343583202 Fisicoquimica Dos Componentes

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA CURSO BASICO

PRÁCTICA No 6 INFORME DE LABORATORIO: “SISTEMA LIQUIDO DE DOS COMPONENTES” DOCENTE:

ING. JORGE AVENDAÑO CHALCO

AUXILIAR:

ALEJANDRO HUANCA PARRA

ESTUDIANTE:

JUAN MAURICIO JARANDILLA NUÑEZ

CARRERA:

INGENIERÍA INDUSTRIAL INDUSTRIAL

GRUPO:

C

FECHA DE REALIZACION:

16 DE NOVIEMBRE DE 2016

FECHA DE ENTREGA:

23 DE NOVIEMBRE DE 2016

LA PAZ – BOLIVIA ~1~

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ÍNDICE ÍNDICE ................................................................................................................................... 2 I. Objetivos..........................................................................................................................3 II. Fundamento Teórico........................................................................................................ 3 2.1. Equilibrio líquido-líquido líquido-líquido en mezclas binarias............................................................ 3 2.2. Regla de las Fases de Gibbs .................................................................................... 4 2.3. Dos componentes componentes líquidos........................................................................................ 6 III. Materiales, Materiales, Reactivos y Equipos................................................................................... 9 IV. Procedimiento Procedimiento .............................................................................................................. 9 V. Análisis y Tratamiento Tratamiento de de Datos .................................................................................... 10 5.1. Recolección Recolección de Datos ............................................................................................. 10 5.2. Realizar los cálculos correspondientes para graficar Temperatura vs Composición en Peso y Temperatura vs Composición Composición Molar ................................................................. 10 5.2.1. Gráfico Temperatura vs Composición (en peso) .............................................. 12 5.2.2. Gráfico Temperatura vs Composición (en fracción molar) ............................... 13 5.3. ¿Qué es una línea de unión o de reparto? .............................................................. 13 5.4. Calcular la varianza del sistema para tres puntos distintos en la gráfica e interpretar los resultados .................................................................................................................... 14 VI. Cuestionario Cuestionario ............................................................................................................... 14 VII. Conclusiones Conclusiones y Recomendaciones Recomendaciones............................................................................. 18 VIII. Observaciones Observaciones ........................................................................................................... 19 IX. Bibliografía Bibliografía ................................................................................................................. 19









SISTEMA LIQUIDO DE DOS COMPONENTES I.  



Objetivos Estudiar las propiedades de sistemas líquidos parcialmente miscibles. miscibles . Construir la curva de solubilidad para el sistema fenol – agua, en función de la temperatura y la concentración. Aplicar la regla de la palanca a un sistema binario parcialmente miscible.

II.

Fundamento Teórico

2.1.

Equilibrio líquido-líquido en mezclas binarias

Si consideramos la mezcla a P y T constante de dos líquidos A y B, en cantidades n A y n B, esta se producirá cuando G disminuya, es decir cuando la energía libre de la mezcla sea menor que la energía libre de los dos componentes puros. Así si definimos la energía libre de mezcla ΔG Mezcla como el cambio en la energía libre del sistema al llevar a cabo el proceso de mezclar ambos líquidos:

y por mol de mezcla:

Que debe ser < 0 para que el proceso tenga lugar. , a T y P constantes, puede variar con la composición del sistema (con la fracción molar de sus componentes), según se representa esquemáticamente en la figura:

La ΔG

Mezcla









En (c) se representa una situación más compleja. ΔG mezcla <0, luego ambos líquidos son miscibles. Sin embargo, si la mezcla tiene una composición entre χ1 y χ2, ΔGmezcla es menor si el sistema se separa en dos fases, de composición χ 1 y χ2 respectivamente. Se habla en este

caso de que a la P y T de trabajo los líquidos son parcialmente miscibles. miscibles . Los líquidos son miscibles en composición χ<χ 1 y χ>χ2, pero no en composiciones intermedias. Para entender cómo es posible que dos líquidos sean parcialmente miscibles a una T y P, y que en otras condiciones sean totalmente miscibles o inmiscibles, basta con analizar cuales son las contribuciones de la entalpía y de la entropía al proceso de mezcla, y ver por ejemplo cual es el efecto que produce la variación de la T:

En general, ΔS mezcla>0, luego ΔG mezcla <0 si ΔHmezcla <0, o si ΔH mezcla >0 pero menor que el término (-TΔSmezcla). Aunque consideráram os que ΔH mezcla y ΔSmezcla varían poco con la T si la

variación de esta no es muy grande, una variación de T puede implicar un cambio de signo en ΔGmezcla, pudiéndose obtener diagramas de fase líquido-líquido más o menos complejos como los de la figura, en los que la P se mantiene constante, y en los que se observan puntos de temperatura crítica inferior, temperatura inferior de cosolubilidad (LCST), de temperatura crítica superior, temperatura superior de cosolubilidad (UCST), o ambos respectivamente.

2.2.

Regla de las Fases de Gibbs

Los llamados “Diagramas de Fase” representan esencialmente una expresión gráfica de la “Regla de las Fases”, la cual permite calcular el número de fases que pueden coexistir en

equilibrio en cualquier sistema, y su expresión matemática está dada por:

P=C-F+2









En 1875 J. Willard Gibbs relacionó tres variables: fases (P), componentes(C), y grados de libertas o varianza (F) para sistemas multicomponentes en equilibrio. El número de grados de libertad se determina por la regla de las fases, si y solo si el equilibrio entre las fases no está influenciado por la gravedad, fuerzas eléctricas o magnéticas y solo se afecta por la temperatura, presión y concentración. El número dos en la regla corresponde a las variables de temperatura T y presión P. Componente Componente (de un sistema): es el menor número de constituyentes químicos independientemente variables necesario y suficiente para expresar la composición de cada fase presente en cualquier estado de equilibrio. Fase: Fase: es cualquier fracción, incluyendo la totalidad, de un sistema que es físicamente homogéneo en sí mismo y unido por una superficie que es mecánicamente separable de cualquier otra fracción. Una fracción separable puede no formar un cuerpo continuo, como por ejemplo un líquido dispersado en otro. - Un sistema compuesto por una fase es homogéneo. - Un sistema compuesto por varias fases es heterogéneo. Para los efectos de la regla de las fases, cada fase se considera homogénea en los equilibrios heterogéneos. Grado de libertad (o varianza): varianza) : es el número de variables intensivas que pueden ser una nueva fase. Variables intensivas son aquellas independientes de la masa: presión, temperatura y composición. También se define con el número de factores variables. F=0 indica invariante F=1 univariante F=2 bivariante La regla de las fases se aplica sólo a estados de equilibrios de un sistema y requiere: 1.- Equilibrio homogéneo en cada fase 2.- Equilibrio heterogéneo entre las fases coexistentes La regla de las fases no depende de la naturaleza y cantidad de componentes o fases presentes, sino que depende sólo del número. Además no da información con respecto a la velocidad de reacción. El número de componentes más dos (C+2), representa el número máximo de fases que pueden coexistir al equilibrio, donde los grados de libertad (F) no pueden ser inferiores a cero (a condiciones invariantes). Ejemplo: (1 componente) * Para el punto de triple coexistencia (C en diagrama): 3=1 -F+2









2=1 -F+2 F=1 (un grado de libertad) Una variable (T o P) se puede cambiar manteniendo aún un sistema con dos fases que coexisten. Si se especifica una presión determinada, sólo hay una temperatura en la que las fases sólida y líquida coexisten. * Un punto dentro de la zona de fase única (A): 1= 1 -F+2 F=2 (dos grados de libertad) Dos variables (T o P) se pueden cambiar independientemente y el sistema permanece con una única fase.

2.3.

Dos componentes líquidos

La fase de vapor en un sistema en equilibrio con frecuencia es de poco o ningún interés en comparación con la interacción entre las fases líquida y sólida. Por lo tanto, se acostumbra en estos casos a ignorar la fase vapor y fijar una presión total, normalmente de 1 atm. Así se puede estudiar el sistema en recipientes abiertos. Cuando se consideran las fases sólida y líquida, se habla de un sistema condensado . Hay un pequeño inconveniente en este procedimiento, ya que la presión en general no tiene el valor del equilibrio, y en consecuencia el sistema no representa un equilibrio termodinámico verdadero. Sin embargo, en sistema líquido sólido esto no tiene mucho efecto en el comportamiento. El sistema agua – anilina, figura (a), constituye un ejemplo de miscibilidad parcial. Si se agrega una pequeña cantidad de anilina al agua pura a cualquier temperatura inferior a 441K, la anilina se disuelve en agua. Si se trabaja con una temperatura constante de 363K, habrá agua pura presente en el punto a, sólo una fase a medida que se











líquida L2 de de composición e. La composición de la capa L1 es una solución de anilina en agua y la de la capa L2 es es una solución de agua en anilina. A medida que se agrega más anilina, la segunda capa líquida L2 se se hace más evidente y aumenta en forma continua con la adición de más anilina, hasta que llega a la composición del punto e. Más allá del punto e hay sólo una fase. Se observa el mismo tipo de comportamiento a medida que se agrega el agua a la anilina pura. La composición de cualquier punto en la región de dos fases a lo largo de la línea que une los puntos b y e, está formada en proporciones diversas de solución L1 y solución L2 . Éstas reciben el nombre de soluciones conjugadas. conjugadas. La composición de las capas depende de la temperatura. La cantidad de capas individuales presentes puede determinarse mediante la regla de la palanca. Las líneas de composición constante, las verticales en el diagrama de la figura (a) se conocen como isopletas. isopletas. A medida que la temperatura aumenta del punto c a a lo largo de la isopleta cc’ , o desde cualquier punto ubicado sobre la vertical punteada que une a T uc uc la solubilidad de la anilina en la capa de agua L1 aumenta igual que la solubilidad del agua en la capa L2 . Como resultado del cambio de solubilidad, la capa predominante L1 aumenta a expensas de la capa L2 . Se observa un comportamiento semejante en la capa L2 cuando cuando aumenta la temperatura a a partir del punto d . Existe un comportamiento distinto en la composición crítica, que es la composición correspondiente a la temperatura más alta T uc uc , a la cual las dos capas pueden coexistir. (Esta temperatura se conoce como temperatura consoluta superior o temperatura

Figura (b) – Sistema agua - trietilamina









sistema agua - trietilamina. La temperatura consoluta inferior es de 291.65K y por encima de esta temperatura existen dos capas inmiscibles. En este caso las considerables desviaciones positivas de la ley de Raoult que producen la inmiscibilidad se equilibran a la temperatura inferior mediante desviaciones negativas considerables de la ley de Raoult, que se asocian normalmente a la formación de compuestos. El tipo final de equilibrio líquido – líquido llamado brecha de miscibilidad se observa en el sistema agua – nicotina. En este caso, que se muestra en la figura (c) la región de dos fases está encerrada y tiene una temperatura consoluta superior e inferior a presión atmosférica. Se ha demostrado para este sistema que un aumento de presión puede causar la solubilidad total. Un ejemplo interesante de solubilidad líquido – líquido en dos materiales que generalmente son sólidos, y su aplicación a un problema práctico, es el sistema Pb-Zn. En la figura (d) se da el diagrama de fases para este sistema a 1178K, temperatura por encima de la cual se produce la ebullición. Ignorando los detalles en los extremos derecho e izquierdo del diagrama, se observa que la miscibilidad se produce por encima de la temperatura consoluta superior a 1071.1K. la solubilidad bastante limitada del zinc en el plomo puede emplearse para la separación metalúrgica de plata disuelta en plomo. Se agrega zinc al plomo fundido, que tiene una cantidad económicamente recuperable de plata disuelta en él. La fusión se agita para efectuar la mezcla completa. Después se permite que el zinc ascienda a la superficie del plomo y se desnata. Como la solubilidad de la plata es mucho más alta en zinc que en plomo, la mayor parte de la plata se queda en el zinc. Después se efectúa la ebullición de zinc para obtener la plata deseada.









III.

Materiales, Reactivos y Equipos        

IV.

Vaso Precipitado de 500 ml (2) Tubo de Ensayo con Tapones (6) Gradilla (1) Hornilla Eléctrica (2) Termómetro de -10 a 110 º C (2) Vidrio Reloj Espátula, pipeta de 5 ml (1) Fenol – Agua Destilada

Procedimiento Preparar una mezcla al 10% en peso de fenol en agua en un tubo de ensayo (masa total = 5g)

Colocar el tubo en baño María y calentar suavemente

Anotar al temperatura a la que desaparece la turbidez.

Calentar un poco más y dejar enfriar al ambiente









V.

Análisis y Tratamiento de Datos

5.1.

Recolección de Datos A

B

C

D

E

F

Masa fenol

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.50

Masa agua

4.50

4.21

3.50

3.00

2.50

1.50

Masa total

5.00

5.21

5.00

5.00

5.00

5.00

Todas las masas en gramos

Mezcla A B C D E F

5.2.

Temperatura 1 (ºC) 39 65 68 67.5 65 26

Temperatura 2 (ºC) 38.5 67 67 70 66 27

Realizar los cálculos correspondientes para graficar Temperatura vs Composición en Peso y Temperatura vs Composición Molar

Las composiciones en peso son todas las experimentales excepto la de la mezcla B, en la cual: % fenol

1.00 g 

*100

5.21 g



19.2%

Y por lo tanto, la composición de agua es de 80.8% para la mezcla B. Las temperaturas fueron promediadas por la siguiente ecuación: T

 T









Por medio de las siguientes ecuaciones, se obtiene la siguiente tabla: m fenol n fenol 94 g / mol magua nagua 18 g / mol 



nT

Mezcla A B C D E F



n fenol  nagua

nfenol 0.0053 0.0106 0.0160 0.0213 0.0266 0.0372

nagua 0.2500 0.2339 0.1944 0.1667 0.1389 0.0833

nT 0.2553 0.2445 0.2104 0.1880 0.1655 0.1205

De los datos obtenidos, el cálculo de la composición molar: n fenol x fenol nT 

x agua

Mezcla A B C D E F

x fenol 0.02 0.04 0.08 0.11 0.16 0.31

nagua 

nT

x agua 0.98 0.96 0.92 0.89 0.84 0.69

Temperatura (ºC) 38.75 66 67.5 68.75 65.5 26.5











5.2.1. Gráfico Temperatura vs Composición Composición (en peso) peso)

Sistema Sistema Agua - Fenol 75 72 69 66 63 60 57 54 51 48

(

45

ar

Cº

)

ut

42

ar

39 36

p

e m

33









5.2.2. Gráfico Temperatura Temperatura vs vs Composición Composición (en fracción molar) molar) Trace una línea de unión y aplique la regla de la palanca para una composición de 30% en peso de fenol y 50ºC de temperatura

Sistema Sistema Agua - Fenol 75 72 69 66 63 60 57 54 51 48

(

45

ar

Cº

)

a

ut

42 39









indicada, y por medio de la regla de la palanca y los datos leídos en la gráfica, se puede determinar las cantidades de los componentes en cada fase con la ayuda de una línea de unión.

5.4.

Calcular la varianza del sistema para tres puntos distintos en la gráfica e interpretar los resultados

Para la gráfica temperatura vs composición en peso del sistema agua – fenol, se analizan los siguientes puntos: Punto A (dentro de la curva de solubilidad): dentro de esta curva, el número de componentes es 2, y las fases existentes en equilibrio son 2. Por lo tanto, según la regla de las fases (P constante). V=C-F+1 V=2-2+1 V=1 De donde la varianza es de 1, es decir, se debe fijar la temperatura o composición para saber el estado del sistema. Punto B (fuera de la curva de solubilidad): fuera de la curva existen dos componentes y una fase: V=C-F+1 V=2-1+1 V=2 De donde la varianza es 2, la composición y la temperatura son necesarias para definir el estado del sistema.













 =

0,976 1,906

 = 0,51 0,51

 = 0,49

Para no complicarse, llamaremos L a la fase L 1 y a la fase L 2 llamaremos V Con ayuda del gráfico obtenemos: X = 0,29

y = 0,9









 =  , ,  

Para la fase V:

0,9   123   ∗ = 76 76,0 ,055   1   1  

 =  ,,    

0,1  ℎ 86  ℎ ∗ = 5,91 5,91  ℎ ℎ 1   1  ℎ

 = ,   

, 687 687    ∗ , 687 687    ∗

 = ,   Ahora calculamos calculamos el porcentaje porcentaje en peso de de cada fase: 



Para la fase L:

% =

43,48  ∗ 10 100% 0% 117,91 

% =  ,, %

%ℎ =

74,43  ∗ 10 100% 0% 117,91 

% % =  ,, %

76,05  ∗ 10 100% 0% 81,96 

% =  ,,  % %

Para la fase V:

% =











    =          2 Si la presión y temperatura son variables:

=2=312

=

Si la presión y temperatura son constantes:

=0=310

=

A presión constante constante y temperatura temperatura variable: variable:

=1=311 A temperatura temperatura constante constante y presión presión variable: variable:

=









V



 F (C  1)  2  C ( F  1)

V



C  F  2

Ecuación que representa la regla de las fases 4) Deducir las Reglas de la Palanca, especificando el significado de las variables involucradas. Solución Binaria Sustancia A y Sustancia B Deducción para A:

Dos fases

  

  =     

  ∗  =   ∗     ∗     

   

   









Una manera de interpretar este diagrama, la da la regla de las fases de Gibbs, que define la varianza en el diagrama de fases. Generalmente el estudio de los sistemas líquido – líquido implican la mezcla de dos líquidos parcialmente miscibles, es decir, líquidos que juntos presentan más de una fase. Debido a esto, los diagramas de fases presentan una curva de solubilidad, dentro de la cual el sistema presenta dos fases, o soluciones conjugadas; para el diagrama obtenido, la cur va de solubilidad está al lado hacia donde crece la composición de agua. Estas fases son de diferente composición, y generalmente son más ricos en un componente que en otro. Se observa que hay una temperatura a la cual la curva de solubilidad desaparece, esta temperatura se llama temperatura de consolución. Para la gráfica construida en base a los datos experimentales, la temperatura de consolución es de 69ºC.





Otro recurso para el estudio de los diagramas de fases, es la regla de la palanca. Por medio de ésta, usando los datos experimentales, se puede determinar el peso o número de moles de cada fase, con los que se puede encontrar el peso o número de moles de cada componente en cada fase. Para este caso, aplicando la regla de la palanca a 50ºC y X=30% de fenol, la masa de la fase 1 es de 3.111g de los cuales 2.707g son agua, en cambio, en la fase 2, cuya masa es de 1.889g, la masa de

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