Trabajo Final de Equilibrio Ternario
Trabajo Final de Equilibrio Ternario
Trabajo Final de Equilibrio Ternario
TERMODINMICA QUIMICA II
INGENIERA QUMICA
FACULTAD DE INGENIERA
UNIVERSIDAD DEL ATLNTICO
BARRANQUILLA ATLNTICO
2013
Contenido
1.
INTRODUCCIN ...................................................................................................................... 2
2.
3.
2.1
2.2
2.3
2.4
OBJETIVOS ............................................................................................................................ 16
3.1
General............................................................................................................................. 16
3.2
Especficos ...................................................................................................................... 16
4.
MATERIALES Y REACTIVOS.............................................................................................. 16
5.
EXPERIMENTACIN ............................................................................................................ 17
6.
5.11
Primera parte............................................................................................................... 20
5.12
Segunda parte............................................................................................................. 27
6.2
5.21
Primera parte............................................................................................................... 28
5.22
Segunda parte............................................................................................................. 31
7.
CONCLUSIONES ................................................................................................................... 32
8.
RECOMENDACIONES.......................................................................................................... 33
9.
ANEXOS .................................................................................................................................. 34
1. INTRODUCCIN
Los sistemas o equilibrios ternarios son sistemas que estn compuestos por tres
componentes, en donde dos de los componentes son lquidos parcial o totalmente
inmiscibles (no forman una fase homognea en ninguna proporcin).
Para realizar esta experiencia se seleccionaron tres lquidos, los cuales poseen
propiedades y caractersticas interesantes y forman una mezcla ternaria, estos son
tolueno, agua destilada y cido actico glacial. stos tres al ser mezclados forman
dos fases, una acuosa, conformada por agua destilada y tolueno, y la otra por el
cido actico glacial el cual se distribuye entre las dos fases al mismo tiempo que
aumenta la solubilidad entre las mismas. Al establecerse el equilibrio forman una
sola fase, por ello se considera un sistema ternario. Este hecho se traduce en que
adiciones sucesivas de cido actico hacen variar la composicin de las fases
acuosa y orgnica hacindolas cada vez ms semejantes y aprecindose como
caracterstica particular de este proceso, un aumento de volumen de una de las
fases y la consiguiente disminucin del volumen de la otra hasta que llega a
desaparecer una de ellas1.
En un sistema ternario de tres componentes lquidos, existirn composiciones para
las cuales la solubilidad es completa, resultando la mezcla en una sola fase. Sin
embargo, a presin y temperatura constante, debiendo establecerse dos de las
tres concentraciones para describir completamente la situacin del sistema, no es
as. Pero pueden darse composiciones en las cuales se supera la solubilidad y
aparecen dos fases inmiscibles, cada una con los tres componentes en cierta
proporcin. Los diagramas de lquidos ternarios son de considerable valor en
problemas de separacin y extraccin con solventes y gracias a ellos es posible
deducir si la separacin buscada puede realizarse y en cuales condiciones de
operacin para lograr resultados ptimos.
Estos sistemas, se pueden encontrar en la ingeniera qumica en las extracciones
lquido-lquido que son una de las operaciones bsicas ms importante en la
separacin de mezclas homogneas lquidas, que consiste en separar una o
varias sustancias disueltas en un disolvente, mediante su transferencia a otro
disolvente insoluble, o parcialmente insoluble en el primer disolvente. La
temas adicionales en
2. MARCO TERICO
En las extracciones lquido-lquido, cuando una sustancia se distribuye entre dos
lquidos miscibles entre s o ligeramente miscibles, la relacin de las
concentraciones de dicha sustancia en las dos fases ser constante,
independientemente de la cantidad de soluto que se disuelva o del volumen del
lquido empleado2.
Es por ello que existe una relacin entre la cantidad de soluto presente en cada
fase, esto lo enuncia la ley de distribucin de Nernst. sta es una generalizacin
que gobierna la distribucin de un soluto entre dos solventes inmiscibles 2.
En su enunciado ms general afirma que cuando se reparte una cantidad
determinada de soluto entre dos disolventes inmiscibles, se alcanza un estado de
equilibrio en el que tanto el potencial qumico como la fugacidad del soluto es el
mismo en las dos fases2. Una vez alcanzado el equilibrio, el potencial qumico del
soluto ser el mismo en ambas fases
3.
APUNTES CIENTFICOS, Universidad del valle de Mxico Coyoacn, separacin por extraccin [en lnea]
disponible en http://apuntescientificos.org/extraccion.html, consultado el 6 de Junio 2013.
3
relacin
no se mantiene constante cuando el soluto est ionizado,
polimerizado o solvatado en un solvente y no en el otro3.
La Ley de Nernst slo es exacta cuando se usa una pequea cantidad de soluto.
La adicin de grandes cantidades de la sustancia distribuidora generalmente
aumenta las solubilidades mutuas de los dos solventes, que eran insolubles entre
s, y el aumento puede ser talen algunos casos como para formar una simple fase
lquida de tres componentes3.
En este trabajo se habla acerca del sistema agua-tolueno-cido actico, sin
embargo se plantear un sistema diferente para explicar detalladamente como es
la ley de distribucin de Nernst y a que se referimos cuando se habla de ella.
Si se agita tetracloruro de carbono con una solucin de yodo diluido en agua, el
yodo se distribuye entre los dos disolventes inmiscibles. Si
y
son los
potenciales qumicos del yodo en el agua y en el tetracloruro de carbono,
respectivamente, entonces en el equilibrio
. Si ambas son soluciones
diluidas ideales, se sabe que el potencial qumico corresponde a la siguiente
ecuacin 4:
Donde
y
son independientes de las concentraciones de las dos capas. La
ecuacin 2.5 es la ley de distribucin de Nernst 4.
Como se ha dicho la ley de distribucin de Nernst se refiere a la distribucin de un
soluto en dos solventes inmiscibles que se encuentran en contacto, lo que
conlleva a la formacin de un sistema ternario.
Un sistema ternario es un sistema que est formado por tres componentes puros
diferentes. El concepto de componente, se refiere al tipo de material que puede
distinguirse de otro por su naturaleza qumica diferente. Un sistema ternario forma
parte de lo que es un sistema multifsico, los cuales se clasifican
convenientemente en funcin del nmero total de componentes, no de fases. Por
lo que es importante tener claro el concepto de fase. Una fase es una porcin
homognea del sistema con la misma estructura o arreglo atmico, con
aproximadamente la misma composicin y propiedades en todo el material que la
constituye con una interfase definida con otra fase vecina5.
En los sistemas ternarios es posible observar diferencias entre las fases de los
componentes dependiendo de cmo es la solubilidad entre ellos.
La presencia de fuerzas intermoleculares y las diferencias qumicas estructurales
como el tamao y forma moleculares son los generadores de no idealidad de
soluciones de dos o ms componentes. Cuando estos factores de no idealidad
adquieren niveles muy pronunciados se puede presentar entre lquidos el
fenmeno de inmiscibilidad, es decir, la aparicin de dos fases lquidas en
contacto pero separadas claramente por una interfase6.
Una denominacin comnmente aplicada a los sistemas ternarios es que por lo
menos dos de los componentes son lquidos parcial o totalmente inmiscibles.
Como se mencion anteriormente una importante aplicacin a la Ingeniera
Qumica es la extraccin liquido-liquido en la cual un soluto disuelto en un solvente
5
CARLOS CASTILLO CARO, diagramas de fase para dos y tres componentes [en lnea] disponible en
http://es.scribd.com/doc/128302230/Diagramas-de-Fase-Para-Dos-y-Tres-Componentes-Universidad-deChile, consultado el 1 de Junio de 2013.
6
IVAN GARCIA QUIROGA, Introduccin al equilibrio termodinmico y de fases, temas adicionales en
equilibrio de fases, capitulo 7, pg. 208.
Esta ecuacin puede ser usada para conocer K si se conocen los coeficientes de
actividad del soluto o para conocer la relacin entre ellos, teniendo en cuenta que
si se tiene informacin con respecto a la distribucin del soluto en los dos
solventes.
2.1
Es posible tratar todos los equilibrios desde un punto de vista unificado por medio
del principio conocido como Regla de las Fases, con el cual l nmero
de variables a que se encuentra sometido un equilibrio cualquiera, queda definido
bajo ciertas condiciones experimentales definidas. La cantidad de variables que
pueden fijarse arbitrariamente en un sistema termodinmico puede calcularse
mediante: P = C F + 2 (Ec. 2.12). Para simplificar la representacin grfica de
las condiciones de equilibrio se suponen temperatura y presin constantes y,
adems, generalmente se considera que el sistema en estudio es condensado, es
decir que se desprecia la fase vapor. En estas condiciones, las variables
7
IRA N. LEVINE, Fisicoqumica, equilibrio de fases en sistemas de un componente, capitulo 7, pg. 246.
Edicin
Dnde:
P: el nmero de fases presentes en el sistema.
F: grados de libertad del sistema.
C: nmero de componentes del sistema.
Para P=1 existen 4 grados de libertad. Por lo tanto, para describirlo
completamente habr que fijar 4 de las 5 variables del sistema (T, P y
concentraciones de cada uno de los tres componentes). Como los grficos de
tantas variables son muy difciles de interpretar, se elige mantener algunas de
ellas constantes y graficar las restantes una contra otras. En nuestro caso se
trabajar en condiciones de presin y temperatura constantes y se graficar el
nmero de fases del sistema respecto de las concentraciones de sus tres
componentes en un diagrama triangular, en unidades de porcentaje en masa8.
Para poder realizar un diagrama bidimensional es necesario mantener constantes
dos variables T y P. para un sistema monofsico se considera que las dos
variables son
las fracciones molares de los componente A y B. en un
sistema multifsico
se consideran como las fracciones molares globales de
A y B en el sistema, una vez escogida
,
queda fijada puesto que el
sistema es de tres componentes. Gibbs sugiri el uso de una representacin en
forma de tringulo equiltero, el cual se ha convertido en la forma estndar de los
sistemas ternarios9. A continuacin se ilustrara el mtodo del diagrama triangular
que representa la informacin termodinmica de los sistemas ternarios y algunos
comportamientos tpicos de dichos sistemas.
10
10
Imagen tomada del libro Ira N. Levine, fisicoqumica volumen 1. Pg. 458
10
2.2
2.3
Infiriendo que se tiene una mezcla de tres componentes y que el punto que
representa dicha mezcla est compuesta por 20% de A, 30% de B y 50% de C.
como ya se mencion, la suma de todas las composiciones debe ser igual a 100,
por lo que la suma de las fracciones molares debe ser igual a uno. Para ubicar
dicho punto podemos proceder de la siguiente forma: Es necesario partir del
diagrama como el que se presenta en la figura 3.
11
11
11
12
12
11
13
(b)
(a)
13
2.4
13
Diagrama tomado del libro ROBERT E. TERYBAL, Operaciones de transferencia de masa 2da edicin,
operaciones lquido-lquido, capitulo 10, extraccin lquida, Pg. 536
14
ATKINS, Qumica Fsica, diagramas de fases, capitulo 6, Octava edicin. pg. 182.
14
(
Donde
donde
son las fraccin molar global de B, la fraccin molar de B en la
fase y la fraccin molar de B en la fase . Partiendo de la Ec. 2.14 se puede
demostrar que
donde
y
son las lneas de unin de los puntos
que dan las composiciones de las fases y 15. Si observamos la figura 6. Por
ejemplo esta ecuacin resulta.
Siendo
los nmeros totales de moles en las fases cuya composicin viene
dada por los puntos F y H, respectivamente por lo tanto la regla de la palanca se
aplica en las regiones bifsicas de los sistemas ternarios (al igual que en los
binarios)15.
16
15
IRA N. LEVINE, Fisicoqumica, equilibrio de fases en sistemas de un componente, capitulo 7, pg. 459
Imagen tomada del libro IRA N. LEVINE, Fisicoqumica, equilibrio de fases en sistemas de un componente,
capitulo 7, pg. 459.
16
15
3. OBJETIVOS
3.1
-
General
3.2
Especficos
4. MATERIALES Y REACTIVOS
Seis matraces Erlenmeyer de
125mL
Una probeta de 10mL
Una bureta de 25mL
Dos vasos de precipitado de
100mL
Picnmetro de 10mL
Dos pipetas de 5mL y 10mL
Tubo de ensayo de 2.5x12cm con
tapa
Un beaker de 80mL
Un soporte universal
Pinza para bureta
Balanza electrnica
cido actico glacial
Tolueno
Hidrxido de sodio (NaOH) 1M
Fenolftalena
Agua destilada
16
5. EXPERIMENTACIN
Para realizar esta experiencia de laboratorio se tomaron los siguientes porcentajes
v/v 15%, 30%, 45%, 60%, 75% y 90%, donde el volumen total de cada mezcla fue
de 10mL.
Para preparar la primera mezcla de 15%v/v, se tomaron 1,5mL de tolueno y 8,5mL
de agua destilada, y se agregaron en un matraz Erlenmeyer agitando
continuamente producindose una turbidez, esta turbidez indica que el sistema se
encuentra en la lnea de solubilidad donde coexisten en equilibrio las tres fases.
Se pudo observar que cuando se dej de agitar la mezcla, sta se separ en dos
fases, siendo la inferior la fase acuosa. Seguidamente se procedi a titular con
cido actico glacial, agregndolo desde la bureta, hasta que desapareci la
turbidez. Mientras se titulaba la mezcla se agit continuamente hasta que se
percibi el equilibrio de las tres fases, ste se dio cuando desapareci la turbidez.
17
Para las dems mezclas se llev a cabo el mismo procedimiento, lo diferente fue
los volmenes iniciales para preparar la mezcla de agua y tolueno dependiendo
del %v/v. Los volmenes se tomaron as:
18
19
6. RESULTADOS Y DISCUSIN
Basndose en el procedimiento experimental mencionado anteriormente se
proceden a detallar los resultados obtenidos, pero antes se tiene en cuenta que se
realizaron dos experiencias, por lo tanto se obtuvieron diferentes datos en cada
una; cada una de las experiencias, constaba de dos partes. A continuacin se
registra lo que se obtuvo:
6.1
Primera experiencia
Mezcla
Tolueno
(mL)
Agua
(mL)
cido Actico
Glacial (mL)
Volumen
total (mL)
1
2
3
4
5
6
1,5
3,0
4,5
6,0
7,5
9,0
8,5
7,0
5,5
4,0
2,5
1,0
20,55
22,20
22,70
20,80
16,50
10,10
30,55
32,2
32,7
30,8
26,5
20,1
Densidad
Tolueno (g/mL)
0,8669
Densidad
Agua (g/mL)
0,9957
Densidad cido
Actico (g/mL)
1,0492
( )
)(
)(
)(
17
Agua (g)
cido Actico
Glacial (g)
Masa
Total (g)
8,4635
6,9700
5,4764
3,9828
2,4893
0,9957
21,5611
23,2922
23,8168
21,8234
17,3118
10,5969
31,3249
32,8629
33,1943
31,0076
26,3028
19,3947
1,3004
2,6007
3,9011
5,2014
6,5018
7,8021
)
(
)
(
)
(
22
Mezcla
Porcentaje
Tolueno (%p/p)
Porcentaje
Agua (%p/p)
Porcentaje cido
Actico (%p/p)
% Total
1
2
3
4
5
6
4,1512
7,9138
11,7522
16,7746
24,7188
40,2279
27,0185
21,2092
16,4980
12,8447
9,4639
5,1339
68,8303
70,8770
71,7498
70,3807
65,8173
54,6381
100
100
100
100
100
100
Masa molar
Agua (g/gmol)
92,14
18,01
60,05
18
Mezcla
Tolueno
(mol)
Agua
(mol)
cido Actico
Glacial (mol)
Moles
totales (mol)
1
2
3
4
5
6
0,0141
0,0282
0,0423
0,0565
0,0706
0,0847
0,4699
0,3870
0,3041
0,2211
0,1382
0,0553
0,3591
0,3879
0,3966
0,3634
0,2883
0,1765
0,8431
0,8031
0,7430
0,6410
0,4971
0,3164
Se sabe que para sistemas bifsicos, la fraccin molar total debe ser igual a 1,
para sistemas multifsicos no es la excepcin, por lo tanto, para este sistema se
tiene:
( )
Posteriormente se realiza un ltimo procedimiento, ya que lo que interesa es la
fraccin molar, teniendo en cuenta la tabla 6 se divide la cantidad de mol de un
componente en los moles totales de la mezcla, de la siguiente manera:
( )
24
Mezcla
Fraccin
Tolueno
1
2
3
4
5
6
0,0167
0,0351
0,0570
0,0881
0,1420
0,2676
0,4259
0,4830
0,5338
0,5669
0,5800
0,5577
1
1
1
1
1
1
25
26
los programas compatibles para dicho fin, ya que todos aceptaban porcentajes
masa-masa, por lo tanto se procedi a multiplicar las fracciones molares por un
factor de cien, y as graficar de una mejor manera los resultados. En la figura 13
se muestra grficamente la relacin de las fracciones molares de los componentes
en la mezcla, marcando cada punto que representa una mezcla experimental.
Peso beaker
vaco (g)
Peso beaker y
la mezcla (g)
Volumen gastado
NaOH (mL)
46,29
49,32
33,3
6.2
Segunda experiencia
1,5
3,0
4,5
6,0
7,5
9,0
Agua (mL)
cido Actico
Glacial (mL)
Volumen
Total (mL)
8,5
7,0
5,5
4,0
2,5
1,0
19,20
22,90
24,35
21,30
16,35
10,50
29,20
32,90
34,35
31,30
26,35
20,50
28
Mezcla
Tolueno (g)
Agua (g)
1
2
3
4
5
6
1,3004
2,6007
3,9011
5,2014
6,5018
7,8021
8,4635
6,9700
5,4764
3,9828
2,4893
0,9957
cido Actico
Mezcla (g)
Glacial (g)
20,1446
24,0267
25,5480
22,3480
17,1544
11,0166
29,9085
33,5974
34,9255
31,5322
26,1454
19,8144
Mezcla
Porcentaje
Tolueno (%p/p)
Porcentaje Agua
(%p/p)
Porcentaje cido
Actico (%p/p)
% Total
1
2
3
4
5
6
4,3478
7,7408
11,1696
16,4955
24,8676
39,3759
28,2981
20,7456
15,6803
12,6310
9,5209
5,0252
67,3542
71,5136
73,1501
70,8735
65,6115
55,5989
100
100
100
100
100
100
Mezcla
Tolueno
(mol)
Agua
(mol)
cido Actico
Glacial (mol)
Moles totales
(mol)
1
2
3
4
5
6
0,0141
0,0282
0,0423
0,0565
0,0706
0,0847
0,4699
0,3870
0,3041
0,2211
0,1382
0,0553
0,3355
0,4001
0,4254
0,3722
0,2857
0,1835
0,8195
0,8153
0,7719
0,6498
0,4944
0,3234
Mezcla
Fraccin
Tolueno
Fraccin
Agua
Fraccin cido
Actico
Fraccin
Total
1
2
3
4
5
6
0,0172
0,0346
0,0549
0,0869
0,1427
0,2618
0,5734
0,4747
0,3940
0,3404
0,2795
0,1709
0,4093
0,4907
0,5512
0,5728
0,5778
0,5672
1
1
1
1
1
1
29
30
eso beaker
vaco (g)
Peso beaker y
la mezcla (g)
Volumen gastado
NaOH (mL)
51,89
55,03
21,6
Por ltimo, durante la experiencia se midi la densidad de la mezcla con ayuda del
picnmetro y con sta se hall la masa total de la mezcla; con esto se determin
un porcentaje de error, ya que en los clculos se trabaj con la suma de las masas
de cada componente, esto se hizo con el fin de verificar si el procedimiento que se
estaba llevando a cabo estaba correcto. En la tabla 15, se relaciona la masa total
obtenida mediante sumatoria que fue la utilizada en los clculos y la masa total
31
Mezcla
1
2
3
4
5
6
30,55
32,20
32,70
30,80
26,50
20,10
31,6193
32,5864
33,4521
33,5720
26,4205
19,1553
31,3249
32,8629
33,1943
31,0076
26,3028
19,3947
0,00940
0,00841
0,00777
0,08270
0,00447
0,01235
Como se puede observar claramente en la tabla 15, los errores son muy bajos, por
lo tanto por sumatoria como por densidad, la masa de la mezcla se puede trabajar
de la misma manera sin incurrir en mucho error experimental.
7. CONCLUSIONES
En esta experiencia se pudo ver el comportamiento de una mezcla tolueno-agua a
medida que se disminua sus concentraciones con respecto a la turbidez que
presentaba al ser agitada, y los cambios fsicos que sufre cuando se establece el
equilibrio con cido actico glacial formando as un sistema ternario.
A partir de los resultados obtenidos, se construye el diagrama de fases de la
mezcla ternaria tomando como punto de partida porcentajes en volumen de la
mezcla, 15%, 30%, 45%, 60%, 75% y 90%.
La titulacin con hidrxido de sodio 1M es de mucha importancia y al mismo
tiempo de cuidado porque es la determinante al momento de construir el diagrama
de fases, dado que la curva de solubilidad que se traza divide el diagrama en las
fases que presenta el sistema ternario y brinda confiabilidad tanto en el
procedimiento como en los resultados.
32
8. RECOMENDACIONES
Es de suma importancia el uso de bata de laboratorio, guantes, gafas y
mscara, puesto que los reactivos son voltiles y desprenden olores fuertes y
contaminantes. Siempre deben de permanecer los reactivos dentro de la
cmara de succin de gases, para no contaminar el ambiente, ser afectados por
los gases que desprenden y evitar algn accidente en el laboratorio.
Lavar muy bien los materiales antes de usarlos para que no hayan
interferencias y el porcentaje de error en los datos sea mnimo.
Ser organizados al momento de llevar a cabo la experiencia, no pasar por alto
ninguna indicacin de la gua de trabajo. No perder de vista el volumen
consumido de la bureta cuando se est titulando. Aprovechar el tiempo al
mximo ya que la experiencia requiere de tiempo.
Tener presente las indicaciones que nos brinda la hijo de seguridad de cada
sustancia para no vernos afectados por ellas.
Todo clculo que sea necesario, se debe hacer antes de empezar la
experiencia para no especular en lo que se debe de hacer y en cunto se debe
de tomar de cada sustancia.
Previo a la experiencia investigar acerca de qu son los sistemas ternarios, cul
es su objetivo, qu resultados debemos de obtener, para tener una idea de lo
que se va hacer en la prctica.
Realizar esta experiencia a diferentes temperaturas para saber cmo vara la
curva de solubilidad.
33
9. ANEXOS
34
35
36
37
38
39
40