DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y BIOQUÍMICA FISICOQUÍMICA PRÁCTICA No. 1 SISTEMA BINARIO DE LÍQUIDOS PARCIALMENTE MISCIBLES, SISTEMA FENOL-AGUA
OBJETIVOS Trazar la curva de solubilidad mutua de un sistema fenol/agua en función de la temperatura. Determinar la temperatura crítica o temperatura máxima característica de un sistema fenol/agua. Identificar el intervalo de solubilidad del sistema fenol/agua.
INTRODUCCIÓN El sistema e estudiar es un sistema de dos componentes representando un equilibrio liquido-liquido. Se considera el sistema condensado (Vapor no existe). El experimento consiste en determinar la solubilidad del sistema fenol agua a distintas temperaturas. El equilibrio de dos fases se observa cuando la mezcla se enturbia. No todos los líquidos son completamente miscibles entre sí, entre este extremo y el de la inmiscibilidad casi completo se consideran pares de líquidos parcialmente miscibles, es decir, que no se mezclan en todas las proporciones a todas las te mperaturas. Este hecho se puede explicar de la siguiente manera, a una muestra A a una temperatura dada se le añade una pequeña cantidad de B, que se disuelve completamente y el sistema binario sigue siendo de una sola fase. Al agregar más B, llega un momento en que ya no se disuelve. Ahora la muestra consiste de dos fases, siendo la principal una disolución de A saturada en B, y la otra, una traza de B saturada de A. La temperatura del sistema afecta a las composiciones a
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las que ocurren las separaciones y la coalescencia de las fases, debido a esto existen sistemas en los cuales la solubilidad disminuye con el aumento de la temperatura. A la temperatura en donde las dos capas resultan de composición idéntica y son en realidad una. sola capa, se conoce como temperatura de disolución critica. Por encima de esta temperatura los dos líquidos resultan miscibles en todas proporciones. En esta práctica denominada "Equilibrio Líquido-Líquido: Líquidos Parcialmente Miscibles. Determinación de la Temperatura Critica del Sistema Fenol-Agua" se determinará la solubilidad del sistema a diferentes temperaturas y la temperatura critica de la disolución fenol-agua, así como la composición de la mezcla a esta temperatura. A partir de experimentos y con los valores obtenidos en cada uno, sé graficarán las temperaturas vs. Composición y se determinará la temperatura critica de la solución. Al determinar la solubilidad del sistema Fenol-Agua a diferentes temperaturas, cuando se añaden cantidades de fenol al agua, al principio el fenol se disuelve para dar una sola fase; sin embargo, en algún punto de la adición, el agua se satura y una adición posterior de fenol produce dos capas liquidas, una: rica en agua y la otra rica e n fenol, esto se produce a temperatura ambiente. Al elevar· la temperatura, teóricamente, los componentes muestran míscibílidad completa, y para la aparición de dos capas debe añadirse fenol. Para deducir la temperatura critica de la disolución Fenol-Agua y la composición de la mezcla a esta temperatura. A la temperatura critica las dos capas resultan de composición idéntica y son en realidad una sola capa. Por encima de esta temperatura los dos líquidos resultan miscibles en todas proporciones. La temperatura de disolución critica teórica para el sistema en estudio es de 65.9° C. Sí las fases liquidas ∈ y ∩ están en equilibrio, y el sistema es de dos componentes A y B, la condición para el equilibrio es que se igualen los potenciales químicos de cada componente en cada una de las fases. Dado que la solubilidad de B en A es limitada, se generarán soluciones ricas en A que se pueden designar como fase ∈; dado que también es limitada la solubilidad de A en B, se generarán soluciones ricas en B que se pueden designar como fase
∩. Las solubilidades máximas pueden
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designarse como ∈ y ∩, donde ∈ es la composición de una solución saturada con respecto a B y
∩
es la de una solución saturada respecto a A. Las composiciones ∈ y ∩ no son muy dependientes de la presión, se necesitan presiones
bastante grandes para modificar apreciablemente las energías libres de los líquidos, sin embargo se observa una dependencia respecto a la temperatura.
Figura 4. Solubilidad mutua de dos líquidos parcialmente miscibles A y B.
El diagrama esquemático de composición temperatura para dos líquidos parcialmente miscibles A y B se muestran en la figura 4. La curva de la izquierda se define como la variación con la temperatura de ∈ y la curva de la derecha la de ∩ , el comportamiento que se presenta en la figura 4 es el más común. Existe como consecuencia una temperatura critica T c en la cual se igualan las fases por encima de la cual los dos líquidos son completamente miscibles, en este caso como se observa la temperatura critica representa el punto máximo y se conoce con el nombre de sistema con temperatura critica superior.
CORRELACIÓN CON LOS TEMAS Y SUBTEMAS DEL PROGRAMA Cubre el tema y subtemas de la unidad 1. Equilibrio de fases en sistemas de un solo o más componentes. Específicamente equilibrio liquido-liquido en dos componentes.
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MATERIALES Agitador de alambre Disco metálico con siete perforaciones para colocar tubos Mechero o parrilla eléctrica Pinza para bureta 1 Soporte 1 Tela de alambre con asbesto 2 Termómetros de 0 a 110 grados centígrados 1 Trípode 7 Tubos de ensaye de 15 x 2 cm conteniendo las mezclas y cerrados 1 Vaso de precipitados de 2 litros 1 Pinza para tubos de ensaye
SUSTANCIAS Fenol Agua
METODOLOGÍA 1. Se preparan soluciones acuosas de fenol al 10, 20, 30, 40, 50, 60 y 70% en peso, con un peso total de 5 gramos. 2. Estas soluciones se ponen en los tubos de ensaye de 1 5 x 2 cm. Los cuales se cierran dejando lugar para colocar un termómetro o un agitador. 3. Los tubos cerrados que contienen las mezclas se colocan uno por uno o los siete en un baño de agua o baño maría. Se calientan hasta 75 grad os centígrados, se deben calentar con flama pequeña, hasta que se logre pasar de un equilibrio heterogéneo a un equilibrio
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homogéneo, tomando en este momento la lectura de l a temperatura. Nunca caliente las muestras a una temperatura mayor de 90 grados centígrados ya que estas se descomponen. 4. Para corroborar la temperatura del inciso anterior, se retira el tubo de ensayo del baño y se deja enfriar (con agitación) hasta la turbidez de la solución, tomando la temperatura correspondiente. 5. Si la diferencia entre las lecturas de temperatura en el calentamiento en el enfriamiento es mayor de 0.5° C repetir el experimento. Registre sus resultados en una tabla 6. Repetir los pasos anteriores con cada una de las concentraciones indicadas por el profesor. Calcule la temperatura promedio y registre los valores obtenidos en la tabla. 7. Calcule la fracción mol del fenol y el porcentaje en masa de fenol para cada uno de los casos y registre los resultados. Trace los diagramas de temperatura contra composición (fracción mol y % en masa).
SUGERENCIAS DIDÁCTICAS 1 Elaborar mapas mentales de los temas relacionados con la práctica. 2 Elaborar un diagrama de flujo de la me todología 3 Consultar la bibliografía necesaria para el manejo y propiedades de las sustancias químicas a utilizar. 4 Consultar la bibliografía necesaria en lo referente a la preparación de soluciones. 5 Consultar la bibliografía necesaria para recordar los términos termodinámicos requeridos para la realización de la práctica.
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REPORTE DEL ALUMNO 1) Hacer dos gráficas, de temperatura contra composición en porcentaje en peso y otra de temperatura contra composición en fracción mol. Indique las áreas que representan una fase y las áreas que representan dos fases 2) Determinar la temperatura critica de solución a partir de las gráficas. 3) Determinar la concentración y temperatura critica de la solución del sistema utilizando una extensión de la ley del diámetro rectilíneo de Cailletet y Mathias, sacando la media aritmética de cada línea de unión y de las dos fases en equilibrio, a las temperaturas de 30, 40, 50 y 60 grados centígrados, trace una línea recta uniendo estas medias aritméticas. La concentración critica de solución estará dada por el punto de unión de esta línea de medias aritméticas y la línea correspondiente a la temperatura critica.
BIBLIOGRAFÍA 1 Atkins, Peter W. Fisicoquímica. 1985. Fondo Educativo Interamericano. México. 2 Castellan, Gilbert W. 19.86 Fisicoquímica. Fondo Educativo Interamericano. Bogotá. 3 Levine. 2004. Fisicoquímica 5ª Edición. Me. Graw-Hill. México. 4 Perry -Chilton. 1993. Manual de Ingeniero Químico. Sexta Edición Me. Graw-Hill. 5 Smith J . M. Van Ness -Abbott. 2003. Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química. Sexta edición Me. Graw-Hill. 6 Treybal R. 1987. Operaciones de Transferencia de Masa. Mc. Graw-Hill.
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