Title | Balance de materia y energia |
---|---|
Author | Rosy Anchiraico Reyes |
Course | Microeconomía |
Institution | Universidad Nacional del Centro del Perú |
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“Año del Diálogo y la Reconciliación Nacional” UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERIU FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA Diagrama triangular de Equilibrio de Fases CATEDRÁTICO: ING. MANUEL NESTARES GUERRA BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA CÁTEDRA...
“Año del Diálogo y la Reconciliación Nacional” UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERIU FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA
Diagrama triangular de CATEDRÁTICO:
ING. MANUEL NESTARES GUERRA
BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA
CÁTEDRA:
PRESENTADO POR:
CAMBILLO RIVERA Flor de Liz-IQ
CANCHUMANI BAUTISTA Brigith-IQI
COLLAZOS ROMERO Gustavo Crhistian-IQ
ESPINOZA MORALES Gianela Kiomi-IQ
HUAROC ALIAGA, Damaris Gabriela-IQ
MAYTA ARMAS Angie Fiorela-IQI
QUISPE MORENO Franz-IQI
ROJAS RAMOS Jimi Alain -IQI
FECHA DE ENTREGA: V SEMESTRE Huancayo –Perú 2018
02/05/18
LABORATORIO DE DIAGRAMA TRIANGULAR DE EQUILIBRIO DE FASES LIQUIDO - LIQUIDO DE TRES COMPONENTES
ii
RESUMEN Dentro de la ingeniería, la interpretación de gráficos y datos es de suma importancia para conocer propiedades, valores aproximados y tendencias para ser estudiadas, dentro de lo que enmarca el presente trabajo se estudia uno de los diagramas usados en Ingeniería Química, que es el diagrama triangular, específicamente se trabajó el equilibrio de fase liquido – líquido que tiene por objetivo determinar la composición de agua (H2O), tetracloruro de carbono (CCl4) y de acetona (C3H6O) en puntos específicos para así determinar la curva de miscibilidad o solubilidad de los tres componentes, con el fundamento de que ellos dos sean parcialmente miscibles y el tercero que es la acetona, sea miscible en ambos. Para ello se realizaron 5 pruebas en las cuales se tituló con un cierto volumen de acetona y se observó el cambio de dos fases a una sola, con lo cual se registra la composición y se determina la curva de miscibilidad, probando así su efectividad y de cómo puede ser útil tener conocimiento para determinar las composiciones de los compuestos químicos.
iii
ABSTRAC Within engineering, the interpretation of graphics and data is of utmost importance to know properties, approximate values and trends to be studied, within the framework of this work is studied one of the diagrams used in Chemical Engineering, which is the diagram triangular, the liquid - liquid phase equilibrium was specifically designed to determine the composition of water (H2O), carbon tetrachloride (CCl4) and acetone (C3H6O) at specific points in order to determine the miscibility or solubility curve of the three components, with the foundation that the two are partially miscible and the third that is acetone, is miscible in both. For this, 5 tests were carried out in which a certain volume of acetone was titrated and the change from two phases to a single one was observed, with which the composition is recorded and the miscibility curve is determined, thus proving its effectiveness and how it can be useful to have knowledge to determine the compositions of the chemical compounds.
iv
ÍNDICE DE CONTENIDOS RESUMEN
iii
ABSTRACT
iv
HOJA DE NOTACIÓN O NOMENCLATURA
vii
INTRODUCCIÓN
viii
1.1. OBJETIVOS
ix
1.1.1. OBJETIVO GENERAL
ix
1.1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
ix
MARCO TEÓRICO.............................................................................................10 2.1 FUERZAS INTERMOLECULARES:.........................................................10 2.2 SOLUBILIDAD DE PARES LIQUIDOS PARCIALMENTE MISCIBLES....11 2.3 CURVAS DE SOLUBILIDAD.....................................................................12 2.4 GRAFICAS DE LIQUIDO-LIQUIDO..........................................................12 2.4.1 EQUILIBRIO ENTRE DOS FASES LIQUIDAS..................................12 2.5 DIAGRAMA TRIANGULAR.......................................................................17 2.6 SISTEMAS DE TRES COMPONENTES..................................................19 2.7 TITULACION.............................................................................................21 2.8. DESCRIPCIÓN DE LOS COMPUESTOS...............................................23 2.9. PORCENTAJE EN PESO........................................................................26 2.10. FRACCIÓN MOLAR..............................................................................26 MÉTODO Y MATERIALES.................................................................................27 3.1 MÉTODO...................................................................................................27 3.2 MATERIALES............................................................................................27 3.3 REACTIVOS.............................................................................................27 3.4 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.......................................................27 3.4.1 PREPARACION DE REACTIVOS......................................................27 3.4.2 DATOS EXPERIMENTALES..............................................................28 3.4.3 CÁLCULO MATEMÁTICO..................................................................28
RESULTADOS....................................................................................................33 DISCUSIÓN DE RESULTADOS.........................................................................36 CONCLUSIONES...............................................................................................37 6.1
CONCLUSIÓN GENERAL....................................................................37
6.2
CONCLUSIONES ESPECÍFICAS.........................................................37
RECOMENDACIONES.......................................................................................38 BIBLIOGRAFÍA...................................................................................................39 ANEXOS.............................................................................................................40
HOJA DE NOTACION O NOMENCLATURA xi:
Fracción molar
T:
Temperatura
°C
p:
Presión
atm
V:
Volumen
ml
n:
Número de moles
ρ :
Densidad
g/ml
PM:
Peso molecular
g/mol
%p/p:
Porcentaje en peso
M:
Molaridad
mol/L
vii
I.
INTRODUCCIÓN
Los procesos químicos y físicos en la industria abarcan una gran área de estudio y dentro de las aplicaciones de la ingeniería química nos enfrentamos a un problema generado por la composición de dos o más sustancias en solución siendo todas líquidos, conocer el fundamento y la importancia de estos diagramas, así como respectiva interpretación puede definir como se diseña un proceso industrial, el control, rendimiento y mejora del proceso mismo. Por ello, se estudiará la representación o diagrama triangular, que nos proporciona un método de representación y estudio de las concentraciones de tres componentes, dentro de los alcances de este trabajo, se estudiará la propiedad de solubilidad de dos líquidos parcialmente miscibles y un tercero miscible entre ambos.
viii
1.1 OBJETIVOS 1.1.1 OBJETIVO GENERAL
Determinar el Equilibrio Liquido-Liquido de una mezcla de tres componentes (acetona-tetracloruro de carbono-agua); mediante el uso del triángulo equilátero.
1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICO
Determinar el porcentaje en peso de cada componente a diferentes volúmenes.
Construir la gráfica de la Curva de Miscibilidad para el sistema ternario.
ix
II.
MARCO TEÓRICO
2.1 FUERZAS INTERMOLECULARES: Las intensidades de las fuerzas intermoleculares de diferentes sustancias varían dentro de un intervalo amplio, pero generalmente son mucho más débiles que los enlaces iónicos o covalentes. Por tanto, se requiere menos energía para evaporar un líquido o fundir un sólido que para romper enlaces covalentes en las moléculas. Por ejemplo, sólo se requiere 16 kJ/mol para vencer las atracciones intermoleculares entre las moléculas de HCl en el HCl líquido y vaporizarlo. En contraste, la energía necesaria para romper el enlace covalente y disociar el HCl en átomos de H y Cl es de 431 kJ/mol. Así, cuando una sustancia molecular como el HCl cambia de sólido a líquido a gas, las moléculas permanecen intactas. Muchas propiedades de los líquidos, incluido su punto de ebullición, reflejan la intensidad de las fuerzas intermoleculares. Por ejemplo, dado lo débil de las fuerzas entre las moléculas de HCl, el HCl ebulle a una temperatura muy baja, -85°C, a presión atmosférica. Un líquido ebulle cuando se forman burbujas de su vapor dentro del líquido. Las moléculas de un líquido deben vencer sus fuerzas de atracción para separarse y formar un vapor. Cuanto más intensas son las fuerzas de atracción, más alta es la temperatura a la que el líquido ebulle. Asimismo, el punto de fusión de un sólido aumenta al incrementarse la intensidad de las fuerzas intermoleculares. [ CITATION Pet11 \l 10250 ] Figura 2.1 Fuerzas intermoleculares
Fuente: Bissonnette, 2011
10
2.2 SOLUBILIDAD DE PARES LIQUIDOS PARCIALMENTE MISCIBLES Temperatura máxima característica de solución. Cuando una pequeña cantidad de anilina se agrega al agua a la temperatura ambiente y se agita la mezcla se disuelve aquélla, formando una sola fase. Sin embargo, cuando se adicionan cantidades mayores de anilina se producen dos capas de líquido. Una de ellas, la inferior, consiste de una pequeña cantidad de agua disuelta en la anilina, mientras que la superior está constituida de una pequeña cantidad de anilina disuelta en agua. Si agregamos de nuevo anilina al sistema, la capa rica en agua disminuye en tamaño y finalmente desaparece dejando sólo una fase líquida compuesta de agua en anilina. Si este experimento se hace a temperatura constante, se encuentra que las composiciones de las dos rapas, aunque diferentes entre sí, permanecen constantes en tanto las dos fases se hallen presentes. La adición de pequeñas cantidades tanto de anilina o agua cambia simplemente los volúmenes relativos de las dos capas, no su composición. A medida que se eleva la temperatura, se encuentra que esta conducta persiste excepto que incrementa la solubilidad mutua de los dos líquidos. A 168 °C, la composición de las dos capas se hace idéntica, y de aquí que los dos líquidos son completamente miscibles. En otras palabras, a 16 °C., o por encima de esta temperatura, la anilina y el agua se disuelven entre sí en todas las proporciones y dan, al mezclarse, una sola capa líquida. Esta variación de la solubilidad mutua del agua y anilina con la temperatura se ilustra en la (figura 2.). A 100 °C. el punto A representa la composición de la capa rica en agua y el punto A, la composición de la capa rica en anilina en equilibrio con A. Entre estos puntos todas las mezclas dan capas de composiciones A y A. Fuera de estas, los dos líquidos son mutuamente solubles a 100°C; es decir, todas las composiciones entre el agua pura y A dan una solución de anilina en agua, y aquéllas comprendidas entre A, y anilina pura, dan una solución de agua en anilina. Como iguales argumentos son válidos a otras temperaturas, se deduce que el área en forma cúpula representa el dominio de existencia de las dos fases líquidas, el área externa de una sola capa liquida.[ CITATION SAM02 \l 10250 ] Figura 2.2 Solubilidad en pares miscibles
Fuente: Maron, 2002
11
2.3 CURVAS DE SOLUBILIDAD Las curvas de solubilidad son la representación gráfica del coeficiente de solubilidades un coeficiente que se asocia a cada elemento o compuesto en relación con otro y que nos muestra un valor que está en unos varemos entre los que podemos observar la solubilidad. Es un gráfico mediante el cual podemos determinar el coeficiente de solubilidad (eje y) de un soluto en base a la temperatura (eje x)[ CITATION Cla15 \l 10250 ] Figura 2.3 Curva de solubilidad
Fuente: Toloza 2015.
2.4 GRAFICAS DE LIQUIDO-LIQUIDO 2.4.1 EQUILIBRIO ENTRE DOS FASES LIQUIDAS 2.4.1.1 Sistemas de tres líquidos parcialmente miscibles Aunque son posibles muchas categorías de sistema de tres componentes se dedicará la atención principal sólo a dos de ellos; esto es, sistemas compuestos de tres componentes líquidos que presentan una miscibilidad parcial. Los sistemas compuestos de tres líquidos que presentan una miscibilidad parcial se clasifican así: Tipo 1. Formación de un par de líquidos parcialmente miscibles. Tipo 11. Formación de dos pares de líquidos parcialmente miscibles. Tipo 111. Formación de tres pares de líquidos parcialmente miscibles. Cada uno de estos tipos se discutirá por turno: UN PAR MISCIBLE PARCIALMENTE 12
Consideremos a un par de líquidos, B y C, que son parcialmente solubles entre sí a una temperatura dada. Si mezclamos cantidades relativas de los dos, de manera que se exceda los límites de solubilidad mutua, se obtendrán dos capas, una compuesta de una solución de B en C, la otra de C en B. Supongamos que ahora se agrega a la mezcla anterior un tercer líquido A, que es completamente miscible tanto en B como en C. La experiencia enseña que A se distribuirá entre dos capas y promueve una mayor miscibilidad de B y C. Este incremento depende de la cantidad adicionada Y de las cantidades de B y C presentes. Si se añade suficiente A, las dos capas pueden resultar modificadas dando una solución única compuesta de los tres líquidos.[ CITATION SAM02 \l 10250 ] Figura 2.4.1 Un par parcialmente miscible
Fuente: Maron 2002.
DOS PARES PARCIALMENTE MISCIBLES Un sistema compuesto de tres líquidos tales que A y B, y A y C son parcialmente miscibles, mientras que B y C lo son totalmente, exhibirá un diagrama de fases con dos curvas binodales como se muestra en la (figura 6). La curva aDb da el intervalo de composiciones en que la mezcla A y B conteniendo C son parcialmente miscibles. De nuevo la curva binodal cFd da el 13
área dentro de la cual C y A que contiene B se separa en dos capas. Fuera de estas áreas los tres componentes son completamente miscibles D y F son los puntos de doblez respectivos de las dos regiones heterogéneas, mientras que las dos líneas de enlace muestran las composiciones de las diversas capas en equilibrio.[ CITATION SAM02 \l 10250 ] Figura 2.4.2 Dos pares parcialmente miscibles
Fuente: Maron 2002.
TRES PARES PARCIALMENTE MISCIBLES Cuando los tres líquidos son parcialmente solubles entre si se producen tres curvas binodales con tal que la temperatura sea suficientemente elevada para prevenir intersecciones. Aquí de nuevo las áreas en forma de domo indican regiones Liquidas bifásicas, mientras que en las externas sólo existe una fase presente. Sin embargo, cuando intersectan las curvas binodales, como puede suceder a temperaturas más bajas, el diagrama toma la apariencia de la (figura 7). Aquí en las áreas designadas por 1 sólo existe una fase, mientras que en las señaladas con 2 coexisten dos fases liquidas con las concentraciones de equilibrio dadas por las líneas de enlace que las unen. El área señalada con tres, posee ahora tres fases líquidas en equilibrio. Entonces el sistema debe ser invariante a temperatura y presión constante, y 14
las
composiciones
de
las
tres
capas
resultan
fijas
e
independientes de la composición global en tanto ésta queda dentro de dicha área. Estas composiciones constantes para las tres capas líquidas en equilibrio están dadas por los puntos D, E y F.[ CITATION SAM02 \l 10250 ] Figura 2.4.3 Tres pares parcialmente miscibles
Fuente: Maron 2002.
2.4.1.2 Miscibilidad y coeficientes de distribución: Entre los ejemplos más simples del comportamiento en sistemas de tres componentes está el del cloroformo, agua y ácido acético. Los pares, cloroformo-ácido acético y agua-ácido acético son completamente miscibles, mientras que el par agua-cloroformo no lo es.
15
Figura 2.4.4 Miscibilidad
Fuente: Castellan-1974
Los puntos a y b representan las fases líquidas conjugadas en ausencia de ácido acético. Supongamos que la composición general del sistema es c, de manera que haya, según la regla de la palanca, más de la capa b que de la capa a. Si se añade un poco de ácido acético, la composición se desplaza a lo largo de la línea que une c con el vértice del ácido acético, punto c. La adición de ácido acético cambia la composición de las dos capas a a' y b'. Obsérvese que el ácido acético va con preferencia a la capa más rica en agua, b’, de modo que la línea de unión entre las soluciones conjugadas a' y b' no es paralela a ab. Las cantidades relativas de a' y b' están dadas por la regla de la palanca, esto es, por la relación de los segmentos de la línea de unión a'b'. La adición continuada de ácido acético desplaza la composición a lo largo de la línea discontinua cC; la fase rica en agua crece, mientras que la rica en cloroformo disminuye. En c" sólo quedan vestigios de la capa rica en cloroformo, mientras que sobre c" el sistema es homogéneo. Como las lineas de unión no son paralelas, el punto en el cual las dos soluciones conjugadas tienen la misma composición no está situado en la cima de la curva binodal, sino fuera, a un lado del punto k, punto de pliegue. Si el sistema tiene la composición d y se añade ácido acético, la composición se desplazará a lo largo de dk. Justo debajo de k estarán 16
presentes las dos capas en cantidades comparables. En k desaparece la frontera entre las dos soluciones y el sistema se homogeneiza. Compárese este comportamiento con el de c", donde sólo queda un vestigio de una de las capas conjugadas. Si la temperatura aumenta, se altera la extensión y la forma de la región bifásica. El coeficiente de reparto (K) de una sustancia, también llamado coeficiente de distribución (D), o coeficiente de partición (P), es el cociente o razón entre las concentraciones de esa sustancia en las dos fases de la mezcla formada por dos disolventes inmiscibles en equilibrio. Por tanto, ese coeficiente mide la solubilidad diferencial de una sustancia en esos dos disolventes.
K=
(2.1)
[ sustancia]1 [ sustancia]2
Donde [sustancia]1 es la concentración de la sustancia en el primer disolvente y, análogamente [sustancia]2 es la concentración de la misma sustancia en el otro disolvente. [ CITATION GIL74 \l 10250 ] 2.5 DIAGRAMA TRIANGULAR Un
diagrama
ternario
es
la
representación
gráfica
del
comportamiento de una propiedad característica con relación a la composición de un sistema de tres o multicomponentes, generalmente a presión y temperatura constantes. En esta representación de triángulo equilátero (figura 9), cada vértice A, B o C es un componente puro; en algunos casos puede indicar la relación constante de dos componentes. La escala que recorre cada uno de los lados del triángulo señala la fracción porcentual entre los componentes del sistema binario correspondiente.
17
Figura 2.5.1 Diagrama triangular
Fuente: Gracia-Fadrique
Cualquier punto al interior del diagrama representa la composición global del sistema ternario, donde la suma de las fracciones de los componentes está acotada por la siguiente ecuación:
(2.2)
xA+xB+xC= 1 en donde la composición, expresada en moles, masa o volumen de cada componente, se de...