Instituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniería Química

e Industrias Extractivas

Departamento de Ingeniería Química Industrial

Laboratorio de Termodinámica del Equilibrio de Fases

Práctica 5

“Equilibro Líquido-Líquido”

Grupo: 2IM39 Equipo: Caloncho

Integrantes: Firma:

Garcia Aguirre EstephanieGutierrez Perez CitlaliMunguía Romo ArturoSanchez Franco Bernardo Ivan

Profesora: Eva López Mérida

Fecha de entrega: 11 Dic 2015

Objetivos1. Mediante la preparación de mezclas agua-cloroformo titulados con acido

acético, obtener los datos experimentales a fin de trazar la curva binodal o curva de equilibrio para el sistema agua-cloroformo-acido acético.

2. Mediante otra serie de experimentos trazar dos líneas de unión.

IntroducciónLa curva de equilibrio de fases que delimita el campo de existencia de los sistemas heterogéneos, es llamada curva binodal. Esta descrita por el conjunto de puntos que cumplen la condición de igualdad de potenciales químicos en ambos componentes en ambas fases. Las mezclas cuya composición se encuentra dentro de la curva binodal, se separan en dos fases liquidas de composiciones coincidentes con la curva.

1. La extracción líquido-líquido, también conocida como extracción con solventes o extracción con disolventes, es un proceso químico empleado para separar una mezcla utilizando la diferencia de solubilidad de sus componentes entre dos líquidos inmiscibles o parcialmente miscibles (por ejemplo, agua y cloroformo, o éter etílico y agua).

En la extracción líquido-líquido se extrae del seno de un líquido A una sustancia (soluto) poniendo A en contacto con otro líquido B, inmiscible o parcialmente miscible con A, que tiene mayor afinidad por el soluto, pasando la sustancia del seno del líquido A al seno de B.

Con esta operación se busca concentrar un analito o bien separarlo de una matriz compleja o con interferentes

2. La extracción líquido-líquido es, junto a la destilación, la operación básica más importante en la separación de mezclas homogéneas líquidas. Consiste en separar una o varias sustancias disueltas en un disolvente mediante su transferencia a otro disolvente insoluble, o parcialmente insoluble, en el primero. La transferencia de materia se consigue mediante el contacto directo entre las dos fases líquidas. Una de las fases es dispersada en la otra para aumentar la superficie interfacial y aumentar el caudal de materia transferida.

En una operación de extracción líquido-líquido se denomina alimentación a la disolución cuyos componentes se pretende separar, disolvente de extracción al líquido que se va a utilizar para separar el componente deseado, refinado a la alimentación ya tratada y extracto a la disolución con el soluto recuperado.

Cálculo de operaciones de extracción

Las operaciones de extracción pueden calcularse sobre un diagrama ternario. Sea una corriente de alimentación F, constituida por una disolución de un soluto C en un disolvente A, y una corriente de disolvente S, constituida por disolvente B puro. Ambas corrientes pueden situarse en el diagrama ternario tal como se indica en la Figura. En el equipo de extracción F y S son mezcladas para obtener una mezcla bifásica. El punto mezcla, M, es la suma de F y S, es decir, es combinación lineal de ellas, por lo que se encontrará situado sobre la recta que une F y S. Para situar el punto M bastará con resolver el balance de materia y calcular su composición. Una vez alcanzado el equilibrio, la composición de las corrientes de refinado, R, y extracto, E, obtenidas vendrá dado por los extremos de la recta de reparto que pasa por el punto mezcla.

Es habitual que en una sola etapa de extracción no se logre la separación deseada, por lo que es refinado puede someterse a sucesivas etapas de extracción. Si las siguientes etapas de extracción se realizan con disolvente puro el procedimiento de cálculo sobre el diagrama ternario es idéntico al descrito. Así, por ejemplo, en la segunda etapa el punto mezcla sería combinación lineal de R y S.Es posible tratar todos los equilibrios heterogéneos desde un punto de vista unificado por medio del principio conocido como Regla de las Fases, con el cual él número de variables a que se encuentra sometido un equilibrio heterogéneocualquiera, queda definido bajo ciertas condiciones experimentales definidas. La cantidad de variables que pueden fijarse arbitrariamente en un sistema termodinámico puede calcularse mediante: L = C − F + 2 (1). Donde L número de grados de libertad, C número de componentes químicos, F número de fases.

Para simplificar la representación gráfica de las condiciones de equilibrio se suponen temperatura y presión constantes y, además, generalmente se considera que el sistema en estudio es condensado, es decir que se desprecia la fase vapor. En estas condiciones, las variables independientes son las concentraciones de dos componentes, siendo la concentración del tercero una función de ellas.

De acuerdo a la regla de las fases de Gibbs, cuando observa una sola fase en un sistema de tres componentes como el que estudiaremos, los grados del libertad son 4. Por lo tanto, para describirlo completamente habrá que fijar 4 de las 5

variables del sistema (T, P y concentraciones de cada uno de los tres componentes). Como los gráficos de tantas variables son muy difíciles de interpretar, se elige mantener algunas de ellas constantes y graficar las restantes una contra otras. En nuestro caso se trabajará en condiciones de presión y temperatura constantes y se graficará el número de fases del sistema respecto de las concentraciones de sus tres componentes en un diagrama triangular, en unidades de porcentaje en masa.

Para un sistema dado de tres componentes líquidos, existirán composiciones para las cuales la solubilidad es completa, resultando la mezcla en una sola fase. Entonces, a P y T cte., serán 2 los grados de libertad, debiendo establecerse dos de las tres concentraciones para describir completamente la situación del sistema. Pero pueden darse composiciones en las cuales se supera la solubilidad y aparecen dos fases inmiscibles, cada una con los tres componentes en cierta proporción. Los diagramas de líquidos ternarios son de considerable valor en problemas de separación y extracción con solventes y gracias a ellos es posible deducir si la separación buscada puede realizarse y en cuales condiciones de operación para lograr resultados óptimos. Los diagramas de líquidos ternarios son de considerable valor en problemas de separación y extracción con solventes y gracias a ellos es posible deducir si la separación buscada puede realizarse y en cuales condiciones de operación para lograr resultados óptimos.

La mezcla de tres componentes líquidos, en nuestro caso cloroformo, ácido acético y agua, en distintas proporciones puede dar lugar a la formación de dos fases. En el caso que nos ocupa, el agua y el cloroformo son inmiscibles (es decir, la extensión de su mezcla es prácticamente nula) y sin embargo, el ácido acético es totalmente soluble en cualquiera de los dos productos. Al añadir ácido acético a una mezcla agua-cloroformo se observa que éste se distribuye entre las dos fases al mismo tiempo que aumenta la solubilidad mutua entre las mismas. Este hecho se traduce en que adiciones sucesivas de ácido acético hacen variar la composición de las fases acuosa y orgánica haciéndolas cada vez más semejantes y apreciándose, como característica particular de este proceso, un aumento de volumen de una de las fases y la consiguiente disminución del volumen de la otra hasta que llega a desaparecer una de ellas.

Nuestro objetivo es construir y aprender a manejar un diagrama ternario, determinando la curva de solubilidad del sistema ternario por titulación hasta la aparición ó desaparición de dos fases. Esta curva límite separa la zona de composiciones que dan un sistema monofásico de las que dan un sistema bifásico. Esta práctica abarcará las relaciones de solubilidad del sistema de tres componentes como lo son el cloroformo-ácido acético-agua, se trazará el diagrama de equilibrio y se construirá la curva de solubilidad (binodal) para una temperatura dada y por último se determinarán las composiciones de los puntos críticos y máximos.

Procedimiento experimental Primer punto de la gráfica.

1.- En un matraz colocar 11.25 ml de agua y 1.625 ml de cloroformo.

2.- Agregar ácido acético en proporciones de 2.5 ml hasta completar 10 ml, al agregar cada porción agite vigorosamente y observe. Al agitar el matraz, este debe estar tapado con el tapón de hule y el experimentador protegido con sus lentes de seguridad.

3.- Continúe agregando acido en pequeñas cantidades (decimas de ml o gotas) hasta lograr una solución (clara y transparente como el agua).

4.- Anota los volúmenes de agua (1), cloroformo (2) y ácido acético (3), usando densidades conviértalos a gramos y calcule el % peso de cada uno. Localice en la grafica el punto que representa el sistema.

Segundo punto de la grafica.

1.- En otro matraz colocar 6.25 ml de agua y 4.25 ml de cloroformo.

2.- Agregar acido acético en porciones de 2.5 ml hasta completar 10 ml, al agregar cada porción agite y observe.

3.- Continúe como lo indican los pasos 3 y 4 del primer punto.

Tercer punto de la grafica.

1.-En un matraz colocar 2.5 ml de agua y 8.25 ml de cloroformo.

2.- Agregar acido acético en porciones de 2.5 ml hasta completar 7.5 ml, al agregar cada porción agite vigorosamente y observe.

3.- Haga lo indicado en 3 y 4 del primer punto.

Cuarto punto de la grafica.

1.- En un matraz coloque 20 ml de agua, 5 ml de acido acético y 0.5 ml de cloroformo.

2.- Agite y observe. Si hay dos fases (por la turbidez y la fase más densa, rica en cloroformo, yace en el fondo del matraz como una pequeña esfera), agregue porciones muy pequeñas de acido acético, agitando y observando, hasta lograr una solución.

3.- Haga lo indicado en 4 del primer punto.

Quinto punto de la grafica.

1.- En un matraz coloque 0.75 ml de agua, 5 ml de acido acético y 12.5 ml de cloroformo.

2.- Agite y observe. Si hay dos fases, agregue porciones muy pequeñas de acido acético, agitando y observando, hasta lograr una solución.

3.- Haga lo indicado en 4 del primer punto.

Tabla de datos experimentalesPunto Volumen de agua (ml) Volumen de

cloroformo(ml)

Volumen de acido

acético(ml)

1 11.25 1.62 11

2 6.25 4.25 13.5

3 2.5 8.25 12.5

4 5 0.5 27

5 0.75 12.5 8

CálculosSe deberá calcular las fracciones en peso para la mezcla para eso se sacara el volumen de cada

muestra o de cada punto:

Volumendemezcla=V agua+V cloroformo+V ac .acetico

volumendemezcla1=11.25+´ 1.62+11= 23.87ml

volumendemezcla2=6.25+4.25+13.5= 24ml

volumendemezcla3=2.5+8.25+12.5= 23.25 ml

volumendemezcla 4=5+0.5+27= 32.5 ml

volumendemezcla5=0.75+12.5+8= 21.25 ml

Después de se obtendrá la masa en gramos de los componentes de la mezcla usando la formula de

la densidad:

ρ=mV

m=ρ∗V

Para el agua

Densidad(g/ml) Volumen(ml) Masa (g)

1.0 11.25 11.25

1.0 6.25 6.5

1.0 2.5 2.5

1.0 5 5

1.0 0.75 0.75

Para el Cloroformo:

Densidad(g/ml) Volumen(ml) Masa (g)

1.49 1.62 2.4138

1.49 4.25 6.3325

1.49 8.25 12.665

1.49 0.5 .745

1.49 12.5 18.625

Para el Acido Acetico:

Densidad(g/ml) Volumen(ml) Masa (g)

1.05 11 11.55

1.05 13.5 14.175

1.05 12.5 13.125

1.05 27 28.35

1.05 8 8.4

Sacando la fracción peso de las mezclas:

%wagua 1=wagua1

Σ (masasde los compuestos (1 ) )∗100= 11.5

25.4138∗100

Toma 1

%wagua 1=11.2525.2148

∗100=¿44.6%

%wcloroformo 1=2.414825.2148

∗100=¿9.6%

%wAcido acetico1=11.5525.2148

∗100=¿45.8%

Toma 2

%wagua 2=6.5

27.0075∗100=¿24.06%

%wcloroformo2=6.332527.0075

∗100=¿23.44%

%wAcido acetico2=14.17527.0075

∗100=¿52.48%

Toma 3

%wagua 3=2.528.29

∗100=¿8.84%

%wcloroformo3=12.66528.29

∗100=¿44.76%

%wAcido acetico3=13.12528.29

∗100=¿46.39%

Toma 4

%wagua 4=5

34.095∗100=¿14.66%

%wcloroformo4=.74534.095

∗100=¿2.185%

%wAcido acetico4=28.3534.095

∗100=¿83.15%

Toma 5

%wagua 5=0.7527.775

∗100=¿2.7%

%wcloroformo 5=18.62527.775

∗100=¿67.05%

%wAcido acetico5=8.427.775

∗100=¿30.24%

Gráfico realizado con programa

ConclusionesEn la práctica realizada, en la cual se prepararon mezclas agua-cloroformo con acido acético, esto era para obtener datos experimentales a fin de trazar la curva de solubilidad o Binodal o también llamada curva de equilibrio para un sistema ternario en este caso agua-cloroformo-acido acético.

Es importante resaltar que las especies agua y cloroformo se no son compatibles entre si, por lo que se puede hacer la clara distinción entre las dos fases, por lo que con la ayuda del ácido acético obtendremos una mezcla homogénea que hará que se junten las dos sustancias.

Las sustancias utilizadas en esta práctica son parcialmente miscibles, que quiere decir con esto; es pues que la mezcla de ambos obtiene un sistema formado por dos fases liquidas, es entonces que se obtendrán dos fases liquidas donde una de ellas es agua con una pequeña cantidad de cloroformo, y la segunda es cloroformo con una pequeña cantidad de agua, lo que significa que cada una de ella se disolvió en la otra hasta alcanzar un límite máximo.

Una mezcla de A y B estará formada por dos fases, una esencialmente de A puro y la otra esencialmente de B puro. Las cantidades relativas de las dos fases dependen de las cantidades de cloroformo y de agua iniciales.

Si se añade a esta mezcla una pequeña cantidad de C, éste se distribuye entre las dos fases, además se encuentra que se ha disuelto algo de A en la fase rica en B y algo de B en la fase rica en A. Las composiciones de las dos fases resultantes en equilibrio, establecidas por procedimientos analíticos adecuados, se hallan en puntos semejantes a los señalados como a y b de la gráfica. La línea que une estos dos puntos se llama línea de reparto. Esta línea no es necesariamente paralela a la base.

Este hecho se traduce en que adiciones sucesivas de ácido acético hacen variar la composición de las fases acuosa y orgánica haciéndolas cada vez más semejantes y apreciándose, como característica particular de este proceso, un aumento de volumen de una de las fases y la consiguiente disminución del volumen de la otra hasta que llega a desaparecer una de ellas.

La adición de ácido acético a distintas mezclas de cloroformo y agua (que inicialmente forman un sistema de dos fases) acaba produciendo sistemas líquidos de una sola fase. Las composiciones en porcentajes se hallan sobre una curva, llamada "curva de solubilidad", como se ha dibujado sobre la figura. Una mezcla cualquiera dentro del área que encierra la curva representa un sistema de dos fases, y cualquier mezcla dentro del área exterior a la curva formará una sola fase líquida.