UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA TERMODINÂMICA QUÍMICA I EQUILÍBRIO DE FASES Cont. 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO PARTE II: SOLUÇÕES REAIS Ao contrário do que acontece nas soluções ideais, nas soluções reais não há muita uniformidade entre as forças intermoleculares dos componentes existentes na solução. Para soluções reais, Define-se potencial químico do componente A de uma solução real como onde é o coeficiente de atividade do componente A. = Onde ∗ + é a atividade do componente A = Para soluções concentradas →1 , o comportamento das soluções tendem a idealidade →1 → Para soluções ideais: = → (Convenção I) ≡ 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO Na equação = ∗ + , ∗ é o potencial químico do líquido puro a P e T da mistura. Se a solução for uma mistura de um gás ou sólido num líquido, onde é limitada a gama de concentração do soluto o estado de referência não pode ser o de líquido puro (o soluto líquido puro pode não existir a T e P da solução). O estado de referência é o líquido puro num estado hipotético correspondente à extrapolação para = 1. Para soluções diluídas (lei de Henry), = ⊗ → ⊗ = → (Convenção II: assimétrica) Segundo as duas convenções, podemos salientar como os coeficientes de atividade estão relacionados, vamos considerar que, para o componente B: = = ⊗ ⇒ ⊗ = 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO Da definição da constante de Henry = lim → Que substituindo fica: ⁄ = lim = lim ⊗ → = lim → → = Assim, ⊗ Aplicando ln: ln ⊗ = ln − ln = → ln ⊗ → 1 = − ln Coeficientes de atividade segundo as convenções: (a) simétrica, onde para qualquer componente i, → 1 quando → 1; (b) assimétrica, onde ⊗ para o soluto B, → 1 quando → 0, e,das para o solvente A, quando → Representação esquemática pressões parciais dos ⊗ 1 quando componentes → 1. Quando A e→B,1,em função = − da composição de uma mistura binária líquida onde o componente B apresenta uma solubilidade limitada no componente A 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO Numa mistura dos componentes A e B, quando as forças intermoleculares A-B são superiores às forças A-A e B-B, as moléculas em solução procuram rodear-se por moléculas da outra espécie. A tendência de escape das moléculas é menor que na solução ideal <1 . Quando o potencial intermolecular A-B for inferior ao potencial intermolecular A-A e B-B, então a tendência de escape das moléculas na solução real é maior que na solução ideal >1 . Solução com comportamento próximo a idealidade. 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO = Para a grandeza , a definição de função de excesso, é dada por: =∆ . , , , −∆ ( . ou em quantidades molares: , , , ) = Para a energia de Gibbs em excesso, temos: =∆ . , , , Para solução ideal: Para solução real: = = E como = −∆ ∗ ∗ ( + + . , , , ) Diferenciando obtemos: = a ln equação + acima, ln Como consequência da eq. de GibbsDuhem = , , = , , ln 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO Ex1 Determine os coeficientes de atividade de cada componente de uma mistura binária para a qual = , onde A é uma constante, característica da interação entre os componentes 1 e 2 na solução. + = ln Solução: Aplicando para o coeficiente de atividade do componente 1: ln = = ln = = = =A + − − = De forma análoga, ln , , ln ln = = 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO A determinação dos coeficientes de atividade é primordial para a descrição Termodinâmica do Equilíbrio de Fases. Estas quantidades medem o afastamento da solução do comportamento ideal e estão relacionadas com o arranjo molecular na solução e com a formação ou quebra de ligações entre as moléculas no processo de mistura. A escolha de uma expressão para a energia livre de Gibbs deve satisfazer: A equação de Gibbs-Duhem; O critério de que todas as funções de excesso tendem a zero quando o componente tende a pureza. Existem dois tipos de modelos ln = , , Em geral, é uma função de T, P e composição, porém para líquidos em baixas e moderadas pressão esta propriedade praticamente se mantém constante. . A energia de interação entre as moléculas é considerada na forma de parâmetros de interação binária. 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO MODELOS MOLECULARES MODELOS DE CONTRIBUIÇÃO DE GRUPO Representam o tamanho das moléculas ou as interações entre elas na mistura. São fundamentados no conhecimento da forma estrutural das moléculas. Exemplos desse modelo são: • Margules; • Van Laar; • Redlich-Kister; • Wilson; • NRTL; • UNIQUAC. São exemplos desse modelo: • ASOG e • UNIFAC. 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO EQUAÇÃO DE CONSTANTE MARGULES DE UMA EQUAÇÃO DE MARGULES DE DUAS CONSTANTES = = = + ( − = + − = − + ) = Vantagens: Fornece boa representação para muitas misturas de moléculas similares em tamanho, forma e natureza química. Desvantagens: As duas equações são simétricas (quando plotadas em função de xi são imagens especulares uma da outra). Além das vantagens da Eq. de Margules de uma constante, esta admite volumes molares semelhantes. EQUAÇÃO DE MARGULES DE TRÊS CONSTANTES = + − + − = + + − + + = − + + − + 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO Ex2: Uma mistura binária em fase vapor contém 48% de etanol (1) em água (2), a 70ºC. Determine a pressão na qual esse vapor apresenta a primeira gota de líquido. Qual é a composição do líquido? A energia de Gibbs em excesso pode ser descrita pela equação de Margules com dois parâmetros, com os parâmetros tendo os seguintes valore: A=3590 J/mol e B=-1180 J/mol. Solução: Admitindo a fase vapor como ideal: P x1 1 P1sat x2 2 P2sat A 3B 2 4 B 3 ln 1 x2 x2 RT RT A 3B 2 4 B 3 ln 2 x1 x1 RT RT 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO P x1e A 3 B 2 4 B 3 x2 x2 RT RT P1sat 1 x1 e x1e y1 x1e A 3 B 2 4 B 3 x2 x2 RT RT A 3 B 2 4 B 3 x2 x2 RT RT A3 B 2 4 B 3 x1 x1 RT RT P2sat P1sat P1sat 1 x1 e A3 B 2 4 B 3 x1 x1 RT RT P2sat Constantes de Antoine para o etanol: A=12,2917; B=3803,98 e C=-41,68. Bi ln Pi bar Ai T K Ci P1sat 0, 72bar Água a 70ºC (tabela de vapor): P2sat 0,31bar sat 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO 0, 48 3590 3 1180 4 1180 1 x1 2 1 x1 3 8,314343,15 8,314343,15 0, 72 x1e 3590 3 1180 35903 1180 2 4 1180 3 4 1180 x1 x1 1 x1 2 1 x1 3 8,314 343,15 8,314 343,15 8,314 343,15 8,314 343,15 0,31 x1e 0, 72 1 x1 e x1 0,12 Voltando na pressão total: P x1e P 0,12e A3 B 2 4 B 3 x2 x2 RT RT P1sat 1 x1 e 3590 3 1180 4 1180 2 3 1 x1 1 x1 8,314343,15 8,314343,15 A3 B 2 4 B 3 x1 x1 RT RT 0, 72 1 0,12 e P 0,55bar P2sat 3590 3 1180 2 4 1180 3 x1 x1 8,314343,15 8,314343,15 0,31 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO Ex3: A 50ºC, uma mistura binária de 1,4-dioxano (1) e água (2) tem um azeótropo em x1=0,554 e uma pressão de 0,223 bar. Use estes dados para calcular o valor do parâmetro A da equação de Margules com um parâmetro. Solução: Admitindo a fase vapor como ideal: Constantes de Antoine para o 1,4-dioxano: A=15,0967; B=3579,78 e C=240,337. ln Pi sat kPa Ai Bi T º C Ci Água a 50ºC (tabela de vapor): P1sat 15,9102kPa 0,159bar P2sat 0,124bar 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO No azeótropo: P 1P1sat P 2 P2sat 1 P2sat sat 2 P1 (no azeótropo) 0, 233 P 1, 40 1 sat 0,159 P1 Portanto: Ax22 RT ln 1 A RT ln 1 8,314 323,15 ln(1, 4) 2 2 x2 0, 446 A 4544, 6 J mol 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO Em termos da água (2): 0, 233 P 1, 798 2 sat 0,124 P2 Portanto: Ax12 RT ln 2 RT ln 2 8,314 323,15 ln(1, 798) A 2 2 x1 0,554 A 5135, 61 J mol Uma média entre os dois parâmetros: A 4,8 kJ mol 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO EQUAÇÃO DE REDLICH-KISTER + = + − + − +⋯ + = + + + +⋯ O número de parâmetros (B, C, D,...) que = devem ser usados para representar os + dados depende da complexidade = molecular da solução, da qualidade dos + dados experimentais e da quantidade de pontos disponíveis. Os q's são os volumes efetivos das moléculas; qi é uma medida do tamanho da molécula i, ou EXPANSÃO DE WOHL a sua esfera de influência na solução. Os a's são parâmetros de interação cujo A expansão de Wohl é um método geral significado físico, embora não precisamente, é para representar que pode ser em certa maneira similar ao dos coeficientes estendido para misturas viriais. multicomponentes. 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO EQUAÇÃO DE VAN LAAR = + = + = + Consideremos o caso de uma solução binária cujos componentes não são muito diferentes em natureza química, mas que tem diferentes tamanhos de molécula, como benzeno e isooctano, por exemplo. 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO EQUAÇÃO DE WILSON As frações volumétricas globais são substituídas por frações volumétricas locais. O argumento de Wilson, em linhas gerais, é que uma molécula sofre o efeito somente das moléculas que lhe estão próximas, e que a distribuição de moléculas é dependente das espécies consideradas. =− + − =− + + =− + − + + + − − + + Em que os parâmetros binários ajustáveis da equação de Wilson são definidos por: = = A equação de Wilson fornece uma boa representação da energia livre de Gibbs em excesso para uma variedade de misturas, e é particularmente útil para soluções de compostos polares ou com tendência à associação em solventes não polares, onde equações como Van Laar ou Margules não são suficientes. 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO Vantagem: Equação de Wilson apresenta como vantagem, o fato de ser facilmente estendida para soluções multicomponentes. Desvantagens: Primeira, menos importante, é que as equações para o cálculo de e não são aplicáveis aos sistemas onde os logaritmos dos coeficientes de atividade, quando plotados em função de x, exibem um máximo ou um mínimo. No entanto, esses sistemas não são comuns. Segunda, um pouco mais séria, é que o modelo de Wilson não é capaz de predizer miscibilidade limitada, ou seja, não é útil para cálculos de equilíbrio líquido-líquido. 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO Ex4: Para o sistema n-pentanol (1)/n-hexano (2) as constantes de Wilson são Λ = 0,0700 e Λ = 0,629. Admitindo que a fase vapor é ideal, determine a pressão e a composição do vapor em equilíbrio com uma mistura líquida com 20 mol% de n-pentanol a 30°C. A esta temperatura, = 431 = 24945 . Solução: Fase vapor ideal: =1 O equilíbrio então só admite não idealidade na fase líquida, descrita como = = onde o coeficiente de atividade pode ser calculado pela equação: ln = − ln + + + − + 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO ln 0,07 0,629 = − ln 0,2 + 0,07 0,8 + 0,8 − = 1,04 0,2 + 0,07 0,8 0,629 0,2 + 0,8 ln = 1,04 → = 2,82 ln = 0,158 → = 1,17 De forma análoga: A pressão total é dada por: = + = 0,2 2,82 0,431 + 0,8 1,17 24,945 = 23,6 A composição do vapor: = → = 0,2 2,82 0,431 = = 0,01 23,6 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO Ex5 Para o sistema n-pentanol (1)/n-hexano (2) as constantes de de Wilson são Λ = 0,0700 e Λ = 0,629. Admitindo que a fase vapor é ideal, determine a pressão e a composição do vapor em equilíbrio com uma mistura líquida com 20 mol% de n-pentanol a 30°C. A esta temperatura, = 431 = 24945 . Solução: Fase vapor ideal: =1 O equilíbrio então só admite não idealidade na fase líquida, descrita como = = onde o coeficiente de atividade pode ser calculado pela equação: ln = − ln + + + − + 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO ln 0,07 0,629 = − ln 0,2 + 0,07 0,8 + 0,8 − = 1,04 0,2 + 0,07 0,8 0,629 0,2 + 0,8 ln = 1,04 → = 2,82 ln = 0,158 → = 1,17 De forma análoga: A pressão total é dada por: = + = 0,2 2,82 0,431 + 0,8 1,17 24,945 = 23,6 A composição do vapor: = → = 0,2 2,82 0,431 = = 0,01 23,6 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO MODELO NRTL (NON-RANDOM TWO-LIQUID) Esse tipo de abordagem (de dois líquidos) considera que a mistura corresponde na verdade a uma mistura de dois fluidos hipotéticos, cada um formado por moléculas de um dos componentes com a respectiva vizinhança. em que: − = = = = Os parâmetros = + + − tem significado similar aos da eq de Wilson, representando a energia + característica das interações i-j. = = + + + + + O parâmetro aleatoriedade + está relacionado com a não da mistura (usualmente considerado 0,2). Essa equação fornece muito bons resultados, mesmo para sistemas idealidade é muito grande. em que a não 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO MODELO UNIQUAC CHEMICAL) (UNIVERSAL = QUASI- ( ) + ( ) Com Modelo proposto por Abrams e Prausnitz (1975) baseado no conceito de composição local que considera a teoria quase-química de Guggenheim (1952) para misturas de diferentes tamanhos. Uma vantagem do método é que, assim como a equação de Wilson, usa apenas dois parâmetros ajustáveis por par de componentes. A equação UNIQUAC para consiste de dois termos: (i) combinatorial (contribuições geométricas e de tamanho e forma); (ii) residual (interações intermoleculares) ( ) ( ) = ln =− Φ + 2 ln Φ ln em que qi e ri são parâmetros de área superficial e volume para espécie i pura. O parâmetro z corresponde ao nº de coordenação (geralmente = 10 ). E as frações de volume (Φ ) de área ( ) são dadas por: = ∑ ; = ∑ 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO A dependência com a temperatura em é contabilizada nos parâmetros de interação: = ( ( ) = ( Em que uij é a energia de interação média das espécies. Combinando-se as equações do modelo, chega-se às equações para os coeficientes de atividade, que são representados pelas equações a seguir: ) = ) = ln Φ − 2 + ln ( Φ − ln − em que = − + − − ) − Φ ∑ 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO MÉTODO UNIFAC (UNIQUAC FUNCIONAL- A parte combinatorial é obtida pelas modificações GROUP ACTIVITY COEFFICIENT) do modelo UNIQUAC Modelo estabelecido pelos trabalhos − + − ( ) = de Fredenslund et al. (1975; 1977) como forma de atender a predição de em que dados ELV. Representa o coeficiente de atividade = ; = ; = − − − ∑ ∑ como soma de contribuições combinatoriais e residuais (UNIQUAC) combinando o conceito da ri e qi são parâmetros dos componentes puros relacionados ao volume molar de vdW e a área contribuição de grupos. superficial, calculados através de contribuições de parâmetros de volume e área dos grupos, Rk O coeficiente de atividade é representado e Qk. por: = ( ) + ( ) = () ; = () 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO Limitações: A contribuição residual é computada de forma análoga ao modelo UNIQUAC ( ) () = () − em que = − = ∑ − ; = ∑ 1. Não consegue distinguir alguns isômeros; 2. Possui limitação de uso para pressões abaixo de 10 ou 15 atm ou fora da faixa de temperatura entre 275–425K. 3. Efeitos de proximidade molecular não são levados em conta; 4. Os parâmetros do ELL são diferentes do ELV; 5. Comportamento de gases condensáveis, componentes supercríticos, polímeros e eletrólitos não são bem descritos. 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO Ex6 Considere uma mistura líquida, a 1 atm e 25°C, com 1 mol de benzeno e 1mol de 2,2,4trimetilpentano. Determine a fração em volume, Φ , e a fração de área superficial, , de cada componente da mistura. Solução: O benzeno é composto por 6 grupos do tipo ACH, que na tabela corresponde aos parâmetros = 0,5313 e = 0,400. Assim, Que possui 5 grupos CH3, 1 CH2, 1 CH e 1 C: Assim: = 5 0,0911 + 0,6744 + 0,4469 + 0,2195 = 5,8463 = 5 0,848 + 0,540 + 0,228 + 0,0 = 5,008 Uma vez calculados os ri’s e qi’s, podemos calcular as frações de volume e de área superficial. Φ = Φ = 6 0,5313 = 3,1878 = 6 0,400 = 2,400 A estrutura trimetilpentano é: do + = = 3,1878 0,5 = 0,353 3,1878 0,5 + 5,8463 0,5 = + = 2,2,4- = + + 5,8463 0,5 = 0,647 3,1878 0,5 + 5,8463 0,5 = 2,4 0,5 = 0,324 2,4 0,5 + 5,008 0,5 = 5,008 0,5 = 0,676 2,4 0,5 + 5,008 0,5 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO COEFICIENTES DE ATIVIDADE A DILUIÇÃO INFINITA Os parâmetros das equações de coeficientes de atividade são independentes da composição; Determinados através de medidas de ELV, medidas experimentais ou de coeficientes de atividade a diluição infinita, ; = lim → Ex7 Para uma mistura binária a 300 , = 1,875 e = 1,200 . Sabendo que, para a mesma temperatura, = 800 e = 1000 , estime a composição da fase vapor que a 300 está em equilíbrio com uma mistura líquida equimolar. Use a equação de Wilson de duas constantes para a não-idealidade da fase líquida e considere a fase vapor ideal. Solução: A equação de Wilson para o ln é dada por: =− + + + Aplicando a ideia de diluição infinita teremos: =− + − De forma análoga pra ln =− − + →0 →1 , será: + − Resolvendo o sistema resultante, utilizando os valores de e , obteremos os valores de e : 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO ln 1,875 − 1 = − ln Λ − Λ ln 1,2 − 1 = −Λ − ln Λ Teremos como resposta Λ Λ = 0,2525 = 1,7463 Como a mistura é equimolar, então ln e ln , teremos: ln = = 0,5. Resolvendo a equação de Wilson para 0,2525 1,7463 = − ln 0,5 + 0,2525 0,5 + 0,5 − = 0,33 → 0,5 + 0,2525 0,5 1,7463 0,5 + 0,5 = 1,0343 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO =− 0,5 + 1,7463 0,5 − 0,5 0,2525 1,7463 − = 0,1172 → 0,5 + 0,2525 0,5 1,7463 0,5 + 0,5 = 1,1243 Uma vez calculados os coeficientes de atividade, podemos calcular a pressão total do sistema: = + = 0,5 1,0343 800 + 0,5 1,1243 1000 = 975,87 Assim, a composição da fase vapor pode ser calculada como: = → = = 0,5 1,0343 800 = 0,42 975,87 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO Ex8: Foram obtidos dados de equilíbrio líquido-vapor para o sistema binário benzeno(1)-cicloexano(2), a 10ºC. Dados das frações molares do líquido e do vapor e da pressão de vapor são mostrados na Tabela a seguir. Determine, utilizando esses dados, o parâmetro A da equação de Margules com um parâmetro. 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO Solução: Pressão total: Para a função objetivo: FOP Pexp Pcal 2 i A 1401 J mol Para a função objetivo: FO Pexp Pcal P P exp 2 i A 1424, 61 J mol 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO Ex9: Determine os parâmetros de Margules com dois parâmetros, A e B, para o sistema do Ex8. Solução: Pressão total: Para a função objetivo: FOP Pexp Pcal A 1397 J mol e 2 i B 69 J mol i Para a função objetivo: FO Pexp Pcal P A 1418,91 J mol e Pexp 2 B 98, 6956 J mol 3 – FUGACIDADE DE MISTURAS LÍQUIDAS: FUNÇÕES DE EXCESSO Ex10: Determine os parâmetros do modelo de sistema do Ex8. Van Laar para o