labo9

21

Universidad Nacional Mayor de San MarcosEquilibrio Líquido - Vapor

Laboratorio de Fisicoquímica II

UNIVERSIDAD NACIONAL

MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, Decana de América)

FACULTAD DE QUÍMICA E ING. QUÍMICA EAP. INGENIERÍA QUÍMICA

LABORATORIO DE FISICOQUIMICA II

EQUILIBRIO LÍQUIDO - VAPOR

INTEGRANTES : AQUINO FERNANDEZ, WALTER TOMAS 07070140

BARRAZA BACA, DAVID JORGE 09070088

GARCIA HANCCO, JUAN DIEGO 10070198

RIOS GIL, DAVID ANDERSON 10070176 PROFESOR : ANIBAL FIGUEROA T.

FECHA DE LA PRÁCTICA : 17 / 04 / 12

FECHA DE ENTREGA : 24 / 04 / 12

TURNO : MARTES 12 – 15 HORAS

GRUPO : A - B

21



CIUDAD UNIVERSITARIA, ABRIL DE 2012

ÍNDICE

CARÁTULA.................................................................................................................1

ÍNDICE.........................................................................................................................2

INTRODUCCIÓN.........................................................................................................3

RESUMEN...................................................................................................................4

PRINCIPIOS TEÓRICOS.............................................................................................5

DETALLES EXPERIMENTALES ...............................................................................6

TABULACIÓN DE DATOS Y RESULTADOS.............................................................7

CÁLCULOS...............................................................................................................13

ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS..........................................................18

CONCLUSIONES......................................................................................................19

RECOMENDACIONES..............................................................................................20

BIBLIOGRAFÍA.........................................................................................................21

APÉNDICE ................................................................................................................22

21



INTRODUCCIÓN

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. Al llegar al punto de ebullición, sea máximo o mínimo la temperatura de la mezcla permanece constante hasta que el líquido se agote.

La composición de la mezcla azeotrópica es constante a una presión dada, pues cuando la presión varía también cambia la temperatura y 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 y propiedades, entendidas como ventajas, de la destilación fraccionada y mezcla azeotrópica son empleados en la industria del petróleo y del etanol en las que son muy comunes el empleo de la columnas de Fraccionamiento. También es empleado el criterio de mezcla azeotrópica en la síntesis de esteres en química orgánica, donde se forma un azeótropo de tres componentes, permitiendo así la obtención del éster por destilación.

21



RESUMEN

El objetivo de esta experiencia es determinar la composición y temperatura de la mezcla azeotrópica del sistema 1 ,2 y3.

Las condiciones de laboratorio en que se trabajó fueron: presión ambiental 756 mmHg, temperatura ambiente 26° C y humedad relativa 92%.

Un azeótropo (o mezcla azeotrópica) es una mezcla líquida de dos o más componentes que posee un único punto de ebullición constante y fijo, y que al pasar al estado vapor (gaseoso) se comporta como un compuesto puro, o sea como si fuese un solo componente.

En las condiciones mencionadas los resultados experimentales fueron: Temperatura de ebullición del azeótropo 82° C con un porcentaje de error frente al teórico de 6 %; la composición de la mezcla azeotrópica en los sistemas 2 y 3 fueron 35 % y 47% de porcentaje de error.

En conclusión, nos damos cuenta que las composiciones del azeótropo son iguales tanto en el destilado como en el residuo.

Una recomendación seria que al trabajar en la experiencia, no sobrecalentar mucho el balón ya sea en los 3 sistemas mencionados en dicha práctica, ya que así se podría evitar un daño que podría ser de alto riesgo, como quemaduras, o como también en menor riesgo como, perder destilado.

21



PRINCIPIOS TEÓRICOS

Definiciones:

a) Soluciones ideales: Se denominan soluciones ideales a aquellas soluciones que se ajustan a la ley de Raoult, en las cuales sus componentes cumplen con las siguientes características: similitud en las fuerzas de interacción intermolecular, aditividad de los volúmenes, etc.La ley de Raoult expresa que la presión de vapor de un componente a unhja determinada temperatura T, es proporcional a su fracción molar en el líquido (xi).

Pi = xi P°i (1)

Donde P°i es la presión de vapor del componente puro.Se puede aplicar perfectamente a mezclas ideales de líquidos volátiles, de talkm manera que las presiones parciales de los componentes en una mezcla binaria son:

Pa = xa P°a Pb = xb P°b (2)

La presión total viene dada por: P = Pa + Pb

b) Soluciones reales: Son aquellas soluciones que no se ajustan a la Ley de Raoult, y que presentan desviación positiva o negativa de la ley, debido a las fuerzas de interacción intermolecular de atracción o repulsión entre los componentes y como consecuencia de ello no cumplen con la propiedad de aditividad de sus volúmenes.

c) Mezclas azeotrópica: Son aquellas soluciones reales, cuya característica es que hierven a una temperatura más alta o más baja respecto a la temperatura de ebullición de cada uno de sus componentes, las primeras presentan un mínimo en la gráfica de presión de vapor vs composición y se producen por una desviación negativa de la Ley de Raoult, en tanto que las segundas presentan un máximo, siendo consecuencia de una desviación positiva de la Ley de Raoult.

21



DETALLES EXPERIMENTALES

A) MATERIALES Y REACTIVOS:

1. Materiales: Equipo especial para puntos de ebullición, termómetro de décimas, mechero de alcohol, refractómetro, tubos con tapones de corcho, pipetas.

2. Reactivos: Agua (A), 1-propanol (B).

B) PROCEDIMIENTO:

1. Determinacion de los puntos de ebullición del sistema

a) Se armó un equipo especial para puntos de ebullición, que consta de un balón de 125 mL, un refrigerante de reflujo, un separador para retirar el destilado. El equipo se lavó y secó completamente.

b) Se colocó 25 mL de A en el balón y se insertó el termómetro de tal manera que su bulbo quedó sumergido aproximadamente hasta la mitad en el líquido.

c) Se calentó lentamente la muestra del balón hasta obtener una ebullición vigorosa a temperatura constante. Se anotó la temperatura de ebullición.

d) Con una pipeta se tomó una muestra de aproximadamente 1 mL del residuo en un tubo limpio y seco, y se tapo, al mismo tiempo se extrajo aproximadamente 1 mL el destilado del separador, el exceso de destilado se agregó al balón, también se tapó.

e) Se añadió cada incremento según la tabla N° 1 y se repitió los pasos c) y d) para cada incremento.

f) Se lavó y secó el balón. Se colocó 25 mL de B en el balón y se procedió similarmente que con A, se repitieron los pasos b), c), d) y e).

2. Determinación de la composición de las mezclas

a) En tubos con tapón de corcho, se preparó 3 mL de las mezclas indicadas en la tabla N° 2 midiendo las temperaturas de A y B.

b) Se midió el índice de refracción de las mezclas preparadas en a).

21



c) Se midió los índices de refracción de cada muestra de destilado y residuo, obtenidas en 1. Se usó acetona para limpiar el refractómetro.

TABULACIÓN DE DATOS Y RESULTADOS

Tabla 1: Condiciones del Laboratorio.

Presión atmosférica (mmHg)

Temperatura ambiente (ºC)

Humedad relativa (%)

756 24 95

Tabla 2: Datos Teóricos.

Tabla 2.1: Datos teóricos de los compuestos puros.

CompuestoDensidad a 20ºC (g/mL) PM (g/mol)

Temperatura Ebullición (ºC)

β x 10-3

A: H2O 0.9982 18.0 100 0.23 B: n-propanol 0.804 60.0 97.2 0.956

(*) Fuente: Propiedades físicas y Termodinámicas del Ing. A. Yarango R. pag. 11

Tabla 2.2: Datos teóricos de la mezcla azeotrópica.

Fracción molar de n-propanol (Xn-propanol = Yn-

propanol)

Temperatura de ebullición (ºC)

Mezcla azeotrópica 0.4320 87.65

(*) Fuente: http://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/

21



Tabla 3:

Sistema 3 : H2O – n-propanol.

Número de incremento

Volumen del incremento de n-

propanol para añadir a 20 mL de H2O (A)

Volumen del incremento de H2O

para añadir a 20 mL de n-propanol (B)

1 1.0 0.42 3.0 0.43 5.0 0.44 8.0 0.55 9.0 0.56 10.0 0.57 0.5

Tabla 4: Datos experimentales de las temperaturas de ebullición de las

sustancias A y B puras y sus respectivos índices de refracción.

SustanciaTemperatura de ebullición (ºC)

N( Índice de Refracción)

Agua 100 1.3330

n-propanol 97.2 1.3840

Tabla 5: Datos experimentales de la tabla 3 (A).

Número de muestra


n del destilado n del residuo

1 93 1.3577 1.33442 90.5 1.3515 1.3436

21



3 88.0 1.3749 1.35354 87.0 1.3650 1.36295 84.0 1.3746 1.36976 82.0 1.3736 1.3730

Tabla 6: Datos experimentales de la tabla 3 (B).

Número de muestra


n del destilado n del residuo

1 94.2 1.3828 1.38402 93.2 1.3820 1.38363 91.6 1.3815 1.38364 89.5 1.3809 1.38305 91.2 1.3788 1.38036 85.5 1.3760 1.37417 87.4 1.3759 1.3670

Tabla 7: Datos experimentales de índices de refracción de mezclas de n-

propanol y H2O de varias composiciones.

Número de mezcla

Volumen de agua (mL)

Volumen de n-propanol (mL)

n de la mezcla

Temp. de ebullición(ºC)

1 3.0 0.0 1.3830 24.82 2.9 0.1 1.3357 25.73 2.8 0.2 1.3382 25.64 2.5 0.5 1.3474 25.75 2.1 0.9 1.3611 25.56 1.7 1.3 1.3690 25.47 1.4 1.6 1.3704 25.48 1.0 2.0 1.3831 25.49 0.5 2.5 1.3797 25.410 0.0 3.0 1.3327 24.8

21



Tabla 8: Datos experimentales de índices de refracción de mezclas de n-

propanol y H2O de varias composiciones

Numero de

Mezcla

Masa del

agua (gr)

Masa del n-

propanol

Moles del

H2O

Moles del n-

propanol

Moles

Totales

1 2.9913 0 0.1662 0 0.1662

2 2.8916 0.08 0.1606 1.333 x 10-3 0.1619

3 2.7919 0.16 0.1591 2.667 x 10-3 0.1578

4 2.4928 0.4 0.1385 6.667 x 10-3 0.1452

5 2.0939 0.72 0.1163 0.012 0.1283

6 1.6951 1.04 0.09417 0.01733 0.1115

7 1.3959 1.28 0.07755 0.02133 0.09888

8 0.9971 1.6 0.05539 0.02667 0.08206

9 0.4986 2.0 0.0277 0.03333 0.06103

10 0 2.4 0 0.04 0.04

Tabla 8: Datos Experimentales de la composición molar y fracción molar

del n- propanol (más volátil)

Número de mezcla

X más volátil n-propanol

% Composición molar del n- propanol

n de la mezcla

1 0 0(**) 1.38302 8.233 x 10-3 1 1.33573 0.01690 2 1.33824 0.04592 5 1.34745 0.09353 9 1.3611

21



6 0.1554 16 1.36907 0.2157 22 1.37048 0.3250 33 1.38319 0.5461 55(**) 1.379710 1 1(**) 1.3327

Ver gráfica 1 (página).

Tablas 9: Datos Experimentales obtenidos de la gráfica 1 y las tablas 5 y

6; datos para las gráficas 2 (X en el residuo (Xn-propanol) vs X en el destilado

(Yn-propanol)) y 3 (T vs X en el residuo (Xn-propanol) vs X en el destilado (Yn-

propanol)).

- Resultados experimentales del Gráfico 2

Nº de

Muestra

Temp.

Ebullición(ºC

)

n Destilado X destilado

n-propanol

n Residuo X residuo

n-

propanol

1 94.2 1.3828 0.46 1.3840 0.5

2 93.2 1.3820 0.43 1.3836 0.48

3 91.6 1.3815 0.41 1.3836 0.48

4 89.5 1.3809 0.40 1.3830 0.46

5 91.2 1.3788 0.34 1.3803 0.38

6 85.5 1.3760 0.28 1.3741 0.24

7 87.4 1.3759 0.27 1.3670 0.14

(**) Nota: No se toma en cuenta en las gráficas ya que son datos que se alejan

de la tendencia de la gráfica.

- Resultados Experimentales del Gráfico 3

Nº de

Muestra

Temp.

Ebullicion

(ºC)

N Destilado X destilado

n-propanol

N Residuo X residuo

n-propanol

1 93 1.3577 0.07 1.3344 0.01

21



2 90.5 1.3715 0.2 1.3436 0.03

3 88 1.3749 0.25 1.3535 0.05

4 87 1.3650 0.12 1.3629 0.11

5 84 1.3746 0.25 1.3697 0.17

6 82 1.3736 0.23 1.3730 0.22

Ver gráficas 2 (página ) y 3(página ).

Tabla 10: Resultados Experimentales y Porcentajes de error.

Tabla 10.1: Fracción molar de n-propanol en la mezcla azeotópica.

Valor TeóricoFracción molar experimental de n-propanol (Xn-propanol = Yn-

propanol)

% de error (%)

Mezcla azeotrópica (mediante la

gráfica 2)

0.4320 0.28 35

Mezcla azeotrópica (mediante la

gráfica 3)

0.4320 0.23 47

(***)

Tabla 10.2: Resultados Experimentales de la Temperatura de ebullición de

la mezcla azeotrópica.

Valor Teórico(ºC)

Temperatura de ebullición

experimental(ºC% de error (%)

Mezcla azeotrópica 87.65 82 6

(***)

(***) Valores Teóricos extraídos de la Fuente: http://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/

21



CÁLCULOS

1) Determinación de la composición del destilado y residuo:

a) Calculo del % molar del componente más volátil en cada una de las mezclas preparados de la tabla N° 2 de la guía (tabla N° 7 del informe)

Cálculo de las densidades de agua (A) y de 1-propanol (B)

Ver tabla N° 2

Agua:

PM = 18 g/mol; ρ20 ºC

= 0.9982 g/ml; = 0.23 x 10-3; Teb. = 100° C;

Temp. agua = 24.8 º C

24.8° C = 20 ° C

1 - (20-24.8)

24.8° C = 0.9982 g/ml

1 – 0.23 x 10-3(20-24.8)

24.8° C = 0.9971g/ml

Ver tabla N° 2

1-propanol:

21



PM = 60 g/mol; 20°C = 0.804 g/ml; = 0.956 x 10-3; Teb. = 97.2° C

Temp. De 1-propanol = 24.8 º C

24.8° C = 0.804 g/ml

1 – 0.956 x 10-3(20-24.8)

24.8° C = 0.800 g/ml

El componente más volátil es el n-propanol por tener menor temperatura de ebullición.

Ejemplo de cálculo del peso y numero de moles de “A” y ”B” en cada muestra de la tabla N° 2

Para la muestra 2, donde:

Volumen de agua = 2.9 ml

Volumen de 1-propanol = 0.1 ml

Para el agua:

m = x v

m Agua = 0.9971 g/ml x 2.9ml

m Agua = 2.8916g

n Agua=mAguaPM Agua

n Agua=2 .8916g

18gmol = 0.1606 mol

Para el 1-propanol

21



m =x V

m = 0.800 g/ml x 0.1ml

m = 0.8 g

n1−propanol=m1−propanol

PM1−propanol

n1−propanol=0.8 g

60gmol = 1.333 x 10-3 mol

Cálculo del % molar de n-propanol (más volátil) en cada muestra de la tabla Nº 2 (tabla N° 7 del informe)

nTotal=nAgua+n1−propanol

nTotal=0 .1606+1. 333×10−3

nTotal= 0.1619

El % molar de n-propanol (B) es:

%nn−propanol=1 .333×10−3

0 .1619x100 %=0.8233 %

Se calculo para los demás datos (ver resultados en tabla N° 8 del informe)

b) La curva : Índice de refracción Vs. % molar de A, se hizo con los datos de la tabla N º 8 ( ver grafica 1 en el apéndice)

21



c) De la gráfica 1 se halló el % molar de “A” de cada una de las muestras del destilado y residuo obteniéndose la tabla N º 9

Esto se hizo ubicando en el eje Y el índice de refracción y se busco su coordenada X % molar.

2) Determinación de las propiedades del azeótropo:

a) Se construyó el gráfico 2: “Composición en el vapor Vs. Composición en el líquido” (ver apéndice), en función del componente más volátil (n-propanol), con los datos de la tablas N º 9.

b) Se construyo también la gráfica N º 3: “Temp. Ebullición Vs.Composición del sistema “A – B” (Ver apéndice), se tomaron los datos de las tabla N º 9.

La curva de vapor está formada por las fracciones molares de “B” que se obtuvieron del destilado y los de la curva líquida formada por las fracciones molares de “B” obtenidas de los residuos.

c) De acuerdo a la gráfica N º 2

A la grafica se hace pasar la función identidad cortando a la grafica en:

X1−propanol=Y 1−propanol=0 . 28:

Composición del azeótropo = 28% molar

% de error de la composición es:

% error=( valor teorico−valor exp erimentalvalor teorico

)×100 %

% error=( 0 . 4320−0 .280 .4320

)×100 %

% error=35%

21



De acuerdo a la grafica N º3

Temperatura de ebullición del azeótropo = 82 º CComposición del azeótropo = 23% molar

% de error de la composición es:

% error=( 0 . 4320−0 .230 .4320

)×100 %

% error=47 %

% de error a la temperatura de ebullición es:

% error=(87 .65−8287 .65

)×100 %

% error=6 %

21



ANÁLISIS Y DISCUCIÓN DE RESULTADOS

El error de la composición de la 2da y 3ra grafica son 35 y 47 % esto se debe apreciablemente en algunos datos experimentales.

El sistema binario analizado agua – 1propanol presentó un mínimo en la curva temperatura vs. composición lo que indica que la temperatura de ebullición del azeótropo es 82° C, es menor que la de sus componentes ello indico que el sistema presento una desviación negativa a la ley de Raoult, y una desviación negativa significa que las moléculas de la mezcla requieren una menor energía para pasar a la fase gaseosa.

El 28 y 23% molar experimental indico que no se pudo destilar 1-propanol en mayor concentración, lo que muestra que este método no es útil para obtener dicha sustancia.

21



CONCLUSIONES

1) En el sistema 3 (agua – 1 –propanol), notamos que si agregáramos un tercer componente, el punto azeotrópico se desplazaría hacia el lado izquierdo o derecho de la gráfica.

2) En la gráfica del sistema 3 notamos que conforme vamos agregando tantas cantidades de mililitros de propanol la temperatura de ebullición disminuye, esto ocurre debido a que el propanol es un líquido volátil.

3) Si en la gráfica T vs X a presión constante, modificaríamos esta última expresión ya sea aumentando la presión o disminuyendo, análogamente el punto azeotrópico se desplazaría tanto a la derecha como en la izquierda.

4) Si uno de los componentes trabajados en la experiencia se descompondría con la temperatura, no se procedería a realizar el procedimiento de destilación fraccionada, por lo tanto se recurriría a otros medios.

21



RECOMENDACIONES

1) Conforme en el sistema 3, se va agregando propanol, estar muy alerta al mirar el termómetro, para poder hallar así con efectividad la temperatura de ebullición.

2) Al calentar el balón con el mechero se debe evitar que el fuego del mechero calienta directamente el bulbo del termómetro; para eso se debe calentar por los costados del balón para evitar una temperatura incorrecta.

3) Tener mucho cuidado al calentar la mezcla agua – propanol, ya que si se sobrecalentara, el destilado saldría violentamente tanto así que puede perjudicar la experiencia

4) La medición de los volúmenes debe ser lo más exacta posible, pues esto servirá para los cálculos posteriores.

21



BIBLIOGRAFÍA

Fisicoquímica Segunda Edición Gilbert W. Castellan.

Propiedades físicas y Termodinámicas del Ing. A. Yarango R.

“Fisicoquímica”, versión SI, 6ta ed., Pons G.

Fuente Web: http://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/

21



APÉNDICE

Cuestionario

1. Para las mezclas liquidas binarias ideales, explique la aplicación de las leyes de Dalton y Raoult.

La Ley de Dalton nos dice que la presión parcial de una mezcla gaseosa se expresa como el producto de la fracción molar por la presión total a la que se encuentra la mezcla gaseosa.Se expresa de la siguiente manera:

P i = Yi PT

Esta relación es muy usada en problemas donde se aplica la Ley de Raoult ya que en el equilibrio se igualan las presiones del vapor y del líquido

P i = Xi PT

Donde Pi es la presión de vapor del componente i de la mezcla.Esta ley se puede aplicar perfectamente a mezclas ideales de líquidos volátiles. En la mayoría de sistemas binarios liquido- vapor, la ley de Raoult es buena aproximación para un componente solo cuando su fracción molar se acerca a la unidad.

2. Explique la solubilidad de los gases en los líquidos. En qué caso se aplica la Ley de Henry y la Ley de Dalton.

La Ley de Henry relaciona la presión parcial del soluto en la fase vapor con la fracción mol del soluto en la solución. Enfocando la relación desde otro punto de vista, la Ley de Henry relaciona la fracción mol de equilibrio, la solubilidad de j en la solución, con la presión parcial de j en el vapor:

Xj= 1Kjpj

21



Esta ecuación representa la solubilidad Xj de un constituyente volátil e s proporcional a la presión parcial del mismo en la fase gaseosa en equilibrio con el líquido. Se emplea para correlacionar los datos de la solubilidad de gases en los líquidos. Si el disolvente y el gas no reaccionan químicamente, la solubilidad de gases en líquidos suele ser pequeña y se cumple la condición de dilución.

3. ¿En qué casos se aplica la destilación fraccionada a presión constante?

La destilación fraccionada a presión constante se aplica cuando hay componentes líquidos que poseen diferentes puntos de ebullición. Además, estos componentes no deben reaccionar entre sí a una temperatura cercana a la temperatura de ebullición de la mezcla durante el desarrollo del proceso.

labo9

Documents

Transcript of labo9