosférica diminuem. Observe o gráfico:
Comparando-se o ponto de ebulição da água em São Paulo e na Cidade do México, onde ele é maior? Justifique.
A água entra em ebulição quando sua pressão de vapor se iguala à pressão atmosférica. Na temperatura que isso acontece, temos o ponto de ebulição.
Como a pressão atmosférica é maior em São Paulo que na Cidade do México, a pressão de vapor da água deverá ser maior em São Paulo para que a água entre em ebulição. A pressão de vapor aumenta com a temperatura, então devemos esquentar mais a água para que ela chegue no ponto de ebulição.
O maior ponto de ebulição, portanto, será em São Paulo.
Em São Paulo, porque a pressão atmosférica é maior e será necessário esquentar mais a água para que sua pressão de vapor se iguale à pressão atmosférica.