PRACTICA #13 ³ESTUDIO DEL EQUILIBRIO DE FASES: SISTEMA DE TRES T RES COMPONENTES´
YURY VIVIANA CASAS RAMIREZ COD: 109490139 10949013966 SANDRA JHOHANA HERNANDEZ COD: 108828847 10882884700
MARIBEL MONTOYA LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA ESCUELA DE TECNOLOGIA QUÍMICA Pereira, diciembre de 2011.
³ESTUDIO DEL EQUILIBRIO DE FASES: SISTEMA DE TRES COMPONENTES´. 1. INTRODUCCION Los diagramas temarios o triangulares son la representación gráfica de las posibles relaciones o combinaciones entre tres elementos. Indican la distribución de tres variables o componentes diferentes y consisten en la unión de tres diagramas binarios en los que las variables se repiten dos a dos. Permiten trabajar con dos tipos de condiciones entre las variables: condiciones de proporción y condiciones de relación. Esto repercute en el tipo de líneas que configuran el gráfico. La figura 1 muestra el equilibrio líquido- liquido del sistema estudiado. Los puntos a y b representan las fases liquidas conjugadas en ausencia de acido acético. Si la composición de todo el sistema es c, habrá más de la capa b que de la capa a. si se añade un poco de acido acético, la composición se desplaza a lo largo de la línea que une c con el vértice del acido acético, punto c¶. las adiciones de acido acético cambia la composición de las dos capas a¶ y b¶. obsérvese que el acido acético va con mas preferencia a la capa más rica en agua, b¶, de modo que la línea de unión entre las soluciones conjugadas a¶ y b¶ no es paralela a ab. La adición continua de acido acético desplaza la composición a lo largo de
la línea discontinua cC; la fase rica en agua
crece, mientras la fase rica en cloroformo disminuye. c¶¶ solo quedan vestigios de
la
capa
rica
en
cloroformo, mientras
que
sobre c¶¶ el sistema es
homogéneo. Como las líneas de unión no son paralelas, el punto donde las dos soluciones conjugadas tienen las misma composición no está situado en la cima de la curva binodal, sino fuera a un lado del punto k, punto de pliegue. Si el sistema tiene la composición d y se añade acido acético, la composición se desplazará a lo largo de dk. Justo de vado de k estarán las dos capas en cantidades comparables. En k desaparece la frontera entre las dos soluciones y el sistema homogeniza. Compárese este comportamiento con el de c¶¶, donde solo queda un vestigio de unas de las capas conjugadas.
Si la temperatura aumenta, se altera la extensión y la forma de la región bifásica, un ejemplo típico se muestra en la figura2. Si la temperatura se representa como una tercera coordenada, la región de dos fases seria una región en forma de rebanada. En la figura, p es la temperatura de consolución del sistema de dos componentes A-B.
Lectura del diagrama triangular: Al observar el diagrama triangular, vemos que los compuestos puros (el acido acético, el agua y el cloroformo) se ubican en los vértices del triángulo. Los lados del triángulo representan composiciones de mezclas binarias entre pares de componentes. Por ejemplo, la línea AC representa el porcentaje en masas de mezclas de cloroformo(A) y acido acético(C). En el diagrama triangular, los vértices representan el 100% de cada componente y los lados muestran las mezclas binarias. El lado opuesto a un vértice representa el 0% de ese componente y las líneas paralelas a ese lado nos indican un porcentaje cada vez mayor hasta llegar al vértice. Por ejemplo, b y b' respecto del agua (B), desde el 0% de agua en la línea AC (cloroformo-acido acético) hasta el 100% de agua en el vértice B. Cuando comienza a agregarse un tercer componente a una mezcla binaria, las composiciones totales del sistema que se forma, se van ubicando a lo largo de una recta que une la composición de partida con el vértice del tercer componente. Así , como se observa en el diagrama triangular, por agregado de un tercer componente, se pasa de un sistema monofásico a uno bifásico o viceversa, se ha cruzado la línea límite ó curva de solubilidad(curva de color verde) del sistema en uno u otro sentido. Ese punto se observo en la práctica como una turbidez ó y
y
y
y
aspecto lechoso previo a la formación de fases ó en el otro caso a la solubilización total de las mismas. Se graficaron las composiciones en % en peso de esos puntos, para distintas mezclas de partida (ver t abla1), estableciendo entre todos los grupos el diagrama de fases del sistema en estudio a la presión y temperatura (645 mmHg a 24ºC) del día en que se realizó el trabajo práctico. y
2. RESULTADOS Ácido acético 96%, d= 1.05g/mL. Cloroformo 99.9%, d= 1.47g/mL. Agua= 1g/mL. Determinación de la curva de solubilidad Tabla1 Composición de las muestras preparadas para la curva de solubilidad Muestra Triclorometano Ácido acético Agua 1
2mL
18mL
12.5mL
2
5mL
15mL
5.8mL
3
10mL
10mL
1.4mL
4
15mL
5mL
0.6mL
5
18Ml
2mL
0.4mL
Tabla2 Composición en peso al aparecer la turbidez en cada una de las muestras Muestra
Gramos de
Gramo de
Gramos de
Masa total
Triclorometano(g)
Ácido
Agua(g)
de la
acético(g)
muestra (g)
1
2.94
18.66
13.16
34.76
2
7.35
15.12
6.83
29.3
3
14.7
10.08
2.02
26.8
4
22.05
5.04
0.71
27.8
5
76.46
2.02
0.38
78.86
Para hallar el porcentaje en peso de cada componente de la muestra se realiza la siguiente operación: Muestra #1:
é
Asi, de forma análoga se efectúan los cálculos para las demás muestras. Los valores hallados se encuentran en la siguiente tabla:
Tabla3 Porcentaje en peso de los componentes en cada muestra Muestra % triclorometano % acido acético % agua 1
8.46
53.68
37.86
2
25.08
51.60
23.31
3
54.85
37.61
7.54
4
79.32
18.13
2.55
5
96.96
2.56
0.48
La tabla 3 se usa para realizar la curva de solubilidad en el diagrama triangular.
Determinación de las líneas de reparto o de unión
Para calcular los gramos de acido acético en la alícuota, se realiza la siguiente operación para cada capa: Capa inferior: embudo #1 é
é
é é
é
é
Y para hallar el % en peso de acido acético se realiza lo siguiente: Capa inferior: embudo #1
Tabla4 Recopilación de datos de las líneas de reparto o unión Muestra
Capa
Peso de la
Volumen
Gramos
% en peso
alícuota
NaOH
acido
de Acido
en gramos
gastados
acético en
acético en
(mL)
la alícuota
cada capa
Embudo
Inferior
7.5275
4.0
0.240
3.19
#1
Superior
4.9390
14.4
0.864
17.49
Embudo
Inferior
7.3335
13.8
0.828
11.29
#2
Superior
5.4574
37.0
2.22
40.68
Mezcla
Miscibles
Cloroformo-acido acético
No miscibles
x
Agua-acido acético
x Agua-cloroformo
Tabla5
Figura3. DIAGRAMA TRIANGULAR
3. DISCUSIÓN DE RESULTADOS En esta práctica se estudio un sistema de tres componentes: agua, cloroformo y acido acético. y
Se observa que el acido acético
y el agua son especies miscibles
entre sí en cualquier proporción, al igual que el cloroformo y el acido acético, en cambio el agua y el cloroformo son inmiscibles entre sí. La miscibilidad del acido acético-agua se debe a que hay puentes de hidrogeno entre ambas
especies. El coeficiente de actividad disolución infinita del cloroformo y agua es elevado (118), lo que explica la inmiscibilidad entre estas dos sustancias. Debido a su inmiscibilidad, se observa la formación de dos fases diferentes (bifásica). Es mucho mejor esta separación, debido a que hay una estabilidad termodinámicamente hablando. y
En el caso de que tengamos una mezcla de cloroformo-agua y no
deseamos romper la inmiscibilidad mutua de estos dos componentes, se presenta que el acido acético esta en ambas fases, es decir, que ya no hay una fase pura de cloroformo y otra fase pura de agua, sino una mezcla de acido acéticoagua, y otra de acido acético-cloroformo. Si añadiéramos, una cantidad apreciable de acido acético (sin romper la inmiscibilidad) a la mezcla, se tendría que el acido rodearía al cloroformo y, en la fase donde se encuentra el agua el acido se distribuirá entre las moléculas de agua. y
la mezcla de acido acético y agua está formada por dos fases, una
está formada por acido acético puro y la otra está formada por agua. Las cantidades relativas de las dos fases dependen de las cantidades de acido acético y agua iniciales. se observo que, al añadir a la mezcla anterior una pequeña cantidad de cloroformo, este último se distribuye entre las dos fases antes mencionadas, además cabe notar que algo de acido acético se ha disuelto en la fase de agua y algo de agua en la fase de acido acético.
y
La solubilidad mutua del acido acético y agua disminuyo, debido a la
adición del cloroformo, ya que este último es soluble en acido acético. Sin embargo, si tenemos la mezcla inmiscible cloroformo-agua, la adición de acido acético ayuda a incrementar la solubilidad mutua, hasta al punto de alcanzarse una mezcla homogénea. Lo anterior solo se cumple si tenemos en cuenta las cantidades de los componentes, es decir, cuanto de acido acético se debe agregar a la mezcla inicial de cloroformo y agua , para romper la inmiscibilidad mutua de ambos componentes. El paso de una fase bifásica a una monofásica se debe a que el acido acético mantiene alejada el agua del cloroformo por medio de una gran región de iones acetatos. Esta fase monofásica produce una
estabilidad termodinámica. Otra cosa que se debe resaltar es que si se tiene una mezcla de cloroformo y acido acético, la adición de agua genera una pequeña mezcla
heterogénea, claro está que la formación de esta mezcla
depende de la cantidad de agua que se adicione. y
En la figura 3. Se represento los datos de equilibrio liquido-liquido a
temperatura constante, para el sistema descrito. La curva de solubilidad de la
figura 3, representa el instante en que el sistema se transforma en una sola fase y, debajo de esta queda todas las mezclas que se realizaron de los tres componentes, los cuales generaron dos fases diferentes. Cabe esperar que el triclorometano se halle en la fase inferior (fase orgánica), ya que posee una densidad mayor que el agua, y este último se encuentre enriqueciendo la fase superior (fase acuosa) debido al valor de su densidad. Aunque, la fase superior es rica en agua, cabe decir que aquí también se encuentra algo de triclorometano y acido acético y, en la fase orgánica se encuentra algo de agua y acido acético. Las dos fases anteriormente descritas se representan en el diagrama triangular por medio de líneas de reparto, las cuales se muestran debajo de la curva de solubilidad. Por encima de la curva de solubilidad se encuentran las proporciones de estos tres componentes que generaron sistemas homogéneos de una sola fase.
4. CONCLUSIONES y
Se determino el punto de inmiscibilidad y miscibilidad de las soluciones
liquidas con solo variar la composición de uno de los componentes. y
Se aprendió a interpretar un diagrama triangular para un sistema de tres
componentes, es decir, se aprendió a diferenciar donde el sistema forma una fase bifásica o monofásica y, donde se presenta el instante en que el sistema se transforma en una sola fase.
y
Cuando se conoce la naturaleza de los líquidos con que se trabajan, se
puede llegar a saber cuándo el sistema presenta una configuración termodinámicamente más estable y saber lo que sucede en las fases que se forman al agregar un tercer componente a una mezcla bifásica. El diagrama triangular como el construido aquí, tiene múltiples aplicaciones en el campo de la tecnología y la industria. Son el resultado de muchísimo trabajo experimental cuyos resultados se utilizan para la predicción del comportamiento de los sistemas respecto a sus fases en distintas condiciones. y
y
Para determinar el estado de un sistema de tres componentes, solo es
necesario especificar la concentración de un componente, ya que las otras composiciones se pueden averiguar a partir del diagrama triangular de fases.
5. BIBLIOGRAFIA
y
EQUILIBRIO DE FASES, E.CROQUEVIELLE, 1981.
y
DIAGRAMAS DE FASES, NELSON SANTANDER, 1998.
y
FISICOQUÍMICA, IRA N. LEVINE, TERCERA EDICIÓN McGRAW-HILL.
y
FÍSICOQUÍMA, GILBERT W. CASTELLAN, pag 360, TERCERA
EDICIÓN McGRAW-HILL.
