INTRODUCCIÓN Un sistema formado por la mezcla m ezcla de dos líquidos totalmente miscibles, es decir, dos líquidos que se disuelven completamente entre sí, en equilibrio con su vapor tendrá dos componentes y dos fases, una fase líquida y una fase vapor. Las variables que suelen fijarse son la temperatura y la composición de la fase líquida y en estas condiciones, la presión de vapor del sistema tendrá un valor definido que vendrá dado por la ley de Dalton. Para comprender el comportamiento de las disoluciones reales, se analizará primero el comportamiento de las disoluciones ideales. Una disolución ideal es la que se forma cuando al mezclar dos líquidos volátiles se disuelven sin absorber ni desprender calor y de modo que los volúmenes resultan ser aditivos. Las disoluciones ideales líquido-líquido cumplen la ley de Raoult y la ley de Dalton. Sometiendo a un sistema líquido-líquido de comportamiento ideal a un conjunto repetido de procesos de evaporación parcial-condensación se puede obtener el componente más volátil en estado casi puro en las fracciones recogidas de la fase vapor (destilado), mientras que en las fracciones líquidas (residuo) se recogerá el componente menos volátil casi puro. En el presente laboratorio observaremos el equilibrio liquido-vapor entre el agua y etanol a diferentes composiciones. composiciones.
RESULTADOS EXPERIMENTALES T = 20 °C = 20 (H2O) = 0.998 gr/ml (Etanol) = 0.791 gr/ml
Tabla N01 N0
1 2 3 4 5 6 7 8 9
(0) 5 10 25 40 50 65 80 90 95
Agua destilada Vol.(ml) M(g) n(mol) 1 2 5 8 10 13 16 18 19
0.998 1.996 4.99 7.984 9.89 12.974 15.968 17.964 18.962
0.0554 0.1108 0.2772 0.4435 0. 5544 0.5544 0.7207 0.8871 0.998 1.0534
X
0.1449 0.2636 0.5180 0.6825 0.7633 0.8569 0.9281 0.9667 0.9840
95 90 75 60 50 35 20 10 5
Vol. (ml) 19 18 15 12 10 7 4 2 1
Etanol (950) M(g) n(mol) 15.029 14.238 11.865 9.492 7.91 5.537 3.164 1.582 0.791
0.3267 0.3095 0.2579 0.2063 0.1 719 0.1719 0.1203 0.0687 0.0343 0.0171
Determinación del X de los componentes de la mezcla miscible (agua-etanol) Ejemplo -Matraz 5: (50 agua; 50 etanol) Volumen del agua =10 ml Volumen del alcohol = 10 ml Masa del agua = (H2O) V(H2O) = (0.998 gr/ml) (10 ml) = 9.98 gr Masa del alcohol = (etanol) V(etanol) = (0.791 gr/ml) (10ml) (10ml) = 7.91 gr n(mol) H2O =
9.98 gr
= 0.5544 mol
18gr/ml
n(mol) etanol =
.91 gr
= 0.1719 mol
4gr/ml
mol(totales) = 0.7263 mol X(H2O) =
n n +
X(Etanol) =
n etanol n +
= 0.76 0.7633 33 = 0.23 0.2366 66
X 0.8556 0.7363 0.4819 0.3174 0.2366 0.1430 0.0718 0.0332 0.0159
Tabla N002 N° matraz
1 2 3 4 5 6 7 8 9
X(alcohol)
I.R de la disolución ETOH/ H2O 1.3630 1.3615 1.3610 1.3600 1.3605 1.3485 1.3435 1.3380 1.3330
0.8556 0.7363 0.4819 0.3174 0.2366 0.1430 0.0718 0.0332 0.0159
Tabla2: Valores de la composición de alcohol con su respectivo índice de refracción
Gráfica N° 1
Gráfica1: Curva de calibración del índice de refracción v.s. composición de etanol
Tabla N03 Grado de alcohol (%) 0 10 20 35 50 60 75 90 95
I.R. (condensado) 1.3330 1.3550 1.3470 1.3645 1.3640 1.3635 1.3630 1.3645 1.3650
I.R. (residual) 1.3330 1.3375 1.3430 1.3445 1.3448 1.3510 1.3635 1.3644 1.3648
T(0K) 373 354 342.5 351 351.5 352 351 350 351
Según la ecuación de la recta ajustada de la gráfica N 01
y = 0.0224x + 1.3441 ; tenemos:
Tabla N04 Grado de X (líquido condensado) alcohol Etanol Agua (%) 0 0 1 10 0.4866 0.5134 20 0.1295 0.8705 35 0.9107 0.0893 50 0.8884 0.1116 60 0.8661 0.1339 75 0.8438 0.1562 90 0.9107 0.0893 95 0.9330 0.0670 (*) Valores con signo negativo.
X (líquido residual) Etanol Agua 0 -0.2946 -0.0491 0.0178 0.0313 0.3080 0.8661 0.9063 0.9241
1 -1.2946 -1.0491 0.9822 0.9687 0.6920 0.1339 0.0937 0.0759
T(0K) 373 354 342.5 351 351.5 352 351 350 351
Determinación del X (alcohol) y X(agua) mediante la ecuación ajustada obtenida en la gráfica N01. 500 (alcohol) - I.R(destilado) = 1.3640 y = 0.0224x + 1.3441
Y = I.R (condensado); x = X (fracción (fracción molar del etanol) etanol),, reemplazando: 1.3640 = 0.0224x + 1.3441 x = 0.8884 - I.R(residuo) = 1.3448 y = 0.0224x + 1.3441
Y = I.R(residual); x = X (fracción molar del etanol) etanol); reemplazando: 1.3448 = 0.0224x + 1.3441 x = 0.0313
Gráfica N02
Diagrama de temperatura-composición del vapor 375 370 ) K ° ( a r u t a r e p m e T
365 360 355 350 345 340 -0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Composición Composición del vapor
Gráfica 2: Diagrama de Temperatura V.S. Composición del vapor
Gráfica N03
Diagrama temperatura-composición temperatura-composición del líquido 375 370 ) K ° 365 ( a r 360 u t a r e 355 p m e 350 T
345 340 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Composición Composición del líquido
Gráfica 3: Diagrama de Temperatura V.S Composición del líquido
1.2
Diagrama de temperatura-composición de la mezcla binaria líquida agua-alcohol 375 370
) K ° ( a r u t a r e p m e T
365 360 355 350 345 340
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Composición composición del líquido
composición del vapor
Gráfica 4: Diagrama de Temperatura V.S. Composición de la mezcla binaria
Tabla N05 Composición del liquido Composición del vapor 0 0 0.4866 -0.2946 0.1295 -0.0491 0.9107 0.0178 0.8884 0.0313 0.8661 0.3080 0.8438 0.8661 0.9107 0.9063 0.9330 0.9241 - Valores de composición liquido-vapor en función del etanol
Gráfica N05
X(liquido ) vs X( vapor) 1 y = 0.157x 0.157x - 0.483 0.4839 9 R² = 0.8239
0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2
0
2
4
6
8
-0.4
Gráfica 5: Diagrama de las fracciones molares del líquido y vapor
10
DISCUSIONES DE LAS OBSERVACIONES Y RESULTADOS
Es necesario trabajar a una presión constante para poder realizar la prueba de equilibrio líquido-vapor de una mezcla binaria líquida (alcohol-agua).
El diagrama de fase de temperatura-composici temperatur a-composición ón de la mezcla líquida alcoholagua muestra un valor mínimo de temperatura, lo que indicaría que la mezcla está desestabilizada en relación a la mezcla ideal, y que las interacciones entre las moléculas de agua y alcohol sean desfavorables, ocasionando que la energía de Gibbs sea positiva. La composición azeotrópica según datos teóricos debió presentar un valor alrededor de los 351°K, pero en la prueba experimental se la obtuvo próxima a los 354°K. Además al ser una composición azeotrópica, la temperatura mínima obtenida, debería ser con respecto a la de los componentes de la mezcla (agua 373°K y etanol 351.6°K), pero se observa que excede a la del etanol. Las fuentes de errores experimentales pudieron provenir de una mala medición de las diferentes temperaturas, posible fuga de vapor en el momento del destilado o la preparación inicial de las soluciones a diferentes concentraciones. Diagrama de temperaturacomposición de la mezcla binaria líquida agua-alcohol (P=1atm) 375 370 ) K ° ( a r u t a r e p m e T
365 360 355 350 345 340
-0.5
0
0.5
1
Composición composición del líquido composición del vapor
Resultado experimental
Resultado teórico
La curva de calibración de la mezcla binaria (gráfico 1) no presenta una recta bien definida, ello podría deberse a que esta forma un azeótropo, haciendo que su comportamiento sea diferente en comparación a otro sistema, que no presente composición azeotrópica.
CONCLUSIONES
Debido a que la mezcla presenta una composición azeotrópica donde el condensado tiene la misma composición composic ión que el líquido azeotrópico, no se podrán separar los dos líquidos por destilación, y por lo que será necesario la adición de un tercer componente. componente.
El diagrama de temperatura-composic temperatur a-composición ión es el adecuado para explicar la destilación de la mezcla agua-alcohol, ya que los límites representan la composición de las fases que están en equilibrio a distintas temperaturas y presión constante.
Para equilibrio de una mezcla líquida binaria donde se trabaja con las variables variables temperatura y composición, debe mantenerse una presión constante.
La composición azeotrópica es aquella en la que la mezcla ebulle sin modificaciones, por lo que para separar los dos líquidos será necesaria la adición de un tercer componente.
Una mala praxis de la prueba conlleva a que los resultados resultado s obtenidos no sean los esperados. Antes de realizar cualquier práctica se deben revisar que los materiales estén en buen estado, prevenir o evitar al máximo los errores.
CUESTIONARIO
a) ¿Se cumplieron los objetivos de la práctica? En base a los experimentos realizados. Los objetivos de la práctica fueron los siguientes: Determinar el equilibrio entre el líquido y el vapor en sistemas líquidos binarios. Describir el comportamiento comportamient o del equilibrio de los sistemas líquidos binarios por medio de diagramas de equilibrio En nuestra experiencia de laboratorio pudimos observar una mezcla binaria de líquidos sometidos a destilación (presión constante): Teóricamente el gráfico del primer vapor debería concordar, así hallando el equilibrio de esta mezcla.
Sin embargo, la gráfica hallada no se ajusta a la teórica:
Diagrama de temperat temperatura-composición ura-composición de la mezcla binaria líquida aguaalcohol 375 370
) K ° ( a r u t a r e p m e T
365 360 355 350 345 340
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Composición composición del líquido
composición del vapor
Esto puede deberse a múltiples factores, el principal de ellos es debido a la formación de mezcla azeotrópica. Un azeótropo es una mezcla de compuestos químicos (dos o más) diferentes en estado líquido, los cuales ebullen a constante temperatura, y actúan como si fuesen un solo compuesto químico. En el caso del agua y el etanol, ambas presentan propiedades químicas similares, al mismo tiempo que la diferencia entre su punto de ebullición es menor al rango promedio, por lo que sería fácil formar una mezcla azeotrópica.
b) ¿Qué se puede concluir concluir sobre la la relación entre las las propiedades propiedades estudiadas estudiadas y la estructura molecular de las sustancias empleadas en la práctica?
El índice índice de refracción de las sustancias nos es de gran utilidad para obtener la fracción mol de r residuo y del precipitado. La fracción fracció n mol de un componente siempre va a tomar valores de cero a uno. En los diagramas de equilibrio de sistemas binarios obtenemos las temperaturas de ebullición de los componentes puros. Dependiendo la fracción mol del sistema. El etanol mezclable con agua; a la concentración concentrac ión de 95% en peso se forma una mezcla azeotrópica. En un diagrama de equilibrio de sistemas binarios, a presión constante, siempre tendremos al líquido por debajo de las curvas, ya que el líquido es estable a bajas t emperaturas. emperaturas.
c) ¿Existe congruencia c ongruencia correspondiente?
ent re entre
los
experime ntos experimentos
realizados
y
la
teoría
Según la teoría, un sistema formado por la mezcla de dos líquidos totalmente miscibles, es decir, dos líquidos que se disuelven completamente entre sí, en equilibrio con su vapor tendrá dos componentes y dos fases, una fase líquida y una fase vapor. Las variables que suelen fijarse son la temperatura y la composición de la fase f ase líquida y en estas condiciones, la presión de vapor del sistema tendrá un valor definido que vendrá dado por la ley de Dalton. Experimentalmente no se obtuvo una gráfica similar a la estándar, pues según el comportamiento teórico, las fracciones molares de líquido y vapor a diferentes temperaturas deben tener un punto donde sean semejantes; lo que a la vez indica que la sensibilidad del método es muy alta para lograr obtener el valor esperado. Debemos tener en cuenta que el etanol es una sustancia muy volátil, por lo que la lectur a de índices de refracción se debe llevar a cabo de forma inmediata después de haber preparado las disoluciones para evitar errores en la lectura de los datos. En la gráfica del comportamiento teórico se observa que el etanol mezclado con agua tiene un punto azeotrópico de temperatura de ebullición mínima.
BIBLIOGRAFÍA
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