UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

Tabla de contenidoRESUMEN2INTRODUCCIN3PRINCIPIOS TERICOS4DETALLES EXPERIMENTALES7TABLA DE DATOS9EJEMPLO DE CLCULOS12ANLISIS Y DISCUSIN DE LOS RESULTADOS15CONCLUSIONES16RECOMENDACIONES17BIBLIOGRAFA18APNDICE19

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RESUMEN

El objetivo de esta experiencia es determinar el diagrama temperatura-composicin y el diagrama X-Y, para una mezcla de dos componentes.

Las condiciones de laboratorio en que se trabaj fueron: presin ambiental 756 mmHg, temperatura ambiente 23 C y humedad relativa 96%.

Un azetropo (o mezcla azeotrpica) es una mezcla lquida de dos o ms componentes que posee un nico punto de ebullicin 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.

Para esta prctica primero se determin los puntos de ebullicin del sistema, luego se determin las composiciones de las mezclas midiendo los ndices de refraccin.

En las condiciones mencionadas los resultados experimentales fueron: Temperatura de ebullicin del azetropo 86.3C con un porcentaje de error frente al terico de 2.04%.

En conclusin, el punto azeotrpico es la mxima cantidad o composicin del componente ms voltil que puede presentarse al destilar la muestra; siendo en este punto la misma composicin del 1-propanol tanto en el destilado como en el residuo.

Es recomendable que para presentar un margen de error mnimo se deben medir las temperaturas con exactitud y los ndices de refraccin deben tomarse con un buen manejo del refractmetro.

INTRODUCCIN

El requerimiento bsico para separar los componentes de una mezcla lquida por destilacin es que la composicin del vapor sea diferente de la composicin del lquido del cual se forma, esto es lo que sucede en las mezclas azeotrpicas. Las cuales se definen como mezclas de dos componentes las cuales hierven a temperaturas ms altas o ms bajas que sus respectivos puntos de ebullicin.

Toda mezcla azeotrpica posee un punto mximo o mnimo en el cual el vapor que se forma tiene la misma composicin que la del lquido del cual procede. En esta situacin los componentes no pueden ser separados por destilacin fraccionada. Al llegar al punto de ebullicin, sea mximo o mnimo la temperatura de la mezcla permanece constante hasta que el lquido se agote.

La composicin de la mezcla azeotrpica es constante a una presin dada, pues cuando la presin vara tambin cambia la temperatura y la composicin de la mezcla. En consecuencia las mezclas azeotrpicas no son compuestos definidos sino que se deben a las interacciones de las fuerzas intermoleculares de la solucin.

Los conceptos y propiedades, entendidas como ventajas, de la destilacin fraccionada y mezcla azeotrpica son empleados en la industria del petrleo y del etanol en las que son muy comunes el empleo de la columnas de Fraccionamiento. Tambin es empleado el criterio de mezcla azeotrpica en la sntesis de esteres en qumica orgnica, donde se forma un azetropo de tres componentes, permitiendo as la obtencin del ster por destilacin.

PRINCIPIOS TERICOS

LEY DE RAOULT:La Ley de Raoult establece que la relacin entre la presin de vapor de cada componente en una solucin ideal es dependiente de la presin de vapor de cada componente individual y de la fraccin molar de cada componente en la solucin, es decir:

Dnde: Si se introduce una mezcla de A y B en un recipiente en el que se ha hecho el vaco y en el que se mantiene una temperatura constante, se vaporizarn A y B hasta alcanzar un estado de equilibrio en el que la presin reinante ser la presin total de vapor de la mezcla, P, que de acuerdo con la ley de Raoult, tendr el valor:

SOLUCIONES REALES:

Son aquellas soluciones que no se ajustan a la Ley de Raoult, y que presentan desviacin positiva o negativa de la ley, debido a las fuerzas de interaccin intermolecular de atraccin o repulsin entre los componentes y como consecuencia de ello no cumplen con la propiedad de aditividad de sus volmenes.

Desviacin positivaDesviacin negativa

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 caractersticas: similitud en las fuerzas de interaccin intermolecular, aditividad de los volmenes, etc.La ley de Raoult expresa que la presin de vapor de un componente a una determinada temperatura T, es proporcional a su fraccin molar en el lquido (xi).

Pi = xi Pi (1)

Donde Pi es la presin de vapor del componente puro.Se puede aplicar perfectamente a mezclas ideales de lquidos voltiles, de talkm manera que las presiones parciales de los componentes en una mezcla binaria son:

Pa = xa Pa Pb = xb Pb (2)

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

MEZCLA AZEOTRPICA:Son aquellas soluciones reales, cuya caracterstica es que hierven a una temperatura ms alta o ms baja respecto a la temperatura de ebullicin 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 ebullicin constante y originando un vapor de igual composicin que la mezcla lquida de partida. Es evidente, que para estas mezclas no puede conseguirse ninguna separacin mediante el empleo de la destilacin.

DETALLES EXPERIMENTALES

1. MATERIALES Y REACTIVOS:

Materiales:Equipo especial para puntos de ebullicin, termmetro de dcimas, mechero de alcohol, refractmetro, tubos con tapones de corcho y pipetas.Reactivos:1-propanol (A), agua destilada (B) y acetona comercial.

1. PROCEDIMIENTO

Determinacin de los puntos de ebullicin del sistemaInstalamos el equipo para determinacin de puntos de ebullicin (baln de 125ml, refrigerante de reflujo y un separador para retirar el destilado). Ver figura 1.Adicionamos 20ml de 1-propanol (B) en el baln, luego introducimos el termmetro de modo que el bulbo quede aproximadamente en la mitad del lquido contenido en el baln, calentamos hasta alcanzar el punto de ebullicin y tomamos lectura de la temperatura; inmediatamente extrajimos 1ml del destilado; dejamos enfriar con un bao de agua fra y luego retiramos aproximadamente 1ml del componente A del baln (este lquido es el residuo). As mismo aadimos cada incremento de agua (A) de acuerdo a la tabla 2.2: repetimos todo el procedimiento, es decir para cada incremento: calentamos, tomamos lectura del punto de ebullicin, retiramos 1ml de destilado, enfriamos y extrajimos 1ml de residuo. Por otro lado realizamos un procedimiento parecido; esta vez con 20ml de agua (B): calentamos, determinamos punto de ebullicin, retiramos 1ml de destilado, enfriamos y extrajimos 1ml de residuo. La diferencia estuvo en que para cada incremento de 1-propanol segn la tabla 2.1, se realiz siempre con 20 ml de agua (B) y su respectivo incremento; lavando todo el equipo para cada incremento.

Determinacin de la composicin de las mezclasSe prepar 3ml de mezclas en tubos con tapn de corcho segn la tabla 2.3 y tomando lectura de temperatura de agua y 1-propanol puros; y a continuacin medimos el ndice de refraccin de cada mezcla.Finalmente medimos ndices de refraccin para los destilados y residuos obtenidos anteriormente.

TABLA DE DATOS

Tabla N 1 Condiciones experimentales de laboratorio:Presin(mmHg)Temperatura (C)% HumedadRelativa

7562396

Tabla N 2 Datos experimentales de ndices de refraccin y temperatura de ebullicin de solucin de 1-propanol (B) en H2O (A) de varias composiciones:

MuestraTemperatura de Ebullicin (C)ndice de Refraccin

DestiladoResiduo

H2O (Puro)99.51.3328

Incremento 196.51.35131.3348

Incremento 288.51.37291.3477

Incremento 387.51.37451.3535

Incremento 486.01.36971.3637

Incremento 590.51.37081.3695

Incremento 691.01.37471.3734

Tabla N 2 Datos experimentales de ndices de refraccin y temperatura de ebullicin de solucin de H2O (A) en 1-propanol (B) de varias composiciones:MuestraTemperatura de Ebullicin (C)ndice de Refraccin

DestiladoResiduo

1-Propanol (Puro)96.61.3830

Incremento 192.41.38241.3827

Incremento 290.71.38181.3825

Incremento 390.51.38041.3822

Incremento 487.81.37831.3810

Incremento 587.21.37731.3792

Incremento 686.41.37601.3747

Tabla N 4 Datos experimentales de ndices de refraccin de mezclas de 1 - propanol y H2O de varias composiciones.

N de muestraVolumen de 1 - propanol(mL)Volumen de agua (mL)

13.00.01.3860

22.90.11.3855

32.80.21.3845

42.50.51.3810

52.10.91.3775

61.71.31.3705

71.41.61.3650

81.02.01.3580

90.52.51.3480

100.03.01.3330

Tabla N5 % molar del 1-propanol e ndice de refraccin de la mezcla:

N de muestra% molar del 1 - propanol

1100.001.3860

287.481.3855

371.131.3845

454.641.3810

535.991.3775

623.961.3705

717.411.3650

810.751.3580

94.601.3480

100.001.3330

Tabla N 6 y % molar del 1-propanol en el destilado y residuo de la solucin 1-propanol (B) en H2O (A):

Numero de muestraTemperatura(C)DestiladoResiduo

%molar 1-propanol%molar 1-propanol

196.51.35136.01.33480.8

288.51.372927.01.34775.0

387.51.374528.81.35357.5

486.01.369723.01.363716.5

590.51.370824.81.369523.0

691.01.374730.01.373427.0

Tabla N 7 y % molar del 1-propanol en el destilado y residuo de la solucin H2O (A) en 1-propanol (B):

Numero de muestraTemperatura(C)DestiladoResiduo

%molar 1-propanol%molar 1-propanol

192.41.382460.01.382762.0

290.71.381858.51.382560.2

390.51.380448.81.382259.0

487.81.378337.61.381055.0

587.21.377334.01.379242.0

686.41.376032.01.374730.0

Tabla N 8 %Error con respecto a la Teb y %molar (1-propanol) de la mezcla azeotrpica:

88.1C86.3C2.04%

43.3%32%26.10%

EJEMPLO DE CLCULOS

1. Determinacin de la composicin del Destilado y Residuo:

Calculo del % molar del componente ms voltil en cada una de las mezclas de la tabla N4:Debido a que en la tabla N4 solo se cuenta con valores de volmenes, ser necesario conocer la densidad de los lquidos a la temperatura a la cual se trabaj (T=23C), estos datos se han obtenido del Handbook of Chemistry and Physics: Hallemos las densidades del agua y 1-propanol a 23 C:

Densidad del 1-propanol a 23 C:

,

Adems se sabe que P.M (H2O) = y P.M (1-propanol)= Muestra 2:Datos

Hallemos el porcentaje molar del 1-propanol mediante la siguiente relacin:

Y as sucesivamente con los dems mezclas, vase la Tabla N5

Con los datos obtenidos construimos la curva de ndice de refraccin - % molar de 1-propanol, vase la grfica N1 en el apndice

Del grafico N1, determinemos el % molar del 1-propanol de cada una de las muestras de destilado y residuo:

Vase las tablas N 6 y N 7

2. Determinacin de las Propiedades del Azetropo:

Construir el diagrama x-y para el sistema (composicin en el vapor vs composicin en el lquido) de 1-propanol, vase en el apndice

Construir el diagrama T-Composicin del sistema A-B (T vs X e Y), vase en el apndice

Basndose en los diagramas anteriores determine la composicin y temperatura de ebullicin de la mezcla azeotrpica, compare con los tericos:

Comparemos con los valores tericos ( , )

Hallemos el porcentaje de error con respecto a la fraccin molar del 1- propanol en el punto azeotrpica

Hallemos el porcentaje de error con respecto a la temperatura de ebullicin de la mezcla azeotrpica

ANLISIS Y DISCUSIN DE LOS RESULTADOS

Los posibles errores en los clculos se deben a que para el sistema 1 propanol en agua, al medir las temperaturas de ebullicin y recoger los destilados hubo casos en donde estas muestras pasaron al tubo en donde iban a ser recogidas de manera inmediata. Adems al medir los ndices de refraccin la lnea con la cual se determina en la X, no presentaba un color uniforme (oscuro negro) sino mas bien un color medio rojizo los cuales se corrigen con el corrector de dispersin cercano al ocular. A partir de la Grfica X - Y (Composicin del vapor Vs Composicin del lquido) se obtuvo la composicin del 1 - propanol en la mezcla azeotrpica en cual resulto X=Y=32% comparndolo con el valor terico resulta un error de 26.10%. En cuanto a la determinacin del punto de ebullicin el resultado fue algo cercano al terico, (ver Grafica T X e Y) ya que el error, con respecto al punto de ebullicin terico, fue 2.04%, este resultado se debe a que contbamos con un termmetro que media decimas de grados centgrados, y podamos tomar las temperaturas de ebullicin con ms exactitud.

CONCLUSIONES

1. En el sistema 3 (agua 1propanol), notamos que si agregramos un tercer componente, el punto azeotrpico se desplazara hacia el lado izquierdo o derecho de la grfica.

1. En la grfica del sistema 3 notamos que conforme vamos agregando tantas cantidades de mililitros de propanol la temperatura de ebullicin disminuye, esto ocurre debido a que el propanol es un lquido voltil.

1. Si en la grfica T vs X a presin constante, modificaramos esta ltima expresin ya sea aumentando la presin o disminuyendo, anlogamente el punto azeotrpico se desplazara tanto a la derecha como en la izquierda.

1. Si uno de los componentes trabajados en la experiencia se descompondra con la temperatura, no se procedera a realizar el procedimiento de destilacin fraccionada, por lo tanto se recurrira a otros medios.

RECOMENDACIONES

1. Conforme en el sistema 3, se va agregando propanol, estar muy alerta al mirar el termmetro, para poder hallar as con efectividad la temperatura de ebullicin.

1. Al calentar el baln con el mechero se debe evitar que el fuego del mechero calienta directamente el bulbo del termmetro; para eso se debe calentar por los costados del baln para evitar una temperatura incorrecta.

1. Tener mucho cuidado al calentar la mezcla agua propanol, ya que si se sobrecalentara, el destilado saldra violentamente tanto as que puede perjudicar la experiencia

1. La medicin de los volmenes debe ser lo ms exacta posible, pues esto servir para los clculos posteriores.

BIBLIOGRAFA

Gaston Pons Muzzo Primer Curso de Fisicoqumica, impreso en Talleres Tipogrficos de la UNMSM, Primera edicin, Lima, 1956, Pginas: 195, 202-206.

Gilbert W. Castellan Fsicoquimica, Addison Wesley Iberoamerica, Segunda Edicin, 1987, Pginas: 316, 317, 322, 323, 333, 334.

Atkins, P., "Fisicoqumica", 2da ed., Ed. Addison Wesley, pgs. 194, 201-202, 210-212

Fundamentos Tericos - Prcticos Para El Laboratorio, Lydia Galagobsky Kurman Ed. Eudea Pginas. 90-91

APNDICE

Cuestionario

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

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

Pi = Yi PT

Esta relacin 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 lquido

Pi = Xi PT

Donde Pi es la presin de vapor del componente i de la mezcla.Esta ley se puede aplicar perfectamente a mezclas ideales de lquidos voltiles. En la mayora de sistemas binarios liquido - vapor, la ley de Raoult es buena aproximacin para un componente solo cuando su fraccin molar se acerca a la unidad.

1. Explique la solubilidad de los gases en los lquidos. En qu caso se aplica la Ley de Henry y la Ley de Dalton.

La Ley de Henry relaciona la presin parcial del soluto en la fase vapor con la fraccin mol del soluto en la solucin. Enfocando la relacin desde otro punto de vista, la Ley de Henry relaciona la fraccin mol de equilibrio, la solubilidad de j en la solucin, con la presin parcial de j en el vapor:

Esta ecuacin representa la solubilidad Xj de un constituyente voltil es proporcional a la presin parcial del mismo en la fase gaseosa en equilibrio con el lquido. Se emplea para correlacionar los datos de la solubilidad de gases en los lquidos. Si el disolvente y el gas no reaccionan qumicamente, la solubilidad de gases en lquidos suele ser pequea y se cumple la condicin de dilucin.

1. En qu casos se aplica la destilacin fraccionada a presin constante?La destilacin fraccionada a presin constante se aplica cuando hay componentes lquidos que poseen diferentes puntos de ebullicin. Adems, estos componentes no deben reaccionar entre s a una temperatura cercana a la temperatura de ebullicin de la mezcla durante el desarrollo del proceso