Informe N°9 Diagrama de Fases

Equilibrio Líquido- Vapor

INTRODUCCIÓN Los diagramas de fases se utilizan ampliamente porque en ellos es más fácil entender el comportamiento de un sistema en equilibrio. Pero además, estos diagramas también se utilizan para representar procesos y realizar balances de materia. La representación de una mezcla en un diagrama permite fácilmente determinar si ésta se encuentra en equilibrio de fase o no y, en caso de ser afirmativo, cuáles son sus fases en equilibrio, las composiciones de esas fases y las cantidades relativas de cada una de ellas.

Diagramas como éste tienen múltiples aplicaciones en el campo de la tecnologa y la indu indust stri ria. a. !on !on el resu resultltado ado de muc" muc"s sim imo o traba traba#o #o e$per e$perim imen enta tall cuyos cuyos resultados se utilizan para la predicción del comportamiento de los sistemas respecto a sus fases en distintas condiciones %n este informe se e$plicara el diagrama diagrama de fase y curva de enfriamiento enfriamiento de una mezcla binaria detallando en las respectivas gráficas los tipos de fases.

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PRINCIPIOS TÉORICOS Soluciones Ideales: !on las soluciones donde los componentes que la forman forman son volátiles. volátiles. %ntonces considerando que todos los constituyentes en una solución se volatilizan en un recipiente, cuando la solución y el vapor alcanzan el equilibrio a la temperatura &, la presión total en el recipiente es la suma de las presiones parciales de varios componentes de la solución' p= p1 + p2 + p3 … + pi …

%stas presiones parciales son mensurables como lo son las fracciones mol de equilibrio $(, $), $*+en el lquido. %ntonces por e$perimentación se sabe que' o

pi= x i pi

La ecuación anterior es la Ley de aoult y rige e$perimentalme e$perimentalmente nte para cualquier cualquier solución a medida que $ ( se apro$ima a la unidad. Donde pi es La presión parcial de i en la fase vapor, p oi es la presión de vapor del lquido puro. Las caractersticas principales de las soluciones ideales son' el calor de mezclado de los componentes puros al formar la solución es cero, presenta aditividad de volúmenes y las fuerzas intermoleculares son similares.

Soluciones reales: !on las soluciones a las cuales no se a#usta la Ley de aoult, no presentan aditividad de volúmenes, diferencia entre sus fuerzas intermoleculares y su calor de mezclado mezclado o entalp entalpa a de soluci solución ón es difere diferente nte de cero. %stas %stas solucion soluciones es prese present ntan an una una desv desvia iaci ción ón posi posititiva va o nega negatitiva va de acuer acuerdo do al coef coefic icie ient nte e de actividad del componente' o

pi=δx i pi


Equilibrio Líquido- Vapor Donde δ es el coeficiente de actividad del componente i' !i δ > 1 desviación positiva de la Ley de aoult. !i δ < 1 desviación negativa de la Ley de aoult. Mezclas azeotrópicas: -uando se presentan desviaciones respecto a la Ley de aoult que producen un má$imo y un mnimo en la curva de presión de vapor, entonces aparece un má$imo y un mnimo correspondiente en la curva de temperatura de ebullición. %stas mezclas no pueden separarse por destilación fraccionada completamente. La mezcla que tiene una presión de vapor má$ima o mnima se denomina azeotrópica.

DET!!ES E"PERIMENT!ES Materiales:  %quipo %special para puntos de ebullición  termómetros de décimas


Equilibrio Líquido- Vapor  mec"ero de alco"ol, refractómetro  tubos con tapones de corc"os, pipetas  perlas de vidrio Reacti#os:  (propanol  /gua Destilada  /cetona

Procedi$iento E%peri$ental: &' Deter$inación de los puntos de e(ullición del siste$a a) /rme el equipo especial para puntos de ebullición, que consta de un balón de 01 mL, un refrigerante de reflu#o, un separador para retirar destilado. %l equipo debe estar completamente entre limpio y seco.


Equilibrio Líquido- Vapor () -oloque )1 mL de / apro$. en el balón y ponga el termómetro de tal manera que el bulbo quede sumergido "asta la mitad en el lquido. c) -aliente la muestra "asta obtener una ebullición vigorosa a temperatura constante. %vite sobrecalentamientos. Lea y anote la temperatura de ebullición. d) %nfre el balón de destilación con un ba2o de agua fra, y tome con pipeta una muestra de apro$imadamente ( mL del residuo en un tubo limpio y seco, devuelva el e$ceso de destilado al balón "asta quedarse con apro$imadamente a mL, tape y marque. e) /2ada cada incremento de la &abla 34(, según el sistema elegido y repita los pasos c5, y d5 para cada incremento. *) Lave y seque el balón. -oloque apro$. )1 mL de 6 y repita los pasos c5, d5 y e57 esta vez comenzando siempre con )1 mL de 6 antes de cada incremento se2alado en la &abla 34(.

T+! , N-$ero de incre$entos & , 1 2 3 4 5 6

.olu$en del incre$ento de + para a/adir a ,0$l de  1,8 1,8 1,8 1,0 1,0 1,0  

.olu$en del incre$ento de  para a/adir a ,0$l de + ( * 8 9 : :,0 ; ;,0

,' Deter$inación de la co$posición de las $ezclas a5 %n tubos con tapón de corc"o, prepare * mL de las mezclas indicadas en la tabla 34), y mida las temperaturas de / y 6. b5

Equilibrio Líquido- Vapor c5 /nalice cada muestra de destilado y residuo, midiendo sus ndices de refracción. =>se acetona para limpiar el refractómetro5.

T+! , N-$ero de $uestra & , 1 2 3 4 5 6 8 &0

.olu$en de 7$!) * ),; ),: ),0 ),( (,9 (,8 (,1 1,0 1,1

.olu$en de +7$!) 1,1 1,( 1,) 1,0 1,; (,* (,? ),1 ),0 *,1

T+U!CIÓN DE DTOS Condiciones del !a(oratorio: 90?mm@g Presión )14Te$peratura ;0A 9u$edad Laboratorio de Fisicoquímica AII


Densidades del Npropanol ; del a
ρ propanol ( g /c m

3

)

20 ºC

3

ρagua ( g / c m )

1,:18

1,;;:

Ta(las de te$peraturas de e(ullición de cada siste$a + ; +

ME=C!S

T7

℃

) +

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℃

) +

1

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>ndices de re*racción para el #olu$en del incre$ento de  para a/adir a +'

Muestras


>ndices de re*racción del destilado

>ndices de re*racción del residuo

Equilibrio Líquido- Vapor 1 ( ) * 8 0 ?

(.*:0( (.*:*? (.*:** (.*:)) (.*:1? (.*9;: (.*9;*

(.*:0( (.*:80 (.*:8) (.*:*: (.*:)9 (.*:)) (.*:(8

>ndices de re*racción para el #olu$en de incre$ento de + para a/adir a '

Muestras 1 ( ) * 8 0 ? 9 :

>ndices de re*racción del destilado (.**8; (.*?11 (.*9*9 (.*981 (.*98; (.*9(0 (.*908 (.*99( (.*0;?

>ndices de re*racción del residuo (.**8; (.**91 (.*88? (.*8;9 (.*0?1 (.*09( (.*0:; (.*00; (.*08?

Ta(la de ?ndices de re*racción de las soluciones de a
n 7?ndice de re*racción) Laboratorio de Fisicoquímica AII

 7$l)

+ 7$l)

Equilibrio Líquido- Vapor (.*:00 (.*:01 (.*:81 (.*:*0 (.*9?1 (.*981 (.*?:0 (.*?(? (.*80? (.***;

*.1 ).; ).: ).0 ).( (.9 (.8 (.1 1.0 1

1 1.( 1.) 1.0 1.; (.* (.? ).1 (.0 *.1

Ta(la de porcentaes $olares del co$ponente $s #oltil de cada $uestra preparada' 7T+! , F PTRÓN)' @RABIC N&

Muestras ( ) * 8 0 ? 9 : ; (1

Porcentae de la *racción $olar 7G) (11 :9.0 99.) 08.9) *?.10 )8.1( (9.80 (1.: 8.?( 1

CA!CU!OS -

Deter$inación de la co$posición del destilado ; el residuo'

a) Clculo del G $olar del co$ponente $s #oltil en cada $ezcla'


Equilibrio Líquido- Vapor •

Para la mezcla (' el A molar es de &00G'

•

Para la mezcla )'

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) m A

f 2=

n A n A + n B

=

M A

m A m + B M A M B

ρ A v A

=

M A

ρ A v A ρ v + B B M A M B

g × 2,9 mL mL g 60 mol =0,875 g g × 2,9 mL 0,998 × 0,1 mL 0,804 mL mL + g g 60 60 mol mol f ¿ 0,804

2=¿

%f 2= 0,875 x 100=87,5 •

Para la mezcla *' g × 2,8 mL mL g 60 mol =0,772 3=¿ g g 0,804 × 2,8 mL 0,998 × 0,2 mL mL mL + g g 60 18 mol mol f ¿ 0,804

%f 3= 0,772 × 100 =77,2


Equilibrio Líquido- Vapor De la misma manera para las demás mezclas'  Para la mezcla 8' 32H5,G  Para la mezcla 0' 14H03G n 7?ndice de Para la re*racción) la  Para (.*:00 la  Para (.*:01 la  Para (.*:81 (.*:*0 la  Para (.*9;1 (.*981 %ntonces (.*?:0 gráfica =!% (.*?(? C3E<% L/ (.*80?

G" (11 :9.0 99.) 08.9) *?.10 )8.1( (9.80 (1.: 8.?( 1

mezcla ?' ,2H0&G mezcla 9' &5H23G mezcla :' &0H6G mezcla ;' 2H4&G mezcla (1' 0G construimos la /DB>3&/ /L FGC-/ %3 ->H/ P/&I3

Equilibrio Líquido- Vapor $% &s ' - ()*FI+A 1 1.# 1.8 1." 1.6 1.! 1.4 1. 1.2 1.1 1.

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20

40

60

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100

120

() Del
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>ndices de re*racción del destilado 7no) (.*:0(

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>ndices de re*racción del residuo 7no) (.*:0(

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Muestras

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Equilibrio Líquido- Vapor 8

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>ndices de re*racción para el #olu$en de incre$ento de + para a/adir a ' Muestras

TC

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>ndices de re*racción del destilado 7no) (.**8;

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>ndices de re*racción del residuo 7no) (.**8:

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G"

Deter$inación de la Propiedades del zeótropo a) +asndose en los dia
Datos e%peri$entales: T ebullición=81.6 ºC Composiciónazeóropa =36.75


G" (.0

0).?


-

Datos Teóricos: T ebullición=88,1 ºC Composiciónazeóropa =43

-

Porcentae de error: T e =

88,1 ºC −81.6 ºC 88,1 ºC

%Composición =

x 100 =7.38

43 −36.875 43

=14.24

, &s $% 100 #8 #6 #4 #2 #0 88 86 84 82 80

0

!

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1!


20

2!

0

!


DISCUSIÓN DE RESU!TDOS •

•

•

%l porcenta#e de error obtenido en la concentración del componente más volátil en el destilado o residuo, pudo ser causado por una mala lectura del refractómetro, ya que con los ndices de refracción se "allaron los porcenta#es molares.

La mala lectura pudo ser causada por no "aber agitado bien las mezclas con lo cual no se tenan soluciones "omogéneas, aunque también por un cansancio en la vista ya que se realizaron varias lecturas en el refractómetro.

&ambién pudo llevar a error el e$ceso de calor al cual se sometió la mezcla ocasionando que en el destilado no sólo vaya el más volátil sino también parte de la otra solución. %l porcenta#e de error del punto de ebullición es menor7 lo cual pudo ser causado por una mala lectura del termómetro.



CONC!USIONES •

!e pudo estudiar el equilibrio lquidovapor, mediante las mediciones de ndices de refracciones de nuestras muestras a diferente composición y temperatura. -on los datos obtenidos se logró trazar el diagrama de fases binario lquidovapor. %s posible analizar el equilibrio liquidovapor para un sistema binario porque de acuerdo a la regla de Fibbs, solo se necesitan especificar dos variables para definir el sistema =&emperatura y composición de un componen te5' >n azeótropo es un sistema de dos componentes tiene un comportamiento seme#ante al de una sustancia pura cuando se trata de evaporar la muestra. %sto quiere decir que no "ay un intervalo de temperatura en donde coe$istan la fase lquida y la fase gaseosa, únicamente un punto, que es el punto de ebullición'

•

/ medida que se "acan las destilaciones el residuo tena mayor tiende a estar cerca del punto azeotrópico.



+I+!IO@RB> •

•

•

!amuel @. %O=/N%E&EP%5QopenRlangSen,es,pt "ttp'JJKKK.unedcervera.comJc*;111*:JcienciaOmaterialesJdiagramasOfases ."tml



CUESTIONRIO &' Para las $ezclas l?uidas (inarias idealesH e%pliue la aplicación de las le;es de Dalton ; Raoult' !e; de Dalton La ley de las presiones parciales =conocida también como ley de Dalton5 fue formulada en el a2o (:1( por el fsico, qumico y matemático británico Bo"n Dalton. %stablece que la presión de una mezcla de gases, que no reaccionan qumicamente, es igual a la suma de las presiones parciales que e#ercera cada uno de ellos si sólo uno ocupase todo el volumen de la mezcla, sin variar la temperatura. La ley de Dalton es muy útil cuando deseamos determinar la relación que e$iste entre las presiones parciales y la presión total de una mezcla de gases.

!e; de Raoult La ley de aoult establece que la relación entre la presión de vapor de cada componente en una solución ideal es dependiente de la presión de vapor de cada componente individual y de la fracción molar de cada componente en la solución. La ley fue enunciada en (::) por el qumico francés rancois
,' E%pliue la solu(ilidad de los
Donde' •

•

es la presión parcial del gas. es la concentración del gas =solubilidad5.


Equilibrio Líquido- Vapor es la constante de @enry, que depende de la naturaleza del gas, la temperatura y el lquido. >n e#emplo de la aplicación de esta ley está dado por las precauciones que deben tomarse al volver a un buzo a la superficie. /l disminuir la presión parcial de los distintos gases, disminuye la solubilidad de los mismos en la sangre, con el consiguiente riesgo de una eventual formación de burbu#as. Para evitarlo, esta descompresión debe efectuarse lentamente. •

1' JEn uK casos se aplica la destilación *raccionada a presión constanteL /zeótropo =del griego, "ervir sin cambio5. >n azeótropo es una solución que se comporta como si fuera un lquido puro, ya que ebulle a una temperatura única y no en un intervalo de temperaturas =como las soluciones5. na mezcla azeotrópica tiene la propiedad de que los componentes no pueden separarse por destilación fraccionada a presión común. >n e#emplo lo constituye la mezcla al ?; A pJp de acetato de etilo y etanol, cuyo vapor tiene la misma composición que la solución original, es decir que "ierve como si se tratara de una sola sustancia. /N%E&EPE! D% P>3&E D% %6>LLC-CE3


•

P. ebullición de /' :14-

•

P. ebullición de 6' ;?4-

La mezcla forma un azeótropo de proporción /6*, que ebulle a 9?4-

=EOTROPOS DE PUNTO DE E+U!!ICION MA"IMO

%n este caso, el lquido - ebulle a9)4- y el D a :94-7 %l azeótropo ebulle a;04- y resulta de una asociación molecular en proporción -D. %n los casos donde se da un azeótropo "omogéneo, la separación no puede "acerse en una sola columna. >n azeótropo e$iste cuando la composición de la fase lquida es la misma que la de la fase vapor'

"    H   &HHNC Donde # , es la composición de la fase lquida, U# , es la composición de la fase vapor y 3- es el número de componentes. >n azeótropo presenta una limitación a la separación que se quiere lograr. !i no "ay diferencia de composiciones entre la fase lquida y la fase vapor, las composiciones no pueden cambiar entre plato y Laboratorio de Fisicoquímica AII

Equilibrio Líquido- Vapor plato, de modo que no puede "aber separación de a" en adelante. %l azeótropo formado constituye una condición lmite de la separación.

9a; #arias tKcnicas para separar azeótropos. >n método es la variación de presiones y se puede usar en los casos donde "ay una variación en la composición del azeótropo con la presión. -onsidere una columna cuyo alimento es una mezcla binaria de componentes / y 6 con composición z =fracción molar de /, el componente más volátil5. %l equilibrio vapor lquido para este sistema tiene un azeótropo de punto de ebullición mnimo de composición Uaz(, la composición del azeótropo a ba#a presión, y constituye la fracción más volátil. / una presión superior P ), la composición del azeótropo cambia a un valor menor Uaz). Dos columnas que operen a dos presiones diferentes pueden separar el alimento en dos corrientes' una de / casi puro y otra de 6 casi puro. !i la composición del alimento es menor que Uaz(, el alimento se introduce en la columna de ba#a presión =6P5. %l producto del fondo de esta columna de destilación es 6 casi puro. %l destilado tiene una composición bastante cercana a la composición azeotrópica Uaz( y se alimenta a una columna de alta presión. %sta composición del alimento es mayor que la composición azeotrópica Uaz) a la mayor presión, de modo que el producto de fondo de la columna de alta presión es / casi puro. %l destilado D) de la columna de alta presión =/P5 tiene una composición que es cercana a la composición azeotrópica Uaz). %sta corriente de destilado se retorna a la columna de ba#a presión. De este modo la columna de ba#a presión tiene dos alimentos' el alimento en s y el destilado D) de la columna de alta presión con una composición algo mayor que Uaz) pero menor que Uaz(. De este modo ambas columnas están interconectadas por las dos corrientes de destilado y tienen que dise2arse y controlarse como unidades interactuantes, de modo que "ay que simular el sistema completo



zeótropo a presión M%i$a

zeótropo a presión M?ni$a

8. Cndique y e$plique otros métodos e$perimentales para la determinación del punto azeotrópico. %n qumica, la destilación azeotrópica es una de las técnicas usadas para romper un azeótropo en la destilación. >na de las destilaciones más comunes con un azeótropo es la de la mezcla etanolagua. >sando técnicas normales de destilación, el etanol solo puede ser purificado a apro$imadamente el ;0A. >na vez que se encuentra en una concentración de ;0J0A etanolJagua, los coeficientes de actividad del agua y del etanol son iguales, entonces la concentración del vapor de la mezcla también es de ;0J0A etanolJagua, por lo tanto las destilaciones posteriores son inefectivas. %sto es llamado /lco"ol neutro =superior al ;*A5 puesto que tiene como caractersticas ser incoloro, inodoro e inspido. /lgunos usos requieren concentraciones de alco"ol mayores, por e#emplo cuando se usa como aditivo para la gasolina. Por lo tanto el azeótropo ;0J0A debe romperse para lograr una mayor concentración. %n uno de los métodos se adiciona un material agente de separación. Por e#emplo, la adición de benceno a la mezcla cambia la interacción molecular y elimina el azeótropo. La desventa#a, es la necesidad de otra separación para retirar el benceno. Etro método, la variación de presión en la destilación, se basa en el "ec"o de que un azeótropo depende de la presión y también que no es un rango de concentraciones que no pueden ser destiladas, sino el punto en el que Laboratorio de Fisicoquímica AII

Equilibrio Líquido- Vapor los coeficientes de actividad se cruzan. !i el azeótropo se salta, la destilación puede continuar. Para saltar el azeótropo, el azeótropo puede ser movido cambiando la presión. -omúnmente, la presión se fi#a de forma tal que el azeótropo quede cerca del (11A de concentración, para el caso del etanol, éste se puede ubicar en el ;9A. %l etanol puede destilarse entonces "asta el ;9A. %n la práctica, se destila a un poco menos del ;0,0A. %l alco"ol al ;0,0A se enva a una columna de destilación

a una presión diferente, desplazándose el azeótropo a una concentración menor, tal vez al ;*A. Ua que la mezcla está por encima de la concentración azeotrópica para esa presión, el etanol podrá ser destilado a concentraciones superiores, incluso a etanol prácticamente puro. Para lograr la concentración requerida para el etanol como aditivo para la gasolina se usan comúnmente tamices moleculares en la concentración azeotrópica. %l etanol se destila "asta el ;0A, luego se "ace pasar por un tamiz molecular que absorba el agua de la mezcla, ya se tiene entonces etanol por encima del ;0A de concentración, que permite destilaciones posteriores. Luego el tamiz se calienta para eliminar el agua y puede ser reutilizado.



ARCHIVOS ADJUNTOS Destilación de mezclas azeotrópicas

!i dos solventes forman un azeótropo positivo, la destilación de una mezcla de estos compuestos con cualquier composición, producirá un destilado con una composición más cercana a la del azeótropo. etomando el e#emplo etanol V agua, si se someta a una destilación simple una mezcla al 01A de etanol evaporando un 01A de la mezcla se obtendrán dos productos' agua más pura en fondo =W)0A etanol5, y un destilado con una concentración mayor en etanol =W98A5. !i esa mezcla vuelve a destilarse se obtendrá un )X destilado, con una concentración de etanol de apro$imadamente :)A. >na *Y destilación arro#ará dará un destilado de un W:9A de etanol. -omo se aprecia en la figura, sucesivas destilaciones apro$iman el destilado a una composición del azeótropo =;0A de etanol5, pero nunca a etanol puro. &ambién es posible partir de una mezcla con una composición de etanol mayor que la del azeótropo, lo que volverá a producir un destilado más cercano al en composición al azeótropo, y un fondo esta vez más rico en etanol en lugar de agua.* 8 %n teora, infinitas destilaciones dan como resultado una mezcla de composición azeotrópica. %n la práctica esto no es posible, ya que en este e#emplo "emos supuesto que en cada destilación evaporamos solo la mitad por lo tanto, a infinito número de destilaciones, se tiene una cantidad infinitamente peque2a de destilado. %n tanto, si dos componentes forman un azeótropo negativo, no será el destilado sino el residuo el que se


Equilibrio Líquido- Vapor acerque en composición al azeótropo. etomando el e#emplo de cloruro de "idrógeno V agua, conteniendo menos de un )1.)A de cloruro de "idrógeno, una primera destilación simple de#a como residuo una mezcla más concentrada en ácido clor"drico. !i por el contrario, la solución contiene más que un )1.)A de cloruro de "idrógeno el residuo tendrá menos ácido que el original, acercándose a su composición azeotrópica.


Informe N°9 Diagrama de Fases

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