Informe Liquido-liquido PDF

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Informe de Práctica de Laboratorio LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Equilibrio liquido-liquido Edwin Andrey Agudelo, Manuela Lopez Arias __________________________________________________________________________________________ Resumen Cuando dos líquidos se mezclan en diferentes proporciones a ciertas condiciones de temperatura y presión, y se producen dos fases liquidas de diferente concentración que está en equilibrio termodinámico, entonces se tiene el fenómeno de Equilibrio Liquido- Liquido. Esta práctica tuvo como objetivo principal la construcción del diagrama de equilibrio líquido-líquido del sistema ternario formado por cloroformo, agua y etanol, a temperatura y presión constante, a partir de datos experimentales, en las cuales se mezclaron dos componentes que no eran miscibles entre si y otra miscible en ambas sustancias, las composiciones obtenidas para cada caso correspondieron a un punto sobre la curva binodal del diagrama. Palabras Clave: curva binodal, equilibrio, sistema ternario, liquido. __________________________________________________________________________________________ __________________________________

1. Introducción Uno de los objetivos de la termodinámica es desarrollar expresiones que permitan determinar las condiciones de equilibrio en un sistema. De manera rigurosa, el equilibrio se puede establecer en función de propiedades termodinámicas extensivas como la energía interna, la entalpía y la energía de Gibbs. La condición necesaria y suficiente para que un sistema cerrado, multicomponente y heterogéneo se encuentre en equilibrio es que, a presión y temperatura constantes, la energía de Gibbs total sea mínima. Según esto, cualquier variación infinitesimal de la composición, que tenga lugar en el equilibrio a presión y temperatura constantes, no origina cambios estables en la energía de Gibbs total del sistema. La representación más simple de un sistema ternario a presión y temperatura constantes, es mediante un diagrama triangular, donde los dos disolventes implicados son inmiscibles o parcialmente miscibles entre sí, y la presencia de un soluto modifica la solubilidad entre ellos. Estos diagramas presentan

una curva de equilibrio que delimita el campo de existencia de los sistemas heterogéneos, conocida como curva binodal. Las mezclas cuya composición se encuentra dentro de la curva binodal, se separan en dos fases líquidas; estas se encuentran unidas por una línea de reparto, cuyos extremos sobre la curva indican la concentración de cada fase. La relación entre fases se denomina coeficiente de reparto. En la operación unitaria del equilibrio líquidolíquido, se contactan dos fases líquidas, entre las cuales ocurren transferencias de masas. El número mínimo de componentes presentes en el sistema es de 3 (A, B, C). Para representar gráficamente las concentraciones de una mezcla ternaria se requiere el uso de coordenadas triangulares. El diagrama básico utilizado para representar coordenadas triangulares es el del tipo triángulo equilátero figura 1. Al ubicar un punto en este tipo de diagramas es necesario utilizar tres coordenadas (ZA ZB ZC), las cuales representan las fracciones de peso de cada sustancia (A, B, C) en la mezcla ternaria. Página 1 de 5

En esta figura se muestra un diagrama de tipo triángulo equilátero. La grafica en este tipo de diagrama se basa en dos criterios o reglas: 1. Cada vértice del triángulo representa el componente puro señalado por la letra correspondiente. 2. El lado opuesto a cualquier vértice representa una concentración de cero para ese componente.

Figura 1. Diagrama equilibrio líquido-líquido de un sistema ternario. 3. Procedimiento experimental Se prepararon 2 soluciones, la primera con 20 ml de agua y 1 ml de cloroformo y la segunda con 20 ml de cloroformo y 1 ml de agua, posteriormente se tituló con etanol cada una de las soluciones hasta que desapareció la capa grasosa de la parte superior de la solución 1 y hasta que la solución 2 quedo completamente clara, se registró el volumen gastado de etanol en la tabla de datos. Se adiciono posteriormente 1 mL de cloroformo a la solución uno y 1mL de agua a la solución dos y se tituló con etanol nuevamente hasta observar el cambio en ambos casos, este último paso se repitió 15 veces ‘para ambas soluciones y se registró el volumen de etanol gastado en cada titulación. (Tabla 1 y 2) Tabla 1. Volumen de etanol gastado en solución 1

Numero de titulacion

Volumen en mL H2 Titulación 0 CHCl3 Etanol 1 20 1 9,5 2 20 2 14,4 3 20 3 17,4 4 20 4 19,0 5 20 5 20,5 6 20 6 22,0 7 20 7 23,2 8 20 8 24,5 9 20 9 25,5 10 20 10 26,9 11 20 11 28,0 12 20 12 29,0 13 20 13 30,1 14 20 14 31,1 15 20 15 32,2

Tabla 2. Volumen gastado de etanol en solución 2. Medida ml ml ml Titulación H2O CHCl3 Etanol 1 1 20 10,2 2 2 20 16 3 3 20 16,5 4 4 20 18 5 5 20 20,8 6 6 20 23,6 7 7 20 23,6 8 8 20 25 9 9 20 27,7 10 10 20 27,7 11 11 20 29,2 12 12 20 30,7 13 13 20 31,4 14 14 20 32,8 15 15 20 33,4 Resultados y discusión. En nuestro sistema ternario teníamos dos líquidos parcialmente miscibles entre sí que son el agua y el Página 2 de 5

cloroformo, esto debido a que el agua es una sustancia polar y el cloroformo no lo es. El soluto es el etanol; este es soluble tanto en agua como en cloroformo, el etanol tiene una parte hidrofílica (polar) y otra orgánica (no polar), que le permite ser miscible en ambos medios; sin embargo, este es más soluble en agua (mayor afinidad), ya que con esta puede formar puentes de hidrógeno e interacciones del tipo dipolodipolo que, a diferencia del cloroformo (con quien forma únicamente fuerzas de Vander Vaals, las cuales pueden ocasionar un dipolo inducido en la molécula de etanol), le proporcionan mayor estabilidad, por lo que el agua es el solvente extractor. El comportamiento de un sistema ternario a presión y temperatura constantes, puede representarse mediante un diagrama triangular [1]. En comparación con un diagrama para un equilibrio de cloroformo-ácido acético y agua, los resultados son los mismos ya que el etanol es un compuesto orgánico soluble con el cloroformo y el agua. En el diagrama ternario se observan dos zonas principales, una que está debajo de la línea de equilibrio y otra encima de ésta. La que está arriba de la línea de equilibrio representa el intervalo de concentraciones de ácido acético-cloroformo-agua dentro del cual el sistema forma una sola fase. Abajo de la línea de equilibrio se tienen dos fases, la orgánica y la acuosa [2].

Tabla 3. Concentraciones másica de cada componente del sistema ternario de la solución 1. % peso a peso Titulación H2O CHCl3 Etanol 1 68,5 5,1 26,4 2 57,7 8,6 33,7 3 51,9 11,6 36,5 4 48,4 14,4 37,2 5 45,4 16,9 37,7 6 42,8 19,1 38,1 7 40,6 21,2 38,2 8 38,6 23,1 38,3 9 37 24,8 38,2 10 35,3 26,3 38,4 11 33,9 27,7 38,4 12 32,6 29,1 38,3 13 31,4 30,4 38,2 14 30,3 31,6 38,1 15 29,2 32,7 38,1 Experimentalmente, se parte de los datos de volumen obtenidos (Tabla 1 y 2) para determinar la composición másica de cada componente, expresada en porcentaje peso-peso (%p/p), las cuales representaban un punto sobre la curva binodal. Dichas composiciones obtenidas experimentalmente se encuentran registradas en la Tabla 3 y 4. Posteriormente, se ubicaron los puntos dentro del triángulo equilátero obteniéndose el diagrama del equilibrio líquido-líquido del sistema ternario etanol-agua-cloroformo (Figura 1). Tabla 4. Concentraciones másica de cada componente del sistema ternario de la solución 2.

Diagrama ternario reportado por Castellan, (1987, pp 360) para el sistema ácido acético-cloroformo-agua.

Para determinar la curva de equilibrio se utilizó el diagrama del triángulo mostrado en la figura 1 y las coordenadas mostradas en la tabla 3 y 4:

Titulación 1 2 3 4 5

% en peso H2O CHCl3 Etanol 34,4 31,9 31,7 31,1 30

51,3 47,5 47,2 46,3 44,7

14,3 20,6 21,1 22,6 25,3 Página 3 de 5

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

29 29 28,5 27,7 27,7 27,2 26,8 26,6 26,2 26

43,3 43,3 42,5 41,2 41,2 40,6 39,9 39,6 39 38,8

27,7 27,7 29 31,1 31,1 32,2 33,3 33,8 34,8 35,2



Al establecerse el equilibrio liquido-liquido se forma una sola fase (solución homogénea).



Todas las mezclas cuya composición está por debajo de la curva de solubilidad se separarán en una fase. Las que están por encima de ella, forman dos fases.

Los diagramas del equilibrio líquido-líquido del sistema ternario etanol-agua-cloroformo se pueden observar en los anexos 1 y 2.

Preguntas 1. ¿Qué otras clases de equilibrio liquido líquido existen?

Los posibles errores que se obtuvieron experimentalmente y que debido a eso no se obtiene una exactitud en el diagrama del equilibrio líquidolíquido del sistema ternario etanol-agua-cloroformo se pudieron haber obtenido debido a una mala agitación de la solución, la cual puno no ser constante y vigorosa, la adición de volúmenes de titulante puede haber sido mayor o menor a los necesarios para alcanzar el punto final, entre otros. Los cuales causaron que se tomaran datos erróneos y por consiguiente no poder graficar con exactitud.

Equilibrio liquido-liquido en sistemas binarios

En teoría lo que se observo fue que el etanol se disuelve completamente en agua o cloroformo, pero el agua y el cloroformo solo se disuelven entre si hasta cierto grado. La mezcla que esta por encima de la curva forma dos fases y la que se encuentra por debajo de la cuerva forma una sola fase. Al establecerse el equilibrio forman una sola fase, por ello se considera un sistema ternario [3].

Si se considera la mezcla de dos líquidos A y B a presión y temperatura constante, en cantidades n A y nB, el equilibrio de fases se alcanza cuando G disminuya, es decir cuando la energía libre de la mezcla sea menor que la energía libre de los dos componentes puros. La energía libre de mezcla ΔGmezcla se define como el cambio en la energía libre del sistema al llevar a cabo el proceso de mezclar ambos líquidos. Sistemas multicomponentes en el presente trabajo se estudian equilibrios de fases liquido-liquido de sistemas de cuatro componentes (cuaternarios). Para presentar completamente estos equilibrios, se requiere una gráfica tridimensional, que se conoce como tetraedro. 2. ¿A qué se le llama extracto?

6. Conclusiones  Con ayuda del diagrama se determinó la curva de solubilidad y las líneas de unión de un sistema ternario integrado por agua, etanol y cloroformo, para un equilibrio líquido-líquido.

Un extracto es una sustancia obtenida por extracción de una parte de una materia prima, a menudo usando un solvente como etanol o agua. Los extractos pueden comercializarse como tinturas o en forma de polvo. 3. ¿A qué se le llama refinado? Página 4 de 5

Refinación o refino es el proceso de purificación de una sustancia química obtenida muchas veces a partir de un recurso natural. La refinación de líquidos se logra a menudo a través de la destilación o fraccionamiento. Los gases y líquidos también se pueden refinar por extracción con un solvente que disuelva la sustancia de interés o bien las impurezas. 4. Grafique en el diagrama triangular los siguientes puntos: 40% de Ácido Acético, 20 % de Cloroformo, ¿60%? de Agua. 35% de Ácido Acético, 43 % de Agua, ¿22%? de Cloroformo. 30% de Cloroformo, 10% de Agua, ¿60%? de Ácido Acético. (ver anexo-grafica 2) 7. Bibliografía [1] Castellan, G. (1998) Fisicoquímica. 2da Edición. Editorial Pearson Educación. México. Pág. 358361.Van Ness y Abbott MM, McGraw-Hill, La termodinámica clásica de soluciones no electrolitos. 1982, 482 pp. [2] Castellan, G. (1987). Fisicoquímica (2a ed). México: Addison Wesley Iberoamericana. , pp 360.

[3] Ivan García Quiroga, Introducción al equilibrio termodinámico y de fases, temas adicionales en equilibrio de fases, capitulo 7, pág. 212.

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