Calculadora de Ponto de Ebulição | Ferramenta da Equação de Antoine

O que é uma calculadora de ponto de ebulição?

Uma calculadora de ponto de ebulição determina a temperatura em que um líquido se transforma em gás a uma pressão escolhida. Funciona para a água e outros líquidos puros, por meio de uma fórmula chamada equação de Antoine. Basta informar uma substância e uma pressão, e a calculadora retorna a temperatura em que esse líquido ferve.

Como a pressão altera o ponto de ebulição

Um líquido ferve quando sua pressão de vapor, a pressão do gás que escapa de sua superfície, se iguala à pressão do ar ou do gás acima dele. Se a pressão externa diminui, o líquido precisa de menos calor para atingir esse equilíbrio e, por isso, ferve a uma temperatura mais baixa. Se a pressão aumenta, o líquido precisa de mais calor e ferve a uma temperatura mais alta.

É por isso que a água ferve a 100 °C (212°F) ao nível do mar, onde a pressão atmosférica padrão é de 1 atm (760 mmHg), mas ferve abaixo de 100 °C no alto de uma montanha, onde o ar é mais rarefeito. Isso também explica por que a panela de pressão cozinha os alimentos mais rápido. O vapor aprisionado eleva a pressão dentro da panela, o que aumenta o ponto de ebulição da água, e assim os alimentos cozinham a uma temperatura maior do que em uma panela aberta.

O ponto de ebulição também depende da própria substância. Moléculas mantidas unidas por forças intensas, como as ligações de hidrogênio entre as moléculas de água, precisam de mais energia para se separar e, por isso, fervem a temperaturas mais altas do que moléculas com forças mais fracas.

A fórmula da equação de Antoine

A calculadora usa a equação de Antoine, uma fórmula que relaciona a pressão de vapor de um líquido com a sua temperatura:

log₁₀(P) = A − B / (T + C)

P é a pressão de vapor em milímetros de mercúrio (mmHg). T é a temperatura em graus Celsius. A, B e C são constantes específicas de cada substância, obtidas por medições em laboratório.

Para encontrar o ponto de ebulição a uma pressão escolhida, a equação é reorganizada para isolar T:

T = B / (A − log₁₀(P)) − C

As constantes de cada substância só são precisas dentro de uma faixa de temperatura específica, geralmente aquela em que foram medidas. Fora dessa faixa, as previsões da equação deixam de ser confiáveis, por isso a calculadora sinaliza qualquer resultado que fique fora da faixa testada para a substância.

Como calcular um ponto de ebulição

1. Escolha uma substância, como água, etanol ou tolueno, ou informe constantes A, B e C personalizadas para outro líquido.
2. Informe uma pressão e escolha sua unidade: atm, mmHg, kPa, psi ou bar.
3. Escolha a unidade da resposta: Celsius, Fahrenheit ou Kelvin.
4. Leia o ponto de ebulição calculado. A calculadora também traça a curva de pressão e temperatura e marca o resultado sobre ela.

Exemplos resolvidos

Água em grande altitude

A 5.000 pés (1.500 m), a pressão atmosférica é de cerca de 0,83 atm, ou 630,8 mmHg. Usando as constantes de Antoine da água (A = 8,07131, B = 1730,63, C = 233,426):

log₁₀(630,8) = 2,800 T = 1730,63 / (8,07131 − 2,800) − 233,426 = 94,9 °C (202,8°F)

Isso é cerca de 5 °C abaixo do ponto de ebulição da água ao nível do mar, de 100 °C. Uma receita que pede água fervente por determinado número de minutos ao nível do mar exige um tempo maior nessa altitude, porque a água está mais fria.

Destilação de etanol sob pressão reduzida

Destilar etanol a 0,5 atm, ou 380 mmHg, com suas constantes (A = 8,20417, B = 1642,89, C = 230,3), resulta em:

log₁₀(380) = 2,580 T = 1642,89 / (8,20417 − 2,580) − 230,3 = 61,8 °C (143,2°F)

O etanol normalmente ferve a 78 °C a 1 atm. Fervê-lo a uma temperatura menor, sob pressão reduzida, consome menos energia e reduz o risco de queimar misturas sensíveis ao calor durante a destilação.

Destilação a vácuo do tolueno

Uma bomba de vácuo de laboratório pode reduzir a pressão para 50 mmHg, cerca de 0,066 atm. Com as constantes do tolueno (A = 6,95464, B = 1344,8, C = 219,482):

log₁₀(50) = 1,699 T = 1344,8 / (6,95464 − 1,699) − 219,482 = 36,4 °C (97,5°F)

O tolueno normalmente ferve a 111 °C a 1 atm. Sob vácuo, ferve a apenas 36,4 °C, o que permite aos químicos purificar compostos sensíveis ao calor sem o aquecimento mais intenso que os decomporia.

Onde os cálculos de ponto de ebulição são usados

Indústrias químicas e farmacêuticas os usam para planejar a destilação, o processo de separar líquidos por seus diferentes pontos de ebulição. Cozinheiros ajustam receitas em altitude porque a água ferve a uma temperatura menor ali. Engenheiros de refrigeração escolhem fluidos refrigerantes em parte pelo ponto de ebulição nas pressões de trabalho. Estufas a vácuo e liofilizadores seguem o mesmo princípio: reduzir a pressão diminui a temperatura necessária para remover a água de um material.

Equação de Antoine e outros métodos

A equação de Antoine é uma versão simplificada de uma relação mais fundamental, chamada equação de Clausius-Clapeyron, que exige dados adicionais, como o calor de vaporização da substância. A equação de Wagner abrange faixas de temperatura mais amplas, mas exige mais constantes. As tabelas de vapor do NIST fornecem valores muito precisos para a água, mas não abrangem nenhuma outra substância. Na maioria dos cálculos cotidianos e de engenharia com líquidos comuns, a equação de Antoine oferece um bom equilíbrio entre simplicidade e precisão, em geral dentro de 1–2% dos valores medidos na faixa testada.

Perguntas frequentes

Como calcular o ponto de ebulição de um líquido?

Consulte as constantes de Antoine (A, B e C) da substância e use T = B / (A − log₁₀(P)) − C, com a pressão P em mmHg. A calculadora faz isso automaticamente para substâncias comuns ou para qualquer conjunto de constantes personalizado informado pelo usuário.

Qual é o ponto de ebulição da água à pressão padrão?

A água ferve a 100 °C (212°F) a 1 atm, ou 760 mmHg, a pressão atmosférica padrão ao nível do mar.

Por que a água ferve a uma temperatura menor em grandes altitudes?

A pressão do ar diminui à medida que a altitude aumenta. Uma pressão menor significa que a pressão de vapor da água alcança a pressão ao redor mais cedo, a uma temperatura mais baixa. Como regra aproximada, o ponto de ebulição cai cerca de 1 °C a cada 285 metros (935 pés) de desnível vertical ganho.

Por que líquidos diferentes fervem a temperaturas diferentes?

O ponto de ebulição depende da intensidade com que as moléculas de um líquido se atraem. Substâncias com forças intermoleculares intensas, como as ligações de hidrogênio na água, precisam de mais energia térmica para romper essas ligações e ferver, por isso têm pontos de ebulição mais altos do que substâncias com forças mais fracas, como o hexano.

A equação de Antoine funciona para misturas?

Não. Aplica-se apenas a substâncias puras. As misturas exigem outras ferramentas, como a lei de Raoult ou modelos de coeficiente de atividade, porque cada componente altera a pressão de vapor dos demais.

Qual é a precisão da equação de Antoine?

Dentro da faixa de temperatura testada de uma substância, ela normalmente concorda com os pontos de ebulição medidos com uma diferença de 1–2%. Fora dessa faixa, ou perto do ponto crítico da substância, a precisão cai, de modo que um resultado fora da faixa indicada deve ser tratado com cautela.

Referências

1. National Institute of Standards and Technology. NIST Chemistry WebBook: Water, phase change data. Dados de mudança de fase da água — ponto de ebulição normal de 373,17 K (100 °C).
2. National Institute of Standards and Technology. NIST Chemistry WebBook: Ethanol, phase change data. Dados de mudança de fase do etanol — ponto de ebulição normal de 351,5 K (cerca de 78 °C).
3. National Institute of Standards and Technology. NIST Chemistry WebBook: Toluene, phase change data. Dados de mudança de fase do tolueno — ponto de ebulição normal de 383,8 K (cerca de 111 °C).