Universidad Autónoma Autónoma de Coahuila Facultad de Ciencias Químicas
Laboratorio de Termodinámica Práctica 2: ‘!"#T$"%UC"&' !( AC"!& AC(T"C& ('T$( A)UA * (T($ +%('C('&,
!r- .os/ conce0ción (scobedo %ocardo
(QU"P& 1 .UA'"TA A$AC(L" C($!A C&$T"'A# A'A PAL&3A !( .(#U# )&'4AL(# )A$C"A L*'!&' 5U3%($T& !U$&' #A'C5(4 LU"# $(* P($ALTA P($ALTA #A'C5(4 A'!$(A 3A$L('( 3A$L('( 3"$(L(# $A3&# F$A'C"#C& %&T(LL& 6A4QU(4 (!)A$ UL"#(# 3('!(4 CA3P&# $&!$")& $&#AL(# P"C&' 27 de se0tiembre del 2897
OBJETIVO: El propósito de este experimento es el estudio de la distribución de un soluto entre dos solventes inmiscibles.
TEORIA: Si una porción de una solución conteniendo soluto A es agitada con una porción de un segundo solvente, el cual es inmiscible con el primer solvente pero en el cual A es soluble, se encuentra que en el equilibrio las concentraciones de soluto en los dos solventes están relacionadas por un tipo especial de constante de equilibrio. La distribución puede ser complicada, en algunos casos, por ionización, disociación o asociación del soluto en uno o ambos de los solventes. En este experimento consideraremos solamente dos situaciones simples. En una el soluto tiene la misma forma molecular en ambos solventes. En la otra el soluto está asociado en moléculas dobles en uno de los solventes. omo soluto usaremos ácido acético ! como par de solventes usaremos éter"agua o benceno"agua. #o $a! asociación del soluto ni en agua ni en éter, pero $a! asociación en moléculas dobles en el benceno. La mu! ligera ionización del ácido acético en el agua no es significativa. El proceso de formación de moléculas dobles en solventes que no contienen ox%geno es caracter%stico de muc$os ácidos orgánicos. &esignemos un solvente como fase ' ! al otro solvente como fase (. La ecuación para la distribución del soluto entre los dos solventes, cuando no $a! asociación, puede escribirse)
CH 3COOH (1 )
= CH 3 COOH ( 2)
La constante de equilibrio para esta reacción es)
=
K
C 2 C 1
*'+
En la cual representa la concentración del ácido. La constante es llamada usualmente coeficiente de distribución. &e la misma forma que otras constantes de equilibrio, su valor cambia con la temperatura. Si $a! asociación en moléculas dobles en la fase (, la ecuación para la distribución puede escribirse como)
2CH 3COOH (1)
= CH 3COOH (2)
- la expresión para la constante de equilibrio es)
=
K
C 2 2
C 1
*(+
Las ecuaciones *'+ ! *(+ son usadas para comprobar la asociación en un experimento de distribución. arias cantidades de soluto son llevadas al equilibrio en varios vol/menes de los dos solventes. Las concentraciones de soluto en los solventes son sustituidas en estas ecuaciones. Si no ocurre asociación ! si no $a! otros factores de complicación, la ecuación *'+ dará una serie de valores constantes de . Si, por otra parte, no se obtiene una serie de valores constantes usando la ecuación *'+ pero se obtiene usando la ecuación *(+, sabremos que la asociación $a tenido lugar en la fase (. &eberá notarse que ni la ecuación *'+ ni la ecuación *(+ establecen algo acerca de las cantidades relativas de los dos solventes, son solamente las concentraciones de soluto las que deben satisfacer la expresión de la constante de equilibrio.
El proceso de distribución de un soluto entre solventes inmiscibles se utiliza en experimentos de extracción, particularmente en qu%mica orgánica. Sabemos emp%ricamente que el uso de solvente extractor en peque0as porciones produce una muc$o más eficiente extracción que el uso de un mismo volumen de solvente en una porción extractora. Esto se demuestra matemáticamente de la ecuación *'+. Limitemos nuestras consideraciones al caso simple cuando no ocurre asociación. Llamemos X 0 a los gramos de soluto en V mililitros de solvente ', ! agitemos esta solución con porciones sucesivas de solvente (. &esignemos al volumen de solvente ( como v mililitros. &esignemos la cantidad de soluto que permanece sin extraer en el solvente ' después de cada extracción por los s%mbolos X 1, X 2 , X 3, etc. 1uesto que las concentraciones se expresar%an en gramos por mililitro, la sustitución en la ecuación *'+ conducir%a a)
K
=
( X 0 − X 1 ) / v X 1 / V
*2+
3esolviendo la ecuación *2+ para X 1, tendr%amos)
X 1
= X 0
V Kv + V
*4+
La repetición de este proceso lleva a la cantidad que permanece sin extraer después de n extracciones)
n
X n
V = X 0 Kv + V
*5+
Si es necesario conocer la fracción sin extraer después de n extracciones, la ecuación *5+ puede reagruparse dando)
X n X 0
n
V = Kv + V
*6+
El procedimiento de extracción ! el efecto de usar una cantidad dada de solvente extractor en un n/mero de peque0as porciones se estudiará en este experimento agitando una solución de ácido acético en éter con agua. En un caso el agua es usada en una porción7 en la otra, se dividirá en tres porciones.
EQUIPO Y REACTIVOS: 8res embudos de separación, pipeta de 5 ml., bureta, vasos de precipitados, soporte ! pinzas para bureta7 solución de ácido acético 9.5#7 ácido acético glacial7 éter *benceno+7 $idróxido de sodio 9.'#7 indicador de fenolftale%na.
PROCEDIMIENTO: 1ara me:ores resultados, el experimento debe llevarse a cabo a temperatura constante. A partir del ácido acético 9.5# original prepare soluciones 9.(5# ! 9.'(5#. Estas
normalidades
solo
necesitan
ser
aproximadas,
puesto
que
las
concentraciones de equilibrio serán determinadas por titulación con base estándar. 1ipetee 59 ml. del ácido acético 9.5# ! 59 ml. de éter dentro del primer embudo de separación. 1ipetee cantidades iguales de ácido 9.(5# ! 9.'(5# en otros embudos ! agregue 59 ml. de éter en cada uno. Agite ocasionalmente ! después de cada agitación destape el embudo para desalo:ar los gases formados. ;na vez que se alcanza el equilibrio *'9"(9 min.+, drene la fase acuosa en un vaso de precipitados cuidando que solamente sea esta fase la drenada. &escargue la
porción interfacial ! de:e la fase etérea en el embudo de separación. Las pérdidas de algo de fase acuosa ! etérea cuando se descarga la porción interfacial no afectan los resultados. 8itule por duplicado porciones de '9 ml. de cada fase con #a<= 9.'#. 1repare (59 ml. de ácido acético 9.5# en éter par uso en los estudios de extracción. Esta solución puede prepararse midiendo el volumen apropiado de ácido acético glacial con una bureta ! depositándolo en un matraz volumétrico de (59 ml. ! llenando $asta la marca con éter *esta solución sirve para dos grupos+. ;na porción de 45 ml. de esta solución es mezclada con 45 ml. de agua" *a+ El agua usada en una porción ! *b+ El agua usada en tres porciones de '5 ml. cada una. uando se usa una porción, el procedimiento es similar al descrito anteriormente. 1ara el estudio de las tres porciones, los 45 ml. de la solución de éter son mezclados con los primeros '5 ml. de agua $asta que se alcanza el equilibrio. Entonces los '5 ml. de la solución acuosa, los cuales constitu!en la capa inferior en el embudo de separación, son vaciados en un matraz Earlenma!er. Se agregan entonces otros '5 ml. de agua al embudo, ! esta porción se lleva al equilibrio con la fase etérea. ;na vez logrado esto, la fase acuosa es vaciada en el matraz Earlenma!er que contiene los primeros '5 ml. de la porción de agua. El procedimiento se repite con los terceros '5 ml. de agua. El ácido acético en la fase etérea para los dos procesos es determinado titulando porciones de '9 ml. de las fases con base estándar. El agua de la primera extracción ! el agua combinada de las tres extracciones son asimismo tituladas para el ácido acético con base estándar. 1uede $acerse una comparación de la cantidad de ácido acético extra%do por el agua de los dos procesos.
REPORTE a) Use los datos de las tres soluco!es "cdas e! el #ar a$ua%&ter #ara calcular el coe'ce!te de dstr(uc! #or *edo de la ecuac! +,)+Nco!c)+Vco!c) . +Ndl)+Vdl)
resultados
Nor*aldad
*0 de "cdo ac&tco
.5
(.>5
.(5
'.4(
.'(5
9.?'4
Nor*aldad
*l- de NaO/
Pro*edo
9.5
((.> '>.5 '(.? '9.6 6 6.?
(9.65
9.(5 9.'(5
''.65 6.25
1ara calcular las concentraciones) C1
=
0.1(ml. gastados) 50ml.
∗
60 1000
gr . = N ∗ 60 ml . 1000
C
C 2
= C − C 1 con #@ .5, .(5 ! .'(5
Se obtiene que) # 9.5 9.(5 9.'(5
' 9.99(4?> 9.99'2B> 9.999?6(
*gr. ml.+ 9.92 9.9'5 9.99?5
( 9.9(?5(( 9.9'269( 9.996?2>
on los valores calculados ' ! ( es posible conocer las contantes de equilibrio
# 9.5 9.(5 9.'(5
@ (' ''.'965 B.?(B6 >.>4(5
@('( 44>(.95?' 6B5B.6664 ''694.2565
() Usa!do las ecuaco!es +1) 2 +3) calcule los $ra*os de "cdo ac&tco s! e4traer cua!do los 51 *l- de la soluc! de &ter 'uero! *e6clados co! los 51 *l- de a$ua e! a*(os casos7 u!a #orc! 2 tres #orco!es- Calcule las ca!tdades e4tra8das7 as8 co*o las 'racco!es e4tra8das 2 s! e4traer e! a*(os casos;tilizamos la siguiente ecuación para calcular las normalidades 0.1(ml. NaOH) N = 45 ml. - para calcular las cantidades extraidas utilizamos) gr . = N ∗ 60 C ml . 1000 Al emplear estas ecuaciones con las distintas normalidades obtenemos los siguientes valores) Fase acuosa
Fase eterea
9 E4tracc-
*l- O/
N
$r-*l-
C+$r-*l)
N
$r-*l
'
>.5
9.9'>>>
9.99''2(
9.92
9.4>'
9.9(>>6
2
'?
9.92???
9.99((66
9.92
9.46(
9.9(??2
onsiderando que ' ! ( @ 45 ml. 1odemos utilizar las siguientes ecuaciones
1
! ! =
V n
0
1
n
V2
n
!n !0
= V V + V 1
2
1
- asi obtenemos)
9E4tacc-
;<
;!
V,
V=
>
;! ;<
'
9.99''2(
9.9(>>6
45
45
9.92B((
9.B6((
2
9.99((66
9.9(??2
45
45
9.422B
9.22B'
c) Co*#are los ?alores e4#er*e!tales co! los c"lculos a o(te!dos tra?&s de la ecuac!- Para estos c"lculos utlce el ?alor del coe'ce!te de dstr(uc! o(te!do e! la #r*era #arte del e4#er*e!to-
N
>. C= C,
>.C= C,=
9.5
''.'965
44>(.95?'
9.(5
B.?(B6
6B5B.6664
9.'(5
>.>4(5
''694.2565
omparando los resultados obtenidos en el experimento ! los de la ecuación se puede concluir que el acido acético en la fase acusa tiene más afinidad.
d) Su$era al$u!a otra 'or*a de lle?ar a ca(o el e4#er*e!to co! el #ro#sto de *e@orarlo REPETICIN DE0 PROCESO DE E;TRACCIN &espués de una primera extracción se produce un reparto del compuesto a extraer entre el disolvente de extracción ! la fase inicial. omo la fase inicial suele contener a/n una cantidad del compuesto a extraer, variable en función de su coeficiente de reparto entre los dos disolventes implicados, es recomendable repetir el proceso de extracción con nuevas cantidades de disolvente de extracción, para optimizar su separación. A partir de la fórmula del coeficiente de
reparto es mu! fácil demostrar que es más eficiente una extracción con n porciones de un volumen V n de disolvente de extracción que una sola extracción con un volumen V de disolvente. 1or lo tanto, cuanto ma!or sea el n/mero de extracciones con vol/menes peque0os de disolvente de extracción, ma!or será la cantidad de producto extra%do, o dic$o de otra forma, Cme:or muc$os de poco que pocos de muc$oD.
e) e4#lue ue es el coe'ce!te de e4t!c! *olar absorvancia =( e ) ( C ) ( L)
Esta relación se conoce como Le! de eer"Lambert ! permite corregir la dependencia de la concentración ! otros factores operacionales al comparar distintos compuestos. En donde
e
.coeficiente de extinción molar molar *F"'.cm"'+. 3epresenta a
cada longitud de onda la capacidad que tienen una sustancia de absorber la radiación electromagnética.
') E! ue #rocesos !dustrales se #uede e*#lear la e4tracc! ludo% ludo La extracción liquido"liquido es una operación unitaria de transferencia de materia basada en la disolución de uno o varios de los componentes de una mezcla *l%quida o que formen parte de un sólido+ en un disolvente selectivo. onsiste en poner una mezcla l%quida en contacto con un segundo l%quido miscible, que selectivamente extrae uno o más de los componentes de la mezcla. Se emplea en la refinación de aceites lubricantes ! de disolventes, en la extracción de productos que contienen azufre ! en la obtención de ceras paraf%nicas. El l%quido que se emplea para extraer parte de la mezcla debe ser insoluble para los componentes primordiales. &espués de poner en contacto el disolvente ! la mezcla se obtienen dos fases l%quidas que reciben los nombres de extracto !
refinado. El producto de la operación, rico en disolvente se llama extracto7 el l%quido residual de donde se separó el soluto es el refinado.
A#lcaco!es: G Extracción de compuestos aromáticos ! naftenicos para la producción de aceites lubricantes. G Separación de aromáticos *enceno, 8olueno, Hilenos+ de las parafinas con 8etrametileno sulfona. G Separación de metales pesados *#i, u, In,J+ de efluentes acuosos con ácidos ó aminas. G 3ecuperación de ;ranio. G Extracción de 1enicilina ! 1rote%nas.
CONC0UCIONES KEste método es mu! efectivo en casos donde se encuentra una mezcla de ( liquidos miscibles entre si ! el punto de ebullición entre los ( es mu! parecido, en tal caso el uso de la destilación no es mu! recomendado. #os dimos cuenta que un cambio de temperatura en el sistema puede afectar la solubilidad de uno de los reactivos e influ!e por lo tanto en la extracción completa del mismo. 1ara separar uno de los componentes de la mezcla se usa un reactivo que es soluble en uno de los componentes el cual debe ser selectivo, al introducirse en la mezcla se debe esperar a que el sistema llegue al equilibrio, es decir cuando el potencial qu%mico del componente con extractor es igual al segundo ! por lo tanto la velocidad de transferencia de masa es mas lenta. Se demostró que el tiempo es escencial en la eficacia de separación !a que se extra:o mas acido acetico en 2 lavados de '5 ml de acido de (9 minutos cada uno que en uno de 59 ml de (9 minutos .
02!do! /u*(erto Israel Duro! Sa!ce6 F Se puede decir que el coeficiente de distribución está en función de la actividad de los solutos en cada uno de los solventes, mientras que en el l%mite de un sistema inmiscible se puede suponer que las componentes son completamente incompatibles, ! que al observar la afinidad del soluto $acia la fase acuosa se
conclu!e que el solvente extractor es el agua al tener ma!or cantidad de acido acético disuelta.
0us Re2 Peralta Sa!ce6
K La extracción liquido"liquido se recomienda llevar a cabo cuando las sustancias que se desean separar tienen puntos de ebullición mu! cercano. 1ara esta extracción se lleva a cabo eficientemente es necesario que la sustancia A la cual se desea separar de la sustancia sea soluble en la tercer sustancia que se agregara e inmiscible en la sustancia . Se observó que la solubilidad es afectada por la temperatura ! que la presión no influ!e para nada debido que son l%quidos con los que se está traba:ando. &e demostró que es más eficiente una extracción liquido"liquido en n porciones de un volumen V n de disolvente de extracción que una sola extracción con un volumen V de disolvente.
A!a Palo*a de JesGs Ho!6ales Harc8a
