Fisico 2 - PRÁCTICA 2. EQUILIBRIO LÍQUIDO VAPOR EN SISTEMAS LÍQUIDOS BINARIOS PDF

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PRÁCTICA 2. EQUILIBRIO LÍQUIDO VAPOR EN SISTEMAS LÍQUIDOS BINARIOS...

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Laboratorio de Fisicoquímica

PRÁCTICA . EQUILIBRIO LÍQUIDO VAPOR EN SISTEMAS LÍQUIDOS BINARIOS.

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OBJETIVOS •

Determinar el equilibrio entre el líquido y el vapor y el vapor en sistemas binarios

•

Describir el comportamiento del equilibrio en los sistemas líquidos binarios por medio de diagramas de equilibrio.

INTRODUCCIÓN En esta práctica se estudiará la región líquido-vapor del diagrama de fases para un sistema con dos componentes, que es importante en la separación de líquido por destilación en el laboratorio y en la industria. Mezcla binaria Cuando dos líquidos A y B se mezclan a T y P constantes, en cantidades n A y n B, la mezcla se logrará completamente cuando G disminuya.

La mezcla se logrará cuando Δ Gmezcla < 0. Disolución ideal Sean dos líquidos B y C que forman una solución ideal. Se mantiene la temperatura fija a valor T por encima de los puntos de congelación de B y C.

Donde

son el número de moles de B en la fase líquida y vapor, respectivamente.

Para un sistema cerrado, es constante, aunque

pueden variar.

Ley de Raoult Raoult encontró que cuando se agrega soluto a un disolvente puro disminuye la presión de vapor del disolvente. Entre más se agrega más disminuye la presión de vapor. “En una disolución ideal, las presiones parciales de cada componente en el vapor son directamente proporcionales a sus respectivas fracciones molares en la disolución”. Expresada simbólicamente:

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Pi: Presión parcial de i en el vapor en equilibrio con la disolución. Xi: Fracción molar de i en la disolución líquida. Pi*: Presión de vapor del líquido i puro. Es decir que la presión de vapor del soluto crece linealmente con su fracción molar. A una T y P dadas, en un sistema de 2 fases, el equilibrio termodinámico se alcanza cuando los potenciales químicos de la sustancia son los mismos en ambas fases, μi g = μi. Esto aplica para sustancias puras y para disoluciones. En una disolución ideal cada componente ejerce una presión de vapor proporcional a su fracción molar xi en fase líquida y a la presión de vapor pi* de él puro a la T dada. Si la disolución es ideal, ambos componentes obedecen la ley de Raoult, luego la presión total es una función lineal de la fracción molar de cualquiera de los dos componentes en la fase líquida xi.

Diagrama de presión de vapor y punto de ebullición para sistemas que muestran: (a) Idealidad, (b) desviación positiva y (c) desviación negativa según la ley de Raoult.

Como para un gas ideal también se cumple la ley de Dalton de las presiones parciales.

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El conocimiento de la relación entre la P del sistema y la composición de las dos fases permite dibujar el diagrama de fases a T constante.

En el diagrama de fases temperatura-composición se observa como la línea de vaporización no es una recta, y que la curvatura de la línea de condensación está invertida respecto al diagrama de fases isotérmico.

AZEOTROPOS Algunas sustancias no muestran un patrón de temperatura-composición común, sino que presentan máximos o mínimos debidos a su comportamiento alejado de Raoult. Las mezclas que poseen una presión de vapor máxima o mínima se denominan azeotrópicas. *El residuo líquido siempre será la mezcla azeotrópica que destilará sin cambio.

Figura 5. Desviación positiva de la ley de Raoult. (a) Diagrama P-x. (b) diagrama T-x Destilación simple Como el vapor es más rico en el componente más volátil que el líquido original es posible separar los 2 componentes de una disolución ideal por destilaciones sucesivas. Destilación fraccionada Se construye una columna de destilación donde se producen un gran número de condensaciones y revaporizaciones sucesivas.

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RESULTADOS Disolución benceno-acetona

Benceno

Acetona

Num. De matraz

%

Vol (mL)

masa (g)

n

x

1

0

0

0

0

0

2

5

1

0.87

3

10

2

4

25

5 6

%

Vol (mL)

masa (g)

n

x

𝜂𝑚

100

20

15.8

0.27203857

1

1.36

0.01113814 0.04131744

95

19

15.01 0.25843664 0.95868256

1.366

1.74

0.02227628 0.08339708

90

18

14.22 0.24483471 0.91660292

1.3725

5

4.35

0.05569069 0.21442621

75

15

11.85 0.20402893 0.78557379

1.3937

40

8

6.96

0.08910511 0.35313172

60

12

9.48

0.16322314 0.64686828

1.4127

50

10

50

10

7.9

0.13601928 0.54979352

1.4263

8.7

0.11138139 0.45020648

7

65

13

11.31

0.60329246

35

7

5.53

0.0952135

8

80

16

13.92 0.17821022 0.76610697

20

4

3.16

0.05440771 0.23389303

1.4714

9

90

18

15.66 0.20048649 0.88052257

10

2

1.58

0.02720386 0.11947743

1.383

10

100

20

17.4

0

0

0

0.1447958

0.22276277

1

0

0.39670754

0

1.45

1.3341

Tabla 4. Fracciones mol del sistema binario benceno-acetona obtenidas de la interpolación de la gráfica.

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Disolución agua-etanol nm

Tºc

nres

nvap

1

1.3605

69-69

1.3615

1.363

2

1.3625

66-70

1.3634

1.3632

3

1.3635

70-70

1.3629

1.3635

4

1.364

71-72

1.365

1.364

5

1.3631

71-72

1.3614

1.3653

6

1.3595

73-73

1.3578

1.3625

7

1.3514

76-76

1.3505

1.364

8

1.3435

78-80

1.341

1.3627

9

1.338

84-84

1.3302

1.363

10

1.332

92-92

1.332

1.363

Nº

Tabla 5. Registro de los datos experimentales de un sistema binario agua destilada-etanol.

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ηm

T/ºc

ηres

Xres

Yres

ηvap

X vap

Y vap

1.3605

69

1.3615

0.23

0.77

1.363

0.26

0.74

1.3625

68

1.3634

0.272

0.728

1.3632

0.27

0.73

1.3635

70

1.3629

0.237

0.763

1.3635

0.28

0.72

1.364

71.5

1.365

0.47

0.53

1.364

0.31

0.69

1.3631

71.5

1.3614

0.213

0.787

1.3653

0.472

0.528

1.3595

73

1.3578

0.165

0.835

1.3625

0.233

0.767

1.3514

76

1.3505

0.12

0.88

1.364

0.31

0.69

1.3435

79

1.341

0.03

0.97

1.3627

0.235

0.765

1.338

84

1.3302

0

1

1.363

0.24

0.76

1.332

92

1.332

0

1

1.363

0.24

0.76

Tabla 6. Fracciones mol del sistema binario agua destilada-etanol obtenidas de la interpolación de la gráfica.

ANALISIS DE RESULTADOS Disolución Hexano-ciclo hexano Comparando ambas graficas se observa que no se tiene una gráfica parecida a la esperada teóricamente ya que el comportamiento las fracciones mol liquida y vapor a diferentes temperaturas son muy cercanas lo que hace necesario que la sensibilidad del método sea muy alta para lograr el valor esperado y se obtengas un parecido más cercano al teórico.

Figura 1. Comportamiento teorico de cilcohexano-hexano (1)

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La práctica muestra un comportamiento de una solución ideal (pura), en la cual ambos son líquido, donde el hexano es muy polar mientras el cliclohexano es apolar lo cual al efectuar una mezcla tenemos como resultado un sistema binario ideal. 80 70

Temperatura (°C)

60 50 40

Xres

30

Yvap

20 10 0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

También podemos decir que el hexano tiene una presión de vapor más alto q el cliclohexano por lo tanto su temperatura de ebullición es menor. Al no encontrarse un punto azeotropico en el sistema podemos decir que estos líquidos se pueden separar por medio de una destilación fraccionada. Disolución benceno-acetona. En las graficas de T/°C de la disolución de benceno-acetona, podemos observar que en benceno se comporta de una forma en donde conforme se va aumentando su evaporación es mas rápida y en comparación de la acetona con respecto a la temperatura de la acetona, aquí podemos observar que mientras aumenta la temperatura la fase de vapor considerablemente no tiene una tendencia lineal , porque en la fracción molar de 0.76 el vapor tiene una regresión, se puede decir que esto ocurre ya que la muestra se cerca en cierto punto. Otro punto que podemos rescatar en la grafica del benceno, es que puede ocurrir un equilibrio ya que existe una línea de conjugación en estas dos fases cuyos extremos de estas dos fases están en equilibrio entre ellas.

Los extremos de la línea de conjunción se encuentran en los límites de la región bifásica. Un punto en esta zona de dos fases de un diagrama de fases da la composición global del sistema y las composiciones de las dos fases en equilibrio vienen dadas por los puntos situados en los extremos de la línea de conjunción a través de ese punto, entonces este sistema también lo podemos separar sus componentes utilizando destilación simple, como el vapor es más rico en el componente más volátil que el líquido original.

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Comparando estas graficas con la de la bibliografía, podemos analizar que está muy lejos a parecerse, ya que debido a las concentraciones morales, estas difieren un poco, tomando en cuenta que el para la fracción molar 0 del benceno se considera una temperatura de 50°C con la acetona en estado puro siendo su valor teórico de punto de ebullición de 56.6°C, y para la fracción molar de vapor en 0.912 la temperatura es de 67°C , mientras que en la bibliografía se reporta su punto de ebullición a 80.1°C

En el sistema se puede apreciar que la región-liquido vapor su desviación de acuerdo con las leyes de Raoult es negativa, esto indica que el benceno tiene una temperatura de ebullición mayor a la acetona, así que conforme se va aumentando la concentración del benceno en el sistema binario, de igual manera va aumentando la temperatura necesaria para alcanzar el punto de ebullición, como igual su presión de vapor es menor a la de la acetona. Disolución agua-etanol. Como podemos observar en el gráfico de composiciones respecto a la temperatura encontramos un minimo en la temperatura 68-69 ºc esta temperatura es en la cual tenemos la misma composición de líquido y de vapor , este tipo de sistema lo describe un comportamiento de soluciones no ideales o soluciones azeotrópicas , son aquellas soluciones que no se apegan a la ley de Raoult por tanto sabemos que presentan máximos o mínimos en las gráficas de temperatura y composición, es decir , cuando se alcanza una temperatura máxima o mínima de ebullición el vapor formado es rico en el componente de mayor punto de ebullición mientras que en el recipiente se forma la mezcla azeotrópica y posteriormente el azeótropo destila sin cambio alguno.

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Las soluciones azeotrópicas suelen comportarse como un compuesto puro en la propiedad de hervir a una temperatura constante, mientras que las mezclas ordinarias ebullen en un intervalo de temperatura. Los cambios tanto en la composición del azeótropo como en la temperatura de ebullición, de tal manera que no es un compuesto puro. El método que ocupamos como destilación para este tipo de sistemas que no tienen un comportamiento ideal no es viable para la separación de dichos componentes, para poder separar un azeótropo podemos ocupar métodos físicos o químicos, entre los físico tenemos aumento en la presión de destilación, por método químico entendemos que se le añade un tercer componente a la mezcla para interacciones moleculares, por ejemplo podemos añadirle benceno a la mezcla etanolagua. Para la separación en mezclas de comportamiento ideal como lo son Ciclohexano-Hexano y Acetona-Benceno de acuerdo a los resultados lo más conveniente a realizar es una destilación ya que los puntos de ebullición de dichas mezclas están lo suficientemente alejados, lo que permite una completa separación, caso contrario con la mezcla de Etanol-Agua destilada donde la diferencia de puntos de ebullición es +/- 20 La diferencia recae en el comportamiento de los sistemas binarios en la curva de calibración, en donde una mezcla binaria real mantiene constante el índice de refracción por lo que no se toma en cuenta como parámetro determinante en la separación. MEMORIA DE CALCULO •

Cálculo del Volumen del soluto de cada uno de los sistemas 𝑉𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜

%𝑉 = 𝑉

x100

𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛

Despejando a 𝑉𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 𝑉𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 =

%𝑉 ∗ 𝑉 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛 100

𝑉𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛=20 𝑚𝐿 •

Calculando la masa para cada uno de los sistemas 𝜌=

𝑚 =𝜌∗𝑉 𝑉

𝑚ℎ𝑒𝑥𝑎𝑛𝑜 = 𝜌ℎ𝑒𝑥𝑎𝑛𝑜 ∗ 𝑉 𝑚𝑏𝑒𝑛𝑐𝑒𝑛𝑜 = 𝜌 𝑏𝑒𝑛𝑐𝑒𝑛𝑜 ∗ 𝑉 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = 𝜌𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 ∗ 𝑉 Así sucesivamente para cada compuesto •

Calculando numero de moles para cada uno de los sistemas

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𝑚 𝑛 = 𝑃𝑀 𝑛ℎ𝑒𝑥𝑎𝑛𝑜 =

(𝑚 ℎ𝑒𝑥𝑎𝑛𝑜) 𝑃𝑀

𝑛𝑏𝑒𝑛𝑐𝑒𝑛𝑜 =

(𝑚 𝑏𝑒𝑛𝑐𝑒𝑛𝑜) 𝑃𝑀

Así sucesivamente para cada compuesto •

Calculando el número de moles totales de cada matraz para cada uno de los sistemas

𝑛𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑛ℎ𝑒𝑥𝑎𝑛𝑜 + 𝑛𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜ℎ𝑒𝑥𝑎𝑛𝑜 𝑛𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑛𝑏𝑒𝑛𝑐𝑒𝑛𝑜 + 𝑛𝑎𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎 𝑛𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑛𝑎𝑔𝑢𝑎 + 𝑛𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 •

Determinando la fracción mol de cada componente de cada matraz para cada sistema

CONCLUSION • • • •

𝑋ℎ𝑒𝑥𝑎𝑛𝑜 =

𝑛ℎ𝑒𝑥𝑎𝑛𝑜 𝑛𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

𝑋𝑏𝑒𝑛𝑐𝑒𝑛𝑜 =

𝑛𝑏𝑒𝑛𝑐𝑒𝑛𝑜 𝑛 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙

Así sucesivamente para cada compuesto

Se determinó de acuerdo a la práctica el equilibrio entre líquido y vapor de tres diferentes sistemas binarios El sistema hexano-ciclohexano sigue el comportamiento de una solución ideal de acuerdo a la Ley de Raoult La mezcla binario agua-etanol se comporta más como una solución azeotrópica siendo de esta manera que no se apega a la ley de Raoult El caso de la mezcla binaria agua-etanol no es viable la manera en que se realiza su destilación.

BIBLIOGRAFIA 1-Smith J., Ness H., Abbott M. (1997). Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química. (5ª ed.). Nueva York, E.U.A. : McGraw-Hill. ISBN 970-10-1333-6 2- Adamson, A. y Gast, A. (1997). Physical Chemistry of Surfaces (6ª ed.). Nueva York, E.U.A.: Jonh Wiley & Sons. ISBN: 0-471-14873-3 3- Chang, R. (2008). Fisicoquímica (3ª ed.). E. U. A.: McGraw-Hill 4- Equilibrio de Fases: Líquido-Vapor. Slideshare.30 de junio de 2015 [consulta: 16 marzo 2021]. Disponible en: https://es.slideshare.net/arturo.caballero/equilibrio-de-fases-02-14

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