EQUILIBRIO LÍQUIDO- LÍQUIDO DEL SISTEMA TERNARIO TOLUENO-ÁCIDO ACÉTICO-AGUA Arley Noguera, Jesús Anaya Laboratorio de Fisicoquímica (Sección: 68) – Escuela de Ingeniería Química Universidad de Carabobo Profesor: Auxilia Mallia Preparadores: David Ferrer, Jesús Mendoza RESUMEN Esta práctica tuvo como objetivo principal la construcción del diagrama de equilibrio líquido-líquido del sistema ternario tolueno-ácido acético-agua, a temperatura y presión constante, a partir de datos experimentales. Para ello, se mezclaron cantidades conocidas de dos componentes miscibles entre sí y se agregaron porciones del tercero hasta que el sistema se volviera heterogéneo (método del punto de niebla); las composiciones obtenidas para cada caso correspondieron a un punto sobre la curva binodal del diagrama. También se prepararon dos mezclas de las soluciones anteriores y se separó la fase orgánica de la acuosa mediante decantación, obteniéndose un extracto y un refinado, cuyas concentraciones se determinaron mediante titulación con hidróxido de sodio acuoso y orgánico, según correspondía, con la finalidad de obtener las líneas de reparto de cada mezcla. Se determinaron los coeficientes de reparto de cada línea; y estos fueron y Palabras clave: coeficiente de reparto, diagrama, equilibrio, líquido, sistema ternario. INTRODUCCIÓN La representación más simple de un sistema ternario a presión y temperatura constantes, es mediante un diagrama triangular, donde los dos disolventes implicados son inmiscibles o parcialmente miscibles entre sí, y la presencia de un soluto modifica la solubilidad entre ellos [1]. Estos diagramas presentan una curva de equilibrio que delimita el campo de existencia de los sistemas heterogéneos, conocida como curva binodal. Las mezclas cuya composición se encuentra dentro de la curva binodal, se separan en dos fases líquidas; estas se encuentran unidas por una línea de reparto, cuyos extremos sobre la curva indican la concentración de cada fase. La relación entre fases se denomina coeficiente de reparto [2]. METODOLOGÍA Se prepararon cuatro soluciones de 20 mL cada
una, de ácido acético-agua cuyas concentraciones variaban de 10 a 60% en peso de ácido acético, añadiendo en fiolas, previamente lavadas y secadas en una estufa, los volúmenes correspondientes mediante el uso de buretas, y se identificaron como A1, A2, A3 y A4. A las soluciones anteriores, se les agregó tolueno gota a gota con la bureta, agitando vigorosamente después de cada adición hasta que se observó una turbidez (coloración blanca), y se tomó nota del volumen añadido; se identificaron estas mezclas ternarias obtenidas como A1’, A2’, A3’ y A4’. De igual manera se prepararon cuatro soluciones de ácido acético-tolueno, se identificó cada una de ellas como C1, C2, C3 y C4, se les añadió poco a poco agua hasta el punto de turbidez y se renombraron como C1’, C2’, C3’ y C4’, respectivamente. Luego se mezclaron en un embudo de separación las soluciones A1’, A2’, C1’ y C2 (mezcla 1), y en otro las soluciones A3’, A4’, C3’ y C4’ (mezcla 2). Se dejó decantar y se separaron las fases de cada mezcla en cuatro
vasos de precipitados, y se identificaron; se desechó la interfase. Se midieron 5 mL de cada fase de cada mezcla, mediante buretas y se vertieron en fiolas, las cuales se pesaron previamente vacías en la balanza analítica, así como también llenas. Se añadieron tres gotas de fenolftaleína en cada fiola y se titularon con hidróxido de sodio (NaOH) acuoso y orgánico según la naturaleza de cada solución y se tomó nota del volumen gastado de titulante. Se realizaron tres titulaciones por cada fase de cada mezcla. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En el sistema en estudio, el par de líquidos parcialmente miscibles entre sí son el agua y el tolueno, esto debido a que el agua es una sustancia polar y el tolueno no lo es. El soluto es el ácido acético; este es soluble tanto en agua como en tolueno. El ácido acético tiene una parte hidrofílica (polar) y otra orgánica (no polar), que le permite ser miscible en ambos medios; sin embargo, este es más soluble en agua (mayor afinidad), ya que con esta puede formar puentes de hidrógeno e interacciones del tipo dipolodipolo que, a diferencia del tolueno (con quien forma únicamente fuerzas de Vander Vaals, las cuales pueden ocasionar un dipolo inducido en la molécula de ácido acético), le proporcionan mayor estabilidad, por lo que el agua es el solvente extractor. De allí que los pares totalmente miscibles están representados por ácido acético y agua y la mezcla de ácido acético y tolueno. De esta miscibilidad entre pares, se basa el método empleado durante esta práctica, el cual es denominado “punto de niebla”, que consiste en añadir uno de los componentes a una mezcla formada por una pareja totalmente miscible de los otros dos. Si se adiciona el componente poco a poco llega el momento en que aparece una neblina o turbidez que indica que ya no se disuelve más de ese componente; esa situación corresponde a un punto sobre la curva binodal del diagrama triangular [3]. Durante la experiencia
práctica, a las soluciones de ácido acético y agua (A1’, A2’, A3’ y A4’), se les añadió poco a poco tolueno; y las mezclas de ácido acético y tolueno (C1’, C2’, C3’ y C4’), se les agregó agua hasta observar el punto de turbidez; estos resultados se encuentran registrados en la Tabla 1. Tabla 1. Proporciones de cada componente del sistema ternario en el punto de turbidez. Volumen (V ± 0,03) mL Solución Agua Ácido acético Tolueno A1’ 18,10 1,90 0,10 A2’ 14,20 5,80 0,20 A3’ 12,20 7,80 0,30 A4’ 8,20 11,80 0,70 C1’ 0,10 1,70 18,30 C2’ 0,20 5,20 14,80 C3’ 0,40 7,10 12,90 C4’ 1,35 11,10 8,90
El comportamiento de un sistema ternario a presión y temperatura constantes, puede representarse mediante un diagrama triangular [1]. En este diagrama, los vértices representan los componentes puros, y pueden distinguirse claramente dos zonas: una en la cual coexisten los tres componentes y otra zona donde se representa la miscibilidad parcial de los disolventes (allí se sitúan las fases orgánica y acuosa); la delimitación entre ambas zonas es conocida como curva binodal. Dicha curva es la mejor representación de los tres componentes coexistiendo en equilibrio debido a la saturación de la mezcla, es decir, ya se han agregado las máximas cantidades de las sustancias que la componen [2]. Tabla 2. Concentraciones másica de cada componente del sistema ternario correspondientes a la curva binodal del diagrama. Porcentaje peso-peso (p/p ± 0,1) % Solución Agua Ácido acético Tolueno A1’ 89,7 9,9 0,4 A2’ 69,4 29,8 0,8 A3’ 59,1 39,7 1,3 A4’ 38,7 58,5 2,9 C1’ 0,6 10,0 89,4 C2’ 1,1 29,5 69,4 C3’ 2,1 39,1 58,8 C4’ 6,5 56,2 37,3
Experimentalmente, se parte de los datos de volumen obtenidos (Tabla 1) para determinar la composición másica de cada componente, expresada en porcentaje peso-peso (%p/p), las cuales representaban un punto sobre la curva binodal. Dichas composiciones obtenidas experimentalmente se encuentran registradas en la Tabla 2. Luego, se procedió a ubicar dichos puntos dentro del triangulo equilátero obteniéndose el diagrama del equilibrio líquido-líquido del sistema ternario ácido acético-agua-tolueno (Figura 1).
Presión: (717,52 ± 0,05) mmHg Temperatura: (28,0 ± 0,5) °C
Figura 1. Diagrama del equilibrio líquido-líquido del sistema ternario ácido acético-agua-tolueno.
Puede observarse en la Figura 1 que el rango donde el agua y el tolueno son medianamente miscibles en realmente muy pequeño, por lo que se consideran líquidos inmiscibles. Otra observación que puede obtenerse, es que la curva binodal es bastante pronunciada, esto debido al efecto que tiene la temperatura sobre la solubilidad entre los componentes del sistema, ya que, por lo general, a mayor temperatura mayor solubilidad, y la temperatura a la que llevó a cabo la experiencia práctica fue alta. Puede notarse que cuando están en solución los tres componentes, el ácido acético se distribuye
entre las dos capas, y su función es promover una mayor miscibilidad entre el agua y el tolueno. El aumento de la miscibilidad efectuado por el ácido acético depende de la cantidad que se agregue de este y de las cantidades de agua y tolueno presentes. Si se introduce suficiente ácido, las dos capas se pueden cambiar a una sola solución compuesta de los tres líquidos, es decir, sobrepasar la curva binodal [1]. Posteriormente, se realizaron mezclas de las soluciones anteriores dentro de dos embudos de separación y se identificaron: A1’, A2’, C1’ y C2 para la mezcla 1, y A3’, A4’, C3’ y C4’ para la mezcla 2. Se observó en cada embudo, la formación de dos fases, una acuosa y la otra orgánica. Se dejó decantar cada líquido, por diferencia de densidades, y se extrajo la fase acuosa (extracto) por debajo y la orgánica (refinado) por arriba; se desechó la interfase ya que no era de interés su estudio, más sí lo era el de las dos fases ya mencionadas, debido a que se pretendía conocer la concentración de ácido acético en cada una de ellas mediante una titulación ácido-base. Para ello, se tomaron alícuotas de cada fase de cada mezcla y se titularon con solución de NaOH. La fase acuosa, se tituló con NaOH alcohólico 2,3889 N y la fase orgánica con NaOH orgánico 1,5041 N; esto con el objeto de evitar separaciones de fases al momento de la titulación, ya que de lo contrario se estaría adicionando compuesto de la fase que ya se habría logrado separar en una gran cantidad, y de esta manera se estaría asegurando que exista un mayor contacto entre la base (NaOH) y el ácido acético, de quien se desea obtener la concentración. Durante la titulación se llevó a cabo la reacción 1. CH3COOH NaOH
CH3COONa H2O
(1)
Se realizaron tres titulaciones por cada fase de cada mezcla. Se pesó cada fiola llena y vacía, con el fin de determinar la masa de cada solución. Los valores obtenidos se encuentran en la Tabla 3 para las soluciones en fase acuosa, y en la Tabla 4 para las fases orgánicas.
Tabla 3. Cantidad de hidróxido de sodio añadido para la titulación de la fase acuosa de las mezclas ternarias preparadas. Masa de la Masa de la Volumen de Mezcla fiola vacía fiola llena titulante (
0,001) g
(
79,283 57,080 57,074 62,854 57,238 79,296
1
2
0,001) g
(
84,415 68,176 68,179 68,101 62,496 84,539
0,05) mL
11,70 11,90 11,80 25,60 25,70 25,75
Tabla 4. Cantidad de hidróxido de sodio añadido para la titulación de la fase orgánica de las mezclas ternarias preparadas. Masa de la Masa de la Volumen de Mezcla fiola vacía fiola llena titulante (
1
2
0,001) g
81,360 83,667 75,053 80,863 74,913 57,252
(
0,001) g
85,647 87,978 79,381 85,242 79,280 62,620
(
0,05) mL
4,00 3,70 4,30 9,50 9,45 9,60
Puede observarse que los volúmenes de titulante gastado para las fases acuosas fueron mayores que las fases orgánicas; esto debido a que la fase acuosa es rica en solvente extractor y en soluto, por lo que precisa mayor cantidad de NaOH para consumirse el ácido acético, mientras que el refinado es rico en disolvente y pobre en soluto. Cabe destacar que ocurrió un error a la hora de tomar nota de la masa de la fiola vacía para las corridas dos y tres en la titulación de la fase acuosa de la mezcla 1, ya que la masa de solución que se obtiene por diferencia en ambos casos duplica el valor requerido (alrededor de 5 g), por lo que, para efectos de los cálculos, estos valores no se tomaron en cuenta, y sólo se trabajó con los valores obtenidos a partir de la primera corrida para este caso. Las concentraciones de ácido acético obtenidas a partir de titulación con NaOH como titulante se encuentran en la Tabla 5. Una vez obtenidas las concentraciones, se procedió a ubicar estos puntos dentro del diagrama del equilibrio líquido-líquido del sistema ternario ácido acético-agua-tolueno: se
entró en él con dichas concentraciones y se cortó la curva binodal. Cada par de puntos correspondientes a cada mezcla, representaba el extracto y el refinado para cada punto de mezcla. El extracto se ubicó del lado derecho del diagrama debido a la gran afinidad entre al ácido acético y el agua. La unión de estos dos puntos para cada mezcla, representó la línea de reparto respectiva. Dicha representación puede observarse en la Figura 2. Tabla 5. Composiciones másicas promedio de ácido acético de las mezclas ternarias preparadas en cada fase de equilibrio. Composición Mezcla
1
2
Fase
(
) Adim.
Acuosa
0,33
Orgánica
0,08
Acuosa
0,65
Orgánica
0,18
Presión: (717,52 ± 0,05) mmHg Temperatura: (28,0 ± 0,5) °C
Figura 2. Líneas de reparto en el diagrama del equilibrio líquido-líquido del sistema ternario ácido acético-aguatolueno.
La disposición de las líneas de reparto en el diagrama depende del valor del coeficiente del coeficiente de reparto o distribución (K). Este representa la relación entre el extracto y el refinado, y depende directamente de la naturaleza
del soluto y de los disolventes (afinidad química entre ellos), así como también de la temperatura [1]. La magnitud de K permite concluir acerca del proceso de extracción líquido-líquido. Si K es igual a la unidad (K=1), las líneas de reparto son horizontales, y quiere decir que el soluto es igualmente soluble en ambos solventes (se distribuye en igual proporción tanto en el extracto como en el refinado); si K es menor que la unidad (K<1), las líneas de reparto presentan una pendiente negativa, lo que indica que el soluto se distribuye mejor en el refinado; y si K es mayor a la unidad (K>1), las líneas de reparto adoptan una pendiente positiva e indica que el soluto se distribuye mejor en el extracto [3]. Para el caso en estudio de esta práctica, se obtuvieron solo dos líneas de reparto, y ambas presentan pendiente positiva, tal como se esperaba, debido a la gran afinidad entre en ácido acético y el agua, como ya se mencionó anteriormente, por lo que para ambos casos, se obtuvo un valor de K mayor que la unidad (ver Tabla 6), lo que quiere decir que el ácido acético se distribuye mejor en el extracto y por lo tanto el proceso de extracción es óptimo. Tabla 6. Valores de los coeficientes de distribución correspondientes a cada mezcla ternaria preparada. Constante de reparto Mezcla
(K ± 0,4) Adim.
1
3,9
2
3,8
Los errores asociados a los datos obtenidos experimentalmente, pueden haberse debido a que algunas buretas goteaban (no quedaban completamente cerradas), lo que ocasionaba deficiencias a la hora de tomar el verdadero valor de titulante gastado la agitación durante la titulación puede no haber sido constante o lo suficientemente vigorosa; la adición de volúmenes de titulante puede haber sido mayor o menor a los necesarios para alcanzar el punto final, entre otros.
CONCLUSIONES La tendencia obtenida por la curva binodal al representar los puntos obtenidos experimentalmente, concuerda con la esperada, según la teoría, al igual que para las líneas de reparto. Los coeficientes de las líneas de reparto para la mezcla 1 y 2 fueron y , respectivamente. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Castellan, G. (1998) Fisicoquímica. 2da Edición. Editorial Pearson Educación. México. Pág. 358-361. [2] Maron, S. y Prutton, C. (1999). Fundamentos de Fisicoquímica. 2da Edición, Editorial Limusa, México. Pág.: 383-389. [3] Levine, I. (2004) Fisicoquímica (Volumen 1). 5ta Edición. Editorial Mc Graw Hill. Madrid, España. 457-460
