Resumo de Princípios e Processos de Engenharia Química

## Introdução As propriedades físico-químicas e as fases em sistemas multicomponentes determinam o comportamento de misturas em processos químicos e em aplicações industriais. Neste material, são explicados os diagramas ternários, a construção experimental de curvas de solubilidade (binodais), a regra das fases de Gibbs e exemplos práticos com três componentes, com o objetivo de facilitar a compreensão e aplicação em laboratório e no projeto de processos. ## 1. Conceitos Básicos ### O que é uma fase? > Uma fase é uma porção homogênea de um sistema com propriedades físicas e químicas uniformes. ### O que é um componente? > Um componente é uma espécie química independente que faz parte do sistema (por exemplo, \\ce{H2O}, \\ce{CHCl3}, \\ce{HAc}). ### Regra das Fases (Gibbs) > A regra das fases estabelece que os graus de liberdade $F$ são calculados por $F = C - P + n$, onde $C$ é o número de componentes, $P$ o número de fases e $n$ o número de variáveis externas (normalmente $n=2$ para $P$ e $T$). Exemplos rápidos: - Para magnésio puro: $C=1$. Se $P=1$, então $F = 1 - 1 + 2 = 2$ (é possível variar $P$ e $T$). - Em um ponto duplo (duas fases), $C=1, P=2$, então $F = 1 - 2 + 2 = 1$ (uma variável é fixada). - Ponto triplo: $C=1, P=3$, então $F = 1 - 3 + 2 = 0$ (sem graus de liberdade). ## 2. Diagramas Ternários: Representação e Leitura ### O que é um diagrama ternário? > Um diagrama ternário é a representação gráfica da composição de um sistema de três componentes a pressão e temperatura constantes, utilizando um triângulo equilátero onde cada vértice representa 100% de um componente. - A fração molar $X_i$ pode ser usada em decimais ou porcentagens. A soma é $X_A + X_B + X_C = 1$. - Conhecendo duas composições, a terceira é deduzida. Fórmula da fração molar: $$X_a = \frac{n_a}{n_{totales}}$$ $$n_{totales} = n_a + n_b + n_c + \dots$$ ### Como localizar uma composição - O triângulo é subdividido para facilitar a leitura (p. ex., em dezenas). - O ponto na base oposta a um vértice representa 0% do componente daquele vértice. - Convenção prática: vértice superior para o componente mais leve, vértice esquerdo para o mais pesado e vértice direito para o intermediário (opcional). Exercícios de localização (resoluções): - A composição $35\%$ A, $65\%$ B corresponde a um ponto no lado AB, próximo a B. - A composição $X_a=0.3$, $X_b=0.2$, $X_c=0.5$ é um ponto interior cuja projeção em cada lado indica essas frações. ### Trajetórias em um diagrama ternário - Trajetória paralela: mantém constante a fração do componente oposto à base. Por exemplo, uma linha paralela à base AB mantém $X_C$ constante. - Trajetória diagonal/transversal: vai de um ponto em um binário até o vértice oposto (p. ex., de AB em direção a C). Permite estudar mudanças nas propriedades ao variar a proporção em direção a C. Exemplo de composições em trajetória diagonal: - Ponto a: $X_A = 0.6,\ X_B = 0.2,\ X_C = 0.2$. - Ponto b: $X_A = 0.3,\ X_B = 0.1,\ X_C = 0.6$. ## 3. Curva de solubilidade (binodal) e região de imiscibilidade ### Construção experimental da curva binodal 1. Partir de dois componentes parcialmente miscíveis, por exemplo \\ce{H2O} e \\ce{AcEt} (acetato de etila). Inicialmente, há duas fases, mesmo que uma seja pouco evidente. 2. Adicionar gradualmente \\ce{HAc} (ácido acético) até que uma fase desapareça; nesse ponto, determinar a composição e calcular as quantidades. 3. A partir da composição em uma fase, continuar adicionando \\ce{HAc} até que duas fases reapareçam; repetir as medições para construir a curva binodal. > A curva de solubilidade (binodal) delimita as composições que resultam em uma única fase e as que resultam em duas fases. ### Diagrama ternário com curva de imiscibilidade - Em temperatura constante $P=\text{cte}$, as curvas de imiscibilidade mostram zonas onde dois dos componentes são parcialmente miscíveis. - Zonas: Zona 1 (uma fase) e Zona 2 (duas fases). - As linhas de amarração (tie-lines) unem as composições das duas fases