equilibrio solido practica

Laboratorio Integral II

Equilibrio solido-liquido.

Practica optativa


1. ObjetivoDeterminar experimentalmente las curvas de enfriamiento y las constantes caractersticas del proceso de solidificacin, para una sustancia pura y para una solucin binaria ideal.

1.1. Objetivos especficosCalcular el calor de fusin y la constante crioscopca de una sustancia pura.

2. IntroduccinEQUILIBRIO SLIDO-LQUIDO (ESL) El comportamiento de las fases que comprenden los estados slido y lquido es la base para los procesos de separacin (por ejemplo, cristalizacin) en ingeniera qumica y de materiales. Ms an, se observa una amplia variedad en cuanto al comportamiento de fases binarias (un sistema de dos componentes se denomina sistema binario). Para los sistemas que presentan equilibrios slido/slido, slido/lquido. La base para representar al ESL es [1]

Consideraciones tericas Al enfriar una solucin binaria, se alcanza eventualmente una temperatura en la cual el solvente slido comienza a separarse. La temperatura a la que comienza tal separacin o temperatura de primeros cristales, corresponde al punto de congelacin de la solucin.

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Que de una manera ms general se define como aquella temperatura en la cual una solucin particular se halla en equilibrio con el solvente slido. [2] En soluciones binarias ideales, el decremento del punto de fusin de la solucin con respecto al solvente puro es directamente proporcional a la concentracin de la solucin, siendo la constante de proporcionalidad la constante crioscpica o de descenso del punto de congelacin ( ): ( En donde: = molalidad As mismo las propiedades caractersticas del solvente puro se relacionan entre s mediante la siguiente expresin: ( ( )( ) ) ( ) )( ) ( )

(

)

Una forma de determinar experimentalmente diagramas de fase slido-lquido es el anlisis trmico. En esta tcnica se deja enfriar una disolucin lquida (un fundido) de dos componentes y se mide la temperatura del sistema en funcin del tiempo; este proceso se repite para varias composiciones diferentes de lquido, obteniendo una serie de curvas de enfriamiento. La variable tiempo es aproximadamente proporcional a la cantidad de calor que pierde el sistema por lo que la pendiente de una curva de enfriamiento es aproximadamente proporcional a la inversa de la capacidad calorfica del sistema: ( )

Los equilibrios slido- lquido se estudian normalmente con el sistema abierto a la atmsfera. La solubilidad del aire en las fases slida y lquida suele ser lo suficientemente pequeas como para poder ignorarla y la atmsfera acta nicamente como un pistn que proporciona una presin externa constante de una atmosfera. La atmsfera no es parte del sistema por lo que cuando se aplica la regla de las fases al sistema, no se cuenta como una fase ni se incluyen O2 y N2 como componentes del sistema. Adems, como la presin es constante, el nmero de grados de libertad se reduce a 1. [4] La siguiente expresin da la fraccin molar del disolvente en relacin con el punto de congelacin de la solucin ideal y el punto de congelacin del disolvente puro:Equilibrio fsico Pgina 2



(

)

( )[2]

3. Aplicacin industrial Adicin de anticongelantes para los coches Deteccin de la adulteracin de productos alimenticios Determinacin de masas moleculares de solutos

4. Correlacin con temas y subtemas del programa de estudios En la materia de fisicoqumica. Tema: equilibrio de fases solido-liquido 5. Material, sustancias y equipo necesarioMATERIAL: 5 tubos de ensaye de con pinzas 1 termmetro de 0-200 C 1 mechero de bunsen 1 reloj con segundero SUSTANCIAS: Naftaleno Acido benzoico

6. MetodologaColquese dentro del tubo de ensaye las cantidades de sustancia pura o de mezcla que se indica: en el primer tubo de ensaye se introduce 1 gr de naftaleno, en el segundo 1 gr de acido benzoico, en el tercero 0.2 gr de naftaleno y 0.8 de acido benzoico, en el cuarto 0.4 de naftaleno y 0.6 de acido benzoico en el quinto 0. 6 de naftaleno y 0.4 de acido benzoico y en el sexto 0.8 de naftaleno y 0.2 de acido benzoico. . A continuacin se introduce el termmetro y tomando el tubo con las pinzas, calintese la mezcla de cada tubo de ensaye en el mechero hasta su total licuefaccin. En seguida, retrese el calentamiento y agitando suavemente con el propio termmetro, regstrese cada 30 segundos la temperatura del sistema, con precisin de decimas de grado.

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Debe observarse y registrarse con la mayor precisin posible el momento en el que aparezcan los primeros cristales en las mezclas, ya que a esa temperatura es la que se utiliza en la construccin del diagrama de fases de la solucin. El procedimiento debe continuarse hasta la completa solidificacin de la mezcla (aprox. A 60 C)

CLCULOS Constryase las curvas de enfriamiento de las dos sustancias puras y de sus mezclas. Grafica 1: Representacin grafica del enfriamiento de 1 gr de acido benzoico250 Temperatura(C) 200 150 100 50 0 0 50 100 tiempo (seg) 150 200

1 gr de cido benzoico t (seg) T (C) 30 192 60 170 90 150 120 132 150 118 180 110

Grafica 2: Representacin grafica del enfriamiento de 1 gr de acido naftaleno200 Temperatura(C) 150 100 50 0 0 50 100 Tiempo (seg) 150 200

1gr de naftaleno t (seg) T (C) 30 178 60 154.5 90 132 120 112 150 95 180 83.5 210 80 240 78.3 270 76.2 330 72.3

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Grafica 3: Representacin grafica del enfriamiento de la mezcla de naftaleno (0.2 gr) y acido benzoico (0.8gr)250 Temperatura(C) 200 150 100 50 0 0 50 100 Tempo(seg) 150 200

0.2gr de naftaleno y 0.8 gr acido benzoico t (seg) T (C) 30 212.5 60 185.5 90 157.5 120 137 150 116 180 107 210 101 240 93.9

Grafica 4: Representacin grafica del enfriamiento de la mezcla de naftaleno (0.4 gr) y acido benzoico (0.6gr)250 200 Temperatura(C) 150 100 50 0 0 50 100 Tempo (seg) 150 200

0.4gr de naftaleno y 0.6gr de acido benzoico t (seg) 30 60 90 120 150 180 210 240 T (C) 202 176 149 125.5 105 93.4 85.1 72.9

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Grafica 5: Representacin grafica del enfriamiento de la mezcla de naftaleno (0.6 gr) y acido benzoico (0.4gr)250 Temperatura(C) 200 150 100 50 0 0 50 100 Tiempo(seg) 150 200

0.6gr de naftaleno y 0.4gr de cido benzoico t (seg) T (C) 30 193 60 174 90 149 120 124 150 106 180 91 210 78 240 72.3 270 68

Grafica 6: Representacin grafica del enfriamiento de la mezcla de naftaleno (0.8 gr) y acido benzoico (0.2gr)160 140 Temperatura(C) 120 100 80 60 40 20 0 0 50 100 Tiempo(seg) 150 200

0.8gr de naftaleno y 0.2gr de cido benzoico t (seg) T (C) 30 152 60 135 90 114 120 99 150 87.4 180 76.3 210 71.2 240 68

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Constryase en una sola grafica las curvas de los primeros cristales en coordenadas ( ) ( ) Grafica 7: representacin grafica de los primeros cristales formados140 120 Temperatura(C) 100 80 60 40 20 0 0 0.2 0.4 0.6 fraccion x 0.8 1 1.2

Sustancia 1 gr de naftaleno 1 gr de acido benzoico

( 1 1 80 118

)

Con la grafica anterior calclese el valor de ( )

de las substancias puras.

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1.

calclese el valor de

(constante crioscopica) de las sustancias puras.

Tabla 1: presentacin de los resultados Para 1gr de naftaleno Pm=128.16gr/gr.mol Molalidad = n= n= =0.0078gr.mol Para 1gr de cido benzoico Pm=122.12gr/gr.mol Molalidad = n= n= =0.0081gr.mol

Molalidad = =

Molalidad = =

80-25=55C 118-25=93C = = =7051.28C/mol =11481.48C/mol

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7. Sugerencias didcticas Utilizar sustancias diferentes a la de la prctica y comparar la temperatura de fusin con la de la bibliografa. Revisar el tema de propiedades coligativas. 8. Cuestionario1. Qu se espera que suceda al enfriar si en la solucin binaria una de las sustancias puras es electroltica? Lo que se espera, es que se alcance una temperatura en la cual el solvente solido comience a separase. La temperatura a la cual empieza tal separacin, corresponde al punto de congelacin de la solucin, es en si la temperatura en la cual la solucin particular se halla en equilibrio con el solvente solido.

2.

Existe un punto triple para soluciones binarias ideales?

No existe punto triple, ya que no est presente la regin vapor, solamente estn la regin liquida y solida, donde la lnea superior es la curva de congelacin y la inferior es la curva de fusin. 3. Qu es el punto de fusin? El punto de fusin es la temperatura a la cual un cuerpo slido pasa al estado lquido.

4. Qu es la constante crioscopica? Nos mide el descenso de la temperatura de fusin de un lquido cuando se aade un soluto no voltil.

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9. Conclusiones

Entre ms concentracin de acido benzoico en la mezcla acido benzoico-naftaleno, el punto de fusin aumenta, esto se debe a que el punto de equilibrio de la mezcla varia respecto a la concentracin molar de uno en el otro. Cabe mencionar que segn los clculos se llego a la conclusin de que en las sustancias puras su entalpia de fusin es cero. 10. Bibliografa [1] J. M. Smith; H. C. Van Ness; M. M. Abbott. (1997, p.601) introduccin a la termodinmica en ingeniera qumica .Quinta edicin Mxico D.F. McGRAWHILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. [2]Gilbert W. Castellan (1998, p.345) Fisicoqumica. Segunda edicin Mxico S.A. de C. V. Addison Wesley Logman [3]Keith J.Laidler; Jonh H. Meiser. (1997, p.210) Fisicoqumica. Primera edicin(en espaol) Mxico DF. Editorial continental. [4]IRA N. Levine. (1993, p.402) Fisicoqumica. Tercera edicin Mxico D.F. McGRAWHILL/INTERAMERICANADE ESPAA, S.A. [5]M. Consuelo Jimnez; Juan Soto; Luis A. Villaesusa (1997, p.91) Qumica fsica para ingenieros qumicos. primera edicin editorial universidad politcnica de valencia 11. Anexos Tabla 2: constates crioscopicas de referencia [5] Substancia Naftaleno Acido benzoico Punto de congelacin (C) 80.2 122

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