INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Departamento de Ingeniería Química Industrial Laboratorio de Termodinámica de Equilibrio de Fases
rupo: *$+, "eccin . ,/ de diciembre de *0,5 Objetivos • • • •
Estudiar las relaciones de solubilidad del sistema de tres componentes. Traar el diagrama de equilibrio para el sistema agua!cloro"ormo!ácido ac#tico. $onstruir la curva de solubilidad %binoidal& ' determinar las líneas de reparto. $onstruir los diagramas de composici(n del líquido.
1. EQUILIBRIO LÍQUIDO LÍQUIDO Es posible tratar todos los equilibrios )eterog#neos desde un punto de vista uni"icado por medio del principio conocido como *egla de las Fases+ con el cual #l n,mero de variables a que se encuentra sometido un equilibrio )eterog#neo cualquiera+ queda de"inido ba-o ciertas condiciones experimentales de"inidas. La cantidad de variables que pueden "i-arse
arbitrariamente
en un sistema
termodinámico
puede
calcularse
mediante L / $ 0 F1 2 %3&. Donde L n,mero de grados de libertad+ $ n,mero de componentes químicos+ F n,mero de "ases. 4ara simpli"icar la representaci(n grá"ica de las condiciones de equilibrio se suponen temperatura ' presi(n constantes '+ además+ generalmente se considera que el sistema en estudio es condensado+ es decir que se desprecia la "ase vapor. En estas condiciones+ las variables independientes son las concentraciones de dos componentes+ siendo la concentraci(n del tercero una "unci(n de ellas. De acuerdo a la regla de las "ases de 5ibbs+ cuando observa una sola "ase en un sistema de tres componentes como el que estudiaremos+ los grados de libertad son 6. 4or lo tanto+ para describirlo completamente )abrá que "i-ar 6 de las 7 variables del sistema %T+ 4 ' concentraciones de cada uno de los tres componentes&. $omo los grá"icos de tantas variables son mu' di"íciles de interpretar+ se elige mantener algunas de ellas constantes ' gra"icar las restantes una contra otras. En nuestro caso se traba-ará en condiciones de presi(n ' temperatura constantes ' se gra"icará el n,mero de "ases del sistema respecto de las concentraciones de sus tres componentes en un diagrama triangular+ en unidades de porcenta-e en masa.
PRÁCTICA NO. 5 Equilibrio líquido-líquido 4ara un sistema dado de tres componentes líquidos+ existirán composiciones para las cuales la solubilidad es completa+ resultando la mecla en una sola "ase. Entonces+ a 4 ' T cte.+ serán 2 los grados de libertad+ debiendo establecerse dos de las tres concentraciones para describir completamente la situaci(n del sistema. 4ero pueden darse composiciones en las cuales se supera la solubilidad ' aparecen dos "ases inmiscibles+ cada una con los tres componentes en cierta proporci(n. Los diagramas de
líquidos
ternarios
son
de
considerable valor en problemas
de
separaci(n ' extracci(n con solventes ' gracias a ellos es posible deducir si la separaci(n buscada puede realiarse ' en cuales condiciones de operaci(n para lograr resultados (ptimos. Los diagramas de líquidos ternarios son de considerable valor en problemas de separaci(n ' extracci(n con solventes ' gracias a ellos es posible deducir si la separaci(n buscada puede realiarse ' en cuales condiciones de operaci(n para lograr resultados (ptimos. La mecla de tres componentes líquidos+ en nuestro caso cloro"ormo+ ácido ac#tico ' agua+ en distintas proporciones puede dar lugar a la "ormaci(n de dos "ases. En el caso que nos ocupa+ el agua ' el cloro"ormo son inmiscibles %es decir+ la extensi(n de su mecla es prácticamente nula& ' sin embargo+ el ácido ac#tico es totalmente soluble en cualquiera de los dos productos. 8l a9adir ácido ac#tico a una mecla agua!cloro"ormo se observa que #ste se distribu'e entre las dos "ases al mismo tiempo que aumenta la solubilidad mutua entre las mismas. Este )ec)o se traduce en que adiciones sucesivas de ácido ac#tico )acen variar la composici(n de las "ases acuosa ' orgánica )aci#ndolas cada ve más seme-antes ' apreciándose+ como característica particular de este proceso+ un aumento de volumen de una de las "ases ' la consiguiente disminuci(n del volumen de la otra )asta que llega a desaparecer una de ellas. :uestro ob-etivo es construir ' aprender a mane-ar un diagrama ternario+ determinando la curva de solubilidad del sistema ternario por titulaci(n )asta la aparici(n ( desaparici(n de dos "ases. Esta curva límite separa la ona de composiciones que dan un sistema mono"ásico de las que dan un sistema bi"ásico. Esta práctica abarcará las relaciones de solubilidad del sistema de tres componentes como lo son el cloro"ormo!ácido ac#tico! agua+ se traará el diagrama de equilibrio ' se construirá la curva de solubilidad %binodal& para una temperatura dada ' por ,ltimo se determinarán las composiciones de los puntos críticos ' máximos.
2. Carater!stias "i#$i%o& "!#$i%o
PRÁCTICA NO. 5 Equilibrio líquido-líquido
$uando dos líquidos se meclan en di"erentes proporciones a ciertas condiciones de presi(n ' temperatura+ ' se producen dos "ases liquidas de di"erente concentraci(n que está en equilibrio termodinámico+ entonces se tiene el "en(meno denominado equilibrio líquido! líquido. La descripci(n termodinámica del equilibrio liquido!liquido está en "unci(n de T+ 4 ' "ugacidad para cada especie química en cada "ase. Se considera que todas las especies existen como líquidos puros a la temperatura del sistema. Los sistemas liquido!liquido se caracterian por la amplia variedad de comportamientos que presentan. En equilibrio+ la temperatura ' presi(n de ambas "ases son iguales+ por lo que de acuerdo a la regla de "ases de gibbs+ el sistema tiene ; grados de libertad.
'C()o se "ee e" %ia*ra)a %e $+ siste)a ter+ario,
Las líneas que dividen en la primera imagen los lados <8 ' <$ ' son paralelas a 8$ nos dan los porcenta-es de <+ ' las que dividen a $8 ' $< ' paralelas a 8< representan los porcenta-es de $. !Los puntos de la línea <$ representan un => de 8 ' el 3==> lo componen <1$
PRÁCTICA NO. 5 Equilibrio líquido-líquido !Los puntos de la línea <8 indican un => de $+ el 3==> lo "orman 81< !Los puntos de la línea 8$ indican un => de <+ el 3==> esta compuesto por 81$. Las líneas de relaci(n son líneas interiores que van siempre de un v#rtice al lado opuesto e indican la relaci(n existente entre los porcenta-es de las variables que "orman este lado+ independientemente de la variable que este en el v#rtice . 4ara conocer la composici(n de cada "ase en el sistema ternario en un punto del sistema+ se traa la ?línea de uni(n? o ?línea de reparto? que pasa por dic)o punto. Esta línea corta a la curva de solubilidad en dos puntos + cu'as composiciones corresponden con las de cada "ase. $ualquier punto situado sobre dic)a línea pose la misma composici(n de cada "ase. Se pueden construir in"initas ?líneas de uni(n?. 4or e-emplo en el punto c3 se traa una recta de a3 a b3+ la cuál es la línea de uni(n+ cualquier punto sobre esta línea tendrá la misma composici(n. @na mecla cualquiera dentro del área que encierra la curva representa un sistema de dos "ases+ ' cualquier mecla "uera de la curva "ormará una sola "ase líquida.
Eje)-"o %e siste)as ter+ario
PRÁCTICA NO. 5 Equilibrio líquido-líquido
A-"iaio+es. El sistema ternario es ampliamente utiliado por los ingenieros ge(logos+ metal,rgicos ' químicos principalmente. Estos diagramas permiten conocer las composiciones de ; sustancias en una mecla. Determinan la composici(n química de las "ases presentes u la cantidad de cada "ase presente. @n e-emplo especí"ico de aplicaci(n de estos diagramas es durante la cocci(n de los productos de cerámica blanca%productos más característicos son las porcelanas&. Estos diagramas brindan 3& La constituci(n mineral(gica del producto a cualquier temperatura. 2& La temperatura inicial de la "ormaci(n del líquido. ;& La variaci(n del contenido de líquido ' la composici(n del mismo con la temperatura. 6& La solubilidad química de un componenete o "ase en otro a diversas temperaturas+ 7& La proporci(n en peso de las di"erentes "ases en equilibrio a cualquier temperatura.
PRÁCTICA NO. 5 Equilibrio líquido-líquido Diagrama de SiA 2!8l2A;!BgA
Co+"$si(+ Los diagramas ternarios son relevantes para la comprensi(n ' predicci(n del comportamiento de una mecla con tres componentes+ nos indican las composiciones en las cuales el sistema estará compuesto en una "ase o en dos+ dependiendo de la concentraci(n de las componentes. 8demás comprobamos que dos sustancias inmiscibles pueden diluirse con a'uda de otro compuesto el cual sea soluble en ambos. En esta experimentaci(n la mecla agua! cloro"ormo %inmiscible& "ueron disueltos gracias al ácido ac#tico. Espinoa $astellanos 8bigail $on base en la experimentaci(n realiada en el laboratorio+ se pueden concluir 2 aspectos importantes cualitativos acerca del equilibrio líquido!líquido. •
En un sistema líquido!líquido+ cu'os componentes sean inmiscibles+ es posible lograr un equilibrio termodinámico adicionando un tercer componente visible en
•
ambos compuestos cu'o e"ecto será )omogeneiar la soluci(n. El equilibrio se gra"ica en un diagrama triangular+ en donde se identi"ican las onas donde se presenta una o dos "ases en un sistema liquido!liquido. !Cernánde 5ranillo $arlos Daniel
$uando dos líquidos se meclan en di"erentes proporciones a ciertas condiciones de temperatura ' presi(n+ ' se producen dos "ases líquidas de di"erente concentraci(n como en la presente práctica+ que están en equilibrio termodinámico+ entonces se tiene un
PRÁCTICA NO. 5 Equilibrio líquido-líquido equilibrio líquido!líquido. Dic)o equilibrio estuvo en "unci(n de T+ 4 ' de la "ugacidad para cada especie química en ambas "ases. Bediante el diagrama de "ases líquido!líquido "ue posible conocer el n,mero de pares parcialmente miscibles+ así como la regi(n de miscibilidad parcial que present( el sistema. Este diagrama se represent( en coordenadas polares+ aunque tambi#n puede representarse en coordenadas rectangulares. Longinos Salaar 5ildaiden
8l t#rmino de la práctica+ se puede )acer )incapi# a los siguientes aspectos importantes •
Dos líquidos parcialmente miscibles+ producirán una laguna de miscibilidad debido
•
a la solubilidad incompleta de un líquido en otro. Se observ( la "ormaci(n de las disoluciones con-ugadas+ evidenciándose por la
•
presencia de dos capas o "ases liquidas La curva de solubilidad+ Temperatura vs. $omposici(n %molar o en peso&+ que se obtiene mediante el m#todo sint#tico es bastante completa si se cubre un intervalo
•
su"iciente de concentraciones Este diagrama de tres componentes nos puede a'udar a describir el
•
comportamiento de una mecla de tres componentes En el caso de nuestra práctica+ se encontr( que el cloro"ormo ' el agua son inmiscibles+ 'a que solamente con la presencia del ácido ac#tico pudieron disolverse. Almos 5arcía 5erardo 8rturo
Se puede concluir con la experimentaci(n realiada que los líquidos utiliados eras miscibles entre ellos+ es decir no se meclaban entre ellos. Bientras más aumentaba la cantidad de cloro"ormo+ se necesitaba a,n más volumen de ácido ac#tico+ el componente que no cambio su volumen "ue el agua+ 'a que el agua su volumen "ue constante. La adici(n de ácido ac#tico a distintas meclas de cloro"ormo ' agua %que inicialmente "orman un sistema de dos "ases& acaba produciendo sistemas líquidos de una sola "ase.
PRÁCTICA NO. 5 Equilibrio líquido-líquido Las composiciones en porcenta-es se )allan sobre una curva+ llamada ?curva de solubilidad?. $ualquier punto situado sobre dic)a línea pose la misma composici(n de cada "ase. $omo podemos observar+ se pueden construir in"initas ?líneas de uni(n?. Arantes Bontes Bauricio
8l t#rmino de la práctica ' con la investigaci(n te(rica realiada podemos concluir que •
El sistema de tres líquidos "ormado por cloro"ormo! agua! ácido ac#tico+ "orma sistemas con un par de ellos parcialmente miscibles+ en este caso en el cloro"ormo
•
' el agua. Bientras se iba aumentando la cantidad de cloro"ormo se requería ma'or cantidad
•
de ácido ac#tico ' el volumen del agua permaneci( constante Las composiciones de los compuestos se gra"ican+ dando como resultado una curva de solubilidad ' cualquier punto sobre dic)a línea posee la misma
•
composici(n en cada "ase. Las líneas que unen las composiciones en equilibrio son las denominadas líneas de
