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• Alvaro Israel Olorio Illanes

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Ejercicios Laboratorio Fisicoquímica TEMA N°1: Determinación de Pesos moleculares a partir de la densidad de una sustancia en estado de vapor (Método de Dumas y de Víctor Meyer)

1. En un experimento de Dumas para determinar los pesos moleculares de vapores, el balón de Dumas con aire peso 20,376 gramos, posteriormente el balón se llenó con un líquido que fue vaporizado a 37°C, se selló la punta se secó el balón y fue pesado dando un peso de 20,751 gramos. El balón con la punta rota se llenó con agua destilada y peso 75,546 gramos. La presión atmosférica fue de 760 mmHg y la temperatura de 25°C. Determine el peso molecular del vapor orgánico. La densidad del aire a 25°C y 1 atm es de 1,18 g/L. Asuma un comportamiento ideal del vapor. Desprecie el factor de corrección de la presión atmosférica. 2. Se desea determinar la formula molecular de la urea (formada por C, H, N y O), para lo cual se produce una combustión completa de 1.515 g de Urea, produciéndose 1,11 g de dióxido de Carbono y 0,909 g de agua. A través de otro proceso, 0,2536 g de urea liberan 51,3 cc de nitrógeno gaseoso a 17°C y 744 torr. El peso molecular de la urea es determinado experimentalmente a través del método de Víctor Meyer, en el cual se vaporiza 0,168 g de Urea cuyo vapor desplaza un volumen de 68 ml de agua que se encuentra en un manómetro a 17°C y 744 torr de presión. Determine la formula molecular de la Urea (asuma que el vapor de la Urea tiene un comportamiento ideal) Resp: CH4O2N 3. Un bulbo de Dumas de 324 ml de capacidad, contiene 1,345 gramos de un líquido orgánico. El bulbo es colocado en un baño termostatado que contiene 200 ml de un aceite a una temperatura de 125°C, con lo que la acetona se evapora completamente. Posteriormente se cierra el bulbo y el peso del vapor del líquido orgánico contenido en el bulbo es de 0,497 gramos. Si la presión barométrica corregida es de 755 torr, determine el peso molecular del compuesto orgánico. Resp: 50,46 g/mol 4. En un experimento de determinación de pesos moleculares, se utilizó un bulbo de Dumas que peso abierto al aire 21,473 gramos. El bulbo se llenó con el vapor de un líquido orgánico y se selló a la presión barométrica a una temperatura de 92,5°C. A temperatura ambiente el bulbo peso 26,185 gramos. El bulbo se abrió y se llenó con agua destilada a la temperatura ambiente después de lo cual peso 243 gramos. La lectura barométrica era de 752 mmHg. Todas las pesadas se hicieron a temperatura ambiente de 25°C. Determine el peso molecular del vapor orgánico, tomando en cuenta que la densidad del aire a 25°C y a la presión atmosférica es de 1,18 g/L. Resp: 680,48 g/mol

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5. Un estudiante en una ciudad determinó experimentalmente el peso molecular de un líquido volátil a través del método de Dumas. Los datos obtenidos fueron: Peso balón vacío= 420 g; Peso del balón con el vapor condensado 420,26 g; punto de ebullición del agua 98°C, volumen del balón 112ml, si el peso molecular del líquido teórico es de 76 g/mol a) ¿Cuál habría sido la presión atmosférica de la ciudad donde el estudiante realizo este experimento? Asumiendo un comportamiento ideal. b) Otro estudiante en la misma ciudad desea determinar la presión de un gas que se encuentra en un botellón conectado a un manómetro de agua, si el gas genera un desplazamiento positivo del líquido manométrico de 12cm, ¿Cuál es la presión de dicho gas? Resp: A) Patm=707,13 mmHg B) Pgas= 715,98 mmHg

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TEMA N°2: Determinación de la Constante Adiabática del Aire (Método de Clement y Desormes) 1. Un gas cuya capacidad calorífica a presión constante es del 6,88 cal/mol°K se introduce a presión dentro de un botellón conectado a un manómetro cuyo líquido manométrico es agua destilada, produciendo un desplazamiento cuya altura es de 15 cm. Determine la altura que debería tener el líquido manométrico, durante la etapa en la cual el gas después de haberse enfriado adquiere la condiciones isotérmicas iniciales. La presión atmosférica es de 650 mmHg y la densidad del mercurio 13,6 g/ml. Resp: h= 4,676 cm 2. En un recipiente especial se tiene 10 litros de aire a 20°C y 5 atm. Luego el recipiente es sometido a los siguientes procesos: 1) Se calienta isobáricamente hasta 50°C. 2) El recipiente calentado se expande isotérmicamente a 1 atm 3) El recipiente es enfriado isobáricamente hasta 40°C. a) Realice un gráfico que explique el proceso b) Determine el volumen final del aire en el recipiente Resp: B) 57,326 L 3. Determine el volumen en militros del manómetro de agua de 0,3 cm de radio interior, en el que ejerció una presión de un gas mayor a la atmosférica de 1250 mmHg a 60°C, la presión atmosférica fue de 0,750 atm. Resp: 261,297 ml 4. Un manómetro contiene 2 líquidos A y B inmiscibles entre sí, a nivel del mar, cuyas densidades son 1980 Kg/m3 y 2350 Kg/m3 respectivamente. Tomando como base la figura. Calcule la presión manométrica que ejerce el gas. Dato: 1atm=101325 Pa

Resp: 14077,35 Pa 5. Se sabe que a 15°C, la constante adiabática del dióxido de azufre es de 1,29 y que su capacidad calorífica a presión constante es de 9,71 cal/mol°K. ¿Cuantos Joule se necesitaran para que 200 gramos de dióxido de azufre varie su temperatura en 1°K a volumen constante? Resp: 3,75 Joules LAB FISICOQUIMICA

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TEMA N°3: Propiedades Moleculares de los Gases 1. Un volumen de 20 ml de nitrógeno gaseoso demora 90 s. en pasar a través de un equipo de efusión de gases. A la misma temperatura y presión una mezcla gaseosa cuya composición es de 58 % oxígeno y 42 % de dióxido de carbono demora en efundir 2.3 min. En el mismo equipo. Determine el volumen de dicha mezcla gaseosa. 2. Se realiza un experimento de laboratorio, para demostrar la Ley de Graham. Se deja efundir amoniaco gaseoso y del lado opuesto se deja efundir ácido clorhídrico gaseoso. Si ambos gases inicialmente están separados a una distancia de 2 metros, determine la distancia intermedia a la que se espera que se forme una nube blanca de cloruro de amonio sólido como producto de la reacción entre ambos gases

3. A través de un pequeño orificio fluyen 60 ml de oxígeno en 6 minutos. En las mismas condiciones de P y T se requiere una mezcla gaseosa de 100 ml, compuesta de pentoxido de nitrógeno y carburo de calcio, para que fluya en el mismo lapso de tiempo, a través del mismo orificio. Determine la composición porcentual de la mezcla gaseosa. 4. Una mezcla de gas (He y N2) inflan un globo, se observó una fuga de gas por un pequeño orificio en el globo, se conoce las composiciones de escape del gas 65% y 35% respectivamente, determine las composiciones con la que infla el globo. Sabiendo que su velocidad de escape es 1,45 veces a la entrada. Resp: XHe=0,080 XN2=0,092 5. El níquel forma un compuesto cuya fórmula es Ni (CO)x a) Determinar el valor de “X”, dado el hecho que el metano en las mismas condiciones de presión y temperatura, efunde 3,3 veces más rápido que el compuesto gaseoso, a través del mismo equipo de efusión. B) ¿Cuál será la densidad de este compuesto bajo condiciones de laboratorio (20°C y 752 torr) Asuma un comportamiento ideal. Resp: X= 4 6. Una garrafa contiene dióxido de nitrógeno; cuando se abre la válvula de la garrafa, el gas escapa a una velocidad de 120 cc/seg, produciéndose un descenso de la presión de la garrafa de 2500 a 2260 torr. A) Si esta garrafa contiene Helio, ¿Cuál sería el tiempo que demoraría 500 ml de helio en efundir por el mismo orificio y la misma caída de presión? B) Si esta garrafa contiene un gas X, y su velocidad de efusión es de 95,8 cc/seg, ¿Cuál es el peso molecular de dicho gas? Resp: A) tHe= 1,229 s B) 72,18 g/mol 7. Un volumen de 10 ml de una mezcla gaseosa de monóxido de carbono y dióxido de carbono efunde en un tiempo de 120 segundos a través de un capilar de 0,15 cm de diámetro interno. A través del mismo capilar un volumen de 29,7 ml de helio efunden en el mismo tiempo que la mezcla gaseosa. A) Determine la composición porcentual en peso de la mezcla gaseosa B) La composición de la mezcla en fracciones molares. Resp: A) 56,766 % CO2; 43,234 % CO B) XCO2 = 0,4522; XCO = 0,5448 LAB FISICOQUIMICA

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8. Una mezcla equimolar de H2 y D2 se efunde a través de un orificio a cierta temperatura. Calcule la composición (en fracciones molares) del gas que atraviesa el orificio. La masa molar de D2 es de 4,028 g/mol. Resp: XH2= 0,414; XO2= 0,587 9. Una manifestación estudiantil ha formado una columna de 1000 m de longitud. La policía viene por delante de ellos a dispersarlos, para lo cual llevan dos tipos de gases: hilarante, N2O, que te hace reír; y lacrimógeno C6H11OBr, que te hace llorar. Después de soltar los gases A) ¿Qué hacen primero los estudiantes, reír o llorar? Justifique su respuesta. B) si se sueltan los gases a lados opuestos de la columna ¿A qué distancia los estudiantes van a reír y llorar simultáneamente?

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Tema N°4: Calorimetría I (Calorímetro Convencional) 1. Se realiza un experimento a nivel del mar, donde un sólido de 90 g se encuentra en un vaso de precipitado con agua hirviendo, con una pinza se saca el sólido y se lo introduce dentro de un calorímetro adiabático (cuya capacidad calorífica es despreciable), que contiene 100 ml de agua destilada a 23,32 °C; una vez que se produce el equilibrio térmico el termómetro marca 26,11 °C. a) Calcule el calor específico del sólido b) ¿Cuántas calorías debe absorber 62 g de este sólido para elevar su temperatura desde 35°C hasta 48°C? 2. En una práctica de calorimetría se utiliza un termo al cual se introduce 260 ml de agua destilada, se mide la temperatura la cual es de 20°C, luego se introduce 85 ml de agua destilada a 60°C, una vez que transcurren 40 segundos se registra el equilibrio térmico a una temperatura de 30°C. Se realiza una segunda practica donde a dicho termo se introduce 100 ml de agua a 20°C y luego un metal de 6,75 gramos, que tiene una temperatura de 70°C y un calor específico de 0,444 J/g°C. Asumiendo que el termo es adiabático, calcule la temperatura que debería tener el agua una vez que se establezca el equilibrio térmico. 3. A) En un proceso de neutralización, 0,6343 g de carbonato de sodio anhidro, consumen 23,65 cc de una solución de ácido clorhídrico. Escriba la reacción de neutralización y determine la normalidad de la solución de ácido clorhídrico utilizado en la neutralización. B) Cuando se sumerge una pieza de hierro de 1,22 kg que está a 126,5 °C en 981 g de agua a 22,1°C, la temperatura se eleva a 33,4 °C. Determine el calor específico del hierro.

4. Determine la temperatura final que debería alcanzar 90 ml de agua destilada que se encuentran en un termo a una temperatura inicial de 25,32 °C, al cual se introduce 25 gramos de un metal que previamente se encontraba en un recipiente con agua hirviendo. Si se sabe que el calor específico del metal es de 0,092 cal/g °C, la capacidad calorífica del termo es despreciable y que esta determinación es realizada a nivel del mar. ¿Cuántos joules deberán suministrar una fuente calorífica para que 60 gramos de este metal, se calienten desde 35°C hasta 67°C? 5. Se introduce una muestra de 74 gramos de cobre que se encuentra a 143,2 °C en un recipiente aislado conteniendo 165 ml de glicerina (C3H8O3) liquida a 24,8°C, cuya densidad es de 1,26 g/ml. La temperatura final es de 31,1 °C. El calor especifico del cobre es de 0,385 J/g °C ¿Cuál es la capacidad calorífica de la glicerina expresada en J/mol °C?

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6. Que masa de hielo a -5°C podría transformarse en vapor de agua hasta 110°C, con el calor liberado de la combustión a 500K de 500 L propano, medidos en condiciones normales. Tome en cuenta los siguientes datos: Cp (vapor)= Cp (hielo)= 0,5 cal/g°C, Cp (agua)= 1 cal/g°C, calor latente de fusión y vaporización son de 80 cal/g y 540 cal/g respectivamente. Cp promedio de la reacción es de 0,584 cal/g°C Sustancia C3H8 O2 H2O CO2 -103,97 0 -285,77 -393,30 ᐃH°f (KJ/mol) 7. Se mezclan en calorímetro adiabático 0,25 kg de agua a 20°C, 0,4 kg de aluminio a 26°C y 0,1 kg de cobre a 100°C, determine la temperatura final del sistema una vez que se produce el equilibrio térmico asumiendo que la capacidad calorífica del calorímetro es despreciable. Calores específicos: agua 1 cal/g°C; aluminio: 0,9 J/g°C; cobre: 387 J/kg °C

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TEMA N° 5: Calorimetría II (Bomba Calorimétrica) Nota: En los ejercicios donde no especifique el volumen de agua de la Bomba Calorimétrica asumir un volumen de 2 litros. 1. Se desea determinar el calor de combustión de un material orgánico que se quema en una bomba calorimétrica que se introduce a un calorímetro que contiene 2 L de agua. La capacidad calorífica del calorímetro es de 100 cal/°C el aumento de temperatura fue de 5°C, la masa del compuesto orgánico fue de 2 g, la masa del alambre de cobre quemado fue de 0,0401 g se utilizó 5,2 ml de carbonato de sodio con una concentración de 0,1 N para determinar la cantidad de ácido nítrico que se formó, con estos datos determinar el calor de combustión del material. El calor de combustión del cobre es de -89,6 Kcal/mol y el calor de formación del ácido nítrico es de -173,2 KJ/mol. 2. Determine cuantas calorías necesita un mol de hulla para sufrir una combustión completa, si 1,0925 g de hulla se queman en una bomba calorimétrica en presencia de oxígeno a una presión de 22 atm. Para el encendido se utilizó un alambre de hierro de 0,0109 g. Como efecto de la combustión se produce una elevación de la temperatura del calorímetro de 2,95 °C. Durante el proceso se formó ácido sulfúrico, el cual fue cuantificado a través de una titulación con 9,2 ml de una solución estándar de carbonato de sodio (preparada con 1,325 g de carbonato de Sodio en 250 ml de solución) utilizando fenolftaleína como indicador. Se sabe que el equivalente en agua del calorímetro es de 2750 cal/°C el calor de combustión del hierro es de 89,6 Kcal/mol y el calor de formación del ácido sulfúrico es de 74,48 Kcal/mol Resp: Hcomb= -11,9 kcal/g

3. A) La combustión de 1,01 gramos de sacarosa C12H22O11 en una bomba calorimétrica hace que la temperatura se eleve de 24,92 a 28,33 °C. La capacidad calorífica del conjunto del calorímetro es de 4,9 KJ/°C ¿Cuál es el calor de combustión de la sacarosa en Kjoules por mol de sacarosa? B) ¿Cuál será la variación de temperatura en el calorímetro del inciso a) si se queman 1,227 gramos de sacarosa? Resp: A) Hcomb=-130,903 J/mol B) ᐃT= 4,143°C 4. Una muestra de etanol (C2H5OH), que pesa 2,84 gramos se quemó con un exceso de oxigeno dentro de una bomba calorimétrica. La temperatura del calorímetro ascendió de 20°C a 90°F. Si la capacidad calorífica del calorímetro era 2,10 Kcal/°C a) ¿Cuál es el calor de combustión del etanol? B) ¿Cuántas calorías requieren 1,55 moles de etanol para quemarse completamente? Resp: Hcomb= -17641,55 cal/g; B) Qcomb= -1257,842 kcal 5. Se desea neutralizar 20 ml de una solución de ácido clorhídrico 0,8 M, con una solución de carbonato de sodio cuya concentración se desconoce, realizando una titulación acido-base. Se utiliza fenolftaleína como indicador, una vez que se alcanza el punto final de la titulación indicada por la coloración rosada, el volumen de carbonato de sodio es de 15 ml a) Determine la concentración normal de la solución de carbonato de sodio b) ¿Cómo prepararía 50 ml de la solución de carbonato de sodio utilizado en la titulación? LAB FISICOQUIMICA

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6. Se produce la combustión en una bomba calorimétrica de un azúcar (C6HH12O6) cuya masa es de 5 gramos. La bomba se introduce dentro de un calorímetro adiabático que contiene 1,5 litros de agua destilada, la cual registra una temperatura inicial de 15°C y luego de la combustión del azúcar, el agua tiene una temperatura de 18,2 °C. Si la capacidad calorífica del calorímetro es de 2,21 KJ/°C a) Determine la cantidad de calor que se desprende por cada gramo de azúcar quemado b) Determine cuál debería ser la presión mínima de oxigeno que debe introducirse a la bomba calorimétrica a 20°C para producir la combustión completa del azúcar, sabiendo que el volumen de la bomba calorimétrica es de 500 ml. Resp: A) Hcomb= -5.43 kJ/g; B) P= 8,01 atm 7.

En un calorímetro, cuya capacidad calorífica es de 25,6 KJ/°C, se produce la combustión de 3,26 g de glucosa (C6H1206), con un exceso de oxígeno, produciendo un incremento de la temperatura de 3,46 °C a) Escriba la reacción de combustión producida b) ¿Cuántas Kcal se desprenden durante la combustión producida? C) A un alimento se agrega un 3% de dicha glucosa. Debido al aporte de la glucosa, ¿Cuántos aumentara el contenido calorífico en Kcal de este alimento, si su masa es de 35 g? Resp: B) Hcomb= -36043,44 J/g; C) Q= -37845,612 J

8. En una práctica de calorimetría, se realizó la titulación del ácido nítrico formado, utilizando una solución de carbonato de sodio (preparado con 1,5 g en 500 ml de solución). Si la cantidad de ácido nítrico formado fue de 0,01 g A) ¿Qué volumen de carbonato de sodio se habría utilizado en esta titulación, utilizando anaranjado de metilo como indicador? B) Asumiendo que la bomba donde se realizó la práctica estaba sumergida en un baño de agua destilada a 20 °C, y que el calor de formación del ácido nítrico es de -173,23 KJ/mol, ¿la formación de ácido nítrico habría tenido algún efecto sobre la temperatura del baño de agua? Calor especifico del agua 4,18 J/g°C Resp: A) V= 2,804 ml; B) ᐃT= 0,00329 °C

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TEMA N°6: Viscosidad de Líquidos: Radio Molecular 1. Se deja fluir a través de un tubo de 4,5 mm de radio, cuya longitud entre dos puntos de referencia es de 60 cm, si el gradiente de presión es de 2026 kg/ms2 y la temperatura de 20 °C, a) Determine el volumen en ml de agua por segundo que fluye a través de dicho tubo. La viscosidad del agua a 20 °C es de 0,001 kg/m.s b) ¿Cuántas veces más lento o más rápido en relación al agua, será un líquido X que se deja fluir a través del mismo tubo, sabiendo que el líquido tiene una densidad de 2,6 g/ml y una viscosidad de 0,03 kg/m.s, asumiendo que el volumen de ambos líquidos es el mismo?

2. Las densidades del acetol componente esencial del aceite de anís y el agua a 20°C son 0.84794 y 0.9982 g/ml respectivamente. La viscosidad del agua es de 1.02 ∗ 10−3 Pa-s a 20°C a) ¿Cuál es la viscosidad del acetol a 20°C? si el agua requiere 30.5 seg. Para desplazarse entre las marcas de un viscosímetro y el aceite de anís requiere 49.5 seg b) ¿Cuál será su radio molecular si tomamos la concentración del acetol en el aceite de anís como 3.2M?

3. Durante la donación de sangre para un paciente accidentado se requiere de 380 ml del tipo AB RH (-), si la manguera que lleva la sangre al recipiente con el líquido anticoagulante es de una longitud de 50 cm; un diámetro de 0,5 cm y que genera una caída de presión de 50 mmHg por metro, se ha determinado que se ha extraído la cantidad de sangre en un periodo de 15 min. Calcúlese la viscosidad de la sangre en poise. (Utilizar la ecuación de Poiseville de la Viscosidad)

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TEMA N°7: Calor de Vaporización

1. El punto de ebullición normal del etanol (C2H5OH) es de 78,3 °C mientras que a 30 °C su presión de vapor es de 88,9 torr. Calcule la cantidad de calor en Kjoul que necesitarían 1,2 litros de etanol cuya densidad es de 0,95 g/ml para evaporarse a temperatura constante a nivel del mar. 2. Se sabe que 50 gramos de acetona (CH3)2CO necesitan 22 Kjoul para evaporarse a temperatura constante. Determine la presión atmosférica de un lugar en el cual la cetona ebulle a 56,2 °C; si a 33 °C, la presión de vapor de la acetona es de 375 torr.

3. A) Determine la entalpia de vaporización de un líquido, sabiendo que a 12 °C el líquido manométrico (agua) presenta una altura manométrica de 13,8 mm y a 23 °C una altura de 24,1 mm B) ¿Cuántas calorías se necesita para que 100 ml de sete líquido de 0,85 g/ml de densidad pueda evaporarse completamente a temperatura constante? Peso molecular del líquido: 120 g/mol, presión atmosférica: 577 mmHg. 4. El punto de ebullición normal de un líquido es de 65 °C y a una temperatura de 18 °C su presión de vapor es de 205 torr. Calcule la kcal que requiere 500 ml de este líquido, de 0,85 g/ml de densidad, para evaporar completamente a temperatura constante. El peso molecular del compuesto líquido es de 55 g/mol.

5. El agua y el cloroformo tienen un punto de ebullición normal de 100 °C y 60 °C respectivamente; sus entalpias de vaporización son 9,7 kcal/mol y 7 Kcal/mol respectivamente. Calcule la temperatura a la cual ambos líquidos tendrían la misma presión. 6. La presión de vapor de un líquido volátil cuyo peso molecular es de 130 g/mol, a una temperatura de 2,9 °C es de 1 mmHg y a 53,8 °C es de 20 mmHg A) Calcule el punto de ebullición normal de dicho líquido B) ¿Cuántas kcal se necesita para evaporar a temperatura constante, 250 g de dicho líquido?

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TEMA N°8: Destilación de dos líquidos inmiscibles: Destilación por arrastre por vapor

1. Se destiló por arrastre de vapor un aceite esencial cuyo peso molecular aproximado es de 72 g/mol. Si la temperatura del vapor de agua es de 92 °C, determine la relación de masas de aceite y agua que se condensó y recogió en una probeta. Presión de vapor del agua a 92 °C = 567 torr, presión atmosférica= 690 torr. 2. Se realizó una destilación por arrastre de vapor, con el objetivo de extraer aceite de 667 g de una materia vegetal. La temperatura del destilado fue de 89 °C a una presión total de 530 Torr. Si el peso molecular del aceite extraído fue de 75 g/mol. a) ¿Qué cantidad de vapor de agua se deberá generar y condensar para extraer 10 g de aceite? b) ¿Cuál es la composición porcentual de la mezcla heterogénea destilada? c) ¿Cuál es el rendimiento de la practica? La presión de vapor del agua a 89 °C es de 506 mmHg.

TEMA N°9: Diagrama de Fases 1. Dibuje el diagrama de fases Fenol-Agua y el diagrama de fases Cloroformo-Ácido AcéticoAgua, que obtuvo experimentalmente e interprete cada uno de los gráficos, considerando la solubilidad. 2. Tome como base la practica realizada de diagrama de fases binario a) Realice el gráfico obtenido en laboratorio Basado en la Regla de Fases de Gibbs: b) Dibuje un punto A, que considere C=2; P=1 y mfenol >> m H2O c) Dibuje un punto B, que considere C=2; P=1 y mfenol