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UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA E INGENIERIA DEALIMENTOS FISICOQUIMICA II

PRACTICA 3 :“ “EQUILIBRIO DE FASES TERNARIO EN SISTEMAS LIQUIDOS” INSTRUCTOR: Dr. José Aníbal Erazo

INTEGRANTES:

CARNET:

Civallero Alfaro, Elliot Antonio

CA12116

Garzona Urquilla, Vilma Natalia

GU13001

Medina Alas, Diana Gabriela

MA13001

Pérez Hernández, David Orlando

PH13002

Piche Moz, Gabriela Beatriz

PM13009

FECHA DE REALIZACIÓN: 24 de Mayo de 2016

Ciudad Universitaria, San Salvador 03 de Abril de 2016

RESUMEN Entre los ejemplos más simples del comportamiento en sistemas de tres componentes se encuentra el del cloroformo, agua y ácido acético. Los pares, cloroformo-ácido acético y agua-ácido acético son completamente miscibles que el par cloroformo agua no lo es. El agua va con preferencia a la capa más rica en ácido acético de modo que la línea de unión entre las soluciones conjugadas no es paralela. Como las líneas de unión no son paralelas, el punto en el cual las dos disoluciones conjugadas tienen la misma composición no está situado en la cima de la curva binodal. Las cantidades relativas del extracto y del refinado están dadas por la regla de la palanca, esto es por la relación de los segmentos de las líneas de unión.

TEORIA La varianza de los sistemas de 3 componentes puede alcanzar un valor de 4. Si se impone la restricción de temperatura y presión constantes, todavía quedan dos grados de libertad, y la representación del equilibrio está en el límite de ser algo irracionalmente complicado, por esta razón se ideo la representación de sistemas ternarios en diagramas triangulares. Diagramas Triangulares 

Triángulos Equiláteros

La suma de las fracciones molares de los sistemas de los tres componentes de un sistema ternario (C=3) debe ser igual a uno. Un diagrama de fases triangular, basado en las propiedades de los triángulos equiláteros, asegura que esta propiedad se cumpla automáticamente. Esto se debe a que la suma de las distancias a un punto interior del triángulo es igual a la longitud del lado del triángulo, que se puede considerar como longitud unitaria. Si las fracciones molares de los 3 componentes se representan por esas tres distancias, entonces un sistema de cualquier composición se puede representar por un solo punto. Una propiedad importante del diagrama triangular está relacionada con la recta que une un vértice con un punto del lado opuesto. Cualquier punto sobre dicha línea representa una composición que se enriquece progresivamente del componente en el vértice conforme se acerca a él y que siempre tiene la misma relación entre los otros dos componentes. Cualquier sistema ternario formado por la adición del componente en el vértice está situado en algún punto sobre la recta antes mencionada. 

Triángulos Rectángulos

En este tipo de diagramas únicamente se representan dos componentes y la fracción del tercero se obtiene por diferencia.

Existen varios tipos de sistemas ternarios: a) Sistemas de tres líquidos de miscibilidad parcial. Equilibrio líquido líquido Estos a su vez se clasifican en: Tipo I: Formación de un par de líquidos parcialmente miscibles Tipo II: Formación de dos pares de líquidos parcialmente miscibles Tipo III: Formación de tres pares de líquidos parcialmente miscibles. b) Sistemas compuestos de dos sólidos y un líquido. Equilibrio solido líquido. Debido a que en el presente laboratorio de trabajo con el sistema cloroformoagua-ácido acético y este se comporta como tipo I, describiremos a continuación las partes más importantes de tal diagrama:

Los puntos a y b designan las composiciones de las dos capas líquidas que resultan de la mezcla de B y C: en alguna proporción global arbitraria tal como c, mientras que la línea Ac muestra la manera en que dicha composición cambia por adición de A. Cuando se añade suficiente A para cambiar c a c1, las composiciones de las dos capas se desplazan desde a y b hasta a1 y b1. La línea a1b1 a través de c1 conecta las composiciones de las dos capas en equilibrio, y. se denomina línea de unión. De manera análoga se modifican las

composiciones a a2, a3 y b2, b3, cuando las composiciones globales alcanzan los valores c2, y c3. Finalmente, en el punto b4 se ha agregado suficiente cantidad de A para formar una sola capa de esta composición, y de aquí que se obtiene sólo una composición única.

La línea de unión para b4 enseña que la composición de la capa más rica en B en el punto de completa miscibilidad no es idéntica a b4, sino a a4. Este hecho indica que la miscibilidad total se logra no por coalescencia de las dos capas en una sola, sino por desaparición de la más rica en B.

Esta miscibilidad completa por coalescencia de las dos capas tiene lugar únicamente en un punto del diagrama, D. En é1 las composiciones se hacen idénticas, y las dos soluciones se unen en una sola fase líquida de composición constante. Al punto D se le denomina punto crítico isotérmico del sistema, o punto de doblez, y puede obtenerse sólo agregando A a la mezcla única de B y C, esto es, d.

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

1- Preparando 4 frascos volumétricos de 50 ml limpios y secos, se prepararon distintas mezclas de etanol y agua, ambos medidos previamente en una bureta.

2- Siempre había que mantener los frascos volumétricos tapados.

3- Pesar el frasco de 10 ml limpio y seco, y después con solucion para obtener el peso de cada solucion por diferencia de pesos.

DATOS, GRAFICAS, RESULTADOS Y ANALISIS

Solucion

Volumen de Cloroformo (ml)

Volumen A. Acético (ml)

Valoración H2O (ml)

1A 1B 2A 2B 3A 3B 4A 4B 5A 5B

5 15 3 17 7 13 9 11 10 1

15 5 17 3 13 7 11 9 10 19

7.9 0.2 13.6 1 5.8 0.9 3.7 2.1 14.6 37.6

Tabla 1: Volúmenes a utilizar de ácido acético y cloroformo para la obtención de la curva binodal, así como la cantidad de agua máxima que se pudo disolver en cada uno de los tubos observada en la aparición de turbiedad.

Cloroformo (g) 7.4 22.2 4.44 25.16 10.36 19.24 13.32 16.28 14.8 1.48

A. Acético (g)

Agua (g)

Masa total

15.75 5.25 17.85 3.15 13.65 7.35 11.55 9.45 10.5 19.95

7.9 0.2 13.6 1 5.8 0.9 3.7 2.1 14.6 37.6

31.05 27.65 35.89 29.31 29.81 27.49 28.57 27.83 39.9 59.03

X cloroformo

X Acido

X Agua

24 80 12 86 35 70 47 58 37 3

51 19 50 11 46 27 40 34 26 34

25 1 38 3 19 3 13 8 37 64

Tabla 2: Fracciones molares de cada uno de los componentes para la elaboración del diagrama ternario.

Grupo

Volumen de Cloroformo (ml)

Volumen de A. Acético (ml)

Volumen de H2O (ml)

1

13

7

20

11

15

14

10

13

17

16

11

13

5

Tabla 3: Cantidad a utilizar de los componentes para la elaboración de las líneas de unión para 1 y 5.

Masa 5ml de fase 1 (g)

Masa 5ml de fase 2 (g)

Valoración de NaOH fase 2 (ml) 36.45

Moles de NaOH fase 1 (mol)

5.2

Valoración de NaOH fase 1 (ml) 14.7

0.00735

Moles de NaOH fase 2 (mol) 0.018225

7 7.2

6.5

31.2

36.4

0.0156

0.0182

7

5.8

28

31

0.014

0.0155

6.2

4.7

25.3

57

0.01265

0.0285

Tabla 4: Titulación al agregar NaOH hasta que la fenolftaleína indique una base. (Magenta)

Masa de acido fase 1(g) 0.4413675 0.93678 0.8407 0.7596325

Masa de acido fase 2 (g) 1.09441125 1.09291 0.930775 1.711425

X ácido fase 1

X ácido fase 2 (%)

6.31 13.01 12.01 12.25

21.05 16.81 16.05 36.41

En estos puntos la línea de unión se cruza con el línea anterior

De igual forma estos puntos se cruzan con la última línea de unión

Tabla 5: Fracciones pesos en cada una de las fases para la determinación de las líneas de unión.

Realizando los cálculos respectivos para la obtención de las fracciones peso de la curva binodal y las líneas de unión (ver en Anexos), el Diagrama Ternario Ácido Acético- Cloroformo- Agua es el Siguiente:

OBSERVACIONES Los pares cloroformo-ácido acético y ácido acético-agua son completamente miscibles entre sí, mientras que el par cloroformo agua no es miscible. Cuando se añade agua al par cloroformo-ácido acético se puede apreciar la formación de dos fases claramente diferenciables. El agua va con preferencia a la capa más rica en ácido acético por lo que las fases estarán compuestas de ácido acético-agua y cloroformo-ácido acético. Al valorar cada una de las muestra con una solución de NaOH, se necesitaron agregar cantidades relativamente grandes a comparación de los demás componentes a la mezcla. Al agregar agua a la mezcla de cloroformo-acido acético se presencia una turbidez casi inmediata

CONCLUSIONES 







Los pares cloroformo-ácido acético y ácido acético-agua son completamente miscibles entre sí, mientras que el par cloroformo agua no es miscible. El agua va con preferencia a la capa más rica en ácido acético de modo que tenemos la formación de dos fases divididas por una barrera físicamente diferenciable. Al valorar cada una de las muestra con una solución de NaOH, se necesitaron agregar cantidades relativamente grandes a comparación de los demás componentes a la mezcla. La miscibilidad del ácido acético-agua se debe a que hay puentes de hidrogeno entre ambas especies Se realizó para la práctica, el diagrama de equilibrio para el sistema de ácido acético-cloroformo-agua y se aplico el triángulo de Gibbs-Roozeboom para realizar la isoterma y las líneas de unión. En estos diagramas y graficas se comprueba que es una mezcla de líquidos miscibles entre si y un tercer componente que es parcialmente miscible en ambos. Cuando se conoce la naturaleza de los líquidos con los que se trabajan, se puede llegar a saber cuándo el sistema presenta una configuración termodinámicamente más estable y saber lo que sucede en las fases que se forman al agregar un tercer componente a una mezcla bifásica. Para determinar el estado de un sistema de tres componentes, solo es necesario especificar la concentración de un componente, ya que las otras composiciones se pueden averiguar a partir del diagrama triangular de fases

CUESTIONARIO 1. A partir del grafico obtenido calcule la composición y el peso de las fases extracto y refinado para una mezcla inicial de 40% agua, 20% cloroformo y 40% ácido acético con un peso total de 200g.

F=200g

𝑁 𝐹

̅̅̅̅ 𝐹𝑆

2.4

𝑁𝐹

4.5

= ̅̅̅̅ =

= 0.53

𝑁 = 0.53 ∗ 𝐹 = 0.53 ∗ 200𝑔 = 106𝑔 𝐹 =𝑁+𝑆 𝑆 = 𝐹 − 𝑁 = 200𝑔 − 106𝑔 = 94𝑔 𝑁 = 𝐸𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑡𝑜 = 106𝑔

𝑆 = 𝑅𝑒𝑓𝑖𝑛𝑎𝑑𝑜 = 94𝑔

2. ¿Qué diferencia se observaría en las gráficas si se modifica la temperatura del experimento? y ¿Cómo puede interpretarse este fenómeno? Las gráficas variarían en gran medida comparada a la representada en este trabajo, puesto que la solubilidad del ácido acético con el agua y el cloroformo se vería afectada por el cambio en la temperatura del sistema. Como se sabe, la solubilidad depende de la temperatura, en consecuencia tanto el área limitada por la curva binodal, como el punto de pliegue de la misma, se modifican al cambiar la temperatura del sistema. El efecto de la temperatura sobre las curvas binodales se ponen de manifiesto si se considera las secciones isotérmicas en el diagrama tridimensional temperatura-composición del sistema. Si los líquidos B y C poseen una temperatura crítica superior de disolución, la forma del diagrama tridimensional es la representada en la figura.1, en la que se ha supuesto que el componente A es más soluble en la fase rica en C que en la rica en B En la práctica de laboratorio el componente A seria el ácido acético, puesto que este es soluble tanto en el agua como en el cloroformo, la siguiente figura mostraría en ese caso al ácido acético siendo(menos o más) soluble en agua que en cloroformo.

3. En el caso de las líneas de unión, ¿los puntos encontrados fueron colineales?, si no fuese el caso ¿a qué se pueden atribuir además de los consabidos errores experimentales y aleatorios. 4. Incluir en reporte a. Gráfica del diagrama ternario triangular. b. Gráfica de la línea de equilibrio termodinámico de las dos fases. c. Curvas de unión y el punto de pliegue en el diagrama ternario triangular

BIBLIOGRAFIA LEVINE, I. N. Y GONZÁ LEZ UREÑ A, A. Levine, I. and González Ureña, A. (1996). Fisicoquímica. Madrid: McGraw-Hill.

SMITH, J. M., NESS, H. C. V., ABBOTT, M. M. Y URBINA MEDAL, E. G. Smith, J., Ness, H., Abbott, M. and Urbina Medal, E. (1997). Introducción a la termodinámica en ingeniería química. México: McGraw-Hill.

VAN WYLEN, G. J. Y SONNTAG, R. E. Van Wylen, G. and Sonntag, R. (1999). Fundamentos De Termodinámica. México: Limusa.