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• Hoshino Lizzy Kuroineko Mikado

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DIAGRAMA DE SOLUBILIDAD _____________________________________________________________________________

RESUMEN

El presente contexto se basa en los resultados arrojados por el experimento tratado en el Laboratorio; en el cual nos enseña una vez más a comprobar todo lo aprendido y corroborado en la teoría. Pues bien esta semana nos toca aprender un poco más de la Solubilidad mediante un diagrama para un sistema ternario a T y P constante, que puede tener una representación simétrica estos tres componentes, en solo plano, y que tendrá que utilizarse un triángulo equilátero para este fin. Cuando uno de los componentes es miscible con los otros dos y éstos son parcialmente miscibles, únicamente se obtiene un diagrama del tipo mencionado. En nuestra práctica trabajamos con el agua, n-butanol y el ácido acético; este último miscible con los dos. Y las condiciones ambientales del Laboratorio son: P(mmHg) T(ºC) HR

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INTRODUCCIÓN

El presente texto se basa en la octava práctica de Laboratorio “Diagrama de Solubilidad”. El objeto principal de esta práctica es determinar el diagrama de fases, a temperatura ambiente, para el sistema n-butanol / ácido acético/ agua. La mezcla de estos tres líquidos puede ser homogéneas o separarse en dos capas (soluciones ternarias conjugadas). El diagrama de fases, a temperaturas y presión fijas, del sistema de tres componentes n-butanol, ácido acético y agua se le conoce como Diagrama de Roozeboom. Propuesto inicialmente como Diagrama Triangular por J. Willard Gibas (1876), G.G. Stokes (1891) y W.H.B. Roozeboom (1894). De todos los tipos posibles de sistemas ternarios, se van a considerar solamente las que están formados por tres líquidos y el que está formado por un líquido y dos sólidos. Cuando uno de los componentes es miscible con los otros dos y éstos son parcialmente miscibles; tal es el caso del ácido acético, el cual es miscible en el n-butanol y en el agua en todas proporciones, éste se distribuye en todas las zonas, formando dos soluciones ternarias de n- butanol, agua y ácido acético.

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PRINCIPIOS TEÓRICOS Solubilidad, Una disolución está saturada a una determinada presión y temperatura cuando contiene disuelta la máxima cantidad de soluto posible a esa temperatura. La concentración de soluto correspondiente a su disolución saturada expresa el grado de solubilidad de la sustancia en un disolvente determinado y a una temperatura dada. La solubilidad es la cantidad de esa sustancia contenida en cien gramos de disolvente, a una temperatura y presión dadas. En general, la solubilidad de las sustancias sólidas en agua aumenta con la temperatura. Los gases se disuelven en los líquidos en una proporción que depende de la naturaleza de ambos. Las disoluciones de gases obedecen la ley de Henry, según la cual, a una temperatura dada, la masa de gas disuelto en una cantidad determinada de líquido es proporcional a la presión que el gas ejerce sobre la superficie del mismo.

Sistema de 3 componentes.-Las relaciones de solubilidad de un sistema de tres componentes, se representan fácilmente en un diagrama de triángulo equilátero (Representación Roozeboom), ya que en él se puede plotear el % de cada componente en la misma escala, correspondiendo cada vértice del triángulo a los componentes puros, y cada lado a un sistema de dos componentes, a temperatura y presión constante.

Ley de reparto.- Relación de equilibrio definida entre las concentraciones de un soluto disuelto en un sistema formado por dos fases líquidas no miscibles. Cuando se agita un soluto con dos disolventes inmiscibles, el soluto se disuelve en ambos de tal forma que la relación entre las concentraciones en cada uno es una cantidad constante que no depende de la cantidad de soluto, y es igual a la relación entre sus solubilidades respectivas: C1/C2 = S1/S2 = K, donde C1 y C2 son las concentraciones del soluto en los disolventes 1 y 2, respectivamente, S 1 y S2 son sus solubilidades respectivas; K es la constante de reparto o coeficiente de partición. Es necesario que el estado molecular del soluto sea el mismo en ambas fases líquidas, es decir, que no se disocie o se polimerice en una de las fases y en la otra no.

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Esta ley encuentra aplicación en la extracción de un soluto que se encuentra disuelto en un disolvente. Para ello se añade otro disolvente inmiscible con el anterior, en el que la solubilidad del soluto sea mayor. Al agitar y dejar reposar se separan los dos disolventes en dos fases, de manera que el soluto ha quedado disuelto principalmente en el disolvente añadido, del que se puede separar por evaporación. Generalmente, esta operación se repite varias veces hasta extraer todo el soluto.

Extracción, En química, método empleado tanto comercialmente como en el laboratorio para separar una sustancia de una mezcla o disolución. En general se lleva a cabo utilizando un disolvente en el que la sustancia que queremos separar es muy soluble, siendo el resto de los materiales de la mezcla o disolución insolubles en él. Puede ser necesario realizar ciertas operaciones antes de que la sustancia extraída se separe por destilación o evaporación del disolvente.

Curvas de solubilidad.Fig. 1 representa los límites de solubilidad. Fig. 2 Trata de cómo se establece un punto; se traza desde el punto de composición del componente A, a, una línea paralela al lado BC, desde el punto b, una paralela al lado AC y desde el punto c, una paralela a AB, la intersección de las tres rectas dará el punto d, que representará a la muestra. La curva S, determina los límites de solubilidad del sistema, una mezcla cualquiera bajo el área de la curva formará dos fases líquidas.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL A) MATERIALES Y REACTIVOS.- 8 Erlenmeyer de 125 mL con tampón. LAB. FISICOQUÍMICA I

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- 3 Erlenmeyer de 100 mL con tampón. - 3 buretas de 25 mL. - 4 vasos de 100 mL - 1 pera de decantación. - Pipetas de 1, 5 y 10 mL. - Agua destilada - n- butanol - Ácido acético. - Solución de NaOH ≈ 1 N. -Fenolftaleína. B) PROCEDIMIENTO B.1) Determinación de la curva de Solubilidad.- Lava y seque todo lo que es de vidrio en la estufa. - En Erlenmeyer de 125 mL, prepare 10 mL de soluciones que contengan 0, 10, 15 y 25% en volumen de ácido acético en agua. Mida la temperatura de cada solución. - Desde una bureta añada a la primera muestra n-butanol, agitando constantemente, después de cada agregado, hasta saturarla, lo que se aprecia por la aparición de una turbidez permanente. Mantenga tapado el erlenmeyer durante el proceso y anote el volumen usado. Repita con las otras soluciones preparadas en el paso anterior. - De la misma manera prepare 10 mL de soluciones que contengan 0, 10, 20 y 30% en volumen de ácido acético en n-butanol y añada con bureta agua destilada hasta la aparición de turbidez permanente. Anote los volúmenes. B.2) Valoración de Solución de NaOH ≈ 1 N.- Para determinar el título de la base con ácido acético, pese 1 erlenmeyer de 10mL (seco y con tampón), mida 1 mL de ácido acético, tape, pese nuevamente con exactitud. Titule el ácido con la solución de NaOH ≈ 1 N, usando indicador de fenolftalína.

B.3) Determinación de la Línea de Reparto.- En la pera de Decantación seca, prepare 20mL de una mezcla que contenga exactamente 10% de ácido acético., 45% de n-butanol y 45% en volumen de agua.

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-Agite bien la mezcla durante 2 minutos, luego separe cada una de las fases en un tubo con tampón, desechando las primeras gotas y la interfase. Denomine “A” a la fase acuosa (inferior) y “O” a la fase orgánica (superior). - Pese un erlenmeyer de 100 mL (limpio, seco, y con tampón) y vierta en él, 5 mL de una de las fases, tape rápidamente y vuelva a pesar. Empleando el indicador de Fenolftaleína, valore dicha muestra con la solución de NaOH ≈ 1 N, hasta el punto de virage. - Repita estos pasos con la otra fase.

TABLA DE CONTENIDO

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Resumen………………………………………………………………………………..1 Introducción………………………………………………………………………….….2 Principios Teóricos………………………………………………………………….…...3 Procedimiento Experimental…………………………………………………………….5 Hoja de datos…………………………………………………………………………….7 Datos y Resultados……………………………………………………………………....8 Ejemplo de Cálculos……………………………………………………………………11 Conclusiones……………………………………………………………………………15 Recomendaciones…………………………………………………………………..…..16 Bibliografía……………………………………………………………………………..17 Apéndice…………………………………………………………………………….….18 Cuestionario…………………………………………………………………….18 Diagramas………………………………………………………………………20

DATOS Y RESULTADOS

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Condiciones de laboratorio

756

Presión (mmHg) Temperatura(°C)

21

% H.R

91

Volúmenes gastados en las titulaciones Ácido Ácetico V(mL)

Agua V(mL)

n_butanol Vgastado(mL)

0

10

2.9

1

89

3.2

1.5

8.5

4.5

2.5

7.5

4.9

Ácido Acetico V(mL)

n_butanol V(mL)

Agua Vgastado(mL)

0

10

2

1

9

2.4

2

8.5

2.6

3

7.5

5.5

Titulación del ácido acético con NaOH

W de Ácido Acético(g) 1.0707

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V gastado de NaOH (mL) 22.05

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Datos para la separacion de fases V HAc.(mL)

V H2O(mL)

2

V n_butanol(mL)

9

9

Valoración de la fase acuosa W de fase orgánica

Vgastado NaOH(ml)

4.3946

de

12

Valoración de la fase orgánica W de fase acuosa

Vgastado de NaOH(ml)

4.6560

10

Datos teóricos

Densidad del Ácido Acético (g/mL)

1.06

Densidad del n-butanol (g/mL)

0.81

Densidad del agua (g/mL)

1.00

Resultados de %W para el diagrama de solubilidad

%Volumen

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%W acético

Ácido %W Agua

%W n_butanol

_____________________________________________________________________________ 9

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0

0

29.86

70.14

10

8.38

71.13

20.49

15

11.58

61.89

26.54

25

18.77

53.12

28.11

%Volumen

%W acético

Ácido %W n-butanol

%W Agua

0

0

80.20

19.80

10

9.86

67.81

22.33

15

14.36

62.17

23.48

25

18.63

42.71

38.66

%W de los compuestos en la separación de fases

%W Ácido Acético

%W n_butanol

%W Agua

11.52

39.60

48.88

%W para la línea de reparto

%W Ácido acético en la parte %W Ácido acético en la fase acuosa

orgánica 10.22

12.99

EJEMPLOS DE CÁLCULOS a. Cálculo del %W en cada mezcla, para la curva: % EN VOLUMEN DE ÁCIDO ACÉTICO EN AGUA

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1.

*

Para la muestra de 0% de ac. Acético en H2O:.

W ac. Acético = xV = 1.06x0 = 0 g W H2O

= xV = 1.00x 1 = 1 g

W n-butanol

= xV = 0.81x2.9

= 2.349 g

W total = 3.349 g. % W = (W muestra / W total) x 100 % W HAc. = 0% % W H2O = 29.86% % W n-butanol = 70.14% *

Para la muestra de 10% de ac. Acético en H2O:.

W ac. Acético = xV = 1.06x1 = 1.06 g W H2O

= xV = 1.00x 9 = 9 g

W n-butanol

= xV = 0.81x3.2

= 2.592 g

W total = 12.652 g. % W = (W muestra / W total) x 100 % W HAc. = 8.38% % W H2O = 71.13% % W n-butanol = 20.49% *

Para la muestra de 15% de ac. Acético en H2O:.

W ac. Acético = xV = 1.06x1.5 = 1.59 g W H2O

= xV = 1.00x 8.5 = 8.5 g

W n-butanol

= xV = 0.81x4.5

= 3.645 g

W total = 13.735 g. % W = (W muestra / W total) x 100 % W HAc. = 11.58% % W H2O = 61.89% % W n-butanol = 26.54% *

Para la muestra de 25% de ac. Acético en H2O:.

W ac. Acético = xV = 1.06x2.5 = 2.65 g W H2O

= xV = 1.00x 7.5 = 7.5 g

W n-butanol

= xV = 0.81x4.9

= 3.969 g

W total = 14.119 g. % W = (W muestra / W total) x 100 LAB. FISICOQUÍMICA I

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% W HAc. = 18.77% % W H2O = 53.12% % W n-butanol = 28.11% % EN VOLUMEN DE ÁCIDO ACÉTICO EN n-butanol 2. *

Para la muestra al 0% de ac. Acético en n-butanol

W ac. Acético = xV = 1.06x0 = 0 g W n-butanol

= xV = 0,81x10 = 8.1 g

W H2O

= xV = 1.00x2 = 2 g

W total = 10.1 g % W = (W muestra / W total) x 100 % W ac. Acético = 0 % % W n-butanol = 80.20% % W H2O = 19.80% *

Para la muestra al 10% de ac. Acético en n-butanol

W ac. Acético = xV = 1.06x1 = 1.06 g W n-butanol

= xV = 0,81x9 = 7.29 g

W H2O

= xV = 1.00x2.4 = 2.4 g

W total = 10.75 g % W = (W muestra / W total) x 100 % W ac. Acético = 9.86 % % W n-butanol = 67.81% % W H2O = 22.33% *

Para la muestra al 15% de ac. Acético en n-butanol

W ac. Acético = xV = 1.06x1.5 = 1.59 g W n-butanol

= xV = 0,81x8.5 = 6.885 g

W H2O

= xV = 1.00x2.6 = 2.6 g

W total = 11.075 g % W = (W muestra / W total) x 100 % W ac. Acético = 14.36 % % W n-butanol = 62.17 % % W H2O = 23.48 % *

Para la muestra al 25% de ac. Acético en n-butanol

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W ac. Acético = xV = 1.06x2.5 = 2.65 g W n-butanol

= xV = 0,81x7.5 = 6.075 g

W H2O

= xV = 1.00x5.5 = 38.66 g

W total = 14.225 g % W = (W muestra / W total) x 100 % W ac. Acético = 18.63 % % W n-butanol = 42.71 % % W H2O = 38.66 %

b. El diagrama triangular se presentará en el apéndice, en gráficos

c. Título de la soda título = peso en g. de un mL de ácido acético volumen en mL de Soda título = 1.0707 g. = 0.0476 g ác. acético 22.5 mL mL Soda

d. % en peso para la Línea de Reparto: De 20 mL de la mezcla de: 10% ácido acético = 2 mL 45% n_butanol = 9 mL 45% agua = 9 mL W ac. Acético = xV = 1.06x2 = 2.12 g W n-butanol

= xV = 0,81x9 = 7.29 g

W H2O

= xV = 1.00x9 = 9 g

W total = 18.41 g % W = (W muestra / W total) x 100 % W ac. Acético =

11.52 %

% W n_butanol

= 39.60 %

% W H2O

= 48.88 %

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e. * Hallando % W ac. Acético en fase orgánica: W fase orgánica

= 4.3946 g.

W ac. Acético en fase = Vgastado NaOH x título NaOH W ac. Acético en fase = 12 mL x 0,0476 g. /ml W ac. Acético en fase = 0.5712 g. % W ac. Acético en fase = W ac. Acético en fase x 100 W fase orgánica % W ac. Acético en fase = (0.5712/4.3946) x 100 % W ac. Acético en fase orgánica = 12.99 %

* Hallando % W ac. Acético en fase acuosa: W fase acuosa

=

4.6560 g.

W ac. Acético en fase = Vgastado NaOH x título NaOH W ac. Acético en fase = 10 mL x 0,0476 g. /mL W ac. Acético en fase = 0.476 g. % W ac. Acético en fase = W ac. Acético en fase x 100 W fase acuosa % W ac. Acético en fase = (0.476/4.6560) x 100 % W ac. Acético en fase acuosa = 10.22 %

CONCLUSIONES

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Para esta experiencia se tiene las siguientes conclusiones:

 Se observa una propiedad muy útil del diagrama es que una línea trazada desde el vértice del triángulo a cualquier punto situado en el opuesto, representa las composiciones de todas las mezclas posibles que tienen las mismas cantidades relativas de los otros dos componentes.  La línea que delimita, en un diagrama triangular, el área donde el sistema es homogéneo y el área donde coexisten dos fases, se llama la Isoterma.  Cuando se añade una sustancia a una mezcla líquida de dos fases, ésta se distribuye generalmente con arreglo a las diferentes concentraciones de equilibrio, en las dos fases.  Es evidente por el diagrama triangular, que la relación entre las diferentes concentraciones de ácido acético en las dos fases, como lo determinan los extremos de las líneas de enlace, cambia según las cantidades de ácido acético añadidas.

RECOMENDACIONES

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Según lo realizado en el Laboratorio nos vemos en la necesidad de dar estas recomendaciones para un mejor trabajo y una mayor eficiencia para su realización:  Todos los líquidos obtenidos en la titulación de las muestras alcohólicas y de cualquier otro residuo alcohólico deberán colocarse en frascos de residuos y no arrojarlos bajo ningún pretexto en la pileta.  El alcohol puede recobrarse fácilmente de los residuos añadiendo sal común hasta las vecindades del punto de saturación, y decantando luego el alcohol separado con un embudo de decantación.  Una vez sacados los matraces de la estufa, esperar a que estas se encuentren a temperatura ambiente, puesto que generalmente el aumento de la temperatura tiende a favorecer la solubilidad ya que la energía cinética térmica vence la renuencia de los componentes a mezclarse libremente.  Al momento de titular todas las soluciones preparadas tener en cuenta que el punto de equilibrio es aquel en el que se origina una ligera aparición de turbidez. Por lo tanto, debemos decir que esta aparición de turbidez constituye un exceso.

BIBLIOGRAFÍA 1.- Walter Moore Fisicoquímica Básica

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1º Edición 1986 Edit. Prentice- Hall Hispanoamericana Págs. 218 2.- Farrington Daniels Fisicoquímica 2º edición 1964 Compañía Editorial Continental S.A. Págs. 291-300 3.- W. G. Palmer Química Física Experimental 2º Edición 1966 Editorial Universitaria de Buenos Aires Págs. 126-128 4.- Brennan D. y C. F. H. Tipper Manual de Laboratorio para Fco. Qca. 1º Edición 1974 Editorial Urmo S.A. Págs. 98-101 5.- Samuel Glastonne Tratado de Físico Química 2º Edición Editorial D van Nostrand Company Págs. 711-723

APÉNDICE CUESTIONARIO

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1.- Indicar las ventajas y desventajas que ofrece el diagrama de Roozeboom. Una de las ventajas que se puede mencionar es que la temperatura y la presión para la realización de este diagrama se toman constantes. Otra ventaja es que la distribución en este caso del ácido acético entre la fase más rica en agua y la fase más rica en n-butanol puede calcularse a partir de los datos que se encuentran en el diagrama. En conclusión las relaciones de solubilidad de un sistema de ternas o ternarios se representan fácilmente en un diagrama de triángulo equilátero. Otra ventaja que no olvidamos es que los diagramas de solubilidad reducen los errores y además simplifican los cálculos y señalan de un modo más claro las variables que intervienen y sus efectos sobre las operaciones. 2.- Describa tres procesos químicos a nivel industrial, donde tiene aplicación los criterios del diagrama de solubilidad. Los diagramas de solubilidad de sistemas ternarios son aplicables a operaciones industriales de transferencia de masa y energía. Otro de los procesos químicos que se utilizan estos diagramas es en procesos de extracción de sólidos-líquidos y en procesos de disolución entre el soluto y el solvente para dos o más componentes. También podemos citar en el cálculo de las cantidades de compuesto exento de otros en donde se aplica estos diagramas. Como un dato adicional podemos mencionar que es posible representar la temperatura como una variable en el sistema de tres componentes usando un prisma triangular, en el cual, la temperatura esté representada perpendicularmente a la base del prisma. Modelos espaciales de este tipo son útiles para determinar la composición de una aleación de tres metales con el punto de fusión más bajo posible. Aleaciones de este tipo se emplean, por ejemplo, en los sistemas automáticos de protección contra incendios.

3.- Explique el comportamiento de los sistemas en los que hay dos sales y agua. Los sistemas de tres componentes que comprenden fases sólidas y líquidas surgen cuando se consideran sistemas formados por dos sales y agua.

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El comportamiento más sencillo es el que corresponde a la figura mostrada, donde las dos sales son un poco solubles y el diagrama muestra curvas para las composiciones de las disoluciones saturadas. Estos diagramas son talvez más fáciles de comprender, si en ellos se dibujan las líneas de enlace, para indicar que las disoluciones saturadas a largo de la línea DF y EF están en equilibrio con los sólidos B y C, respectivamente. El punto F corresponde a un sistema en el que la disolución está en equilibrio con las dos sales. La eliminación de agua desde el punto F desplaza la descomposición total hacia la base del triángulo. El resultado de este hecho es que se forman más sales sólidas que quedan en equilibrio con la cantidad decreciente, pero en la misma concentración de disolución saturada.

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