PREINFORME: PUNTO DE BURBUJA
Grupo 3 Irene Andrea Acuña 245620 Adriana Martínez 245505 Leidy Magaly Pinzón Monroy 245479 1. OBJETIVO Realizar un gráfico T-x-y para la mezcla propanol-agua, propanol-agua, con el fin de de realizar una estimación estimación del punto de burbuja de la mezcla a diferentes composiciones composiciones de líquido (mezcla de agua-propanol) 2. MARCO TEÓRICO: a. Punto de burbuja El punto de burbuja se entiende como las condiciones en las cuales en un líquido se forma la primera burbuja de vapor, un pequeño cambio más en la temperatura desencadenara que el líquido se siga evaporando al estar en el estado de saturación (esto implica un estado de equilibrio). Cuando se trata de mezclas binarias esta burbuja, fase vapor, tendrá la composición más alta posible en cuanto al componente más volátil. A partir de allí si se continua el calentamiento la fase de vapor se hará más grande pero con una menor composición del componente más volátil b. Equilibrio Líquido- Vapor
Como se explicó anteriormente el punto de burbuja tiene como característica que se encuentra dentro del equilibrio liquido-vapor. El que un sistema se encuentre en estado de equilibrio implica que la composición total de cada una de las fases no cambia con el tiempo. Se dice que se trata de composición total porque un estado de equilibrio no implica que no haya transferencia entre fases. Esto quiere decir que habrá componente volátil que se transfiere de la fase líquido al vapor y viceversa, pero en el estado de equilibrio las velocidades de ambos fenómenos serán iguales. Se cuenta con tres criterios que garantizaran el equilibrio de fases: Equilibrio térmico: la temperatura en ambas fases es igual Equilibrio mecánico: la presión en ambas fases es igual Igualdad de potencial químico para un componente en ambas fase
Esquema 1: Representación esquemática del equilibrio líquido-vapor
c. Regla de las fases de Gibbs La regla de las fases es uno de los cálculos más destacables de la termodinámica química, esta relación fue deducida por J.W. Gibbs = − + 2 (1)
Dónde: F, fases presentes C, número de componentes P, numero de fases en equilibrio El número 2 en la ecuación hace referencia a dos propiedades cualquiera de un sistema que por lo general son la temperatura y la presión. Deducción:
Si se considera el caso especial de un sistema de un solo componente. Para dos fases en equilibrio, se puede (∝) = (). Cada potencial es función de la presión y la temperatura. (∝;,) = (;,) (2)
En esta ecuación expresa la relación entra las variables P y T, de modo que solo una de ellas puede ser independiente. Esta conclusión coincide con F=1. Para tres fases en equilibrio mutuo. (∝;,) = (;,) = (;,) (3)
Esta relación en realidad son dos ecuaciones con dos incógnitas (∝;,) = (;,) y (;,) = (;,) y por lo tanto su solución en un único par de valores de P y T. Esta conclusión coincide con F=0. Cuatro fases no pueden estar en equilibrio mutuo en un sistema de un componente pues las tres igualdades. (∝;,) = (;,)
(;,) = (;,)
(;,) = ( ; , ) (3)
Son tres ecuaciones con dos incógnitas P y T y el sistema es por tanto incompatible. Considerando ahora el caso general. En primer lugar se cuenta con un número de total de variables intensivas. La presión, P, y la temperatura, T. Se puede especificar la composición de una de las fases dando las fracciones molares de C-1 componentes. Dado que existen P fases, el número total de variables de composición es P(C-1). Así el número total de variables intensivas es P(C-1) +2. Eb equilibrio el potencia químico de un componente J debe ser igual en todas las fases: (∝) = () …
Es decir, cada componente J debe satisfacer P-1 ecuaciones de este tipo. Dado que hay C componentes, el número total de ecuaciones es C(P-1). Cada ecuación Reduce la libertad de variar una de las P(C-1) +2 variables intensivas. De ahí se deduce que el número total de grados de libertad es = ( − 1) + 2 − ( − 1) = − + 2
Esta última ecuación es la de la regla de las fases de Gibbs, presentada anteriormente. d. Soluciones ideales y reales Para la formación del equilibrio liquido-vapor se partirá de una disolución de los dos componentes. Se entiende por disolución a una mezcla homogénea. Y según las características de la disolución el equilibrio tendrá determinado comportamiento, que será comparado con un comportamiento ideal. En una disolución ideal, las moléculas de ambas especies presentes son muy semejantes esto quiere decir que la interacción entre ellas será equivalente a una solución líquida de un solo componente puro. Existen cuatro características clave que identifican una solución ideal.
Las fuerzas intermoleculares promedio de atracción y repulsión en la solución no cambian al mezclar los componentes. El volumen de la solución varía linealmente con la composición. No hay absorción ni desprendimiento de calor al realizar el mezclado. La presión total de la disolución varia linealmente con la composición en fracción mol
Una disolución ideal sigue la ley de Raoult. = (4)
Lo que quiere decir que la presión parcial de un componente ( ) varía linealmente con la composición en el líquido ( ), y además que la pendiente de esta variación lineal es la presión de vapor del componente puro ( ). Es por ello que las soluciones ideales son tan importantes. Porque simplifican en gran parte el equilibrio liquido-vapor. Por otra parte la ley de Dalton para mezclas de gases ideales proporciona la presión parcial para el gas en función de la fracción del componente en la mezcla gaseosa y la presión total de los gases. = (5)
A partir de las ecuaciones 4 y 5 es posible conocer la relación entre las composiciones del líquido y el vapor. = (6)
En las disoluciones reales por otro lado, hay una interacción entre los componentes debido a sus diferencias. Se presentaran desviaciones de la ley de Raoult ya sean positivas o negativas. En esos casos se introduce un coeficiente de actividad ( ) que tenga en cuenta dichas interacciones. = (7)
e. Modelos termodinámicos Un modelo termodinámico es un conjunto de ecuaciones que permiten estimar las propiedades tanto de sustancias puras, como de mezclas de ellas. Existen variados métodos aplicables a mezclas binarias: Wilson, Margulles, Van Laar, NRTL, entre otros. El modelo empleado en esta práctica es el modelo de Wilson, el cual es ampliamente utilizado para representar una gran variedad de mezclas, especialmente para soluciones de compuestos polares (como el propanol y el agua empleadas en la práctica) o con tendencia a asociación en solventes no polares, además de sustancias orgánicas. 3. MATERIALES: Balón de tres bocas Plancha calefactora Termopar Condensador curvo Refractómetro Agua destilada Propanol Pipeta aforada Beaker
4. PROCEDIMIENTO: Punto de burbuja
Determinación punto de
Calibración
burbuja con la mezcla
Se preparan muestras de diferente concentración de la mezcla propanol- agua.
Se adicionan 50 mL de propanol al balón y se inicia calentamiento
Consignar la temperatura de ebullición cuando esta se estabilice
Medir el índice de refracción de condensado cada mezclade y graficar el índice de refracción vs la fracción molar de ro anol.
Se agregan 3mL de agua al balón
Esperar a que la temperatura se estabilice de nuevo Repetir 15 veces.
Se recolecta una muestra de condensado (10ml).
Se toma muestra de 10 mL del remanente en el balón.
Analizar las muestras en el refractómetro.
5. ESQUEMA DEL EQUIPO:
Fig. 2: Montaje del equipo para el cálculo del punto de burbuja.
Las partes del equipo mostrado en el esquema 2 son:
Balón de tres bocas Plancha calefactora Termopar (para determinación de temperatura) Refrigerante curvo
6. CÁLCULOS DEL VOLUMEN DEL PROPANOL PARA DIFERENTES CONCENTRACIONES DE PROPANOL PARA CONSTRUIR LA CURVA DE CALIBRACIÓN.
=
+
=
∗ % ∗ ̅
(8)
(9)
Así:
=
1,8 ∗ 0,995 ∗ 803,40/ 60,09502/
= 23,94
=
=
0,2 ∗ 1 ∗ 0,999/ 18/ 0,0268 0,0268 + 2,66 2
= 2,66
= 0,9
1
2,00
0,00
X C3H8O 1
2
1,80
0,20
0,9
0,1
23,94
2,66
3 4 5 6 7 8 9 10 11
1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00
0,40 0,60 0,80 1,00 1,19 1,39 1,59 1,79 179,82
0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,001
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,999
21,28 18,62 15,96 13,30 10,64 7,98 5,32 2,66 0,00
5,32 7,98 10,64 13,30 15,96 18,62 21,28 23,94 2403,98
Muestra Volumen C3H8O (mL) Volumen H2O (mL)
X H2O 0
Moles C3H8O 26,60
Moles H2O 0,00
Tabla 1. Volúmenes de la mezcla liquida para realizar la calibración del refractómetro.
7. BIBLIOGRAFÍA [1] I. García Quiroga, Introducción al equilibrio termodinámico y de fases, Bogotá: Universidad Nacional de Colombia, 1995. [2] R. E. Treybal, Operaciones de transferencia de masa, México: McGraw Hill, 1997. [3] Anónimo, «Laboratorio de Química Física,» Universidad de Valencia, 2013. [En línea]. Available: http://www.uv.es/qflab/2013_14/descargas/cuadernillos/qf1/castellano/PG_G_diagramasFases.pdf. [Último acceso: 3 05 14]. [4] Anónimo, «Análisis y simulación de procesos en estado estable y dinámico,» 2010. [5] R. Gamero, «Termodinámica avanzada,» Septiembre 2010. [En línea]. Available: http://www.sarecfiq.edu.ni/pmciq/che570/pdf/3g.pdf. [Último acceso: 01 05 2014].
