SISTEMA LIQUIDO DE TRES COMPONENTES COMPONENTES 1. OBJETIVO. Construir en forma experimental la cueva binodal (o curva de
solubilidad) y las líneas de unión para p ara el sistema ternario: cloroformo, agua y ácido acético. nterpretar el diagrama de fases de un sistema ternario, aplicando la regla de las fases. 2. FUNDAMENTO TEÓRICO
!n un sistema en e"uilibrio el potencial "uímico de cada componente debe ser el mismo en cual"uier parte del sistema. #i $ay varias fases presentes, el potencial "uímico de cada componente (sustancia) debe tener el mism ismo valor lor en cada fase, en la "ue "ue se encue cuentre el componente. !xisten sistemas de un componente y varios componentes, entre estos pueden existir una o varias fases. #e puede $acer una generali%ación referente al n&mero de fases "ue puede coexistir en un sistema llamada regla de las fases. !sta regla fue deducida y demostrada por '. illard ibbs y está dada por la siguiente ecuación:
*+C-/
(0)
1onde: * + rados de 2ibertad 2 ibertad (*arian%a) - + 3&mero de -ases en el sistema C + 3&mero de Componentes / + 3&mero referido a las variables de presión p resión y temperatura 2a regla de las fases nos proporciona un adecuado control de ideas acerca de los e"uilibrios entre fases en sistema más complicados. !n un sistema lí"uido de tres componentes (C + 4) de acuerdo a la regla de las fases la varian%a del sistema será: * + C - / + 4 5 - / + 6 - (0) (0) #i se fi7an la presión y la temperatura la varian%a será: * +4-
(/)
1e modo "ue el sistema tendrá como máximo dos grados de libertad, "ue representan a las variables de composición relacionadas mediante la siguiente ecuación: 80 8/ 84 + 0(4) !s decir, "ue, si variamos dos de las tres variables de composición, automáticamente la tercera es fi7ada. #i existen / fases lí"uidas el sistema el sistema será monovariante, es decir "ue, si se llega a variar cual"uiera de las composiciones, las composiciones de las soluciones con7ugadas en el sistema "uedan automáticamente definidas por medio de una de las líneas de unión de las muc$as "ue existen en la %ona bifásica. Diagrama Trianguar
9ara la representación gráfica de un sistema lí"uido de tres componentes es conveniente el empleo del diagrama riangular e"uilátero como el "ue se muestra en la -ig. 0 donde los vértices del triángulo representan a un componente puro.
Cada lado del triángulo se divide en 0;; partes, para así tener la composición centesimal, cual"uier punto del lado del triángulo representa una me%cla binaria. en la me%cla correspondiente al punto 9 está dado por los segmentos 9a o 9a?@ en forma análoga el = de A está dado por los segmentos 9b o 9b? y finalmente el = de C es igual a los segmentos 9c o 9c?, en síntesis, se tiene: = > + 9a
@
= A + 9b
@
= C + 9c
2os diagramas triangulares se utili%an como isotermas o diagramas a temperatura constante. Si!"#ma $%i&' A%("i%' ) C'r'*'rm' ) Agua !n este sistema se tienen los siguientes pares: B/ 5 CB4CB
son totalmente miscibles entre sí
CBCl4 5 CB4CB
son totalmente miscibles entre sí
CBCl4 5 B/
son parcialmente miscibles entre sí
Acido Acético 100%
E M R Cloroformo 100%
Agua 100%
!n la anterior figura se muestra el diagrama de fases para este sistema a temperatura ambiente y presión atmosférica. Cuando se agrega agua al cloroformo se obtiene un sistema $omogéneo, siempre "ue la cantidad de agua no exceda la correspondiente al punto de saturación indicado por 8. !l agregado posterior de agua separa al sistema en dos fases. #i la composición inicial del sistema es D, al agregar ácido acético, éste se distribuye entre las dos fases formando las soluciones ternarias con7ugadas, cuyas composiciones están indicadas por los puntos ! y E. 2a línea "ue los une se denomina línea de unión o línea de reparto y no es paralela a la base del triángulo debido a "ue el ácido acético es más soluble en agua "ue en cloroformo. > medida "ue se va agregando más ácido acético, las líneas de unión se van acortando $asta "ue se llega al punto 9, donde las soluciones
con7ugadas tienen la misma composición a este punto se le denomina punto de pliegue. plicando la regla de la palanca para soluciones con7ugadas de la me%cla se tiene:
R M
ME X E X M −
=
=
RE
X
−
X
1onde: E + Cantidad de la solución con7ugada rica en CBCl4 ! + Cantidad de la solución con7ugada rica en B/ F + Cantidad de la me%cla 8E + -racción en peso de ácido acético en E 8! + -racción en peso de ácido acético en ! 8F + -racción en peso de ácido acético en F
+. APARATOS , REACTIVOS 2os materiales "ue se usaron fueron los siguientes: • • • • • • • • •
/ Auretas de 6; ml G Fatraces !rlenmeyer de 06; ml / 9in%as para buretas >nillos. !mbudos de separación de 0/6 ml #oportes universales / 9ipetas de 6 ml 0 9ipeta de 0; ml 0 9robeta de 6; ml
2os reactivos fueron: • • • •
Hcido acético glacial Cloroformo Bidróxido de #odio -enolftaleína >gua 1estilada
-. PROCEDIMIENTO EPERIMENTAL 9ara el proceso experimental se tiene el siguiente diagrama:
2)E-A 34+26/ 6E )"E 7/-P/.E.)E
Zona orgánica
Zona acuosa
Líneas de Unión
Prepara unaunmezcla de 1 mldede cloroformo y $,5 Preparar ml de agua tresenmezclas otro Erlenmeyer de las siguientes de 100 ml composici Prepara una mezcla de 5 ml de cloroformo y 0,5 ml de agua en Erlenmeyer 100ml
A%adir Agregar ácido acético desde una bureta hasta obtener una solución claraácido acético y obtener una solución clara
Agregar & porciones de $,5 ml de agua y en cada caso agregar ácido acé tico hasta 'ue la turbidez de la mezcla des Anotar el !olumen de ácido acético gastado )raspasar a los embudos de separación y agitar !igorosamente
"epetir el procedimiento agregando a la mezcla resultante 0,5 #1#1,5#10 y 15 ml de agua cada !ez Pesar cada una de las fases y analizar el
+sar toda la fase orgánica y una alcuota de 5 ml de la fase acuosa
/. C$LCULOS , CUESTIONARIO Eeali%amos reorgani%ando nuestra $o7a de cálculos: 0'na Orgni%a
V'um#n CC+ 3m4 6 6 6 6 6 6
N 0 / 4 J 6 G
V'um#n 2O 3m4 ;.6 0.; /.6 K.6 0K.6 4/.6
V'um#n C+COO 3m4 4.I J.K K./ 0J.K6 /J./ 4/.K
0'na A%u'!a N 0 / 4 J 6
V'um#n CC+ 3m4 0 0 0 0 0
V'um#n 2O 3m4 /.6 6 K.6 0; 0/.6
V'um#n C+COO 3m4 J.G G.4 K.I L.0 L.L
L5n#a! &# Uni6n 9reparación: M#7%a
CC+3m4
C+COO 3m4
2O 3m4
>
6./6
4.K6
G.;;
A
J.6;
6./6
6./6
C
J.6;
G.K6
4.K6
9esos y *ol&menes de cada fase: (2os pesos se $allaron directamente en laboratorio aprovec$ando la balan%a electrónica. #e taró el peso de cada probeta vacía, de modo "ue luego se midiera directamente el peso de cada fase. 2os vol&menes fueron medidos directamente con la probeta correspondiente)
M#7%a
Fa!# Orgni%a P#!' 3g4
> A C
K.;L; G.6/; 6.K0;
Fa!# Orgni%a V'um#n 3m4 6./; J.46 J.6;
Fa!# A%u'!a P#!' 3g4
Fa!# A%u'!a V'um#n 3m4 L./; 0;.6 0;.0
L.6J; 0;.JI 0;.K0;
/.1
D#"#rminar '! 8'r%#n"a9#! #n 8#!' &# %'r'*'rm': %i&' a%("i%' ; agua &# %a&a m#7%a: "a
V'um#n 2O 3m4 ;.6 0.; /.6 K.6 0K.6 4/.6 m =
V'um#n C+COO 3m4 4.I J.K K./ 0J.K6 /J./ 4/.K
V
( ) g ml
ρCH 3 COOH =1.05 ρ H 2 O =1 (
TABLA1= Ma!a CC+ 3g4
Ma!a 2O 3g4
K.J K.J K.J K.J K.J K.J
;.6 0.; /.6 K.6 0K.6 4/.6
( ) g ml
g ) ml
Ma!a C+COO 3g4 4.LL J.LJ K.6G 06.JL /6.J0 4J.4J
Masa Total
3g4 00.IL 04.4J 0K.JG 4;.4L 6;.40 KJ./J
!ntonces las fracciones en peso serán: TABLA2= > CC+ > 2O G/./J J./; 66.JK K.6; J/.4I 0J.4/ /J.46 /J.GI 0J.K0 4J.KI L.LK J4.KI
>C+COO 44.6G 4K.;4 J4.4; 6;.LK 6;.60 JG./6
0'na A%u'!a TABLA+= V'um#n CC+ 3m4 0 0 0 0 0 Aplicando la ecuación: ρCHCL 3=1.48
V'um#n 2O 3m4 /.6 6.; K.6 0;.; 0/.6 m =
V'um#n C+COO 3m4 J.G G.4 K.I L.0 L.L
V
( ) g ml
ρCH 3 COOH =1.05 ρ H 2 O =1 (
TABLA-=
( ) g ml
g ) ml
Ma!a CC+ 3g4
Ma!a 2O 3g4
0.JI 0.JI 0.JI 0.JI 0.JI
/.6 6 K.6 0; 0/.6
!ntonces las fracciones en peso serán:
Ma!a C+COO 3g4 J.I4 G.G/ I.0L L.6G 0;.J;
Masa Total
3g4 I.I0 04.0; 0K.0K /0.;J /J.4I
TABLA/= > CC+ 0G.I; 00.4; I.G/ K.;4 G.;K /.2
> 2O /I.4I 4I.0K J4.GI JK.64 60./K
>C+COO 6J.I/ 6;.64 JK.K; J6.JJ J/.GG
?ra*i%ar a %ur@a #n 8#!' &# %'r'*'rm'. Mi#n"ra! u# a !'u%i6n %'n9uga&a &# %'r'*'rm' #n agua %'n"i#n# 1. > &# %'r'*'rm' "am
!l presente grafico se reali%ará en un papel milimetrado mostrando en comportamiento de cada sustancia:
/.+
Tra7ar a! 5n#a! &# uni6n
Las composiciones en volumen de las mezclas son:
Mezcla
Clorofor mo
Ácido Acético
Agua
A B C
35% 30 % 30 %
25% 35 % 45 %
40% 35 % 25 %
9esos y *ol&menes:
Mezcla
Fase Orgánica Peso (g)
Fase Orgánica Volumen (ml)
Fase Acuosa Peso (g)
Fase Acuosa Volumen (ml)
A B C
K.;L; G.6/; 6.K0;
6./; J.46 J.6;
L.6J; 0;.JI 0;.K0;
L./; 0;.6 0;.0
Para a !'u%i6n A= 8 HAcORG
=
m HAcORGA NIC O
m HAcORGA NIC O
=
m HAcORGA NIC O
=
8 HAc
=
macuoso
8 HAc
=
5?ccNaOH ;
$ e' = gr NaOH
;
;
1mol Ac
1000 cc .a/ 1eq grNaOH 1eq grHAc −
;
:0 grHAc 1mol
=
0:9& gr de Ac organico
?0< gr
=
; 100
=
m HAcACUOSO m ACUOSO
1>&ccNaOH ;
<:5 8 HAc
;100
$ e' = gr NaOH
;
1 e' = gr Ac
1:09 gr <5& gr
;
1mol Ac
1000 cc .a/ 1eq grNaOH 1eq grHAc −
=
1 e' = gr Ac −
0:9& gr
8 HAc ACUOSO
;100
mORGANICO
; 100 1:9: 8 HAc =
Para a !'u%i6n B=
−
;
:0 grHAc 1mol
=
1:09 grHAc acuoso
8 HAcORG
=
m HAcORG ANIC O mORGANICO
;100 $ e' = gr
m HAcORG ANIC O
=
:9ccNaOH ;
m HAcORG ANIC O
=
091: gr de Ac organico
091: gr
8 HAc =
:5$0 gr
8 HAc ACUOSO
=
m HAcACUOS O m ACUOSO
$1&9 gr 10&9 gr
1 e' = gr Ac
;
1mol Ac
1000 cc .a/ 1eq − grNaOH 1eq − grHAc
;
:0 grHAc 1mol
=
;100 = 1$5$ 8 HAc
ma cos o = 1?
8 HAc =
;
; 100
$ e' = gr
;
1 e' = gr Ac
;
1mol Ac
1000 cc .a/ 1eq − grNaOH 1eq − grHAc
;
:0 grHAc 1mol
=
$1&9 grHAc a cos o
;100 = $050 8 HAc
Para a !'u%i6n C= 8 HAcORG
=
m HAcORGANIC O mORGANICO
; 100 $ e' = gr
m HAcORGANIC O
=
10$ccNaOH ;
m HAcORGANIC O
=
1$$& gr de Ac organico
8 HAc =
1$$& gr 5?1 gr
8 HAc ACUOSO
macuoso
=
=
1 e' = gr Ac
;
1mol Ac
1000 cc .a/ 1eq − grNaOH 1eq − grHAc
;
:0 grHAc 1mol
=
; 100 = $1&& 8 HAc
m HAcACUOSO m ACUOSO
$$:cc ;
;
; 100 =
$ e' = gr
;
$?1$ 10?1
×
100 = $5>$8 HAc
1 e' = gr Ac
;
1mol Ac
1000 cc .a/ 1eq − grNaOH 1eq − grHAc
;
:0 grHAc 1mol
=
$?1$ grHAc acuoso
/.-
In&i%ar a @arian7a &# !i!"#ma &#n"r' ; *u#ra &# a %ur@a
1entro de la curva binodal es * + C 5 -/ (9, , x i) Como 9 y es constante y $ay tres componentes, se tiene: *+45Babiendo reali%ado este análisis, efectuamos el análisis en las diferentes regiones del diagrama: en la región monofásica: - + 0⇒ * + 4 50 + / en la región bifásica: • - + /⇒ *+45/+0 en una línea de unión: • - + /, pero: MN también es constante, ya "ue sobre una línea de unión ya está definida ⇒ * + C 5 - + 4/ + 0 •
/./
D#"#rmin# # 8un"' 8i#gu#.
Babiendo ya tra%ado las líneas de unión extrapolamos y tra%amos una línea de unión $acia el punto de pliegue o punto de coso luto por tal ra%ón se lee de la gráfica: = CB4CB +
=B/ +
=CBCl4 +
. CUESTIONARIO Para un !i!"#ma iui&' "#rnari': &'n&# '! 8ar#! AB ; BC !'n 8ar%iam#n"# mi!%i<#!. D#"#rminar # #*#%"' &# a "#m8#ra"ura #n # !i!"#ma: in&i%an&' '! gra&'! &# i<#r"a& #n %a&a r#gi6n ; #n '! a&'!.
!n 0: C+/ -+/ *+//+; !n /: C+/ -+0 *+/0+0 !n 4: C+4 -+/ *+4/+0 !n J: C+4 -+0 *+40+/ !n 6: C+/ -+0 *+/0+0 !n G: C+/ -+0 *+/0+0 En # &iagrama &# *a!#! &# a 8ra%"i%a in&i%ar a @arian7a #n a! !igui#n"#! r#gi'n#! ' 7'na!=
a4 Ba!# &# &iagrama !n 0: C+/ -+/ *+//+; !n /: C+/ -+0 *+/0+0 <4 La&' i7ui#r&' &# &iagrama !n 4: C+/ -+0 *+/0+0 %4 Fu#ra &# a 7'na
solvente orgánico como éter, cloroformo, benceno, tetracloruro de carbono o en agua. > nivel industrial se aplica en la remoción de elementos no deseables en el producto final, pero para esto se necesita saber la cantidad de solvente a utili%ar y el n&mero de veces "ue se a de efectuar el ciclo de la extracción, ya "ue no se debe desperdiciar reactivos ni energía. 1ebido a "ue el ácido acético es más soluble en el agua "ue en el cloroformo. D#*inir ' u# !igni*i%a %a8a r#*ina&a ; %a8a #"ra%"'. 2a capa refinada es la solución con7ugada rica en la fase orgánica, en nuestro caso rica en cloroformo. 2a capa extracto es la solución con7ugada rica en la fase acuosa, es decir rica en agua. En # !igui#n"# &iagrama &# *a!#! 8ara # !i!"#ma "#rnari' 2ONaCC. D#"#rminar=
a4 La! @arian7a! #n %a&a una &# a! r#gi'n#!. Eegión abcB/: C+4 -+0 *+40+/ Eegión abOCl: C+4 -+/ *+4/+0 Eegión bc3aCl: C+4 -+/ *+4/+0 Eegión OClb3aCl: C+4 -+4 *+44+; <4 D#!%ri
momento en "ue ya no sea solo lí"uido, la sal empe%ará a precipitarse.
K. CONCLUSIONES o
o
o
o
#e construyó en forma experimental la curva binodal y las líneas de unión para el sistema ternario: cloroformo, agua y ácido acético. #e comprobó la regla de las fases usando el diagrama triangular, observando el cambio de fases respecto a la composición de cada elemento. !n el sistema, se observó un sistema bifásico una ra%ón por la cual forma una curva binodal, es debido a "ue existe una solubilidad parcial entre el cloroformo y el agua. !l agua y el cloroformo presentan una miscibilidad parcial debido a "ue la polaridad "ue presentan (agua más polar "ue el cloroformo). 1e manera "ue cual"uiera sea el solvente, no puede dar buena solvatación a las moléculas de CBCl 4 o de B/. 9or lo tanto, se $a determinado las cantidades de cada componente en las fases acuosas y orgánica, donde claramente se puede observar "ue las líneas de unión nos dicen "ue el ácido acético es más soluble en agua "ue en cloroformo.
. BIBLIO?RAFA ng. >vendaPo
e ng. Cusi@ 1! 2>AE>E 1!
-#CR Castellan ilbert@ -#CR SSS.scribd.com@ 3!E3!
