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LABORATORIO DE FISICOQUMICA
EQUILIBRIO LIQUIDO VAPOR EN
SISTEMAS LQUIDOS BINARIOS
Universidad del Atlntico
Vl SEM
Lic. Biologa y Qumica
Facultad de Ciencias de la Educacin
INTRODUCCIN
franois marie raoult (1830-1901) y se llama ley de raoult. Slo se aplica a mezclas de
lquidos muy similares en su estructura qumica, como el benceno y el tolueno. en la mayora
de los casos se producen amplias desviaciones de esta ley. Si un componente slo es
ligeramente soluble en el otro, su volatilidad aumenta anormalmente. En el ejemplo anterior, la
volatilidad del alcohol en disolucin acuosa diluida es varias veces mayor que la predicha por
la ley de raoult. En disoluciones de alcohol muy concentradas, la desviacin es an mayor: la
destilacin de alcohol de 99% produce un vapor de menos de 99% de alcohol. Por esta razn
el alcohol no puede ser concentrado por destilacin ms de un 97%, aunque se realice un
nmero infinito de destilaciones.
OBJETIVOS
estudiar el equilibrio lquido-vapor de un sistema de dos lquidos totalmente miscibles.
construir la curva de temperatura de ebullicin-composicin y verificar que el sistema
no cumple con la ley de Raoult.
determinar el equilibrio entre el lquido vapor en sistemas lquidos binarios.
describir el comportamiento del equilibrio de los sistemas lquidos binarios por medio
del diagrama de equilibrio.
MARCO TERICO
Cuando dos lquidos se ponen en contacto mutuo, tres tipos de sistemas binarios pueden ser
observados
Experimentalmente segn el grado de miscibilidad de los lquidos considerados:
-
a) ambos lquidos son inmiscibles (Ej.: CS2 y H2O)
b) ambos lquidos son parcialmente miscibles (Ej.: fenol y agua)
c) ambos lquidos son miscibles en todas proporciones (Ej.: agua y etanol)
Este trabajo prctico trata del caso (c).
En el estudio de sistemas de lquidos miscibles, la ley de Raoult, la cual ha sido deducida a
partir del
Comportamiento de las soluciones a bajas concentraciones, sirve de base para comprender el
Comportamiento que presentan estas mezclas. Esta ley establece que la presin de vapor de
cada uno de los componentes de la mezcla binaria puede ser expresada como:
* pA = xA pA y *
B B B p = x p
Donde *
A p y *
B p son las presiones de vapor de los componentes puros a la temperatura de trabajo; A x
y B x son las fracciones molares de los componentes A y B en el lquido. (Emplearemos A y e
B y para referirnos a las fracciones molares en la fase gaseosa).
Se define como solucin ideal a aquella que se comporta segn la ley de Raoult para cada
uno de los componentes, en todo el rango de concentracin. Los sistemas reales pueden
presentar mayor o menor alejamiento del comportamiento ideal, segn el grado de
interacciones intermoleculares que existe en la fase lquida.
La Regla de las Fases
La regla de las fases establece que V + F = C + 2, donde V: varianza o grados de libertad: es
el nmero mnimo de variables intensivas independientes necesario para especificar el estado
intensivo de un sistema en:
Equilibrio; F: fase: es toda porcin homognea de un sistema en equilibrio que presenta
lmites fsicos Definidos; y C: nmero de componentes: es el menor nmero de especies
qumicamente independientes necesario para describir la composicin de cada fase de un
sistema en equilibrio. Como el nmero mnimo de grados de libertad es cero, el nmero
mximo de fases.
Fmx= C + 2. Si el
Sistema es de dos componentes independientes resulta Fmx = 4. Por otra parte Fmn= 1,
con lo que resulta Vmx = 3.
La representacin de su comportamiento debe hacerse entonces en un sistema de tres ejes
-
Coordenados que pueden corresponder respectivamente a presin, temperatura y
composicin.
Si una de las variables anteriores se mantiene constante, se simplifica la representacin que
puede hacerse entonces en el plano. Por ejemplo T = f(c) a presin constante o p = f(c) a
temperatura constante o p = f(T) a concentracin constante.
En el estudio de mezclas de dos lquidos miscibles se considera el equilibrio entre una fase
lquida y su vapor, representando a T constante la variacin de la presin total del vapor con
la composicin del sistema o a presin constante, la variacin de la temperatura de ebullicin
del lquido con la composicin del sistema. En las Figuras 1 y 2 se muestran los dos tipos de
diagramas. Estos diagramas corresponden a los casos ms sencillos, es decir sistemas que
cumplen con la ley de Raoult. En la bibliografa se pueden consultar otros detalles de este tipo
de construccin para las llamadas desviaciones positivas y negativas de la idealidad.
El dispositivo experimental a emplear depende del tipo de diagrama a construir. En lo que
sigue discutiremos la construccin de los diagramas de T vs. Composicin a presin
constante.
PROCEDIMIENTO
Preparar las siguientes soluciones (el volumen total debe ser de 100ml)
Medir las densidades de los lquidos puros y de las soluciones. Con el picnmetro.
Determinar el punto de ebullicin de las soluciones, de acuerdo con el siguiente
procedimiento:
Armar el aparato de destilacin de acuerdo con las instrucciones del profesor. Introducir cierta
cantidad de la disolucin en el matraz de calentamiento, el bulbo del termmetro deber estar
sumergido en el lquido, tapar y asegurarse de que no existan fugas. Calentar el matraz
lentamente, al alcanzar la temperatura de ebullicin, se registra la temperatura cuando
condense la primera gota, En una probeta de 10 ml se reciben entre 10 a 15 gotas del
condensado, se registra la temperatura al caer la ltima.
Experimento
1 2 3 4 5 6
% de agua
destilada
0 20 40 60 80 100
% de etanol
100 80 60 40 20 0
-
Se repite la secuencia anterior para todas las soluciones, no es necesario lavar el material de
vidrio despus de la determinacin de la temperatura de ebullicin, se puede dejar que se
evapore el lquido adherido a la pared de matraz antes de agregar otra disolucin. Se
determina la densidad tanto del lquido del matraz como del lquido residual. Es necesario que
la temperatura de los lquidos sea la misma que la temperatura del punto 2, registrarlos.
RESULTADOS
Se prepararon las siguientes soluciones de etanol
20%, 40%, 60% y 80% luego se procedi a destilarlas montando el equipo de destilacin.
A continuacin se tomaron los siguientes datos.
ETANOL AL 20%
Peso del picnmetro vacio 12.33 gr
Peso del picnmetro con agua 22.06 gr
Peso del picnmetro con la solucin: 22.83 gr
Densidad del etanol al 20%
Volumen del agua
22.06 12.33
1 /
9.13
1 / = 9.13 ml
Donde
W=peso del picnmetro con la solucin
Wa= peso del picnmetro vacio
Wo=peso del picnmetro con agua
d=densidad del agua que a temperatura ambiente es 1 gr/ml
Densidad =
=
22.83 12.33
9.13 =
10.5
9.13 = 1.15 gr /ml
Densidad del destilado
Densidad =
=
21.83 12.33
9.13 =
9.5
9.13 = 1.04 gr /ml
Densidad del residuo
-
Densidad =
=
22.07 12.33
9.13 =
9.74
9.13 =1.06 gr /ml
Temperatura
de
ebullicin
Volumen
del
etanol
Densidad
del
etanol a
20%
Peso del
etanol
destilado
Peso
del
etanol
residuo
Densidad
del
etanol
destilado
Densidad
del
residuo
de etanol
80 0C 166 ml 1.15
gr/ml
21.83 gr 22.07
gr
1.04
gr /ml
1.06
gr /ml
ETANOL AL 40%
Peso del picnmetro vacio 13.67 gr
Peso del picnmetro con agua 23.02 gr
Peso del picnmetro con la solucin: 24.45 gr
Volumen del agua
23.02 13.67
1 /
9.35
1 / = 9.35 ml
Densidad =
=
24.45 13.67
9.35 =
10.78
9.35 = 1.15 gr /ml
Densidad del destilado
Densidad =
=
22.47 13.67
9.35 =
8.8
9.35 = 0.94 gr /ml
Densidad del residuo
Densidad =
=
23.4713.67
9.35 =
9.8
9.35 = 1.04 gr /ml
Temperatura
de
ebullicin
Volumen
del
etanol
Densidad
del
etanol a
40%
Peso del
etanol
destilado
Peso
del
etanol
residuo
Densidad
del
etanol
destilado
Densidad
del residuo
de etanol
82 0C 166 ml 1.15 22.47 gr 23.47 0.94 1.04
-
gr/ml gr gr/ml gr/ml
ETANOL AL 60%
Peso del picnmetro vacio 11.51 gr
Peso del picnmetro con agua 21.99 gr
Peso del picnmetro con la solucin: 20.87 gr
Volumen del agua
21.99 11.51
1 /
10.48
1 / = 10.48 ml
Densidad =
=
20.87 11.51
10.48 =
9.36
10.48 = 0.89 gr /ml
Densidad del destilado
Densidad =
=
20.04 11.51
10.48 =
8.53
10.48 = 0.81 gr /ml
Densidad del residuo
Densidad =
=
20.90 11.51
10.48 =
9.39
10.48 = 0.90 gr /ml
Temperatura
de
ebullicin
Volumen
del
etanol
Densidad
del
etanol a
60%
Peso del
etanol
destilado
Peso
del
etanol
residuo
Densidad
del
etanol
destilado
Densidad
del
residuo
de etanol
79 0C 166 ml 0.89 20.04 gr 20.90 0.81 0.90
-
gr/ml gr gr/ml gr/ml
ETANOL AL 80%
Peso del picnmetro vacio 11.82 gr
Peso del picnmetro con agua 21.82 gr
Peso del picnmetro con la solucin: 20.32 gr
Volumen del agua
21.82 11.82
1 /
10
1 / = 10 ml
Densidad =
=
20.3211.82
10 =
1.85
10 = 0.185 gr /ml
Densidad del destilado
Densidad =
=
20.51 11.82
10 =
8.89
10 = 0.869 gr /ml
Densidad del residuo
Densidad =
=
20.94 11.82
10 =
9.12
10 = 0.912 gr/ml
Temperatura
de
ebullicin
Volumen
del
etanol
Densidad
del
etanol a
80%
Peso del
etanol
destilado
Peso
del
etanol
residuo
Densidad
del
etanol
destilado
Densidad
del residuo
de etanol
77 0C 166 ml 0.185
gr/ml
20.51 gr 20.94
gr
0.869
gr/ml
0.912
gr / ml
-
CLCULOS
1. Determinar la fraccin mol de cada componente de una mezcla. para esto se
determina la densidad y el volumen de los lquidos puros.
Para esto hay que determinar la fraccin molar del agua.
M= d*V M= 1 gr/ml * 10 ml M= 10 gr
N moles= 10 gr / 18 gr /mol = 0.55 mol
FRACCION MOL DE ETANOL DE 20%
M=d*V M= 1.15 gr /ml * 9.13 ml = 10.49 gr
n moles =10.49 gr/ 46 gr/ mol =0.22 mol
X soluto
+ =
.
. +. =0.28
X solvente
+ =
.
. +. =0.72
X soluto +x solvente = 1 0.28+ 0.72= 1
FRACCION MOL DE ETANOL DE 40%
M=d*V M= 0.185 gr /ml * 9.35 ml = 1.73 gr
n moles =1.73 gr/ 46 gr/ mol =0.03 mol
X soluto
+ =
.
. +. =0.05
-
X solvente
+ =
.
. +. =0.92
x soluto +x solvente = 1 0.05+ 0.92= 0.97~ 1
FRACCION MOL DE ETANOL DE 60%
M=d*V M= 0.89 gr /ml * 10.48 ml = 9.32 gr
n moles =9.32 gr/ 46 gr/ mol =0.20 mol
X soluto
+ =
.
. +. =0.26
X solvente
+ =
.
. +. =0.73
X soluto +x solvente = 1 0.26+ 0.73= 0.99 ~ 1
FRACCION MOL DE ETANOL DE 80%
M=d*V M= 0.185 gr /ml * 10 ml = 1.85 gr
n moles =1.85 gr/ 46 gr/ mol =0.04 mol
X soluto
+ =
.
. +. =0.07
X solvente
+ =
.
. +. =0.93
-
X soluto +x solvente = 1 0.07+ 0.93= 1
Construir la grafica de de la curva de calibracin empleando los datos de la densidad y
la fraccin mol de uno de los componentes de la disolucin.
Interpolar las densidades de cada lquido (condensado y residual) en la curva de
calibracin para determinar la composicin en fraccin mol de la mezcla.
1,15 1,15
0,89
0,185
-0,1
0,1
0,3
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
0,28 0,05 0,26 0,07
D e
n s
i d
a d
Fraccin Molar
Curva de Calibracin
-
Construir la grafica de composicin de las disoluciones residuales en fraccin mol
contra la temperatura media del ebullicin (se promedian las temperaturas de
ebullicin)
Promedio de las temperaturas es=
79,5 0C
Construir la grafica de composicin en el vapor (liquido condensado) en fraccin
mol contra la temperatura media de ebullicin (se promedian las temperaturas de
ebullicin).
NOTA: es conveniente que las dos graficas (lquido residual y vapor condensado) se
realicen en la misma hoja.
1,06 1,04
0,9 0,92
1,04
0,94
0,810,86
-0,1
0,1
0,3
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
0,28 0,05 0,26 0,07
D e
n s
i d
a d
e s
Fraccin Molar
1,15 1,15
0,89 0,85
-0,1
0,1
0,3
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
79,5 79,5 79,5 79,5
D e
n s
i d
a d
e s
promedio de temperatura
-
Construir la grafica de composicin del lquido contra la composicin del vapor.
RESULTADOS Y DISCUSIN
Se estudi un sistema en equilibrio de dos fases: el equilibrio entre una fase lquida y otra de vapor para un sistema con dos componentes. Estos componentes fueron el agua y el etanol.
1,040,94
0,810,869
-0,1
0,1
0,3
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
79,5 79,5 79,5 79,5
D e
n s
i d
a d
de
l de
stila
do
promedio de temperatura
1,06 1,04
0,9 0,91
-0,1
0,1
0,3
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
1,04 0,94 0,81 0,869
D e
n s
i d
a d
de
l vap
or
densidad del destilado
-
Para estos puntos de densidad se calcul la fraccin molar a las proporciones de volumen especificadas; las fracciones molares para la curva de calibracin estuvieron en el intervalo de 0.07 a 0.28, ya que los volmenes especificados proporcionaron ste intervalo de fracciones molares.
BIBLIOGRAFA
Marn S., Lando J, "Fisicoqumica Fundamental", 2da ed., Ed. Limusa, Mxico, 1987,
Crockford H., Navell J., "Manual de Laboratorio de Qumica Fsica", 1ra ed., Ed.
Alambra, Madrid, 1961.
Fisicoqumica de Raymond Chang tercera edicin editorial Mc Graw Hill.