Questão 120 — ENEM 2023 PPL
Na produção do politereftalato de etileno, o PET, utiliza-se como reagente o para-dimetilbenzeno, também chamado de para-xileno, que deve ter alta pureza. No entanto, o para-xileno obtido do petróleo possui contaminação dos seus isômeros orto-xileno e meta-xileno, cujas estruturas são apresentadas na figura. No quadro, são listadas as temperaturas de fusão e ebulição desses três isômeros.
Qual processo de separação permite a purificação desse reagente?
Alternativas
Resolução
Ficha da Questão
- Matérias necessárias: Química → Separação de misturas + Interpretação de propriedades físicas (temperaturas de fusão e ebulição) + Isomeria de posição (xilenos).
- Nível: Médio — requer escolher o método mais eficaz dado que as temperaturas de ebulição são muito próximas (difícil destilar), mas as de fusão são distantes (fácil separar por solidificação).
- Tema/Habilidade BNCC: técnicas de separação de misturas e suas aplicações industriais.
- Gabarito: E — solidificação fracionada.
Passo 1 — Leitura Estratégica do Comando
- Comando reformulado: "Qual método de separação é mais adequado para purificar para-xileno de uma mistura com orto- e meta-xileno, dadas as temperaturas de fusão e ebulição?"
- Palavras-chave decisivas: isômeros orto, meta, para-xileno, alta pureza exigida, temperaturas de fusão e ebulição listadas.
- Armadilha típica: marcar C (destilação fracionada) por hábito — mas os três xilenos têm pontos de ebulição muito próximos (138-144 °C), o que torna a destilação ineficiente mesmo com muitos pratos teóricos.
- Critério de acerto: comparar as diferenças entre propriedades:
- T_ebulição: orto 144 °C, meta 139 °C, para 138 °C → diferença de apenas 6 °C.
- T_fusão: orto −25 °C, meta −47,4 °C, para +13,5 °C → diferença de 60 °C entre para e meta!
- A solidificação fracionada (cristalização pelo resfriamento) explora essa diferença gigantesca.
Passo 2 — Mapa de Conceitos Essenciais
- Xilenos (dimetilbenzenos): 3 isômeros de posição segundo a localização dos grupos metil.
- orto (o): metilas adjacentes.
- meta (m): metilas em meta.
- para (p): metilas opostas (simetria C₂ᵥ, estrutura mais simétrica → maior T_fusão).
- Impacto da simetria na T_fusão: moléculas mais simétricas empilham-se melhor no sólido → cristalizam em temperaturas mais altas (p-xileno solidifica a 13,5 °C; orto e meta precisam de resfriamento bem maior).
- Destilação fracionada: útil quando T_ebulição diferem ≥ 25 °C. Aqui, diferença é < 6 °C → impraticável industrialmente (exigiria colunas gigantescas).
- Solidificação (cristalização) fracionada: esfria-se a mistura até que o componente de T_fusão mais alta precipite (cristalize) → resto fica líquido → separa-se por filtração. Muito usado na indústria do PET (a obtenção de p-xileno puro).
- Extração líquido-líquido: usaria um solvente que dissolva preferencialmente um dos isômeros — funciona, mas é menos eficiente que a cristalização para xilenos.
- Cristalização simples: funciona com sólido ionizado em solvente — não se aplica a líquidos orgânicos miscíveis.
Passo 3 — Decodificação do Enunciado
- Evidência 1 (tabela): T_ebulição ≈ 138-144 °C (pequena diferença); T_fusão varia de −47,4 a 13,5 °C (grande diferença, 60 °C).
- Evidência 2: p-xileno tem T_fusão ~60 °C maior que os outros dois → cristaliza primeiro ao resfriar.
- Síntese: o método que explora a diferença gigantesca de T_fusão é a solidificação fracionada.
Passo 4 — Resolução Completa (Passo a Passo)
Subpasso 4.1 — Avaliar cada método
| Método | Propriedade explorada | Viável aqui? |
|---|---|---|
| Destilação simples | T_eb muito diferentes (>50 °C) | ✗ (diferença < 6 °C) |
| Cristalização simples | sólido em solvente | ✗ (xilenos são líquidos) |
| Destilação fracionada | T_eb diferentes (20-30 °C) | ✗ (ainda muito próximas) |
| Extração líquido-líquido | solubilidade diferente em 2 solventes | △ (possível, mas pouco eficiente) |
| Solidificação fracionada | T_fus muito diferentes | ✅ (diferença de 60 °C) |
Subpasso 4.2 — Mecânica da solidificação fracionada
- Resfriar a mistura líquida de xilenos.
- Ao chegar perto de 13,5 °C, o p-xileno começa a cristalizar (ponto de fusão mais alto).
- Orto e meta continuam líquidos (T_fusão −25 e −47,4 °C, muito abaixo).
- Filtrar → obter cristais puros de p-xileno.
- Opcional: cristalização a frio sequencial para alta pureza (lavagem, recristalização).
Subpasso 4.3 — Por que as outras falhariam
- Destilação (simples ou fracionada): T_eb muito próximas → os vapores saem juntos.
- Cristalização simples: não é a técnica — cristalização simples de sólido em solvente é outra coisa; aqui o próprio líquido solidifica.
- Extração líquido-líquido: os três xilenos têm polaridades/similaridades quase idênticas → difícil achar solvente seletivo.
Passo 5 — Análise Crítica de Todas as Alternativas
A) Destilação simples.
❌ Incorreta. Aplica-se a misturas com grande diferença de T_eb (ex: água e etanol). Com 138-144 °C, é insuficiente mesmo ignorando o fracionamento.
B) Cristalização simples.
❌ Incorreta. Aplica-se à purificação de sólidos dissolvidos em solvente (ex: açúcar em água). Xilenos são líquidos à temperatura ambiente; o termo correto para "resfriar líquido e separar cristais" é solidificação fracionada.
C) Destilação fracionada.
❌ Incorreta. Mesmo com coluna fracionada, diferenças de 1-6 °C exigem eficiência extrema (milhares de pratos teóricos). Industrialmente inviável para xilenos.
D) Extração líquido-líquido.
❌ Incorreta. Os três xilenos são quimicamente muito similares; não há solvente com seletividade suficiente para separar puro o p-xileno. Métodos industriais usam sim extração com sulfolano, mas não como passo principal de purificação — e a resposta do ENEM é solidificação.
E) Solidificação fracionada. ✅ Correta.
Explora a diferença de 60 °C entre a T_fusão do p-xileno (+13,5 °C) e os outros isômeros (−25 e −47,4 °C). Resfriando a mistura, o p-xileno cristaliza primeiro → separação por filtração.
🏆 Gabarito: E — solidificação fracionada.
Passo 6 — Conclusão, Generalização e Dica de Prova
- Reafirmação: quando T_fusão difere muito mais que T_ebulição, a separação passa pelo resfriamento, não pelo aquecimento.
- Padrão de cobrança ENEM: métodos de separação com tabelas de propriedades físicas são recorrentes; chave = identificar qual propriedade varia mais.
- Generalização: Regra da escolha do método —
- T_eb muito diferentes → destilação.
- T_eb próximas + T_fus distintas → solidificação fracionada.
- Solubilidades diferentes em solventes → extração.
- Densidades diferentes → decantação/centrifugação.
- Tamanhos moleculares distintos → filtração/cromatografia.
- Dica de eliminação: se a questão menciona T_fusão tabulada, quase sempre a resposta é solidificação. Se menciona T_eb, destilação.
- Conexões: indústria do PET (p-xileno → ácido tereftálico → PET), isomeria de posição, simetria molecular e T_fusão, cristalização Parex (industrial, zeólita), adsorção.