tres componentes

Universidad Mayor de San AndrésFacultad de Ingeniería QMC 206 L

SISTEMA LIQUIDO DE TRES COMPONENTES

I. OBJETIVOS

Construir en forma experimental la curva binodal (o curva de solubilidad) y las líneas de unión para el sistema ternario: cloroformo, agua y ácido acético.

Interpretar el diagrama de fases de un sistema ternario, aplicando la regla de las fases.

II. FUNDAMENTO TEORICO

Sistema de tres componentes

En un sistema de tres componentes, los grados de libertad son V=3-F+2=5-F. Si el sistema consta sólo de una fase, se necesitan 4 variables para describirlo, que pueden tomarse convenientemente como T, P, x1, x2. No es posible dar una representación gráfica completa de estos sistemas en tres dimensiones y mucho menos en dos. En consecuencia, es costumbre representar el sistema a presión y temperatura constantes, los grados de libertad son por consiguiente V=3-F, de modo que el sistema tiene como máximo dos variables y puede representarse en el plano. Después de fijar la temperatura y la presión, las restantes son variables de composición x1, x2, x3, relacionadas mediante x1 + x2 + x3 =1. Especificando dos de ellas se fija el valor de la tercera. El método de Gibbs y Roozeboom emplea un triángulo equilátero para la representación gráfica. En la figura se ilustra el principio del método. Los puntos A, B, C de los vértices del triángulo representan el 100% de A, el 100% de B y el 100% de C respectivamente. Las líneas paralelas a AB representan los varios porcentajes de C. Cualquier punto de la línea AB representa el sistema que contiene el 0% de C. cualquier punto sobre xy representa u sistema que contiene el 10% de C, etc. El punto P representa un sistema que contiene el 30% de C. La longitud perpendicular a un lado del triángulo representa el porcentaje del componente situado en el vértice opuesto a ese lado. Así, la longitud PM representa el porcentaje de C, PN el de A y PL el de B. La suma de las longitudes de estas perpendiculares es siempre igual a la altura del triángulo, que se toma como el 100%. Por este método puede representarse cualquier composición de un sistema de tres componentes por medio de un punto dentro del triángulo.

En este diagrama también son importantes otras dos propiedades. La primera se ilustra en las figuras (a) y (b). Si se mezclan dos sistemas cuyas composiciones están representadas por P y Q, la composición de la mezcla obtenida estará representada por un punto x en cualquier parte de línea que une los puntos P y Q. De inmediato se concluye que si se mezclan tres sistemas representados por los puntos P, Q y R, la composición de la mezcla estará situada en el triángulo PQR. La segunda propiedad importante es que todos los sistemas representados por puntos sobre CM contienen A y B en la misma relación. En la figura (c), trazando las perpendiculares a partir de dos puntos P y P’, aplicando las propiedades de triángulos semejantes, obtenemos:

SISTEMA LIQUIDO DE TRES COMPONENTESUNIV. CHOQUE CONTRERAS EDSON ARIEL

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y

Por tanto:

y

Que era lo que queríamos demostrar. Esta propiedad es importante al analizar la adición o extracción de un componente de un sistema sin cambio en la cantidad de los otros dos componentes presentes.

Entre los ejemplos más simples del comportamiento en sistemas de tres componentes está el del cloroformo, agua y ácido acético. Los pares, cloroformo - ácido acético y agua – ácido acético son completamente miscibles, mientras que el par agua – cloroformo no lo es. La figura siguiente (d) nos muestra el equilibrio líquido- líquido para este sistema. Los puntos a y b representan las fases líquidas conjugadas en ausencia de ácido acético. Supongamos que la composición general del sistema es c, de manera que haya, según la regla de la palanca, más de la capa b que de la capa a. Si se añade un poco de ácido acético, la composición se desplaza a lo largo de la línea que une c con el vértice de ácido acético, punto c’.La adición de ácido acético cambia la composición de las capas a’ y b’. Obsérvese que el ácido acético va con preferencia a la capa más rica en agua, b’, de modo que la línea de unión entre las soluciones conjugadas a’ y b‘ no es paralela a ab. Las cantidades relativas de a’ y b’ están dadas por la regla de la palanca, esto es, por la relación de los segmentos de la línea de unión a’b’. La adición continuada de ácido acético desplaza la composición a lo largo de la línea discontinua cC; la fase rica en agua crece, mientras que la rica en cloroformo disminuye. En c’’ solo quedan vestigios de la capa rica en cloroformo, mientras que sobre c’’ el sistema es homogéneo.Como las líneas de unión no son paralelas, el punto en el cual las dos soluciones conjugadas tienen la misma composición no está situado en la cima de la curva binodal, sino fuera, a un lado del punto k, punto de pliegue. Si el sistema tiene la misma composición d y se añade ácido acético, la composición se desplazará a lo largo de dk.


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(a) (c)(b)


Justo debajo de k estarán presentes las dos capas en cantidades comparables. En k desaparece la frontera entre las dos soluciones y el sistema se homogeneiza. Compárese este comportamiento con el de c’’, donde queda sólo un vestigio de una de las capas conjugadas.Si la temperatura aumenta, se altera la extensión y la forma de la región bifásica. Un ejemplo típico para un sistema en el cual el aumenta de temperatura aumenta la solubilidad, se muestra en la figura (e). Si a la temperatura se representa como una tercera coordenada, la región de dos fases sería una región en forma de rebanada. En la figura, P es la temperatura de consolución del sistema de dos componentes A-B. La línea PQ une los puntos de pliegue a diferentes temperaturas.

Si los dos pares A-B y B-C son parcialmente miscibles, la situación se complica. Pueden aparecer dos curvas binodales como la figura (f). A temperaturas bajas pueden solaparse las dos curvas binodales de la figura (f). Si lo hacen en forma tal que se unen entre sí los puntos de pliegue, entonces la región bifásica se transforma en una banda, figura (g). Si las curvas binodales no se unen en los puntos de pliegue, el diagrama resultante tiene la forma ilustrada en la figura (h). Los puntos interiores del triángulo abc representan los estados del sistema en los cuales coexisten tres capas líquidas de composición a, b, c. Tal sistema es isotérmicamente invariante.


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(d)(e)


Solubilidad de las sales: Efecto del ión común

Los sistemas que contiene dos sales con un ión común y agua tienen gran interés desde el punto de vista práctico. Cada sal influye sobre la solubilidad de la otra. El diagrama para NH4Cl, (NH4)2SO4, H2O a 30ºC se indica en la figura (i). El punto a representa la solución saturada de NH4Cl en agua en ausencia de (NH4)2SO4. Los puntos entre A y a representan diferentes cantidades de NH4Cl sólido en equilibrio con la solución saturada a. los puntos entre a y C representan la solución no saturada de NH4Cl. Análogamente, b representa la solubilidad de (NH4)2SO4 en ausencia de NH4Cl. Los puntos sobre Cb representan la solución no saturada y los que están sobre bB representan (NH4)2SO4 sólido en equilibrio con la solución saturada. La presencia de (NH4)2SO4 cambia la solubilidad de NH4Cl a lo largo de la línea ac, mientras que la presencia de NH4Cl afecta la solubilidad del (NH4)2SO4

a lo largo de la línea bc. El punto c representa una solución saturada con relación a NH4Cl y a (NH4)2SO4. Las líneas de unión conectan la composición de la solución saturada y del sólido en equilibrio con ésta. Las regiones de estabilidad se indican en la siguiente tabla.

Región Sistema VarianzaCacb Solución no saturada 2Aac NH4Cl + solución saturada 1Bbc (NH4)2SO4 + solución saturada 1AcB NH4Cl + (NH4)2SO4 + solución saturada 0

Supongamos que una solución no saturada representada por P se evapora isotérmicamente, el punto de estado debe desplazarse a lo largo de la línea Pdef, trazada a través del vértice C y el punto P. En d, cristaliza NH4Cl y la composición de la solución se desplaza a lo largo de la línea dc. En el punto e, la composición de la solución es c y comienza a cristalizar


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(f) (h)(g)

En un erlenmeyer preparar una mezcla de 1 ml de CHCl3 y

2.5 de agua.

En una bureta disponer de ácido acético p.a. Fijar el

volumen inicial.

Agregar HAc al vaso (agitando vigorosamente) hasta que la

mezcla sea homogénea

Agregar 4 porciones de 2.5ml de agua por vez y repetir

procedimiento


(NH4)2SO4. Si se continúa la evaporación, se precipitan las dos sales hasta alcanzar el punto f, donde la solución desaparece por completo.

III. PROCEDIMIENTO

Zona orgánica Zona acuosa


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En un erlenmeyer preparar una mezcla de 5 ml de CHCl3 y

0.5 de agua.

En una bureta disponer de ácido acético p.a. Fijar el

volumen inicial.

Agregar HAc al vaso (agitando vigorosamente) hasta que la

mezcla sea homogénea

Agregar 0.5, 1.5, 5, 10, 15 ml de agua por vez y repetir

procedimiento

Preparar las mezclas de composiciones en volumen de

CHCl3, HAc, H2O:A : 35%, 25%, 40%B : 30%, 35%, 35%C : 30%, 45%, 25%

Transpasar cada mezcla un embudo de separación y

separar las fases ac. y org.

Pesar y titular el HAc de cada fase con NaOH 2M usando

fenofataleina.

Anotar T ambiente


Líneas de Unión

IV. HOJA DE DATOS

Zona orgánica

Mezcla VH20 VCHCl3 VHAx

1 0.5 5 2.6

2 1.0 5 4.4

3 2.5 5 6.4

4 7.5 5 13.6

5 17.5 5 23.2


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6 32.5 5 33.8

Zona acuosa

Líneas de unión


A 6.00 5.25 3.75B 5.25 4.50 5.25C 3.75 4.50 6.75

Mezcla Peso fase orgánica (Wo)

Peso fase acuosa (Wa)

A 7.23 9.94B 5.56 1.66C 5.42 10.6

Titulación con NaOH 2M

A : V(fase) = 60ml V(NaOH)=4.05mlA : V(fase) = 55.95ml V(NaOH)=6.55mlA : V(fase) = 49.40ml V(NaOH)=4.05ml

Tempetura ambiente = 17ºC

CHCl3

Densidad = 1.74 g/mlPM = 119.38


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1 2.5 1 4.2

2 5.0 1 5.5

3 7.5 1 6.3

4 10.0 1 6.7

5 12.5 1 6.9


Pureza =99.40%

HAcDensidad = 1.05 g/mlPM = 60.05Pureza =99.8 %

*todos los volúmenes en ml y las masas en gramos

V. CALCULOS

Para el cálculo de las masas de cada componente en la mezcla, se usaron las siguientes ecuaciones:

Y la ecuación para hallar los porcentajes en masa de cada componente es:

Después de aplicar estas ecuaciones a los datos experimentales, se tienen las siguientes tablas de datos: (todas las masas en gramos)

Zona orgánicaMezcla MH2O MCHCl3 MHAc MT %H2O %CHCl3 %HAc

1 - - - - 2 98 02 0.5 8.648 2.724 11.87 4. 72.9 22.93 1.0 8.648 4.611 14.26 7.0 60.6 32.44 2.5 8.648 6.706 17.86 14.0 48 37.65 7.5 8.648 14.251 30.40 24.7 28.4 46.96 17.5 8.648 24.311 50.46 34.7 17.1 48.27 32.5 8.648 35.419 76.57 42.4 11.3 53.2

Zona acuosaMezcla MH2O MCHCl3 MHAc MT %H2O %CHCl3 %HAc

1 2.50 1.73 4.40 8.63 29.0 20.0 51.0


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2 5.00 1.73 5.76 12.49 40.0 13.9 46.13 7.50 1.73 6.60 15.83 47.4 10.9 41.74 10.00 1.73 7.02 18.75 53.3 9.2 37.55 12.50 1.73 7.23 21.46 58.2 8.1 33.76 - - - - 99 1 0

Para las líneas de unión, primero se calculó la masa de ácido acético en cada una de las fases por medio de la siguiente ecuación:

Luego, de los datos de la titulación de las fases orgánicas, se calcularon las masas de HAc en la fase orgánica:

Y por diferencia, se obtuvo la masa de HAc en la fase acuosa

Los porcentajes en peso de HAc para cada caso se calcularon con:

Con los datos obtenidos, se realizó la siguiente tabla

Mezcla A Mezcla B Mezcla CWo 7.23 5.56 5.42Wa 9.94 11.66 10.60

3.93 5.50 7.070.486 0.7863.444 4.714

%HAc(0) 6.7 14.1%HAc(a) 34.6 40.4


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Con la cual se construyó las líneas de unión dentro de la curva binodal.

VI. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El sistema bifásico agua-cloroformo-ácido acético es uno de los ejemplos más sencillos de los sistemas de tres componentes, una de las razones es porque solamente presenta una curva binodal debido a la solubilidad parcial entre el cloroformo y agua. Si otro par de sustancias diferentes presentaran solubilidad parcial, existiría otra zona bifásica, y la estructura del diagrama se complicaría en su análisis.

La imposibilidad de representar las 4 variables (presión, temperatura, composición 1, composición 2) para describir totalmente el sistema, se ha optado por realizar el experimento a presión y temperatura constantes, por lo cual, por la regla de las fases, se representan solamente dos variables en un triángulo equilátero. El diagrama es diferente para diferentes temperaturasComo el sistema presenta dos regiones, fuera de la curva binodal la varianza es de 2 (la composición de dos componentes) mientras que en la curva y dentro de ésta, la varianza es 1. En los lados del triángulo, la varianza es de 1; y en el vértice, la varianza es de 0.

La miscibilidad parcial entre el agua y el cloroformo se debe a que el agua tiene una polaridad marcada, mientras que la molécula de cloroformo tiene menor polaridad. De manera que cualquiera sea el solvente (agua o cloroformo), no puede dar buena solvatación a las moléculas de cloroformo o de agua respectivamente. Mediante estas propiedades de solubilidad, se ha determinado las cantidades de cada componente en las fases acuosa y orgánica de cada mezcla. En la práctica, esta propiedad pueden servir durante la extracción de líquidos de diversa naturaleza en una mezcla.

El punto de pliegue es el punto en el cual las dos soluciones conjugadas tienen la misma composición, este punto no se encuentra en el extremo superior de la curva debido a la diferencia de solubilidad del componente (ácido acético) en los otros dos. De manera similar, las líneas de unión, no son horizontales, sino que presentan cierta inclinación debido a la diferencia de solubilidad.

Recomendación Se recomienda en la clase previa una explicación más detallada del tratamiento de

datos para este laboratorio.


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VII. OBSERVACIONES

En la elaboración de la gráfica, los puntos de la curva binodal presentan una correlatividad aceptable, a excepción del punto al extremo superior, que se sale de la tendencia general.

Mediante la extrapolación de las líneas de unión se ha encontrado el punto F (foco) desde el cual se ha trazado una tangente a la curva binodal para encontrar el punto de pliegue.

VIII. BIBLIOGRAFIA

FISICOQUÍMICALaidler, Keith J.; Meiser, John H.

FISICOQUIMICACastellan, Gilbert W.

CURSO DE FISICOQUÍMICA EXPERIMENTALDaniels, Farrington; Alberty, Robert A.; Williams, J.W.


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