Por que uma mistura de etanol é água pode ser separada por destilação fracionada?

Leia o resumo Você sabe diferenciar destilação simples e destilação fracionada?
e resolva as questões a seguir.

1. (PUC-RJ): Uma das atividades práticas da ciência é a separação de substâncias presentes em misturas e a extração de substâncias simples de substâncias compostas. Sobre os métodos de separação e de extração, é correto afirmar que:

a) uma solução contendo água e etanol pode ter os seus componentes separados completamente por meio de destilação simples.
b) no composto sulfeto de ferro II (FeS), um ímã pode ser utilizado para separar o metal ferro do ametal enxofre.
c) a destilação fracionada é amplamente utilizada para separar frações líquidas do petróleo.
d) em uma mistura contendo os solutos NaCl e KNO~3~ totalmente dissolvidos em água, a separação dos sais pode ser feita por centrifugação.
e) peneiramento e catação não são considerados processos de separação.

2. (ENEM) O álcool hidratado utilizado como combustível veicular é obtido por meio da destilação fracionada de soluções aquosas geradas a partir da fermentação de biomassa. Durante a destilação, o teor de etanol da mistura é aumentado, até o limite de 96% em massa.

Considere que, em uma usina de produção de etanol, 800kg de uma mistura etanol/água com concetração 20% em massa de etanol foram destilados, sendo obtidos 100kg de álcool hidratado 96% em massa de etanol.

A partir desses dados, é correto concluir que a destilação em questão gerou um resíduo com uma concentração de etanol em massa

a) de 0%.
b) de 8,0%.
c) entre 8,4% e 8,6%.
d) entre 9,0% e 9,2%.
e) entre 13% e 14%.

GABARITO

1. C

Resolvendo passo-a-passo a questão:

a) Incorreto, pois uma solução contendo dois ou mais componentes no estado líquido só pode ser separada por destilação simples se houver uma diferença de temperatura do ponto de ebulição de cada líquido equivalente a 80oC ou mais. Como a água possui ponto de ebulição igual a 100oC e o etanol possui ponto de ebulição igual a 78oC, não podem ser separados por esse processo.

b) Incorreto. O sal sulfeto de ferro II é resultado de uma interação intermolecular entre o cátion Fe2+ e o ânion S2-, não podendo ser separado com a ação de um imã. A separação apenas ocorreria caso o ferro estivesse no estado metálico, ou seja, sem nenhuma ligação com outro elemento químico.

c) Correto. A destilação é um dos métodos mais utilizados para a separação de frações líquidas do petróleo pelas indústrias petrolíferas.

d) Incorreto. Por serem sais resultantes de base forte e ácido forte, o NaCl e o KNO~3~ não sofrem hidrólise e se dissociam completamente em água, como pode ser visto nas reações abaixo:

NaCl + H~2~O → Na+ + Cl– + H+ + OH–

KNO~3~ + H~2~O → K+ + NO~3~– + H+ + OH–

A centrifuga tem como objetivo sedimentar os componentes de uma mistura no estado sólido, como não há precipitado em uma amostra completamente dissolvida, não é possível fazer a separação dos sais.

e) Incorreto. Ambos são considerados processos de separação. A catação é feita retirando um ou mais componentes da mistura utilizando um instrumento de auxílio (como uma pinça, por exemplo) para a realização da separação da mistura, enquanto a peneiração consiste na utilização de uma peneira para separar misturas de sólidos, onde uma parte da amostra é retida na peneira e permitindo a passagem da outra parte da amostra.

2. D

Resolvendo passo-a-passo a questão:

A mistura inicial possui, em massa, 800 kg de etanol e água com concentração igual a 20% em massa de etanol. As massas iniciais de etanol (Mi~Etanol~) e água (Mi~Água~) na amostra são:

Mi~Etanol~ = 800 kg·20% = 800 kg·20/100 = 160 kg de etanol

Mi~Água~ = 800 kg – 160 kg de etanol = 640 kg de H~2~O

A massa do produto é igual a 100 kg de álcool hidratado com concentração igual a 96% em massa de etanol. As massas de etanol (MF~Etanol~) e água (MF~Água~) no álcool hidratado são:

MF~Etanol~ = 100 kg·96% = 100 kg·96/100 = 96 kg de etanol no álcool hidratado

MF~Água~ = 100 kg – 96 kg = 4 kg de água

E quanto sobra de etanol (MR~Etanol~) e água (MR~Água~) no resíduo?

MR~Etanol~ = Mi~Etanol~ – MF~Etanol~ = 160 kg – 96 kg = 64 kg de etanol residual

MR~Água~ = Mi~Água~ – MF~Água~ = 640 kg – 4 kg = 636 kg de H~2~O residual

A concentração percentual peso/peso do resíduo da destilação ( C ) será então:

C = [MR~Etanol~ / (MR~Etanol~ + MR~Água~)] · 100

C = [64 kg / (64 kg + 636 kg)] · 100

C = 6400 kg / (700)

C = 9,14%

A destilação é um processo de separação de misturas homogêneas (soluções), como as obtidas por mistura de sólidos e líquidos (sal e água ou açúcar e água), ou líquidos e líquidos (água e álcool ou petróleo).

O processo de destilação é amplamente utilizado em vários setores industriais, pela facilidade envolvida e também pela eficiência do processo. A indústria de bebidas alcoólicas utiliza a destilação para obter bebidas de elevado teor alcoólico, a partir de bebidas doces fermentadas. As bebidas, tais como cachaça, vodka e whisky, são obtidas pela extração do excesso de água e concentração do teor alcoólico, até o ponto desejado (normalmente próximo a 40%).

O caldo da cana de açúcar fermentado que é usado para obter cachaça também pode ser utilizado para obter álcool etílico (etanol), que é empregado como combustível. Neste caso, o teor alcoólico é superior a 90%, ou seja, todas as impurezas e quase toda a água é eliminada da mistura.

A indústria petroquímica também utiliza esse método físico de separação de misturas para obter produtos diferentes a partir do petróleo. No entanto, o processo de destilação do petróleo e o utilizado para obter etanol são diferentes do que o utilizado para separar água e sal, por exemplo. Existe diferença, pois as misturas de líquido + líquido, ou líquido + gás são mais difíceis de separar do que uma mistura de líquido + sólido, pelo simples fato das temperaturas de ebulição de dois líquidos serem mais próximas do que as temperaturas de ebulição de um líquido e um sólido. Dessa forma, foram desenvolvidos dois diferentes métodos de destilação, a destilação simples e a destilação fracionada.

Destilação Simples

A destilação simples é um método comumente utilizado para separa misturas homogêneas de líquido + sólido, mas também pode ser utilizado para separar misturas homogêneas entre dois ou mais líquidos com temperaturas de ebulição bastante distantes.

No processo de destilação simples, a mistura a ser separada é aquecida. Inicialmente, a substância mais volátil irá se vaporizar, separando-se da mistura. Esse vapor formado é então resfriado, para voltar a ser líquido e poder ser recolhido. Então, pode-se afirmar que a substância mais volátil é a que se destila primeiro.

Em um laboratório, podemos utilizar a montagem exibida a seguir para realizar a destilação simples de uma mistura sólido + líquido.

De acordo com a imagem anterior, a mistura será aquecida pela chapa de aquecedora até entrar em ebulição. Os vapores formados no balão de destilação passarão pelo condensador reto, que terá água fria em movimento constante, condensando-se e escorrendo para o erlenmeyer. A parte sólida ou não volátil da mistura ficará no balão, pois a temperatura atingida não é suficiente para provocar a sua vaporização. É importante destacar que o processo de separação deve ser totalmente acompanhado, para identificar o momento certo de parar o aquecimento ou para resolver algum problema que possa ocorrer durante o processo.

Destilação Fracionada

Continua aqui…

Para saber mais:

Métodos de separação de misturas
Destilação fracionada do Petróleo (vídeo)

Por que uma mistura de etanol e água pode ser separada por destilação fracionada?

Qual o processo de separação de água e álcool?

Que tipo de mistura pode ser separada por destilação fracionada?

Porque o processo de destilação fracionada?