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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

(Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA)

FACULTAD DE QUÍMICA E INGENIERÍA QUÍMICAEscuela Académica De Ingeniería Química

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE FISICOQUÍMICA

Laboratorio de Fisicoquímica IIEQUILIBRIO LÍQUIDO- VAPOR

Profesor:Figueroa Tauquino, Aníbal

Integrantes:

Fecha de la práctica:Miércoles 13 de abril del 2016

Fecha de la entrega: Miércoles 20 de abril del 2016

Grupo y Turno:“A”; Miércoles de 8 -11am

Ciudad Universitaria, 20 de abril del 2016

ÍNTRODUCCIÓN

Estudiante Código E.A.PGarcía Nunez, Axel

Antonio 14070036 Ing. Química

Mallma Herhuay, Gerardo 14070142 Ing. QuímicaMatias Brañez, Joselyn

Belen 14070172 Ing. Química

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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.

RESUMENLa presente Practica N9 consistió acerca del estudio del Equilibrio Liquido-vapor, la cual tuvo como objetivos las determinaciones de las temperaturas y composiciones de la mezcla isotrópica según como se informa en el

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Sistema 3: AGUA(A) – 1-PROPANOL (B) Tabla N°1 durante las ebulliciones, como también la determinación del índice de refracción de cada destilado y residuo que dejo la operación anterior. En la práctica de Equilibrio Líquido Vapor, se determinará el diagrama temperatura composición y el diagrama x-y, para una mezcla líquida de dos componentesLas condiciones de laboratorio en que se trabajó fueron: presión ambiental 760 mmHg, temperatura ambiente 25° C y humedad relativa 98%.Para realizar la experiencia nos hemos apoyado en los principios teóricos soluciones reales en una mezcla Azeotrópica.Los resultados obtenidos en la experiencia fueron Xazeot.1-Propanol=0.80 y Xazeot. Agua = 0.19 con una temperatura de  86°C en el punto azeotrópico, originándonos un Error= 1.93% .

Se llegó 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 ya que el vapor que se forma presenta composición igual que el líquido de que proviene; es decir la composición del destilado es igual a la del residuo. Para el mejoramiento de los resultados es preferible tapar inmediatamente la solución que se encuentra en el balón, al momento de sacar residuo o agregar el incremento, debido a que son sustancias volátiles.

PRINCIPIOS TEÓRICOSLEY DE RAOULT

La Ley de Raoult 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 y de la fracción molar de cada componente en la solución, es decir:

PA=PA0 ×X A y tambiénPB=PB

0× X B

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Donde: Pi0 :es la presión devapor del componente puro .

Si se introduce una mezcla de A y B en un recipiente en el que se ha hecho el vacío y en el que se mantiene una temperatura constante, se vaporizarán A y B hasta alcanzar un estado de equilibrio en el que la presión reinante será la presión total de vapor de la mezcla, P, que de acuerdo con la ley de Raoult, tendrá el valor:

P=PA+PB=PA0 ×X A+PB

0× XB

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 adición de sus volúmenes.

Mezcla 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. Dicho de otra manera, es una mezcla de dos componentes que hierven como si fuese una sustancia pura, con un punto de ebullición constante y originando un vapor de igual composición que la mezcla líquida de partida. Es evidente, que para estas mezclas no puede conseguirse ninguna separación mediante el empleo de la destilación.

DESVIACIÓN POSITIVA DESVIACIÓN NEGATIVA

Destilación

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La destilación es una operación utilizada con frecuencia para la purificación y aislamiento de líquidos orgánicos. La destilación aprovecha las volatilidades y puntos de ebullición de los componentes líquidos a separar.La destilación depende de parámetros como: El equilibrio liquido vapor, temperatura, presión, composición, energía. El equilibrio entre el vapor y el líquido de un compuesto está representado por la relación de moles de vapor y líquido a una temperatura determinada, también puede estudiarse este equilibrio a partir de sus presiones de vapor.Presión de vapor

La presión de vapor es la presión de la fase gaseosa o vapor de un sólido o un líquido sobre la fase líquida, para una temperatura determinada, en la que la fase líquida y el vapor se encuentra en equilibrio dinámico; su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

MATERIALES Y REACTIVOS:

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

Reactivos:1-propanol (A), agua destilada (B) y acetona comercial.

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PROCEDIMIENTO

Determinación de los puntos de ebullición del sistemaInstalamos el equipo para determinación de puntos de ebullición (balón de 125ml, refrigerante de reflujo y un separador para retirar el destilado). Ver figura 1.Adicionamos 20ml de 1-propanol (B) en el balón, luego 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 y tomamos lectura de la temperatura; inmediatamente extrajimos 1ml del destilado; dejamos enfriar con un baño de agua fría y luego retiramos aproximadamente 1ml del componente A del balón (este líquido es el residuo). Así mismo añadimos 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 ebullición, 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 ebullición, retiramos 1ml de

destilado, enfriamos y extrajimos 1ml de residuo. La diferencia estuvo en que para cada incremento de 1-propanol según la tabla 2.1, se realizó siempre con 20 ml de agua (B) y su respectivo incremento; lavando todo el equipo para cada incremento.

Determinación de la composición de las mezclasSe preparó 3ml de mezclas en tubos con tapón de corcho según la tabla 2.3 y tomando lectura de temperatura de agua y 1-propanol puros; y a continuación medimos el índice de refracción de cada mezcla.Finalmente medimos índices de refracción para los destilados y residuos obtenidos anteriormente.

TABULACIÓN DE DATOS Y RESULTADOS

TABLA N° 1: CONDICIONES DE LABORATORIO

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TEMPERATURA(°C) PRESIÓN(mmHg) HUMEDAD RELATIVA (%)25 760 98

TABLA N°2: DATOS EXPERIMENTALES TABLA N°2.1: Índice de refracción del destilado y residuo del

incremento de agua (A) al 1-propanol (B) y temperatura de ebullición.

NÚMERO DE INCREMENTO

VOLUMEN DEL INCREMENTO

DE A PARA AÑADIR A 20

mL DE B

TEMPERATURA(°C) INDICE DE REFRACCIÓN

      DESTILADO

RESIDUO

1 0.0 95 1.3831 1.38392 0.4  92 1.3819 1.38063 0.4  90.3 1.3816 1.38194 0.4  89 1.3810 1.37855 0.5  88.3 1.3802 1.37946 0.5 87  1.3780 1.38007 0.5  86 1.3778 1.37858 0.5 84 1.3770 1.3767

TABLA N°2.2: Índice de refracción del destilado y residuo del incremento de 1-propanol (B) al agua (A) y temperatura de ebullición.

NÚMERO DE INCREMENTO

VOLUMEN DEL INCREMENTO

DE B PARA AÑADIR A 20

mL DE A

TEMPERATURA(°C)

INDICE DE REFRACCIÓN

      DESTILADO

RESIDUO

1 0.0 982 1.0 94.5 1.3558  1.35643 3.0 92.5 1.3704 1.34284 5.0  90 1.3225 1.35435 8.0  89 1.3759 1.36366 9.0  88 1.3717 1.37077 10.0  86 1.3751 1.3744

TABLA N°2.3: Volumen de 1-propanol (B) y agua(A), índice de refracción para la curva patrón.

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NÚMERO DE MUESTRA VOLUMEN DE A (mL)

VOLUMEN DE B (mL)

INDICE DE REFRACCIÓN

1 3.0 0.0 1.33232 2.9 0.1 1.33583 2.8 0.2 1.34434 2.5 0.5 1.34935 2.1 0.9 1.36526 1.7 1.3 1.37267 1.4 1.6 1.37828 1.0 2.0 1.37369 0.5 2.5 1.3835

10 0.0 3.0 1.3837

TABLA N°3: DATOS TEORICOS TABLA N° 3.1: Temperatura de ebullición.

SUSTANCIA TEMPERATURA DE EBULLICION (°C)

1-Propanol 97.2agua 100

TABLA N° 3.2: Densidad del agua y el 1-propanol a 25°C

SUSTANCIA DENSIDAD (g/mL)1-Propanol 0.792

agua 0.997

TABLA N° 3.3: Índices de refracción y volúmenes de propanol y agua a 25°C.

1-Propanol(A) Agua(B) n

Vol. A Vol. B  3.0 0.0 1.3862.9 0.1 1.38552.8 0.2 1.38452.5 0.5 1.3810

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2.1 0.9 1.37751.7 1.3 1.37051.4 1.6 1.36501.0 2.0 1.35800.1 2.5 1.34800.0 3.0 1.3330

TABLA N° 3.4: Composición de la mezcla azeotrópica y el punto de ebullición de la mezcla azeotrópica.

P. Eb 760 mm %PesoALCOHOL PROPANOL

Otro Componente

Azeotropo Agua Azeotropo

97.2 87.7 28.3 71.7

Fuente tabla 3: C.R.C. handbook of chemistry and physics, Lange, manual de química tomo IV, décima tercera edición.

TABLA N°4: RESULTADOS. TABLA N° 4.1: Temperatura de la mezcla azeotrópico y las

composiciones de agua y 1-Propanol.

Temperatura Azeotrópica 86°CX Azeotrop .1− propanol 0.80X Azeotrop .1−agua 0.19

Y Azeotrop .1− propanol 0.79Y Azeotrop .1−agua 0.21

TABLA N° 4.2: Comparación los valores teóricos con los experimentales de la temperatura azeotrópica.

Valor teórico Valor experimental

% Error

87.7 86 1.93 %

TABLA N°5: TABLA PARA GRAFICOS. TABLA N° 5.1: Índice de refracción y fracción molar de 1-

Propanol, obtenidos de las tablas teóricos.INDICE DE

REFRACCIONFRACCION MOLAR

(B)INDICE DE

REFRACION FRACCION MOLAR

(B)DESTILA

DORESIDU

O VAPOR LIQUIDODESTILA

DORESIDU

O VAPOR LIQUIDO1.3330 1.3330 0.00 0.00 1.3831 1.3839 0.72 0.641.3558 1.3564 0.09 0.10 1.3819 1.3806 0.48 0.58

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1.3704 1.3428 0.24 0.03 1.3810 1.3794 0.42 0.541.3728 1.3543 0.28 0.08 1.3802 1.3785 0.40 0.451.3759 1.3636 0.33 0.18 1.3780 1.3800 0.45 0.371.3767 1.3707 0.34 0.22 1.3778 1.3785 0.40 0.361.3751 1.3744 0.31 0.31 1.3770 1.3767 0.34 0.35

TABLA N° 5.2: Y Dvs X R

TABLA N° 5.3: Índice de Refracción vs %molar del 1- propanol

EJEY EJE X

Índicede Refracción Composició nmolar del1−propanol

1.3323 100%1.3358 87.35%1.3443 76.92%1.3493 54.35%1.3652 35.71%1.3726 23.74%1.3782 17.24%1.3736 10.64%1.3835 4.56%1.3837 0.00%

X R Y D

0.00 0.000.10 0.090.03 0.240.08 0.280.18 0.330.22 0.340.31 0.310.64 0.720.58 0.480.54 0.420.45 0.400.37 0.450.36 0.400.35 0.34

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CÁLCULOS .Determinación de la Composición del Destilado y Residuo

Calcula el %molar del componente más volátil en cada una de las mezclas de la Tabla 2.2:

El componente más volátil es el 1-propanol.Componente A: aguaComponente B: 1-propanol

%X B=nB

nT×100% Donde: X B: fracciónmolar de B

nB: númerodemoles de B

nB: númerodemoles totales

Además:

nB=ρBV B

PM (B)y nA=

ρAV A

PM (A)

Donde: ρB: densidad de B V B : volumende BPM ( A ) : pesomolecular de A

ρA :densidad de A V A : volumende APM (B ) : pesomolecular de B

En la muestra 2: 2.9ml de 1-propanol y 0.1ml de agua

nA=ρAV A

PM (A)=0..997×0.1

18.015=0.055

nB=ρBV B

PM (B)=0.792×2.9

60.095=0.03821

%X B=nB

nT×100%= 0.03821

0.055+0.03821×100%=87.35%

Conclusiones y recomendaciones

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CONCLUSIONES:

Es posible analizar el equilibrio liquido-vapor para un sistema binario porque de acuerdo a la regla de Gibbs, solo se necesitan especificar dos variables para definir el sistema (Temperatura y composición de un componente).

El sistema agua –1-propanol no se comporta idealmente debido a que describe desviaciones positivas de la ley de Raoult y, a su pequeña diferencia de puntos de ebullición. Por 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 gráfica x-y para el 1-propanol podemos indicar que al ser el componente más volátil de la mezcla, esto es que tiende a evaporarse con más facilidad, se encontrará mayor concentración del mismo en la fase vapor que en la fase líquido.

RECOMENDACIONES:

Evitar sobrecalentamiento para que la mezcla no se rebalse.

Esperar que la temperatura de ebullición de la mezcla se mantenga constante para determinar su punto de ebullición.

Calibrar adecuadamente el refractómetro para tener una buena visibilidad de la línea de referencia.

Tapar bien las muestras de residuo y destilado pues pueden volatilizarse y variar su composición inicial.

Apéndice10.1 – GRÁFICOS (PAPEL MILIMETRADO)10.2– CUESTIONARIO

10.2.1.- Para las mezclas líquidas binarias ideales, explique la aplicación de las leyes de Dalton y Raoult.

Aplicación de la LEY DE RAOULT y la LEY DE Dalton

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La teoría de la destilación es una de las aplicaciones de la ley de Raoult y la ley de Dalton.Se emplea con el objetivo de separar los componentes puros. Si estos poseen temperatura de ebullición muy diferentes se separan por destilación simple y si poseen temperatura de ebullición muy próximos por destilación fraccionada.

10.2.2.- Explique la solubilidad de los gases en los líquidos. En que casos se aplica la ley de Henry y la ley de Dalton.

El efecto de la presión sobre la solubilidad de un gas dado en un líquido particular a temperatura constante, se puede obtener fácilmente examinando el proceso inverso, es decir, considerando el gas como un soluto que se vaporiza para establecer una presión de vapor sobre la solución. Para el último caso se aplica la ecuación: F2(g) /A2=K

Donde F2(g)es la fugacidad del gas sobre la solución y A2 es la actividad del gas en la solución. Si la fase gaseosa y la solución se comporte idealmente, entonces:F2(g)=P2 , A2 = X2 P2/X2=K ; X2=K /P2

Estas nuevas ecuaciones se conocen como la ley de Henry y establece que a temperatura constante la solubilidad de un gas en un líquido es directamente proporcional a la presión del gas sobre el líquido.La estricta aplicabilidad de la ley de Henry se limita a presiones bajas. A presiones elevadas la ley es menos exacta, y las constantes de proporcionalidad tienen una variación considerable. Por lo general cuanto más alta sea la temperatura y más baja sea la presión, más exactamente se cumplirá la ley. Además, esta ley, en la forma dada antes, no se aplica cuando el gas disuelto reacciona con el disolvente o cuando se ioniza el gas disuelto. Cuando la ionización en la solución es completa, la ley no se cumple en absoluto.Las desviaciones en los casos de reacción química y disociación se pueden comprender y corregir fácilmente al advertir que la ley de Henry es válida solo cuando se aplica a la concentración en la solución de la especie molecular tal como existe en la Fase gaseosa y no para la concentración total de la solución.

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Cuando varios gases se disuelven simultáneamente en un solvente, según Dalton la solubilidad de cada gas en una mezcla de gases es directamente proporcional a la presión parcial del gas en la mezcla. Siempre que en la ley de Henry se cumpla que X2 es la concentración y P es la presión parcial de cada gas.

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

Destilación fraccionada

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. Si 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.A excepción de las mezclas azeotrópicas, todas las mezclas liquidas tienen puntos de ebullición que se encuentran dentro de aquellas de sus componentes puros. Variando la composición de la mezcla varia de manera regular, desde el punto de ebullición de uno de sus componentes hasta del otro.

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10.3.-HOJA DE DATOS10.4.- OTROS

GRÁFICO10.4.1.- (TABLA N° 5.3) Índice de Refracción vs %molar del 1- propanol CURVA PATRÓN

Bibliografíao Atkins., ‘Fisicoquímica’, 3° edición, Addision-Wesley Iberoamérica,

1986, página 207-232.

o David R. Lide, ¨Handbook of Chemistry and Physics¨, 84TH EDITION, ED CRC PRESS 2003-2004, sección 7.

o CASTELLAN G., “Fisicoquímica”, 2da edición, Ed. Addison Wesley Iberoamericana, México, 1987., paginas 239-248.

o LANGE, MANUAL DE QUIMICA, 13° Edición, John A.dear, Tomo IV.

o Perry, “Handbook of chemistry”, Ed. Mc Graw Hill, Capitulo 2.

o Samuel H. Maron. Fundamentos de Fisicoquímica¨, Ed. Limusa, Noriega Editores, 1996.

0 20 40 60 80 100 1201.3

1.31

1.32

1.33

1.34

1.35

1.36

1.37

1.38

1.39

Índice de Refracción vs %molar del 1- propanol