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Sistemas ternarios

Enviado por carlosarion



Sistemas ternarios
Equilibrios liquido-liquido

Indice
1. Introducción
2. Objetivos
3. Materiales y reactivos
4. Descripción del equipo
5. Cálculos previos
6. Datos experimentales
7. Resultados
8. Discusión de resultados
9. Conclusiones
10. Recomendaciones
11. Bibliografía
12. Anexos

1. Introduccion

Es posible tratar todos los equilibrios heterogéneos desde un punto de vista unificado por medio del principio conocido como Regla de las Fases, con el cual él numero de variables a que se encuentra sometido un equilibrio heterogéneo cualquiera, queda definido bajo ciertas condiciones experimentales definidas. En los casos de sistemas de tres componentes se conviene fijar la temperatura y presión variando solamente las composiciones del sistema; la manera de representar este sistema es mediante la utilización de un triangulo equilátero donde cada uno de sus vértices indica uno de los componentes puros, en cada lado se leerá la composición del sistema ternario.

Esta practica abarcara las relaciones de solubilidad del sistema de tres componentes como lo son el acetato de etilo - ácido acético-agua, se trazara el diagrama de equilibrio y se construirá la curva de solubilidad (binodal) para una temperatura dada y por ultimo se determinara las composiciones de los puntos críticos y máximos.

El procedimiento experimental a llevarse a cabo para lograr cumplir los objetivos anteriormente planteados se dividen en dos partes, la primera parte, para la construcción de la curva binodal, se preparan 10 alícuotas que contengan de 10-90 % de acetato de etilo en agua y se titularan con ácido acético glacial y a partir del punto final de la titulación se calculara cada las composiciones en peso y fracciones molares de cada alícuota, con ellas se trazara la curva de solubilidad. La segunda parte (construcción de las líneas de unión) se preparan cuatro disoluciones con cantidades conocidas de acetato de etilo, ácido acético y agua, se colocaran en un embudo de separación y se agitara por dos minutos, se separan las capas formadas, a continuación se tomara una alícuota de cada disolución y se titularan con una base fuerte, en este caso, hidróxido de sodio. Con el porcentaje en peso de ácido acético de cada fase se proyectan las líneas de unión del sistema. Con el diagrama completo se determinara el punto máximo y el punto critico isotérmico del sistema, además de los grados de libertad.

Los diagramas de líquidos ternarios son de considerable valor en problemas de separación y extracción con solventes y gracias a ellos es posible deducir si la separación buscada puede realizarse y en cuales condiciones de operación para lograr resultados óptimos.

2. Objetivos

  1. Estudiar las relaciones de solubilidad del sistema de tres componentes: Acetato de etilo- ácido acético- agua. Son tres las posibles categorías de sistemas de tres compuestos líquidos que presentan miscibilidad parcial: un par, dos pares o tres pares de líquidos parcialmente miscibles. Este caso será el de un par de líquidos parcialmente miscible.
  2. Trazar el diagrama de equilibrio para el sistema estudiado. Se han propuestos diversos esquemas para representar bidimensionalmente los diagramas de equilibrio de los sistemas ternarios, aunque el mas utilizado y el que se utilizara en la practica es el método del triangulo equilátero.
  3. Construir la curva de solubilidad (binodal) para una temperatura dada y determinar las líneas de reparto. En la practica se tendrá una mezcla de agua y acetato de etilo a las cuales se agregaron cantidades de ácido acético, la mezcla de una composición global que se encuentra dentro del área del domo dará dos capas liquidas de composiciones dadas por las líneas de unión apropiada por la composición de la mezcla. Esta curva se denomina binodal.

3. Materiales y reactivos

"Determinación de la curva de equilibrio"

Materiales

Reactivos

4 Buretas

8 Erlenmeyers de 250 ml

4 Embudos

4 Pipetas de 10 ml

4 Vasos de Precipitado

Agua Destilada

Ácido Acético Glacial, Ch3COOH

Acetato de Etilo, C4H8O2

Hidróxido de Sodio, NaOH 0.4 M

Fenoltaleina

4. 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.

5. Cálculos previos

Preparación de soluciones de 10,20,30,40,50,60,70,80 y 90% de Acetato de Etilo, C4H8O2, en Agua.

%v/ v = , despejando

Entonces, para obtener una solución de 10% de C4H8O2 en H2O

1.0 ml C4H8O2 en 90 ml de H2O

para obtener una solución de 20% de C4H8O2 en H2O

2.0 ml C4H8O2 en 80 ml de H2O

y así sucesivamente

6. Datos experimentales

Parte Experimental: "Determinación de la Curva de Equibrio"

Parte a: "construcción de la curva binodal"

Alícuota (%v/ v)

Volumen gastado de Ácido Acético (ml)

10

0.5

20

0.7

30

1.5

40

2.0

50

3.45

60

2.75

70

2.75

80

2.45

90

1.45

Parte B: "CONSTRUCCIÓN de laS LINEAS DE UNION"

Disolución

Peso del vaso

antes

Peso del vaso

después

Vol. gastado

de NaOH (ml)

1

Acuosa

23.20

30.04

4.8

Orgánica

22.35

23.58

5.4

2

Acuosa

22.09

29.01

11.4

Orgánica

114.89

115.70

7.8

3

Acuosa

60.3

67.92

15.2

Orgánica

49.48

50.86

13.2

4

Acuosa

21.92

30.20

16.8

Orgánica

22.18

24.28

18.8

7. Resultados

Para la construcción de la Curva Binodal, los valores fueron los siguientes:

Para el Acetato de Etilo:

ml en la solución

Gramos

moles

%p/ p

Fracción Molar

10

9.01

0.102

9.05

0.0200

20

18.02

0.205

18.25

0.0446

30

27.03

0.307

27.41

0.0729

40

36.04

0.409

36.72

0.1080

50

45.05

0.512

45.66

0.1530

60

54.06

0.614

55.76

0.2130

70

63.07

0.717

65.73

0.2940

80

72.08

0.819

76.15

0.4150

90

81.09

0.921

87.56

0.6110

Para el Agua:

ml en la solución

Gramos

moles

%p/ p

Fracción Molar

90

90

5

90.42

0.978

80

80

4.44

81.01

0.957

70

70

3.88

70.99

0.922

60

60

3.33

61.41

0.882

50

50

2.78

50.68

0.829

40

40

2.22

41.26

0.770

30

30

1.67

31.26

0.686

20

20

1.11

21.13

0.563

10

10

0.56

10.79

0.372

Para el Ácido Acético:

ml en la solución

Gramos

moles

%p/ p

Fracción Molar

0.5

0.525

0.0087

0.53

0.00171

0.7

.735

0.0123

0.74

0.00267

1.5

1.575

0.0263

1.59

0.00625

2.0

2.1

0.0350

2.14

0.00936

3.45

3.6

0.0600

3.65

0.01789

2.75

2.89

0.0480

2.98

0.01670

2.75

2.89

0.0480

3.01

0.01970

2.45

2.57

0.0430

2.72

0.02180

1.5

1.52

0.0252

1.64

0.01686

Para la Construcción de las Líneas de Unión, los valores fueron los siguientes:

Disolución

Gramos

Moles

%p/ p

Fracción Molar

1

Acuosa

6.84

0.00192

84.76

0.47059

Orgánica

1.23

0.00216

15.24

0.52941

2

Acuosa

6.92

0.00456

89.52

0.59375

Orgánica

0.81

0.00312

10.48

0.40625

3

Acuosa

7.62

0.00608

84.67

0.53521

Orgánica

1.38

0.00528

15.33

0.46479

4

Acuosa

8.28

0.00672

79.77

0.08203

Orgánica

2.1

0.07520

20.23

0.91797

8. Discusión de resultados

Al analizar los resultados obtenidos, como se puede aprecia en la gráfica del diagrama ternario, Agua- Acetato de etilo- Ácido Acético, se deduce que es un sistema de tres líquidos donde un par de ellos presentan miscibilidad parcial, en nuestro caso este par es Agua- Acetato de Etilo. La curva binodal mostrada en dicho diagrama indica que toda composición que este contenida dentro de ella dará una formación de dos capas saturadas, una acuosa y otra orgánica, formando unas disoluciones ternarias conjugadas.

Las líneas de unión inscritas dentro de la curva binodal tienes pendientes distintas, no horizontales, tal como se aprecia. Este comportamiento era de esperarse debido al aumento de las solubilidades mutuas del acetato de etilo y el agua en presencia del ácido acético.

Las líneas de unión también reflejan que el ácido acético presenta una mayor solubilidad en el acetato de etilo que en el agua. Esto se explica por que el acetato de etilo es un Ester, es decir, un derivado de ácidos carboxílicos y siendo el ácido acético uno de esos ácidos no es de extrañar dicho comportamiento para un mismo grupo funcional (Carbo-alcoxi).

La formación de las dos capas es producto de que la experiencia realizada se mezclaron cantidades relativas de los componentes que excedían la solubilidad mutua, observándose una una laguna de miscibilidad entre el agua y el acetato.

Se puede observar en la tabla de resultados que el volumen de ácido acético fue aumentando, desde la muestra de 10% hasta la disolución de 50%, cambiando después de este punto debido a la presencia de disoluciones con mayor contenido de acetato de etilo en la cual se necesita una menor cantidad de ácido acético para eliminar la turbidez.

Toda composición que este fuera de la curva binodal dará una disolución homogénea de los tres líquidos, la regla de las fases establece que para definir el sistema en este caso serian necesarios dos grados de libertad, y como la presión es constante y el diagrama es isotermo, será necesario fijar la composición de dos componentes y automáticamente la tercera composición será conocida.

Si aplicamos la regla de las fases dentro de la curva binodal, se obtiene que será necesario solo un grado de libertad, esto es debido a que hay dos fases. Fijando la composición de uno de los tres líquidos, quedara definido el sistema, gracias a las líneas de unión.

El punto máximo de la curva binodal, difiere del punto de pliegue, lo cual se explica por la ley de distribución ya que la naturaleza de las dos capas no permanece constante. E punto de pliegue representa la cantidad de ácido acético en la que este se distribuye de igual forma en la fase acuosa y la orgánica.

9. Conclusiones

  • El sistema de tres líquidos formado por acetato de etilo- agua- ácido acético, forma sistemas con un par de ellos parcialmente miscibles, en este caso en el aceto y el agua.
  • La mezcla de los tres líquidos forman disoluciones ternarias conjugadas, es decir, dos capas saturadas, una acuosa y otra orgánica.
  • El ácido acético es más soluble en acetato de etilo que en el agua, formando líneas de unión no horizontales y con pendientes distintas.
  • Por encima del punto máximo de la curva binodal, será una solución homogénea de una fase liquida.
  • Una mezcla por debajo y dentro de la curva forma dos fases liquidas insolubles saturadas de composiciones en equilibrio.
  • Las líneas que unen las composiciones en equilibrio son las denominadas líneas de unión.
  • Los grados de libertad necesarios dentro de la curva binodal es de uno, en cambio por encima de esta es de dos grados de libertad.

10. Recomendaciones

  • Hay que ser muy cuidadoso al momento de utilizar el ácido acético, debido a que este es muy volátil, así que para la obtención de unos resultados óptimos es necesario que antes de verter la cantidad del ácido en la bureta para la valoración, la mezcla de acetato y de agua este lista para titularse.
  • Seria favorable para aumentar nuestros conocimiento de los comportamientos de sistemas de tres líquidos con un par parcialmente miscibles, trabajar a diferentes temperaturas, y así observar la variación de la curva de solubilidad a una temperatura alta con respecto a una menor.
  • Realizar experimentos con sistemas de tres líquidos con dos pares parcialmente solubles, dos líquidos parcialmente soluble y un sólido y tres pares parcialmente solubles.

11. Bibliografía

  • CASTELLAN G.W. " Físico-química"
  • DANIELS A. "Físico-química"
  • GLASSTONE, S. "Elementos de físico-química"

12. Anexos

Calculos Tipicos
Calculo de los moles y masa de Ácido Acético:
ρCH3COOH= 1.050 gr/ ml
PMCH3COOH= 60 gr/ mol
Para 10% de C4H8O2 en H2O y un volumen gastado de CH3COOH= 0.5 ml

mCH3COOH=

nCH3COOH=

Calculo de los moles y masa de Acetato de Etilo:
ρC4H8O2= 0.901 gr/ ml
PMC4H8O2= 60 gr/ mol
Para 10% de C4H8O2 en H2O y un volumen de C4H8O2= 10 ml

m C4H8O2=

n C4H8O2=

Calculo de los moles y masa del Agua:
ΡH2O= 1.00 gr/ ml
PMH2O= 18 gr/ mol
Para 10% de C4H8O2 en H2O y un volumen de H2O= 90 ml

m H2O =

n H2O =

Cálculos de los porcentajes en peso de los compuestos para la obtención de la curva de solubilidad:

grT= grCH3COOH + grC4H8O2 + grH2O = (0.525 + 9.01 + 90) gr = 99.535 gr

Calculo de las líneas de Unión:
Para la fase orgánica formada por acetato de etilo y agua
Para la disolución:
nNaOH= [NaOH] * V
si VNaOH = 5.4 ml = 0.0054 L

nNaOH=

Para la fase acuosa formada por agua y acetato de etilo:

nNaOH= [NaOH] * V

si VNaOH = 4.8 ml = 0.0048 L

nNaOH=

las fracciones molares serán:

Xfor=0.47059

Xfac=0.52941

Los porcentajes en peso serán:
Disolución # 1:

 

 

Autor:


Jenith Arion Vargas
Carlos Ali

Febrero de 2003


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