Informe 1 de Fiqui

PRÁCTICA N° 9: EQUILIBRIO LIQUIDO VAPOR

RESUMEN

El objetivo de esta práctica fue la construcción del diagrama temperatura-composición para el componente más volátil y el diagrama x-y, para el sistema binario n-propanol y agua a condiciones isobáricas, requiriendo para esto la construcción de una curva patrón (índice de refracción versus %composición molar de la mezcla)

Inicialmente se arma un equipo especial para medir puntos de ebullición(fig.3 pág.8 ), luego se coloca para el primer sistema agua (B) en n-propanol (A) y se calienta la mezcla hasta una temperatura de ebullición constante, de este proceso se recoge un destilado de 1ml y un residuo que queda en el balón de destilación y se añade incrementos de volumen de agua según la tabla N° 3 pagina 9 ,de igual manera para el sistema A en B. Las temperaturas de ebullición medidas son: para el agua en alcohol: 96.2, 92.2, 91.0, 88.5, 88.2, 87.4, 87. Para el alcohol en agua: 99.3, 98.4, 98.0, 97.6, 97.2, 96.9, 96.1, 95.8, 88.7.

Posteriormente se preparara en tubos de ensayo 10 mezclas con composición en volumen indicados en la tabla N° 5 pagina 10. Con ayuda del refractómetro de Abbe se midió el índice de refracción de cada una de estas mezclas. Los índices de refracción hallados son: 1.3843, 1.3836, 1.3828, 1.3791, 1.3734, 1.3691, 1.3687, 1.3554, 1.3462, 1.3332.

En cada uno de estas mezclas se calculó el % molar del componente más volátil: 100, 87.48, 77.16, 54.67, 36.01, 24.20, 17.42, 10.76, 4.60, 0.

Con el índice de refracción y los porcentajes molares se construyó la curva patrón, donde por medio de ella se determinó las % molares para cada destilado y residuo en los sistemas A-B.

Se construyó un diagrama To vs composición del n- propanol donde se encontró el punto azeotrópico 0.513 para el azeótropo A (n-propanol) y la temperatura de ebullición de 87.09 °C. Sabiendo que los datos teóricos para el punto de ebullición son de 87.65 y % molar es de 0.432 .Los porcentajes de error obtenidos son 0.64% por defecto para la temperatura azeotropica y -18.75% por exceso para %molar.

Se concluye que cuando hay un equilibrio liquido vapor, esta mezcla no se puede separar ni por destilación ni por fraccionamiento a esto se le llama mezcla azeotrópica.

1


INTRODUCCIÓN

Cuando se mezclan dos sustancias y se mide su presión de vapor y temperatura de ebullición se puede encontrar que esta nueva mezcla formada ebulle a una temperatura mayor o menor que de las sustancias que la componen y al intentar destilar la mezcla para separarla en sus componentes no se consigue la separación de estos. A este tipo de soluciones se les conoce como azeotrópicas y al punto en el que ebulle la solución se le conoce como punto azeotrópico. Una de las aplicaciones es en la industria petrolera, para la destilación fraccionada, así como para los procesos de extracción de líquidos.

En el presente informe se expone el estudio de una solución azeotrópica compuesta por n-propanol y agua, la cual experimentalmente se va hallar su punto azeotrópico y la temperatura a la cual ebulle con la ayuda de la curva patrón (gráfica N°1)

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PRINCIPIOS TEÓRICOS

a) SOLUCION IDEAL:

Una solución es una mezcla homogénea de especies químicas dispersas a escala molecular, una solución es una fase simple: El constituyente presente en mayor cantidad se le conoce comúnmente como disolvente o solvente, mientras que aquellos constituyentes (uno o más) presentes en cantidades menores se les denomina solutos.

Dado que el soluto no es volátil, es vapor de disolvente puro. A medida que se añade más materia no volátil, disminuye la presión en la fase de vapor. Este comportamiento esta descrito por la ley de Raoult, que establece que la presión de vapor del disolvente sobre una solución es igual a la presión de vapor multiplicada por la fracción mol del disolvente en la solución:

P = xP°

Esta ley de Raoult es un ejemplo de la ley límite. Las soluciones reales se ajustan más a la ley de Raoult mientras más diluidas se encuentren. Una solución ideal se define como aquella que obedece la ley de Raoult en todo el intervalo de las concentraciones.

A partir de la ecuación anterior, podemos deducir la disminución de la presión de vapor de la manera siguiente:

La disminución de la presión de vapor es proporcional a la fracción mol del soluto. Si se encuentran presentes varios solutos, la ecuación se transforma de la siguiente manera:

b) LEY DE RAOULT:

El químico francés François Marie Raoult establece que la relación entre la presión de vapor de cada componente en una solución ideal es dependiente de la presión de vapor de cada componente individual y de la fracción molar de cada componente en la solución.

Si un soluto tiene una presión de vapor medible, la presión de vapor de su disolución siempre es menor que la del disolvente puro. De esta forma la relación entre la presión de vapor de la disolución y la presión de vapor del disolvente depende de la concentración del soluto en la disolución. Esta relación entre ambos se formula mediante la Ley de Raoult

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mediante la cual: la presión parcial de un disolvente sobre una disolución P1 está dada por la presión de vapor del disolvente puro P°1, multiplicada por la fracción molar del disolvente en la disolución X1.

Es decir que la presión de vapor del soluto crece linealmente con su fracción molar. En una solución que sólo contenga soluto, se tiene que:

X1=1-X2

Donde X2 es la fracción molar del soluto, pudiendo escribir la formulación de la ley como:

Se puede ver de esta forma que una disminución en la presión de vapor, ΔP es directamente proporcional a la concentración del soluto presente

Una vez que los componentes de la solución han alcanzado el equilibrio químico, la presión total del vapor es:

y la presión individual de los componentes gaseosos es

Donde:

(Pi)puro es la presión de vapor del componente puro, de donde también es válida para la Presión total.

Xi es la fracción molar del componente en solución.

c) SOLUCIONES REALES:

Se conocen muchos ejemplos de disoluciones binarias en las que la tendencia de escape de las moléculas de un componente está alterada por la proximidad de las moléculas del otro. Estas disoluciones denominadas reales o no ideales no obedecen a la ley de Raoult para todo el intervalo de su composición. Se admiten dos tipos de desviaciones de la ley de Raoult: desviación positiva y desviación negativa.

Cuando la atracción entre moléculas de diferente especie, por ejemplo, moléculas A y B, es mayor que si se tratase de moléculas iguales como A y A, y B y B, la presión de vapor de la disolución es menor que la que cabía esperar para una disolución ideal, produciéndose una desviación negativa. Si la desviación es suficientemente grande, la curva de la presión total de vapor presenta un mínimo, como se observa en la figura 1, donde A es el cloroformo y B la acetona.

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Figura 1

La dilución del componente A, por excesivas adiciones de B, produce, como cabía esperar, una disminución en su presión parcial, siendo Este el efecto de dilución incluido en la ley de Raoult. Sin embargo, en el caso de mezclas binarias que presentan desviación negativa de la ley de Raoult, la adición de B a A tiende a reducir la presión de vapor de A en una extensión mayor que la que podía esperarse del simple efecto de dilución. Pues, en este caso, el cloroformo y la acetona presentan una atracción entre sí, debido a la formación de enlaces de hidrógeno, que da lugar a una fuerte reducción de la tendencia de escape. Estas dos sustancias forman el compuesto lábil:

(Cl)3CO¾-H . . . O-C (CH3) 2

Que puede aislarse e identificarse. Las reacciones entre moléculas dipolares o entre un dipolo y una molécula no polar pueden también conducir a desviaciones negativas. En estos casos, sin embargo, la interacción es tan débil, en general, que no puede aislarse ningún compuesto definido.

Cuando la interacción entre las moléculas de A y B es menor que la existente entre las moléculas de los contribuyentes puros, la presencia de las moléculas de B reduce la interacción entre las de A y, a su vez, la presencia de las de A disminuye la interacción B-B. Por consiguiente, la desigual polaridad o las diferentes presiones internas de los constituyentes se traducen en una mayor tendencia de escape de las moléculas de A y B. En este caso, la presión parcial de vapor de los constituyentes es mayor que la esperada, de acuerdo con la ley de Raoult, y se dice que el sistema presenta una desviación positiva. La presión total de vapor muestra, con frecuencia, un máximo a una composición particular si la desviación es lo suficientemente grande. En la figura 2 se indica un ejemplo de desviación positiva. Exhiben desviación positiva los pares líquidos siguientes: benceno-alcohol etílico ; sulfuro de carbono-acetona, y cloroformo-alcohol etílico.

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Figura 2

d) Mezclas Azeotrópicas.- Son aquellas soluciones reales, cuya características es que hierven a una temperatura más alta o más baja respecto a la temperatura de ebullición de cada uno de sus componentes, las primeras presentan un mínimo en la gráfica de presión de vapor versus composición y se producen por una desviación negativa de la Ley de Raoult, en tanto que las segundas presentan un máximo, siendo consecuencia de una desviación positiva de la Ley de Raoult.

DETALLES EXPERIMENTALES

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MATERIALES Y REACTIVOS:

Materiales :

Equipo especial para puntos de ebullición. Termómetro de décimas. Mechero de alcohol. Refractómetro de Abbe. Tubos con tapones de corcho. Pipetas.

Reactivos:

1-propanol Q.P(A). Agua destilada (B). Acetona comercial.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

Determinación de los puntos de ebullición del sistema . En la experiencia se arma el equipo especial para puntos de ebullición que consta de un balón de 125ml, un refrigerante de reflujo, un separador para retirar destilado. El equipo debe estar completamente seco y limpio.

Se coloca 20ml de A en el balón y se pone el termómetro de tal manera que el bublo quede sumergido hasta la mitad en el líquido. Enseguida se calienta la muestra usando el mechero de alcohol hasta su temperatura de ebullición donde es constante en ese momento, se anota la temperatura de ebullición y se enfría inmediatamente el balón con agua de caño, para ese momento también se ha tomado aproximadamente 1ml del destilado en un tubo seco.

Con ayuda de una pipeta se extrae 1ml del residuo y se coloca en otro tubo seco. Se añade posteriormente un incremento de acuerdo a la tabla No1 y se vuelve a recoger 1ml del destilado en otro tubo seco y con otra pipeta se extrae 1ml del residuo, de esta manera según el sistema elegido en la tabla.

Para la sustancia B se lava nuevamente todo el equipo y se seca completamente. Se agrega 20ml de B y se procede de la misma manera que para el caso anterior, con la diferencia que para repetición se lava todo el equipo y se seca agregando siempre 20ml de B en cada proceso.

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Figura 3: aparato para equilibrio liquido-vapor

Determinación de la composición de las mezclas.

En tubos con tapón de corcho se prepara 3ml de las mezclas indicadas en la tabla siguiente y se mide las temperaturas de A y de B.

Una vez preparadas todas estas mezclas se utiliza el refractómetro de Abbe para medir sus índices de refracción así como también de los tubos de destilado y residuo de los procesos realizados anteriormente.

TABULACIÓN DE DATOS Y RESULTADOS EXPERIMENTALES

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Tabla N°1:Condiciones de laboratorio:

Presión756mmH

gTemperatura 21.5℃

Humedad 91.8%

Tabla N°2:Densidades del n-propanol y del agua destilada:

Tabla N°3:Sistema n- propanol y agua

Número de incrementos

Volumen del incremento de B

para añadir a 20ml de A

Volumen del incremento de A para añadir a 20ml de B

Temperatura de ebullición de A (°C)

Temperatura de ebullición de B (°C)

0 0.0 0.0 96.2 99.3

1 0,4 1 92.2 98.4

2 0,4 3 91.0 98.0

3 0,4 4 88.5 97.6

4 0,5 7 88.2 97.2

5 0,5 8 87.4 96.9

6 0,5 8,5 87.0 96.1

7 -- 9 - 95.8

8 -- 9,5 - 88.7

Tabla N°4: índice de refracción de las muestras A y B de destilado y residuo

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ρpropanol20 ºC (g /cm3) ρagua

21 ºC (g/c m3)

0,8048 0,99821


Tabla N° 5: porcentaje molar del liquidomas volátil y el índice de refracción de la mezcla A y B

Patrón Va(mL) Vb(mL) ma(g) mb(g) na(mol) nb(mol) nt xa %xa η1 3.0 0.0 2.4081 0 0.0401 0 0.0401 1 100 1.38432 2.9 0.1 2.3281 0.09978 0.0387 0.00554 0.04428 0.874

887.48 1.3836

3 2.8 0.2 2.2481 0.19955 0.0374 0.01108 0.04849 0.7716

77.16 1.3828

4 2.5 0.5 2.0070 0.49888 0.03340 0.02769 0.06109 0.5467

54.67 1.3791

5 2.1 0.9 1.6855 0.89802 0.02805 0.04985 0.07790 0.3601

36.01 1.3734

6 1.7 1.3 1.3643 1.29706 0.02270 0.07199 0.09380 0.2420

24.20 1.3691

7 1.4 1.6 1.1235 1.59638 0.01869 0.08860 0.10730 0.1742

17.42 1.3687

8 1.0 2.0 0.8025 1.99552 0.01335 0.11076 0.12411 0.1076

10.76 1.3554

9 0.5 2.5 0.4013 2.49448 0.00668 0.13846 0.14524 0.0460

4.60 1.3462

10 0.0 3.0 0 2.99319 0 0.16614 0.16614 0 0 1.3332

Tabla N°6: porcentajes molares de destilado y residuo según la gráfica N°1

Índices de refracción para el volumen del incremento de A para añadir a B.

Muestras

Vb(mL)

Índices de refracción

del destilado

Índices de refracción del

residuo

%XR %YD T ebu.(°C)

1 0.0 1,3331 1,3332 0 0 99.32 1.0 1,3433 1,3342 0.24 3.686 98.43 3.0 1,3456 1,3391 1.992 4.708 98.04 5.0 1,3569 1,3434 3.792 11.217 97.65 7.0 1,3598 1,3490 6.368 13.527 97.26 8.0 1,3646 1,3511 7.501 18.442 96.97 8.5 1.348 1.3521 8.075 18.688 96.1

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N° de muestra

Índice de refracción de A Índice de refracción de bDestilado Residuo Destilado Residuo

1 1.3829 1.3848 1.3331 1.33322 1.3822 1.3843 1.3433 1.33423 1.3816 1.3839 1.3456 1.33914 1.3807 1.3837 1.3569 1.34345 1.3798 1.3827 1.3598 1.34906 1.3792 1.3825 1.3646 1.35117 1.3789 1.3816 1.3648 1.35218 - - 1.3663 1.35259 - - 1.3754 1.3528


8 9.0 1.3663 1.3525 8.311 20.699 95.89 9.5 1.3754 1.3528 8.491 41.228 88.7

Índices de refracción para el volumen de incremento de B para añadir A

MuestrasVa

(mL)Índices de

refracción del destilado

Índices de refracción del

residuo

%Xr %Yd T ebu(°C)

1 0.0 1,3829 1,3848 67.604 54.128 96.22 0.4 1,3822 1,3843 74.193 55.398 92.23 0.4 1,3816 1,3839 76.002 58.061 91.04 0.4 1,3707 1,3837 89.115 62.454 88.55 0.5 1,3798 1,3827 92.744 67.604 88.26 0.5 1,3792 1,3825 99.899 71.76 87.47 0.5 1,3769 1,3816 100 78.007 87.0

Basándose en los diagramas anteriores determine la composición y temperatura de ebullición de las mesclas azeotrópica. Compare esos valores con los teóricos

Temperatura de ebullición

experimental (ºC)

Temperatura de ebullición teórica

(ºC)% de error

87.09 87.65 0.64%

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Composición experimental (ºC)

Composición teórica (ºC)

% de error

0.513 0.432 -18.75%


EJEMPLO DE CÁLCULOS

Determinación de la composición del destilado y el residuo.

a) Cálculo del % molar del componente más volátil en cada mezcla.

Dato:βagua=0.206 x10−3( 1° C

) y βn−propanol=9.56 x 10−4( 1° C

)

Para la muestra 1:

Volumen de A= 3.0mL , volumen de B=0.0mL

PARA A:

T=22.7°C-------------------------- ρ=?

T=20.0°C--------------------------ρ=0.8048g /mL

Calculando la densidad del alcohol a 22.7°C:

Formula:

ρT= ρ¿

1−β (¿−T )

Remplazando

ρ22.7 °C= ρ20 °C

1−9.56 x10−4(20−22.7)

ρ22.7 °C=0.8027 g/mL

Luego :

nA=

0.8027 gmL

x3.0mL

60.094 g/mol=0.0401mol

PARAB(agua):

T=22.3°C----------------------------------ρ=?

T=20°C-------------------------------------ρ=0.99821g /mL

ρ22.3 °C= ρ20° C

1−0.206 x10−3(20−22.3)=0.99773 g7mL

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nB=

0.99773gmL

x0.0mL

18.016 g/mol=0.0mol

Moles totales= 0.0401moles

X A=0.04010.0401

=1

% X A=100%

Del mismo modo para las demás muestras:

Para la muestra 2:87.48%

Para la mezcla 3: 77.16%







Para la muestra 10: 0%

b) Construya la curva de Índice de Refracción-% molar del componente más volátil, para las mezclas de la Tabla Nº5 (Curva patrón).

Se adjunta al final del informe.

c) Del gráfico, determine el % molar del componente más volátil (n-propanol) de cada una de las muestras de destilado y residuo.

Haciendo uso de la gráfica se obtuvo los siguientes resultados:

Destilado:

- Destilado 7: 78.007


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Residuo:

- Residuo 1: 67.604

- Residuo 2: 74.193

- Residuo 3: 76.002

- Residuo 4: 89.115

- Residuo 5: 92.744

- Residuo 6: 99.899

- Residuo 7: 100

Determinación de la Propiedades del Azeótropo

a) Construya el diagrama X-Y para el sistema (composición en el vapor VS composición del líquido) en función del componente más volátil.


b) Construya el diagrama Tº-composición del sistema A-B


c) Basándose en los diagramas anteriores determine la composición y temperatura de ebullición de las mesclas azeotrópica. Compare esos valores con los teóricos

- Datos experimentales:

T ebullición=87.09° C

Composición azeótropa=51.3%

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- Datos Teóricos:

T ebullición=87,65ºC

Composición azeótropa=43.2%

- Porcentaje de error:

%T e=87.65 °C−87.09 ° C

87.65° Cx100%=0.64%

%Composición=43.2%−51.3%43.2%

=−18.75%

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DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Algunas destilaciones de un momento a otro, llegaba a un sobrecalentamiento y la temperatura empezaba a subir rápidamente y luego bajar, esto hacia que no se pudiera calcular la temperatura de ebullición de manera adecuada sobre todo en el incremento de n- propanol en agua, esos errores se observan en las graficas.

En la grafica temperatura versus composición del componente n- propanol mas volátil, se observa que hay una etapa de evaporización y otra de condensación que a una cierta temperatura estos dos fases coincidirán llamado este punto azeotropico.

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CONCLUSIONES

Se determinó experimentalmente la temperatura de ebullicion, en el punto Azeotrópico de la mezcla agua y 1-propanol obteniéndose como resultado 87.09°C, con un error porcentual de 0.64%.

Se determinó la composición en el punto Azeotrópico de la mezcla agua y 1-propanol obteniéndose como resultado 51.3% ,con un error porcentual en exceso de 18.75 %.

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BIBLIOGRAFIA

Samuel H. Maron y Carl F. Prutton (1980). Fundamentos de Fisicoquímica.

Décimaprimera reimpresión. Editorial Limusa. México .Pág. 292

Gilbert W. Castellan, “Fisicoquímica”, 2da ed, Ed. Addison Wesley, MEXICO, 1987

Ira n. Levine, “Fisicoquímica”,5ta ed, Ed. Mc Graw Hill, ESPAÑA, 2004

http://www.unedcervera.com/c3900038/ciencia_materiales/diagramas_fases.html

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APÉNDICE

1. Explique la diferencia entre soluciones ideales y reales

Soluciones Ideales Soluciones Reales

No considera las interacciones entre las moléculas de los distintos componentes.

Esta tipo de soluciones se ajusta a la Ley de Raolut.

El calor de mezclado de los componentes puros al formar la solución es cero, presenta aditividad de volúmenes y las fuerzas intermoleculares son similares.

Si considera las interacciones las interacciones entre las moléculas.

Son las soluciones a las cuales no se ajusta la Ley de Raoult.

Estas soluciones presentan una desviación positiva o negativa de acuerdo al coeficiente de actividad del componente.

2. ¿Cuáles son las características de las mezclas azeotrópicas?

Mezcla líquida de dos o más sustancias que se comporta como una sustancia única, en el hecho que el vapor producido por la evaporación parcial del líquido tiene la misma composición que el líquido.

La mezcla en ebullición constante muestra un punto máximo o mínimo de ebullición, comparado con el de otras mezclas de las mismas sustancias.

Son mezclas que resultan de las interacciones de las fuerzas intermoleculares de la solución.

3. Explique la regla de la palanca, utilizando un diagrama apropiado

Estas cantidades normalmente se expresan como porcentaje del peso (% peso), es una regla matemática válida para cualquier diagrama binario.

Es un concepto comúnmente utilizado en la determinación de la composición química “real” de una aleación en equilibrio a cualquier temperatura en una región bifásica. La regla de la palanca permite conocer la composición química de las fases y las cantidades relativas de cada una de ellas.

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Como la fase α contiene un s%B y el líquido un l%B:100 . x = l. %mL + s. %mα(%mL + %mα ) . x = l. %mL + s. %mα(x – l) %mL = (s – x ). %mα

ANEXO

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GRAFICO Nª1: CURVA PATRON

0 20 40 60 80 100 1201.3

1.31

1.32

1.33

1.34

1.35

1.36

1.37

1.38

1.39

ɳ versus %molar

ɳLogarithmic (ɳ)Polynomial (ɳ)

%molar

FRAC

CIO

N M

OLA

R

r2=0.999291%

GRÁFICO N°2: DIAGRAMA X-Y

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GRÁFICA N°3: DIAGRAMA TEMPERATURA -COMPOSICIÓN

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

%xR -%yD

%yD Vs %xRy=x

%xR

%yD

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0 20 40 60 80 100 12080

85

90

95

100

105

teb(°C) versus %molar de n- propanol

destiladoresiduo

% molar de n-propanol

Teb (ºC)

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