PREINFORME: PUNTO DE BURBUJA

Grupo 3

Irene Andrea Acuña 245620

Adriana Martínez 245505

Leidy Magaly Pinzón Monroy 245479

1. OBJETIVO

Realizar un gráfico T-x-y para la mezcla propanol-agua, con el fin de realizar una estimación del punto de

burbuja de la mezcla a diferentes composiciones de líquido (mezcla de agua-propanol)

2. MARCO TEÓRICO:

a. Punto de burbuja

El punto de burbuja se entiende como las condiciones en las cuales en un líquido se forma la primera

burbuja de vapor, un pequeño cambio más en la temperatura desencadenara que el líquido se siga

evaporando al estar en el estado de saturación (esto implica un estado de equilibrio).

Cuando se trata de mezclas binarias esta burbuja, fase vapor, tendrá la composición más alta posible en

cuanto al componente más volátil. A partir de allí si se continua el calentamiento la fase de vapor se hará

más grande pero con una menor composición del componente más volátil

b. Equilibrio Líquido- Vapor

Como se explicó anteriormente el punto de burbuja tiene como característica que se encuentra

dentro del equilibrio liquido-vapor. El que un sistema se encuentre en estado de equilibrio implica

que la composición total de cada una de las fases no cambia con el tiempo. Se dice que se trata de

composición total porque un estado de equilibrio no implica que no haya transferencia entre fases.

Esto quiere decir que habrá componente volátil que se transfiere de la fase líquido al vapor y

viceversa, pero en el estado de equilibrio las velocidades de ambos fenómenos serán iguales. Se

cuenta con tres criterios que garantizaran el equilibrio de fases:

Equilibrio térmico: la temperatura en ambas fases es igual

Equilibrio mecánico: la presión en ambas fases es igual

Igualdad de potencial químico para un componente en ambas fase

Esquema 1: Representación esquemática del equilibrio líquido-vapor

c. Regla de las fases de Gibbs

La regla de las fases es uno de los cálculos más destacables de la termodinámica química, esta

relación fue deducida por J.W. Gibbs

𝐹 = 𝐶 − 𝑃 + 2 (1)

Dónde:

F, fases presentes

C, número de componentes

P, numero de fases en equilibrio

El número 2 en la ecuación hace referencia a dos propiedades cualquiera de un sistema que por lo

general son la temperatura y la presión.

Deducción:

Si se considera el caso especial de un sistema de un solo componente. Para dos fases en equilibrio,

se puede 𝜇1(∝) = 𝜇1(𝛽). Cada potencial es función de la presión y la temperatura.

𝜇1(∝; 𝑃, 𝑇) = 𝜇1(𝛽; 𝑃, 𝑇) (2)

En esta ecuación expresa la relación entra las variables P y T, de modo que solo una de ellas puede

ser independiente. Esta conclusión coincide con F=1. Para tres fases en equilibrio mutuo.

𝜇1(∝; 𝑃, 𝑇) = 𝜇1(𝛽; 𝑃, 𝑇) = 𝜇1(𝛾; 𝑃, 𝑇) (3)

Esta relación en realidad son dos ecuaciones con dos incógnitas 𝜇1(∝; 𝑃, 𝑇) = 𝜇1(𝛽; 𝑃, 𝑇) y

𝜇1(𝛽; 𝑃, 𝑇) = 𝜇1(𝛾; 𝑃, 𝑇) y por lo tanto su solución en un único par de valores de P y T. Esta

conclusión coincide con F=0. Cuatro fases no pueden estar en equilibrio mutuo en un sistema de un

componente pues las tres igualdades.

𝜇1(∝; 𝑃, 𝑇) = 𝜇1(𝛽; 𝑃, 𝑇) 𝜇1(𝛽; 𝑃, 𝑇) = 𝜇1(𝛾; 𝑃, 𝑇) 𝜇1(𝛾; 𝑃, 𝑇) = 𝜇1(𝛿; 𝑃, 𝑇) (3)

Son tres ecuaciones con dos incógnitas P y T y el sistema es por tanto incompatible. Considerando

ahora el caso general. En primer lugar se cuenta con un número de total de variables intensivas. La

presión, P, y la temperatura, T. Se puede especificar la composición de una de las fases dando las

fracciones molares de C-1 componentes. Dado que existen P fases, el número total de variables de

composición es P(C-1). Así el número total de variables intensivas es P(C-1) +2.

Eb equilibrio el potencia químico de un componente J debe ser igual en todas las fases:

𝜇1(∝) = 𝜇1(𝛽) … 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑙𝑎 𝑃 𝑓𝑎𝑠𝑒𝑠

Es decir, cada componente J debe satisfacer P-1 ecuaciones de este tipo. Dado que hay C

componentes, el número total de ecuaciones es C(P-1). Cada ecuación

Reduce la libertad de variar una de las P(C-1) +2 variables intensivas. De ahí se deduce que el

número total de grados de libertad es

𝐹 = 𝑃(𝐶 − 1) + 2 − 𝐶(𝑃 − 1) = 𝐶 − 𝑃 + 2

Esta última ecuación es la de la regla de las fases de Gibbs, presentada anteriormente.

d. Soluciones ideales y reales

Para la formación del equilibrio liquido-vapor se partirá de una disolución de los dos componentes.

Se entiende por disolución a una mezcla homogénea. Y según las características de la disolución el

equilibrio tendrá determinado comportamiento, que será comparado con un comportamiento ideal.

En una disolución ideal, las moléculas de ambas especies presentes son muy semejantes esto quiere

decir que la interacción entre ellas será equivalente a una solución líquida de un solo componente

puro. Existen cuatro características clave que identifican una solución ideal.

Las fuerzas intermoleculares promedio de atracción y repulsión en la solución no cambian al

mezclar los componentes.

El volumen de la solución varía linealmente con la composición.

No hay absorción ni desprendimiento de calor al realizar el mezclado.

La presión total de la disolución varia linealmente con la composición en fracción mol

Una disolución ideal sigue la ley de Raoult.

𝑃𝑖 = 𝑃𝑖0𝑥𝑖

𝐿 (4)

Lo que quiere decir que la presión parcial de un componente (𝑃𝑖) varía linealmente con la

composición en el líquido (𝑥𝑖𝐿), y además que la pendiente de esta variación lineal es la presión de

vapor del componente puro (𝑃𝑖0). Es por ello que las soluciones ideales son tan importantes. Porque

simplifican en gran parte el equilibrio liquido-vapor. Por otra parte la ley de Dalton para mezclas de

gases ideales proporciona la presión parcial para el gas en función de la fracción del componente en

la mezcla gaseosa y la presión total de los gases.

𝑃𝑖 = 𝑃𝑇𝑥𝑖𝑣 (5)

A partir de las ecuaciones 4 y 5 es posible conocer la relación entre las composiciones del líquido y el

vapor.

𝑃𝑖0𝑥𝑖

𝐿 = 𝑃𝑇𝑥𝑖𝑣 (6)

En las disoluciones reales por otro lado, hay una interacción entre los componentes debido a sus

diferencias. Se presentaran desviaciones de la ley de Raoult ya sean positivas o negativas. En esos

casos se introduce un coeficiente de actividad (𝛾𝑖) que tenga en cuenta dichas interacciones.

𝑃𝑖 = 𝑃𝑇𝑥𝑖𝑣𝛾𝑖 (7)

e. Modelos termodinámicos

Un modelo termodinámico es un conjunto de ecuaciones que permiten estimar las propiedades

tanto de sustancias puras, como de mezclas de ellas. Existen variados métodos aplicables a

mezclas binarias: Wilson, Margulles, Van Laar, NRTL, entre otros. El modelo empleado en esta

práctica es el modelo de Wilson, el cual es ampliamente utilizado para representar una gran

variedad de mezclas, especialmente para soluciones de compuestos polares (como el propanol y

el agua empleadas en la práctica) o con tendencia a asociación en solventes no polares, además

de sustancias orgánicas.

3. MATERIALES:

Balón de tres bocas

Plancha calefactora

Termopar

Condensador curvo

Refractómetro

Agua destilada

Propanol

Pipeta aforada

Beaker

4. PROCEDIMIENTO:

condensado de

Calibración Determinación punto de

burbuja con la mezcla

Se adicionan 50 mL de propanol al

balón y se inicia calentamiento

Se recolecta una muestra de

condensado (10ml).

Se toma muestra de 10 mL del

remanente en el balón.

Analizar las muestras en el

refractómetro.

Punto de burbuja

Repetir 15

veces.

Se preparan muestras de

diferente concentración de la

mezcla propanol- agua.

Medir el índice de refracción de

cada mezcla y graficar el índice

de refracción vs la fracción

molar de propanol.

Consignar la temperatura de

ebullición cuando esta se estabilice

Se agregan 3mL de agua al balón

Esperar a que la temperatura se

estabilice de nuevo

5. ESQUEMA DEL EQUIPO:

Fig. 2: Montaje del equipo para el cálculo del punto de burbuja.

Las partes del equipo mostrado en el esquema 2 son:

Balón de tres bocas

Plancha calefactora

Termopar (para determinación de temperatura)

Refrigerante curvo

6. CÁLCULOS DEL VOLUMEN DEL PROPANOL PARA DIFERENTES CONCENTRACIONES DE PROPANOL

PARA CONSTRUIR LA CURVA DE CALIBRACIÓN.

𝑥𝑝𝑟𝑜𝑝𝑎𝑛𝑜𝑙 = 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝑝𝑟𝑜𝑝𝑎𝑛𝑜𝑙

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝑝𝑟𝑜𝑝𝑎𝑛𝑜𝑙 + 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝑎𝑔𝑢𝑎 (8)

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝑖 =𝑉𝑖 ∗ %𝑃𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎 ∗ 𝜌𝑖

�̅�𝑖

(9)

Así:

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝑃𝑟𝑜𝑝𝑎𝑛𝑜𝑙 =1,8𝑚𝐿 ∗ 0,995 ∗ 803,40𝑔/𝑚𝐿

60,09502𝑔/𝑚𝑜𝑙= 23,94 𝑚𝑜𝑙

𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠𝐴𝑔𝑢𝑎 =0,2𝑚𝐿 ∗ 1 ∗ 0,999𝑔/𝑚𝐿

18𝑔/𝑚𝑜𝑙= 2,66

𝑥𝑝𝑟𝑜𝑝𝑎𝑛𝑜𝑙 =0,0268 𝑚𝑜𝑙

0,0268 𝑚𝑜𝑙 + 2,66 𝐻2𝑂= 0,9

Muestra Volumen C3H8O (mL) Volumen H2O (mL) X

C3H8O X

H2O Moles C3H8O

Moles H2O

1 2,00 0,00 1 0 26,60 0,00

2 1,80 0,20 0,9 0,1 23,94 2,66

3 1,60 0,40 0,8 0,2 21,28 5,32

4 1,40 0,60 0,7 0,3 18,62 7,98

5 1,20 0,80 0,6 0,4 15,96 10,64

6 1,00 1,00 0,5 0,5 13,30 13,30

7 0,80 1,19 0,4 0,6 10,64 15,96

8 0,60 1,39 0,3 0,7 7,98 18,62

9 0,40 1,59 0,2 0,8 5,32 21,28

10 0,20 1,79 0,1 0,9 2,66 23,94

11 0,00 179,82 0,001 0,999 0,00 2403,98

Tabla 1. Volúmenes de la mezcla liquida para realizar la calibración del refractómetro.

7. BIBLIOGRAFÍA

[1] I. García Quiroga, Introducción al equilibrio termodinámico y de fases, Bogotá: Universidad Nacional

de Colombia, 1995.

[2] R. E. Treybal, Operaciones de transferencia de masa, México: McGraw Hill, 1997.

[3] Anónimo, «Laboratorio de Química Física,» Universidad de Valencia, 2013. [En línea]. Available:

http://www.uv.es/qflab/2013_14/descargas/cuadernillos/qf1/castellano/PG_G_diagramasFases.pdf.

[Último acceso: 3 05 14].

[4] Anónimo, «Análisis y simulación de procesos en estado estable y dinámico,» 2010.

[5] R. Gamero, «Termodinámica avanzada,» Septiembre 2010. [En línea]. Available: http://www.sarec-

fiq.edu.ni/pmciq/che570/pdf/3g.pdf. [Último acceso: 01 05 2014].