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Contenido 1.

RESUMEN ...................................................................................................................... 1

2.

INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 2

3.

MARCO TEÓRICO ........................................................................................................ 3

4.

OBJETIVOS.................................................................................................................... 8 4.1.

Objetivo general ...................................................................................................... 8

4.2.

Objetivos específicos ............................................................................................... 8

5.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL......................................................................... 9 5.1.

Proceso 1. Múltiples tubos a distintas concentraciones ........................................... 9

5.2.

Proceso 2. Por dilución .......................................................................................... 10

6.

DATOS, RESULTADOS Y CÁLCULOS ................................................................... 12

7.

ANALÍSIS DE RESULTADOS ................................................................................... 19

8.

CONCLUSIONES ........................................................................................................ 21

9.

RECOMENDACIONES ............................................................................................... 22

10. PROBLEMAS ENCONTRADOS DURANTE EL DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD ........................................................................................................................ 23 11.

ANEXOS ................................................................................................................... 24

11.1.

Fotos durante el laboratorio................................................................................ 24

11.2.

Ficha de seguridad de los reactivos .................................................................... 24

1. RESUMEN Cuando se intenta hacer la mezcla de dos líquidos, a presión atmosférica, se pueden observar diferentes comportamientos, que los líquidos sean miscibles en todo el rango de temperaturas y en todo el rango de composiciones, como ocurre por ejemplo al mezclar agua y etanol, también que los líquidos sean inmiscibles y no se mezclen a ninguna composición ni temperatura y otra opción es que los líquidos sean miscibles o inmiscibles en función de la temperatura y de la composición en que se encuentren. En este caso se trata de un sistema de líquidos parcialmente miscibles, cuyo clásico ejemplo es la mezcla entre agua y fenol que será el sistema a analizar durante este informe. En el presente trabajo se muestra la construcción de un diagrama de miscibilidad del sistema binario agua-fenol, mediante dos diferentes métodos, ambos en función de la variación de concentraciones. Posteriormente, se usa el diagrama de miscibilidades construido para especificar el punto de temperatura crítica, es decir, a la cual las dos sustancias se hacen miscibles sin importar su composición. Y finalmente comparar el valor experimental obtenido con el teórico.

1

2. INTRODUCCIÓN El conocimiento de las propiedades termoquímicas es de vital importancia en el ámbito de la ingeniería química, en especial, cuando se habla de miscibilidad se sabe que es un parámetro en muchos casos aprovechable en los procesos químicos y útil a la hora de manipular una sustancia. Entre las aplicaciones del conocimiento de los sistemas de equilibrio líquido-liquido se encuentran la separación y purificación de líquidos inmiscibles, como las inundaciones miscibles (1). Además de que el entendimiento de los diagramas de miscibilidad es útil para predecir el comportamiento de las sustancias en distintos procesos o experimentaciones. Este documento pretende sintetizar las observaciones y análisis realizados durante la práctica experimental acerca de los cálculos realizados a partir de las reacciones químicas vistas. De la misma manera, se dice que la práctica de laboratorio citada es de especial relevancia para la vida profesional del estudiante de Ingeniería Química ya que permite de desarrollo de habilidades de observación de experimentos sencillos y de las condiciones bajo las cuales se deben llevar a cabo, por tanto, contribuye el desarrollo de destrezas orientadas hacia la planificación, ejecución y análisis de una actividad práctica a nivel industrial.

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3. MARCO TEÓRICO En la naturaleza, las sustancias se encuentran formando mezclas y compuestos, lo que permite que puedan conservar sus propiedades individuales. La composición de estas mezclas son variables por lo que permite separar sus componentes por medios físicos y/o mecánicos. Cuando dos líquidos se mezclan en grado apreciable y a su vez no reaccionan químicamente entre sí estos pueden mezclarse totalmente formando una solución homogénea, independiente de las cantidades relativas de ambos presentes en la mezcla ; por otro lado la solubilidad mutua entre los líquidos puede considerarse totalmente inmiscible presentándose en contacto uno con el otro en forma de capas separadas; o su solubilidad puede presentarse de forma limitada , es decir, pueden ser parcialmente miscibles. La miscibilidad hace referencia a la propiedad de algunos líquidos para mezclarse en cualquier proporción, formando una solución homogénea a una temperatura y presión dada, este concepto también aplica para las fases sólidas y gaseosas, pero comúnmente se utiliza para referirse a mezclas de líquidos. La regla general descrita por la frase “Lo similar disuelve lo similar” relaciona que dos o más líquidos no polares con frecuencia son miscibles entre sí, del mismo modo que dos o más líquidos polares son miscibles entre sí. Esto se debe principalmente por la fuerza entre las moléculas a través de los puentes de hidrógenos que incluyen a los grupos –OH. Al mezclar líquidos no polares, la energía asociada a estas fuerzas de atracción tiene un valor similar a la energía debida a las fuerzas de atracción entre las moléculas. Los líquidos parcialmente miscibles son aquellas sustancias que no se mezclan en todas las proporciones a cualquier temperatura. La elección de una temperatura implica que la composición de las fases liquidas no miscibles es fija. Cuando se ponen en contacto dos líquidos parcialmente miscibles, aparece un intervalo de composiciones en el que las dos fases liquidas están en equilibrio cada una de la otra.

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Figura No1. Solubilidad del fenol en agua1

Si una serie de tubos que contienen porcentajes diversos pero conocidos de fenol y agua se calientan (o se enfrían si es necesario) hasta formar una solución homogénea y se observa las temperaturas respectivas, se obtendrá al graficar los resultados una curva similar a la de la figura No1. En este gráfico, el área dentro de la curva representa la región donde las mezclas de fenol y agua se separan en dos capas, y en la región fuera de la curva se obtendrán soluciones homogéneas. Si se añaden pequeñas cantidades de fenol al 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 .La temperatura máxima de esta curva se denomina temperatura critica de solución, o sea la temperatura por encima de la cual hay una solución homogénea sea cual fuere la composición de la mezcla. Para fenol y agua, la temperatura crítica de solución se produce a una composición de 34,0% de fenol en agua. Si se aumenta la temperatura de la mezcla fenol-agua por encima de 50°C, varían las composiciones de las disoluciones de las disoluciones conjugadas (dos fases liquidas que se encuentran en equilibrio cada una con la otra de manera que sus composiciones son independientes de la composiciones de la mezcla total de las dos fases), aumentando el contenido en fenol de la capa superior y disminuyendo el de la capa inferior. Cuando se alcanza una temperatura de 66°C, las composiciones de las fases conjugadas se hacen iguales y la mezcla se vuelve homogénea .La composiciones a la que se alcanza la igualdad de composición de las dos fases se denomina composición critica de disolución, y la temperatura a la que la miscibilidad se hace completa se denomina temperatura critica de disolución. 2 En el caso de fenol y agua la solubilidad mutua aumenta junto con la temperatura y la temperatura crítica de solución se encuentra a un punto relativamente alto. Sin embargo, en un cierto número de casos la solubilidad mutua aumenta al disminuir la temperatura y la temperatura crítica de solución se encuentra a un valor relativamente bajo. Casi todas las 1

A.R.Gennaro.Remington farmacia, volumen 1 .Buenos aires, Argentina: Editorial Medica panamericana, 2003,pp149-

151; 249-250. 2

O.A Hougen,K.M.Watzon, R.A.Ragatz. Principios de los procesos químicos. Balances de materia y energía:

Editorial Reverté.,1982,pp 177,178.

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sustancias con temperatura crítica de soluciones menores son aminas. Por ejemplo la trietilamina con agua. Además de los pares de líquidos que muestran temperaturas críticas de solución mayores o menores, otros pares muestran temperaturas críticas de solución mayores y menores, y una curva de solubilidad mutua de tipo cerrado. Un ejemplo de este tipo de par líquido se encuentra en el caso de nicotina y agua grafica No 2. Las mezclas de nicotina y agua representadas por puntos dentro de la curva se separan en dos capas, pero las mezclas representadas por puntos fuera de la curva son perfectamente miscibles entre si.

Figura No. 2 Solubilidad de la nicotina en agua.

Al considerar un equilibrio liquido-liquido, se tiene la regla de las fases del siguiente modo: 𝐹 = 𝐶 − 𝑝 + 2c

(1)3

Dónde: C=número de componentes=2 P=Número de fases=2 F=grados de libertad=2 4

3

C.A.Nuñez Valdés (2004).Estudio de los sistemas binarios de líquidos parcialmente miscibles.Disponible desde: http://www.fq.uh.cu/dpto/%23qf/docencia/pregrado/equil_2/binario_fenol_agua/index.htm [Acceso 24 de Agosto]. 4

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B.P.Levitt. Química física practica de Findlay,Barcelona,España:Editorial Reverté,S.A.,1979,pp158-161.

La presión tiene poca influencia sobre el equilibrio de las fases líquidas conjugadas, puede prescindirse de ella como variable, prescindiendo al mismo tiempo de la fase vapor con lo cual no se altera el número de grados de libertad del sistema. Se establece la presión del sistema igual a la atmosférica y la temperatura es definida por el sistema. Esto significa que a una temperatura dada, las composiciones de las dos capas líquidas estarán determinadas y serán independientes de la masa o volumen de las dos fases que forman el sistema. La miscibilidad parcial entre los líquidos presenta una mayor estabilidad dada a la diferencia entre las fuerzas de atracción entre las moléculas, pues el sistema es más estable en el cual los líquidos están separados que aquel en que estos están disueltos el uno en el otro. Para sistemas en equilibrio la regla de las fases de Gibbs es aplicable. La energía de Gibbs es proporcional al cambio de numero de moles totales n, es decir que si se duplica del número de moles totales en disolución habrá aumento de doble en la energía de Gibbs. 𝐺 = 𝐺(𝑃, 𝑇, 𝑛1 , … , 𝑛𝑘 )

(2)

Se denomina proceso de mezcla a la formación, a p y T fijos, de una mezcla de dos componentes a partir de nA moles de A y nB moles de B. La diferencia entre el potencial de Gibbs del sistema

binario y el potencial de Gibbs de los componentes puros se conoce como potencial de Gibbs de mezcla ( ∆𝐺𝑚𝑖𝑥 ) . Cuando ∆𝐺𝑚𝑖𝑥 > 0 , el sistema binario no se formará (pues el segundo principio establece que a P, T, nA, nB fijos el estado de equilibrio corresponde al mínimo de G) y se considera que los componentes son inmiscibles. Cuando ∆𝐺𝑚𝑖𝑥 < 0, si se mezclan y se puede observar, en nuestro caso del sistema agua-

fenol, se da la formación ya sea de una o dos fases homogéneas en función de la temperatura y de la proporción en que se intente mezclar. El potencial de Gibbs de mezcla es suma de una contribución entálpica y otra entrópica. ∆𝐺𝑚𝑖𝑥 = ∆𝐻𝑚𝑖𝑥 − 𝑇∆𝑆𝑚𝑖𝑥

(3)

La mezcla suele implicar un aumento de entropía, ∆𝑆𝑚𝑖𝑥 > 0, y este aumento es mayor cuando se forma una única fase homogénea que cuando hay dos fases. Si ∆𝐻𝑚𝑖𝑥 < 0 entonces la mezcla también está favorecida energéticamente y se observa miscibilidad total. Por el contrario, cuando ∆𝐻𝑚𝑖𝑥 > 0 la mezcla muestra única fase a altas T(pues las altas T favorecen los estados de mayor entropía) y dos fases a bajas T es menor cuando hay dos fases que cuando hay una única fase homogénea). 5 5

W.Gilbert.Fisicoquimica, Estado de Mexico, Mexico:Editorial Addison Wesley Iberoamericana S.A.,1987,pp340-

343.

6

La regla de la palanca se utiliza para sistemas bifásicos, en una laguna de miscibilidad como la que presenta el sistema fenol-agua se notan: nB=número de moles de fenol nA= número de moles de agua nβ = número de moles en fase β nα= número de moles en la fase α Ahora, la fracción molar de b se escribe como:

𝑥𝑏 =

𝑛𝐵

(4)

𝑛𝛼 +𝑛𝛽

Por lo tanto: 𝛽

𝛽

𝑛𝐵 = 𝑛𝐵 + 𝑛𝐵𝛼 = 𝑥𝑏 𝑛𝛽 + 𝑥𝐵𝛼 𝑛𝛼

(5)

𝑛𝐵 = 𝑥𝐵 (𝑛𝛼 + 𝑛𝛽 )

(6)

Pero:

Entonces igualando las expresiones (5) y (6): 𝛽

𝑥𝐵 𝑛𝛼 + 𝑥𝐵 𝑛𝛽 = 𝑥𝑏 𝑛𝛽 + 𝑥𝐵𝛼 𝑛𝛼 𝑛𝛽 (𝑥𝐵 − 𝑥𝑏𝛽 ) = 𝑛 𝛼 (𝑥𝐵𝛼 − 𝑥𝑏 )

(7)

Si observamos esto en el diagrama de fases de la figura 3 a una T1 al trazar una linea de unión se corta la curva en dos puntos: G y E, que representan la fracción molar de B en la fase 𝛽 y la fracción molar de B en la fase 𝛼 respectivamente, siguiendo una isopleta por ese punto se ubica el valor de estas fracciones molares y se reemplazan, para este caso se llega a la siguiente expresión 𝑛𝛽 (𝑥𝐵 − 𝑥𝐵,1) = 𝑛 𝛼 (𝑥𝐵,2 − 𝑥𝑏 )6

6

I. N, Levine. Fisicoquímica, volumen 1. Madrid, España: McGraw-Hill/Interamericana de España,

S.A., 2002, pp 460.

7

(8)

4. OBJETIVOS 4.1. Objetivo general Determinar experimentalmente la concentración y la temperatura crtica del sistema binario agua-fenol. 4.2. Objetivos específicos   

8

Obtener la representación gráfica de la coexistencia de fases a diferentes concentraciones con respecto a la temperatura. Observar la unión de fases a medida que se suministra calor al sistema. Comparar el valor experimental obtenido con el parámetro teórico.

5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Para el estudio del comportamiento en líquidos parcialmente miscibles de un sistema fenolagua Se llevaron a cabo dos métodos para determinar la solubilidad del sistema a distintas temperaturas. 5.1. Proceso 1. Múltiples tubos a distintas concentraciones Los materiales y reactivos requeridos en este método fueron los siguientes: •

7 tubos de ensayo de 15 cm x2 cm

•

Una placa de calentamiento

•

Un soporte universal

•

Un trípode

•

Dos Pinzas para bureta

•

Una Pinza para tubo de ensayo

•

Un mechero de Bunsen

•

Una gradilla

•

Un termómetro de 0-110°C

•

Dos pipetas de 10,0mL

•

Un Beaker de 2L

•

Fenol concentrado

•

Agua destilada

El montaje se llevó a cabo de la siguiente forma: El tubo de ensayo fue ajustado en una pinza de bureta sostenido a través de un soporte universal; este tubo fue sumergido en un Beaker de 2L lleno de agua, en el que también se le introdujo un termómetro de 0-110°C asegurado por una pinza para bureta. La placa de calentamiento se ubicó como base del Beaker. (Ver figura No 1). En cada tubo de ensayo se prepararon soluciones acuosas de fenol al 10, 20,30, 40,50 ,60 y 70% (v/v).

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Posteriormente en el primer tubo de ensayo con su respectiva concentración fue calentado y durante la calefacción se agito a intervalos frecuentes. Al principio se permitió que la temperatura se elevara rápidamente hasta notar señales de turbidez, pero después la temperatura fue regulada de forma lenta agitando el tubo con más frecuencia. Se realizó un registro de la temperatura en el momento en que apareció la turbidez. A continuación se hizo que la temperatura del baño descendiera y finalmente se repitió el procedimiento con los 6 tubos restantes variando sus concentraciones las cuales se especifican en los resultados.

Figura 1. Montaje realizado con la placa de calentamiento.

5.2. Proceso 2. Por dilución Los materiales y reactivos requeridos en este método fueron los siguientes:

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•

1 tubo de ensayo de 15cm x 2cm

•

Placa de calentamiento

•

Un soporte universal

•

Un trípode

•

Dos pinzas para bureta

•

Una pinza para tubo de ensayo

•

Un mechero de Bunsen

•

Una gradilla

•

Un termómetro de 0-100°C

•

Un Beaker de 2L

•

Dos pipetas de 10,0mL

•

Fenol concentrado

•

Agua destilada

El montaje se llevó a cabo de la siguiente forma: Se tomó un soporte universal en donde fueron ajustadas dos pinzas de bureta, la cual una de estas sostenía el tubo de ensayo y la otra sostenía el termómetro en el que fue sumergido en un Beaker de 2L lleno de agua. Se instaló la placa de calentamiento en la parte superior de trípode y encima de esta se ubicó el Beaker de 2L, y por último se conectó la manguera a la llave del gas tal como se observa en la Figura No 2. Seguidamente con el uso de dos pipetas, de las cuales una transfería la cantidad de fenol y otra el agua destilada; se preparó la solución al 70% (p/p) en el tubo de ensayo de 15cmx 2cm. Posteriormente la muestra fue calentada y agitada en diferentes intervalos; en el momento que apareció señales de turbidez se procedió a agitar con mayor frecuencia y al observar la formación de una sola fase la temperatura fue registrada. Luego el tubo de ensayo fue retirado del sistema y se ubicó en la gradilla; el agua de Beaker se reemplazó por una a temperatura ambiente con el fin de no afectar el análisis de las próximas muestras. Consecutivamente se adicionaron cantidades calculadas de agua destilada para obtener composiciones desde 60 a 10% con la muestra inicial.

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6. DATOS, RESULTADOS Y CÁLCULOS Para la realización de la experiencia unos de los puntos centrales fue la preparación de la mezcla de fenol-agua, de tal manera que inicialmente se trabajó con %v/v debido al estado en el que se encontraban las sustancias a participar, pero para el respectivo análisis es necesario presentar dichas proporciones en % p/p por tanto, se hace uso de una serie de ecuaciones, datos teóricos como la densidad del agua (1.00g/ml) y fenol (1.007g/ml), además de asumir que los volúmenes son aditivos. Cabe resaltar que los cálculos obtenidos en la práctica se obtuvieron a temperatura ambiente (30°C). Para la primera parte de la práctica en el que se tomaron conc...