Labo 7 Informe Tres Componentes 4v243k

SISTEMA LIQUIDO DE TRES COMPONENTES 1. OBJETIVO.  Construir en forma experimental la cueva 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. 2. FUNDAMENTO TEÓRICO

En un sistema en equilibrio el potencial químico de cada componente debe ser el mismo en cualquier parte del sistema. Si hay varias fases presentes, el potencial químico de cada componente (sustancia) debe tener el mismo valor en cada fase, en la que se encuentre el componente. Existen sistemas de un componente y varios componentes, entre estos pueden existir una o varias fases. Se puede hacer una generalización referente al número de fases que puede coexistir en un sistema llamada regla de las fases. Esta regla fue deducida y demostrada por J. Willard Gibbs y está dada por la siguiente ecuación:

V=C-F+2

(1)

Donde: V = Grados de Libertad (Varianza) F = Número de Fases en el sistema C = Número de Componentes 2 = Número referido a las variables de presión y temperatura La regla de las fases nos proporciona un adecuado control de ideas acerca de los equilibrios entre fases en sistema más complicados. En un sistema líquido de tres componentes (C = 3) de acuerdo a la regla de las fases la varianza del sistema será: V = C - F + 2 = 3 – F + 2 = 5 - F (1) Si se fijan la presión y la temperatura la varianza será: V =3-F

(2)

De modo que el sistema tendrá como máximo dos grados de libertad, que representan a las variables de composición relacionadas mediante la siguiente ecuación: X1 + X2 + X3 = 1 (3) Es decir, que, si variamos dos de las tres variables de composición, automáticamente la tercera es fijada. Si existen 2 fases líquidas el sistema el sistema será monovariante, es decir que, si se llega a variar cualquiera de las composiciones, las composiciones de las soluciones conjugadas en el sistema quedan automáticamente definidas por medio de una de las líneas de unión de las muchas que existen en la zona bifásica. Diagrama Triangular

Para la representación gráfica de un sistema líquido de tres componentes es conveniente el empleo del diagrama Triangular equilátero como el que se muestra en la Fig. 1 donde los vértices del triángulo representan a un componente puro.

Cada lado del triángulo se divide en 100 partes, para así tener la composición centesimal, cualquier punto del lado del triángulo representa una mezcla binaria. Un punto en el interior del triángulo representa una mezcla ternaria, el % de A en la mezcla correspondiente al punto P está dado por los segmentos Pa o Pa’; en forma análoga el % de B está dado por los segmentos Pb o Pb’ y finalmente el % de C es igual a los segmentos Pc o Pc’, en síntesis, se tiene: % A = Pa

;

% B = Pb

;

% C = Pc

Los diagramas triangulares se utilizan como isotermas o diagramas a temperatura constante. Sistema Ácido Acético – Cloroformo – Agua En este sistema se tienen los siguientes pares: H2O – CH3COOH

son totalmente miscibles entre sí

CHCl3 – CH3COOH

son totalmente miscibles entre sí

CHCl3 – H2O

son parcialmente miscibles entre sí

Acido Acético 100%

E M R Cloroformo 100%

Agua 100%

En la anterior figura se muestra el diagrama de fases para este sistema a temperatura ambiente y presión atmosférica. Cuando se agrega agua al cloroformo se obtiene un sistema homogéneo, siempre que la cantidad de agua no exceda la correspondiente al punto de saturación indicado por X. El agregado posterior de agua separa al sistema en dos fases. Si la composición inicial del sistema es Z, al agregar ácido acético, éste se distribuye entre las dos fases formando las soluciones ternarias conjugadas, cuyas composiciones están indicadas por los puntos E y R. La línea que los une se denomina línea de unión o línea de reparto y no es paralela a la base del triángulo debido a que el ácido acético es más soluble en agua que en cloroformo. A medida que se va agregando más ácido acético, las líneas de unión se van acortando hasta que se llega al punto P, donde las soluciones

conjugadas tienen la misma composición a este punto se le denomina punto de pliegue. Una mezcla preparada cuya composición está dada por el punto M, se separa en dos fases conjugadas de composición E y R, la línea de unión se determina separando ambas fases y pesándolas para luego analizar el contenido de ácido acético en ambas fases. Aplicando la regla de la palanca para soluciones conjugadas de la mezcla se tiene:

R ME X E  X M   M RE XE  XR

Donde: R = Cantidad de la solución conjugada rica en CHCl3 E = Cantidad de la solución conjugada rica en H2O M = Cantidad de la mezcla XR = Fracción en peso de ácido acético en R XE = Fracción en peso de ácido acético en E XM = Fracción en peso de ácido acético en M

3. APARATOS Y REACTIVOS Los materiales que se usaron fueron los siguientes:         

2 Buretas de 50 ml 6 Matraces Erlenmeyer de 150 ml 2 Pinzas para buretas Anillos. Embudos de separación de 125 ml Soportes universales 2 Pipetas de 5 ml 1 Pipeta de 10 ml 1 Probeta de 50 ml

Los reactivos fueron:  Ácido acético glacial  Cloroformo  Hidróxido de Sodio  Fenolftaleína  Agua Destilada 4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Para el proceso experimental se tiene el siguiente diagrama:

SISTEMA LÍQUIDO DE TRES COMPONENTES

Zona orgánica

Zona acuosa

Líneas de Unión

Prepara unaunmezcla de 1 ml cloroformo y 2,5 Preparar ml de agua tresenmezclas otro Erlenmeyer de las siguientes de 100 composicio ml Prepara una mezcla de 5 ml de cloroformo y 0,5 ml de agua en Erlenmeyer dede 100ml

Añadir Agregar ácido acético desde una bureta hasta obtener una solución clara.ácido acético y obtener una solución clara.

Agregar 4 porciones de 2,5 ml de agua y en cada caso agregar ácido acético hasta que la turbidez de la mezcla desa Anotar el volumen de ácido acético gastado. Traspasar a los embudos de separación y agitar vigorosamente d

Repetir el procedimiento agregando a la mezcla resultante 0,5 ;1;1,5;10 y 15 ml de agua cada vez. Pesar cada una de las fases y analizar el

Usar toda la fase orgánica y una alícuota de 5 ml de la fase acuosa e

5. CÁLCULOS Y CUESTIONARIO Realizamos reorganizando nuestra hoja de cálculos: Zona Orgánica

Volumen CHCl3 (ml) 5 5 5 5 5 5

N 1 2 3 4 5 6

Volumen H2O (ml) 0.5 1.0 2.5 7.5 17.5 32.5

Volumen CH3COOH (ml) 3.8 4.7 7.2 14.75 24.2 32.7

Zona Acuosa N 1 2 3 4 5

Volumen CHCl3 (ml) 1 1

Volumen H2O (ml) 2.5 5

Volumen CH3COOH (ml) 4.6 6.3

1 1 1

7.5 10 12.5

7.8 9.1 9.9

Líneas de Unión Preparación: Mezcla

CHCl3(ml)

CH3COOH (ml)

H2O (ml)

A

5.25

3.75

6.00

B

4.50

5.25

5.25

C

4.50

6.75

3.75

Pesos y Volúmenes de cada fase: (Los pesos se hallaron directamente en laboratorio aprovechando la balanza electrónica. Se taró el peso de cada probeta vacía, de modo que luego se midiera directamente el peso de cada fase. Los volúmenes fueron medidos directamente con la probeta correspondiente)

Mezcla

Fase Orgánica Peso (g)

A B C

7.090 6.520 5.710

Fase Orgánica Volumen (ml) 5.20 4.35 4.50

Fase Acuosa Peso (g)

Fase Acuosa Volumen (ml) 9.20 10.5 10.1

9.540 10.48 10.710

5.1

Determinar los porcentajes en peso de cloroformo, ácido acético y agua de cada mezcla, tabular resultados. Zona Orgánica Volumen CHCl3 (ml) 5 5 5 5 5 5 Aplicando la ecuación: g ρCHCL 3=1.48 ml

Volumen H2O (ml) 0.5 1.0 2.5 7.5 17.5 32.5

m=

Volumen CH3COOH (ml) 3.8 4.7 7.2 14.75 24.2 32.7

V

( )

ρCH 3 COOH =1.05 ρ H 2 O =1(

( mlg )

g ) ml

TABLA1: Masa CHCl3 (g)

Masa H2O (g)

7.4 7.4 7.4 7.4 7.4 7.4

0.5 1.0 2.5 7.5 17.5 32.5

Masa CH3COOH (g) 3.99 4.94 7.56 15.49 25.41 34.34

Masa Total (g) 11.89 13.34 17.46 30.39 50.31 74.24

Entonces las fracciones en peso serán: TABLA2: % CHCl3 62.24 55.47 42.38 24.35 14.71 9.97

% H2O 4.20 7.50 14.32 24.68 34.78 43.78

%CH3COOH 33.56 37.03 43.30 50.97 50.51 46.25

Volumen CHCl3 (ml) 1 1 1 1 1

Volumen H2O (ml)

Volumen CH3COOH (ml) 4.6 6.3 7.8 9.1 9.9

Zona Acuosa TABLA3:

Aplicando la ecuación: g ρCHCL 3=1.48 ml

2.5 5.0 7.5 10.0 12.5

m=

 V

( )

ρCH 3 COOH =1.05 ρ H 2 O =1(

( mlg )

g ) ml

TABLA4: Masa CHCl3 (g)

Masa H2O (g)

1.48 1.48 1.48 1.48 1.48

2.5 5 7.5 10 12.5

Entonces las fracciones en peso serán:

Masa CH3COOH (g) 4.83 6.62 8.19 9.56 10.40

Masa Total (g) 8.81 13.10 17.17 21.04 24.38

TABLA5: % CHCl3 16.80 11.30 8.62 7.03 6.07

5.2

% H2O 28.38 38.17 43.68 47.53 51.27

%CH3COOH 54.82 50.53 47.70 45.44 42.66

Graficar la curva binodal usando los resultados obtenidos en el anterior punto, completar con los siguientes datos: una solución saturada de agua en cloroformo contiene 98 % en peso de cloroformo. Mientras que la solución conjugada de cloroformo en agua contiene 1.0 % de cloroformo también en peso.

El presente grafico se realizará en un papel milimetrado mostrando en comportamiento de cada sustancia:

5.3

Trazar las líneas de unión

Las composiciones en volumen de las mezclas son:

Mezcla A B C

Clorofor mo 35% 30 % 30 %

Ácido Acético 25% 35 % 45 %

Agua 40% 35 % 25 %

Pesos y Volúmenes:

Mezcla

Fase Orgánica Peso (g)

Fase Orgánica Volumen (ml)

Fase Acuosa Peso (g)

Fase Acuosa Volumen (ml)

A B C

7.090 6.520 5.710

5.20 4.35 4.50

9.540 10.48 10.710

9.20 10.5 10.1

Para la solución A:

% HAcORG 

mHAcORGANICO *100 mORGANICO

mHAcORGANICO  5.7ccNaOH *

2 eq - gr NaOH 1 eq - gr HAc 1mol HAc 60 grHAc * * *  1000 cc NaOH 1eq  grNaOH 1eq  grHAc 1mol

mHAcORGANICO  0.684 gr de HAc organico % HAc 

0.684 gr * 100  9.65 % HAc 7.09 gr

% HAc ACUOSO 

mHAcACUOSO *100 m ACUOSO

macuoso  13.4ccNaOH *

% HAc 

2 eq - gr NaOH 1 eq - gr HAc 1mol HAc 60 grHAc * * *  1.608 grHAc acuoso 1000 cc NaOH 1eq  grNaOH 1eq  grHAc 1mol

1.608 gr * 100  16.86 % HAc 9.54 gr

Para la solución B:

% HAcORG 

mHAcORGANICO *100 mORGANICO

mHAcORGANICO  6.8ccNaOH *

2 eq - gr 1 eq - gr HAc 1mol HAc 60 grHAc * * *  1000 cc NaOH 1eq  grNaOH 1eq  grHAc 1mol

mHAcORGANICO  0.816 gr de HAc organico % HAc 

0.816 gr *100  12.52 % HAc 6.520 gr

% HAc ACUOSO 

mHAcACUOSO * 100 m ACUOSO

ma cos o .  17.9ccNaOH *

% HAc 

2 eq - gr 1 eq - gr HAc 1mol HAc 60 grHAc * * *  2.148 grHAc a cos o 1000 cc NaOH 1eq  grNaOH 1eq  grHAc 1mol

2.148 gr *100  20.50 % HAc 10.48 gr

Para la solución C:

% HAcORG 

mHAcORGANICO * 100 mORGANICO

mHAcORGANICO  10.2ccNaOH *

2 eq - gr 1 eq - gr HAc 1mol HAc 60 grHAc * * *  1000 cc NaOH 1eq  grNaOH 1eq  grHAc 1mol

mHAcORGANICO  1.224 gr de HAc organico % HAc 

1.224 gr * 100  21.44 % HAc 5.71gr

% HAc ACUOSO 

mHAcACUOSO 2.712 * 100   100  25.32% HAc m ACUOSO 10.71

macuoso  22.6cc *

2 eq - gr 1 eq - gr HAc 1mol HAc 60 grHAc * * *  2.712 grHAc acuoso 1000 cc NaOH 1eq  grNaOH 1eq  grHAc 1mol

5.4

Indicar la varianza del sistema dentro y fuera de la curva binodal y en los dos lados del diagrama.

Dentro de la curva binodal es V = C – F+2 (P, T, xi) Como P y T es constante y hay tres componentes, se tiene: V=3–F Habiendo realizado este análisis, efectuamos el análisis en las diferentes regiones del diagrama: 

en la región monofásica:

F = 1 

V = 3 –1 = 2

en la región bifásica:

F = 2

V=3–2=1

 en una línea de unión: F = 2, pero: “T” también es constante, ya que sobre una línea de unión ya está definida  V = C – F = 3-2 = 1 5.5

Determine el punto pliegue.

Habiendo ya trazado las líneas de unión extrapolamos y trazamos una línea de unión hacia el punto de pliegue o punto de coso luto por tal razón se lee de la gráfica: % CH3COOH =

%H2O =

%CHCl3 =

6. CUESTIONARIO - Para un sistema liquido ternario, donde los pares A-B y B-C son parcialmente miscibles. Determinar el efecto de la temperatura en el sistema, indicando los grados de libertad en cada región y en los lados.

-

En 1: C=2 F=2 V=2-2=0 En 2: C=2 F=1 V=2-1=1 En 3: C=3 F=2 V=3-2=1 En 4: C=3 F=1 V=3-1=2 En 5: C=2 F=1 V=2-1=1 En 6: C=2 F=1 V=2-1=1 En el diagrama de fases de la practica indicar la varianza en las siguientes regiones o zonas:

a) Base del diagrama En 1: C=2 F=2 V=2-2=0 En 2: C=2 F=1 V=2-1=1 b) Lado izquierdo del diagrama En 3: C=2 F=1 V=2-1=1 c) Fuera de la zona bifásica En 4: C=3 F=1 V=3-1=2 d) En la curva de separación En 5: C=3 F=2 V=3-2=1 e) Sobre una línea de unión En 6: C=3 F=2 v=3-2=1

-

¿Por qué no puede aplicarse la ley de reparto a las soluciones conjugadas? En 1391 se formula la ley del reparto, dada por Nerst, esta ley se ha aplicado al estudio de problemas a nivel teórico y práctico, como el proceso de extracción, el de análisis y determinación de las constantes de equilibrio, las cuales dependen de la temperatura dada. Poniendo de ejemplo a la extracción, este procedimiento se utiliza a nivel de laboratorio e industrial. En el primero se utiliza para remover una sustancia de un líquido o de un sólido mediante la utilización de un

solvente orgánico como éter, cloroformo, benceno, tetracloruro de carbono o en agua. A nivel industrial se aplica en la remoción de elementos no deseables en el producto final, pero para esto se necesita saber la cantidad de solvente a utilizar y el número de veces que se a de efectuar el ciclo de la extracción, ya que no se debe desperdiciar reactivos ni energía. Debido a que el ácido acético es más soluble en el agua que en el cloroformo. - Definir lo que significa capa refinada y capa extracto. La capa refinada es la solución conjugada rica en la fase orgánica, en nuestro caso rica en cloroformo. La capa extracto es la solución conjugada rica en la fase acuosa, es decir rica en agua. - En el siguiente diagrama de fases para el sistema ternario H2O-NaCl-KCl. Determinar:

a) Las varianzas en cada una de las regiones. Región a-b-c-H2O: C=3 F=1 V=3-1=2 Región a-b-KCl: C=3 F=2 V=3-2=1 Región b-c-NaCl: C=3 F=2 V=3-2=1 Región KCl-b-NaCl: C=3 F=3 V=3-3=0 b) Describir los cambios que se producen cuando se adiciona KCl a una solución de composición P. El punto P se encuentra en la región donde existe solo la fase liquida. Si agregamos a la solución liquida KCl existirá un

momento en que ya no sea solo líquido, la sal empezará a precipitarse.

7. CONCLUSIONES o Se construyó en forma experimental la curva binodal y las líneas de unión para el sistema ternario: cloroformo, agua y ácido acético. o Se comprobó la regla de las fases usando el diagrama triangular, observando el cambio de fases respecto a la composición de cada elemento. o En el sistema, se observó un sistema bifásico una razón por la cual forma una curva binodal, es debido a que existe una solubilidad parcial entre el cloroformo y el agua. o El agua y el cloroformo presentan una miscibilidad parcial debido a que la polaridad que presentan (agua más polar que el cloroformo). De manera que cualquiera sea el solvente, no puede dar buena solvatación a las moléculas de CHCl 3 o de H2O. Por lo tanto, se ha determinado las cantidades de cada componente en las fases acuosas y orgánica, donde claramente se puede observar que las líneas de unión nos dicen que el ácido acético es más soluble en agua que en cloroformo. 8. BIBLIOGRAFÍA  Ing. Avendaño e Ing. Cusi; GUÍA FISICOQUÍMICA  Castellan Gilbert; FISICOQUÍMICA  www.idoub.com; INTERNET

DE

LABORATORIO

DE