Resumen La mezcla azeotropica es una solución real que donde esta tiene un punto de ebullición mayor o menor a la de sus respectivos componentes. Si es mayor se dice que el azeotropo tiene una temperatura máxima de ebullición y si es menor que el azeotropo tiene una temperatura mínima de ebullición. Nuestro Nuestro objetivo en esta práctica fue allar la composición del azeotropo del sistema !"propanol # a$ua a partir de la determinación de los puntos de ebullición de distintas mezclas y allando la fracción molar de las mezclas atreves de una curva patrón de índice de refracción # fracción molar del componente más volátil. %sto consistió en armar el equipo especial para punto de ebullición y se coloco aproximadamente aproximadamente &'ml de !"propanol en el balón. Lue$o se calentó asta ebullición y se tomo esa temperatura. (espu)s se enfrio y se co$ió !ml de destilado y !ml de residuo. residuo. *osteriormente se fue a+adiendo cantidades ya de,nidas de a$ua en el balón con !"propanol. -inalmente se izo el mismo procedimiento solo que esta vez en vez de &'ml de !"propanol se a$re$o &'ml de a$ua. *ara la obtención de la curva patrón lo que se izo fue preparar solución establecidas en la $uía y medir su índice de refracción. (espu)s (espu)s se midió en índice de refracción de los destilados y residuos. oncluimos que el sistema !"propanol # a$ua forma un azeotropo de punto de ebullicon mínimo y que este m)todo es bueno ya que el / de error fue de !012/.
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3ntroducción Los procesos de transferencia de ener$ía y masa en una columna real de destilación son demasiado complicados para poder modelarlos con facilidad en forma directa. %sta di,cultad se supera mediante el modelo de etapa de equilibrio. *or de,nición1 la corriente corriente de vapor y la l a del líquido que salen de una etapa de equilibrio están en equilibrio completo entre si y se pueden utilizar relaciones termodinámicas para relacionar las concentraciones de las dos corrientes en equilibrio. Se dise+a una columna ipot)tica que se compone de etapas de equilibrio 4en lu$ar de verdaderos verdaderos platos de contacto5 para realizar las separaciones especi,cas para la columna real. 6 continuación1 el n7mero de etapas ipot)ticas de equilibrio se debe convertir en un n7mero dado de platos reales1 por medio de e,ciencias de plato que describe el punto asta el cual el rendimiento de una bandeja real de contacto corresponde al rendimiento de una etapa de equilibrio. %l empleo de concepto de etapa de equilibrio separa el dise+o di se+o de columna de destilación en tres partes principales8
Los datos y los m)todos termodinámicos que se requieren para predecir las composiciones de equilibrio de fases se tienen que determinar determinar cuidadosamente. cuidadosamente.
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Se debe calcular el n7mero de etapas de equilibrio que se requieren para lo$ar una separación especí,ca o la separación que se obtendrá con un n7mero dado de etapas de equilibrio.
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%l n7mero de etapas de equilibrio se debe convertir en un n7mero de equivalente de platos reales de contacto1 o determinar determinar la altura de empaquetamiento y el diámetro.
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&
9arco :eórico Diagrama de fases.-
Los dia$ramas de fase son representaciones $rá,cas de cuales fases están presentes en un sistema material en función de la temperatura1 la presión y la composición. Son representaciones representaciones $rá,cas de las condiciones termodinámicas termodinámicas de equilibrio. %l estado de equilibrio de un sistema es aquel en el cual sus propiedades propiedades no cambian con el tiempo1 a menos que se ejerza una alteración de la temperatura1 la presión o la composición1 o la aplicación de fuerzas externas de tipo el)ctrico1 ma$n)tico1 etc. La base de todo el trabajo sobre los dia$ramas de equilibrio es la re$la de fases de ;illard & (onde8 8 N7mero de componentes del sistema *8 N7mero de fases presentes en el equilibrio -8 ?arianza del sistema 4$rados de libertad5 Los t)rminos usados en la expresión anterior así como otros necesarios para entender los dia$ramas de fase se de,nen a continuación. SISTEMA: cualquier porción del universo material que pueda aislarse
completa y arbitrariamente del resto1 para considerar los cambios que puedan ocurrir en su interior y bajo condiciones variantes. FASE: cualquier porción del sistema físicamente omo$)nea y separada por
una super,cie mecánicamente separable de otras porciones. *or ejemplo1 un vaso de a$ua con cubos de ielo constituye dos fases distintas de una misma sustancia 4a$ua5. Los Los cubos de ielo son una fase sólida y el a$ua líquida es una fase líquida. COMPONENTES: el menor n7mero de variables individuales
independientes 4vapor1 4vapor1 líquido o sólido5 por medio de los cuales la composición del sistema puede expresarse cuantitativamente. Normalmente un componente es un elemento1 compuesto o solución del sistema. 6sí por ejemplo1 el vaso de a$ua con cubos de ielo1 es un sistema en el que ay dos fases pero una sola componente
@
VARIANZA DEL SISTEMA (GRADOS DE LIERTAD!: %s el n7mero de
variables 4presión1 temperatura temperatura y composición5 que se pueden cambiar independientemente independientemente sin alterar el estado de la fase o de las fases en equilibrio del sistema ele$ido. %s la aplicación de la re$la de las fases al tipo de sistemas bajo consideración. %l n7mero de las variables1 las cuales se ,jan de manera arbitraria para de,nir completamente el sistema1 se llama varianza o $rados de libertad del sistema.
A
(etalles %xperimentales Ma"eria#es:
B :ubos :ubos $randes. $ randes. 6$itador metálico peque+o. ocinilla. :ermómetros. Rejilla. ?asos de de A' A'' y 0''ml.
-
" " " "
Rea$"i%&s:
" "
Naftaleno C. C.*. *arad aradic iclo lorroben obence ceno no C.* C.*.
Pr&$edimie'"&.. De"ermi'a$i)' De"ermi'a $i)' de# diagrama diagram a de fase.a. Se calentó a$ua en el vaso de 0''ml asta ebullición. *. Se introdujeron los dos tubos que tenían mayor temperatura de
c. d.
e. f.
ebullición 4:abla 65 para que se funda la muestra. Se destapo el tubo li$eramente para que la tapa no sal$a disparada por la presión. Lue$o Lue$o se calentó calentó en el el vaso de A''ml A''ml a$ua a$ua asta asta unos @ D por encima de la temperatura de fusión aproximada 4:abla 65 más alta del set. Ena vez vez que se fundió fundió toda toda la mezcla mezcla se pasa pasa el el tubo de mayor mayor punto de fusión al vaso de A''ml y en el vaso de 0''ml se pone el si$uiente tubo de mayor punto de fusión. Se coloca un termómetro di$ital y un a$itador dentro del tubo que se puso en el vaso de A''ml. Se dejo enfriar enfriar lentame lentamente nte con a$itación a$itación constan constante te asta ver ver una cristalización 4aparición de un escarcado5 y se anoto la temperatura justo en ese momento. -inalmente inalmente se repitió repitió los pasos pasos d y e para para todos todos los si$uie si$uientes ntes tubos.
+. De"ermi'a$i)' De"ermi'a $i)' de #a $,r%a de e'friamie'"&.e'friam ie'"&.-
a. Se seleccion selecciono o un tubo que que conten$a conten$a un un solo componen componente te 4! u B5.
F
b. Se eli$ió eli$ió una tempera temperatura tura inicial inicial mayor mayor en @D a la de crista cristalizac lización ión observada en el experimento anterior1 y se tomo temperaturas cada !' se$undos. c. Se repitió repitió el paso paso b para para una sola sola muestr muestra a de dos compon componente entes. s. :EGH
! & @ A F 0 2 B
0
p"diclorobenceno 4G5 4$5
Naftaleno 465 4$5
!F ' !&1F !1F !&1F &1F !&1F 0 !' !' 2 !&1F @ !F ' !F S3S:%968 p"diclorobenceno 4G5 # Naftaleno 465 :6GL6 :6GL6 6
:emperatura :emperatura de cristalización 4D5 aprox. FA A2 A@ @& AB FB 2& B'
:abul : abulación ación de datos datos :6GL6 :6GL6 ND! # ondiciones ondiciones experimentales experimentales *4mmI$5 2F0
:4D5 &'
/IR J@
:6GL6 :6GL6 ND& # (atos (atos experimentales. experimentales. :4D5 JF1F J!1B BB1J B21! B012 B01F B01A
n residuo !1@BA' !1@BA' !1@BA' !1@B!F !1@B!' !1@2JF !1@2J'
JJ10 J010 J!1& BJ1! BJ10 B210 B01J B01B B01J
!1@@@' !1@@A' !1@A'F !1@A0' !1@2JF !1@F&' !1@F&F !1@F@F !1@FJF
6$ua en !"*ropanol n destilado K residuo !1@BA' '1BB !1@B@F '1BB !1@B!F '1BB !1@B'' '10AF !1@2JF '10! !1@2J' '1F& !1@2J' '1F' !"*ropanol en 6$ua !1@@@' ' !1@0&' '1''F !1@2'' '1'@ !1@2F' '1'F !1@2FF '1F& !1@2'' '1'BF !1@20' '1'J !1@20F '1'JF !1@20F '1!@F
destilado '1BB '1B@ '10AF '1FF '1F& '1F' '1F' ' '1!0 '1&FF '1@2F '1@J '1&FF '1A'F '1A& '1A&
:6GL6 :6GL6 ND@ # (atos (atos experimentales experimentales 4muestras patrón5 9uestra
! & @ A F 0 2 B J !'
!1@BAF !1@BA' !1@B@' !1@B'' !1@2!' !1@0J' !1@0@F !1@F0' !1@AAF !1@@@'
:6GL6 :6GL6 NDA # (atos (atos teóricos 2
n
React eactiv ivo o !"*ropanol 6$ua desionizada
B
( 4$Mm 4$Mml5 l5 a &'D &'D '1B'F '1JJB
*94$Mm $Mmol5 ol5 0'1'JF !B1'!F
K 4azeotropo5 '1A@ '1F2
álculos . De"ermi'ar De"ermi'ar #a fra$$i)' fra$$i)' m&#ar m&#ar de# $&m&'e'" $&m&'e'"e e ms %&#"i# e' $ada $ada ,'a de #as me/$#as rearadas e'+.a (Ta*#a (Ta*#a N0!
*ara la muestra & de la curva patrón ?olumen de !"propanol = &1J ?olumen del a$ua '1! m !"propanol (=mM?
'1B'F = mM&1J
m !"propanol =&1@
m a$ua (=mM?
'1JJB = mM'1!
m a$ua ='1!
m1 n1
K=
propanol propanol
−
ntotales
=
PM 1 m1
propanol propanol
−
propanol propanol
−
propanol propanol
−
PM 1
propanol propanol
−
+
m agua
= '1BB
PM agua
Se procede de la misma forma para los otros casos. +. Ca#$,#& Ca#$,#& de# 1 de err&r err&r de #a $&m&si$i $&m&si$i)' )' de# a/e)"r& a/e)"r&& &
K!"propanol 4teorico5 = '1A@ K!"propanol 4%xperimental5 = '1F' 0,43 −0,50
/% =
J
0,43
x !'' = "!012/
6nálisis y discusión de resultados Se observa del dia$rama :D " composición del sistema !"propanol !"propanol a$ua que en la composición azeotropica la composición del liquido es el mismo que la del vapor y eso solo ocurre en este punto y tambi)n se ve que ay dos porciones en donde existe un equilibrio liquido vapor que es dentro de las curvas. uando se la mezcla se encuentra por encima se la curva si$ni,ca que se encuentra en estado $aseoso debido a que el $as es más estable a altas temperaturas1 temperaturas1 pero cuando nuestra mezcla se encuentra por debajo de la curva se encuentra en estado liquido porque el liquido es más estable a bajas temperaturas. (e ese mismo dia$rama se puede decir que la mezcla de !"propanol y a$ua forma un azeotropo de temperatura mínima de ebullición. Si$ni,ca que la temperatura de ebullición del azeotropo es menor que la de sus componentes. %l porcentaje porcentaje de error nos salió !012 esto nos indica que este m)todo si es un buen m)todo para allar la composición de una mezcla azeotropica. %se error nos puede aber salido por no medir bien los vol7menes a la ora de allar el punto de ebullición y aber a$re$ado menor cantidad de a$ua.
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onclusiones y recomendaciones • •
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!!
La solución no es ideal ya que toda solución azeotropica es real. %n la composición del azeotropo1 la composición de la fase liquida es la misma que la del vapor. %l mezcla !"propanol # a$ua es una azeotropo de temperatura de ebullición mínima.
Giblio$rafía • •
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ttp8MMeOeb.cemen$.ed.ac.uPMcemQen$Mazeot ttp8MMeOeb.cemen$.ed.ac.uP McemQen$MazeotropeQbanP ropeQbanP.tml .tml.. astellan <.1 -isicoquímica1 &da edición1 %d. *earson1 9)xico1 !JB21 pá$s. @&0 y @&2. 9aron S.1 *rutton .1 -undamento de ,sicoquímica1 !ra edición1 %d. Limusa1 9)xico1 !J0B1 pá$s. &J& # &JF.
uestionario !5 *ara *ara las mezclas mezclas liquidas binarias ideales1 ideales1 explique explique la aplicación de las leyes de (alton y Raoult. on la ley de Raoult en una mezcla binaria liquida analizando solo la presión de vapor de la mezcla podemos saber cuáles son las componentes de la mezcla. on esta ley tambi)n se puede ver que la la presión de vapor de la solución siempre es menor que la presión de vapor del solvente puro. %sto se debe a que las mol)culas del soluto di,culta la evaporación de las mol)culas del solvente. :odo esto si$ni,ca que al disminuir la presión de vapor de la solución tiene que aumentar el punto de ebullición de )ste y disminuir el punto de con$elación. La ley de (alton se aplica para mezclas de $ases y se usa para allar la presión total de una mezcla de $ases. &5 %xplique %xplique la solubilida solubilidad d de los $ases $ases en los líquidos líquidos T%n qu) qu) casos se se aplican la ley de Ienry y la ley de (altonU Normalmente1 Normalmente1 la solubilidad de un $as no se afecta sustancialmente sustancialmente por la presión total del sistema1 si )sta se mantiene por debajo de F atmósferas. atmósferas. Sin embar$o1 el efecto de la temperatura temperatura es importante1 i mportante1 de modo que la solubilidad aumenta al disminuir aqu)lla. *or este motivo1 cuando la absorción absorción va acompa+ada de un efecto calorí,co1 se precisan instalar refri$erantes o intercambiadores de calor en el equipo para mantener una temperatura su,cientemente su,cientemente baja que permita obtener un $rado de absorción adecuado. *or tanto1 para presiones no muy altas y ,jada la temperatura1 es la presión parcial parcial del soluto en la fase $aseosa la que nos ,ja el $rado de absorción de un $as en un líquido. La ley de Ienry se aplica para la disolución de $ases en líquidos. %sta ley nos dice que a una temperatura constante1 temperatura constante1 la cantidad de $as disuelta en un líquido es líquido es directa di rectamente mente proporcional proporcional a la presión parcial que parcial que ejerce ese $as sobre el líquido. La ley de (alton se aplica para mezclas de $ases y nos dice que cada componente de una mezcla $aseosa ejerce una presión parcial i$ual a la que ejercería si estuviera solo en el mismo volumen1 y la presión total de la mezcla es la suma de las presiones parciales de todos los componentes. @5 T%n qu) casos se se aplica la destilación destilación fraccionada fraccionada a presión constanteU La destilación fraccionada es un proceso físico utilizado para separar mezclas de líquidos mediante el calor1 y con un amplio intercambio calórico y másico entre vapores vapores y líquidos. Se emplea principalmente cuando es necesario separar compuestos de sustancias con puntos de ebullición distintos pero cercanos. cercanos. La principal diferencia diferencia que tiene !@
con la destilación simple es el uso de una columna de fraccionamiento. Vsta permite un mayor contacto entre los vapores que ascienden y el líquido condensado que desciende1 por la utilización de diferentes bandejas o platos. %sto facilita el intercambio de calor entre los vapores y los líquidos. %se intercambio de calor provoca que los líquidos con menor punto de ebullición se conviertan en vapor y los vapores de sustancias con mayor punto de ebullición pasan al estado líquido. A5 3ndique y explique otros m)todos experimentales experimentales para determinación determinación del punto azeotrópico. azeotrópico. En m)todo para la determinación del punto azeotropico es la destilación fraccionada1 este m)todo se emplea cuando las l as dos componentes tienen puntos de ebullición muy cercanos. La destilación fraccionada es una operación básica de la industria química y a,nes1 y se utiliza fundamentalmente en la separación de mezclas de componentes líquidos. La e,ciencia de la separación depende de m7ltiples factores como la diferencia de puntos de ebullición de los componentes de la mezcla1 la presión del trabajo y otros parámetros ,sicoquímicos de los componentes. %l corazón de un sistema de destilación fraccionada es la columna de fraccionamiento1 fraccionamiento1 cuyo dise+o con respecto al tama+o1 el n7mero de platos1 el tipo de relleno1 el diámetro1 etc.1 determinan en $ran medida el )xito de la separación. Lo 7nico que varia este m)todo con el que empleamos en la práctica es la forma de destilación todo lo demás se ace de la misma forma.
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