UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FISICOQUIMICA-PRACTICAN 8
TABLA DE CONTENIDO
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1. Resumen...............................................................................................................2 2. Introducción........................................................................................................3 3. Principios teóricos............................................................................................4 4. Procedimiento experimental ……………………………………………………………………8
resultados............................................ ....................9 5. Tabulación de datos y resultados................................................................9
6. Cálculos ……………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………….10 ……….10 7. Análisis y discusión de resultados.............................................................14 recomendaciones..............................................................15 ...............15 8. Conclusiones y recomendaciones...............................................
9. Cuestionario.......................................................................................................16 10. Bibliografía.............................................................................................................18 11. Apendice………………………………………………………………………………… .19
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Resumen Esta práctica abarcara las relaciones de solubilidad del sistema de tres componentes como lo son el η-Butanol - ácido acético - agua, se trazó el diagrama de equilibrio y se construyó la curva de solubilidad (binodal) para una temperatura dada, luego se trazó la línea de reparto y por ultimo se determinó las composiciones de los puntos críticos y máximos. La presente práctica experimental se realizo a condiciones de laboratorio de 20º C de temperatura, 756 mmHg de presión atmosférica y 95% de humedad relativa. El procedimiento experimental a llevarse a cabo para lograr cumplir los objetivos anteriormente planteados se dividen en dos partes, la primera parte, para la construcción de la curva binodal, se preparan 4 soluciones que contenían 1015-20-25 % de ácido acético en agua y se tituló con η-Butanol, luego se prepararon 4 soluciones que contenían 10-20-30-40% de ácido acético en η Butanol y se tituló con agua, a partir del punto final de la titulación se calculó cada una de las composiciones en peso de cada solución, con ellas se trazó la curva de solubilidad. La segunda parte se preparó una mezcla con cantidades conocidas de η-Butanol, ácido acético y agua, en una pera de decantación, se separó las capas
formadas, a continuación se tomara una muestra de cada disolución y se tituló con hidróxido de sodio. Con el porcentaje en peso de ácido acético de cada fase se proyectan las líneas de unión del sistema, que es la línea de reparto. Con el diagrama completo se determinó el punto máximo y el punto crítico isotérmico del sistema. Los diagramas de líquidos ternarios son de considerable valor en problemas de separación y extracción con solventes y gracias a ellos es posible deducir si la separación buscada puede realizarse y en cuales condiciones de operación para lograr resultados óptimos.
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INTRODUCCION
Es posible tratar todos los equilibrios heterogéneos desde un punto de vista unificado por medio del principio conocido como Regla de las Fases, con el cual él numero de variables a que se encuentra sometido un equilibrio heterogéneo cualquiera, queda definido bajo ciertas condiciones experimentales definidas. En los casos de sistemas de tres componentes se conviene fijar la temperatura y presión variando solamente las composiciones del sistema; la manera de representar este sistema es mediante la utilización de un triangulo equilátero donde cada uno de sus vértices indica uno de los componentes puros, en cada lado se lee la composición del sistema ternario. El que un sistema sea completamente miscible resulta relativamente raro. Es frecuente, por el contrario, encontrarse miscibilidad parcial en uno, dos o los tres pares de líquidos. En el sistema η -Butanol - ácido acético - agua, el agua y el η-Butanol son parcialmente miscibles como se puede observar en la grafica del
diagrama de solubilidad para este sistema ternario a temperatura y presión constantes. El ácido acético es miscible tanto con el agua como con el η -Butanol, por lo
que en base a esto se determina la línea de reparto. Cuando dos líquidos son parcialmente miscibles o inmiscibles es evidente que el comportamiento de uno con respecto al otro dista mucho de ser ideal. Un tercer componente soluble en ambos puede comportarse idealmente si se encuentra suficientemente diluido en las dos fases. En estas condiciones puede aplicarse la ley de reparto. Luego de esto se determina los puntos máximos de solubilidad del agua y η -Butanol que son
parcialmente miscibles.
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Principios teóricos Solubilidad La solubilidad es una medida de la capacidad de disolverse una determinada sustancia (soluto) en un determinado medio (solvente); implícitamente se corresponde con la máxima cantidad de soluto disuelto en una dada cantidad de solvente a una t emperatura fija y en dicho caso se establece que la solución está saturada. Su concentración puede expresarse en moles por litro, en gramos por litro, o también en porcentaje de soluto (m(g)/100 mL) . El método preferido para hacer que el soluto se disuelva en esta clase de soluciones es calentar la muestra y enfriar hasta temperatura ambiente (normalmente 25 C). En algunas condiciones la solubilidad se puede sobrepasar de ese máximo y pasan a denominarse como soluciones sobresaturadas. No todas las sustancias se disuelven en un mismo solvente. Por ejemplo, en el agua, se disuelve el alcohol y la sal, en tanto que el aceite y la gasolina no se disuelven. En la solubilidad, el carácter polar o apolar de la sustancia influye mucho, ya que, debido a este carácter, la sustancia será más o menos soluble; por ejemplo, los compuestos con más de un grupo funcional presentan gran polaridad por lo que no son solubles en éter etílico. Entonces para que un compuesto sea soluble en éter etílico ha de tener escasa polaridad; es decir, tal compuesto no ha de tener más de un grupo polar. Los compuestos con menor solubilidad son los que presentan menor reactividad, como son: las parafinas, compuestos aromáticos y los derivados halogenados. El término solubilidad se utiliza tanto para designar al fenómeno cualitativo del proceso de disolución como para expresar cuantitativamente la concentración de las soluciones. La solubilidad de una sustancia depende de la naturaleza del disolvente y del soluto, así como de la temperatura y la presión del sistema, es decir, de la tendencia del sistema a alcanzar el valor máximo de entropía. Al proceso de interacción entre las moléculas del disolvente y las partículas del soluto para formar agregados se le llama solvatación y si el solvente es agua, hidratación.
Sistema de 3 componentes EQUILIBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO Se hace un análisis de dos líquidos parcialmente miscibles cuando se agrega un tercero, soluble en ambos, el sistema formado consistirá en dos Fases. Dentro del triángulo, tales sistemas son representados por una curva binodal. Los puntos en el interior de la región delimitado para la curva representan los sistemas de dos fases, y los puntos de esta región representan los sistemas homogéneos. Por consiguiente, los puntos en la curva representan la frontera entre estas dos situaciones. Al lado de la base al triángulo, las dos fases poseen la composición suficientemente diferente: uno de ellos rico en el componente B y la otra pobre en C, y a otro rico en C y la otra pobre en B. Se forma una única fase, lo que ocurre en un punto, el Punto llamado Pliegue. Esto ocurre porque, al alejarse la base, nosotros estamos aumentando la cantidad del agregado al sistema, lo de que no sólo provoca el aumento del porcentaje, sino el aumento de la solubilidad mutua de B y C. Experimentalmente, el diagrama ternario de fase se ha hecho para mezclas conocidas de 2 líquidos miscibles y se agrega volúmenes conocidos de un tercer líquido hasta que la turbidez
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aparezca. Calculando los fragmentos molares de cada componente en el momento dónde la turbidez aparece, los puntos en el diagrama son determinados y permite el trazado del diagrama el sistema en cuestión.
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TABLA 1: Condiciones experimentales
PRESION (mmHg)
TEMPERATURA(ºC)
H. R. (%)
756
20
95
TABLA 2: Soluciones de Ácido Acético en agua y tituladas con n-butanol
SUSTANCIA
10%W
15%W
20%W
25%W
Ácido acético
1.0
1.5
2.0
2.5
Agua
9.0
8.5
8.0
7.5
n-butanol
2.2
2.6
4.6
6.7
TABLA 3: Soluciones de Ácido Acético en n-butanol y tituladas con agua
SUSTANCIA
10%W
20%W
30%W
40%W
Ácido acético
1.0
2.0
3.0
4.0
n-butanol
9.0
8.0
7.0
6.0
Agua
2.0
2.4
4.4
6.1
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TABLA 4: Densidades teóricas de las sustancias en su respectiva temperatura
de estado puro SUSTANCIA
T(o C)
ρ(g/mL)
Ácido acético
23
1.0458
n-butanol
23.5
0.8063
Agua
22
0.9978
TABLA 5: Porcentaje en peso de cada sustancia presente en las soluciones de ácido acético en agua, tituladas con n-butanol
10%V Sustancia
15%V
20%V
25%V
W(g)
%w
W(g)
%W
W(g)
%W
W(g)
%W
Ácido Acético 1.0458
8.86
1.5687
12.91
2.0916
15.18
2.6145
16.87
Agua
8.9802
76.11
8.4813
69.83
7.9824
57.91
7.4835
48.28
n-butanol
1.7732
15.03
2.0964
17.26
3.7089
26.91
5.4022
34.85
TABLA 6: Porcentaje en peso de cada sustancia presente en las soluciones de ácido acético en n-butanol, tituladas con agua
10%V Sustancia Ácido Acético n-butanol Agua
20%V
30%V
40%V
W(g)
%w
W(g)
%W
W(g)
%W
W(g)
%W
1.0458
10.16
2.0916
19.13
3.1374
23.82
4.1832
27.70
7.254
70.46
6.448
59.97
5.642
42.84
4.836
32.01
1.9956
19.38
2.3947
21..90
4.39032
33.34
6.08658
40.29
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TABLA 7: Titulo en gramo de ácido acético por mL de NaOH
W(g)
V(mL)
Matraz vació
-
Ácido acético
1.0
Matras + ácido acético
-
NaOH gastado
12.7
Ácido acético
1.0078
Titulo (g HAc/mLNaOH)
0.0794
TABLA 8: Mezcla para determinar el coeficiente de reparto
Sustancia
V(mL)
W(g)
%W
Ácido Acético
2.0
2.0916
11.41
n-butanol
9.0
7.2567
39.59
Agua
9.0
8.9802
49.00
TABLA 9: Determinación de la línea de reparto
FASE ACUOSA
FASE ORGANICA
WMUESTRA (g)
4.9327
4.3844
VNaOH (mL)
6.1
7.1
W AC. ACETICO (g)
0.4843
0.5637
%W AC. ACÉTICO
9.82
12.86
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1. EJEMPLO DE CALCULOS A. Calculo del porcentaje de cada componente de las mezclas
ÁCIDO ACETICO EN AGUA:
W COMPONENTE COMPONENTE V COMPONENTE
SI:
%W COMPONENTE
W COMPONENTE 100 W MEZCLA
LUEGO:
-
Cálculo del peso de cada componente:
Porcentaje en peso de cada sustancia presente en las soluciones de ácido acético en agua, tituladas con n-butanol
Al 10%
V AC. ACETICO = 1.0 ml; W acido=⍴acido×Vacido=1×1.0458 V AGUA = 9.0 ml; W agua=⍴agua×Vagua=9×0.9978 VN-BUTANOL = 2.2 ml; W butanol=⍴butanol×Vbutanol=2.2×0.8063 Al 15%
V AC. ACETICO = 1.5 ml; W acido=⍴acido×Vacido=1.5×1.0458 V AGUA = 8.5 ml; W agua=⍴agua×Vagua=8.5×0.9978 VN-BUTANOL = 2.6 ml; W butanol=⍴butanol×Vbutanol=2.6×0.8063 Al 20%
V AC. ACETICO = 2.0 ml; W acido=⍴acido×Vacido=2×1.0458 V AGUA = 8.0 ml; W agua=⍴agua×Vagua=8×0.9978
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VN-BUTANOL = 4.6 ml; W butanol=⍴butanol×Vbutanol=4.6×0.8063
Al 25%
V AC. ACETICO = 2.5 ml; W acido=⍴acido×Vacido=2.5×1.0458 V AGUA = 7.5 ml; W agua=⍴agua×Vagua=7.5×0.9978 VN-BUTANOL = 6.7 ml; W butanol=⍴butanol×Vbutanol=6.7×0.8063
Cálculo del porcentaje en peso de cada componente:
Porcentaje en peso de cada sustancia presente en las soluciones de ácido acético en agua, tituladas con n-butano Al 10%
%wacido= =×100%=8.86
%wagua= =×100%=76.11
%wn-butanol=
=×100%=15.03
Al 15%
%wacido= =×100%=12.91
%wagua= =×100%=69.83
%wn-butanol=
= ×100%=17.26
Al 20%
%wacido= =×100%=15.18
%wagua= =×100%=57.91
%wn-butanol=
=×100%=26.91
Al 25%
%wacido= =×100%=16.87
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%wagua= =×100%=48.28
%wn-butanol=
= ×100%=34.85
Porcentaje en peso de cada sustancia presente en las soluciones de ácido acético en nbutanol, tituladas con agua Al 10%
%wacido= =×100%=10.16
%wagua= =×100%=70.46
%wn-butanol=
=×100%=19.38
Al 20%
%wacido= =×100%=19.13
%wagua= =×100%=59.97
%wn-butanol=
=×100%=21.90
Al 30%
%wacido= =×100%=23.82
%wagua= = ×100%=42.84
%wn-butanol=
= ×100%=33.34
Al 40%
%wacido= = ×100%=27.70
%wagua= = ×100%=32.01
%wn-butanol=
= ×100%=40.29
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B. Titulo en gramo de ácido acético por mL de NaOH
TITULO
W ACIDOACETI CO V NaOH
W (ácido acético) = 1.0078 g V (NaOH gastado) = 12.7 mL Luego: TITULO
1.0078 gAcidoAcet ico 12.7mLNaOH
0.0794
g AcidoAcetico mL NaOH
C. Composición global de la mezcla
- Cálculo del peso de cada componente: V AC. ACETICO = 2.0 ml; W acido=⍴acido×Vacido=2×1.0458=2.0916g V AGUA = 9.0 ml; W agua=⍴agua×Vagua=9×0.9978=8.9802g VN-BUTANOL = 9.0ml; W butanol=⍴butanol×Vbutanol=9×0.8063=7.2567g Cálculo del porcentaje en peso de cada componente: W MEZCLA
(2.0916 g 8.9802 g 7.2567 g ) 18 .3285 g
%W AC . ACETICO
%W AGUA
%W N
2.0916 g 18 .3285 g
8.9802 g 18 .3285 g
BUTANOL
x100 % 11 .41 %
x100 % 48 .99 %
7.2567 g 18 .3285 g
x100 % 39 .60%
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D. Determinación de los porcentajes en peso del ácido acético para la determinación de la línea de reparto
TITULO 0.0794
-
g AcidoAcetico mL NaOH
FASE ACUOSA:
Si: V (NaOH gastado) = 6.1 mL W (muestra) = 4.9327 g
Luego:
W ( ÁcidoAcético) 0.0794 %W AC . ACETICO
-
0.4843 g 4.9327 g
g AcidoAcetico x6.1mLNaOH 0.4843 gÁcidoAcét ico mL NaOH
x100 % 9.82 %
FASE ORGANICA:
Si: V (NaOH gastado) = 7.1 mL W (muestra) = 4.3844g
Luego:
W ( ÁcidoAcético) 0.0794 %W AC . ACETICO
0.5637 g 4.3844 g
g AcidoAcetico x7.1mLNaOH 0.5637 gÁcidoAcét ico mL NaOH
x100 % 12 .86 %
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ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS
Luego de ubicar los porcentajes en peso de cada mezcla en el diagrama triangular, se observa que este es un sistema de tres líquidos: n-butanol-ácido acético-agua, donde el ácido acético con el butanol son completamente miscibles, así como el ácido acético con el agua, mientras que el agua y el nbutanol son parcialmente miscibles.
Para trazar la curva binoidal, se mezclo cantidades conocidas de los líquidos miscibles, luego se
mezclo con el tercer componente (titilación) hasta
homogeneidad, que es ligeramente turbio, los porcentajes en peso de cada componente dan un punto que pertenece a la curva, luego de ubicar todos los puntos se trazó la curva completa.
La curva trazada representa un arco binoidal donde toda mezcla de los tres líquidos que esta dentro de la curva dará como resultado la formación de dos capas saturadas, una acuosa y la otra orgánica, formando mezclas ternarias conjugadas.
El agua y el n-butanol que son parcialmente miscibles, al mezclarse en el equilibrio habrán dos capas conjugadas cuyas composiciones están representados por los puntos a y b, que son los puntos de máxima solubilidad, es decir, el punto a representa la máxima solubilidad del agua en el n-butanol y el punto b representa la máxima solubilidad del n-butanol en agua.
Para obtener la línea de reparto se mezclaron tres cantidades definidas (punto x) luego de haber alcanzado el equilibrio y separado las capas y obtener el porcentaje en peso de ácido acético en cada capa se llevó a la grafica, uniendo estas dos líneas se obtuvo la línea de reparto y el punto x pertenece a esta línea, aunque este fuera de esta línea, lo importante es la tendencia a alcanzar este criterio, la ligera desviación se debe a errores sistemáticos.
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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES
El sistema ternario n-butanol-ácido acético-agua forma sistemas con un par de ellos parcialmente miscibles, en este caso el n-butanol y agua.
Por encima de la curva binoidal, se obtendrá una solución de una fase líquida.
Manteniendo la temperatura y la presión constantes para este sistema, los grados de libertad dentro de la curva binoidal será uno, y en cambio por encima de esta curva son dos los grados de liberta, el otro se obtiene automáticamente.
Existieron errores sistemáticos en cuanto a la pesada de ácido acético para el titulo, por ello se considero la masa con respecto a la densidad a 20º C.
RECOMENDACIONES:
Al momento de titular para obtener la turbidez, se debe tener en cuenta el punto exacto, porque pasa do este punto la turbidez desaparece y se obtiene datos erróneos.
Después de cada operación se de tapar los matraces, porque de lo contrario las sustancias volátiles perderían su concentración inicial, siendo en base a esta concentración la realización del grafico.
Para entender mejor el experimento seria importante la realización de este a distintas temperaturas.
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CUESTIONARIO 1. Indicar las ventajas y desventajas que ofrece el diagrama de Roozebon. Ventajas:
-
Se puede usa el sistema para un sistema de tres componentes para diferentes temperaturas, las que al elevar la temperatura aumenta las solubilidades de los componentes.
-
Se puede analizar sistemas: dos pares líquidos miscibles parcialmente y tres pares de líquidos miscibles parcialmente teniendo temperatura y presión fijados.
-
Nos permite saber las composiciones de las sustancia en una mezcla determinada y usando un método de separación.
Desventajas:
-
Se usa con mayor precisión para fases liquidas, ya que al haber tres fases tres fases liquidas y tres sólidas, solo cuatro de estas estarán en equilibrio temperatura y presión fijadas. Por ello se supondrá que no hay fases sólidas.
-
Solo es aplicable a sustancias ya establecidas dependiendo de su naturaleza y la temperatura a que se trabaja.
-
Hay tendencia a que por hidrólisis se formen cantidades minúsculas de productos gelatinosos.
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-
Sistema de dos sales y agua solo se analiza cuando dichas sales presentación común.
2. Describa tres procesos químicos a nivel industrial, donde tiene aplicación los criterios del diagrama de solubilidad. a) Contacto sencillo: Extracción de ácido acético y benceno utilizando agua. b) Contacto múltiple: Tiene varias entradas de solventes a medida que
avanza la mezcla de ácido acético y benceno, para recuperar más productos derivados. c) Extracción con reflujo: extracción de metil ciclo hexano de una mezcla de
metil a ciclo hexano y n-heptano usando solvente como anilina.
Extracción de nicotina en solución acuosa con kerosene como agente de extracción (solvente).
Extracción de estireno con solución etilbenceno utilizando como disolvente dietilenglicol.
Uso para la separación de algunos productos obtenidos en desintegración nuclear y para lograr separación del plutonio del uranio.
Se usa en proceso de metalurgia; fundición de metales, ejemplo: plomo, plata, zinc. Plomo y plata, zinc y plata son miscibles completamente, pero plomo y zinc parcialmente, cuando se funden forman dos capas, una consiste en plomo y la otra en zinc.
3. Explique la regla de Tarasenkov.
Por la regla empírica de Tarasenkov, las prolongaciones de todas las líneas de conexión en los diagramas de este tipo, en muchos casos se cortan en un punto. Una de las líneas de conexión se encuentra en las prolongaciones de uno de los lados del triangulo. Determinando las composiciones, aunque no sea más que un par de soluciones conjugadas, por ejemplo x e y, se puede encontrar el punto b y por el mismo construir el
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sistema de conexión para la zona de separación en capas. Trazando desde el punto b una tangente a la curva pxyq, obtenemos el punto a, correspondiente a la composición en que el sistema se hace homogéneo a la temperatura dada (figura 2). La regla de Tarasenkov esta lejos de cumplirse para todos los sistemas.
BIBLIOGRAFIA
D. Ferguson, “La Regla de Las Fases”, 1ª Edición, Editorial Alhambra, España, 1977. Pgs. 85-96. Castellan G., “Fisicoquímica”, 2a Ed., Ed. Addison Wesley Longman S. A., México, 1998. Pgs. 358-361. Jhon H. Perry, “Chemical Engineers Handbook”, Third Edition, Mc Graw Hill Book Company Inc., USA, 1950, Pgs. 187, 193. Lange, Norbert Adolph, “Handbook of Chemistry”, 10 a Ed.,Mc Graw Hill, New York, 1967, Pg. 1632. Glasstone, Samuel “Tratado de Química Física”, 1era Ed., España, 1979, Pgs. 710-717.
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