PRÁCTICA 3

DESTILACIÓN DE UNA MEZCLA BINARIA LÍQUIDA

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

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, que es la técnica empleada en la práctica que nos ocupa.

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.

El estudio de la presión de vapor de una disolución tiene una relación directa con la destilación fraccionada, procedimiento de separación de los componentes líquidos de una mezcla que se basa en sus diferentes puntos de ebullición.

Supongamos que deseamos separar un sistema de dos componentes, por ejemplo benceno-tolueno. Tanto el benceno como el tolueno son relativamente volátiles, no obstante sus puntos de ebullición son apreciablemente diferentes : 80.1 ºC. y 110.6 ºC., respectivamente. Cuando se hierve una disolución que contiene esas dos sustancias, el vapor formado es relativamente más rico en benceno, componente más volátil que el tolueno. Si el vapor se condensa en otro recipiente y el líquido se hierve de nuevo, se obtendrá una concentración aún mayor de benceno en la fase de vapor. Repitiendo de forma continuada este proceso, que constituye el mecanismo básico de la destilación fraccionada, resulta posible separar por completo el benceno del tolueno.

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.