Equilibrio de los líquidos

Experimentación en química. Reglas de las fases. Disoluciones. Solubilidad. Digramas de equilibrios

  • Enviado por: Jenith Arion Vargas
  • Idioma: castellano
  • País: Venezuela Venezuela
  • 21 páginas

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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL

FRANCISCO DE MIRANDA

ÁREA DE TECNOLOGÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA

LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA

REALIZADO POR:

Punto Fijo; Julio del 2002

ESQUEMA

INTRODUCCIÓN

OBJETIVOS

MATERIALES Y REACTIVOS

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

CALCULOS PREVIOS

METODO EXPERIMENTAL

DATOS EXPERIMENTALES

RESULTADOS

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

RECOMENDACIONES

BIBLIOGRAFÍA

ANEXOS

INTRODUCCION

Es posible tratar todos los equilibrios heterogéneos desde un punto de vista unificado por medio del principio conocido como Regla de las Fases, con el cual él numero de variables a que se encuentra sometido un equilibrio heterogéneo cualquiera, queda definido bajo ciertas condiciones experimentales definidas. En los casos de sistemas de tres componentes se conviene fijar la temperatura y presión variando solamente las composiciones del sistema; la manera de representar este sistema es mediante la utilización de un triangulo equilátero donde cada uno de sus vértices indica uno de los componentes puros, en cada lado se leerá la composición del sistema ternario.

Esta practica abarcara las relaciones de solubilidad del sistema de tres componentes como lo son el acetato de etilo - ácido acético-agua, se trazara el diagrama de equilibrio y se construirá la curva de solubilidad (binodal) para una temperatura dada y por ultimo se determinara las composiciones de los puntos críticos y máximos.

El procedimiento experimental a llevarse a cabo para lograr cumplir los objetivos anteriormente planteados se dividen en dos partes, la primera parte, para la construcción de la curva binodal, se preparan 10 alícuotas que contengan de 10-90 % de acetato de etilo en agua y se titularan con ácido acético glacial y a partir del punto final de la titulación se calculara cada las composiciones en peso y fracciones molares de cada alícuota, con ellas se trazara la curva de solubilidad. La segunda parte (construcción de las líneas de unión) se preparan cuatro disoluciones con cantidades conocidas de acetato de etilo, ácido acético y agua, se colocaran en un embudo de separación y se agitara por dos minutos, se separan las capas formadas, a continuación se tomara una alícuota de cada disolución y se titularan con una base fuerte, en este caso, hidróxido de sodio. Con el porcentaje en peso de ácido acético de cada fase se proyectan las líneas de unión del sistema. Con el diagrama completo se determinara el punto máximo y el punto critico isotérmico del sistema, además de los grados de libertad.

Los diagramas de líquidos ternarios son de considerable valor en problemas de separación y extracción con solventes y gracias a ellos es posible deducir si la separación buscada puede realizarse y en cuales condiciones de operación para lograr resultados óptimos.

OBJETIVOS

  • Estudiar las relaciones de solubilidad del sistema de tres componentes: Acetato de etilo- ácido acético- agua. Son tres las posibles categorías de sistemas de tres compuestos líquidos que presentan miscibilidad parcial: un par, dos pares o tres pares de líquidos parcialmente miscibles. Este caso será el de un par de líquidos parcialmente miscible.

  • Trazar el diagrama de equilibrio para el sistema estudiado. Se han propuestos diversos esquemas para representar bidimensionalmente los diagramas de equilibrio de los sistemas ternarios, aunque el mas utilizado y el que se utilizara en la practica es el método del triangulo equilátero.

  • Construir la curva de solubilidad (binodal) para una temperatura dada y determinar las líneas de reparto. En la practica se tendrá una mezcla de agua y acetato de etilo a las cuales se agregaron cantidades de ácido acético, la mezcla de una composición global que se encuentra dentro del área del domo dará dos capas liquidas de composiciones dadas por las líneas de unión apropiada por la composición de la mezcla. Esta curva se denomina binodal.

  • MATERIALES Y REACTIVOS

    “DETERMINACIÓN de la curva de equilibrio”

    Materiales

    Reactivos

    4 Buretas

    8 Erlenmeyers de 250 ml

    4 Embudos

    4 Pipetas de 10 ml

    4 Vasos de Precipitado

    Agua Destilada

    Ácido Acético Glacial, Ch3COOH

    Acetato de Etilo, C4H8O2

    Hidróxido de Sodio, NaOH 0.4 M

    Fenoltaleina

    DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

    Balanza analítica:

    La balanza ha sido un instrumento utilizado tradicionalmente por los cultivadores de la química a lo largo del tiempo. Algunos autores suelen considerar la obra de Antoine Lavoisier como el punto de partida del empleo sistemático de las balanzas en química, gracias al uso del principio de conservación de la masa. En cualquier caso, podemos afirmar que el establecimiento de las leyes químicas cuantitativas a finales del siglo XVIII y principios del siglo XIX supuso un mayor protagonismo de la balanza dentro de la química. El desarrollo de los métodos gravimétricos de análisis durante el siglo XIX obligó a la búsqueda de balanzas más cómodas y precisas para el trabajo cotidiano de los químicos.

    Esta tiene una precisión que supera a muchas balanzas mecánicas y además permite el libre acceso al platillo. Es necesario evitar las corrientes de aire para poder apreciar las pequeñas diferencias de masa, por ello una balanza analítica consta siempre de un estuche agrupado con puertas que permiten la remoción de objetos.

    CALCULOS PREVIOS

    Preparación de soluciones de 10,20,30,40,50,60,70,80 y 90% de Acetato de Etilo, C4H8O2, en Agua.

    %v/ v = , despejando

    Entonces, para obtener una solución de 10% de C4H8O2 en H2O

    1.0 ml C4H8O2 en 90 ml de H2O

    para obtener una solución de 20% de C4H8O2 en H2O

    2.0 ml C4H8O2 en 80 ml de H2O

    y así sucesivamente

    DATOS EXPERIMENTALES

    Parte Experimental: “Determinación de la Curva de Equibrio”

    Parte a: “CONSTRUCCIÓN de la curva BINODAL”

    Alícuota (%v/ v)

    Volumen gastado de Ácido Acético (ml)

    10

    0.5

    20

    0.7

    30

    1.5

    40

    2.0

    50

    3.45

    60

    2.75

    70

    2.75

    80

    2.45

    90

    1.45

    Parte B: “CONSTRUCCIÓN de laS LINEAS DE UNION”

    Disolución

    Peso del vaso

    antes

    Peso del vaso

    después

    Vol. gastado

    de NaOH (ml)

    1

    Acuosa

    23.20

    30.04

    4.8

    Orgánica

    22.35

    23.58

    5.4

    2

    Acuosa

    22.09

    29.01

    11.4

    Orgánica

    114.89

    115.70

    7.8

    3

    Acuosa

    60.3

    67.92

    15.2

    Orgánica

    49.48

    50.86

    13.2

    4

    Acuosa

    21.92

    30.20

    16.8

    Orgánica

    22.18

    24.28

    18.8

    RESULTADOS

    Para la construcción de la Curva Binodal, los valores fueron los siguientes:

    Para el Acetato de Etilo:

    ml en la solución

    Gramos

    moles

    %p/ p

    Fracción Molar

    10

    9.01

    0.102

    9.05

    0.0200

    20

    18.02

    0.205

    18.25

    0.0446

    30

    27.03

    0.307

    27.41

    0.0729

    40

    36.04

    0.409

    36.72

    0.1080

    50

    45.05

    0.512

    45.66

    0.1530

    60

    54.06

    0.614

    55.76

    0.2130

    70

    63.07

    0.717

    65.73

    0.2940

    80

    72.08

    0.819

    76.15

    0.4150

    90

    81.09

    0.921

    87.56

    0.6110

    Para el Agua:

    ml en la solución

    Gramos

    moles

    %p/ p

    Fracción Molar

    90

    90

    5

    90.42

    0.978

    80

    80

    4.44

    81.01

    0.957

    70

    70

    3.88

    70.99

    0.922

    60

    60

    3.33

    61.41

    0.882

    50

    50

    2.78

    50.68

    0.829

    40

    40

    2.22

    41.26

    0.770

    30

    30

    1.67

    31.26

    0.686

    20

    20

    1.11

    21.13

    0.563

    10

    10

    0.56

    10.79

    0.372

    Para el Ácido Acético:

    ml en la solución

    Gramos

    moles

    %p/ p

    Fracción Molar

    0.5

    0.525

    0.0087

    0.53

    0.00171

    0.7

    .735

    0.0123

    0.74

    0.00267

    1.5

    1.575

    0.0263

    1.59

    0.00625

    2.0

    2.1

    0.0350

    2.14

    0.00936

    3.45

    3.6

    0.0600

    3.65

    0.01789

    2.75

    2.89

    0.0480

    2.98

    0.01670

    2.75

    2.89

    0.0480

    3.01

    0.01970

    2.45

    2.57

    0.0430

    2.72

    0.02180

    1.5

    1.52

    0.0252

    1.64

    0.01686

    Para la Construcción de las Líneas de Unión, los valores fueron los siguientes:

    Disolución

    Gramos

    Moles

    %p/ p

    Fracción Molar

    1

    Acuosa

    6.84

    0.00192

    84.76

    0.47059

    Orgánica

    1.23

    0.00216

    15.24

    0.52941

    2

    Acuosa

    6.92

    0.00456

    89.52

    0.59375

    Orgánica

    0.81

    0.00312

    10.48

    0.40625

    3

    Acuosa

    7.62

    0.00608

    84.67

    0.53521

    Orgánica

    1.38

    0.00528

    15.33

    0.46479

    4

    Acuosa

    8.28

    0.00672

    79.77

    0.08203

    Orgánica

    2.1

    0.07520

    20.23

    0.91797

    DISCUSIÓN DE RESULTADOS

    Al analizar los resultados obtenidos, como se puede aprecia en la gráfica del diagrama ternario, Agua- Acetato de etilo- Ácido Acético, se deduce que es un sistema de tres líquidos donde un par de ellos presentan miscibilidad parcial, en nuestro caso este par es Agua- Acetato de Etilo. La curva binodal mostrada en dicho diagrama indica que toda composición que este contenida dentro de ella dará una formación de dos capas saturadas, una acuosa y otra orgánica, formando unas disoluciones ternarias conjugadas.

    Las líneas de unión inscritas dentro de la curva binodal tienes pendientes distintas, no horizontales, tal como se aprecia. Este comportamiento era de esperarse debido al aumento de las solubilidades mutuas del acetato de etilo y el agua en presencia del ácido acético.

    Las líneas de unión también reflejan que el ácido acético presenta una mayor solubilidad en el acetato de etilo que en el agua. Esto se explica por que el acetato de etilo es un Ester, es decir, un derivado de ácidos carboxílicos y siendo el ácido acético uno de esos ácidos no es de extrañar dicho comportamiento para un mismo grupo funcional (Carbo-alcoxi).

    La formación de las dos capas es producto de que la experiencia realizada se mezclaron cantidades relativas de los componentes que excedían la solubilidad mutua, observándose una una laguna de miscibilidad entre el agua y el acetato.

    Se puede observar en la tabla de resultados que el volumen de ácido acético fue aumentando, desde la muestra de 10% hasta la disolución de 50%, cambiando después de este punto debido a la presencia de disoluciones con mayor contenido de acetato de etilo en la cual se necesita una menor cantidad de ácido acético para eliminar la turbidez.

    Toda composición que este fuera de la curva binodal dará una disolución homogénea de los tres líquidos, la regla de las fases establece que para definir el sistema en este caso serian necesarios dos grados de libertad, y como la presión es constante y el diagrama es isotermo, será necesario fijar la composición de dos componentes y automáticamente la tercera composición será conocida.

    Si aplicamos la regla de las fases dentro de la curva binodal, se obtiene que será necesario solo un grado de libertad, esto es debido a que hay dos fases. Fijando la composición de uno de los tres líquidos, quedara definido el sistema, gracias a las líneas de unión.

    El punto máximo de la curva binodal, difiere del punto de pliegue, lo cual se explica por la ley de distribución ya que la naturaleza de las dos capas no permanece constante. E punto de pliegue representa la cantidad de ácido acético en la que este se distribuye de igual forma en la fase acuosa y la orgánica.

    CONCLUSIONES

    • El sistema de tres líquidos formado por acetato de etilo- agua- ácido acético, forma sistemas con un par de ellos parcialmente miscibles, en este caso en el aceto y el agua.

    • La mezcla de los tres líquidos forman disoluciones ternarias conjugadas, es decir, dos capas saturadas, una acuosa y otra orgánica.

    • El ácido acético es más soluble en acetato de etilo que en el agua, formando líneas de unión no horizontales y con pendientes distintas.

    • Por encima del punto máximo de la curva binodal, será una solución homogénea de una fase liquida.

    • Una mezcla por debajo y dentro de la curva forma dos fases liquidas insolubles saturadas de composiciones en equilibrio.

    • Las líneas que unen las composiciones en equilibrio son las denominadas líneas de unión.

    • Los grados de libertad necesarios dentro de la curva binodal es de uno, en cambio por encima de esta es de dos grados de libertad.

    RECOMENDACIONES

    • Hay que ser muy cuidadoso al momento de utilizar el ácido acético, debido a que este es muy volátil, así que para la obtención de unos resultados óptimos es necesario que antes de verter la cantidad del ácido en la bureta para la valoración, la mezcla de acetato y de agua este lista para titularse.

    • Seria favorable para aumentar nuestros conocimiento de los comportamientos de sistemas de tres líquidos con un par parcialmente miscibles, trabajar a diferentes temperaturas, y así observar la variación de la curva de solubilidad a una temperatura alta con respecto a una menor.

    • Realizar experimentos con sistemas de tres líquidos con dos pares parcialmente solubles, dos líquidos parcialmente soluble y un sólido y tres pares parcialmente solubles.

    BIBLIOGRAFIA

    CASTELLAN G.W. “ Físico-química”

    DANIELS A. “Físico-química”

    GLASSTONE, S. “Elementos de físico-química”

    CALCULOS TIPICOS

    Calculo de los moles y masa de Ácido Acético:

    CH3COOH= 1.050 gr/ ml

    PMCH3COOH= 60 gr/ mol

    Para 10% de C4H8O2 en H2O y un volumen gastado de CH3COOH= 0.5 ml

    mCH3COOH=

    nCH3COOH=

    Calculo de los moles y masa de Acetato de Etilo:

    C4H8O2= 0.901 gr/ ml

    PMC4H8O2= 60 gr/ mol

    Para 10% de C4H8O2 en H2O y un volumen de C4H8O2= 10 ml

    m C4H8O2=

    n C4H8O2=

    Calculo de los moles y masa del Agua:

    H2O= 1.00 gr/ ml

    PMH2O= 18 gr/ mol

    Para 10% de C4H8O2 en H2O y un volumen de H2O= 90 ml

    m H2O =

    n H2O =

    Cálculos de los porcentajes en peso de los compuestos para la obtención de la curva de solubilidad:

    grT= grCH3COOH + grC4H8O2 + grH2O = (0.525 + 9.01 + 90) gr = 99.535 gr

    Calculo de las líneas de Unión:

    Para la fase orgánica formada por acetato de etilo y agua

    Para la disolución:

    nNaOH= [NaOH] * V

    si VNaOH = 5.4 ml = 0.0054 L

    nNaOH=

    Para la fase acuosa formada por agua y acetato de etilo:

    nNaOH= [NaOH] * V

    si VNaOH = 4.8 ml = 0.0048 L

    nNaOH=

    las fracciones molares serán:

    Xfor=0.47059

    Xfac=0.52941

    Los porcentajes en peso serán:

    Disolución # 1: