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Equilibrio liquido

Enviado por carlosarion



Indice
1. Introducción
2. Objetivos
3. Descripción del equipo
4. Cálculos previos
5. Discusión de resultados
6. Conclusiones
7. Bibliografía

1. Introducción

No todos los líquidos son completamente miscibles entre sí, entre este extremo y el de la inmiscibilidad casi completo se consideran pares de líquidos parcialmente miscibles, es decir, que no se mezclan en todas las proporciones a todas las temperaturas.

Este hecho se puede explicar de la siguiente manera, una muestra A a una temperatura dada se añade una pequeña cantidad de B, que se disuelve completamente y el sistema binario sigue siendo de una sola fase. Al agregar mas B, llega un momento en que ya no se disuelve. Ahora la muestra consiste de dos fases, siendo la principal una disolución de A saturada en B, y la otra, una traza de B saturada de A. La temperatura del sistema afecta a las composiciones a las que ocurren las separaciones y la coalescencia de las fases, debido a esto existen sistemas en los cuales la solubilidad disminuye con el aumento de la temperatura.

A la temperatura en donde las dos capas resultan de composición idéntica y son en realidad una sola capa, se conoce como temperatura de disolución critica o temperatura de codisolución. Por encima de esta temperatura los dos líquidos resultan miscibles en todas proporciones.

En esta practica denominada "Equilibrio Liquido-Liquido: Liquidos Parcialmente Miscibles. Determinación de la Temperatura Critica del Sistema Fenol-Agua" se determinara la solubilidad del sistema a diferentes temperaturas, se deducirá la temperatura critica de la disolución fenol-Agua y la composición de la mezcla a esta temperatura, por ultimo se estudiara el efecto de ciertos aditivos como el Cloruro de Potasio, ácido Benzoico y ácido Succínico sobre la temperatura critica de la disolución.

Para poder cumplir con los objetivos planteados anteriormente se realizaran dos experiencias practicas, la primera que lleva por nombre "Determinación de la Temperatura Critica de Disolución" en la cual se añadirán a 5 tubos de ensayo 5 muestras de fenol sólido de diferentes pesos, se añadirá agua y se calentaran para observar el cambio de cada uno a transparente, y anotando la temperatura respectiva a la cual retorna la turbidez a cada tubo; la segunda experiencia es el "Efecto de Ciertos Aditivos sobre la temperatura Critica de Disolución" la cual se llevara a cabo igual que la primera solo que esta vez estarán presentes, además del agua-fenol, el Cloruro de Potasio, ácido Benzoico y el ácido Succínico.

A partir de estos experimentos y con los valores obtenidos en cada uno, sé graficaran las temperaturas vs. Composición y se determinara la temperatura critica de la solución, además se demostrara la aplicación de la regla de la palanca.

2. Objetivos

  1. Determinar la solubilidad del sistema Fenol-Agua a diferentes temperaturas. Si se añaden cantidades de fenol a agua, al principio el fenol se disuelve para dar una sola fase; sin embargo, en algún punto de la adición, el agua se satura y una adición posterior de fenol produce dos capas liquidas, una rica en agua y la otra rica en fenol, esto se produce a temperatura ambiente. Al elevar la temperatura, teóricamente, los componentes muestran miscibilidad completa, y para la aparición de dos capas debe añadirse fenol.
  2. Deducir la temperatura critica de la disolución Fenol-Agua y la composición de la mezcla a esta temperatura. A la temperatura critica las dos capas resultan de composición idéntica y son en realidad una sola capa. Por encima de esta temperatura los dos líquidos resultan miscibles en todas proporciones. La temperatura de disolución critica o temperatura de codisolución teórica para el sistema en estudio es de 65.9ºC.
  3. Estudiar el efecto de ciertos aditivos (Cloruro de Potasio, ácido Benzoico y ácido Succínico) sobre la temperatura critica de la disolución.

Materiales Y Reactivos

Experimento #1: "Determinación de la Temperatura Critica de Disolución"

Materiales

Reactivos

1 Bureta

5 Tubos de Ensayo Pirex

Algodón

1 vaso precipitado de 2 lts.

Termómetro

Espátula

Mechero

Rejilla-Trípode

Pinzas para Tubos de Ensayo

Fenol Sólido, C6H6

Agua Destilada, H2O

Experimento #2: "Efectos de ciertos aditivos sobre la temperatura critica de disolución"

Materiales

Reactivos

3 Tubos de Ensayo Pirex

1 vaso precipitado de 2 lts.

Termómetro

Mechero

Rejilla-Trípode

Pinzas para Tubos de Ensayo

Pipeta Volumétrica de 5 ml

Cloruro de Potasio, KCl, al 10%

Ácido Succínico, C4H6O4, al 10%

Ácido Benzoico, C6H5COOH al 10%

Agua-Fenol, 34% v/ v

3. Descripción del equipo

Balanza analítica:
La balanza ha sido un instrumento utilizado tradicionalmente por los cultivadores de la química a lo largo del tiempo. Algunos autores suelen considerar la obra de Antoine Lavoisier como el punto de partida del empleo sistemático de las balanzas en química, gracias al uso del principio de conservación de la masa. En cualquier caso, podemos afirmar que el establecimiento de las leyes químicas cuantitativas a finales del siglo XVIII y principios del siglo XIX supuso un mayor protagonismo de la balanza dentro de la química. El desarrollo de los métodos gravimétricos de análisis durante el siglo XIX obligó a la búsqueda de balanzas más cómodas y precisas para el trabajo cotidiano de los químicos.

Esta tiene una precisión que supera a muchas balanzas mecánicas y además permite el libre acceso al platillo. Es necesario evitar las corrientes de aire para poder apreciar las pequeñas diferencias de masa, por ello una balanza analítica consta siempre de un estuche agrupado con puertas que permiten la remoción de objetos.

4. Cálculos previos

Obtención de solución de Fenol, C6H6OH, al 10%
[C6H6OH]= n C6H6OH / Vsln despejando nVC6H6= [C6H6OH] * Vsln
Vsln= 1 L
n C6H6OH= 0.10 mol/ L * 1 L = 0.10 mol
m C6H6OH= n C6H6OH * PMC6H6OH= 0.10 mol * 95.124190 g/ mol= 9.51 g

Para obtener una solución de fenol al 10% es necesario diluir 9.51 g de fenol sólido en un vaso precipitado con una pequeña cantidad de agua destilada, luego se traspasa la mezcla a un matraz aforado de un litro donde se añadirá agua destilada hasta el aforo.

Obtención de solución de Ácido Benzoico, C6H5COOH al 10 %
[C6H5COOH]= n C6H5COOH/ Vsln, despejando n C6H5COOH= [C6H5COOH]* Vsln
Vsln= 1L
n C6H5COOH= 0.10mol/ L * 1 L= 0.10 mol
m C6H5COOH= n C6H5COOH * PM C6H5COOH= 0.10 mol *122 g/ mol= 12.2g

Para obtener una solución de ácido Benzoico al 10% es necesario diluir 12.2g del mismo en un vaso precipitado con una pequeña cantidad de agua destilada, luego se traspasa la mezcla a un matraz aforado de un litro donde se añadirá agua destilada.

Obtención de solución de Ácido Succínico, C4H6O4 al 10%
[C4H6O4]= n C4H6O4 / Vsln despejando n C4H6O4= [C4H6O4] * Vsln
Vsln= 1 L
n C4H6O4= 0.10 mol/ L * 1 L = 0.10 mol
m C4H6O4= n C4H6O4 * PM C4H6O4= 0.10 mol * 118.09142 g/ mol=12.82 g

Para obtener una solución de Ácido Succínico al 10% es necesario diluir 12.82 g del mismo en un vaso precipitado con una pequeña cantidad de agua destilada, luego se traspasa la mezcla a un matraz aforado de un litro donde se añadirá agua destilada hasta el aforo.

Metodo experimental
experimento #2: "efectos de Ciertos Aditivos sobre la Temperatura Critica de Disolución"

Datos Experimentales

Experimento #1: "Determinación de la Temperatura Critica de Disolución"

Tubos

1

2

3

4

5

Temperatura, ºC, al calentarse

56

67

69

68

44

Temperatura, ºC, al enfriarse

42

52

56

55

38

Experimento #2: "Efectos de ciertos aditivos sobre la temperatura critica de disolución"

Tubos

1

2

3

Temperatura, ºC, al calentarse

42

46

49

Temperatura, ºC, al enfriarse

38

42

44

Resultados

Experimento #1: "Determinación de la Temperatura Critica de Disolución"

Tubos

1

2

3

4

5

T, ºC, promedia

49

60

63

62

41

Moles de fenol

0.01066

0.02121

0.02655

0.03188

0.03721

Gramos de fenol

1.00354

1.99641

2.49818

2.99995

3.50173

Moles de agua

0.27750

0.22200

0.19425

0.16650

0.13875

Gramos de agua

4.99500

3.99600

3.49750

2.99700

2.49750

Moles totales

0.28816

0.24321

0.22080

0.19838

0.17596

X fenol

0.03699

0.08721

0.10734

0.16070

0.21147

Xagua

0.96301

0.91279

0.89266

0.83929

0.78853

%p/p fenol

16.73

33.32

41.67

50.02

58.37

%p/p agua

83.27

66.68

58.33

49.98

41.63

%Error de TºC

4.4

%Error en composición

22.56

Experimento #1: "Efectos de ciertos aditivos sobre la temperatura critica de disolución"

Tubos

1

(KCl+fenol-agua)

2

(Ac.B+fenol-agua)

3

(Ac.S+fenol-agua)

T, ºC, promedio

40

44

47

Moles de fenol

0.01929

0.01929

0.01929

Gramos de fenol

1.81538

1.81538

1.81538

Moles de agua

0.0.17722

0.17722

0.17722

Gramos de agua

3.19000

3.19000

3.19000

Gramos aditivo

0.03727

0.06100

0.05904

X fenol

0.09816

0.09816

0.09816

Xagua

0.90184

0.90184

0.90184

%p/p fenol

36.00

35.83

35.85

5. Discusión de resultados

El sistema estudiado en esta practica, Fenol-Agua, constituyen líquidos parcialmente miscibles a temperatura ambiente, lo cual se evidencio en el laboratorio al mezclar agua con el fenol dando como resultado la aparición de dos capas en cada uno de los tubos. Unas de las capas, la inferior, era una solución saturada de fenol en agua, mientras que la otra capa, la superior, era una solución saturada de agua en fenol; como estas fases, la acuosa y la orgánica coexisten en equilibrio se dice que son disoluciones conjugadas.

Tanto la curva de Temperatura vs. Composición Molar como la curva de Temperatura vs. Composición en Peso, obtenidas a partir de los datos experimentales, representan el comportamiento de la solubilidad del sistema fenol-agua. Estas curvas presentan la conducta esperada, debido a que al incrementarse la temperatura la composición de las dos fases se van acercando, esto es producido a que ambas solubilidades aumentan a medida que aumenta la temperatura.

La curva de temperatura vs. composición molar (grafica #1) y la curva de temperatura vs. composición en peso (grafica #2) expuestas presentan un máximo, que constituyen la temperatura de disolución critica o temperatura de codisolución experimental, siendo esta de 63ºC aproximadamente, mientras que la bibliografía reporta un valor de 65.9ºC, según la tabla 10.8 de Temperatura de Codisolución y Composiciones del Daniels. El porcentaje de error cometido es de 4.4% que para fines prácticos es un error bastante aceptable. En todo caso la diferencia reportado con la real pudo haber sido causada por errores cometidos al momento de pesar las muestras.

Como la temperatura de codisolución critica experimental esta por debajo del valor teórico, se puede definir que la cantidad de fenol presente en los tubos de ensayo era menor que el indicado en el procedimiento experimental, por ende las disoluciones conjugadas serán más sensible a los aumentos de la temperatura.

En cuanto a la composición en peso de fenol que corresponde al punto de codisolución fue de 41.67%, siendo marcada la diferencia entre el valor y el teórico que es de 34% en peso del mismo. Para este caso el porcentaje de error fue de 22.56%, lo que puede atribuirse a errores en el momento de pesar las sustancias como se dijo anteriormente, o al momento de agregar el contenido del vaso precipitado al tubo de ensayo pudo haber quedado un remanente de la mezcla fenol-agua en las paredes del vaso.

Las curvas de Temperatura vs. Composición Molar y en Peso presentan dos regiones, una por encima de la temperatura de codisolución, en la que el fenol y el agua serán miscibles en cualquier proporción formando una sola fase; La otra área estará en el interior de la curva de solubilidad, en la cual se evidenciara la existencia de dos capas, una orgánica y otra acuosa.

Al aplicar la regla de la palanca, a una temperatura de 50 y una composición molar de fenol de 0.09566, la relación de las fases arroja un valor de 1.87, lo que representa que como el punto esta mas cerca de la capa acuosa en comparación con la capa orgánica, si se aumenta la temperatura la capa acuosa se enriquecerá de fenol, mientras que la fase orgánica lo haría en agua, siendo la masa relativa de las dos capas arrojadas por la regla de la palanca menor que el calculado anteriormente.

Las graficas #3 y #4, reflejan el comportamiento de la mezcla fenol-agua al agregársele los aditivos, observándose una curva con un máximo en la curva temperatura vs. composición en peso en presencia de ácido succínico, y sin embargo ese valor es menor que el reportado por la literatura. También se puede observar que el cloruro de potasio tubo el valor mas pequeño de temperatura de codisolución alejándose de las características reales que produce, ya que este compuesto aumenta la temperatura critica. Por lo que se puede concluir que hubo errores al realizar el experimento como la contaminación de la mezcla por el manejo inadecuado del mismo.

6. Conclusiones

  • Se comprobó que el Fenol y el Agua son líquidos parcialmente miscibles a temperatura ambiente y presión atmosférica.
  • Se observo la formación de las disoluciones conjugadas, evidenciándose por la presencia de dos capas o fases liquidas.
  • La temperatura máxima promedio fue de 63ºC, que corresponde a la temperatura de disolución critica experimental de sistema en cuestión.
  • Dos líquidos parcialmente miscibles, producirán una laguna de miscibilidad debido a la solubilidad incompleta de un liquido en otro.
  • La curva de solubilidad, Temperatura vs. Composición (molar o en peso), que se obtiene mediante el método sintético es bastante completa si se cubre un intervalo suficiente de concentraciones.
  • A medida que se incrementa la temperatura en el sistema aumenta la solubilidad mutua del fenol y el agua.
  • Por encima de la temperatura de codisolución los líquidos serán miscibles completamente en cualquier proporción.
  • El método sintético es bastante confiable, arrojando porcentajes muy pequeños de error, en este caso de 4.4%.

Recomendaciones

  • Para fines prácticos se podría realizar esta experiencia con otras sustancias orgánicas, como por ejemplo éter o anilina, sobre agua.
  • Efectuar esta practica con un método analítico, para así establecer comparaciones con el método utilizado en esta ocasión (sintético), y de esta manera ver cual arroja valores más cercanos a los reales.
  • Seria recomendable estudiar los sistemas que representan puntos de codisolución inferior, como el caso del sistema trimetilamina-agua, debido a que el rango de temperatura en el que se observará el punto de codisolución (T= 18.5ºC), será muy fácil de lograr en el laboratorio.

7. Bibliografía

BARROW. "Química física".
MARROW. "Fisicoquímica
DANIELS. "Fisicoquímica"

Calculos De Resultados Tipicos
Experimento #1: "Determinación de la Temperatura Critica de Disolución".
PMfenol= 94.11 g/ mol; ρ=1.0676 g/ ml; PMagua= 18 g/ mol; ρ=0.999 g/ ml
masafenol= ρ * V = 1.0676 g/ml * 0.94 ml = 1.00354 g
molesfenol= m/ PM = 1.00354 g/ (94.11 g/ mol) = 0.01066 moles
masaagua= ρ * V= 0.999g/ mol * 5 ml = 4.995 g
molesagua= m/ PM = 4.995 g/ (18 g/ mol) = 0.27750 moles
molest= molesagua + molesfenol = 0.01066 + 0.27750 = 0.28816 moles
Xfenol = molesfenol/ molest = 0.01066 / 0.28816 = 0.03699
Xagua= 1- 0.03699 = 0.96301
%p/ pfenol = (masafenol/ (masaagua + masafenol) )*100 =
=(1.00354/ (1.00354 + 4.995) *100 = 16.73%
%Error de la temperatura = ((65.9 – 63) / 65.9)*100 = 4.4 %
%Error de la composición = ((34 – 41.67) / 41.67)*100 = 22.55 %

Experimento #2: "Efectos de ciertos aditivos sobre la temperatura critica de disolución"
Asumiendo 1litro de solución:
34% v/v = 1.7 ml de fenol
molesfenol= 1.7 ml * 1.0676 g/ml * 1/ 94.11g/ mol = 0.01929 moles
masafenol = 0.01929 moles * 94.11 g/mol = 1.81538 g
masaagua= 3.19 g
moles agua= 3.19 g/ 18 g/mol = 0.17722 moles
masaAc.B= 0.1 mol/ L * 0.005 L * 122 g/ mol = 0.0610 g
masaAc.S= 0.1 mol/ L * 0.005 L * 118 g/ mol = 0.05904 g
masaKCl= 0.1 mol/ L * 0.005 L * 74.55 g/ mol = 0.03727 g

Para el Tubo #1:
Masat= masaagua+ masafenol + masaKCl = (1.81538+ 0.03727+ 3.19) = 5.04265 g
%p/ p = (1.81538/ 5.04265) *100 = 36.00%
Xfenol = 0.01929/ (0.17722 + 0.01929) = 0.09816

 

 

Autor:


Jenith Arion Vargas

Universidad nacional experimental
Francisco de Miranda
Área de tecnología
Programa de ingeniería química
Catedra: lab. De fisicoquímica
Punto fijo; junio del 2002


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