Mezclas

Química Industrial. Compuestos químicos. Estados de la materia. Líquidos. Destilación. Transferencia de masa. Porcentajes de acético

  • Enviado por: Julia Contreras Fortes
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 15 páginas
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INTRODUCCIÓN .

Son pocos los elementos o compuestos que se presentan en estado puro en la naturaleza. En la mayor parte de los casos, éstos se encuentran mezclados con otras sustancias. Podemos distinguir dos tipos principales de mezclas:

- Mezcla homogénea (uniforme), llamada disolución. Al hablar de disoluciones es frecuente distinguir los distintos componentes por medio de las palabras “soluto” y “disolvente”. Lo más corriente es que el disolvente sea un líquido, pudiendo el soluto ser un sólido, un líquido o un gas.

- Mezcla heterogénea (no uniforme). La mayor parte de las rocas y los minerales de la corteza terrestre entran en esta categoría.

Separar las mezclas en sus sustancias componentes constituye el objetivo de algunas técnicas esenciales de la química experimental. Si una reacción conduce a varios productos y se necesita uno de ellos en estado puro, es preciso conocer cómo se puede separar la mezcla obtenida.

Existen varios procedimientos para la separación de mezclas, y entre los más usuales nos encontramos con la destilación fraccionada.

El proceso de destilación constituye un método excelente para purificar un líquido estable en su punto de ebullición. La técnica puede adaptarse también para materiales inestables en las cercanías de sus puntos de ebullición, con la destilación al vacío. Es un método especialmente valioso a efectos de purificación porque puede aplicarse con relativa facilidad a gran cantidad de muestras líquidas ; además, el único reactivo adicional que interviene en la destilación es el calor. El calor puede retirarse de la mezcla de reacción de una manera mucho más cómoda que un disolvente, de modo que la contaminación del producto no resulta un problema. Nada de lo dicho es aplicable a un producto que sea inestable en su punto de ebullición y se descomponga.

Un líquido es un fluido que reúne átomos o moléculas de energía variable. Cuando una molécula del líquido se acerca a la fase de vapor-líquido, puede pasar de una a otra fase si tiene la energía suficiente que requiere dicho proceso; la molécula ha de superar las fuerzas que la mantienen en fase líquida.

El calentamiento del líquido, ya que supone un aporte de energía, aumenta el proceso de vaporización, mientras que el enfriamiento de la fase de vapor invierte este proceso, dando lugar a la condensación.

El sistema se encuentra en equilibrio cuando el número de moléculas que pasan a la fase vapor, es igual al número de moléculas que retornan a la fase líquida. La extensión de este equilibrio se mide por la presión de vapor. Si la energía del sistema aumenta pero el equilibrio se mantiene, aumenta también la presión de vapor.

Cuando en la fase líquida están presentes dos componentes distintos, el vapor que cubre el líquido contiene algunas moléculas de cada uno de ellos. Si convenimos en llamar A y B a los componentes del líquido, el número de moléculas de A en fase líquida viene determinado por la volatilidad y por la fracción molar de A en la mezcla. En otras palabras, las cantidades relativas de A y B en la fase de vapor está relacionada con la presión de vapor de cada líquido puro, y la presión de vapor total de la mezcla que cubre el líquido es la suma de las dos presiones parciales. Esta relación queda expresada matemáticamente por la Ley de Raoult : PTOTAL = PA + PB, siendo PA = PºA·NA y PB = PºB·NB

  • PA y PB : representan las presiones parciales de A y B respectivamente.

  • PºA y PºB : son las presiones de vapor puro de A y B respectivamente.

  • NA y NB : son las fracciones molares de A y B.

A la presión atmosférica (1 atm = 760 mmHg), la suma de la presiones parciales debe ser igual a dicha presión atmosférica. Si se conocen la composición del líquido y la presión parcial de un componente, puede determinarse la otra presión parcial. Análogamente, si se conocen la presión de vapor y la fracción molar de uno de los componentes, puede determinarse la composición del líquido.

Por otra parte, en virtud del hecho de que la presencia de un soluto no volátil disminuye la presión de vapor de una disolución, debe afectar al punto de ebullición de la misma. El punto de ebullición de una disolución es la temperatura a la cual su presión de vapor iguala la presión atmosférica externa.

La elevación del punto de ebullición Tb, viene dada por la expresión Tb = Tb - Tºb, donde Tb es el pto. de ebullición de la disolución y Tºb es el pto. de ebullición del disolvente puro. Como Tb es proporcional a la disminución de la presión de vapor, también es proporcional a la concentración de la disolución.

Podemos concluir diciendo que la destilación es una operación unitaria de transferencia de materia que consiste en separar dos o más componentes de una mezcla líquida aprovechando las diferencias en sus presiones de vapor. En esta operación el contacto se realiza entre una mezcla en fase líquida y una mezcla en fase vapor generada por ebullición del líquido, pero que no se encuentra inicialmente en equilibrio. Tras el contacto entre ambas, el vapor se enriquece en los componentes más volátiles y el líquido lo hace en los menos volátiles.

DESTILACIÓN ABIERTA O DIFERENCIAL.

Este método de destilación es el que se efectúa normalmente en los laboratorios cuando se trabaja sin reflujo, llevando continuamente los vapores producidos hasta un condensador.

La operación se realiza calentando la mezcla líquida inicial hasta su temperatura de ebullición y retirando continuamente los vapores producidos; a medida que transcurre la operación el líquido se empobrece en componentes más volátiles, elevándose el continuamente la temperatura de ebullición de la mezcla; del mismo modo los vapores producidos son cada vez más pobres en componentes más volátiles, y su temperatura de condensación aumenta continuamente.

Para el caso de una mezcla binaria la relación entre la cantidad de líquido inicial L0 y la final L, viene dada por la ecuación de Lord Rayleigh:

Mezclas

en que los límites de integración x0 y x son las composiciones iniciales y finales del líquido contenido en la caldera.

EQUIPOS.

Los distintos tipos de destilación se suelen llevar a cabo en las denominadas columnas de destilación. Son recipientes cilíndricos verticales con una entrada de la corriente de alimentación a destilar por un punto dado de la columna, y con una salida por la parte superior o cabeza para extraer los vapores a condensar. Estos pueden volver en parte a la columna como reflujo a través de otra entrada por cabeza. Se dispone asimismo una salida inferior en la base de la columna o cola, para retirar los residuos de la destilación.

Pueden existir asimismo entradas o salidas laterales en diversos niveles de la columna. La calefacción de la columna se realiza por la base, bien por calefacción directa o mediante un serpentín o un cambiador de calor alimentado con vapor a alta temperatura. A su vez el alimento puede ser precalentado previamente en intercambiadores de calor o en horno.

PROCESO EXPERIMENTAL .

En esta práctica vamos a hacer una destilación para una mezcla de agua y acético, primero una destilación diferencial simple y luego con columna de rectificación. En primer lugar realizaremos una disolución con 100ml de acético y 75ml de agua que se introducirá en el calderín, éste último se calienta por medio de una manta eléctrica, se conectará el refrigerante y la manta calefactora, una vez que está preparada la instalación observamos que conforme la disolución se calienta llega un momento que alcanza la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la del sistema produciéndose la evaporación de la disolución. Realizaremos dos experimentos para la misma disolución.

  • Destilación diferencial simple: conforme se va produciendo la evaporación del componente más volátil de la mezcla (acético) va a pasar dicho vapor a un tubo de refrigeración condensándose dicho vapor y obteniendo el destilado. En las primeras muestras casi todo el destilado será acético pero conforme vaya quedando menos en el calderín el destilado será más rico en agua. Se irán tomando muestras de destilado hasta obtener 8 frascos de 15 ml cada una y posteriormente una muestra del calderín, se valorará cada muestra con NaOH 1 N y se obtendrá la cantidad de acético presente en cada instante de la destilación.

  • Peso de vaso vacío

    Peso de vaso vacío + destilado

    Peso de destilado

    Volumen gastado de NaOH (ml)**

    Tª de ebullición

    1

    55,022

    70,157

    15,135

    21

    101-101,5

    2

    54,907

    69,977

    15,070

    22,1

    101,5-102

    3

    55,033

    69,618

    14,585

    22,8

    102-102

    4

    55,163

    69,628

    14,465

    23,6

    102-102

    5

    55,372

    69,882

    14,510

    25,2

    102-102

    6

    55,565

    70,970

    15,405

    26

    102-102

    7

    55,478

    70,063

    14,585

    28

    102-102,5

    8

    55,325

    70,675

    15,350

    29,9

    102,5-103

    calderín

    55,143

    71,503

    16,360

    36,5

    -

    ** 3 ml de destilado.

  • Destilación diferencial con columna de rectificación; mediante la columna lo que conseguimos es ir reteniendo en varios puntos de la columna el vapor que se produce, teniendo lugar en cada punto una condensación y parte del destilado vuelve al calderín y la parte no destilada va a al tubo de refrigeración, por lo tanto se considera que la columna de rectificación constituye una forma de refluyo a través de las distintas destilaciones que se producen, de tal modo la destilación final de la mezcla del calderín será más lenta pero mejor. Al igual que antes tomamos 8 muestras y una del calderín y se valoran con NaOH.

  • Peso de vaso vacío

    Peso de vaso vacío + destilado

    Peso de destilado

    Volumen gastado de NaOH (ml)**

    Tª de ebullición

    1

    54,883

    69,830

    14,947

    10

    100-100

    2

    54,788

    69,698

    14,910

    11

    100-100

    3

    54,765

    70,995

    16,230

    11,8

    100-100

    4

    54,826

    70,606

    15,780

    11,4

    100-102

    5

    54,942

    77,689

    22,747

    13

    102-102

    6

    54,684

    70,599

    15,915

    17,5

    102-102

    7

    55,025

    71,795

    16,770

    20,9

    102-103

    8

    54,814

    70,436

    15,622

    23,3

    103-103

    calderín

    54,704

    69,134

    14,430

    26,5

    -

    ** 2 ml de destilado.

    CUESTIONES .

    1) Determinamos para cada experiencia el porcentaje en acético destilado en cada etapa y el acumulado al final.

  • Destilación diferencial simple:

  • Moles iniciales de acético:

    Moles iniciales = volumen * densidad / peso molecular

    Moles iniciales = 0,1* 1,052 *1000 / 60

    Moles iniciales de acético: 1,75

    Porcentaje de acético en la 1ª muestra:

    C * V = c * v

    1 * 21 = c * 3

    c = 7 M

    moles de acético = c * volumen de destilado

    moles de acético = 7 * 0,015

    moles de acético = 0,105

    peso de acético = peso molecular * moles de acético = 60 * 0,105 = 6,3 gr

    Porcentaje de acético = 6,3 *100/105,2 = 6 %

    peso de agua = peso de la muestra - peso de acético = 15,13 - 6,3 = 8,8 gr.

    Porcentaje de agua = 8,8 * 100 / 75 = 11,7 %

    Porcentaje de acético en la 2ª muestra:

    C * V =c * v

    1 * 22,1 = c * 3

    c = 7,37 M

    moles de acético = c * volumen de destilado

    moles de acético = 7,37 * 0,015

    moles de acético = 0,11

    peso de acético = peso molecular * moles de acético = 60 * 0,11 = 6,63 gr

    Porcentaje de acético = 6,63*100/105,2 = 6,3 %

    peso de agua = peso de la muestra - peso de acético = 15,1 - 6,63 = 8,44 gr.

    Porcentaje de agua = 8,44 * 100 / 75 =11,25 %

    Porcentaje de acético en la 3ª muestra:

    C * V = c * v

    1 * 22,8 = c * 3

    c = 7,6 M

    moles de acético = c * volumen de destilado

    moles de acético = 7,6 * 0,015

    moles de acético = 0,114

    peso de acético = peso molecular * moles de acético = 60 * 0,114 = 6,84 gr

    Porcentaje de acético = 6,84*100/105,2 = 6,5 %

    peso de agua = peso de la muestra - peso de acético = 14,58 - 6,84 = 7,74 gr.

    Porcentaje de agua = 7,74 * 100 / 75 = 10,33 %

    Porcentaje de acético en la 4ª muestra:

    C * V = c * v

    1 * 23,6 = c * 3

    c = 7,86 M

    moles de acético = c * volumen de destilado

    moles de acético = 7,86 * 0,015

    moles de acético = 0,118

    peso de acético = peso molecular * moles de acético = 60 * 0,118 = 7,074 gr

    Porcentaje de acético = 7,074 * 100/ 105,2 = 6,72 %

    peso de agua = peso de la muestra - peso de acético = 14,465 - 7,074 = 7,391 gr.

    Porcentaje de agua = 7,391 * 100 / 75 = 9,85 %

    Porcentaje de acético en la 5ª muestra:

    C * V = c * v

    1 * 25,2 = c * 3

    c =8,4 M

    moles de acético = c * volumen de destilado

    moles de acético = 8,4 * 0,015

    moles de acético = 0,126

    peso de acético = peso molecular * moles de acético = 60 * 0,126 = 7,56 gr

    Porcentaje de acético = 7,56 * 100/ 105,2 = 7,18 %

    peso de agua = peso de la muestra - peso de acético = 14,510 - 7,56 = 6,95 gr.

    Porcentaje de agua = 6,95 * 100 / 75 = 9,26 %

    Porcentaje de acético en la 6ª muestra:

    C * V = c * v

    1 * 26 = c * 3

    c =8,7 M

    moles de acético = c * volumen de destilado

    moles de acético = 8,7 * 0,015

    moles de acético = 0,131

    peso de acético = peso molecular * moles de acético = 60 * 0,131 = 7,83 gr

    Porcentaje de acético = 7,83 * 100 /105,2 = 7,44 %

    peso de agua = peso de la muestra - peso de acético = 15,405 - 7,83 = 7,575 gr.

    Porcentaje de agua = 7,575 * 100 / 75 = 10,1 %

    Porcentaje de acético en la 7ª muestra:

    C * V = c * v

    1 * 28 = c * 3

    c =9,3 M

    moles de acético = c * volumen de destilado

    moles de acético = 9,3 * 0,015

    moles de acético = 0,139

    peso de acético = peso molecular * moles de acético = 60 * 0,139 = 8,37 gr

    Porcentaje de acético = 8,37 * 100/ 105,2 = 7,95 %

    peso de agua = peso de la muestra - peso de acético = 14,585 - 8,37 = 6,215 gr.

    Porcentaje de agua = 6,215* 100 / 75 = 8,28 %

    Porcentaje de acético en la 8ª muestra:

    C * V = c * v

    1 * 29,9 = c * 3

    c =9,97 M

    moles de acético = c * volumen de destilado

    moles de acético = 9,97 * 0,015

    moles de acético = 0,149

    peso de acético = peso molecular * moles de acético = 60 * 0,149 = 8,973 gr

    Porcentaje de acético = 8,973*100/ 105,2 = 8,53 %

    peso de agua = peso de la muestra - peso de acético = 15,35 - 8,973 = 6,377 gr.

    Porcentaje de agua = 6,377 * 100 / 75 = 8,5 %

    Porcentaje de acético en el calderín:

    C * V = c * v

    1 * 36,5 = c * 3

    c =12,16 M

    moles de acético = c * volumen de destilado

    moles de acético = 12,16 * 0,015

    moles de acético = 0,182

    peso de acético = peso molecular * moles de acético = 60 * 0,1824 = 10,944 gr

    Porcentaje de acético = 10,944 *100/ 105,2=10,40 %

    peso de agua = peso de la muestra - peso de acético = 16,36 - 10,944 = 5,416 gr.

    Porcentaje de agua = 5,416 * 100 / 75 = 7,22 %

    N° de muestra

    Porcentaje de agua

    Porcentaje de acético

    1

    11,7 %

    6 %

    2

    11,25 %

    6,3 %

    3

    10,33 %

    6,5 %

    4

    9,85 %

    6,72 %

    5

    9,26 %

    7,18 %

    6

    10,1 %

    7,44 %

    7

    8,28 %

    7,95 %

    8

    8,5 %

    8,53 %

    calderín

    7,22 %

    10,40 %

    acumulado

    86,46 %

    67,02 %

  • Destilación diferencial con columna de rectificación:

  • Moles iniciales de acético:

    Moles iniciales = volumen * densidad / peso molecular

    Moles iniciales = 0,1* 1,052 *1000 / 60

    Moles iniciales de acético: 1,75

    Porcentaje de acético en la 1ª muestra:

    C * V = c * v

    1 * 10 = c * 2

    c = 5 M

    moles de acético = c * volumen de destilado

    moles de acético = 5 * 0,015

    moles de acético = 0,075

    peso de acético = peso molecular * moles de acético = 60 * 0,075 = 4,5 gr

    Porcentaje de acético = 4,5 *100/ 105,2=4,27 %

    peso de agua = peso de la muestra - peso de acético = 14,947 - 4,5 = 10,447 gr.

    Porcentaje de agua = 10,447 * 100 / 75 = 13,93 %

    Porcentaje de acético en la 2ª muestra:

    C * V =c * v

    1 * 11 = c * 2

    c = 5,5 M

    moles de acético = c * volumen de destilado

    moles de acético = 5,5 * 0,015

    moles de acético = 0,0825

    peso de acético = peso molecular * moles de acético = 60 * 0,0825 = 4,95 gr

    Porcentaje de acético = 4,95 *100/ 105,2= 4,71 %

    peso de agua = peso de la muestra - peso de acético = 114,91 - 4,95 = 9,96 gr.

    Porcentaje de agua = 9,96 * 100 / 75 = 13,28 %

    Porcentaje de acético en la 3ª muestra:

    C * V = c * v

    1 * 11,8 = c * 2

    c = 5,9 M

    moles de acético = c * volumen de destilado

    moles de acético = 5,9 * 0,015

    moles de acético = 0,0885

    peso de acético = peso molecular * moles de acético = 60 * 0,0885 = 5,31 gr

    Porcentaje de acético = 5,31 *100/ 105,2=5,04 %

    peso de agua = peso de la muestra - peso de acético = 16,23 - 5,31 = 10,92 gr.

    Porcentaje de agua = 10,92 * 100 / 75 = 14,56 %

    Porcentaje de acético en la 4ª muestra:

    C * V = c * v

    1 * 11,4 = c * 2

    c = 5,7 M

    moles de acético = c * volumen de destilado

    moles de acético = 5,7 * 0,015

    moles de acético = 0,0855

    peso de acético = peso molecular * moles de acético = 60 * 0,0855 = 5,13 gr

    Porcentaje de acético = 5,13 *100/ 105,2 = 4,87 %

    peso de agua = peso de la muestra - peso de acético = 15,78 - 5,13 = 10,65 gr.

    Porcentaje de agua = 10,65 * 100 / 75 = 14,2 %

    Porcentaje de acético en la 5ª muestra:

    C * V = c * v

    1 * 13 = c * 2

    c =6,5 M

    moles de acético = c * volumen de destilado

    moles de acético = 6,5 * 0,015

    moles de acético = 0,0975

    peso de acético = peso molecular * moles de acético = 60 * 0,0975 = 5,85 gr

    Porcentaje de acético = 5,85 *100/ 105,2=5,56 %

    peso de agua = peso de la muestra - peso de acético = 22,74 - 5,85 = 16,89 gr.

    Porcentaje de agua = 16,89 * 100 / 75 = 22,53 %

    Porcentaje de acético en la 6ª muestra:

    C * V = c * v

    1 * 17,5 = c * 2

    c =8,75 M

    moles de acético = c * volumen de destilado

    moles de acético = 8,75 * 0,015

    moles de acético = 0,131

    peso de acético = peso molecular * moles de acético = 60 * 0,131 = 7,875 gr

    Porcentaje de acético = 7,875 *100/ 105,2=7,48 %

    peso de agua = peso de la muestra - peso de acético = 15,915 - 7,875 = 8,04 gr.

    Porcentaje de agua = 8,04 * 100 / 75 = 10,72 %

    Porcentaje de acético en la 7ª muestra:

    C * V = c * v

    1 * 20,9 = c * 2

    c =10,45 M

    moles de acético = c * volumen de destilado

    moles de acético = 10,45 * 0,015

    moles de acético = 0,156

    peso de acético = peso molecular * moles de acético = 60 * 0,156 = 9,405 gr

    Porcentaje de acético = 9,405 *100/ 105,2=8,94 %

    peso de agua = peso de la muestra - peso de acético = 16,77- 9,405 = 7,365 gr.

    Porcentaje de agua = 7,365 * 100 / 75 = 9,82 %

    Porcentaje de acético en la 8ª muestra:

    C * V = c * v

    1 * 23,3 = c * 2

    c =11,65 M

    moles de acético = c * volumen de destilado

    moles de acético = 11,65 * 0,015

    moles de acético = 0,174

    peso de acético = peso molecular * moles de acético = 60 * 0,174 = 10,485 gr

    Porcentaje de acético = 10,485 *100/ 105,2=9,96 %

    peso de agua = peso de la muestra - peso de acético = 15,622 - 10,485 = 5,137 gr.

    Porcentaje de agua = 5,137 * 100 / 75 = 6,85 %

    Porcentaje de acético en el calderín:

    C * V = c * v

    1 * 26,5 = c * 2

    c =13,25 M

    moles de acético = c * volumen de destilado

    moles de acético = 13,25 * 0,015

    moles de acético = 0,198

    peso de acético = peso molecular * moles de acético = 60 * 0,198 = 11,925 gr

    Porcentaje de acético = 11,925 *100/ 105,2=11,33 %

    peso de agua = peso de la muestra - peso de acético = 14,43 - 11,925 = 2,505 gr.

    Porcentaje de agua = 2,505 * 100 / 75 = 3,34 %

    N° de experiencias

    Porcentaje de acético

    Porcentaje de agua

    1

    4,27 %

    13,93 %

    2

    4,71 %

    13,28 %

    3

    5,04 %

    14,56 %

    4

    4,87 %

    14,2 %

    5

    5,56 %

    16,89 %

    6

    7,48 %

    10,72 %

    7

    8,94 %

    9,82 %

    8

    9,96 %

    6,85 %

    Calderin

    11,33 %

    3,34 %

    Acumulado

    62,16%

    99,1 %

    En función de los datos obtenidos vemos que la destilación abierta con columna de rectificación tiene un mayor rendimiento ya que la cantidad de agua separada, es decir el componente mas volátil destilado, es mayor por lo que dicho sistema es mas adecuado para mezclas de componentes mas difícilmente separables, aquellos con puntos de ebullición parecidos.

    2) ¿Se puede separar los componentes puros de una mezcla azeotropica por destilación?

    Si, mediante una destilación azeotropica, consistente básicamente en añadir a la mezcla azeotropica un tercer componente tal que el sistema formado por los tres y sus mezclas azeotropicas sean mas fácil de separar que el original, como es el típico ejemplo de la mezcla azeotropica compuesta por etanol y agua, a la cual se le añade benceno.

    3) ¿Qué pasaría si a una mezcla de componentes de puntos de ebullición semejantes se añadiera una sustancia que poseyera cierta afinidad química por alguno de ellos?

    Pasaría que la mezcla resultante de mezclar la mezcla inicial con la sustancia afín seria mas difícilmente separable por destilación, ya que los enlaces entre moléculas serian mas fuertes y el punto de ebullición subiría, ya que la presión intermolecular aumentara, con lo cual el rendimiento del destilador bajara.

    4) ¿Qué ocurriría en una destilación diferencial si los puntos de ebullición de los componentes fuesen muy próximos?¿Como se podrían separa?

    Pues ocurriría que la separación seria muy difícil o imposible de realizar, ya que la destilación diferencial solo se puede aplicar básicamente a mezclas de productos con puntos de ebullición bastante diferenciados.

    Para separar dicha mezcla, lo que podríamos realizar es añadir una columna de rectificación, ya que así aumenta el rendimiento de la destilación diferencial, o probar con otro método de separación, como podría ser una extracción liquido-liquido o cualquier otro método.

    BIBLIOGRAFIA .

    Treybal, “Operaciones de transferencia de masa”.

    Vian, A; Ocon, J; “Elementos de Ingeniería Química”