Informe N°9 - Equilibrio Líquido - vapor PDF

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Curso de FisicoquímicaEQUILIBRIO LÍQUIDO - VAPORDevra Gómez Alvarado [email protected] Nacional Mayor de San Marcos, Facultad de Química e Ingeniería Química, Departamento Académico de Fisicoquímica. Ciudad Universitaria. Lima, Perú.Resumen Se tuvo como objetivo determinar el diagrama tempe...

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Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Facultad de Química e Ingeniería Química, Curso de Fisicoquímica EQUILIBRIO LÍQUIDO - VAPOR Devra Gómez Alvarado

[email protected]

Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Facultad de Química e Ingeniería Química, Departamento Académico de Fisicoquímica. Ciudad Universitaria. Lima, Perú. Resumen Se tuvo como objetivo determinar el diagrama temperatura – composición y el diagrama x – y, para una mezcla líquida de dos componentes, para así poder determinar la temperatura y composición de la mezcla azeotrópica. Las condiciones de laboratorio a la cual se trabajaron fueron: Presión de 756 mmHg, Temperatura 24°C y Humedad Relativa 94%. Para determinar la composición azeotrópica se determinó haciendo el diagrama “composición molar del componente más volátil en el vapor VS. Composición del componente más volátil en el líquido”, (gráfica 2). Y para determinar la temperatura de ebullición de la mezcla azeotrópica se obtuvo al graficar Temperatura de ebullición vs. Composición (gráfica 3). A partir de la gráfica N°2 se determinó que la composición del 1-propanol en la mezcla azeotrópica fue de 40.32%, dando como error: 6.67%; y también se halló la temperatura del azeótropo la cual fue de 86.9°C, dando como error: 1.36%. De la práctica realizada se concluye que es posible analizar el equilibrio liquido-vapor para un sistema binario porque de acuerdo a la regla de Gibbs, solo se necesitan especificar dos variables para definir el sistema (Temperatura y composición de un componente). Palabras clave: Equilibri liquido-vapor, Ley de Raoult, azeótropo, 1-propanol, agua desionizada. composición y el diagrama x – y, para una mezcla líquida de dos componentes.

1. Introducción El equilibrio liquido – vapor es uno de los métodos más comunes utilizados en la industria química para la separación de componentes de una mezcla, tomando en cuenta la naturaleza de sus fases, la composición de una fase es diferente a la de otra. Por su naturaleza se puede separar mezcla de fluidos por destilación, extracción y otras operaciones di fusiónales. Para el diseño racional de tales operaciones es necesario tener una descripción cuantitativa de como un componente se distribuye por sí mismo entre dos fases. La termodinámica del equilibrio de fases provee un panorama para establecer que describir. [1] En este sentido, el objetivo de la práctica es determinar el diagrama temperatura –

2. Principios Teóricos 2.1. Ley de Raoult Establece que la relación entre la presión de vapor de cada componente en una solución ideal es dependiente de la presión de vapor de cada componente individual y de la fracción molar de cada componente en la solución. [2] () Donde:  Pi (T): Presión de vapor de la sustancia i en la disolución ideal

1

Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Facultad de Química e Ingeniería Química, Curso de Fisicoquímica 2.4. Ley de Dalton Establece que la presión total de una mezcla de gases es la suma de la presión parcial de sus componentes:

 Pi°(T): Presión de vapor de la sustancia i pura  xi : Fracción molar de la sustancia i en la fase líquida (en la disolución) 2.2. Disoluciones Ideales

Donde la presión parcial de cada gas es la presión que el gas ejercería si fuera el único gas en el recipiente. Esto se debe a que suponemos que no hay fuerzas de atracción entre los gases. [4]

Para que se cumpla al cien por ciento la ley de Raoult es necesario que el líquido sea una disolución ideal, el vapor sea una mezcla de gases ideales y que la fugacidad del líquido no varíe significativamente con la presión, esta última condición a veces se expresa como que el factor de corrección de poynting sea de valor 1. En equilibrio líquido-vapor, la relación que se comporta según la idealidad de la ley de Raoult sería la siguiente: [2]

2.5. Destilación Fraccionada La destilación fraccionada se utiliza para separar componentes líquidos en los que su punto de ebullición difiere en menos de 25 ºC. Cada uno de los componentes a separar se denomina fracción. El montaje es análogo a la destilación simple, con la diferencia que entre el matraz de fondo redondo y la cabeza de destilación, se inserta una columna de rectificación (puede presentar deferentes tipos de diseño: columna vigreux, columna de relleno, etc.). Cuando la mezcla se calienta, el vapor sube y rodea los huecos de la columna de rectificación, enriqueciéndola con el componente más volátil, mientras el líquido cae hacia abajo, pasando a través de la columna hacia el matraz de fondo redondo, enriqueciéndose en el componente menos volátil y causando de esa forma una separación más eficiente. El proceso general es equivalente a realizar múltiples destilaciones simples de la mezcla. [5]

Donde:  PT = presión total del sistema en equilibrio  Y1= composición en la fase vapor, compuesto 1  X1 = composición en la fase líquida, compuesto 1  P1°= presión de vapor, compuesto 1 2.3. Disoluciones Reales En las disoluciones reales las interacciones intermoleculares son mayores en la disolución que en los líquidos puros. Un caso muy frecuente es el de las disoluciones de sustancias que pueden formar entre si enlaces por puentes de hidrógeno, pero no en los líquidos puros. En cuyo caso Pi< Pi ideal. El sistema presenta una desviación negativa de la Ley de Raoult. [3]

2.6. Azeótropos Los azeótropos son mezclas de dos o más componentes, cuyas proporciones son tales que el vapor producido por evaporación parcial tiene la misma composición que el líquido. Cuando en una mezcla se encuentra 2

Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Facultad de Química e Ingeniería Química, Curso de Fisicoquímica en el punto del azeótropo (mezcla azeotrópica), dicha mezcla no puede ser destilable o separada en sus componentes. Una mezcla alcohol-agua, no puede separarse más de 95.6% en alcohol y 4.4% en agua, proporciones en las cuales se encuentra el azeótropo.[6]

limpio y seco. Se colocó ≈ 20 mL del líquido A en el balón y se puso el termómetro de tal manera que el bulbo quedó sumergido hasta la mitad. Se calentó la muestra hasta que se obtuvo una ebullición vigorosa a temperatura constante. Se evitó el sobrecalentamiento. Se leyó y anotó la temperatura de ebullición. Se enfrió el balón de destilación con un baño de agua fría, y se tomó con pipeta una muestra de aproximadamente 1 mL del residuo en un tubo limpio y seco. Se tapó y se marcó adecuadamente el tubo, al mismo tiempo se extrajo todo el destilado del separador en otro tubo seco, se devolvió el exceso de destilado al balón hasta que quedó con aproximadamente 1 mL, se tapó y se marcó. Se añadió cada incremento de la Tabla 1, según el sistema elegido y se repitió los dos últimos pasos antes mencionados para cada incremento. Se lavó y se secó el balón. Se colocó ≈ 20mL del líquido B y se repitió los pasos mencionado esta vez se comenzó con 20 mL de B antes de cada incremento señalado en la Tabla1.

2.7. Destilación Azeotrópica El azeótropo que hierve a una temperatura máxima se llama azeótropo positivo y el que lo hace a una temperatura mínima se llama azeótropo negativo. La mayoría de azeótropos son del tipo negativo. Un azeótropo, puede hervir a una temperatura superior, intermedia o inferior a la de los constituyentes de la mezcla, permaneciendo el líquido con la misma composición inicial, al igual que el vapor, por lo que no es posible separarlos por destilación simple, por lo que es necesario añadir otro componente para romper la mezcla [6] azeotrópica. 3. Detalles Experimentales 3.1. Materiales Equipo especial para puntos de ebullición, termómetro de décimas, mechero de alcohol, refractómetro, tubos con tapones de corcho, pipetas, perlas de vidrio.

3.3.2. Determinación de la composición de las mezclas En tubos con tapón de corcho, se preparó 3 mL de las mezclas indicadas en la Tabla 2.2, y se midió las temperaturas de A y B. Se midió el índice de refracción de las mezclas preparadas en anteriormente. Se analizó cada muestra de destilado y residuo, se midió sus índices de refracción. Se usó acetona para limpiar el refractómetro.

3.2. Reactivos 1-propanol Q.P. (A), agua desionizada (B). 3.3. Procedimiento Experimental 3.3.1. Determinación de los puntos de ebullición del sistema Se armó el equipo especial para puntos de ebullición, que debió estar completamente

4. Análisis y Discusión de Resultados La gráfica 1 (índice de refracción Vs composición molar 1-propanol) tuvo una 3

Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Facultad de Química e Ingeniería Química, Curso de Fisicoquímica adecuada tendencia. Con respecto a las gráficas obtenidas podemos decir que estas si tuvieron la tendencia que se esperaba ya que, de acuerdo con la teoría, se trataba de una mezcla azeotrópica. A partir de la gráfica 2 (Composición del vapor VS Composición del líquido), se obtuvo la composición del 1-propanol que fue de 40.32%, comparando con el valor teórico se obtiene un porcentaje de error de 6.67%. En cuanto a la determinación del punto de ebullición el resultado fue algo cercano al teórico, (ver gr áfica 3) ya que el error, con respecto al punto de ebullición teórico, fue 1.36%.

[Internet]. Clubensayos.com. 2020 [citado 12 Noviembre 2020]. Disponible de: https://www.clubensayos.com/TemasVariados/Importancia-Del-EquilibrioLiquido-Vapor/1016579.html [2] Ley de Raoult [Internet]. Oer2go.org. 2020 [citado 12 Noviembre 2020]. Disponible de: http://oer2go.org:81/wikipedia_es_all_201602/A/Ley_de_Raoult.html [3] [Internet]. Ocw.bib.upct.es. 2020 [citado 12 Noviembre 2020]. Disponible de: https://ocw.bib.upct.es/pluginfile.php/9626/ mod_resource/content/2/Tema_4_Estados_d e_agregacion_y_Disoluciones.pdf

5. Conclusiones Es posible analizar el equilibrio liquidovapor para un sistema binario porque de acuerdo a la regla de Gibbs, solo se necesitan especificar dos variables para definir el sistema (Temperatura y composición de un componente). Por otro lado, el sistema agua –1-propanol no se comporta idealmente debido a que describe desviaciones positivas de la ley de Raoult y, a su pequeña diferencia de puntos de ebullición. Se evidenció que en una mezcla azeotrópica, el punto azeotrópico se comporta como si fuese un líquido puro. Por otro lado, de la gráfica x-y para el 1propanol podemos indicar que al ser el componente más volátil de la mezcla, esto es que tiende a evaporarse con más facilidad, se encontrará mayor concentración del mismo en la fase vapor que en la fase líquido.

[4] Ley de presión parcial de Dalton (artículo) | Khan Academy [Internet]. Khan Academy. 2020 [citado 12 Noviembre 2020]. Disponible de: https://es.khanacademy.org/science/apchemistry/gases-and-kinetic-moleculartheory-ap/ideal-gas-laws-ap/a/daltons-lawof-partial-pressure [5] [Internet]. 2020 [citado 12 Noviembre 2020]. Disponible de: https://www.dequimica.info/destilacionfraccionada/ [6] AZEÓTROPOS - tareas de procesos [Internet]. Sites.google.com. 2020 [citado 12 Noviembre 2020]. Disponible de: https://sites.google.com/site/tareasdeproceso s/home/azeotropos

6. Referencias Bibliográficas

[7] “Perry’s Chemical Engineers Handbook 8Th Edition. Don W.Green, Robert H.Perry

[1] Importancia Del Equilibrio LiquidoVapor - Ensayos de Calidad - laladom

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7. Tablas de Datos y Resultados Experimentales Tabla1: Condiciones del laboratorio Presión (mmHg) 756

Temperatura (°C) 24

Humedad relativa (%) 94

Tabla 2. Datos experimentales Tabla 2.1. Sistemas compuestos de 20 mL de agua con incrementos de 1-propanol Volumen de 1Nº de muestra propanol (mL)

Temperatura (oC)

nD de residuo

nD de destilado

%mol A residuo

%mol A destilado

0

0.0

99.5

1.3340

1.3341

0.06

0.09

1

1.0

98.0

1.3370

1.3524

1.05

7.73

2

3.0

96.2

1.3417

1.3629

2.76

15.33

3

5.0

94.9

1.3443

1.3675

3.97

20.30

4

7.0

93.4

1.3466

1.3706

4.81

24.56

5

8.0

92.3

1.3485

1.3724

5.70

27.46

6

8.5

91.8

1.3494

1.3729

6.14

28.33

7

9.0

90.6

1.3540

1.3741

8.66

30.53

Tabla 2.2. Sistemas compuestos de 20 mL de 1-propanol con incrementos de agua Volumen Nº de de agua muestra desionizada (mL)

T (oC)

nD de residuo

nD de destilado

%mol A residuo

%mol A destilado

0

0.0

96.6

1.3853

1.3854

94.77

94.77

1

0.4

95.2

1.3849

1.3847

93.61

90.14

2

0.4

91.2

1.3844

1.3833

86.78

70.22

5

Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Facultad de Química e Ingeniería Química, Curso de Fisicoquímica 3

0.4

89.6

1.3839

1.3826

81.16

59.02

4

0.5

88.1

1.3829

1.3811

62.51

49.58

5

0.5

86.9

1.3784

1.3784

40.32

40.32

6

0.5

88.4

1.3620

1.3748

14.50

31.90

Tabla 2.3. Preparación de curva patrón a 20° C Nº de muestra

Volumen de 1propanol (mL)

Volumen de agua desionizada (mL)

Índice de refarcción

N1-propanol (mol)

desionizada

Composición de 1-propanol

1P

3.0

0.0

1.3846

0.0402

0.0000

1.000

2P

2.9

0.1

1.3844

0.0389

0.0055

0.876

3P

2.8

0.2

1.3840

0.0375

0.0110

0.773

4P

2.5

0.5

1.3818

0.0335

0.0276

0.548

5P

2.1

0.9

1.3772

0.0281

0.0497

0.361

6P

1.7

1.3

1.3697

0.0228

0.0718

0.241

7P

1.4

1.6

1.3661

0.0188

0.0884

0.175

8P

1.0

2.0

1.3558

0.0134

0.1105

0.108

9P

0.5

2.5

1.3475

0.0067

0.1381

0.046

10P

0.0

3.0

1.3334

0.0000

0.1657

0.000

Nagua (mol)

Tabla 3. Datos teóricos Tabla 3.1. Datos teóricos para el agua y el 1-propanol [7] Componente 1-propanol Agua

Densidad a 20°C 0.8053 0.9952

T ebullición (°C) 100 97.2

Masa molar (g/mol) 60.095 18.015

Tabla 3.2. Datos teóricos para el azeótropo [7] T ebullición (°C)

%peso de 1propanol 43.2

88.1

6

n (índice de refracción) 1.3334 1.3860

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Tabla 4. Resultados y porcentaje de error Tabla 4.1. Temperatura de ebullición de los líquidos puros Componente T eb (teórico) T eb (experimental) %Error 1-propanol 100 99.5 0.50% Agua 97.2 96.6 0.62% Tabla 4.2. Datos de la mezcla azeotrópica Azeótropo T ebullición %X 1-propanol

Vteórico 88.1 43.2%

Vexperimental 86.9 40.32%

%Error 1.36%

Tabla 5. Datos para las gráficas Tabla 5.1. Datos de la gráfica: Índice de Refracción vs %molar del 1-propanol Eje Y

Eje X Composición molar del 1-propanol 100% 87.61% 77.31% 54.83% 36.12% 24.10% 17.54% 10.81% 4.63% 0.00%

Índice de Refracción 1.3846 1.3844 1.3840 1.3818 1.3772 1.3697 1.3661 1.3558 1.3475 1.3334

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Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Facultad de Química e Ingeniería Química, Curso de Fisicoquímica 8. Gráficos Experimentales

Curva Patrón 1.39

Índice de Refracción

1.38 1.37 1.36 1.35 1.34 1.33 0%

20%

40%

60%

80%

100%

Composición molar del 1-propanol Gráfica 1. Curva patrón: curva de Índice de Refracción vs % molar del componente más volátil (1-propanol)

Composición del vapor VS Composición del líquido Composición de vapor (%mol y)

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

B

0

10

20 30 40 50 60 70 80 Composición de líquido (%mol x)

90 100

Gráfica 2. Diagrama de equilibrio de una mezcla azeotrópica. En el punto B se igualan las composiciones del equilibrio líquido vapor, y no es posible una separación por destilación.

8

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Diagrama Txy 100.0

Temperatura (o C)

98.0 96.0 94.0 92.0 90.0 88.0 86.0 0

10

20 30 40 50 60 70 80 Composición de líquido y vapor (%mol)

90

100

Gráfico 3. Diagrama Txy para el sistema 1-propanol – agua desionizada. 9. Anexos 9.1. Determinación de la Composición del Destilado y Residuo  Se calculó el %molar del componente más volátil en cada una de las mezclas de la Tabla 2.3. El componente más volátil es el 1-propanol. Componente A: 1-propanol Componente B: Agua desionizada

Donde:   9

Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Facultad de Química e Ingeniería Química, Curso de Fisicoquímica  Además:

()

()

Donde:      

() ()

En la muestra 2: 2.9 mL de 1-propanol y 0.1 mL de agua desionizada

()

()

En la muestra 3: 2.8 mL de 1-propanol y 0.2 mL de agua desionizada

()

()

En la muestra 4: 2.5 mL de 1-propanol y 0.5 mL de agua desionizada 10

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()

()

En la muestra 5: 2.1 mL de 1-propanol y 0.9 mL de agua desionizada

()

()

En la muestra 6: 1.7 mL de 1-propanol y 1.3 mL de agua desionizada

()

()

En la muestra 7: 1.4 mL de 1-propanol y 1.6 mL de agua desionizada

() 11

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()

En la muestra 8: 1.0 mL de 1-propanol y 2.0 mL de agua desionizada

()

()

En la muestra 9: 0.5 mL de 1-propanol y 2.5 mL de agua desionizada

()

()

9.2. Determinación d...