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• Roxi Gonzales

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Universidad Mayor de San Andrés

Ing. Jorge Avendaño

Lab. – QMC. 206

PRACTICA Nº7

SISTEMA LÍQUIDO DE TRES COMPONENTES 1. OBJETIVOS.  Construir en forma experimental la curva de binodal (o curva de solubilidad) y las líneas de unión para el sistema ternario: cloroformo, agua y acido acético.  Interpretar el diagrama de fases, aplicando la regla de las fases.

2. TEORIA: Previamente desarrollaremos algunos conceptos importantes para la práctica:  Potencial Químico.- Se define como el cambio en la Entalpía libre de Gibbs que se produce en el sistema al añadir un mol de compuesto a Presión y Temperatura constante.  Sistema Heterogéneo.- Es aquel sistema en el que existen más de dos fases  Sistema Homogéneo.- Es aquel sistema en el que existe una sola fase.  Fase.- Es aquella parte de un sistema que es homogénea y uniforme tanto física como químicamente.  Varianza.- O Grados de libertad, es el número de variables intensivas; como

temperatura

presión

y

composición,

que

pueden

variar

independientemente sin que cambie el número de fases.  Componentes.- Es el número más pequeño de sustituyentes químicos independientes que se necesitan para definir la composición de las fases.

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 Punto de Pliegue.- Se llama así al punto en el cual las soluciones conjugadas tienen la misma composición.  Refinado.- Solución conjugada rica en la fase orgánica, pobre en soluto  Extracto.- Solución conjugada rica en la fase acuosa, rica en soluto.

En un sistema en equilibrio el potencial químico de cada componente debe ser el mismo en cualquier parte del sistema. Si hay varias fases presentes, el potencial químico de cada componente (sustancia) debe tener el mismo valor en cada fase, en la que se encuentre el componente. Existen sistemas de un componente y varios componentes, entre estos pueden existir una o varias fases. Se puede hacer una generalización referente al número de fases que puede coexistir en un sistema llamada regla de las fases. Esta regla fue deducida y demostrada por J. Willard Gibbs y está dada por la siguiente ecuación: V

= C - F + 2

(1)

Donde: V = Grados de Libertad (Varianza) F = Número de Fases en el sistema C = Número de Componentes 2

= Número referido a las variables de presión y temperatura

La regla de las fases nos proporciona un adecuado control de ideas acerca de los equilibrios entre fases en sistema más complicados. En un sistema líquido de tres componentes (C = 3) de acuerdo a la regla de las fases la varianza del sistema será:

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V

=

C - F +2

=

3 - F +2

=

5 - F (1)

Si se fijan la presión y la temperatura la varianza será: V

=

3 - F

(2)

De modo que el sistema tendrá como máximo dos grados de libertad, que representan a las variables de composición relacionadas mediante la siguiente ecuación: X1 + X 2 + X 3

=

1

(3)

Es decir, que si variamos dos de las tres variables de composición, automáticamente la tercera es fijada. Si existen 2 fases líquidas el sistema el sistema será monovariante, es decir que si se llega a variar cualquiera de las composiciones, las composiciones de las soluciones conjugadas en el sistema quedan automáticamente definidas por medio de una de las líneas de unión de las muchas que existen en la zona bifásica. DIAGRAMA TRIANGULAR.Para la representación gráfica de un sistema líquido de tres componentes es conveniente el empleo del diagrama Triangular equilátero como el que se muestra en la Fig. 1 donde los vértices del triángulo representan a un componente puro. Cada lado del triángulo se divide en 100 partes, para así tener la composición centesimal, cualquier punto del lado del triángulo representa una mezcla binaria. Un punto en el interior del triángulo representa una mezcla ternaria, el % de A en la mezcla correspondiente al punto P está dado por los segmentos Pa o Pa’; en forma análoga el % de B está dado por los segmentos Pb o Pb’ y finalmente el % de C es igual a los segmentos Pc o Pc’, en síntesis se tiene: % A = Pa

;

% B = Pb

;

% C = Pc

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Los diagramas triangulares se utilizan como isotermas o diagramas a temperatura constante.

SISTEMA ACIDO ACÉTICO – CLOROFORMO – AGUA:

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En este sistema se tienen los siguientes pares: H2O – CH3COOH

son totalmente miscibles entre sí

CHCl3 – CH3COOH

son totalmente miscibles entre sí

CHCl3 – H2O

son parcialmente miscibles entre sí

Acido Acético 100%

E M R

Cloroformo 100%

Agua

100%

En la figura 2 se muestra el diagrama de fases para este sistema a temperatura ambiente y presión atmosférica. Cuando se agrega agua al cloroformo se obtiene un sistema homogéneo, siempre que la cantidad de agua no exceda la correspondiente al punto de saturación indicado por X. El agregado posterior de agua separa al sistema en dos fases. Si 5

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la composición inicial del sistema es Z, al agregar ácido acético, éste se distribuye entre las dos fases formando las soluciones ternarias conjugadas, cuyas composiciones están indicadas por los puntos E y R. La línea que los une se denomina línea de unión o línea de reparto y no es paralela a la base del triángulo debido a que el ácido acético es más soluble en agua que en cloroformo. A medida que se va agregando más ácido acético, las líneas de unión se van acortando hasta que se llega al punto P, donde las soluciones conjugadas tienen la misma composición a este punto se le denomina punto de pliegue. Una mezcla preparada cuya composición está dada por el punto M, se separa en dos fases conjugadas de composición E y R, la línea de unión se determina separando ambas fases y pesándolas para luego analizar el contenido de ácido acético en ambas fases. Aplicando la regla de la palanca para soluciones conjugadas de la mezcla se tiene:

R M

=

ME RE

=

XE – X M X E – XR

(4)

Donde: R = Cantidad de la solución conjugada rica en CHCl3 E = Cantidad de la solución conjugada rica en H2O M = Cantidad de la mezcla XR = Fracción en peso de ácido acético en R XE = Fracción en peso de ácido acético en E XM = Fracción en peso de ácido acético en M

3. APARATOS Y REACTIVOS Buretas de 50ml (2) 6

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Matraces erlenmeyer de 150ml (6) Pinzas para buretas (2) Anillos (3) Embudos de separación de 125ml(3) Soportes universales(5) Pipetas de 5ml(2) Pipetas de 10ml(1) Probeta de 50ml(1) Ácido acético glacial Cloroformo Hidroxido de sodioç Fenolftaleina Agua destilada

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

INICIO 7

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ZONA ORGANICA

Preparar en un erlenmeyer de 100ml una mezcla de 5ml de Cloroformo y 0.5ml de agua

Agregar Acido Acético desde una bureta hasta obtener una solución clara

Agitar vigorosamente después de cada adición de Acido Acético

Anotar el volumen de acido acético gastado.

Agregar cada vez a la mezcla ternaria resultante 0.5, 1.5, 5, 10 y 15 ml de agua

fIN

INICIO

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ZONA ACUOSA

Preparar en un erlenmeyer de 100ml una mezcla de 1ml de Cloroformo y 2.5ml de agua

Agregar Acido Acético desde una bureta hasta obtener una solución clara

Agitar vigorosamente después de cada adición de Acido Acético

Anotar el volumen de acido acético gastado.

Después de obtener una solución clara añadir acido acético se agregan 4 porciones de 2.5ml de agua y en cada caso se agrega acido acético hasta que la turbidez de la mezcla desaparezca.

fIN

INICIO

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LINEAS DE UNION

Preparar 3 mezclas de 15ml con las Composiciones en volumen:

A 35% CHCl3 25%CH3COOH 40%H2O B 30% CHCl3 35%CH3COOH 35%H2O A 30% CHCl3 45%CH3COOH 25%H2O

Pasar las mezclas a embudos de separación y agitar vigorosamente durante 5 minutos.

Dejar reposar para separar las dos fases formadas

Pesar cada una de las fases

Analizar el contenido de acido acético en cada fase

Usar toda la fase orgánica y 5ml de alícuota de la fase acuosa 10

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Emplear NaOH [2 molar] y fenolftaleína como indicador

Anotar la temperatura ambiente

fIN

5. DATOS, CALCULOS Y CUESTIONARIO 1. Determinar los porcentajes en peso de cloroformo, acido acético y agua de cada mezcla, tabular los resultados. Con los datos tomados para el volumen de las soluciones:

ZONA ORGÁNICA.-

Volumen CHCl3 (ml) 5 5 5 5 5

Volumen H2O (ml) 0.5 1 2.5 7.5 17.5

Volumen CH3COOH (ml) 6 6.5 9 14.5 28.2

Con los siguientes datos: cloroformo ac.acetico =

= 1.47 g/cc 1.05 g / cc

agua

=

1 g / cc 11

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Calculamos las masas en una tabla, aplicando la ecuación: m

= V

Luego se determina el porcentaje en peso de los componentes hallando primero la masa total de cada mezcla con la fórmula: mT = m(cloroformo) + m(acido acético) + m(agua)

luego

el

en peso del

Masa CHCL3 (g) 7,35 7,35 7,35 7,35 7,35

Masa H2O (g) 0,5 1 2,5 7,5 17,5

Masa CH3COOH (g) 6,3 6,825 9,45 15,225 29,61

Masa Total (g) 14,15 15,175 19,3 30,075 54,46

porcentaje

componente X viene dado por: %P ( x )=

mx ∗100 % mT

Realizando los cálculos obtenemos los siguientes datos de la zona orgánica donde las fracciones en peso serán:

P% CHCl3

P% H2O

P%CH3COOH

51,943

3,534

44,523

48,435

6,590

44,975

38,083

12,953

48,964

24,439

24,938

50,623

13,496

32,134

54,370

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ZONA ACUOSA

Volumen CHCl3 (ml)

Volumen H2O (ml)

Volumen CH3COOH (ml)

1 1 1 1 1

2,5 2,5 2,5 2,5 2,5

3 2,1 1,8 1,2 1

Calculamos las masas en una tabla, aplicando la ecuación: m

= V

Luego se determina el porcentaje en peso de los componentes hallando primero la masa total de cada mezcla con la fórmula: mT = m(cloroformo) + m(acido acético) + m(agua)

Masa CHCL3 (g) 1,47 1,47 1,47 1,47 1,47

Masa H2O (g) 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5

Masa CH3COOH (g) 3,15 2,205 1,89 1,26 1,05

Masa Total (g) 7,12 6,175 5,86 5,23 5,02

Luego el porcentaje en peso del componente X viene dado por: %P ( x )=

mx ∗100 % mT

Realizando los cálculos obtenemos los siguientes datos de la zona orgánica donde las fracciones en peso serán:

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P% CHCl3

P% H2O

P%CH3COOH

20,646

35,112

44,242

23,806

40,486

35,709

25,085

42,662

32,253

28,107

47,801

24,092

29,283

49,801

20,916

Graficar la curva binodal usando los resultados obtenidos en el anterior punto, completar con los siguientes datos: una solución saturada de agua en cloroformo contiene 98 % en peso de cloroformo. Mientras que la solución conjugada de cloroformo en agua contiene 1.0 % de cloroformo también en peso.

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3. Trazar las líneas de unión: Las composiciones en volumen de las mezclas son:

Mezcla A B C

Cloroformo 35% 30% 30%

Acido Acético 25% 35% 45%

Agua 40% 35% 25%

Titulación:

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Determinación de los porcentajes en peso para trazar las líneas de unión. En

PESO DE LAS 2 FASES (gr) 16,6 13,67 16

MEZCLA A B C

PESO DE LA FASE ORG. (gr) 7,1 3,2 5,5

VOL. DE NaOH (MEZCLA ORG.) [ml] 5,8 5,1 9

VOL. DE NaOH (MEZCLA ACU.) [ml] 13,6 17,6 22,9

la

preparación de las tres mezclas el volumen total de cada mezcla fue de aproximadamente 15 ml.

Mezcla A B C

Cloroformo

Acido Acético

Agua

[ml]

[ml]

[ml]

5.25 4.50 4.50

3.75 5.25 6.75

6 5.25 3.75

Entonces los pesos serian: Mezcla

Cloroformo (gr) 7.72 6.62 6.62

A B C

Acido acético (gr) 3.94 5.51 7.09

Agua (gr) 6 5.25 3.75

Masa total (gr) 17.66 17.38 17.46

Los pesos de las fases:

Mezcla A B C

Fase Orgánica [gr]

Fase Acuosa [gr]

7.1 3.2 5.5

9.5 10.47 10.5

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MEZCLA A:  Fase Orgánica NaOH∗2eq −gr NaOH ∗1eq−gr H . Ac 1000 cc ∗1 mol H . Ac 1eq− gr NaOH ∗60 gr H . Ac 1eq− gr H . Ac mCH 3 COOH =5.8 cc 1 mol H . Ac mCH 3 COOH =0.696 gr %P ( x )=

mx ∗100 % mT

% CH 3 COOH =

0.696 ∗100 % % CH 3 COOH =9.80 % 7.1

 Fase Acuosa NaOH∗2eq −gr NaOH ∗1eq −gr H . Ac 1000 cc ∗1 mol H . Ac 1eq− gr NaOH ∗60 gr H . Ac 1eq−gr H . Ac mCH 3 COOH =13.6 cc 1 mol H . Ac mCH 3 COOH =1.632 gr %P ( x )=

mx ∗100 % mT

% CH 3 COOH =

1.632 ∗100 % % CH 3 COOH =17.18 % 9.5

MEZCLA B  Fase Orgánica

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NaOH∗2eq −gr NaOH ∗1eq− gr H . Ac 1000 cc ∗1 mol H . Ac 1 eq−gr NaOH ∗60 gr H . Ac 1eq−gr H . Ac mCH 3 COOH =5.1 cc 1 mol H . Ac mCH 3 COOH =0. 612 gr %P ( x )=

mx ∗100 % mT

% CH 3 COOH =

0.612 ∗100 % % CH 3 COOH =1 9. 12 % 3.2

 Fase Acuosa NaOH∗2eq −gr NaOH ∗1eq −gr H . Ac 1000 cc ∗1 mol H . Ac 1eq− gr NaOH ∗60 gr H . Ac 1eq−gr H . Ac mCH 3 COOH =17.6 cc 1 mol H . Ac mCH 3 COOH =2.112 gr %P ( x )=

mx ∗100 % mT

% CH 3 COOH =

2.112 ∗100 % % CH 3 COOH =20.17 % 10.47

MEZCLA C  Fase Orgánica NaOH∗2eq−gr NaOH ∗1eq−gr H . Ac 1000 cc ∗1 mol H . Ac 1eq −gr NaOH ∗60 gr H . Ac 1eq−gr H . Ac mCH 3 COOH =9 cc 1mol H . Ac mCH 3 COOH =1.08 gr 18

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%P ( x )=

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mx ∗100 % mT

% CH 3 COOH =

1.08 ∗100 % % CH 3 COOH =1 9. 64 % 5.5

 Fase Acuosa NaOH∗2eq−gr NaOH ∗1eq −gr H . Ac 1000 cc ∗1 mol H . Ac 1eq− gr NaOH ∗60 gr H . Ac 1eq− gr H . Ac mCH 3 COOH =22.9 cc 1 mol H . Ac mCH 3 COOH =2.748 gr %P ( x )=

mx ∗100 % mT

% CH 3 COOH =

2.748 ∗100 % % CH 3 COOH =26.17 % 10.5

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4. Indicar loa varianza del sistema dentro y fuera de la curva binodal y en los lados del diagrama triangular Acido Acético 100%

E M R Agua 100%

Cloroformo 100%

VARIANZA EN EL SISTEMA DE TRES COMPONENTES. Como conocemos la varianza de un sistema esta definida como: V = C - F + 2 En nuestro sistema tenemos tres componentes (cloroformo, agua y ácido acético), entonces C = 3. por lo tanto tenemos:

 FUERA DE LA CURVA BINODAL V = C- F manteniendo constante la presión y la temperatura, nos queda que: 20

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V = 3 - 1 V = 2 En nuestro sistema de tres componentes tenemos una región que presenta una fase y otra que presenta dos fases: En el caso de la región que presenta una fase, la varianza será: V = 2, por lo tanto será necesario especificar dos composiciones de los tres componentes.

 DENTRO DE LA CURVA BINODAL V = C- F manteniendo constante la presión y la temperatura, nos queda que: V = 3 - 2 V = 1 En el caso de la región que presenta dos fase, la varianza será: V = 1, por lo tanto será necesario especificar una composición de los tres componentes.

 EN LOS LADOS DEL DIAGRAMA TRIANGULAR V = C- F manteniendo constante la presión y la temperatura donde la C=2 y F = 1, nos queda que: V = 2 - 1 V = 1 En el caso de la región que presenta dos fase, la varianza será: V = 1, por lo tanto será necesario especificar una composición.

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6. ¿Por que no puede aplicarse la ley de reparto a las soluciones conjugadas? Rpta.-

Ley

de

reparto,

relación

de

equilibrio

definida

entre

las

concentraciones de un soluto disuelto en un sistema formado por dos fases líquidas no miscibles. Debido a que el ácido acético es más soluble en el agua que en el ácido acético.

7. Definir capa refinada y capa extracto.  Capa Refinada: La capa refinada es la que tiene mayor cantidad de la solución conjugada rica en cloroformo (CHCl3).

 Capa extracto: La capa extracto se refiere a la porción de la solución conjugada rica en agua (H2O).

6. CONCLUSIONES Por otra parte, se observó que en la parte de la determinación de la fase acuosa es de difícil medición, ya que se tenía que proceder con mucho cuidado al momento de hacer la titulación. Sólo se realizaron las mezclas A, B y C correctamente. Se pudo observar que al realizar la fase acuosa que al añadir agua a la mezcla se volvía cada ves mas turbia por esa razón titulamos con acido acético

7. BIBLIOGRAFIA 22

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GUIA DE EXPERIMENTOS QMC206 CASTELLAN..............................."FISICOQUIMICA" ATKINS........................................."FISICOQUIMICA" GLASSTONE..............................."TERMODINAMICA"

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