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SISTEMA TERNARIO LIQUIDO Dennis Jhulenny Benitez Perez1, Karen Natalia Cubides Garzon1 1

Universidad de Pamplona, Facultad de Ingenierías y Arquitectura, Programa de Ingeniería Química

Resumen Por medio de esta práctica se buscó determinar la relación de solubilidad en un sistema ternario (tres componentes), agua, cloroformo, ácido acético. Para hallar mejor esta relación se construyó un diagrama de equilibrio bidimensionalmente para este sistema y se trazó su curva de solubilidad con respecto a una temperatura y las correspondientes líneas de reparto, gracias a este diagrama se puede observar el comportamiento entre las tres sustancias estudiadas, encontrando que el agua y el cloroformo son apenas miscibles, pero con la adición del ácido acético se da el equilibrio entre las tres sustancias.

Palabras Claves: sistema ternario, solido, liquido, solubilidad, temperatura. 1. Introducción Un diagrama ternario, también denominado triángulo de composición o gráfico ternario o triangular, es un diagrama baricéntrico que se emplea para representar tres variables que suman un valor constante dado. La representación de los valores de las tres variables figura como las posiciones en el interior de un triángulo equilátero, y los tres lados representan las métricas de sus valores. Se utiliza fundamentalmente en campos de la fisicoquímica en el que se permite ver al mismo tiempo la influencia de tres elementos en una  disolución,1 así como en petrología,2 mineralogía, metalurgia y otras ciencias físicas en los que sea necesario mostrar la composición de sistemas compuestos de tres especies diferentes. Suele tener representación en otros dominios de la ciencia, de esta forma se encuentran en genética de poblaciones donde se suele denominar diagrama de De Finetti, mientras que en teoría de juegos suele recibir el nombre de diagrama simplex.(1)

En un diagrama ternario cualquiera, la suma de las proporciones de las variables implicadas a, b y c es siempre igual a una constante K. Los valores suelen ser indicados de forma porcentual y la constante se suele representar en este caso como 1,0 o 100%. Como la suma de las tres proporciones suma siempre K, se puede ver que existe una relación de dependencia entre dos cualesquiera de las variables con la tercera, por ejemplo, se puede representar la variable c como K-a-b. De esta forma sólo se requiere de dos coordenadas (grados de libertad) para encontrar el punto correspondiente a una muestra, es decir, se pueden representar las tres variables en un gráfico bidimensional. (1) La concentración de cada uno de los tres componentes puede ser expresada ya sea mediante “wt. %” o “molar %”. La suma de la concentración de los tres componentes debe llegar hasta 100%. El triángulo de Gibbs es usado para determinar la composición general. Triángulo de Gibbs: un triángulo equilátero sobre el cual los componentes puros están representados en cada esquina. (2)

1

Figura 1. (Triangulo de Gibbs) En este experimento se determina la solubilidad mutua de un sistema de tres componentes líquidos y se establece la composición de algunos de los pares de fases líquidas que se encuentran en equilibrio, en la región apropiada. Las condiciones se fijan de tal modo, que la presión sea la atmosférica y la temperatura la ambiente o cualquiera prefijada y mantenida constante mediante un termostato. De esta manera las variables quedan reducidas a las composiciones y si se aplica la regla de las fases se encuentra que el sistema tiene una varianza igual a dos cuando hay solo una fase presente e igual a uno si coexisten dos fases. El diagrama de fases correspondiente debe mostrar el comportamiento de tres componentes. Por esta razón el papel de coordenadas rectangulares no es el adecuado y se debe apelar al papel de coordenadas triangulares. El sistema que se ha escogido es agua-cloroformo-ácido acético en este hay dos parejas (sistemas binarios) que son completamente miscibles: ácido acético-cloroformo y ácido acético-agua, mientras que la tercera, aguacloroformo, presenta solubilidad parcial. (2) 0,00

1,0

0,8

0,25

0,6 0,50 0,4 0,75 0,2

1,00 0,0

0,0 0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Xa

Figura 1. (Diagrama ternario). Estos son conocidos como una representación de lasposibles combinaciones o mejor relaciones de tres componentes, estos mismos indican la distribución de cada una de las tres especies de manera que se dé la unión de tres diagramas binarios en los que la las variables de repiten de dos a dos, y constan de las siguientes condiciones:  

2

Cada vértice del triángulo representa el 100% del componente con que se designa. Las divisiones o líneas paralelas al lado BC, dan los porcentajes de A, que van desde 0%A (sobre BC) hasta 100%A (vértice). Análogamente, las líneas que dividen los lados BA y BC y son



paralelas a AC nos dan los porcentajes de B, y las que dividen a CA y CB y paralelas a AB representan los porcentajes de C. Para graficar un punto sobre el diagrama tal como D, localizamos su composiciones en 30% de A, 20% de B y por ende 50% de C, el cual queda definido. (3) Sustancia

d0

α

β

γ

Cloroformo

1,52643

-1,8563

-0,5309

-8,81

1.0724

-1,1229

0,0058

-2

Ácido acético

Tabla 1. (Datos de densidad). 2.

Método Experimental

2.1.1. Materiales Para esta práctica se utilizó una balanza analítica (precisión 0.0001g), termómetro y los siguientes reactivos: Cloroformo, Ácido acético glacial, Hidróxido de sodio 1N y 2N, Agua destilada, Fenolftaleína. Procedimiento Determinación de las solubilidades mutuas. En un Erlenmeyer con capacidad de 250 mL aproximadamente, se preparó una mezcla de 10 mL de cloroformo y 1 mL de agua destilada, se tituló esta mezcla con ácido acético hasta que se obtuvo una sola fase. A esta solución se le agrego 1 mL de agua y se tituló nuevamente. Se repitió todo lo anterior agregando 1, 2, 5, 10, 15 y 20 mL de agua. De modo similar se procedió a la titulación de una mezcla de 2 mL de cloroformo y 5 mL de agua. Se obtuvo una solución clara al agregar ácido acético. A continuación se agregó una porción de agua de 5 mL y se hizo la titulación. Esta se repitió agregando sucesivamente 3 porciones de 5 mL de agua. Líneas de unión. Se preparó aproximadamente 50 g de muestra que tuvieron la siguiente composición:

3

Cloroformo (%)

Ácido acético (%)

Agua (%)

45

10

45

45

20

35

45

30

25

45

40

15

Se obtuvo la mezcla al adicionar a cada reactivo con una pipeta y pesando en la balanza. Se agito fuertemente las mezclas. Se dejó en reposo hasta que se separaron claramente dos fases liquidas. Se tomó una alícuota de 10 mL de cada fase y se tituló con hidróxido de sodio 1 N la fase orgánica y con hidróxido de sodio 2 N la fase acuosa en presencia de fenolftaleína Datos experimentales: d agua d cloroformo d ácido

0,99868 1,49279 1,05218

Tabla 2. (Datos)

vol cloroformo 10 10 10 10 10 10

vol agua

vol ácido

1 2 4 9 19 39

6 8,2 12 19,8 33 45,2

Tabla 3. (Datos curva binodal) Vol cloroformo 2 2 2

Vol agua

Vol ácido

10 15 20

9 7 2

Tabla 4. (Datos 2 curva binodal)  

 

masa cloroformo 22,9031

4

acuosa masa agua 22,807

orgánica

Vol tit NaOH masa ácido 2N

5,0167

7,2

  Vol tit NaOH 1N

2,5

22,5347 22,0735 22,535

17,619 13,0606 8,5273

10,0121 14,9612 20,7992

24,8 56,2 86,3

10,2 32,6 114,5

Tabla 5. (Líneas de unión) peso molecular ácido

60,052

Tabla 6. (Peso molecular) 3. Resultados Se realiza el cálculo para conocer la masa de los 3 componentes, agua, cloroformo y ácido acético a una temperatura de 18°C, teniendo en cuenta los dados de densidad de la tabla 2, y los respectivos volúmenes en la tabla 3 y 4, Con la ecuación siguiente se halló los porcentajes peso a peso de cada sustancia.

Ecuación 1. (Porcentaje peso a peso)

CLOROFORMO %P/P

4.49

ACIDO ACETICO %P/P 28.38

8.62787

7.82

33.76

58.41

3.99472

12.62616

12.66

40.02

47.31

14.9279

8.98812

20.83316

20.08

46.55

33.36

14.9279

18.97492

34.72194

27.65

50.60

21.75

14.9279

38.94852

47.7900

38.31

47.01

14.68

masa agua (g)

masa ácido (g)

14.9279

0.99868

6.31308

14.9279

1.99736

14.9279

Masa cloroformo(g)

Masa masa agua masa ácido cloroformo 2.98558 2.98558 2.98558

5

9.9868 14.9802 19.9736

9.46962 7.36526 2.10436

AGUA %P/P

67.12

AGUA ACIDO CLOROFORMO %P/P ACETICO %P/P %P/P 44.50 42.20 13.30 59.14 29.08 11.78 79.70 8.39 11.91

Se plasmaron en el diagrama ternario cada uno de los puntos.

De igual forma calculamos los datos para formar las líneas de unión:     acuosa orgánica   masa Vol tit NaOH Vol tit masa agua masa ácido 2N NaOH 1N cloroformo 22,9031 22,807 5,0167 7,2 2,5 22,5347 17,619 10,0121 24,8 10,2 22,0735 13,0606 14,9612 56,2 32,6 22,535 8,5273 20,7992 86,3 114,5 4.

Discusión de Resultados.

Analizando la gráfica vemos que cada uno de los vértices representa las sustancias con las que se experimenta, de tal forma que cada vértice supone ser una concentración pura del mismo (100%) , la curva binodal muestra el límite entre el área de solo una fase y dos fases, entonces tenemos que todo aquello que no cubre la curva binodal se encuentra en una sola fase, es decir hay una mezcla homogénea entre los tres componentes (agua, cloroformo y ácido acético) siendo así el cloroformo y el agua presentan una sola fase entre 10% y 20% respectivamente de acuerdo a su vértice. De igual manera dentro de la curva binodal que es la parte que nos interesa se observa la formación de dos fases las cuales se identifican con las líneas de reparto, que separa la fase acuosa de la orgánica. Por tanto a través del diagrama ternario observamos el comportamiento de una sustancia con respecto a otra, es decir si es completamente miscible o parcialmente miscible, en nuestro diagrama vemos que el ácido respecto al cloroformo y al agua es completamente miscible ya que este con la titulación permite que se alcance el equilibrio y las parcialmente miscibles son el cloroformo y el agua. . 5.

6

Conclusiones



Se identificó y aprendió a realizar diagramas de fase ternario para sistemas líquido-líquidos, diagrama de sistema ternario se construyó de manera manual.

6.

Referencias bibliográficas

1. https://es.wikipedia.org/wiki/Diagrama_ternario#:~:text=%E2%80%8B%20Un%20diagrama %20ternario%20se,uno%20de%20los%20tres%20componentes. 2. Guía de laboratorio físico-química. Sistema ternario. Universidad de Pamplona (2020). 3. LEVINE, I.N. 1981. Fisicoquímica. McGraw-Hill: Bogotá

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