Diagrama de Fases

Uma utilização muito importante em ciências físicas de um gráfico, é frente ao estudo de como se comportam as fases de compostos. Os gráficos que demonstram essas observações são chamados de Diagramas de Fase.

Os Diagramas de Fase podem conter diversas informações referente ao comportamento das fases de um composto ou mesmo compostos, frente a composição, temperatura, pressão...

Um dos diagramas de fase mais comuns de serem vistos é o da água, onde se estudam o comportamento físico das fases da mesma frente a mudanças de pressão e temperatura (gráfico P x T).

No diagrama podemos ver que existem três áreas uma onde temos somente sólido (a), uma onde somente temos líquido (b) e outra região onde somente temos gás (c). Essas fases ocorrem com a variação da pressão e da temperatura. 

Nota-se que a uma dada pressão podemos ter tanto sólido quanto líquido no sistema, porém se observarmos a temperatura, notamos que ela muda, ou seja, a pressão pode ser a mesma, porém em temperaturas baixas temos a água no estado sólido e a temperaturas mais elevadas (nessa mesma pressão), temos a água no estado líquido. Isso se dá pelo fato das moléculas estarem mais agitadas com o aumento da temperatura (temperatura é uma escala que mede a energia térmica existente no sistema), e com isso se moverem mais, se afastarem mais uma das outras, possuírem mais velocidade e choques.

Também podemos ver (agora fixando a temperatura) que a uma dada temperatura podemos ter tanto líquido quanto gasoso, porém com a pressão variando. Isso se dá pelo fato da pressão causar um maior empacotamento do sistema, ou seja, faz com que as moléculas se aproximem mais uma das outras. 

Observando esses fatos, podemos prever coisas inusitadas como, gelo no estado sólido só que em temperaturas acima de 0°C. Isso pode ser visto se a pressão for bastante alta, porém é óbvio olhando no gráfico que existe um limite para isso. O mesmo se dá para outros estados físicos como o gás. Em uma temperatura baixa podemos fazer a água ferver se a pressão estiver muito mais baixa que o normal. Esse efeito pode ser visto em regiões mais altas do planeta, sendo que a pressão torna-se inferior a 1 atm e com isso o composto passa para o estado gasoso com o auxílio de menor temperatura.

Um fato muito interessante pode ser visto na região que corresponde a linha da curva presente no diagrama. Quando o ponto correspondente a pressão x tempo (p,t) se mostra sobre a curva, o sistema se encontra em estado de equilíbrio entre as duas fases em questão. Por exemplo, entre (a) e (b) existe uma curva e sobre essa curva, os pontos plotados indicam o equilíbrio entre sólido e líquido. O Ponto Triplo é muito importante, pois nele, se encontram todos os estados físicos em equilíbrio. A temperatura onde ocorre o Ponto Triplo da água é  0,01°C (273,16 K) e a pressão de 611,73 Pa.

Também existe um outro ponto importante, conhecido como Ponto Crítico, que ocorre a temperatura de 374°C (647 K) e a uma pressão de 22,064 MPa (218 atm). Nessa temperatura e pressão, não há distinção entre a fase líquida e gasosa. Esse é o chamado fluido supercrítico.

Uma outra forma de se interpretar um diagrama de fases é via Temperatura x Frações Molares. Um método simples pode ser o da evaporação e condensação de um composto volátil como Etanol, adicionando-se pequenas quantidades de outro composto volátil como o Acetato de Etila. 

Esses compostos são levados para um sistema onde ocorre refluxo de um composto sendo aquecido, esse sistema possui duas formas de coleta de dados, um é via uma seringa (removendo o composto que está ebulindo em um balão) e o outro uma torneira que serve para extrair o condensado (produto destilado). Esse equipamento se chama Aparelho de Choppin-Cottrell, e pode ser visto na imagem abaixo:

O sistema deve ser feito saindo de 20 mL Etanol puro, sendo aquecido até sua temperatura se mostrar constante. Então se extrai (ao mesmo tempo) uma amostra do condensado e do líquido que sofreu ebulição  e armazenados em tubos de ensaio com rolha. Após isso se tem a adição de 5 mL de Acetato ao sistema, verifica-se quando a temperatura se mantém estável e se extrai novamente o condensado e o líquido ebulido. O precedimento é feito até uma temperatura estável em diversas adições de Acetato de Etila. O mesmo procedimento deve ser feito novamente, porém saindo de 20 mL de Acetato de Etila e adições graduais de 5 mL de Etanol ao meio. As amostras são armazenadas em tubos de ensaio para serem levadas até um Aparelho Refratômetro, que vai medir o índice de refração de cada amostra. Com isso pode-se calcular a composição de cada sistema. Teoricamente no equilíbrio a fração molar que se encontra no líquido, também vai ser observada na fase gasos, portanto o condensado deve possuir a mesma composição da fase líquida. Porém nem sempre isso pode ser visto, devido a erros do desenvolvimento do experimento, como produtos contaminados.

O Aparelho Refratômetro deve ser calibrado previamente com água destilada e então montado amostras dos compostos que serão trabalhados no experimento, contendo 2 mL de Etanol + Acetato de Etila por tudo de ensaio, porém com frações diferente, mas conhecidas, sendo que cada tubo de ensaio aumente em 10% a quantidade sequencial de cada composto em relação ao outro, ou seja, se em um tubo temos 80% de Etanol e 20% de Acetato de Etila, no tubo seguinte teremos 70% de Etanol e 30% de Acetato de Etila, até que tenhamos um tubo onde se encontre 100%  de Etanol e outro tubo com 100% de Acetato de Etila. Num total devem ser preparados 11 tubos de ensaio para a medição do índice de refração. A Tabela abaixo mostra os tubos e suas composições:

Abaixo temos a imagem do Aparelho Refratômetro, onde em destaque podemos ver a uma fonte de luz, água destilada e os tubos de ensaio contendo as amostras a serem analisadas no experimento.

Os dois compostos possuem temperatura de ebulição próximas (Etanol = 78,37 °C e Acetato de Etila = 77,1 °C). Porém com as adições ao composto puro, as temperaturas de ebulição começam a cair, até se manterem constantes. Esse efeito é conhecido como ponto de Azeotropia. No caso desses compostos, vamos ter um ponto de Azeotropia de mínimo, ou seja, a temperatura de ebulição diminui com a adição de compostos ao composto puro. Azeotropia quer dizer que os compostos vão ter um ponto de ebulição iguais, se comportando como uma substância pura. A imagem a baixo mostra o diagrama de um sistema binário com ponto azeotrópico de mínimo:

Onde o ponto verde corresponde ao ponto de azeotropia de mínimo, V é vapor, L é Líquido, 0-1 as quantidades das frações  X1 e Y1  dos compostos em pesquisa. Algo relevante sobre esse gráfico é que a pressão é mantida constante.