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. Isômero Temperatura de fusão (°C) Temperatura de ebulição (°C) orto -xileno $-25$ $144$ meta -xileno $-47,4$ $139,3$ para -xileno $13,5$ $137,5$ Qual processo de separação permite a purificação desse reagente?

Questão 120 do ENEM 2023 (Ciências da Natureza)

Isômero	Temperatura de fusão (°C)	Temperatura de ebulição (°C)
orto-xileno	$-25$	$144$
meta-xileno	$-47,4$	$139,3$
para-xileno	$13,5$	$137,5$

Para resolver essa questão, precisamos analisar as propriedades físicas dos três isômeros do xileno fornecidas na tabela e entender como elas podem ser usadas para separá-los. O objetivo é isolar o para-xileno com alta pureza a partir de uma mistura líquida contendo os três isômeros.

Os métodos de separação de misturas homogêneas líquidas geralmente se baseiam em diferenças nas temperaturas de mudança de estado físico (fusão e ebulição) ou na solubilidade.

Primeiro, vamos observar as temperaturas de ebulição:

orto-xileno: $144\ ^\circ\text{C}$
meta-xileno: $139,3\ ^\circ\text{C}$
para-xileno: $137,5\ ^\circ\text{C}$

Note que as temperaturas de ebulição são muito próximas. A diferença entre o para-xileno e o meta-xileno é de apenas $1,8\ ^\circ\text{C}$ . Essa proximidade torna a separação por destilação (seja simples ou fracionada) extremamente difícil e ineficiente, pois os vapores formados conteriam uma mistura significativa dos isômeros, não atingindo a alta pureza exigida.

Agora, vamos analisar as temperaturas de fusão:

orto-xileno: $-25\ ^\circ\text{C}$
meta-xileno: $-47,4\ ^\circ\text{C}$
para-xileno: $13,5\ ^\circ\text{C}$

Aqui, a diferença é bastante significativa! O para-xileno possui uma temperatura de fusão muito mais alta que a dos seus isômeros. Em temperatura ambiente (cerca de $25\ ^\circ\text{C}$ ), a mistura dos três isômeros é líquida. Se começarmos a resfriar essa mistura, a temperatura vai diminuindo até atingir a temperatura de fusão do para-xileno.

Como o para-xileno congela a $13,5\ ^\circ\text{C}$ (uma temperatura bem mais alta que a de congelamento dos outros dois), ele será o primeiro componente a passar do estado líquido para o estado sólido. Enquanto o para-xileno se solidifica, o orto-xileno e o meta-xileno continuarão no estado líquido, pois só congelariam em temperaturas muito mais baixas ( $-25\ ^\circ\text{C}$ e $-47,4\ ^\circ\text{C}$ , respectivamente).

Esse processo de resfriar uma mistura líquida para que um de seus componentes se solidifique primeiro, permitindo sua separação física da fase líquida restante (por filtração, por exemplo), é chamado de solidificação fracionada.

Analisando as outras alternativas rapidamente:

Cristalização simples geralmente envolve a dissolução da mistura em um solvente seguida de evaporação, o que não é o caso ideal aqui.
Extração líquido-líquido seria ineficaz porque os três compostos são hidrocarbonetos aromáticos isômeros com polaridades muito semelhantes, logo, teriam solubilidades quase idênticas em qualquer solvente extrator.

Portanto, a grande diferença nas temperaturas de fusão torna a solidificação fracionada o método ideal para purificar o para-xileno.

Questão 120 do ENEM 2023 — Ciências da Natureza

Resolução comentada