Práctica No. 5 EQUILIBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO SISTEMAS TERNARIOS

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

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ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

 

 

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL

 

 

 

 

 

 

 

 

LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA III

 

 

PRÁCTICA 5

 

 

 

 

 

 

EQUILIBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO

SISTEMAS TERNARIOS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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DRA. CARMEN M. REZA S.

SISTEMAS TERNARIOS

 

OBJETIVOS

• Estudiar las relaciones de solubilidad del sistema de tres componentes.
• Trazar el diagrama de equilibrio para un sistema estudiado.
• Construir la curva de solubilidad (binodal) para una temperatura dada y determinar las líneas de reparto.
• Construir los diagramas de temperatura y composición del líquido.
• Ajustar los datos experimentales utilizando dos modelos de solución y compararlos con los datos experimentales.

 

 

PROPÓSITO

 

Mediante la preparación de mezclas agua – cloroformo – ácido acético, obtener datos experimentales a fin de trazar la curva binodal o de equilibrio para el sistema en estudio.

Se determinará la curva de solubilidad y las líneas de unión de un sistema integrado por agua, metanol y un líquido orgánico que puede ser: tolueno, benceno, tricloroetileno, cloroformo o 1-butanol. En este caso cloroformo. Mediante otra serie de experimentos trazar dos líneas de unión

 

 

HIPÓTESIS

 

Se podrá determinar la curva de solubilidad y las líneas de unión de un sistema ternario integrado por agua, metanol y cloroformo, para un equilibrio líquido-líquido. Todas las mezclas cuya composición está por debajo de la curva de solubilidad se separaran en dos capas. Las que están por encima de ella, formarán una sola fase.

 

 

 

EQUILIBRIO LÍQUIDO LÍQUIDO

 

 

I. INTRODUCCION

 

Es posible tratar todos los equilibrios heterogéneos desde un punto de vista unificado por medio del principio conocido como Regla de las Fases, con el cual él numero de variables a que se encuentra sometido un equilibrio heterogéneo cualquiera, queda definido bajo ciertas condiciones experimentales definidas. La cantidad de variables que pueden fijarse arbitrariamente en un sistema termodinámico puede calcularse mediante: L = C − F + 2 (1). Donde L número de grados de libertad, C número de componentes químicos, F número de fases.

Para simplificar la representación gráfica de las condiciones de equilibrio se suponen temperatura y presión constantes y, además, generalmente se considera que el sistema en estudio es condensado, es decir que se desprecia la fase vapor. En estas condiciones, las variables independientes son las concentraciones de dos componentes, siendo la concentración del tercero una función de ellas.

De acuerdo a la regla de las fases de Gibbs, cuando observa una sola fase en un sistema de tres componentes como el que estudiaremos, los grados del libertad son 4. Por lo tanto, para describirlo completamente habrá que fijar 4 de las 5 variables del sistema (T, P y concentraciones de cada uno de los tres componentes). Como los gráficos de tantas variables son muy difíciles de interpretar, se elige mantener algunas de ellas constantes y graficar las restantes una contra otras. En nuestro caso se trabajará en condiciones de presión y temperatura constantes y se graficará el número de fases del sistema respecto de las concentraciones de sus tres componentes en un diagrama triangular, en unidades de porcentaje en masa.

Para un sistema dado de tres componentes líquidos, existirán composiciones para las cuales la solubilidad es completa, resultando la mezcla en una sola fase. Entonces, a P y T cte., serán 2 los grados de libertad, debiendo establecerse dos de las tres concentraciones para describir completamente la situación del sistema. Pero pueden darse composiciones en las cuales se supera la solubilidad y aparecen dos fases inmiscibles, cada una con los tres componentes en cierta proporción. Los diagramas de líquidos ternarios son de considerable valor en problemas de separación y extracción con solventes y gracias a ellos es posible deducir si la separación buscada puede realizarse y en cuales condiciones de operación para lograr resultados óptimos. Los diagramas de líquidos ternarios son de considerable valor en problemas de separación y extracción con solventes y gracias a ellos es posible deducir si la separación buscada puede realizarse y en cuales condiciones de operación para lograr resultados óptimos.

La mezcla de tres componentes líquidos, en nuestro caso cloroformo, ácido acético y agua,  en  distintas proporciones puede dar lugar a la formación de dos fases. En el caso que nos ocupa, el agua y el cloroformo son inmiscibles (es decir, la extensión de su mezcla es prácticamente nula) y sin embargo, el ácido acético es totalmente soluble en cualquiera de los dos productos. Al añadir ácido acético a una mezcla agua-cloroformo se observa que éste se distribuye entre las dos fases al mismo tiempo que aumenta la solubilidad mutua entre las mismas. Este hecho se traduce en que adiciones sucesivas de ácido acético hacen variar la composición de las fases acuosa y orgánica haciéndolas cada vez más semejantes y apreciándose, como característica particular de este proceso, un aumento de volumen de una de las fases y la consiguiente disminución del volumen de la otra hasta que llega a desaparecer una de ellas.

Nuestro objetivo es construir y aprender a manejar un diagrama ternario, determinando la curva de solubilidad del sistema ternario por titulación hasta la aparición ó desaparición de dos fases. Esta curva límite separa la zona de composiciones que dan un sistema monofásico de las que dan un sistema bifásico. Esta práctica abarcará las relaciones de solubilidad del sistema de tres componentes como lo son el cloroformo-ácido acético-agua, se trazará el diagrama de equilibrio y se construirá la curva de solubilidad (binodal) para una temperatura dada y por último se determinarán las composiciones de los puntos críticos y máximos.

 

DESARROLLO EXPERIMENTAL

 

Material y reactivos

 

• Probetas 100 ml
• Pipetas de 10 ml
• Buretas de 50 ml
• Balanza
• Matraces Erlenmeyer
• Vasos de precipitado
• Soporte Universal
• Pinzas para buretas
• Agua destilada
• Cloroformo
• Ácido acético
• Solución de NaOH 0.5N
• Fenolftaleína

 

El procedimiento experimental se divide en dos partes:

1.      Construcción de la curva de solubilidad (binodal)

2.      Construcción de las líneas de unión

Determinación de la curva de solubilidad

 

1.- Colocar 10 ml de cloroformo en un matraz erlenmeyer.

2.- Titular lentamente con agua, agitar intensamente después de agregar cada gota hasta la aparición de turbidez (agitar intensamente después de la adición de cada gota, ya que para este punto solo se necesitan unas cuantas gotas (4 gotas)) tras por lo menos un minuto de intensa agitación.

3.- Transformar los volúmenes empleados en masas mediante las densidades, y número de moles mediante pesos moleculares, de las sustancias a la temperatura de trabajo (T ambiente), mediante la siguiente ecuación:

 

            

 

4.- Calcular la composición porcentual en masa del punto y graficarla en un diagrama triangular.

 

gr_T= gr_CH3COOH + gr_CHCl3 + gr_H2O

5.- Agregar al sistema 2 ml de ácido acético, con lo cual desaparecerá la turbidez, y volver a titular con agua, hasta nueva aparición de turbidez.

6.- Transformar nuevamente los volúmenes en masas (ahora teniendo en cuenta también el ácido acético) y volver a calcular y graficar la composición porcentual en masa.

7.- Continuar procediendo de esta forma hasta llegar al máximo de la curva de solubilidad, tratando de obtener puntos equiespaciados, para lo cual puede ser necesario adicionar sólo de 2 a 3 ml de ácido acético a medida que se avanza, (asegurarse que en cada caso la mezcla pierda la turbidez, hasta alcanzar un volumen máximo de ácido adicionado de 15 ml aproximadamente).

8.- Una vez alcanzado el máximo de la curva, repetir todo el procedimiento pero partiendo de 10 ml de agua y titulando con cloroformo.

9.- Titular lentamente con agua (agitando intensamente después del agregado de cada gota) hasta la aparición de turbidez (lechoso) tras por lo menos un minuto de intensa agitación.

NOTA: Cuando la sustancia titulante es el cloroformo un indicador de que se esta próximo al equilibrio es cuando la solución se torna turbia, pero se observa que al dejar de agitar esta se vuelve transparente, por tanto cuando se llega a este punto se continua titulando gota a gota agitando intensamente después de la adición de cada gota, dejar de agitar y ver si en el fondo del matraz existe una pequeña gota de cloroformo sin disolver en ese momento se detiene la titulación anotando el volumen gastado de cloroformo.

 

 

Determinación de las líneas de unión:

 

1.- Colocar 10 ml de agua e igual volumen de cloroformo en 3 vasos de precipitado previamente pesados.

2.- Agregar 2, 5 y 10 ml de ácido acético en cada uno de los tres vasos de precipitado, etiquetar como solución 1, 2 y 3 respectivamente, pesar cada solución anotando el valor en la tabla correspondiente.

3.- Transferir la solución 1 a un embudo de separación, agitar vigorosamente y esperar a que las fases se separen.

4.- Mientras se separan las fases, calcular la composición porcentual en masa del sistema y marcar el punto correspondiente en el diagrama triangular (pasos 3 y 4 en determinación de la curva de solubilidad).

5.- Medir (ml) y pesar (gr) cada una de las fases, anotando los datos en la tabla correspondiente.

6.- Transferir aproximadamente 2 ml de cada una de las fases a matraces erlenmeyer, diluir con 20 ml de agua y titular con solución de NaOH (0,5 M), usando fenolftaleína como indicador.

7.- Calcular el porcentaje en masa de ácido acético de las muestras extraídas, marcar los puntos correspondientes en el diagrama y trazar la línea de unión.

(Estos dos puntos deben estar alineados con el punto correspondiente a la composición total del sistema).

 

a) Para LA FASE SUPERIOR ACUOSA, por ejemplo para un volumen gastado de NaOH de 0.8 ml, y con los pesos y volúmenes de cada fase, se sabe por el principio de equivalencia que:

por lo que la concentración del ácido acético presente en la alícuota de 2 ml queda como:

 

Con el valor de la molaridad (gmol/l) se calcula la cantidad en gramos de ácido acético en la fase superior acuosa como sigue:

 

 

 

Como la fase superior acuosa esta integrada por ácido acético y agua, por el peso que se tomó de la solución se tiene el valor de esta fase de:

 

Para obtener el porciento de ácido acético en esta fase:

 

 

 

b) Para  LA FASE INFERIOR ORGANICA, se cuenta como datos el volumen gastado de NaoH, el peso y el volumen de esta fase, se procede de la misma forma que en inciso anterior.

 

8.- Repetir los pasos 3, 4, 5, 6 y 7 para las soluciones 2 y 3.

 

 

 

CURVA DE SOLUBILIDAD

 

Volumen Clorofor (ml)	Volumen Agua (ml)	Volumen Ac.Acético (ml)	Peso Clorofor (gr)	Peso Agua (gr)	Peso Ac.Acét. (gr)	Peso Solución (gr)	Porcent. Clorofor (%)	Porcent. Agua (%)	Porcent. Ac.Acét. (%)
10		0
10		3
10		(2)5
10		(2)7
10		(2)9
10		(2)11
10		(2)13
10		(2)15
	10	0
	10	(2)3
	10	(2)5
	10	(2)7
	10	(2)9
	10	(2)11
	10	(2)13
	10	(2)15

 

 

 

 

 

 

LÍNEAS DE UNIÓN

DATOS DE LAS SOLUCIONES

Volumen Cloroformo (ml)	Volumen Agua (ml)	Volumen Ac.Acético (ml)	Peso Cloroformo (gr)	Peso Agua (gr)	Peso Ac.Acético (gr)	Porcentaje Cloroformo (%)	Porcentaje Agua (%)	Porcentaje Ac.Acético (%)
10	10	2
10	10	5
10	10	10

 

FASE ACUOSA

Volumen NaOH (ml)	Concent. NaOH (M)	Volumen Ac.Acético (ml)	Peso Solución (gr)	Concent. Ac.Acético (M)	Peso F-Acuosa (gr)	Volumen F-Acuosa (ml)	Peso F-Acuosa (gr)	Porcentaje Ac.Acético (%)
		2
		2
		2

 

FASE ORGÁNICA

Volumen NaOH (ml)	Concent. NaOH (M)	Volumen Ac.Acético (ml)	Peso Solución (gr)	Concent. Ac.Acético (M)	Peso F-Orgánica (gr)	Volumen F-Orgánica (ml)	Peso F-Orgánica (gr)	Porcentaje Ac.Acético (%)
	10	2
	10	2
	10	2

 

 

 

Recomendaciones

·         Hay que ser muy cuidadoso al momento de utilizar el ácido acético, debido a que este es muy volátil, así que para la obtención de unos resultados óptimos es necesario que antes de verter la cantidad del ácido en la bureta para la valoración, la mezcla de acetato y de agua esta lista para titularse.

·         Seria favorable para aumentar nuestros conocimiento de los comportamientos de sistemas de tres líquidos con un par parcialmente miscibles, trabajar a diferentes temperaturas, y así observar la variación de la curva de solubilidad a una temperatura alta con respecto a una menor.

·         Realizar experimentos con sistemas de tres líquidos con dos pares parcialmente solubles, dos líquidos parcialmente soluble y un sólido y tres pares parcialmente solubles.

ANEXO 1

 

Tratamiento de datos:

Consiste en obtener la curva de solubilidad y las líneas de unión y debe hacerse en forma paralela a la parte operativa. Ubique en el vértice superior el 100% de ácido acético, en el vértice izquierdo el 100% de agua y en el derecho el 100% de cloroformo. Asegúrese de comprender su significado y funcionamiento. Ubique en los lados correspondientes al punto que indica la concentracion en % m/m  de la solucion de partida que acaba de preparar.

Punto de saturación en el sistema ternario:

Pesar nuevamente el erlenmeyer con la solución de ácido acético en agua (o de ácido acético en cloroformo). Titular la solución de acético en agua con cloroformo (o bien la solución de ácido acético en cloroformo, con agua) vertiendo gota a gota desde una bureta de 10ml, con buena agitación hasta un punto de  turbidez permanente. Es el punto de saturación del sistema ternario, a partir del cual se separan dos fases. Pesar nuevamente el erlenmeyer y calcular por diferencia la masa de cloroformo (o de agua) agregada hasta llegar a ese punto de saturación. Calcular la nueva composición porcentual del sistema.  Registrar todos los datos en su tabla.  Ubicar ese punto en el diagrama ternario.

Recopilación de  datos:

En cada repetición del procedimiento descrito, cada alumno o grupo de alumnos habrá determinado uno de los puntos que pertenecen a la curva de solubilidad del sistema  agua-ácido acético-cloroformo a presión y temperatura constantes. Ubicando todos los datos experimentales en un gráfico común a todos los grupos,  podrá  dibujarse  la curva más probable que separa en el diagrama las zonas de composiciones que resultan en una sola fase de aquellas que resultan en sistemas bifásicos. Cada grupo agregará a su propio diagrama ternario la curva límite común, indicando el número de fases en cada zona, las unidades de composición en los ejes, y la temperatura y presión a la que fue realizada la experiencia (esto es, en la que el diagrama es aplicable).

 

 

ANEXO 2: Cálculos típicos de la composición de las mezclas de tres componentes.

Ácido Acético:

ρ_CH3COOH= 1.050 gr/ ml

PM_CH3COOH= 60 gr/ mol

Cloroformo:

ρ_CHCl3= 1.48 gr/ ml

PM_CHCl3= 119.4 gr/ mol

Agua:

ρ_H2O= 1.00 gr/ ml

PM_H2O= 18 gr/ mol

Calculo de las líneas de Unión:

Para la fase orgánica formada por cloroformo y agua

Para la disolución:

nNaOH= [NaOH] * V

si V_NaOH = 5.4 ml = 0.0054 L

n_NaOH=

Para la fase acuosa formada por agua y cloroformo:

nNaOH= [NaOH] * V

si V_NaOH = 4.8 ml = 0.0048 L

n_NaOH=

 

 

las fracciones molares serán:

X_for= 0.47059

X_fac= 0.52941

Los porcentajes en peso serán:

Disolución # 1:

REPORTES DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO

 

                En equipo: 50%

• Carátula bien definida, destacando el título completo de la práctica y nombres de alumnos que conforman el equipo.
• Objetivos que se persiguen en la práctica y una breve relación de los pasos a seguir para lograrlos (no tiene que ver con el desarrollo experimental) ejemplo: relación que se estudia, ecuación que se aplica, etapas de que consta el trabajo.
• Introducción (no copiar de la práctica ni de internet).
• Procedimiento experimental (diagramas con dibujos si son necesarios)
• Gráficas (si se piden o si son necesarias).
• Cálculos y resultados (los necesarios y bien desarrollados)
• Diagramas (si son necesarios)
• Observaciones (deben redactarse solo en los casos en los que se haya producido un cambio significativo o dificultad en el desarrollo experimental, lo cual deberá tenerse en cuenta al elaborar las conclusiones).

 

Individual: 50%

1.       Conclusiones

 

IMPORTANTE

• las conclusiones deberán ser redactadas de manera individual por cada estudiante, lo que permitirá al mismo realizar un análisis profundo de sus resultados. En las conclusiones deberá tocarse los siguientes puntos (teniendo en cuenta las características propias de la práctica realizada).
1. Correspondencia de los resultados obtenidos con los esperados o con valores teóricos, si corresponden entre si, si son lógicos o no según e procedimiento realizado.
2. Información práctica o teórica que brindan estos resultados.
3. Si quedó demostrado lo que se pretendía.
4. Si los resultados no son apropiados, o no son los esperados, deben evaluarse las posibles causas que provocan estos resultados.
5. Las conclusiones deben estar escritas a mano, en tinta y letra clara, evitando tachaduras y borrones o cualquier otra manifestación de descuido en su presentación.
6. Las conclusiones deberán ir al final del reporte en equipo y tener nombre y firma del alumno correspondiente.

 

NO SE ACEPTAN CONCLUSIONES QUE:

                                                               i.      describan lo que se hizo en la práctica: ejemplo: primero se arrancó la bomba de vacío luego se comenzó a calentar el líquido en el hervidor luego…                     eso NO es conclusión.

                                                              ii.      exponga lo que se aprendió en la práctica: ejemplo: en la práctica aprendí a calcular el calor de vaporización…. Eso NO es conclusión.

                                                            iii.      que sean párrafos de libros…. Deben ser conclusiones de cada alumno no del libro.

                                                            iv.      que sean muy largas o muy cortas. (tres conclusiones como mínimo utilizando aproximadamente 1 cuartilla por las tres)

                                                             v.      que sean muy parecidas a las de los demás compañeros (redacción)

 

1. Los alumnos que presenten conclusiones que sean de ese estilo tendrán calificaciones reprobatorias y no se les podrá tomar en cuenta otra conclusión de la misma práctica.

2. Aquellos alumnos que presenten muy buenas conclusiones en la primer práctica y tengan calificaciones mayores del 95% se abstendrán de presentar conclusiones en las prácticas siguientes, no así tendrán que seguir ayudando a sus compañeros de equipo, tanto en la práctica y en los reportes de prácticas.

3. Se califica también la redacción y ortografía.

 

ORIENTACIONES PARA EL TRABAJO DEL LABORATORIO.

 

Son de estricto cumplimiento las siguientes medidas y orientaciones:

1.      Encontrarse en el área de actividad de laboratorio a la hora indicada para su comienzo.

2.      Haber estudiado previamente los aspectos teóricos correspondientes y los pasos a seguir en la práctica, conociendo el motivo por el cual se realizará cada uno de ellos (se hará un examen antes del comienzo de la práctica teniendo validez en la evaluación final) aquella persona que no conteste correctamente no tendrá derecho a realizar la práctica.

3.      Traer las Hojas de Seguridad de los reactivos utilizados en la práctica (obligatorio haberlo leído con anticipación)

4.      Entregar el informe correspondiente de la práctica anterior.

5.      No portar anillos y otras prendas que puedan afectarse por contacto con ácidos u otros reactivos.

6.      Pedir permiso para abandonar el área de laboratorio siempre y cuando haya un motivo justificado e impostergable para ello.

7.      Permanecer en su puesto de trabajo durante la sesión de la práctica.

8.      Mantener únicamente en la mesa de trabajo los materiales de laboratorio necesarios para realizar la práctica.

9.      Minimizar condiciones de riesgo.

10.  Dejar limpio y ordenado el puesto de trabajo una vez finalizada la práctica; y pedir inspección del profesor en turno.

11.  Se prohíbe fumar e ingerir alimentos durante la sesión de práctica.

12.  Cumplir con todas las medidas de protección y seguridad en el laboratorio entre las que se encuentran:

a.      Utilizar bata de laboratorio.

b.      Utilizar lentes de seguridad.

c.       Utilizar mascarilla de seguridad cuando así se requiera.

d.      Evitar utilizar pupilentes mientras se realiza la práctica.

e.       Evitar que se derramen los reactivos sobre la mesa de trabajo.

f.        Evitar utilizar mas reactivo del necesario.

g.      Evitar pipetear reactivo de su envase original (evitar contaminaciones, en tal caso no vaciar mas reactivo del necesario en un vaso de precipitado)

h.      No pipetear con la boca.

i.        Informar al profesor en turno cuando haya ocurrido un accidente o incidente durante la práctica.

j.        No conectar equipos eléctricos sin la previa autorización del profesor corroborando siempre que el voltaje del equipo corresponda con el voltaje de la línea a la cual se conecta.

13.  Realizar un buen TRABAJO EN EQUIPO.

 

PARA LA REALIZACIÓN DEL TRABAJO EN EL LABORATORIO ES NECESARIO:

 

Papel toalla (1 rollo por equipo).

Jabón (1 bolsa o envase por grupo)

Guantes para lavar material (un par por  equipo)

Escobillón (3 diferentes tamaños por  grupo (vaso de pp, pipeta, bureta, embudo, etc.))

Franela (1 por grupo)

Guantes de Látex (15 – 20 pares por grupo)