Fisicoquímica

Química. Física. Analítica. Distribución. Dimerización. Ácido benzoico. Benceno. Reacciones

  • Enviado por: Tomasmrt
  • Idioma: castellano
  • País: México México
  • 10 páginas
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUÍMICA

E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA INDUSTRIAL

LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA IV

PRACTICA 3: EQUILIBRIO QUIMICO SIMULTANEO.ESTUDIO DE LA DISTRIBUCION Y DIMERIZACION DEL ACIDO BENZOICO EN BENCENO Y AGUA

FECHA DE EXPERIMENTACIÓN: 21 DE MAYO DE 2004.

FECHA DE ENTREGA: 28DE MAYO DE 2004.

OBJETIVOS:

Al finalizar esta práctica el alumno comprenderá los fenómenos fisicoquímicos de la distribución y dimerización del ácido benzoico que se lleva a cabo en dos fases una orgánica y una acuosa (benceno y agua), así como las condiciones de operación para beneficiar el desplazamiento del equilibrio hacia el producto que se desea obtener en mayor cantidad.

CONSIDERACIONES TEORICAS

QUÍMICA DE LAS SOLUCIONES

El comportamiento no ideal de las soluciones es explicado en términos de fuerzas físicas intermoleculares. El modelo de soluciones regulares, la teoría de “estructura” y aquellas basadas en la teoría de estados correspondientes, relacionan el coeficiente de actividad a parámetros físicos que reflejan la medida de las moléculas y las fuerzas de interacción operando entre ellas. Una aproximación alternativa para el estudio de las propiedades en las soluciones, está basado en una premisa diferente esto es “las moléculas en una solución líquida interactúan con otras en tal dirección que forman nuevas especies químicas, por lo que la no idealidad de la solución es una consecuencia de las reacciones químicas”.

Podemos distinguir dos tipos de reacciones.

  • Asociación

  • Solvatación

La asociación se refiere a la formación de agregados químicos como polímeros consistentes de monómeros idénticos.

Una asociación puede ser representada por reacciones del tipo:

nB Bn

Donde B es el monómero y n es el grado de asociación (o polimerización).

Un caso común de asociación es la dimerización (n=2) y un ejemplo conocido es la dimerización del ácido acético.

O O---------- HO

2CH3 - C CH3 - C C - CH3

OH OH-------- O

En este caso, la dimerización es debida a puentes de hidrógeno que es responsable de la forma más común de asociación en soluciones líquidas.

La solvatación se refiere a la formación de agregados de dos o más moléculas de las cuales mínimo dos, son idénticos. Puede ser representado por la siguiente ecuación general:

nA + mB AnBm

Un ejemplo bien conocido es la solvatación del cloroformo y del dietil éter.

C2H5 C2H5

Cl3 - C - H + O Cl3 - C - H ---- O

C2H5 C2H5

La formación de la nueva especie es debida nuevamente al puente de hidrógeno. Otro ejemplo de solvatación es dado por un complejo entre el Nitrobenceno y Mesitileno provocado por una transferencia de carga.

En este caso un puente químico débil es formado debido a que el Mesitileno es un buen donador de electrones (base de Lewis) y el Nitrobenceno es un buen aceptor de electrones (ácido de Lewis).

La teoría química de las soluciones postula la existencia de especies químicas distintas, las cuales asume se encuentran en equilibrio químico. En su forma original, la teoría supone que estas sustancia químicamente diferentes forman una solución ideal. De acuerdo a estas suposiciones, la no idealidad observada es aparente, ya que no se ha tomado en cuenta la composición real de las especies químicas existentes.

DISTRIBUCIÓN DE UN SOLUTO ENTRE DOS SOLVENTES INMISCIBLES

Considere dos fases líquidas  ( solución acuosa ) y  ( solución orgánica ), y un soluto ( 1 ) distribuido entre estas dos fases.

Suponiendo que X del soluto en cualquier fase es muy pequeña, y podemos considerar a las soluciones como ideales. Entonces:

'Fisicoquímica'

Donde H1, y H1, son las constantes de Henry para el soluto en la fase  y  respectivamente.

Podemos obtener el siguiente coeficiente de partición.

A presión y temperatura constante el coeficiente de partición es una constante real independiente de la composición, llamada LEY DE DISTRIBUCIÓN DE NERNST.

Como sabemos que son muy pequeñas, entonces consideramos que las concentraciones del soluto en ambas fases es proporcional, entonces utilizamos el coeficiente de partición expresado en términos de la concentración.

Donde  y  son las densidades molares de las fases  y  respectivamente para X1 pequeñas, las  son de solventes puros.

AHORA CONSIDEREMOS EL SIGUIENTE CASO:

La distribución del ácido benzoico entre dos solventes inmiscibles, agua () y Benceno (), a temperatura ambiente.

La explicación de la desviación a la Ley de distribución de Nernst puede ser encontrada, en éste caso, tomando en cuenta la tendencia de los ácidos orgánicos a dimerizar en un solvente polar y en ionizarse parcialmente en agua.

Entonces encontramos tres equilibrios.

BENCENO

ACIDO

ACIDO BENZOICO

BENZOICO (DIMERO)

(MONOMERO) kM

kD

_

ACIDO H+ + BZ

BENZOICO

Ka

AGUA

Equilibrio de Distribución del Ácido entre las dos fases:

Ácido (no ionizado) en agua Monómero ácido en benceno donde:

KD

II Equilibrio químico en la fase acuosa (ionización del ácido):

Ácido (no ionizado) en agua H+ + Bz - donde

Ka

III Equilibrio Químico en la fase orgánica (Dimerización del ácido).

Monómero ácido Dímero ácido

KM

Esta reacción es:

2 HBz (HBz)2

Quedando la constante como:

En estas ecuaciones KD es la constante de distribución, Ka la constante de ionización del ácido y Km. la constante de dimerización (HBz)B es la concentración molar del ácido benzoico en el benceno, (HBz)A es la concentración molar del ácido en el agua y de sus iones (H+) y (Bz-), y ((HBz)2) la concentración del dímero en el benceno.

Desarrollando un balance en cada fase a partir de las concentraciones totales de ácido, CA para la fase acuosa y CB para la fase orgánica, obtenidas por titulación del ácido en cada fase, se obtienen las siguientes expresiones.

Sustituyendo (HBz)A = CA (1- ) obtenemos:

Esta ecuación predice que una gráfica de vsserá lineal con pendiente 'Fisicoquímica'
e intersección al origen (KD). Para un grado de ionización, conocido.

'Fisicoquímica'

con Ka = 6.6 * 105 mol/L a 25 °C

A partir de una serie de datos experimentales de CA y CB podemos obtener información con respecto al valor de KD y KM. Confirmando así la teoría química de soluciones y la desviación a la Ley de distribución de Nernst.

A continuación se ilustra la aplicación de ésta teoría al estudio experimental de la distribución del ácido benzoico en benceno-agua.

DESARROLLO EXPERIMENTAL

  • Preparar una solución de 4-5 g/L de ácido benzoico en benceno.

  • Colocar muestras de 25,20,16,12,8 y 4 ml de esta solución en embudos de separación.

  • Agregar 25 ml de agua a cada embudo y adicionar benceno hasta tener un volumen de 50 ml.

  • Agitar durante varios minutos.

  • Dejar reposar aproximadamente 30 minutos para que el sistema alcance el equilibrio.

  • Separar las fases formadas y tomar una alícuota de 10 ml de cada fase.

  • Titular con una solución de NaOH 0.015 N, utilizando fenoftaleína como indicador.

  • Para titular la fase orgánica se añade inicialmente un volumen igual de agua y se agita fuertemente después de cada adición de la base a fin de acelerar el paso del ácido a la fase acuosa.

  • TABLA DE DATOS EXPERIMENTALES

    SISTEMA

    VHBZ

    VA

    VB

    I

    4

    1.2

    1.6

    II

    8

    1.5

    3

    III

    12

    2

    5.2

    IV

    16

    2.7

    6.4

    V

    20

    3.2

    8.4

    VI

    25

    5.5

    9

    CALCULOS

    Los cálculos se ejemplificarán únicamente con el sistema número uno

    NNaOH=0.012N

    Cálculo de las concentraciones

    CA = VA* NNaOH/ VALIC = 1.2 ml * 0.012 N/10 = 0.0014

    CB = VB* NNaOH/ VALIC = 1.6 ml * 0.012 N /10 = 0.00192

    Cálculo de 

    Ka= 2 * CA / (1- ) = 6.3 * 10-5 mol / L

    Sustituyendo los valores de las constantes y despejando  obtenemos:

     = 0.1884

    Cálculo de y

    y = CB / CA (1- ) = 0.00192 / 0.0014 (1-0.1884) = 1.6429

    Cálculo de x

    x = CA (1- ) = 0.0014 (1-0.1884) = 0.00117

    Cálculo de los volúmenes de la fase acuosa y la fase orgánica modificadas

    VB = 2.00661 * VHBZ 1.0331 = 2.00661 * 41.0031 = 4.3137 ml

    VA = 1.4048 * VHBZ 0.5706 = 1.4048 * 40.5706 = 1.5492 ml

    VHBZ

    Vaaj

    4

    1.5492

    8

    2.3008

    12

    2.8998

    16

    3.4171

    20

    3.8811

    25

    4.4081


    VHBZ

    Vbaj

    4

    4.3137

    8

    8.8147

    12

    13.389

    16

    18.012

    20

    22.672

    25

    28.536

    Cálculo de las concentraciones modificadas

    CA = VA* NNaOH/ VALIC = 1.5492 ml * 0.012 N/10 = 0.00186

    CB = VB* NNaOH/ VALIC = 4.3137 ml * 0.012 N /10 = 0.00518

    Cálculo de  modificado

    Ka= 2 * CA / (1- ) = 6.3 * 10-5 mol / L

    Sustituyendo los valores de las constantes y despejando  obtenemos:

     = 0.16788

    Cálculo de y

    y = CB / CA (1- ) = 0.00518 / 0.00186 (1-0.16788) = 3.3461

    Cálculo de x

    x = CA (1- ) = 0.00186 (1-0.16788) = 0.00155

    Xaj

    Yaj

    0.0015

    3.3003

    0.00237

    4.2641

    0.00304

    5.0422

    0.00362

    5.7189

    0.00415

    6.3291

    0.00474

    7.0244



    Extrapolando encontramos que KD = 2.8

    Cálculo de KM

    CB / CA (1- ) = KD + 2KD2 KM CA (1- )

    Despejando

    KM = (CB / CA (1- ) - KD) / (CA (1- ) * 2KD2) = 3.3461 - 2.8 / 0.00155 * 2(2.8)2 = 22.514

    TABLA DE RESULTADOS

    VA

    VB

    VHBZ

    CA

    CB

    

    X

    Y

    VAaj

    VBaj

    CAaj

    CBaj

    aj

    X

    Y

    KM

    1.2

    1.6

    4

    .00144

    .00192

    .188

    .00117

    1.6429

    1.549

    4.3137

    .00186

    .00518

    .167

    .00155

    3.346

    22.514

    1.5

    3

    8

    .0018

    .0036

    .170

    .00149

    2.411

    2.30

    8.8147

    .00276

    .0105

    .140

    .00237

    4.455

    44.463

    2

    5.2

    12

    .0024

    .00624

    .149

    .00204

    3.056

    2.899

    13.389

    .00348

    .0160

    .125

    .00304

    5.281

    52.031

    2.7

    6.4

    16

    .00324

    .00768

    .130

    .00282

    2.724

    3.417

    18.012

    .0041

    .0216

    .116

    .00362

    5.966

    55.743

    3.2

    8.4

    20

    .00384

    .01008

    .120

    .00338

    2.983

    3.881

    22.672

    .00466

    .0272

    .109

    .00415

    6.561

    57.854

    5.5

    9

    25

    .0066

    .0108

    .093

    .00599

    1.804

    4.408

    28.536

    .00529

    .0342

    .097

    .00477

    7.172

    58.408

    OBSERVACIONES

    De acuerdo con lo realizado experimentalmente, observamos la reacción entre el benceno, el ácido benzoico y el agua, también vimos como se debía agitar fuertemente el embudo de separación para que la reacción se llevara acabo eficientemente antes de proceder a la titulación con hidróxido de sodio.

    CONCLUSION

    De acuerdo con lo realizado vimos la reacción del ácido benzoico en benceno y agua , y es así como se estudio el equilibrio de esta reacción en dos fases, una orgánica y acuosa, y vimos la importancia de el equilibrio químico simultaneo, ya que este tipo de reacciones heterogéneas las podemos encontrar en nuestro campo de acción , es decir , en la industria por lo que es de suma importancia que el futuro ingeniero químico viera la aplicación real de lo que se estudio teóricamente

    BIBLIOGRAFIA

    INTRODUCCION A LA TERMODINAMICA EN INGENIERIA QUIMICA

    SMITH VAN NESS.

    CURSO DE FISICO QUIMICA

    DREVIN

    WWW.GOOGLE.COM

    'Fisicoquímica'