Os diagramas de fases

Os diagramas de fases (também chamados de diagrama de equilíbrio) relacionam temperatura, composição química e quantidade das fases em equilíbrio. Neste contexto, afirma-se que um diagrama de fases é um “mapa” que mostra quais fases são as mais estáveis nas diferentes composições, temperaturas e pressões. Estes diagramas são uma das formas de representar as mudanças de estado que uma substância pode sofrer.

Eles são de considerável importância comercial e industrial, particularmente para semicondutores, cerâmicas, aços e ligas. Além disso, são a base para os procedimentos de separação em indústrias petrolíferas e para a preparação de cosméticos e alimentos.

Todos os diagramas de fases podem ser discutidos com base em uma relação dada por J.W. Gibbs: a regra das fases (ATKINS, 2008).

Gibbs deduziu a regra das fases, que é uma relação entre a variância (F), o número de componentes (C), e o número de fases em equilíbrio (P), para um sistema de qualquer composição:

F = C - P + 2

onde:

P → fase: identifica um estado uniforme de matéria, não só no que se refere à composição

química, mas também no que se refere ao estado físico.

C → componente: é um constituinte quimicamente independente do sistema. Diferencia-se do constituinte, que se trata de qualquer espécie química (íon ou molécula) que esteja presente no sistema. Quando não há reações o número de componentes é igual ao número de constituintes do sistema.

F → variância, ou graus de liberdade: é o número de variáveis intensivas que podem ser independentemente alteradas sem perturbar o número de fases em equilíbrio.

Para discutir os processos de destilação, faz-se necessário o uso de uma diagrama do tipo temperatura-composição, um diagrama de fases em que as fronteiras mostram a composição das fases que estão em equilíbrio em várias temperaturas (e em uma certa pressão; geralmente 1 atm).

Quando dois componentes estão presentes em um sistema, como é o caso do procedimento experimental aqui tratado, C = 2 e F = 4 - P. A pressão é mantida constante e o diagrama de fases é representado em termos da temperatura e da composição.

Figura 1 - Diagrama temperatura-composição correspondente a uma mistura ideal do componente A, mais volátil do que o componente B. Sucessivas ebulições e condensações de um líquido originalmente de composição a1 leva a um condensado puro A. A técnica de separação é chamada destilação fracionada (ATKINS, 2008).

Considera-se um líquido de composição a1 sendo aquecido. Ele ferve quando a temperatura alcança T2. Então, o líquido tem a composição a2¬ (a mesma que a1) e o vapor tem composição a2’. O vapor está mais rico no componente A, que é o mais volátil (com menor ponto de ebulição). A partir do ponto a2, é possível afirmar a composição do vapor na temperatura em que ocorre a ebulição, e a partir da linha de amarração entre a2 e a2’ é possível ver a temperatura de ebulição da mistura (T2).

Na destilação fracionada, o ciclo de ebulição e condensação é repetido sucessivas vezes. Esta técnica é usada para separar líquidos voláteis.

É possível acompanhar as mudanças que ocorrem observando, na Figura 1, o que ocorre quando o primeiro condensado de composição a3 é reaquecido. O diagrama de fases mostra que a mistura entre em ebulição na temperatura T3 e alcança um vapor, de composição a3’, que é ainda mais rico no componente mais volátil (A). Este vapor é separado, e a primeira gota se condensa em um líquido de composição a4. O ciclo pode ser repetido, até que o componente A, com alto grau de pureza, seja obtido.

A eficiência de uma coluna de fracionamento é expressa em termos