Laboratorio n°6: “Diagrama de fases de líquidos parcialmente miscibles” Nombre: Bárbara González Rojas, Carrera: Licenciatura en Biología, Correo:
[email protected], Día laboratorio: Jueves 19 Octubre 2017
La miscibilidad es una propiedad de los compuestos para mezclarse en todas las proporciones. En este práctico se determinó el diagrama de fases del sistema agua-fenol, a través de una serie de mediciones sobre la temperatura de la mezcla en su fase heterogénea y homogénea, utilizando una muestra de 5 [g] de fenol con volúmenes variables de agua, a través de un baño caliente. La temperatura crítica obtenida experimentalmente fue de 67,2°C, lo que conlleva a un error del 2,1%.
I. INTRODUCCIÓN. La miscibilidad es la propiedad de las sustancias para mezclarse en todas las proporciones, formando una solución homogénea. Por el contrario, las sustancias son inmiscibles si una proporción significativa, no forma una solución. [1] La miscibilidad de un soluto en un solvente depende de las características de ambos compuestos. Entre ellas está la posibilidad de generar puentes de hidrógeno, la polaridad de las moléculas, el carácter ácido o básico del solvente y el peso molecular del soluto, por nombrar las de mayor relevancia. La temperatura es uno de los factores que afectan la solubilidad de los compuestos. Generalmente, los compuestos orgánicos que sean sometidos a un aumento de temperatura, su solubilidad aumentará en comparación al solvente en frío. [2] Si se considera una solución, ya sea, líquido- líquido, sólidolíquido, etc., se puede obtener un concepto, denominado fracción molar. Esta definición se entiende como el cociente entre los moles de soluto y los moles totales presentes en dicha solución: (1) =
Donde “" corresponde a la fracción molar, “ ” a los moles de soluto en la mezcla y “ ” a los moles totales de
la mezcla.
La mezcla agua-fenol corresponde a un sistema parcialmente miscible. El objetivo del práctico es construir un diagrama de fases del sistema agua-fenol a temperatura y presión ambiente. Esto se realizará al cambiar la proporción de los componentes y viendo las temperaturas en el que el sistema es una solución homogénea y a la temperatura en la que vuelve a ser no homogénea, permitiendo obtener la temperatura crítica.
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Materiales. Los materiales utilizados se detallan a continuación: - Vaso precipitado -Tubo de ensayo de 50 mL con tapón - pipeta de 5mL - 5 gramos de fenol - Agua - Termómetro - 2 píldoras magnéticas agitadoras - Plancha calefactora - Soporte universal II. PROCEDIMIENTOS. 1.- Bajo campana, disponer de un soporte universal que contenga un tubo de ensayo de 50 mL con 5 [g] de fenol y la píldora agitadora. 2.- Tomar un volumen de 3 mL de agua con la pipeta y agregarlo al tubo de ensayo con fenol. 3.- Calentar el tubo de ensayo (provisto de un termómetro) en un baño caliente, utilizando la plancha calefactora y un vaso precipitado con agua y la píldora agitadora. 4.- Esperar hasta que la solución sea traslúcida, anotar la temperatura. 5.- Sacar el tubo de ensayo del baño caliente y esperar a que la solución vuelva a presentar dos fases. Anotar la temperatura. 6.- Repetir el procedimiento, agregando cada vez, 3 ml de agua. III. DATOS BRUTOS. Tabla I. Temperatura de subida y bajada a distintos volúmenes de agua
Medición 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Volumen total de agua [mL] 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
Temperatura de subida [°C] 48,5 61,5 66,5 65,5 64,5 64 63,5 62,5 60,5 58
Temperatura de bajada [°C] 49 64 67,5 67,5 55 65,5 65,5 63,5 62 60
IV. CÁLCULOS Y GRÁFICOS. La temperatura promedio de las mediciones se presenta aa continuación: Tabla II. Promedio de las temperaturas
Medición 1 2 3 4 5
Temperatura [°C] 48,8 62,8 67 66,5 65,3
Medición 6 7 8 9 10
Temperatura [°C] 64,8 64,5 63 61,3 59
Los moles de fenol corresponden a: =
[] ]
94,11 [
= 0,053
Tabla III. Moles de agua, moles totales y fracción molar de fenol
Moles de agua
Moles totales
0,167 0,333 0,500 0,667 0,833 1,000 1,167 1,333 1,500 1,667
0,220 0,386 0,553 0,720 0,886 1,053 1,220 1,386 1,553 1,720
Parameter Value Error -----------------------------------------------------------A 48,21557 2,28671 B1 510,85922 81,51379 B2 -4076,58121 771,38168 B3 8162,30216 1983,13609 -----------------------------------------------------------R-Square(COD) SD N P -----------------------------------------------------------0,98127 0,89176 10 <0.0001 -----------------------------------------------------------La ecuación que describe la curva es: y=48,21557+510,85922x -4076,58121 2 +8162,30216
Si la densidad del agua es de 1 [g/ml] y su masa molar es de 18 [g/mol] se puede terminar los moles de agua para cada volumen. Sabiendo esto se puede determinar los moles totales y la fracción molar de fenol para cada alícuota de agua, utilizando la ecuación (1): Medición Volumen de agua [mL] 1 3 2 6 3 9 4 12 5 15 6 18 7 21 8 24 9 27 10 30
Y = A + B1*X + B2*X^2 + B3*X^3
Fracción molar de fenol 0,241 0,137 0,096 0,074 0,060 0,050 0,043 0,038 0,034 0,031
Derivando la ecuación e igualando a cero se obtiene: 24487 2 -8153x+510,85922=0 Utilizando la ecuación cuadrática se obtienen dos valores de x: 1 = 0,25 2 =0,084 Al reemplazar estos valores en la ecuación original se tienen dos valores para y: 1 =48,68 2 =67,2 Por lo tanto, el valor máximo y por ende la temperatura crítica experimental corresponde a: 67,2°C
La gráfica de la temperatura vs la fracción molar de fenol se representa a continuación:
Gráfico 2. % de fenol vs temperatura.
Gráfico 1. Diagrama de fases sistema Agua-fenol.
Y = A + B1*X + B2*X^2 + B3*X^3 Parameter Value Error -----------------------------------------------------------A 41,39269 4,04172 B1 1,76213 0,40134 B2 -0,03401 0,0118 B3 1,23213E-4 1,03927E-4 -----------------------------------------------------------R-Square(COD) SD N P -----------------------------------------------------------0,98627 0,76556 10 <0.0001
La ecuación de la curva corresponde a: Y=41,39269+1,76213x-0,03401 2 +1,23213E-4
Derivando la ecuación e igualando a cero, se obtiene: 0,00037 2-0,06802x+1,76213=0 Utilizando la ecuación cuadrática se obtienen dos valores para x: 1 = 152,73 2 = 31,11 Al reemplazar estos valores en la ecuación original se tienen dos valores para y: 1 =-43,85 2 = 67 Por lo tanto, el valor máximo y por ende la temperatura crítica experimental corresponde a: 67°C Tabla IV. Resumen temperaturas críticas [3] T.crítica T. crítica T.crítica Error teórica exp. 1 [°C] exp. 2[°C] 1 [°C] 65,85 67,2 67 2,1%
Error 2 1,7%
*”1” corresponde a los datos obtenidos del gráfico 1, mientras que “2” corresponde a los datos obtenidos del gráfico 2.
V. DISCUSIÓN. A lo largo del práctico se mezcló una cantidad constante de fenol, con un volumen variante de agua, lo que genera una mezcla parcialmente miscible. El fenol, que en este caso se encuentra en forma cristalina, al estar en estado sólido, sus moléculas tienden a estar muy ordenadas limitando su capacidad de movimiento, por ende, tiene una menor energía cinética. El fenol es un compuesto orgánico que está constituido por un anillo de benceno, unido a un grupo OH. Este grupo hidróxido le permite formar enlaces de puente de hidrogeno con otras moléculas de fenol, estas interacciones son de tipo atractivas por lo tanto las moléculas se mantienen unidas. Además, la compactación producida por los anillos de benceno, provoca que se mantenga fuertemente unida, produciendo una malla cristalina, que a simple vista se ve como un sólido compacto. El fenol y el agua generan una mezcla parcialmente miscible, es decir, por debajo de la temperatura critica se forman dos fases (Figura 1), al adicionar agua al sistema las moléculas van rodeando al fenol, pero no pueden romper sus enlaces ya que sus interacciones atractivas son tan fuertes que las mantienen unidas. Para esto se le aplica energía al sistema (calor), para así elevar la energía cinética de las moléculas del agua y crear choques efectivos entre ellas y las moléculas de fenol. En un inicio el fenol tiene todas sus moléculas fuertemente unidas por la intensidad de las interacciones atractivas que tiene, sin embargo, estas se van debilitando con la energía aplicada, provocando que las moléculas comiencen a vibrar con mayor intensidad, como la adición de energía al sistema es constante las fuerzas atractivas de las moléculas de fenol se debilitan aún más, así es como se va rompiendo la malla cristalina que formaba y las moléculas de agua pueden rodear e interactuar cada vez más con el fenol. La transformación del estado sólido a un estado líquido del fenol ocurre lentamente. En un inicio se logran distinguir dos fases, con una apariencia
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turbia. Al seguir aumentando la energía del sistema se logra apreciar que la mezcla se torna transparente, punto donde se forma una sola fase homogénea. Sin embargo, al quitar el calor de la mezcla, esta vuelve en poco tiempo a ser inmiscible. Si bien en un inicio el fenol está rodeado completamente de moléculas de agua, este aun presenta algunas fuerzas atractivas que son más difícil de romper, lo que se provoca una fase no miscible. Pero como en este caso se sigue aplicando energía al sistema lo suficiente como para romperlos, se crea un mismo sistema con el fenol y el agua, lo que significa que al fenol ya no le quedan moléculas unidas y el agua lo puede disolver completamente. [3] Cuando se disminuye la energía proporcionada se puede volver a distinguir las dos fases en el sistema. Esta temperatura donde se logra diferenciar las dos fases es la temperatura critica máxima. Al agregar más agua e ir repitiendo este proceso, las moléculas de agua podrán entrar más rápido a la malla cristalina de fenol y así el tiempo de solvatación será mucho menor. En el gráfico 1 se distinguen dos fases, la parte sobre la curva es la parte homogénea y debajo de ésta es la heterogénea. La temperatura critica experimental utilizando la fracción molar fue de 67,2 °C, y utilizando el porcentaje en masa de fenol, se obtiene 67°C , ambas mayores a la teórica de 65,85 [3], esto genera un error asociado de 2,1% y 1,7% respectivamente. Se dice que por sobre esta temperatura el fenol es miscible sin importar la fracción molar que tenga y que por debajo de esta se formaran las dos fases, dependiendo de la fracción molar utilizada de fenol. Además, se observa que pequeños cambios en la adición de los componentes, produce mayores cambios en la temperatura de homogeneidad. [5] Las mezclas parcialmente miscibles no obedecen la ley de Raoult, que indica que la presión de vapor de cada componente en solución es dependiente de la presión de valor de cada componente individual y de la fracción molar de cada componente. Por lo tanto, la presión de vapor también está condicionada por las moléculas del fondo, que tienen una mayor energía cinética y pueden estar inmersas en las capas del sistema. [5] Es importante que la proporción de los componentes no sea igual, y que no estén muy cercanas entre sí, ya que pequeños errores de lectura conducirían grandes diferencias. [4] Valores más altos de la temperatura critica está relacionado con las altas presiones dentro de los tubos. En otros estudios se llenan los tubos lo más posible para evitar cambios en la composición de la fase liquida a través de la volatilización, la expansión del líquido a temperaturas más altas puede llenar completamente el tubo y conducir a presiones extraordinariamente altas, llevando a temperaturas críticas hasta de 66,79°C [5]. Sin embargo, a pesar de que el experimento de este práctico, se realizó con proporciones de los compuestos que no llegan al 50% de la capacidad del tubo de ensayo, se obtuvieron temperaturas críticas un poco mayores a 66,79°C, lo que se puede explicar, tanto, por errores experimentales, la pureza de los componentes que se utilizaron en el experimento, como por aproximaciones matemáticas, además de que los experimentos no se realizan bajo las mismas condiciones, lo que también presenta diferencias.
VI. CONCLUSIÓN Los objetivos del práctico se cumplieron, ya que fue posible determinar un diagrama de fases del sistema agua-fenol, a través de mediciones en la temperatura al cambiar de estado. - La solubilidad de los compuestos depende de sus características y propiedades químicas, variando así el nivel de interacción que tiene el soluto con el solvente. - La temperatura es un factor que afecta la solubilidad de una mezcla, de manera directamente proporcional - A pesar de ser un experimento sencillo, se logra determinar la temperatura crítica con un bajo porcentaje de error. - Por encima de la temperatura crítica, los líquidos serán miscibles en cualquier proporción. R EFERENCIAS [1] Miscibility. (2017, July 7). In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved, October 21, 2017, from https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Miscibility&oldid=7 89418955 [2] Osorio, R. (2015). Miscibilidad y Solubilidad. Facultad de ciencias exactas y naturales, Universidad de Antioquia. http://aprendeenlinea.udea.edu.co/lms/ocw/mod/page/view.php?id=25 5 [3] Castellan, Gilbert W (1987). Fisicoquímica. 2da edición, pp. 342-344 [4] Arthur E. Hill and W.M.Malisoff , (1926). The mutual solubility of liquids. III. The mutual solubility of phenol and wáter. IV. The mutual solubility of normal butyl alcohol and wáter. [5] Alan N.Campbell and A. Jean R. Campbell (1937). Concentrations, total and partial valor pressures, Surface tensions and viscosities, in the systems phenol-water and phenol-water-4% Succinic Acid.
