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DESTILACIÓN DE UNA MEZCLA BINARIA DE HCl - H2O
PARA LA OBTENCIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN DEL
AZEÓTROPO Facultad de Ciencias Químicas Campus Coatzacoalcos – Universidad Veracruzana
Delgado Vargas, D.; Chávez Segura, G.; Madrazo Cazarin, E.; Sagrero González, J.;
Palomeque, J.; Espejo Martínez, B.; Simón Domínguez Ilse
Laboratorio de Fisicoquímica – Dr. Benoit Fouconnier
INTRODUCCIÓN
En la industria química uno de los métodos más usados para la separación de componentes
de una mezcla, es la destilación, aprovechando las diferencias de volatilidades de los compuestos a
separar, mediante la adición de calor. Los procesos de separación por calor alcanzan sus objetivos
mediante la creación de dos o más fases que coexisten y que tienen diferencia de temperatura,
presión y composición. Cada especie molecular de la mezcla que se vaya a separar coexistirá de
modo único ante los diversos ambientes presentes en esas zonas. En consecuencia, conforme el
sistema se desplaza hacia el equilibrio, cada especie establecerá una concentración diferente en cada
zona y esto da como resultado una separación entre las especies. [1-4]
En la práctica es más conveniente llevar a cabo una destilación a presión constante que a
temperatura constante. A una presión de confinamiento dada una solución de composición definida
hervirá a una temperatura a la cual su presión de vapor total es la misma que la presión de
confinamiento. Así a una presión atmosférica una solución hervirá a la temperatura en que la
presión total de vapor se hace igual a 760 mm de mercurio. [5-6]
Aquellas mezclas en las que se observa una notoria desviación de la ley de Raoult son
denominadas mezclas Azeotrópicas, en las cuales dos o más sustancias se comportan como una
sustancia única, por el hecho que el vapor producido por la evaporación parcial del líquido tiene la
misma composición que el líquido. La mezcla en ebullición constante muestra un punto máximo o
mínimo de ebullición, comparado con el de otras mezclas de las mismas sustancias.
El Ácido clorhídrico, a temperatura ambiente, es un gas ligeramente amarillo, corrosivo, no
inflamable, más pesado que el aire, de olor fuertemente irritante. Se emplea comúnmente como
reactivo químico y se trata de un ácido fuerte que se disocia completamente en disolución acuosa.
Esta sustancia produce mezcla azeotrópica negativa, con el agua, en su representación las curvas de
vapor y líquido deben ser tangentes y el líquido y el vapor tendrán la misma composición (Teorema
de Gibbs-Konovalov), el azeótropo HCl-H2O hierve a una temperatura superior que sus
componentes por lo cual es un azeótropo de ebullición máxima.
Tomando como referencia lo anterior, el presente trabajo tiene como objetivo la destilación
de una mezcla binaria de HCl-H2O para la determinación del punto de ebullición y composición en
el azeótropo.
2. METODOLOGÍA
2.1 Sustancias y materiales.
Las sustancias utilizadas en el desarrollo de esta práctica fueron; HCl concentrado (20%) y
agua. El Ácido clorhídrico (HCl) es compuesto químico que a condiciones normales de presión y
temperatura (CNPT) es un gas más denso que el aire, el punto de ebullición del HCl se encuentra a
los +48 °C, por otro lado el Agua (H2O) es un compuesto químico formado por dos átomos de
hidrógeno (H) y uno de oxígeno (O), la cual presenta un punto de ebullición a 100 °C (1 atm). [8]
2.2 Equipo y estado inicial.
Fueron tomadas cantidades de 50 ml y 20 ml al comienzo del proceso experimental, de Agua
destilada hervida y Ácido clorhídrico concentrado, respectivamente, mediante el uso de probetas
graduadas con capacidad de 100 ml, teniendo un error máximo permisible (EMP) de ±1 ml. Dichas
cantidades fueron depositadas en un matraz de destilación con capacidad de 500 ml. Posteriormente
fue integrado al equipo de destilación simple (Ilustración 1).
Ilustración 1 Equipo de destilación simple
2.3 Procedimiento de destilación simple
La mezcla inicial con una composición de 50 ml de H2O (X=0.999) y 20 ml de HCl
(X=0.001) fue sometida al proceso de destilación simple, transfiriendo calor por convección
haciendo uso de un mechero de Bunsen, hasta obtener temperatura constante.
2.3.1 Colectación de destilados y residuos
Al alcanzar una temperatura constante se procede a colectar 2.5 ml de destilado (D1),
anotando la temperatura (T1), por otra parte, para la obtención del residuo (R1) es necesario
suspender el calentamiento, para así permitir que nuestro líquido contenido en la matraz de
destilación deje de hervir, y así colectar 2.5 ml de residuo, el proceso de colectado fue realizado
haciendo uso de pipetas graduadas de 5 ml con un error máximo permisible de ±0.03 ml.
2.3.2 Proceso de adición de HCl
Posterior a la obtención de D1 y R1, se adiciona HCl concentrado al matraz de destilación,
añadiendo 2.5 ml en la campana de extracción.
El procedimiento anterior es repetido, sin embargo varía en cantidades, las cuales son
representadas en la Tabla 1.
Tabla 1 Volúmenes adicionados y retirados en el proceso de destilación simple.
Vol de
H2O
agregado (ml)
Vol de HCl
agregado (ml)
Temp (°C)
Destilado
retirado (D) (ml)
Residuo retirado
( R ) (ml)
Edo. Inicial (1) 50 20 102 2.5 2.5
2 0 5 103 2.5 2.5
3 0 3.5 104 2.5 2.5
4 0 3.5 105 2.5 2.5
5 0 3.5 108 2.5 2.5
2.6 Titulación para la determinación de concentraciones
Teniendo las muestras de cinco destilados y cinco residuos, se procede a la determinación de
las concentraciones de los mismos, haciendo uso de un método análisis químico cuantitativo,
denominado Titulación, para la cual fueron tomadas alícuotas de 2 ml tanto de destilado como de
residuo, y se titulan con NaOH 0.4 N, haciendo uso de azul de bromotimol como indicador. Dicho
procedimiento nos proporcionara una cantidad de ml gastados de NaOH, en la cual nuestro líquido
vira, es decir, cambia su coloración. Contando con la cantidad de ml gastados, y la normalidad de
NaOH se procede a la determinación de la concentración de nuestra solución mediante la fórmula
(Ver Tabla 2).
Tabla 2 Concentraciones de destilados y residuos.
Alícuota
(ml)
Concentración
de destilados
(N)
Concentración de
Residuos (N)
2 0.12 3.44
2 0.44 3.68
2 1.4 4.92
2 3.08 5.4
2 6.12 5.64
2.7 Determinación de fracciones molares
La determinación de las fracciones molares del componente volátil y el azeótropo fueron
evaluadas haciendo uso de las densidades del Ácido clorhídrico a las temperaturas en las cuales se
tomaron los destilados y residuos, las densidades fueron evaluadas mediando un ajuste polinómico
de segundo grado a los datos conocidos de densidad del HCl al 20% (Ecuación 1) esto debido a que
en un proceso isobárico, la densidad del HCl a 20% disminuye al aumentar la temperatura (Ver
Gráfica 1) tomando un comportamiento polinómico de grado 2, siendo posible la determinación de
densidades en función de la temperatura para así extrapolar las temperaturas desconocidas (Tabla
3), también se requirió la densidad del agua para el proceso de cálculo de fracciones molares (Ver
Tabla 4).
Gráfico 1 Variación de la Densidad de HCl (20%) con la Temperatura
D = 1.1067-0.0004*x-7.732E-7*x^2
-5 10 20 40 60 80 100
Temperatura (°C)
1.0574
1.0685
1.0790
1.0888
1.0980
1.1067
De
ns
ida
d 2
0%
HC
l (
g/c
m3
)
Ecuación 1
Tabla 3 Densidades de HCl 20.2% a diferentes temperaturas.
Temp δ HCl (20.2
%)
Den
sid
ad
es c
on
oci
das
-5 1.1087
0 1.1067
10 1.1025
20 1.098
40 1.0888
60 1.079
80 1.0685
100 1.0574
Den
sid
ad
es d
esco
noci
das
101 1.0581392
102 1.0575768
103 1.0570128
104 1.0564472
105 1.05588
106 1.0553112
107 1.0547408
108 1.0541688
109 1.0535952
110 1.05302
DISCUSIÓN Y RESULTADOS
En la Tabla 3 se ilustran las concentraciones molares así como las fracciones molares de
destilados y residuos, la obtención de una fracción molar de destilado igual a 0.11 y de residuo igual
a 0.89 comprueba la existencia de un 20.24% en peso de Ácido clorhídrico en el azeótropo a una
temperatura de ebullición de 108.6 °C, teniendo un punto de ebullición máximo.
A su vez, es posible comprobar la clasificación de nuestro par líquido miscible en el Tipo
III [6] donde se tiene una presión de vapor mínima por lo cual se obtiene un diagrama de destilación
con un máximo en la curva de puntos de ebullición. Cabe destacar que nuestro diagrama de fases se
encuentra incompleto, ya que se alcanzó el punto máximo de Temperatura en la sección de vapor-
composición de líquido, pero debido a que no se prosiguió la práctica, no fue posible obtener la
sección de vapor composición de vapor como se muestra en la Ilustración 2, todo lo anterior resultó
en la gráfica 2.
Ilustración 2 Diagrama teórico para azeótropo con desviación negativa.
Tabla 4 Fracciones molares de Destilado y Residuos (Azeótropo)
Temp (° C) Conc molar
Destilado
mol/L
Conc molar
de Residuo
mol/L
Fracción
molar de
Destilado
Fracción
molar de
Residuos
100 0 1 0 1
102 0.12 3.44 0.002 0.998 0.062 0.938
103 0.44 3.68 0.0076 0.9924 0.067 0.933
104 1.4 4.92 0.024 0.976 0.092 0.908
105 3.08 5.4 0.069 0.931 0.1 0.9
108 6.12 5.64 0.12 0.88 0.11 0.89
Tabla 5 Diagrama de Fases, Temp vs Fracción molar
Temperatura vs Fracción Molar
Azeótropo HCl - H2O
Var1
Var1-0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12
Fracción molar
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
Te
mp
era
tura
(°C
)
Xa=1
M
Líquido
Xm
CONCLUSIÓN
El presente estudio comprueba en base a datos experimentales, que la composición del
azeótropo formado por Ácido Clorhídrico (HCl) y Agua (H2O) a presión constante (760 mm Hg) se
conforma de 20.24% (X=0.11) del componente B (HCl) en el azeótropo, y tiene punto de
ebullición a la temperatura de 108.6°, temperatura superior a la temperatura de nuestros
componentes, siendo por lo tanto un azeótropo de punto máximo de ebullición. Sin embargo es
necesario un análisis que describa las fases de equilibrio líquido-vapor de una solución no ideal, lo
cual se vuelve posible mediante la aplicación de un modelo de actividad de los componentes,
proponiendo un método alternativo como la linealización de las ecuaciones de los modelos de Van
Laar o Margules, para dos constantes, encontrando la pendiente e intercepto que corresponden a
cada una de esas constantes.
BIBLIOGRAFÍA
[1] H.D. CROCKFORD, S.B. KNIGHT. Fundamentos de Fisicoquímica. Cap. 4, Editorial
C.E.C.S.A., 2da. Edición. México. (1968)
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ASOCIADOS.