Práctica 8. Diagrama de fases PDF

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Docente: Javier Roque...

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UNIVERSIDAD CATOLICA SANTA MARIA Facultad de Ciencias Farmacéuticas, Bioquímicas y Biotecnológicas

Escuela Profesional de Ingeniería Biotecnológica

TERMODINÁMICA PRÁCTICA 04: Diagrama de fases sistema ternario. Profesora: Pamela Lizeth Manrique Pino Alumnos: Neitan Calderón Paz Camila Aranda Medina

AREQUIPA 2018

OBJETIVOS 1. Estudiar las relaciones de solubilidad del sistema de tres componentes: Acetato de etilo- ácido acético- agua. Son tres las posibles categorías de sistemas de tres compuestos líquidos que presentan miscibilidad parcial: un par, dos pares o tres pares de líquidos parcialmente miscibles. Este caso será el de un par de líquidos parcialmente miscible. 2. Trazar el diagrama de equilibrio para el sistema estudiado. Se han propuestos diversos esquemas para representar bidimensionalmente los diagramas de equilibrio de los sistemas ternarios, aunque el más utilizado y el que se utilizara en la práctica es el método del triángulo equilátero. 3. Construir la curva de solubilidad (binodal) para una temperatura dada y determinar las líneas de reparto. En la práctica se tendrá una mezcla de agua y acetato de etilo a las cuales se agregaron cantidades de ácido acético, la mezcla de una composición global que se encuentra dentro del área del domo dará dos capas liquidas de composiciones dadas por las líneas de unión apropiada por la composición de la mezcla. Esta curva se denomina binodal.

MARCO TEÓRICO Fase es toda porción de un sistema con la misma estructura o arreglo atómico, con aproximadamente la misma composición y propiedades en todo el material que la constituye y con una interfase definida con toda otra fase vecina. Puede tener uno ó varios componentes. Debe diferenciarse del concepto de componente, que se refiere al tipo de material que puede distinguirse de otro por su naturaleza de sustancia química diferente. Por ejemplo, una solución es un sistema homogéneo (una sola fase) pero sin embargo está constituida por al menos dos componentes. Por otro lado, una sustancia pura (un solo componente) puede aparecer en dos de sus estados físicos en determinadas condiciones y así identificarse dos fases con diferente organización atómica y propiedades cada una y con una clara superficie de separación entre ellas (interfase). Los equilibrios entre fases pueden corresponder a los más variados tipos de sistemas heterogéneos: un líquido en equilibrio con su vapor, una solución saturada en equilibrio con el soluto en exceso, dos líquidos parcialmente solubles el uno en el otro, dos sólidos totalmente solubles en equilibrio con su fase fundida, dos sólidos parcialmente solubles en equilibrio con un compuesto formado entre ellos, etc. El objetivo es describir completamente el sistema. El comportamiento de estos sistemas en equilibrio se estudia por medio de gráficos que se conocen como diagramas de fase : se obtienen graficando en función de variables como presión, temperatura y composición y el sistema en equilibrio queda definido para cada punto (los gráficos de cambio de estado físico ó de presión de vapor de una solución de dos líquidos son ejemplos de diagramas de fases). La mayoría de los diagramas de fase han sido construidos según condiciones de equilibrio (condiciones de enfriamiento lento),

siendo utilizadas por ingenieros y científicos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de materiales. A partir de los diagramas de fase se puede obtener información como: 1.- Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento( equilibrio). 2.- Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento ( o compuesto) en otro. 3.- Determinar la temperatura en la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación. 4.- Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases. Los equilibrios de fase y sus respectivos diagramas de fase en sistemas multicomponentes tienen aplicaciones importantes en química, geología y ciencia de los materiales. La ciencia de materiales estudia la estructura, propiedades y aplicaciones de los materiales científicos y tecnológicos. Regla de las Fases de Gibbs Los llamados “Diagramas de Fase” representan esencialmente una expresión gráfica de la “Regla de las Fases”, la cual permite calcular el número de fases que pueden coexistir en equilibrio en cualquier sistema, y su expresión matemática está dada por: P+F=C+2 Donde: C = número de componentes del sistema P = número de fases presentes en el equilibrio F = número de grados de libertad del sistema (variables: presión, temperatura, composición) En 1875 J. Willaid Gibbs relacionó tres variables: fases(P), componentes(C), y grados de libertas o varianza (F) para sistemas multicomponentes en equilibrio. El número de grados de libertad se determina por la regla de las fases, si y solo si el equilibrio entre las fases no está influenciado por la gravedad, fuerzas eléctricas o magnéticas y solo se afecta por la temperatura, presión y concentración. El número dos en la regla corresponde a las variables de temperatura T y presión P.

Componente (de un sistema): es el menor número de constituyentes químicos independientemente variables necesario y suficiente para expresar la composición de cada fase presente en cualquier estado de equilibrio. Fase: es cualquier fracción, incluyendo la totalidad, de un sistema que es físicamente homogéneo en si mismo y unido por una superficie que es mecánicamente separable de cualquier otra fracción. Una fracción separable puede no formar un cuerpo continuo, como por ejemplo un líquido dispersado en otro. - Un sistema compuesto por una fase es homogéneo - Un sistema compuesto por varias fases es heterogéneo Para los efectos de la regla de las fases, cada fase se considera homogénea en los equilibrios heterogéneos. Grado de libertad (o varianza): es el número de variables intensivas que pueden ser alteradas independientemente y arbitrariamente sin provocar la desaparición o formación de 6 una nueva fase. Variables intensivas son aquellas independientes de la masa: presión, temperatura y composición. También se define con el número de factores variables. F=0 indica invariante F=1 univariante F=2 bivariante La regla de las fases se aplica sólo a estados de equilibrios de un sistema y requiere: 1.- Equilibrio homogéneo en cada fase 2.- Equilibrio heterogéneo entre las fases coexistentes

Figura 1: Diagrama de fases

METODOLOGÍA 1. Materiales.    

Bureta Pipetas Balanza Vasos de precipitado

2. Reactivos  Ácido acético  Acetato de etilo  Butanol  Agua destilada 3. Procedimiento -

-

Colocar 20 ml de agua en un Erlenmeyer y añade agitando continuamente, gota a gota hasta que haya turbidez (etanol) misma forma, se colocan 20 ml de acetato de etilo en un Erlenmeyer y se añade igual cantidad con agua. Determinar la forma de la curva binomial que se lleva a cabo con una mezcla de agua – acetato de etilo , sobre la cual se añade ácido acético y se volverá turbio.

4. Seguridad -

Usar mascarilla ( hacerlo con la campana)

5. Cálculos Calculo de los moles y masa de Ácido Acético: ρCH3COOH= 1.050 gr/ ml PMCH3COOH= 60 gr/ mol Para 10% de C4H8O2 en H2O y un volumen gastado de CH3COOH= 0.5 ml mCH3COOH=

nCH3COOH=

Calculo de los moles y masa de Acetato de Etilo: ρC4H8O2= 0.901 gr/ ml PMC4H8O2= 60 gr/ mol Para 10% de C4H8O2 en H2O y un volumen de C4H8O2= 10 ml m C4H8O2= n C4H8O2= Calculo de los moles y masa del Agua: ΡH2O= 1.00 gr/ ml PMH2O= 18 gr/ mol Para 10% de C4H8O2 en H2O y un volumen de H2O= 90 ml m H2O = n H2O =

Acetato de etilo

Agua

Ácido acético

1 2 3 4 5 6 7

20 4.6 10 5 15 7.5 11.5 d=0.902 g/ml PM= 88 gr/ml

6.5 10 20 15 15 12.5 7.5 d= 1 g/ml PM= 18 gr/ml

0 0 5.4 4.2 4.3 4.7 5.3 d= 1.5 g/ml PM= 60.5 gr/ml

Figura 2: Resultados en curva

DISCUSIÓN Al analizar los resultados obtenidos, como se puede aprecia en la gráfica del diagrama ternario, Agua- Acetato de etilo- Ácido Acético, se deduce que es un sistema de tres líquidos donde un par de ellos presentan miscibilidad parcial, en nuestro caso este par es Agua- Acetato de Etilo. Las líneas de unión inscritas dentro de la curva binodal tienes pendientes distintas, no horizontales, tal como se aprecia. Este comportamiento era de esperarse debido al aumento de las solubilidades mutuas del acetato de etilo y el agua en presencia del ácido acético. Las líneas de unión también reflejan que el ácido acético presenta una mayor solubilidad en el acetato de etilo que en el agua. Esto se explica por que el acetato de etilo es un Ester, es decir, un derivado de ácidos carboxílicos y siendo el ácido acético uno de esos ácidos no es de extrañar dicho comportamiento para un mismo grupo funcional (Carbo-alcoxi).

La formación de las dos capas es producto de que la experiencia realizada se mezclaron cantidades relativas de los componentes que excedían la solubilidad mutua, observándose una una laguna de miscibilidad entre el agua y el acetato. Si aplicamos la regla de las fases dentro de la curva binodal, se obtiene que será necesario solo un grado de libertad, esto es debido a que hay dos fases. Fijando la composición de uno de los tres líquidos, quedara definido el sistema, gracias a las líneas de unión. El punto máximo de la curva binodal, difiere del punto de pliegue, lo cual se explica por la ley de distribución ya que la naturalezade las dos capas no permanece constante. E punto de pliegue representa la cantidad de ácido acético en la que este se distribuye de igual forma en la fase acuosa y la orgánica.

CONCLUSIONES       

El sistema de tres líquidos formado por acetato de etilo- agua- ácido acético, forma sistemas con un par de ellos parcialmente miscibles, en este caso en el aceto y el agua. La mezcla de los tres líquidos forman disoluciones ternarias conjugadas, es decir, dos capas saturadas, una acuosa y otra orgánica. El ácido acético es más soluble en acetato de etilo que en el agua, formando líneas de unión no horizontales y con pendientes distintas. Por encima del punto máximo de la curva binodal, será una solución homogénea de una fase liquida. Una mezcla por debajo y dentro de la curva forma dos fases liquidas insolubles saturadas de composiciones en equilibrio. Las líneas que unen las composiciones en equilibrio son las denominadas líneas de unión. Los grados de libertad necesarios dentro de la curva binodal es de uno, en cambio por encima de esta es de dos grados de libertad.

Recomendaciones 

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Hay que ser muy cuidadoso al momento de utilizar el ácido acético, debido a que este es muy volátil, así que para la obtención de unos resultados óptimos es necesario que antes de verter la cantidad del ácido en la bureta para la valoración, la mezcla de acetato y de agua este lista para titularse. Seria favorable para aumentar nuestros conocimiento de los comportamientos de sistemas de tres líquidos con un par parcialmente miscibles, trabajar a diferentes temperaturas, y así observar la variación de la curva de solubilidad a una temperatura alta con respecto a una menor. Realizar experimentos con sistemas de tres líquidos con dos pares parcialmente solubles, dos líquidos parcialmente soluble y un sólido y tres pares parcialmente solubles.

BIBLIOGRAFIA

https://chirinossilvaroger.files.wordpress.com/2012/05/diagrama-de-fases-para-dos-o-trescomponentes.pdf https://es.wikipedia.org/wiki/Diagrama_ternario...