UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA

UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA

FACULTAD DE CIENCIAS

ESCUELA DE QUMICA

Laboratorio de Fisicoqumica Fusionado

EQUILIBRIO TERNARIOOrlando MedinaCaracas Diciembre de 2004.

EQUILIBRIO TERNARIO

EQUILIBRIO DE FASES

Una fase es una fraccin homognea de un sistema, se puede tener varias fases lquidas y varias fases slidas pero generalmente se tiene solo una fase gas.

La condicin de equilibrio de fases indica que el potencial qumico de cada una de las especies debe ser el mismo en cada fase en la que se encuentra presente esa especie; por consecuencia cuando las sustancias no estn en equilibrio la sustancia J (cualquier sustancia) fluye espontneamente de la fase con potencial qumico Mj mayor a la fase con potencial qumico Mj menor. Este flujo continuara hasta que el potencial sea igual en todas las fases del sistema, lo mismo ocurre para el resto de los componentes. (LEVINE, 2004)

Cuando se ponen en contacto dos fases, casi siempre se realiza una redistribucin de los componentes de cada fase, las especies se evaporan, condicionan, disuelven o precipitan hasta alcanzar un estado de equilibrio en el cual las temperaturas y presiones de ambas fases son las mismas y la composicin de cada una de ellas no cambia con el tiempo.

REGLA DE LAS FASES DE GIBBS

Las variables que describen las condiciones de un sistema de procesos se dividen en dos categoras: Variables extensivas, que dependen del tamao del sistema y Variables intensivas que no dependen de el.

El nmero de variables intensivas que es posible especificar de manera independiente para un sistema en equilibrio se denomina grados de libertad de un sistema sean;

= Nmero de fases de un sistema en equilibrio

C= Nmero de especies qumicas

GL= Grados de libertad

GL= 2 + C [1]

La relacin [1] se conoce como la regla de fases de GIBBS (si no hay reaccin entre los componentes).

En la regla de fases de Gibas los grados de libertad son iguales al nmero de variables que es necesario especificar para un sistema en el equilibrio para poder calcular las dems variables intensivas (Felder, 1992)

En el caso de estudio:

GL= 3 [2]

Ya que la presin y la T son constantes y el sistema esta constituido por tres componentes, as en un sistema de tres componentes si solo esta presente una fase lquida GL= 2 y la concentracin de dos de los componentes qumicas debe ser especificada para describir el sistema completamente, si dos fases lquidas inmiscibles estn presentes en el equilibrio L= 1 y se debe especificar la concentracin de un solo componente.

Siempre que se agiten cantidades arbitrarias de etanol y agua (ejemplo) en un embudo de separacin a temperatura ambiente se obtiene un sistema de una sola fase lquida el etanol y el agua son solubles en cualquier proporcin lo que se denomina como totalmente miscible. Cuando se agitan cantidades aproximadas de 1 Butanol y agua se obtiene un sistema formado por dos fases lquidas una de ellas es agua con una pequea cantidad de 1 Butanol disuelto, y la otra es 1 Butanol con una pequea cantidad de agua disuelta. Estos lquidos son parcialmente miscibles, lo que significa que cada uno se disuelve en el otro hasta alcanzar un lmite mximo. (LEVINE, 2004)

Para un sistema dado de 3 componentes lquidos existieran composiciones para las cuales la solubilidad es completa, resultando una mezcla de una sola fase, pero pueden darse composiciones en las que la solubilidad se supera y aparecen dos fases inmiscibles, cada una con las tres componentes en cierta proporcin.

DIAGRAMA DE FASES DE TRES COMPONENTES

El sistema triangular de coordenadas se basa en el siguiente teorema: sea D un punto arbitrario en el interior de un triangulo equiltero si se dibujan las perpendiculares desde los lados del triangulo hasta D , la suma de las longitudes de estas tres lneas es constante e igual a la altura h del triangulo hacemos que la altura h sea igual a 1, por lo que las longitudes DE, DF, DG, son iguales a las fracciones molares de los componentes A, B y C respectivamente si resulta mas conveniente se emplea porcentajes en peso.

La distancia perpendicular desde el punto D hasta el lado opuesto al vrtice A es la fraccin molar de A (XA) con el punto D lo mismo es aplicable para B y C.

Si observamos la segunda figura la regin que se encuentra por encima de la curva CFKMD es una zona de una sola fase, en un punto contenido bajo esta curva el sistema esta constituido por dos fases lquidas en el equilibrio las lneas de esta regin son lneas de conjuncin cuyos extremos dan la composicin de las dos fases en el equilibrio.

Un sistema de composicin global G esta constituido por una fase de composicin F y una fase B de composicin H pobre en agua y rica en ter. La pendiente de la lnea de unin FGH muestra que la fase tiene menor contenido en acetona que las fase B el punto K es el lmite al que tienden las lneas de conjuncin conforme las dos fases en equilibrio van siendo mas y mas parecidas se denominan punto de pliegue o punto critico.

Coeficiente de reparto; un ejemplo que A y S son dos lquidos casi inmiscibles y B un soluto distribuido entre las fases de una mezcla A S el coeficiente de distribucin del componente B y la proporcin de fraccin masica de B en la fases respecto a la fase A.PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Materiales:

3 Beaker de 250 ml identificados para cada especie qumica (propanol, hexano, agua).

Igualmente, 3 buretas de 50 ml, una por componente

16 fiolas de 25 ml

4 embudos de separacin

Piceta plstica.

Reactivos:

Propanol

Agua

Hexano

Procedimiento:

a. Se prepararon 4 soluciones de 40 ml cada uno, en porcentaje volumen como sigue:10% propanol, 30% hexano, 60% agua

25% propanol, 30% hexano, 45% agua

40% propanol, 30% hexano, 30% agua

50% propanol, 30% hexano, 20% agua

Estas soluciones se colocaron en un embudo de separacin para cada una y se dejaron reposar por u da completo. La parte acuosa de la solucin se recogi y se tomo su espectro de absorcin

b. Se prepararon soluciones de propanol en agua al 10%, 25%, 40% y 50% volumen de propanol. Estas soluciones se titularon con hexano. El punto final lo vemos cuando aparece una ligera turbidez permanente en la solucin. Estas soluciones se guardaron y posteriormente les fue tomado su espectro de absorcin.

c. Se prepararon soluciones de propanol en hexano al 10%, 25%, 40% y 50% volumen de propanol. Estas soluciones se titularon con agua. El punto final se observa de igual forma que el paso anterior.Con los datos obtenidos en los pasos b y c, se construyo la lnea de fases que nos delimita la fase homognea y la fase heterognea.Con los valores de absorbancia de los puntos a y b, construimos las lneas de unin que nos dan la composicin de un punto en cada fase.

A continuacin mostramos una pequea tabla con los valores de porcentaje en peso que se utilizaron para construir la lnea de fase adems de los mximos de absorbancia que nos indican las lneas de unin correspondientes a cada punto. Luego mostramos el diagrama finalmente construido y realizaremos la discusin donde explicaremos detalladamente como se elaboro. Finalmente, en el apndice mostramos la tabla completa que incluye los clculos respectivos utilizados para construir el diagrama.

RESULTADOSPUNTO%PROPANOL%AGUA%HEXANOLONGITUD DE ONDA

p17,9288,823,27

p220,2675,734,01469

p333,3062,244,46472

p442,3457,774,89476

p511,612,1786,22

p627,972,7960,24

p743,193,3653,45

p851,965,1842,86

Puntos Internos

p932,6213,5553,83

p1030,5231,737,77474

p1128,6847,6623,66473

p1227,5757,2715,16470

Tabla # 1. Datos experimentales utilizados para elaborar el diagrama.

Discusin de los Resultados

La discusin de los resultados presentados en la tabla anterior esta dirigida principalmente a la forma en como se construyo el diagrama que presentaremos a continuacin. Nos enfocaremos en como se utilizaron cada conjunto de datos para la elaboracin de dicho diagrama, culminando con la importancia que tiene la construccin de diagramas de este tipo, apoyados, claro, en la revisin biibliografica del tema.En primer lugar, tenemos el conjunto de puntos que nos permitieron dibujar la lnea de separacin de fase homognea de la heterognea. Lo que implica la preparacin de soluciones, primero de propanol en agua y tituladas con hexano, y luego de propanol en hexano tituladas con agua, es conseguir, a travs de cada titulacin, puntos de saturacin, o lo que es igual, puntos donde la solucin deja de estar en una sola fase, para formar dos fases claramente separadas. Cuando obtenemos el punto final de cada una de las titulaciones, lo que estamos obteniendo es el lmite para el cual ya una solucin de, por ejemplo, propanol en agua, se satura de hexano y no permite que exista una miscibilidad completa en de los tres lquidos dando como consecuencia dos fases dentro de la solucin. Asi, con cada uno de estos 8 puntos de saturacin, podemos dibujar nuestra lnea de separacin de fases, y garantizamos que cualquier mezcla de estos tres componentes cuya proporcin en peso se grafique y se encuentre por debajo de la curva dentro de nuestro diagrama, se separara en dos fases. Como es lgico pensar, cualquier punto por encima de esta curva, se encontrara en una sola fase homognea.Para que un diagrama de fases de tres componentes sea 100% til, es necesario saber cual es la composicin de las dos fases que se tienen cuando el punto de mezcla cae dentro de la curva de separacin de fases. Para esto utilizamos las absorbancias de las soluciones de propanol en agua y de la fase acuosa de los pontos internos. Sobre la curva de separacin de fases podemos elaborar una escala con muy buena aproximacin de absorbancias segn vara la composicin sobre la lnea de las soluciones de propanol en agua. En los puntos internos, como ya se ha mencionado, existe una separacin en dos fases. La fase acuosa posee una composicin que se corresponde a algn punto sobre la lnea de fases, es decir la parte acuosa de un punto interno tiene su composicin indicada sobre la lnea de fases. Entonces se razona rpidamente que la absorbancia de la composicin acuosa del punto interno debe ser igual a la absorbancia de su correspondiste punto sobre la lnea de fases, ya que estamos hablando de exactamente la misma composicin. En otras palabras, a cada punto interno de absorbancia dada, le corresponde un punto sobre la lnea de fases con la misma absorbancia. Como ya tenemos una escala de absorbancia sobre la lnea de fases, con la medida de la absorbancia de los puntos internos, trazamos una lnea donde se correspondan las absorbancias. Estas lneas son las lneas de unin de nuestro diagrama, y al extrapolarlas al punto opuesto de la lnea de fases, encontramos el otro punto que nos indica la composicin de la segunda fase que se forma en la mezcla.

De esta manera se elabora fcilmente un diagrama de fases de 3 componentes.La elaboracin de este tipo de diagramas tiene diversas aplicaciones siendo la mas sencilla de ellas la elaboracin de mezclas de solventes para separaciones orgnicas. Mediante el diagrama podemos saber bajo que proporciones deben mezclarse los solventes para que se encuentren en dos fases y permitan la separacin. La pendiente de las lneas de unin nos permite saber en que solvente se encuentra ms enriquecida la solucin. Si nuestro vrtice inferior izquierdo es agua, y la pendiente de la lnea de unin es positiva, la fase se encuentra enriquecida en agua, por ejemplo. Tambin se pueden hacer extracciones de un solvente de otro, por ejemplo de acetona de agua, utilizando diagramas ternarios.CONCLUSIONES

A partir de puntos de saturacin sistemas de tres componentes, es posible elaborar una lnea de fases que separa la homognea de la heterognea.

Los mximos en las absorbancias de las partes acuosas de soluciones de tres componentes que se separan en dos fases, nos permiten dibujar lneas de unin dentro de un diagrama de fases, si se conocen las respectivas absorbancias en la lnea fases o si se dispone de una escala sobre esta de absorbancias.

Los diagramas de fases tienen diversos intereses prcticos, lo que hace que el conocimiento de su construccin sea til para estudiantes y profesionales de la qumica.

BIBLIOGRAFIA

Daniels F. Experimentos de Fisicoqumica

McGraw Hill (New Cork) 1970.

Levine, I. Fisicoqumica

McGraw Hill (New York) 2004.APENDICEApndice # 1. Volmenes utilizados de cada componente, y clculo de los porcentajes en peso de cada uno para los diferentes porcentajes en volumen.Soluciones de Propanol en Agua tituladas con Hexano

10%, 20 ml de solucinVolumen (ml)peso (g)%p/p

Propanol 21,67,92

Agua1817,94688,82

Hexano 10,663,27

Peso total20,206100,00

25%, 20 ml de solucinpeso (g)%p/p

Propanol 5420,26

Agua1514,95575,73

Hexano 1,20,7924,01

Peso total19,747100,00

40%, 20 ml de solucinVolumen (ml)peso (g)%p/p

Propanol 86,433,30

Agua1211,96462,24

Hexano 1,30,8584,46

Peso total19,222100,00

50%, 20 ml de solucinVolumen (ml)peso (g)%p/p

Propanol 10842,34

Agua109,9752,77

Hexano 1,40,9244,89

Peso total18,894100,00

Soluciones de Propanol en Hexano, tituladas con agua

10%, 20 ml de solucionVolumen (ml)peso (g)%p/p

Propanol 21,611,61

Agua 0,30,29912,17

Hexano 1811,8886,22

Peso total13,7791100,00

25%, 20 ml de solucionpeso (g)%p/p

Propanol 5427,97

Agua 0,40,39882,79

Hexano 159,969,24

Peso total14,2988100,00

40%, 20 ml de solucionpeso (g)%p/p

Propanol 86,443,19

Agua 0,50,49853,36

Hexano 127,9253,45

Peso total14,8185100,00

50%, 20 ml de solucionpeso (g)%p/p

Propanol 10851,96

Agua 0,80,79765,18

Hexano 106,642,86

Peso total15,3976100,00

Soluciones de propanol / hexano / agua, de concentraciones conocidas (puntos internos)10%Volumen (ml)peso (g)% peso/peso

Agua43,9913,55

Propanol129,6032,62

Hexano2415,8453,83

29,43100,00

25%Volumen (ml)peso (g)% peso/peso

Agua109,9731,70

Propanol129,6030,52

Hexano1811,8837,77

31,45100,00

40%Volumen (ml)peso (g)% peso/peso

Agua1615,9547,66

Propanol129,6028,68

Hexano127,9223,66

33,47100,00

50%Volumen (ml)peso (g)% peso/peso

Agua2019,9457,27

Propanol129,6027,57

Hexano85,2815,16

34,82100,00

A

B

C

D

E

F

G

XB

XA

XC

ACETONA

DOS FASES

AGUA

ETER

UNA FASE