UMSA
QMC-206
PRACTICA # 7
“SISTEMA LIQUIDO DE TRES COMPONENTES”
1.
OBJETIVO
1.
Construir en forma experimental la cueva binodal (o curva de solubilidad) y las líneas de unión para el sistema ternario: cloroformo, cloroformo, agua y ácido acético.
2.
Interpretar el diagrama de fases de un sistema ternario, aplicando la regla de las fases.
3.
FUNDAMENTO TEORICO
En un sistema en equilibrio el potencial químico de cada componente debe ser el mismo en cualquier parte del sistema. Si hay varias fases presentes, el potencial químico de cada componente (sustancia) debe tener el mismo valor en cada fase, en la que se encuentre el componente. Existen sistemas de un componente y varios componentes, entre estos pueden existir una o varias fases. Se puede hacer una generalización referente al número de fases que puede coexistir en un sistema llamada regla de las fases. Esta regla fue deducida y demostrada por J. Willard Gibbs y está dada por la siguiente ecuación: V=C-F+2
(1)
Donde: V = Grados de Libertad (Varianza) F = Número de Fases en el sistema C = Número de Componentes 1.
= Número referido a las variables de presión y temperatura
La regla de las fases nos proporciona un adecuado control de ideas acerca de los equilibrios entre fases en sistema más complicados. complicados.
Página 1
UMSA
QMC-206
En un sistema líquido de tres componentes (C = 3) de acuerdo a la regla de las fases la varianza del sistema será:
V=C-F+2=3–F+2=5-F
(1)
Si se fijan la presión y la temperatura la varianza será:
V =3-F
(2)
De modo que el sistema tendrá como máximo dos grados de libertad, que representan a las variables de composición relacionadas mediante la siguiente ecuación:
X1 + X2 + X3 = 1 (3) Es decir, que si variamos dos de las tres variables de composición, automáticamente automáticamente la tercera es fijada. Si existen 2 fases líquidas el sistema el sistema será monovariante, monovariante, es decir que si se llega a variar cualquiera de las composiciones, las composiciones de las soluciones conjugadas en el sistema quedan automáticamente definidas por medio de una de las líneas de unión de las muchas que existen en la zona bifásica. Diagrama Triangular
Para la representación gráfica de un sistema líquido de tres componentes componentes es conveniente el empleo del diagrama Triangular equilátero como el que se muestra en la Fig. 1 donde los vértices del triángulo t riángulo representan representan a un componente puro.
Página 2
UMSA
QMC-206
Cada lado del triángulo se divide en 100 partes, para así tener la composición centesimal, cualquier punto del lado del triángulo representa una mezcla binaria. Un punto en el interior del triángulo representa una mezcla ternaria, el % de A en la mezcla correspondiente al punto P está dado por los segmentos Pa o Pa’; en forma análoga el % de B está dado por los segmentos Pb o Pb’ y finalmente el % de C es igual a los segmentos Pc o Pc’, en síntesis se tiene:
% A = Pa
;
% B = Pb
;
% C = Pc
Los diagramas triangulares se utilizan como isotermas o diagramas a temperatura constante. Sistema Acido Acético
Cloroformo
–
Agua
–
En este sistema se tienen los siguientes pares:
H2O – CH3COOH
son totalmente miscibles entre sí
CHCl3 – CH3COOH son totalmente miscibles entre sí CHCl3 – H2O
son parcialmente miscibles entre sí
Página 3
UMSA
QMC-206
Acido Acético
E M R Cloroformo
Agua
En la anterior figura se muestra el diagrama de fases para este sistema a temperatura ambiente y presión atmosférica.
Cuando se agrega agua al cloroformo se obtiene un sistema homogéneo, siempre que la cantidad de agua no exceda la correspondiente al punto de saturación indicado por X. El agregado posterior de agua separa al sistema en Página 4
UMSA
QMC-206
dos fases. Si la composición inicial del sistema es Z, al agregar ácido acético, éste se distribuye entre las dos fases formando las soluciones ternarias conjugadas, cuyas composiciones están indicadas por los puntos E y R. La línea que los une se denomina línea de unión o línea de reparto y no es paralela a la base del triángulo debido a que el ácido acético es más soluble en agua que en cloroformo.
A medida que se va agregando más ácido acético, las líneas de unión se van acortando hasta que se llega al punto P, donde las soluciones conjugadas tienen la misma composición a este punto se le denomina punto de pliegue.
Una mezcla preparada cuya composición está dada por el punto M, se separa en dos fases conjugadas de composición E y R, la línea de unión se determina separando ambas fases y pesándolas para luego analizar el contenido de ácido acético en ambas fases. Aplicando la regla de la palanca para soluciones conjugadas de la mezcla se tiene:
Donde: R = Cantidad de la solución conjugada rica en CHCl3 E = Cantidad de la solución conjugada rica en H2O M = Cantidad de la mezcla XR = Fracción en peso de ácido acético en R XE = Fracción en peso de ácido acético en E XM = Fracción en peso de ácido acético en M
Página 5
UMSA
2.
QMC-206
APARATOS Y REACTIVOS
Los materiales que se usaron fueron los siguientes: 1.
2 Buretas de 50 ml
2.
6 Matraces erlenmeyer de 150 ml
3.
2 Pinzas para buretas
4.
Anillos.
5.
Embudos de separación de 125 ml
6.
Soportes universales
7.
2 Pipetas de 5 ml
8.
1 Pipeta de 10 ml
9.
1 Probeta de 50 ml
Los reactivos fueron: 1.
Ácido acético glacial
2.
Cloroformo
3.
Hidróxido de Sodio
4.
Fenolftaleína
5.
Agua Destilada Página 6
UMSA
6.
QMC-206
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
SISTEMA LÍQUIDO DE TRES COMPONENTES
Prepara una mezcla de 5 ml de
Prepara una mezcla de 1 ml de
Preparar tres mezclas de las
cloroformo y 0,5 ml de agua en
cloroformo y 2,5 ml de agua en
siguientes composiciones cada
un Erlenme er de 100ml
otro Erlenme er de 100 ml
mezcla en matraz Erlenme er:
Agregar ácido acético desde una
Añadir ácido acético y obtener
bureta hasta obtener una
una solución clara .
solución clara.
Anotar el volumen de ácido acético astado.
Agregar 4 porciones de 2,5 ml
ÁCIDO ACÉTICO AGUA
Mezcla
CLOROFORMO
A
35%
25%
40%
B
30%
35%
35%
C
30%
45%
25%
de agua y en cada caso
Traspasar
agregar ácido acético hasta
separación y agitar vigorosamente
que la turbidez de la mezcla
durante 5 min. , y dejar reposar para
a
los
embudos
de
Repetir el procedimiento agregando a la mezcla resultante Pesar cada una de las fases y analizar
0,5 ;1;1,5;10 y 15 ml de agua cada
el contenido de ácido acético en cada fase.
Usar toda la fase orgánica y una alícuota de 5 ml de la fase acuosa emplear una solución 2M de NaOH y fenolftaleí na como indicador.
Página 7
UMSA
7.
QMC-206
CALCULOS Y CUESTIONARIO
Realizamos reorganizando nuestra hoja de cálculos: Zona Orgánica
N
Volumen CHCl3
Volumen H2O
(ml)
(ml)
Volumen CH3COOH (ml)
1
5
0.5
4.0
2
5
1.0
5.4
3
5
2.5
8.0
4
5
7.5
15.0
5
5
17.5
26.0
6
5
32.5
41.5
Zona Acuosa
N
Volumen CHCl3
Volumen H2O (ml)
(ml)
1
1
Volumen CH3COOH (ml)
2.5
Página 8
5.6
UMSA
QMC-206
2
1
5.0
8.2
3
1
7.5
11.4
4
1
10.0
14.5
5
1
12.5
17.0
Líneas de Unión
Preparación:
Mezcla
CHCl3(ml)
CH3COOH (ml)
H2O (ml)
A
5.25
3.75
6.00
B
4.50
5.25
5.25
C
4.50
6.75
3.75
Pesos y Volúmenes de cada fase:
(Los pesos se hallaron directamente en laboratorio aprovechando las bondades de la balanza electrónica usada. Se taró el peso de cada probeta vacía, de modo que luego se midiera directamente el peso de cada fase. Los volúmenes fueron medidos directamente con la probeta correspondiente)
Mezcla
Fase Orgánica Peso (g)
Fase Orgánica Volumen (ml)
Fase Acuosa Peso (g)
Fase Acuosa Volumen (ml)
A
7.090
5.20
9.540
9.20
B
6.520
4.35
10.48
10.5
Página 9
UMSA
QMC-206
C
1.
5.710
4.50
10.710
10.1
Determinar los porcentajes en peso de cloroformo, acido acético y agua de cada mezcla, tabular resultados.
Zona Orgánica
Volumen CHCl3
Volumen H2O
(ml)
(ml)
Volumen CH3COOH (ml)
5
0.5
4.0
5
1.0
5.4
5
2.5
8.0
5
7.5
15.0
5
17.5
26.0
5
32.5
41.5
Aplicando la ecuación:
V
m=
3 = 1.47 3 =1.05 ) 2 = 1 ( TABLA1: Masa CHCl3
Masa H2O
(g)
(g)
Masa CH3COOH
Masa Total (g)
(g)
7.35
0.5 Página 10
4.20
12.05
UMSA
QMC-206
7.35
1.0
5.67
14.02
7.35
2.5
8.40
18.25
7.35
7.5
15.75
30.60
7.35
17.5
27.30
52.15
7.35
32.5
43.58
83.43
Entonces las fracciones en peso serán: TABLA2: % CHCl3
% H2O
%CH3COOH
61.00
4.15
34.85
52.42
7.13
40.44
40.27
13.70
46.03
24.02
24.51
51.47
14.09
33.56
52.35
8.81
38.95
52.24
Volumen CHCl3
Volumen H2O
(ml)
(ml)
Volumen CH3COOH
Zona Acuosa
TABLA3:
(ml)
1
2.5
5.6
1
5.0
8.2
Página 11
UMSA
QMC-206
1
7.5
11.4
1
10.0
14.5
1
12.5
17.0
Aplicando la ecuación:
V
m=
3 = 1.47 3 =1.05 ) 2 = 1 ( TABLA4: Masa CHCl3
Masa H2O
(g)
(g)
Masa CH3COOH
Masa Total (g)
(g)
1.47
2.5
5.88
9.85
1.47
5
8.61
15.08
1.47
7.5
11.97
20.94
1.47
10
15.22
26.69
1.47
12.5
17.85
31.82
Entonces las fracciones en peso serán:
TABLA5: % CHCl3
% H2O
%CH3COOH
14.92
25.38
59.70
Página 12
UMSA
QMC-206
2.
9.75
33.16
57.10
7.02
35.82
57.16
5.51
37.47
57.02
4.62
39.28
56.10
Graficar la curva binodal usando los resultados obtenidos en el anterior punto, completar con los siguientes datos: una solución saturada de agua en cloroformo contiene 98 % en peso de cloroformo. Mientras que la solución conjugada de cloroformo en agua contiene 1.0 % de cloroformo también en peso.
El presente grafico se realizara en un papel milimetrado mostrando en comportamiento de cada sustancia:
Página 13
UMSA
QMC-206
3.
Trazar las líneas de unión
Las composiciones en volumen de las mezclas son:
Mezcla
Cloroformo
Acido Acético
Agua
A
35%
25%
40%
B
30 %
35 %
35 %
C
30 %
45 %
25 %
Pesos y Volúmenes:
Página 14
UMSA
QMC-206
Mezcla
Fase Orgánica Peso (g)
Fase Orgánica Volumen (ml)
Fase Acuosa
A
7.090
5.20
9.540
9.20
B
6.520
4.35
10.48
10.5
C
5.710
4.50
10.710
10.1
Página 15
Peso (g)
Fase Acuosa Volumen (ml)
UMSA
QMC-206
Para la solución A:
Página 16
UMSA
QMC-206
% HAcORG
m HAcORGANIC O
m HAcORGA NIC O mORGANICO
*100
5.0ccNaOH *
2 eq - gr
*
1 eq - gr HAc
*
1000 cc NaOH 1eq grNaOH 1eq grHAc
m HAcORGANIC O
% HAc
7.09 gr
*100
m HAcACUOSO m ACUOSO
14ccNaOH *
1.68 gr
60 grHAc
1mol
8.46 % HAc
*100
2 eq - gr
*
1 eq - gr HAc
9.54 gr
*
1mol HAc
1000 cc NaOH 1eq grNaOH 1eq grHAc
% HAc
*
0.60 gr de HAc organico
0.60 gr
% HAc ACUOSP
ma cos o
1mol HAc
*100
17.61 % HAc
Para la solución B:
Página 17
*
60 grHAc 1mol
1.68 grHAc a cos o
UMSA
QMC-206
% HAcORG
m HAcORGANIC O
m HAcORGANIC O mORGANICO
* 100
7.6ccNaOH *
2 eq - gr
*
1 eq - gr HAc
*
1000 cc NaOH 1eq grNaOH 1eq grHAc
m HAcORGANIC O
% HAc
6.520 gr
* 100
m HAcACUOSO m ACUOSO
19ccNaOH *
2.28 gr
60 grHAc
1mol
13.99 % HAc
*100
2 eq - gr
*
1 eq - gr HAc
10.48 gr
*
1mol HAc
1000 cc NaOH 1eq grNaOH 1eq
% HAc
*
0.912 gr de HAc organico
0.912 gr
% HAc ACUOSP
ma cos o .
1mol HAc
*100
21.76 % HAc
Para la solución C:
Página 18
grHAc
*
60 grHAc 1mol
2.28 grHAc a cos o
UMSA
QMC-206
% HAcORG
m HAcORGANIC O mORGANICO
* 100 2 eq - gr
m HAcORGANIC O
11ccNaOH *
m HAcORGANIC O
1.32 gr de HAc organico
% HAc
1.32 gr
ma cos o
m HAcACUOSO m ACUOSO
22.7cc *
4.
1 eq - gr HAc
*
1mol HAc
1000 cc NaOH 1eq grNaOH 1eq grHAc
*
60 grHAc 1mol
* 100 23.12 % HAc
5.71 gr
% HAc ACUOSP
*
* 100
2 eq - gr
2.724 10.71
*
100 25.43% HAc
1 eq - gr HAc
*
1mol HAc
1000 cc NaOH 1eq grNaOH 1eq grHAc
*
60 grHAc 1mol
2.724 grHAc a cos o
Indicar la varianza del sistema dentro y fuera de la curva binodal y en los dos lados del diagrama.
Dentro de la curva binodal es V = C – F+2 (P, T, x i) Como P y T es constante y hay tres componentes, se tiene: V=3-F Habiendo realizado este análisis, efectuamos el análisis en las diferentes regiones del diagrama: 1.
en la región monofásica:
F=1
2.
en la región bifásica:
F=2
3.
en una línea de unión:
V = 3 –1 = 2
V = 3 – 2 = 1
Página 19
UMSA
QMC-206
F = 2, pero: “T” también es constante, ya que sobre una línea de unión ya esta definida
1.
V = C – F = 3-2 = 1
Determine el punto pliegue.
Habiendo ya trazado las líneas de unión extrapolamos y trazamos una línea de unión hacia el punto de pliegue o punto de coso luto por tal razón se lee de la gráfica:
% CH3COOH =
2.
%H2O =
%CHCl3 =
¿Por que no puede aplicarse la ley de de reparto a las soluciones conjugadas?
En 1391 se formula la ley del reparto, dada por Nerst, esta ley se ha aplicado al estudio de problemas a nivel teórico y práctico, como el proceso de extracción, el de análisis y determinación de las constantes de equilibrio, las cuales dependen de la temperatura dada.
Poniendo de ejemplo a la extracción, este procedimiento se utiliza a nivel de laboratorio e industrial. En el primero se utiliza para remover una sustancia de un líquido o de un sólido mediante la utilización de un solvente orgánico como éter, cloroformo, benceno, tetracloruro de carbono o en agua.
A nivel industrial se aplica en la remoción de elementos no deseables en el producto final, pero para esto se necesita saber la cantidad de solvente a utilizar y el número de veces que se a de efectuar el ciclo de la extracción, ya que no se debe desperdiciar reactivos ni energía. Debido a que el ácido acético es más soluble en el agua que en el cloroformo.
3.
Definir lo que significa capa refinada y capa extracto.
Página 20
UMSA
QMC-206
La capa refinada es la solución conjugada rica en la fase orgánica, en nuestro caso rica en cloroformo. La capa extracto es la solución conjugada rica en la fase acuosa, es decir rica en agua.
4.
CONCLUSIONES
1.
Se construyo en forma experimental la curva binodal y las líneas de unión para el sistema ternario: cloroformo, agua y ácido acético.
1.
Se comprobó la regla de las fases usando el diagrama triangular, observando el cambio de fases respecto a la composición de cada elemento.
2.
La limitada solubilidad de los componentes ocasiona que se formen dos líquidos, pero al agregar un tercero (ácido acético) este ocasiona la disolución, formándose entonces dos soluciones ternarias conjugadas en equilibrio.
3.
Al realizar los cálculos se tuvo problemas con respecto de las líneas de unión puesto que a mi parecer se tuvieron confusiones al anotar los valores de la masas de las dos fases orgánica y acuosa puesto que la fase orgánica es la mas densa por lo tanto en el embudo de separación la fase orgánica estará en el fondo, por lo que tuve que hallar la progresión que seguiría las masas halladas.
4.
Por ultimo la única recomendación que tengo es que en laboratorio se debería de tener mayor cantidad de reactivos puesto que nos hizo difícil hacer la práctica.
5.
BIBLIOGRAFIA
1.
Guía de Laboratorio “Sistema líquido de Tres componentes”; Ing. Jorge Avendaño.
2.
FISICOQUÍMICA “Sistema Ternario”, John H Meiser
3.
Internet Pág. Ley de reparto
4.
Biblioteca Encarta “Sistema Ternario”
Página 21
