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:

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
e intersección al origen (KD). Para un grado de ionización, conocido.

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

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