Informe Nº 9 Equlibrio liquido-vapor

EQULIBRIO LQUIDO - VAPOR

EQULIBRIO LQUIDO - VAPORLABORATORIO DE FISICOQUIMICA II

UNIVERSIDAD NACIONALMAYOR DE SAN MARCOS

(Universidad del Per, Decana de Amrica)

FACULTAD DE QUMICA E ING. QUMICAEAP. INGENIERA QUMICA

LABORATORIO DE FISICOQUIMICA IIEQUILIBRIO LQUIDO VAPOR

INTEGRANTES: CORNEJO 07070140 bARRAZA BACA, DAVID JORGE 09070088tORRES SANCHEZ, JOSE MARCO 10070198profesorA: CLAUDIA BERZOY LLERENASfECHA DE LA PRCTICA:17 / 04 / 15fECHA DE ENTREGA: 04 / 05 / 15TURNO: VIERNES 13-16 hRS.

cIUDAD uNIVERSITARIA, MAYO DE 2015

NDICE

RESUMEN3 INTRODUCCIN4

MARCO TERICO5

TABLAS DE DATOS EXPERIMENTALES 7

TABLAS DE DATOS TERICOS9

TABLAS DE RESULTADO10

CLCULOS EXPERIMENTALES12

DISCUSIN DE RESULTADOS17

CONCLUSIONES18

BIBLIOGRAFA19

CUESTIONARIO20

APNDICE25

Resumen

Para determinar el diagrama Temperatura-Composicin y el diagrama x-y se us el sistema 3: agua (A), 1-propanol (B) como mezcla lquida. Para ello las condiciones del laboratorio fueron 23C de temperatura, 756 mmHg de presin y 92% de humedad relativa.Se colocaron 20 mL de agua en el baln sumergiendo el termmetro de dcimas para que luego de calentarlo hasta su ebullicin se tomara su punto de ebullicin, el cual debera coincidir con el punto de ebullicin terico del agua. De acuerdo a la Tabla N1 se aadi un incremento de 1-propanol al baln para lograr dos nuevas muestras tanto del destilado como del residuo. Todas estas muestras se llevaron al refractmetro para leer su ndice de refraccin.De la misma manera se colocaron 20 mL de propanol para que luego de la ebullicin, se aadiera un incremento de agua repitindose el procedimiento anterior.Se us la Tabla N2 para el sistema 3 preparando mezclas de 3 mL y midiendo sus respectivos ndices de refraccin. El del puro ser uno solo ya que el destilado tiene la misma composicin del residuo.

Introduccin

Cuando dos lquidos se ponen en contacto mutuo, existen tres tipos de sistemas binarios que pueden ser observados experimentalmente segn el grado de miscibilidad. Ambos pueden ser inmiscibles, parcialmente miscibles o totalmente miscibles, que es el caso de esta prctica.El estudio del equilibrio liquido-vapor es sumamente importante para mltiples aplicaciones en la industria petrolera por ejemplo en el diseo de equipos de gas, como separadores, compresores deshidratadores, etc, donde se requiere que haya una eficiente separacin, de tal forma que se obtenga las cantidades de petrleo y gas estimadas en l. Es necesario efectuar clculos de equilibrio vapor-lquido y de balance de materia en cada etapa de separacin, esto permite conocer las cantidades de gas y de lquido separado, as como los parmetros necesarios para seleccionar las presiones de separacin ptimas para los fines que se pretendan.Es importante entonces conocer la composicin de la mezcla para identificar sus propiedades. Para ello son necesarias las grficas y diagramas.Todos esos detalles se expondrn meticulosamente en el siguiente informe traducido en los datos y resultados para realizar los clculos respectivos.

Marco TericoSoluciones Ideales: Son soluciones que se ajustan a la ley de Raoult, esto es, los componentes tienen similitud en las fuerzas de interaccin intermolecular, aditividad de volmenes, etc. Esto se cumple en todo el rango de concentraciones. Ley de Raoult

Soluciones Reales: Son soluciones que no se ajustan a la ley de Raoult y por lo tanto presentan desviaciones en la grfica (positiva o negativa), debido a las fuerzas intermoleculares de atraccin o repulsin de sus componentes y en consecuencia, no cumplen con la propiedad de aditividad de volmenes. Sin embargo en un rango de concentracin si la solucin es muy diluida el solvente se ajusta a la ley de Raoult.

Soluciones Azeotrpicas: Son soluciones reales que hierven a menor o mayor temperatura que sus componentes. En la grfica presin de vapor vs composicin presentan un mximo (para las de punto de ebullicin menor y con desviacin positiva de la ley de Raoult) o un mnimo (para las de punto de ebullicin mayor y con desviacin negativa de la ley de Raoult) denominado punto azeotrpico. Como sabemos una sustancia pura hierve a temperatura constante, lo que no sucede en las soluciones donde hay un rango de temperatura de ebullicin. Las mezclas azeotrpicas se comportan como si fueran un solo componente y hierven a temperatura constante. No es posible separar los componentes por destilacin simple excepto uno solo de ellos.

Tablas de Datos Experimentales

TABLA N1:

Tabla 1.1 Volumen aadido de 1-propanol (B) a 20mL de Agua (A)

Nde incrementoVolumen del incremento de B para aadir a 20 mL de A (mL)Temperatura de ebullicin(C)ndice de refraccin del destilado (nR)ndice de refraccin del residuo (nR)

11.0961.3531.335

23.0911.3661.339

35.0891.3691.344

48.087.51.3741.350

59.086.51.3601.352

610.0841.3741.353

Tabla 1.1 Volumen aadido de Agua (A) a 20mL de 1-propanol (B)

Nde incrementoVolumen del incremento de A para aadir a 20 mL de B (mL)Temperatura de ebullicin(C)ndice de refraccin del destilado (nR)ndice de refraccin del residuo (nR)

10.493.11.38201.3825

20.4911.38101.3827

30.489.91.38031.3826

40.588.31.37921.3820

50.587.61.37841.3808

60.5871.37741.3799

70.586.51.37681.3786

TABLA N2:

ndice de Refraccin de mezclas entre Agua (A) y 1-propanol (B) para graficar la Curva PatrnNde muestraVolumen de A (mL)Volumen de B (mL)ndice de refraccin de la mezcla (nR)

13.00.01.3330

22.90.11.3480

32.80.21.3580

42.50.51.3650

52.10.91.3705

61.71.31.3775

71.41.61.3810

81.02.01.3845

90.52.51.3855

100.03.01.3862

Tablas de Datos Tericos

TABLA N1: Datos Tericos de los Componentes

Agua (A)1-propanol (B)

Tebullicin (C)10097

Densidad 0.997620.8012

Masa Molar 1860

ndice de Refraccin (nR) 1.3331.387

Fuentes: http://www.fullquimica.com/2012/04/densidad-del-agua.htmlhttp://www.scielo.org.co/scielo.php?pid=S0120-28042012000100005&script=sci_arttexthttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%8Dndice_de_refracci%C3%B3nhttp://www.fao.org/ag/agn/jecfa-flav/details.html?lang=es&flavId=2913

TABLA N2: Datos Tericos de la Mezcla AzeotrpicaTebullicin (C)88.1

XAgua0.567

X1-propanol0.433

Fuentes: CRC Handbook of Chemistry and Physics,90th Ed. Internet Version 2010, 8-69

Tablas de Resultados TABLA N1:

Fracciones Molares de los Componentes de las mezclas entre Agua (A) y 1-propanol (B) de la Tabla 2 (Pg. 8) para graficar la Curva PatrnAgua1-propanol

Volumen (mL)Fraccin Molar (%XAgua)Volumen (mL)Fraccin Molar (%X1-propanol)

3.01000.00

2.999.180.10.82

2.898.310.21.69

2.595.40.54.60

2.190.640.99.36

1.784.441.315.56

1.478.41.621.60

1.067.482.032.52

0.545.362.554.64

0.003.0100

TABLA N2: Tabla 2.1 Fracciones molares del lquido ms voltil (1-propanol) del destilado y residuo tomados de la Curva Patrn para los volmenes aadidos de 1-propanol (B) a 20mL de Agua (A)DestiladoResiduo

ndice de Refraccin (nR)Fraccin Molar (X1-propanol)ndice de Refraccin (nR)Fraccin Molar (X1-propanol)

1.3531.335

1.3661.339

1.3691.344

1.3741.350

1.3601.352

1.3741.353

Tabla 2.2 Fracciones molares del lquido ms voltil (1-propanol) del destilado y residuo tomados de la Curva Patrn para los volmenes aadidos de Agua (A) a 20mL de 1-propanol (B)DestiladoResiduo


1.38201.3825

1.38101.3827

1.38031.3826

1.37921.3820

1.37841.3808

1.37741.3799

1.37681.3786

TABLA N3: Resultados Experimentales del Azetropo

(C)86.5

0.345

0.655

Clculos ExperimentalesDeterminacin de la composicin del Destilado y Residuoa) Calcule el % molar del componente ms voltil en cada una de las mezclas preparadas en la tabla N2 (Pg.8).

=18 g/mol=60g/mol Muestra 1:Vagua = 3.0 mLV1-propanol = 0 mL

%X1-propanol = %X1-propanol = 0% Muestra 2:Vagua = 2.9 mLV1-propanol = 0.1 mL

%X1-propanol = %X1-propanol = 0.82%

Muestra 3:Vagua = 2.8 mLV1-propanol = 0.2 mL

%X1-propanol = %X1-propanol = 1.69% Muestra 4:Vagua = 2.5 mLV1-propanol = 0.5 mL






%X1-propanol =

%X1-propanol = 54.64% Muestra 10:Vagua = 0 mLV1-propanol = 3.0 mL

%X1-propanol = %X1-propanol = 100%b) Construya la curva de ndice de Refraccin vs %molar del componente ms voltil (Curva patrn). (VER APNDICE)

c) Del grfico, determine el % molar del componente ms voltil de cada una de las muestras de destilado y residuoTabla 2.1 Fracciones molares del lquido ms voltil (1-propanol) del destilado y residuo tomados de la Curva Patrn para los volmenes aadidos de 1-propanol (B) a 20mL de Agua (A)DestiladoResiduo


1.3531.335

1.3661.339

1.3691.344

1.3741.350

1.3601.352

1.3741.353

Tabla 2.2 Fracciones molares del lquido ms voltil (1-propanol) del destilado y residuo tomados de la Curva Patrn para los volmenes aadidos de Agua (A) a 20mL de 1-propanol (B)DestiladoResiduo


1.38201.3825

1.38101.3827

1.38031.3826

1.37921.3820

1.37841.3808

1.37741.3799

1.37681.3786

Determinacin de las Propiedades del Azetropod) Construya el diagrama x-y para el sistema (composicin en el vapor vs composicin en el lquido) en funcin del componente ms voltil. (VER APNDICE)e) Construya el diagrama T-composicin del sistema A-B (T vs X e Y). (VER APNDICE)f) Basndose en los diagramas anteriores determine la composicin y temperatura de ebullicin de la mezcla Azeotrpica. Compare estos valores con los tericos

Discusin de Resultados

1. Se us la curva patrn para hallar las concentraciones de los componentes para los cuales la concentracin del componente ms voltil sali ms pequeo a medida que el ndice de refraccin se haca ms pequeo.

2. Para las curvas de (Composicin del vapor vs. Composicin del lquido) y la de (Temperatura vs. Composicin), sali parecida al diagrama terico pero con algunas alteraciones ya que algunos datos no fueron exactos.

3. En el diagrama (temperatura vs. Composicin) se hall el punto azeotrpico el cul present un punto de ebullicin ms bajo que el terico.(C) terico = 88.1(C) experimental = 86.5

Conclusiones Una caracterstica de las disoluciones ideales es que a una temperatura dada, cada componente de la disolucin ejerce una presin de vapor que es proporcional a su fraccin molar en la fase lquida y a la presin de vapor del componente puro a esa temperatura.

En el diagrama de fase (n-propanol vs agua) la curva de temperatura de ebullicin en el diagrama temperatura-composicin muestra un mximo en el que la composicin de la fase lquida y de la fase gas son idnticas. Estos puntos singulares (pueden ser mximos o mnimos) se denominan puntos azeotrpicos.

La diferencia entre una mezcla normal y una azeotrpica es la siguiente: cuando se destila una mezcla cualquiera la composicin de la fase vapor es diferente a la composicin de la mezcla lquida, cuando se destila una mezcla azeotrpica la composicin de la fase vapor es exactamente la misma que la de la fase lquida. Es decir, una mezcla cualquiera es destilable, mientras que en las disoluciones que forman azetropos no es posible separar sus componentes mediante destilacin fraccionada.

A excepcin de las mezclas azeotrpicas, todas las mezclas lquidas tienen punto de ebullicin que se encuentran dentro de aquellos de su componentes puros. Variando la composicin de la fase lquida, el punto de ebullicin de la mezcla varia de manera regular, desde el punto d ebullicin de uno de sus componentes hasta del otro.

Cuanto mayor es la presin de vapor de un lquido, o sea, cuanto ms voltil, ms bajo ser su punto de ebullicin. El vapor de una mezcla binaria es siempre ms rico en el constituyente ms voltil, y por ello se recurre al proceso de la destilacin fraccionada para separar los constituyentes ms voltiles de los que lo son menos.

Bibliografa

Atkins P.W. Fisicoqumica, 3ra edicin, Ed. Addison-Wesley Iberoamericana, 1991 EEUU . Pg. (190-191-192, 206-207).

Castellan G. Fisicoqumica, 2da edicin, Ed. Addison-Wesley Logman de Mxico, 1998. Pg. (324-325-326).

Pons Muzzo Gastn Fisicoqumica, 3ra edicin Pg. (274-275-276, 285-286, 291-292).

Laidler Meiser Fisicoqumica, 1ra edicin, Ed, Continental 1997, 2000, S.A de C.V Pg. (226-227).

Cuestionario1.- Para las mezclas lquidas binarias ideales, explique la aplicacin de las leyes de Dalton y Raoult.Cuando un sistema consiste de dos lquidos tales como benceno y tolueno que son miscibles uno en otro en cualesquiera proporciones, no es posible distincin alguna entre solvente y soluto. El smbolo PA representa la presin de vapor parcial del componente A, mientras que PB es aquella del componente B, cuando las dos fases vapor y lquido se encuentran en equilibrio.De acuerdo con la Ley de Dalton, la presin de vapor total P ser la suma de las dos presiones de vapor parciales P = PA + PBPara conocer las presiones parciales de los vapores, en equilibrio con una mezcla de dos lquidos voltiles, la norma empleada es determinada experimentalmente, la presin de vapor total P y la composicin del vapor. Si esta ltima se establece en trminos de las respectivas fracciones molares de los componentes YA e YB tambin por la Ley de Dalton, se tiene quePA = YA x P PB = YB x P ()

En la fase vapor se expresan las fracciones molares por Y, mientras que en el lquido se expresan por X.Un sistema ideal de dos lquidos es descrito como aquel en donde ambos constituyentes obedecen a la Ley de Raoult, o lo que es lo mismo, las presiones parciales de los vapores se pueden calcular mediante la composicin del lquido por las relaciones siguientes:PA = XA x PA PB = XB x PB ()

En una solucin ideal, los valores de PA y PB obtenidos por () y () deben ser idnticos. En una solucin no ideal, la diferencia de stos valores obtenidos por () con respecto a los mismos obtenidos por () indica la desviacin de la mezcla lquida de una solucin ideal.

Algunas mezclas obedecen muy bien la Ley de Raoult, especialmente cuando los componentes son qumicamente similares (Fig.1).Las mezclas que cumplen la ley en todo el intervalo de composiciones desde A puro hasta B puro, se denominas disoluciones ideales.

Fig. (1)En disoluciones ideales, el soluto tambin obedece la Ley de Raoult, es decir, la presin de vapor es proporcional a su fraccin molar: PA = XA x PAPURA PB = XB x PBPURA P = PA + PB

P = PBPURO + ( PAPURO PBPURO) x XA

pero en diluciones reales, pese a que en bajas concentraciones la PV del soluto es proporcional a su fraccin molar, la pendiente ya no corresponde a la PV de la sustancia pura (Fig.2)

Fig. (2)

Esta distinta dependencia lineal fue descubierta por el qumico ingls William Henry y se conoce ahora como la ley de Henry

PA = XA x KA

donde XA es la fraccin molar del soluto y KA es una constante (con las dimensiones de presin) elegida de forma que el grfico de PV de B en funcin de su fraccin molar sea tangencial a la curva experimental en el punto XA = 0 (Fig.2) Las mezclas que obedecen la Ley de Henry son menos ideales que las que obedecen la Ley de Raoult en todo su intervalo de composicin y se conocen como diluciones diluidas ideales.

2.- Explique la solubilidad de los gases en los lquidos. En qu casos se aplica la ley de Henry y la ley de Dalton.La solubilidad de un gas en un lquido, que es la cantidad mxima del gas que se puede disolver en un volumen determinado del lquido, depende de la naturaleza del gas y de la naturaleza del lquido, de la temperatura y de la presin.La influencia de la presin sobre la solubilidad de un gas viene indicada por la Ley de Henry la cual dice que a temperatura constante, la solubilidad de un gas en un lquido es directamente proporcional a la presin del mismo gas sobre el lquidoCuando en un solvente se disuelven simultneamente varios gases procedentes de una mezcla gaseosa, segn Dalton la solubilidad de cada gas es directamente proporcional a la presin parcial del indicado componente en la mezcla gaseosa. En otras palabras, la Ley de Henry se aplica a cada gas, independiente de las presiones de los otros gases presentes en la mezcla gaseosa.No obstante, falla la proporcionalidad directa indicada por la Ley de Henry bajo condiciones de presin alta o en los casos de gases de solubilidades relativamente altas.

3.- En qu casos se aplica la destilacin fraccionada a presin constante?La destilacin fraccionada a presin constante es aplicada para aquellos procesos donde un componente simple se vaporiza de una solucin. Tambin se aplica para aquellas operaciones en las cuales la vaporizacin de una mezcla liquida produce una fase vapor que contiene ms de un componente que el otro, queriendo recuperar uno o algunos de los componentes en estado puro.El requerimiento bsico para separar los componentes de una mezcla liquida por destilacin fraccionada es que la composicin del vapor sea diferente de la composicin del lquido del cual se forma. Si la composicin del vapor es la misma como la del lquido, el proceso de separacin de los componentes es imposible por destilacin fraccionada. Esto ocurre con las mezclas azeotrpicas.

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Informe Nº 9 Equlibrio liquido-vapor

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