UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA)
FACULTAD DE QUÍMICA E INGENIERÍA QUÍMICA Es!ela Aad"#ia De In$enier%a &!%#ia DEPART DEPARTAMENTO AMENTO ACADÉMICO AC ADÉMICO DE D E FISICOQUÍMICA FISICO QUÍMICA
Laboratorio de Fisicoq!"ica II
EQUILI#RIO LÍQUIDO$ %APOR Pro&esor'
'i$!era a!*!in, An%+al I(te)ra(tes'
Es!diane
C-di$
E.A.P
/ar%a N!ne, A1el Anni
23040056
In$. &!%#ia
Mall#a 7er8!a9, /erard
2304023:
In$. &!%#ia
Maias ;ra
2304024:
In$. &!%#ia
Fec*a de +a ,r-ctica'
Mi"rles 25 de a+ril del :026 Fec*a de +a e(tre)a'
Mi"rles :0 de a+ril del :026 Gr,o . Tr(o'
>A?@ Mi"rles de B22a# Ciudad Universitaria, 20 de abril del 2016
ÍNTRODUCCI/N 0
El requerimiento básico para separar los componentes de una mezcla líquida por destilación es que la composición del vapor sea diferente de la composición del líquido del cual se forma, esto es lo que sucede en las mezclas azeotrópicas. Las cuales se definen como mezclas de dos componentes las cuales hierven a temperaturas más altas o más bajas que sus respectivos puntos de ebullición. Toda mezcla azeotrópica posee un punto máximo o mínimo en el cual el vapor que se forma tiene la misma composición que la del líquido del cual procede. En esta situación los componentes no pueden ser separados por destilación fraccionada. l lle!ar al punto de ebullición, sea máximo o mínimo la temperatura de la mezcla permanece constante hasta que el líquido se a!ote. La composición de la mezcla azeotrópica es constante a una presión dada, pues cuando la presión varía tambi"n cambia la temperatura # la composición de la mezcla. En consecuencia las mezclas azeotrópicas no son compuestos definidos sino que se deben a las interacciones de las fuerzas intermoleculares de la solución. Los conceptos # propiedades, entendidas como ventajas, de la destilación fraccionada # mezcla azeotrópica son empleados en la industria del petróleo # del etanol en las que son mu# comunes el empleo de la columnas de $raccionamiento. Tambi"n es empleado el criterio de mezcla azeotrópica en la síntesis de esteres en química or!ánica, donde se forma un azeótropo de tres componentes, permitiendo así la obtención del "ster por destilación.
RESUMEN 2
La presente %ractica &' consistió acerca del estudio del Equilibrio Liquido(vapor, la cual tuvo como objetivos las determinaciones de las temperaturas # composiciones de la mezcla isotrópica se!)n como se informa en el *istema + -/0 1 2(%34%&4L /50 Tabla &62 durante las ebulliciones, como tambi"n la determinación del índice de refracción de cada destilado # residuo que dejo la operación anterior. En la práctica de Equilibrio Líquido 7apor, se determinará el dia!rama temperatura composición # el dia!rama x(#, para una mezcla líquida de dos componentes Las condiciones de laboratorio en que se trabajó fueron presión ambiental 89: mm;!, temperatura ambiente <=6 > # humedad relativa '?@. %ara realizar la experiencia nos hemos apo#ado en los principios teóricos soluciones reales en una mezcla zeotrópica. Los resultados obtenidos en la experiencia fueron Aazeot.2(%ropanolB:.?: # Aazeot. !ua B :.2' con una temperatura de ?96> en el punto azeotrópico, ori!inándonos un ErrorB 2.'+@ . *e lle!ó a la conclusión de que una mezcla azeotrópica es aquella que presenta un punto de ebullición más alto o más bajo que el de sus componentes, estas mezclas no se separa por destilación fraccionada #a que el vapor que se forma presenta composición i!ual que el líquido de que provieneC es decir la composición del destilado es i!ual a la del residuo. %ara el mejoramiento de los resultados es preferible tapar inmediatamente la solución que se encuentra en el balón, al momento de sacar residuo o a!re!ar el incremento, debido a que son sustancias volátiles.
PRINCIPIOS: TE/RICOS
LE0 DE RAOULT
La Le# de 3aoult establece que la relación entre la presión de vapor de cada componente en una solución ideal es dependiente de la presión de vapor de cada componente individual # de la fracción molar de cada componente en la solución, es decir 0
0
P A = P A × X A y también P B= PB × X B 0
Donde Pi : esla presiónde vapor del componente puro. *i se introduce una mezcla de # 5 en un recipiente en el que se ha hecho el vacío # en el que se mantiene una temperatura constante, se vaporizarán # 5 hasta alcanzar un estado de equilibrio en el que la presión reinante será la presión total de vapor de la mezcla, %, que de acuerdo con la le# de 3aoult, tendrá el valor 0
0
P= P A + P B= P A × X A + P B × X B
SOLUCIONES REALES'
*on aquellas soluciones que no se ajustan a la Le# de 3aoult, # que presentan desviación positiva o ne!ativa de la le#, debido a las fuerzas de interacción intermolecular de atracción o repulsión entre los componentes # como consecuencia de ello no cumplen con la propiedad de adición de sus vol)menes.
Me1c+a A1eotr2,icA
*on aquellas soluciones reales, cu#a característica es que hierven a una temperatura más alta o más baja respecto a la temperatura de ebullición de cada uno de sus componentes. Dicho de otra manera, es una mezcla de dos componentes que hierven como si fuese una sustancia pura, con un punto de ebullición constante # ori!inando un vapor de i!ual composición que la mezcla líquida de partida. Es evidente, que para estas mezclas no puede conse!uirse nin!una separación mediante el empleo de la destilación.
5
DE*7>F& %4*T7
DE*7>F& NE/AT IVA
Desti+aci2(
La destilación es una operación utilizada con frecuencia para la purificación # aislamiento de líquidos or!ánicos. La destilación aprovecha las volatilidades # puntos de ebullición de los componentes líquidos a separar. La destilación depende de parámetros como El equilibrio liquido vapor, temperatura, presión, composición, ener!ía. El equilibrio entre el vapor # el líquido de un compuesto está representado por la relación de moles de vapor # líquido a una temperatura determinada, tambi"n puede estudiarse este equilibrio a partir de sus presiones de vapor. Presi2( de 3a,or
La presión de vapor es la presión de la fase !aseosa o vapor de un sólido o un líquido sobre la fase líquida, para una temperatura determinada, en la que la fase líquida # el vapor se encuentra en equilibrio dinámicoC su valor es independiente de las cantidades de líquido # vapor presentes mientras existan ambas.
3
PROCEDIMIENTO E4PERIMENTAL MATERIALES 0 REACTI%OS'
Materia+es' Equipo especial para puntos de ebullición, termómetro de d"cimas, mechero de alcohol, refractómetro, tubos con tapones de corcho # pipetas.
Reacti3os' 2(propanol /0, a!ua destilada /50 # acetona comercial. PROCEDIMIENTO
Deter"i(aci2( de +os ,(tos de eb++ici2( de+ siste"a nstalamos el equipo para determinación de puntos de ebullición /balón de 2<=ml, refri!erante de reflujo # un separador para retirar el destilado0. 7er fi!ura 2. dicionamos <:ml de 2(propanol /50 en el balón, lue!o introducimos el termómetro de modo que el bulbo quede aproximadamente en la mitad del líquido contenido en el balón, calentamos hasta alcanzar el punto de ebullición # tomamos lectura de la temperaturaC inmediatamente extrajimos 2ml del destiladoC dejamos enfriar con un baGo de a!ua fría # lue!o retiramos aproximadamente 2ml del componente del balón /este líquido es el residuo0. sí mismo aGadimos cada incremento de a!ua /0 de acuerdo a la tabla <.< repetimos todo el procedimiento, es decir para cada incremento calentamos, tomamos lectura del punto de ebullición, retiramos 2ml de destilado, enfriamos # extrajimos 2ml de residuo. %or otro lado realizamos un procedimiento parecidoC esta vez con <:ml de a!ua /50 calentamos, determinamos punto de ebullición, retiramos 2ml de destilado, enfriamos # extrajimos 2ml de residuo. Ladiferencia estuvo en que para cada
incremento de 2(propanol se!)n la tabla <.2, se realizó siempre con <: ml de a!ua /50 # su respectivo incrementoC lavando todo el equipo para cada incremento.
Deter"i(aci2( de +a co",osici2( de +as "e1c+as *e preparó +ml de mezclas en tubos con tapón de corcho se!)n la tabla <.+ # tomando lectura de temperatura de a!ua # 2(propanol purosC # a continuación medimos el índice de refracción de cada mezcla. $inalmente medimos índices de refracción para los destilados # residuos obtenidos anteriormente.
TA#ULACI/N DE DATOS 0 RESULTADOS TA#LA N5 6 CONDICIONES DE LA#ORATORIO EMPERAURA(C) :
PRESIFN(##7$) 460
7UMEDAD RELAIVA (G) H
TA#LA N57' DATOS E4PERIMENTALES TA#LA N5786' ndie de reJrai-n del desilad 9 resid! del inre#en de a$!a (A) al 2BKrKanl (;) 9 e#Kera!ra de e+!llii-n. NMERO DE INCREMENO
2 : 5 3 6 4
VOLUMEN DEL INCREMENO DE A PARA EMPERAURA(C) AADIR A :0 #L DE ; 0.0 0.3 0.3 0.3 0. 0. 0. 0.
H H: H0.5 H .5 4 6 3
INDICE DE RE'RACCIFN
DESTILA RESIDU DO O 2.552 2.55H 2.52H 2.506 2.526 2.52H 2.520 2.54 2.50: 2.54H3 2.540 2.500 2.544 2.54 2.5440 2.5464
TA#LA N5787' ndie de reJrai-n del desilad 9 resid! del inre#en de 2BKrKanl (;) al a$!a (A) 9 e#Kera!ra de e+!llii-n. 6
NMERO DE INCREMENO
2 : 5 3 6 4
•
VOLUMEN DEL INCREMENO DE ; PARA EMPERAURA(C) AADIR A :0 #L DE A 0.0 2.0 5.0 .0 .0 H.0 20.0
INDICE DE RE'RACCIFN
H H3. H:. H0 H 6
DESTILAD O
RESIDU O
2.5 2.5403 2.5:: 2.54H 2.5424 2.542
2.563 2.53: 2.535 2.5656 2.5404 2.5433
TA#LA N5789' Vl!#en de 2BKrKanl (;) 9 a$!a(A), %ndie de reJrai-n Kara la !rva Kar-n.
NMERO DE MUESRA
2 : 5 3 6 4 H 20
VOLUMEN DE VOLUMEN DE A (#L) ; (#L) 5.0 :.H :. :. :.2 2.4 2.3 2.0 0. 0.0
INDICE DE RE'RACCIFN
0.0 0.2 0.: 0. 0.H 2.5 2.6 :.0 :. 5.0
2.55:5 2.55 2.5335 2.53H5 2.56: 2.54:6 2.54: 2.5456 2.55 2.554
TA#LA N59' DATOS TEORICOS •
TA#LA N5 986' e#Kera!ra de e+!llii-n. SUSANCIA 2BPrKanl a$!a
EMPERAURA DE E;ULLICION (C) 4
H4.: 200
•
•
•
TA#LA N5 987' Densidad del a$!a 9 el 2BKrKanl a :C SUSANCIA
DENSIDAD ($#L)
2BPrKanl a$!a
0.4H: 0.HH4
TA#LA N5 989' ndies de reJrai-n 9 vlú#enes de KrKanl 9 a$!a a :C. 2BPrKanl(A)
A$!a(;)
n
%o+8 A 5.0 :.H :. :. :.2 2.4 2.3 2.0 0.2 0.0
%o+8 # 0.0 0.2 0.: 0. 0.H 2.5 2.6 :.0 :. 5.0
2.56 2.5 2.53 2.520 2.544 2.540 2.560 2.50 2.530 2.5550
TA#LA N5 98:' C#Ksii-n de la #ela aer-Kia 9 el K!n de e+!llii-n de la #ela aer-Kia. P. E+ 460 ## ALCO7OL PROPANOL
Otro Co",o(e(te H4.:
GPes
A1eotro, o A)a A1eotro,o 4.4 :.5 42.4
Fe(te tab+a 9 C8R8C8 8and+ J 8e#isr9 and K89sis, La()e, #an!al de *!%#ia # IV, décima tercera edición.
TA#LA N5:' RESULTADOS. •
TA#LA N5 :86' e#Kera!ra de la #ela aer-Ki 9 las #Ksiines de a$!a 9 2BPrKanl. Te",eratra A1eotr2,ica
;<5C
X Azeotrop . − propanol
0.0
X Azeotrop .1−agua
0.2H
1
Y Azeotrop.
0.4H
1− propanol
0.:2
Y Azeotrop. 1−agua
•
TA#LA N5 :87' C#Karai-n ls valres e-ris n ls e1Keri#enales de la e#Kera!ra aer-Kia. %a+or te2rico
%a+or e=,eri"e(ta+
> Error
4.4
6
2.H5 G
TA#LA N5?' TA#LA PARA GRAFICOS8 •
TA#LA N5 ?86' ndie de reJrai-n 9 Jrai-n #lar de 2B PrKanl, +enids de las a+las e-ris.
INDICE DE FRACCION MOLAR INDICE DE FRACCION MOLAR REFRACCION @# REFRACION @# DESTILA RESIDU DESTILA RESIDU DO O %APOR LIQUIDO DO O %APOR LIQUIDO 2.5550 2.5550 0.00 0.00 2.552 2.55H 0.4: 0.63 2.5 2.563 0.0H 0.20 2.52H 2.506 0.3 0. 2.5403 2.53: 0.:3 0.05 2.520 2.54H3 0.3: 0.3 2.54: 2.535 0.: 0.0 2.50: 2.54 0.30 0.3 2.54H 2.5656 0.55 0.2 2.540 2.500 0.3 0.54 2.5464 2.5404 0.53 0.:: 2.544 2.54 0.30 0.56 2.542 2.5433 0.52 0.52 2.5440 2.5464 0.53 0.5
•
TA#LA N5 ?87' Y D vs X R X R
Y D
0.00 0.20 0.05 0.0 0.2 0.:: 0.52 0.63 0. 0.3 0.3 0.54 0.56 0.5
0.00 0.0H 0.:3 0.: 0.55 0.53 0.52 0.4: 0.3 0.3: 0.30 0.3 0.30 0.53 H
•
TA#LA N5 ?89' ndie de ReJrai-n vs G#lar del 2B KrKanl EE Y
EE X
!ndice de Re"racción
#omposició n molardel 1− propanol
2.55:5 2.55 2.5335 2.53H5 2.56: 2.54:6 2.54: 2.5456 2.55 2.554
200G 4.5G 46.H:G 3.5G 5.42G :5.43G 24.:3G 20.63G 3.6G 0.00G
CBLCULOS
.
Deter"i(aci2( de +a Co",osici2( de+ Desti+ado . Resido Cal!la el G#lar del #Knene #s vlil en ada !na de las #elas de la a+la :.: El #Knene #s vlil es el 2BKrKanl. C#Knene A a$!a C#Knene ; 2BKrKanl $X B=
nB n%
× 100
Dnde
X B : "racciónmolar de B n B : n&mero demoles deB n B : n&mero demolestotales
Ade#s ' ( ' ( n B= B B y n A = A A P) ( B ) P) ( A )
20
Dnde 'B : densidad de B P) ( A ) : peso molecular de A
( B : volumendeB
( A : volumende A
' A : densidad de A P) ( B ) : peso molecular de B
En la #!esra : :.H#l de 2BKrKanl 9 0.2#l de a$!a ' ( 0..997 × 0.1 =0.055 n A = A A = 18.015 P) ( A ) n B=
' B ( B P) ( B )
$X B=
=
0.792 × 2.9 60.095
= 0.03821
nB 0.038 21 × 100 = × 100 =87.35 n% 0.055 + 0.03821
Co(c+sio(es . reco"e(dacio(es CONCLUSIONES'
Es posible analizar el equilibrio liquido(vapor para un sistema binario porque de acuerdo a la re!la de -ibbs, solo se necesitan especificar dos variables para definir el sistema /Temperatura # composición de un componente0.
El sistema a!ua 12(propanol no se comporta idealmente debido a que describe desviaciones positivas de la le# de 3aoult #, a su pequeGa diferencia de puntos de ebullición. %or ello presenta un azeótropo con temperatura de ebullición mínima.
En una mezcla azeotrópica, el punto azeotrópico se comporta como si fuese un líquido puro.
De la !ráfica x(# para el 2(propanol podemos indicar que al ser el componente más volátil de la mezcla, esto es que tiende a evaporarse con más facilidad, se encontrará ma#or concentración del mismo en la fase vapor que en la fase líquido. 22
RECOMENDACIONES'
Evitar sobrecalentamiento para que la mezcla no se rebalse.
Esperar que la temperatura de ebullición de la mezcla se manten!a constante para determinar su punto de ebullición.
>alibrar adecuadamente el refractómetro para tener una buena visibilidad de la línea de referencia.
Tapar bien las muestras de residuo # destilado pues pueden volatilizarse # variar su composición inicial.
A,(dice 686 GRBFICOS @PAPEL MILIMETRADO 687 CUESTIONARIO 687868$ Para +as "e1c+as +!qidas bi(arias idea+es e=,+iqe +a a,+icaci2( de +as +e.es de Da+to( . Rao+t8 A,+icaci2( de +a LE0 DE RAOULT . +a LE0 DE Da+to(
La teoría de la destilación es una de las aplicaciones de la le# de 3aoult # la le# de Dalton. *e emplea con el objetivo de separar los componentes puros. *i estos poseen temperatura de ebullición mu# diferentes se separan por destilación simple # si poseen temperatura de ebullición mu# próximos por destilación fraccionada. 687878$ E=,+iqe +a so+bi+idad de +os )ases e( +os +!qidos8 E( qe casos se a,+ica +a +e. de e(r. . +a +e. de Da+to(8
El efecto de la presión sobre la solubilidad de un !as dado en un líquido particular a temperatura constante, se puede obtener2:fácilmente examinando el proceso
inverso, es decir, considerando el !as como un soluto que se vaporiza para establecer una presión de vapor sobre la solución. %ara el )ltimo caso se aplica la ecuación * ( g) / A = + 2
2
Donde * ( g) es la fu!acidad del !as sobre la solución # A es la actividad del !as en la solución. *i la fase !aseosa # la solución se comporte idealmente, entonces 2
* (g)= P 2
2
2
,
A
2
B
X 2 P2 / X 2= +
C
X = + / P 2
2
Estas nuevas ecuaciones se conocen como la le# de ;enr# # establece que a temperatura constante la solubilidad de un !as en un líquido es directamente proporcional a la presión del !as sobre el líquido. La estricta aplicabilidad de la le# de ;enr# se limita a presiones bajas. presiones elevadas la le# es menos exacta, # las constantes de proporcionalidad tienen una variación considerable. %or lo !eneral cuanto más alta sea la temperatura # más baja sea la presión, más exactamente se cumplirá la le#. demás, esta le#, en la forma dada antes, no se aplica cuando el !as disuelto reacciona con el disolvente o cuando se ioniza el !as disuelto. >uando la ionización en la solución es completa, la le# no se cumple en absoluto. Las desviaciones en los casos de reacción química # disociación se pueden comprender # corre!ir fácilmente al advertir que la le# de ;enr# es válida solo cuando se aplica a la concentración en la solución de la especie molecular tal como existe en la $ase !aseosa # no para la concentración total de la solución. >uando varios !ases se disuelven simultáneamente en un solvente, se!)n Dalton la solubilidad de cada !as en una mezcla de !ases es directamente proporcional a la presión parcial del !as en la mezcla. *iempre que en la le# de ;enr# se cumpla que X es la concentración # % es la presión parcial de cada !as. 2
687898$ HE( q casos se a,+ica +a desti+aci2( &raccio(ada a ,resi2( co(sta(te Desti+aci2( &raccio(ada
El requerimiento básica para separar los componentes de una mezcla liquida por destilación es que la composición del vapor sea diferente de la composición del líquido del cual se forma. *i la composición del vapor es la misma como la del líquido, el proceso de separación de los componentes es imposible por destilación. Tal cosa sucede con las mezclas azeotrópicas. 25
excepción de las mezclas azeotrópicas, todas las mezclas liquidas tienen puntos de ebullición que se encuentran dentro de aquellas de sus componentes puros. 7ariando la composición de la mezcla varia de manera re!ular, desde el punto de ebullición de uno de sus componentes hasta del otro.
6898$OJA DE DATOS 68:8$ OTROS GRBFICO68:868$ @TA#LA N5 ?89 ndie de ReJrai-n vs G#lar del 2B KrKanl CURVA PARFN Í(dice de Re&racci2( 3s >"o+ar de+ 6$ ,ro,a(o+ 2.5H 2.5 2.54 2.56 2.5 2.53 2.55 2.5: 2.52 2.5
0
:0
30
60
23
0
200
2:0
#ib+io)ra&!a o
o
o
tHins., I$isicoquímicaJ, +6 edición, ddision(Kesle# beroam"rica, 2'?9, pá!ina <:8(<+<. David 3. Lide, ;andbooH of >hemistr# and %h#sics, ?MT; EDT4&, ED >3> %3E** <::+(<::M, sección 8. >*TELL& -., N$isicoquímicaO,
o
L&-E, P&L DE QP>, 2+6 Edición, Rohn .dear, Tomo 7.
o
%err#, N;andbooH of chemistr#O, Ed. Pc -raS ;ill, >apitulo <.
o
*amuel ;. Paron. $undamentos de $isicoquímica, Ed. Limusa, &orie!a Editores, 2''9.
2
