UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
Tabla de contenidoRESUMEN2INTRODUCCIN3PRINCIPIOS
TERICOS4DETALLES EXPERIMENTALES7TABLA DE DATOS9EJEMPLO DE
CLCULOS12ANLISIS Y DISCUSIN DE LOS
RESULTADOS15CONCLUSIONES16RECOMENDACIONES17BIBLIOGRAFA18APNDICE19
UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
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RESUMEN
El objetivo de esta experiencia es determinar el diagrama
temperatura-composicin y el diagrama X-Y, para una mezcla de dos
componentes.
Las condiciones de laboratorio en que se trabaj fueron: presin
ambiental 756 mmHg, temperatura ambiente 23 C y humedad relativa
96%.
Un azetropo (o mezcla azeotrpica) es una mezcla lquida de dos o
ms componentes que posee un nico punto de ebullicin constante y
fijo, y que al pasar al estado vapor (gaseoso) se comporta como un
compuesto puro, o sea como si fuese un solo componente.
Para esta prctica primero se determin los puntos de ebullicin
del sistema, luego se determin las composiciones de las mezclas
midiendo los ndices de refraccin.
En las condiciones mencionadas los resultados experimentales
fueron: Temperatura de ebullicin del azetropo 86.3C con un
porcentaje de error frente al terico de 2.04%.
En conclusin, el punto azeotrpico es la mxima cantidad o
composicin del componente ms voltil que puede presentarse al
destilar la muestra; siendo en este punto la misma composicin del
1-propanol tanto en el destilado como en el residuo.
Es recomendable que para presentar un margen de error mnimo se
deben medir las temperaturas con exactitud y los ndices de
refraccin deben tomarse con un buen manejo del refractmetro.
INTRODUCCIN
El requerimiento bsico para separar los componentes de una
mezcla lquida por destilacin es que la composicin del vapor sea
diferente de la composicin del lquido del cual se forma, esto es lo
que sucede en las mezclas azeotrpicas. Las cuales se definen como
mezclas de dos componentes las cuales hierven a temperaturas ms
altas o ms bajas que sus respectivos puntos de ebullicin.
Toda mezcla azeotrpica posee un punto mximo o mnimo en el cual
el vapor que se forma tiene la misma composicin que la del lquido
del cual procede. En esta situacin los componentes no pueden ser
separados por destilacin fraccionada. Al llegar al punto de
ebullicin, sea mximo o mnimo la temperatura de la mezcla permanece
constante hasta que el lquido se agote.
La composicin de la mezcla azeotrpica es constante a una presin
dada, pues cuando la presin vara tambin cambia la temperatura y la
composicin de la mezcla. En consecuencia las mezclas azeotrpicas no
son compuestos definidos sino que se deben a las interacciones de
las fuerzas intermoleculares de la solucin.
Los conceptos y propiedades, entendidas como ventajas, de la
destilacin fraccionada y mezcla azeotrpica son empleados en la
industria del petrleo y del etanol en las que son muy comunes el
empleo de la columnas de Fraccionamiento. Tambin es empleado el
criterio de mezcla azeotrpica en la sntesis de esteres en qumica
orgnica, donde se forma un azetropo de tres componentes,
permitiendo as la obtencin del ster por destilacin.
PRINCIPIOS TERICOS
LEY DE RAOULT:La Ley de Raoult establece que la relacin entre la
presin de vapor de cada componente en una solucin ideal es
dependiente de la presin de vapor de cada componente individual y
de la fraccin molar de cada componente en la solucin, es decir:
Dnde: Si se introduce una mezcla de A y B en un recipiente en el
que se ha hecho el vaco y en el que se mantiene una temperatura
constante, se vaporizarn A y B hasta alcanzar un estado de
equilibrio en el que la presin reinante ser la presin total de
vapor de la mezcla, P, que de acuerdo con la ley de Raoult, tendr
el valor:
SOLUCIONES REALES:
Son aquellas soluciones que no se ajustan a la Ley de Raoult, y
que presentan desviacin positiva o negativa de la ley, debido a las
fuerzas de interaccin intermolecular de atraccin o repulsin entre
los componentes y como consecuencia de ello no cumplen con la
propiedad de aditividad de sus volmenes.
Desviacin positivaDesviacin negativa
SOLUCIONES IDEALES:Se denominan soluciones ideales a aquellas
soluciones que se ajustan a la ley de Raoult, en las cuales sus
componentes cumplen con las siguientes caractersticas: similitud en
las fuerzas de interaccin intermolecular, aditividad de los
volmenes, etc.La ley de Raoult expresa que la presin de vapor de un
componente a una determinada temperatura T, es proporcional a su
fraccin molar en el lquido (xi).
Pi = xi Pi (1)
Donde Pi es la presin de vapor del componente puro.Se puede
aplicar perfectamente a mezclas ideales de lquidos voltiles, de
talkm manera que las presiones parciales de los componentes en una
mezcla binaria son:
Pa = xa Pa Pb = xb Pb (2)
La presin total viene dada por: P = Pa + Pb
MEZCLA AZEOTRPICA:Son aquellas soluciones reales, cuya
caracterstica es que hierven a una temperatura ms alta o ms baja
respecto a la temperatura de ebullicin de cada uno de sus
componentes. Dicho de otra manera, es una mezcla de dos componentes
que hierven como si fuese una sustancia pura, con un punto de
ebullicin constante y originando un vapor de igual composicin que
la mezcla lquida de partida. Es evidente, que para estas mezclas no
puede conseguirse ninguna separacin mediante el empleo de la
destilacin.
DETALLES EXPERIMENTALES
1. MATERIALES Y REACTIVOS:
Materiales:Equipo especial para puntos de ebullicin, termmetro
de dcimas, mechero de alcohol, refractmetro, tubos con tapones de
corcho y pipetas.Reactivos:1-propanol (A), agua destilada (B) y
acetona comercial.
1. PROCEDIMIENTO
Determinacin de los puntos de ebullicin del sistemaInstalamos el
equipo para determinacin de puntos de ebullicin (baln de 125ml,
refrigerante de reflujo y un separador para retirar el destilado).
Ver figura 1.Adicionamos 20ml de 1-propanol (B) en el baln, luego
introducimos el termmetro de modo que el bulbo quede
aproximadamente en la mitad del lquido contenido en el baln,
calentamos hasta alcanzar el punto de ebullicin y tomamos lectura
de la temperatura; inmediatamente extrajimos 1ml del destilado;
dejamos enfriar con un bao de agua fra y luego retiramos
aproximadamente 1ml del componente A del baln (este lquido es el
residuo). As mismo aadimos cada incremento de agua (A) de acuerdo a
la tabla 2.2: repetimos todo el procedimiento, es decir para cada
incremento: calentamos, tomamos lectura del punto de ebullicin,
retiramos 1ml de destilado, enfriamos y extrajimos 1ml de residuo.
Por otro lado realizamos un procedimiento parecido; esta vez con
20ml de agua (B): calentamos, determinamos punto de ebullicin,
retiramos 1ml de destilado, enfriamos y extrajimos 1ml de residuo.
La diferencia estuvo en que para cada incremento de 1-propanol segn
la tabla 2.1, se realiz siempre con 20 ml de agua (B) y su
respectivo incremento; lavando todo el equipo para cada
incremento.
Determinacin de la composicin de las mezclasSe prepar 3ml de
mezclas en tubos con tapn de corcho segn la tabla 2.3 y tomando
lectura de temperatura de agua y 1-propanol puros; y a continuacin
medimos el ndice de refraccin de cada mezcla.Finalmente medimos
ndices de refraccin para los destilados y residuos obtenidos
anteriormente.
TABLA DE DATOS
Tabla N 1 Condiciones experimentales de
laboratorio:Presin(mmHg)Temperatura (C)% HumedadRelativa
7562396
Tabla N 2 Datos experimentales de ndices de refraccin y
temperatura de ebullicin de solucin de 1-propanol (B) en H2O (A) de
varias composiciones:
MuestraTemperatura de Ebullicin (C)ndice de Refraccin
DestiladoResiduo
H2O (Puro)99.51.3328
Incremento 196.51.35131.3348
Incremento 288.51.37291.3477
Incremento 387.51.37451.3535
Incremento 486.01.36971.3637
Incremento 590.51.37081.3695
Incremento 691.01.37471.3734
Tabla N 2 Datos experimentales de ndices de refraccin y
temperatura de ebullicin de solucin de H2O (A) en 1-propanol (B) de
varias composiciones:MuestraTemperatura de Ebullicin (C)ndice de
Refraccin
DestiladoResiduo
1-Propanol (Puro)96.61.3830
Incremento 192.41.38241.3827
Incremento 290.71.38181.3825
Incremento 390.51.38041.3822
Incremento 487.81.37831.3810
Incremento 587.21.37731.3792
Incremento 686.41.37601.3747
Tabla N 4 Datos experimentales de ndices de refraccin de mezclas
de 1 - propanol y H2O de varias composiciones.
N de muestraVolumen de 1 - propanol(mL)Volumen de agua (mL)
13.00.01.3860
22.90.11.3855
32.80.21.3845
42.50.51.3810
52.10.91.3775
61.71.31.3705
71.41.61.3650
81.02.01.3580
90.52.51.3480
100.03.01.3330
Tabla N5 % molar del 1-propanol e ndice de refraccin de la
mezcla:
N de muestra% molar del 1 - propanol
1100.001.3860
287.481.3855
371.131.3845
454.641.3810
535.991.3775
623.961.3705
717.411.3650
810.751.3580
94.601.3480
100.001.3330
Tabla N 6 y % molar del 1-propanol en el destilado y residuo de
la solucin 1-propanol (B) en H2O (A):
Numero de muestraTemperatura(C)DestiladoResiduo
%molar 1-propanol%molar 1-propanol
196.51.35136.01.33480.8
288.51.372927.01.34775.0
387.51.374528.81.35357.5
486.01.369723.01.363716.5
590.51.370824.81.369523.0
691.01.374730.01.373427.0
Tabla N 7 y % molar del 1-propanol en el destilado y residuo de
la solucin H2O (A) en 1-propanol (B):
Numero de muestraTemperatura(C)DestiladoResiduo
%molar 1-propanol%molar 1-propanol
192.41.382460.01.382762.0
290.71.381858.51.382560.2
390.51.380448.81.382259.0
487.81.378337.61.381055.0
587.21.377334.01.379242.0
686.41.376032.01.374730.0
Tabla N 8 %Error con respecto a la Teb y %molar (1-propanol) de
la mezcla azeotrpica:
88.1C86.3C2.04%
43.3%32%26.10%
EJEMPLO DE CLCULOS
1. Determinacin de la composicin del Destilado y Residuo:
Calculo del % molar del componente ms voltil en cada una de las
mezclas de la tabla N4:Debido a que en la tabla N4 solo se cuenta
con valores de volmenes, ser necesario conocer la densidad de los
lquidos a la temperatura a la cual se trabaj (T=23C), estos datos
se han obtenido del Handbook of Chemistry and Physics: Hallemos las
densidades del agua y 1-propanol a 23 C:
Densidad del 1-propanol a 23 C:
,
Adems se sabe que P.M (H2O) = y P.M (1-propanol)= Muestra
2:Datos
Hallemos el porcentaje molar del 1-propanol mediante la
siguiente relacin:
Y as sucesivamente con los dems mezclas, vase la Tabla N5
Con los datos obtenidos construimos la curva de ndice de
refraccin - % molar de 1-propanol, vase la grfica N1 en el
apndice
Del grafico N1, determinemos el % molar del 1-propanol de cada
una de las muestras de destilado y residuo:
Vase las tablas N 6 y N 7
2. Determinacin de las Propiedades del Azetropo:
Construir el diagrama x-y para el sistema (composicin en el
vapor vs composicin en el lquido) de 1-propanol, vase en el
apndice
Construir el diagrama T-Composicin del sistema A-B (T vs X e Y),
vase en el apndice
Basndose en los diagramas anteriores determine la composicin y
temperatura de ebullicin de la mezcla azeotrpica, compare con los
tericos:
Comparemos con los valores tericos ( , )
Hallemos el porcentaje de error con respecto a la fraccin molar
del 1- propanol en el punto azeotrpica
Hallemos el porcentaje de error con respecto a la temperatura de
ebullicin de la mezcla azeotrpica
ANLISIS Y DISCUSIN DE LOS RESULTADOS
Los posibles errores en los clculos se deben a que para el
sistema 1 propanol en agua, al medir las temperaturas de ebullicin
y recoger los destilados hubo casos en donde estas muestras pasaron
al tubo en donde iban a ser recogidas de manera inmediata. Adems al
medir los ndices de refraccin la lnea con la cual se determina en
la X, no presentaba un color uniforme (oscuro negro) sino mas bien
un color medio rojizo los cuales se corrigen con el corrector de
dispersin cercano al ocular. A partir de la Grfica X - Y
(Composicin del vapor Vs Composicin del lquido) se obtuvo la
composicin del 1 - propanol en la mezcla azeotrpica en cual resulto
X=Y=32% comparndolo con el valor terico resulta un error de 26.10%.
En cuanto a la determinacin del punto de ebullicin el resultado fue
algo cercano al terico, (ver Grafica T X e Y) ya que el error, con
respecto al punto de ebullicin terico, fue 2.04%, este resultado se
debe a que contbamos con un termmetro que media decimas de grados
centgrados, y podamos tomar las temperaturas de ebullicin con ms
exactitud.
CONCLUSIONES
1. En el sistema 3 (agua 1propanol), notamos que si agregramos
un tercer componente, el punto azeotrpico se desplazara hacia el
lado izquierdo o derecho de la grfica.
1. En la grfica del sistema 3 notamos que conforme vamos
agregando tantas cantidades de mililitros de propanol la
temperatura de ebullicin disminuye, esto ocurre debido a que el
propanol es un lquido voltil.
1. Si en la grfica T vs X a presin constante, modificaramos esta
ltima expresin ya sea aumentando la presin o disminuyendo,
anlogamente el punto azeotrpico se desplazara tanto a la derecha
como en la izquierda.
1. Si uno de los componentes trabajados en la experiencia se
descompondra con la temperatura, no se procedera a realizar el
procedimiento de destilacin fraccionada, por lo tanto se recurrira
a otros medios.
RECOMENDACIONES
1. Conforme en el sistema 3, se va agregando propanol, estar muy
alerta al mirar el termmetro, para poder hallar as con efectividad
la temperatura de ebullicin.
1. Al calentar el baln con el mechero se debe evitar que el
fuego del mechero calienta directamente el bulbo del termmetro;
para eso se debe calentar por los costados del baln para evitar una
temperatura incorrecta.
1. Tener mucho cuidado al calentar la mezcla agua propanol, ya
que si se sobrecalentara, el destilado saldra violentamente tanto
as que puede perjudicar la experiencia
1. La medicin de los volmenes debe ser lo ms exacta posible,
pues esto servir para los clculos posteriores.
BIBLIOGRAFA
Gaston Pons Muzzo Primer Curso de Fisicoqumica, impreso en
Talleres Tipogrficos de la UNMSM, Primera edicin, Lima, 1956,
Pginas: 195, 202-206.
Gilbert W. Castellan Fsicoquimica, Addison Wesley Iberoamerica,
Segunda Edicin, 1987, Pginas: 316, 317, 322, 323, 333, 334.
Atkins, P., "Fisicoqumica", 2da ed., Ed. Addison Wesley, pgs.
194, 201-202, 210-212
Fundamentos Tericos - Prcticos Para El Laboratorio, Lydia
Galagobsky Kurman Ed. Eudea Pginas. 90-91
APNDICE
Cuestionario
1. Para las mezclas liquidas binarias ideales, explique la
aplicacin de las leyes de Dalton y Raoult.
La Ley de Dalton nos dice que la presin parcial de una mezcla
gaseosa se expresa como el producto de la fraccin molar por la
presin total a la que se encuentra la mezcla gaseosa.Se expresa de
la siguiente manera:
Pi = Yi PT
Esta relacin es muy usada en problemas donde se aplica la Ley de
Raoult ya que en el equilibrio se igualan las presiones del vapor y
del lquido
Pi = Xi PT
Donde Pi es la presin de vapor del componente i de la
mezcla.Esta ley se puede aplicar perfectamente a mezclas ideales de
lquidos voltiles. En la mayora de sistemas binarios liquido -
vapor, la ley de Raoult es buena aproximacin para un componente
solo cuando su fraccin molar se acerca a la unidad.
1. Explique la solubilidad de los gases en los lquidos. En qu
caso se aplica la Ley de Henry y la Ley de Dalton.
La Ley de Henry relaciona la presin parcial del soluto en la
fase vapor con la fraccin mol del soluto en la solucin. Enfocando
la relacin desde otro punto de vista, la Ley de Henry relaciona la
fraccin mol de equilibrio, la solubilidad de j en la solucin, con
la presin parcial de j en el vapor:
Esta ecuacin representa la solubilidad Xj de un constituyente
voltil es proporcional a la presin parcial del mismo en la fase
gaseosa en equilibrio con el lquido. Se emplea para correlacionar
los datos de la solubilidad de gases en los lquidos. Si el
disolvente y el gas no reaccionan qumicamente, la solubilidad de
gases en lquidos suele ser pequea y se cumple la condicin de
dilucin.
1. En qu casos se aplica la destilacin fraccionada a presin
constante?La destilacin fraccionada a presin constante se aplica
cuando hay componentes lquidos que poseen diferentes puntos de
ebullicin. Adems, estos componentes no deben reaccionar entre s a
una temperatura cercana a la temperatura de ebullicin de la mezcla
durante el desarrollo del proceso