Escuela de Ingeniería Química Facultad de Ingeniería Universidad de los Andes - Mérida Mérida
PRACTICA N EQUI!I"RI# !IQUI$#-!IQUI$#%&I&TEMA $E TRE& C#MP#NENTE& Agua / n-"utanol / Acido Acético
OBJETIVO Construir el diagrama de fases de un sistema líquido de tres componentes: agua, n-butanol y ácido acético.
INTRODUCCION TEORICA En un sistema sistema de tres componentes componentes se tiene un medio excelente excelente para representar composiciones como lo es el uso del triángulo triáng ulo equilátero. equ ilátero. Sin embargo, esta es una representa representacin cin bidimensi bidimensional onal y si se desea a!adir otra "ariable, como la temperatura, se #a de emplear una tercera dimensin, resultando una figura en el espac io. En este experime experimento nto,, traba$ traba$are aremos mos a temperat temperatura ura constante constante y nos limitar limitaremo emoss a examinar examinar el procedimiento para representar representar datos datos de composiciones composiciones de tres tres componen componentes tes en el triángulo triángulo equilátero. En cada cada lado del del triángu triángulo lo repres represent entare aremos mos los por cen ta$ es de uno de los comp compon onen ente tes, s, se!a se!ala land ndo o los inter"alos inter"alos con"enient con"enientes es de los porcenta$es porcenta$es,, como se indica in dica en la figura figu ra %. &bsér"ese &bsér"ese que cada esquina esquina del triángulo representa %''( de uno de los componentes.
Figura '( Punto d: 25% A, 25% B Diagrama de Solubilidad del sistema !utano"agua.
y 50 % C.
Figura Figura )( ácido acético/n
En la )igura % el punto *d* representa representa la composicin de la me+cla formada formada por ( de , , ( de / y '( de C. &bsér"es &bsér"esee que para establec establecer er el punto punto d se necesitan necesitan slo dos de las las línea líneass ag, #b y fc. fc. &bsér"e se también también que una me+cla que slo contenga dos de los componentes componentes se represe representar ntaría ía por un punto de uno de los lados lados del triángulo triángulo.. 0e la geometría geometría del del triángulo triángulo equiláter equilátero o resulta que la suma de las líneas d#, da y df 1las cuales representan los porcenta$es de , / y C respecti"amente2, iguala a %''(. 0el mismo modo, la suma de las líneas análogas tra+adas para cualquier otro punto dentro del triángulo
sería igual a %''(. 3n procedimiento alternati"o que se utili+a algunas "eces es el llamado de representacin en la perpendicular, el cual no se discute en este texto.
En el sistema ácido acético4n-butano4agua, dos de los componentes, n-butanol y agua, son parcialmente miscibles. 5or el contrario, ácido acético y n-butanol o agua y ácido acético son miscibles en todas las proporciones. Consideremos primeramente una me+cla de n-butanol y agua. Estará formada por dos capas, una de ellas rica en n-butanol. 6as cantidades relati"as de las dos capas dependen de las cantidades de n-butanol y de agua me+cladas inicialmente. Si se a!ade a esta me+cla una peque!a porcin de ácido acético se distribuye éste entre las dos capas. demás se encuentra que se #a disuelto algo de agua en la solucin rica en n-butanol y algo de n butanol en la capa acuos a. 6as composiciones de las dos capas resultant es, estab lecid as por procedimientos analíticos ad ecuados se #allan en puntos seme$antes a los a y b de la )igura . 6a línea que une estos dos puntos de composicin en equilibrio se llama línea de reparto. Esta línea no es necesariamente paralela a la base. -
Si se a!ade más ácido acético, las dos capas líquidas cambian de composicin 1puntos c y d2. 6a recta que une a estos dos puntos da otra línea de reparto. medida que se a!ade ácido la composicin de las dos capas líquidas se #ace más seme$ante una a otra. Sin embargo, la característica más significati"a del proceso es que la cantidad de una de las fases se #ace cada "e+ menor. E"entualmente, una de las fases desaparece y queda una sola capa líquida. Esta capa persiste aunque se contin7e la adicin de ácido. 6a adicin de ácido acético a distintas me+clas de n-butanol y agua termina por producir sistemas líquidos de una sola fase. 6as composiciones donde el sistema bifásico cambia a #omogéneo, definen la denominada "curva de solubilidad", cuya representacin genérica se muestra en la figura . Se obser"ará que esta cur"a "a desde una solucin rica en n-butanol #asta una fase rica en agua. 3na me+cla cualquiera dentro del área que encierra la cur"a se separará en dos capas líquidas, y cualquier me+cla del área exterior a la cur"a formará una slo capa líquida. 6a posicin de la cur"a cambia con la temperatura. Consideremos a#ora las dos disoluciones, a y b, de la )igura y la línea que las une. Cualquier disolucin de composicin total que se #alle sobre la línea de reparto formará un sistema de dos fases de composicin a y b. 6as cantidades relati"as de las dos fases dependerá de la composicin total. Si la me+cla total es rica en agua, la composicin global se #allará sobre un punto prximo a la composicin a sobre la recta de reparto8 en este caso la cantidad de la fase a será muc#o mayor que la cantidad de la fase b. Si, por el contrario, la me+cla total es rica en n-butanol, la composicin global se #allará cerca de la composicin b sobre la línea de reparto y predominará la fase alco#lica. En la figura se #an tra+ado algunas líneas de reparto para el sistema ácido acético4n-butanol4agua. Estas líneas no son paralelas a la base n-butanol4agua ni unas a otras. medida que el porcenta$e de ácido acético se #ace mayor, las composiciones de las dos fases se aproximan y las líneas de reparto se #acen cada "e+ más peque!as. 6as composiciones de las dos fases se #acen iguales en un punto llamado punto de doble+ o punto crítico. En este experimento el alumno #abrá de establecer la cur"a de solubilidad para una temperatura dada y determinará algunas líneas de reparto. El experimento se reali+ará a la temperatura ambiente. Si se desean resultados más precisos #abrá de utili+arse un ba!o de temperatura constante.
APARATOS, INSTRUMENTA ! REACTIVOS cido acético glacial, n-butanol, #idrxido de sodio ',9, indicador de fenolftaleína y agua destilada. &c#o erlenmeyer esmerilados de ' ml con tapn de "idrio, una bureta de ' ml, dos micro-buretas de %' ml, dos pin+as para bureta, dos so portes uni"ersales, un embudo de decantacin de %'' ml., pipeta de ml, propipeta. /alan+a analítica para análisis.
PROCEDIMIENTO EPERIME NTA . C URVA DE S OUBIIDAD #
5reparar me+clas de agua y n-butanol que contengan ', ', ;', ', <', =', >' y ?' por %'' de peso de agua. El "olumen total de cada disolucin debe ser de unos = ml. 6as me+clas se pueden preparar calculando el n7mero de mililitros de cada componente que es necesario a!adir a cada una de las me+clas anteriores y midiendo con buretas las cantidades con"enientes. 6as composiciones no tienen que ser necesariamente las que se #an dado. Sin embargo, se #an de conocer con precisin. Estas me+clas formarán dos capas, siendo la inferior la capa acuosa. Cuando se agita se produce una dispersin turbia, pero las dos capas se "uel"en a formar inmediatamente después que #a cesado la agitaci n. Se titula a continuacin cada una de las me+clas con ácido acético glacial #asta que desapare+ca la turbide+ que se produce con la agitacin. 3tilice una micro-bureta para medir los "ol7menes de ácido a!adidos. 0espués de cada adicin de ácido, agitar "igorosamente durante "arios segu ndos y obser"ar si las capas permanecen o no. Cuando disminuye el "olumen de una de las fases #abrá que tener cuidado de no sobrepasar el punto en el cual desaparece la turbide+. Si se pasara el punto final, a!adir peque!as po rcio nes de n-bu ta no l y ag ua #a sta qu e re apar e+ ca la tu rbid e+, y titula r de nue"o con el ácido. Calcular la composicin de cada disolucin en el punto que desaparece la turbide+. Calcular la composicin en porcenta$e en peso y en fraccin molar. @epresentar los dos con$untos de "alores en papel coordenado triangular. Estos puntos establecen la cur"a de solubilidad para la temperatura a que se reali+ el experimento. Si quedan claros en la construccin de la cur"a, estimar las disolucio nes de n-butanol y agua que se necesitan para completar los datos. 5reparar estas disoluciones y titular con el ácido.
$NEAS DE R EPARTO# 5reparar las disoluciones indicadas en la Aabla %.
TABA %#& Me'clas a (re(arar (ara la de)er*i+aci+ de l-+eas de re(ar)o Disoluci+ N o
+.bu)a+ol /*l0
A1ua /*l0
Acido Ac2)ico /*l0
%
%
%;
%
%
%
%
%
gitar bien cada una de las me+clas durante unos dos minutos en un embudo de decantacin de %'' ml. Se formarán dos capas líquidas, siendo la inferior la capa acuosa. 0eterminar el porcenta$e de ácido acético en cada capa titulando una muestra de esa capa con #idrxido sdico aproximadamente '. 9. Con este ob$eto, pesar con precisin muestras de ml. aprox imadamente de cada fase. 6a normalidad exacta de #idrxido sdico no es esencial. 6o que sí se debe conocer es su título en ácido acético. Se determina éste, titulando con base una muestra pesada del ácido, aproximadamente %g. partir de las titulaciones y de los pesos calcular el porcenta$e en peso del ácido acético en cada capa.
TRATAMIENTO DE OS DATOS# 5ara determinar las líneas de reparto, calcular los porcenta$es en peso de las disoluciones de la tabla % y representarlos en el diagrama de solubilidad. Estos puntos se #allarán dentro de la cur"a de solubilidad. continuacin, representar los porcenta$es de ácido acético en las capas ricas en agua en el lado del agua de la cur"a de solubilidad, los porcenta$es de acético en las capas ricas en n-butanol en el lado del n-butanol de la cur"a de solubilidad. U+ir las (are3as de (u+)os co+ u+a l-+ea rec)a# Es)as rec)as debe+ (asar (or los (u+)os 4ue da+ las co*(osicio+es 1lobales de las dis)i+)as *e'clas# Si las líneas de reparto obtenidas con las cuatro me+clas de la tabla % no establecen con bastante precisin el punto de doble+, se deberán preparar me+clas adicionales y establecer algunas líneas de reparto más. BCuál es la composicin aproximada del punto de doble+ Ara+ar la cur"a de solubilidad en dos diagramas, representando en un caso el porcenta$e en peso y en el
otro la fraccin molar. 5ara obtener los moles de cada componente, di"idir los distintos porcenta$es en peso po r la s re sp ec ti "a s ma sa s mo le cu la re s. 5a ra ob te ne r la s fr ac ci on es mo la re s su ma r el n7mero total de moles y di"idir por esta suma los moles de cada componente. Comparar en forma crítica los resultados obtenidos con los reportados en la literatura.
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