EJERCICIOS EQUILIBRIO HETEROGÉNEO HETEROGÉNEO
1. Calcular Calcular el número número de grados grados de liberta libertad d para una mezcla mezcla gaseosa de N2, H2 y NH3 a la cual se le añade un catalizador para que se produzca la reacción.
2- A partir de la siguiente información construya el diagrama de fases del agua: Punto triple: 4.58 mm y 273.16 K Punto de fusión a 1 atm 273.15 K Punto crítico: 218 atm y 647 K 3. Se tiene tiene el siguiente siguiente diagrama diagrama de fases. fases. de una una sustancia sustancia pura:
a. Que significan el punto B y el punto C. Señale las fases en equilibrio en cada caso y los grados de libertad correspondientes. b. Que significa la línea B-C c. Se introduce en un recipiente cerrado provisto de un pistón una cierta cantidad de sustancia en fase gaseosa, a la temperatura y presión (T E, PE), representado en el diagrama de la figura por el punto E. De forma isotérmica se aumenta la presión del gas (disminuyendo el volumen del recipiente por medio del pistón), no observándose nada más que un aumento en la densidad del mismo, hasta alcanzar el punto F. Que fases coexisten en ese punto?
4. La presión de vapor del dietil éter es 100 mm a -11.5 oC y 400 mm a 17.9 oC
a. Calcular el calor de vaporización y la entropía de vaporización b. El punto de ebullición en Bogotá (560 mm)
5. El calor de vaporización del agua es 40670 J/mol en el punto normal de ebullición. Cual es el punto de ebullición a 3 atm?
6. El punto de ebullición del benceno es 80.1 oC y el del tolueno es 111 oC. A 95 oC las fases que coexisten en equilibrio son una fase líquida que contiene 40 % molar de benceno y una fase gaseosa que contiene 65% de benceno. a. Al efectuar una destilación fraccionada a reflujo total, se obtiene que la composición del destilado es 90% de benceno y la del líquido remanente es de 5%. Determine el número de platos teóricos de la columna utilizada. b. Si la longitud de la columna empleada es de 150 cm, determine la altura equivalente del plato teórico.
7. Se tiene una mezcla de dos componentes A y B completamente solubles en el estado sólido cuyas temperaturas de fusión son 1000 y 1300 oC respectivamente. Para una mezcla que contiene 45% de A a 1100 oC a. Identifique las fases en equilibrio a esas condiciones y los grados de libertad respectivos b. Determine la composición de las mismas
c. Si la temperatura se disminuye a 900 oC, establezca la fase o fases estables y y los grados de libertad respectivos. 8. Justifiques si son ciertas las siguientes afirmaciones: a) En un sistema en equilibrio de fases pueden coexistir como máximo tres fases en equilibrio. b) Por encima del punto crítico no se puede pasar un fluido a la fase sólida mediante compresión isotermica. c) Un punto triple representa un estado termodinámico único del sistema. Es decir, tanto las variables intensivas como las extensivas específicas que lo caracterizan son constantes. d) Un punto crítico representa un estado termodinámico único del sistema. Es decir, tanto las variables intensivas como las extensivas específicas que lo caracterizan son constantes.
9. La siguiente figura muestra el diagrama de fases obtenido experimentalmente para una solución de hexano y heptano que se aproxima al comportamiento de una solución ideal.
a) Indique qué fases están presentes en cada uno de los diagramas. b) Para una solución que contiene 1 mol de cada componente estime la presión de vapor a 70 oC cuando al reducir la presión externa comienza a vaporizar. ¿Cuál es la fracción molar de los componentes en cada fase? c) ¿Cuál es la presión de vapor de la solución a 70 oC cuando sólo queda una gota de líquido? Estime a partir del gráfico las fracciones molares de las fases líquido y vapor. d) A 85 oC y 760 torr, calcule las cantidades de sustancia en la fase líquida y vapor cuando la fracción molar de heptano en la disolución es 0,60. 10. El hexano y el perfluorohexano muestran miscibilidad parcial por debajo de 22,7 oC. La concentración crítica a la temperatura crítica superior es x = 0,355, donde x es la fracción molar de C6F14. A 22oC las dos soluciones en equilibrio tienen x = 0,24 y x = 0,48, respectivamente, mientras que a 21,5 oC, las fracciones molares son 0,22 y 0,51, respectivamente. a) Esquematice el diagrama de fases. Describa los cambios de fases que ocurren cuando se agrega perfluorohexano a una cantidad fija de hexano a 23 oC y a 22 oC. 11. El metiletil eter (A) forma un compuesto con el diborano (B) que fundo a 133 ºK. El sistema presenta dos puntos eutécticos: Uno del 25 % en moles de B a 123 ºK y el segundo del 90 % en moles de B a 104 ºK , respectivamente. Los puntos de fusión de A y B puros son 131 ºK y 110 ºK . Dibujar el diagrama de fases del sistema. Considerar despreciable la solubilidad sólido sólido 12. Las presiones de vapor de benceno y tolueno puros a 25 °C son 95,1 y 28,4 mmHg, respectivamente. Se prepara una
disolución en la que las fracciones molares de benceno y tolueno son ambas 0,500. ¿Cuáles son las presiones parciales del benceno y del tolueno sobre esta disolución? ¿Cuál es la presión de vapor total? Cuál es la composición del vapor en equilibrio con la disolución benceno-tolueno? 13. A 90oC, la presión de vapor del tolueno es 400 Torr y la del o-xileno es 150 Torr. ¿Cuál es la composición de la mezcla líquida que entra en ebullición a 90oC cuando la presión es 0,50 atm?
a) ¿Cuál es la composición del vapor producido 14. Los diagramas siguientes muestran el comportamiento del equilibrio líquido-vapor para el sistema binario metanol acetato de metilo a 580 mm Hg y 760 mmHg.
a) Analizar el efecto de la presión sobre la composición y la temperatura del azeótropo b) Para una mezcla de fracción molar de metanol 0.6 a 760 mm establezca la composición de las fases en equilibrio a 56 oC y las cantidades relativas de fases. 15. Un líquido A hierve a 52oC y un líquido B hierve a 80 oC. Una mezcla que contiene un mol de A por cada dos moles de B presenta una temperatura de ebullición máxima de 100 oC. a) Construir el diagrama isobárico de equilibrio L=V b) Si una mezcla que contiene dos moles de A por cada mol de B se destila en una columna muy eficaz, cual sería la composición del destilado inicial y del residuo final? 16. Este es el diagrama de miscibilidad parcial para la mezcla anilineagua. a) A partir del diagrama determine la temperatura crítica y la composición de las fases a esa temperatura. En ese punto cuantos y cual o cuales son los grados de libertad? b) Determine la composición de las fases en equilibrio a 400 K.
c) Calcule la cantidad relativa de las fases en equilibrio para una mezcla que contiene el 30 % en peso de anilina. T /K
440
420
400
380
360
20
40
60
80
100
wt % aniline
17. El siguiente es un diagrama de fases pata la mezcla albitaanortita, que forma una solución sólida. Considere una mezcla que contiene el 30% de anortita y que se encuentra a 1500 oC a) Para esa mezcla determine la temperatura a la que aparece el primer cristal y su composición. b) Cual es la composición de las fases en equilibrio a 1300 oC c) Cual será la composición y la temperatura de equilibrio de la última gota de líquido.
18. El siguiente es un diagrama líquido sólido que presenta miscibilidad parcial tanto en fase líquida como en fase sólida. (a)Marque e identifique todas la regiones indicando la identidad de cada una de las fases presentes. (b)Dibuje una curva de enfriamiento para la isopleta (línea de composición constante) señalada por la línea punteada iniciando en el punto a y terminando en el punto b. (c) Determine cuales son las fases presentes en los puntos P y Q y los grados de libertad.
T
a
P
Q
b
X2 19. La mezcla aluminio calcio presenta las siguientes características: Punto de fusión del calcio: 842 oC Punto de fusión del aluminio: 660 oC Punto de fusión congruente (1): 1081 oC y 33.3% molar Ca Punto de fusión congruente (2): 575 oC y 72.5% molar Ca Punto de fusión incongruente (1): 700 oC, El compuesto formado tiene 20% molar Ca Punto de fusión incongruente (2): 632 oC y 48% molar Ca. Eutéctico (1): 613 oC y 5% molar Ca Eutéctico (2): 557 oC y 66.5% molar Ca Eutéctico (3): 549 oC y 81% molar Ca a) Construya el diagrama de fases indicando en cada región las fases en equilibrio. b) Cual es la fórmula de los compuestos de fusión congruente y de los compuestos de punto de fusión incongruente. c) Si tiene una mezcla que contiene 25% molar de Ca a 1200 oC. Determine la composición de las fases en equilibrio a 800 oC, 700 oC y 500 oC.
20. El diagrama isotérmico para una mezcla agua-acetato de etiloacetona se muestra a continuación. Las líneas de unión determinadas experimentalmente aparecen como líneas punteadas. a) Considere una mezcla inicial que tiene 20% de acetona y 80 % de acetato de etilo que es homogénea. Que cantidad de agua debe agregar para que la mezcla se vuelva heterogénea y cual es la composición aproximada de las fases en equilibrio? b) Para una mezcla que tiene 30% de acetona, 40% de agua y 30 % de acetato, cual será la composición de las fases en equilibrio.
