EQUILIBRIO LÍQUIDO VAPOR

LABORATORIO DE FISICOQUMICA

EQUILIBRIO LIQUIDO VAPOR EN

SISTEMAS LQUIDOS BINARIOS

Universidad del Atlntico

Vl SEM

Lic. Biologa y Qumica

Facultad de Ciencias de la Educacin

INTRODUCCIN

franois marie raoult (1830-1901) y se llama ley de raoult. Slo se aplica a mezclas de

lquidos muy similares en su estructura qumica, como el benceno y el tolueno. en la mayora

de los casos se producen amplias desviaciones de esta ley. Si un componente slo es

ligeramente soluble en el otro, su volatilidad aumenta anormalmente. En el ejemplo anterior, la

volatilidad del alcohol en disolucin acuosa diluida es varias veces mayor que la predicha por

la ley de raoult. En disoluciones de alcohol muy concentradas, la desviacin es an mayor: la

destilacin de alcohol de 99% produce un vapor de menos de 99% de alcohol. Por esta razn

el alcohol no puede ser concentrado por destilacin ms de un 97%, aunque se realice un

nmero infinito de destilaciones.

OBJETIVOS

estudiar el equilibrio lquido-vapor de un sistema de dos lquidos totalmente miscibles.

construir la curva de temperatura de ebullicin-composicin y verificar que el sistema

no cumple con la ley de Raoult.

determinar el equilibrio entre el lquido vapor en sistemas lquidos binarios.

describir el comportamiento del equilibrio de los sistemas lquidos binarios por medio

del diagrama de equilibrio.

MARCO TERICO

Cuando dos lquidos se ponen en contacto mutuo, tres tipos de sistemas binarios pueden ser

observados

Experimentalmente segn el grado de miscibilidad de los lquidos considerados:

a) ambos lquidos son inmiscibles (Ej.: CS2 y H2O)

b) ambos lquidos son parcialmente miscibles (Ej.: fenol y agua)

c) ambos lquidos son miscibles en todas proporciones (Ej.: agua y etanol)

Este trabajo prctico trata del caso (c).

En el estudio de sistemas de lquidos miscibles, la ley de Raoult, la cual ha sido deducida a

partir del

Comportamiento de las soluciones a bajas concentraciones, sirve de base para comprender el

Comportamiento que presentan estas mezclas. Esta ley establece que la presin de vapor de

cada uno de los componentes de la mezcla binaria puede ser expresada como:

* pA = xA pA y *

B B B p = x p

Donde *

A p y *

B p son las presiones de vapor de los componentes puros a la temperatura de trabajo; A x

y B x son las fracciones molares de los componentes A y B en el lquido. (Emplearemos A y e

B y para referirnos a las fracciones molares en la fase gaseosa).

Se define como solucin ideal a aquella que se comporta segn la ley de Raoult para cada

uno de los componentes, en todo el rango de concentracin. Los sistemas reales pueden

presentar mayor o menor alejamiento del comportamiento ideal, segn el grado de

interacciones intermoleculares que existe en la fase lquida.

La Regla de las Fases

La regla de las fases establece que V + F = C + 2, donde V: varianza o grados de libertad: es

el nmero mnimo de variables intensivas independientes necesario para especificar el estado

intensivo de un sistema en:

Equilibrio; F: fase: es toda porcin homognea de un sistema en equilibrio que presenta

lmites fsicos Definidos; y C: nmero de componentes: es el menor nmero de especies

qumicamente independientes necesario para describir la composicin de cada fase de un

sistema en equilibrio. Como el nmero mnimo de grados de libertad es cero, el nmero

mximo de fases.

Fmx= C + 2. Si el

Sistema es de dos componentes independientes resulta Fmx = 4. Por otra parte Fmn= 1,

con lo que resulta Vmx = 3.

La representacin de su comportamiento debe hacerse entonces en un sistema de tres ejes

Coordenados que pueden corresponder respectivamente a presin, temperatura y

composicin.

Si una de las variables anteriores se mantiene constante, se simplifica la representacin que

puede hacerse entonces en el plano. Por ejemplo T = f(c) a presin constante o p = f(c) a

temperatura constante o p = f(T) a concentracin constante.

En el estudio de mezclas de dos lquidos miscibles se considera el equilibrio entre una fase

lquida y su vapor, representando a T constante la variacin de la presin total del vapor con

la composicin del sistema o a presin constante, la variacin de la temperatura de ebullicin

del lquido con la composicin del sistema. En las Figuras 1 y 2 se muestran los dos tipos de

diagramas. Estos diagramas corresponden a los casos ms sencillos, es decir sistemas que

cumplen con la ley de Raoult. En la bibliografa se pueden consultar otros detalles de este tipo

de construccin para las llamadas desviaciones positivas y negativas de la idealidad.

El dispositivo experimental a emplear depende del tipo de diagrama a construir. En lo que

sigue discutiremos la construccin de los diagramas de T vs. Composicin a presin

constante.

PROCEDIMIENTO

Preparar las siguientes soluciones (el volumen total debe ser de 100ml)

Medir las densidades de los lquidos puros y de las soluciones. Con el picnmetro.

Determinar el punto de ebullicin de las soluciones, de acuerdo con el siguiente

procedimiento:

Armar el aparato de destilacin de acuerdo con las instrucciones del profesor. Introducir cierta

cantidad de la disolucin en el matraz de calentamiento, el bulbo del termmetro deber estar

sumergido en el lquido, tapar y asegurarse de que no existan fugas. Calentar el matraz

lentamente, al alcanzar la temperatura de ebullicin, se registra la temperatura cuando

condense la primera gota, En una probeta de 10 ml se reciben entre 10 a 15 gotas del

condensado, se registra la temperatura al caer la ltima.

Experimento

1 2 3 4 5 6

% de agua

destilada

0 20 40 60 80 100

% de etanol

100 80 60 40 20 0

Se repite la secuencia anterior para todas las soluciones, no es necesario lavar el material de

vidrio despus de la determinacin de la temperatura de ebullicin, se puede dejar que se

evapore el lquido adherido a la pared de matraz antes de agregar otra disolucin. Se

determina la densidad tanto del lquido del matraz como del lquido residual. Es necesario que

la temperatura de los lquidos sea la misma que la temperatura del punto 2, registrarlos.

RESULTADOS

Se prepararon las siguientes soluciones de etanol

20%, 40%, 60% y 80% luego se procedi a destilarlas montando el equipo de destilacin.

A continuacin se tomaron los siguientes datos.

ETANOL AL 20%

Peso del picnmetro vacio 12.33 gr

Peso del picnmetro con agua 22.06 gr

Peso del picnmetro con la solucin: 22.83 gr

Densidad del etanol al 20%

Volumen del agua

22.06 12.33

1 /

9.13

1 / = 9.13 ml

Donde

W=peso del picnmetro con la solucin

Wa= peso del picnmetro vacio

Wo=peso del picnmetro con agua

d=densidad del agua que a temperatura ambiente es 1 gr/ml

Densidad =

=

22.83 12.33

9.13 =

10.5

9.13 = 1.15 gr /ml

Densidad del destilado

Densidad =

=

21.83 12.33

9.13 =

9.5

9.13 = 1.04 gr /ml

Densidad del residuo

Densidad =

=

22.07 12.33

9.13 =

9.74

9.13 =1.06 gr /ml

Temperatura

de

ebullicin

Volumen

del

etanol

Densidad

del

etanol a

20%

Peso del

etanol

destilado

Peso

del

etanol

residuo

Densidad

del

etanol

destilado

Densidad

del

residuo

de etanol

80 0C 166 ml 1.15

gr/ml

21.83 gr 22.07

gr

1.04

gr /ml

1.06

gr /ml

ETANOL AL 40%




Volumen del agua

23.02 13.67

1 /

9.35

1 / = 9.35 ml

Densidad =

=

24.45 13.67

9.35 =

10.78

9.35 = 1.15 gr /ml


Densidad =

=

22.47 13.67

9.35 =

8.8

9.35 = 0.94 gr /ml


Densidad =

=

23.4713.67

9.35 =

9.8

9.35 = 1.04 gr /ml

Temperatura

de

ebullicin

Volumen

del

etanol

Densidad

del

etanol a

40%

Peso del

etanol

destilado

Peso

del

etanol

residuo

Densidad

del

etanol

destilado

Densidad

del residuo

de etanol

82 0C 166 ml 1.15 22.47 gr 23.47 0.94 1.04

gr/ml gr gr/ml gr/ml

ETANOL AL 60%




Volumen del agua

21.99 11.51

1 /

10.48

1 / = 10.48 ml

Densidad =

=

20.87 11.51

10.48 =

9.36

10.48 = 0.89 gr /ml


Densidad =

=

20.04 11.51

10.48 =

8.53

10.48 = 0.81 gr /ml


Densidad =

=

20.90 11.51

10.48 =

9.39

10.48 = 0.90 gr /ml

Temperatura

de

ebullicin

Volumen

del

etanol

Densidad

del

etanol a

60%

Peso del

etanol

destilado

Peso

del

etanol

residuo

Densidad

del

etanol

destilado

Densidad

del

residuo

de etanol

79 0C 166 ml 0.89 20.04 gr 20.90 0.81 0.90

gr/ml gr gr/ml gr/ml

ETANOL AL 80%




Volumen del agua

21.82 11.82

1 /

10

1 / = 10 ml

Densidad =

=

20.3211.82

10 =

1.85

10 = 0.185 gr /ml


Densidad =

=

20.51 11.82

10 =

8.89

10 = 0.869 gr /ml


Densidad =

=

20.94 11.82

10 =

9.12

10 = 0.912 gr/ml

Temperatura

de

ebullicin

Volumen

del

etanol

Densidad

del

etanol a

80%

Peso del

etanol

destilado

Peso

del

etanol

residuo

Densidad

del

etanol

destilado

Densidad

del residuo

de etanol

77 0C 166 ml 0.185

gr/ml

20.51 gr 20.94

gr

0.869

gr/ml

0.912

gr / ml

CLCULOS

1. Determinar la fraccin mol de cada componente de una mezcla. para esto se

determina la densidad y el volumen de los lquidos puros.

Para esto hay que determinar la fraccin molar del agua.

M= d*V M= 1 gr/ml * 10 ml M= 10 gr

N moles= 10 gr / 18 gr /mol = 0.55 mol

FRACCION MOL DE ETANOL DE 20%

M=d*V M= 1.15 gr /ml * 9.13 ml = 10.49 gr

n moles =10.49 gr/ 46 gr/ mol =0.22 mol

X soluto

+ =

.

. +. =0.28

X solvente

+ =

.

. +. =0.72

X soluto +x solvente = 1 0.28+ 0.72= 1


M=d*V M= 0.185 gr /ml * 9.35 ml = 1.73 gr


X soluto

+ =

.

. +. =0.05

X solvente

+ =

.

. +. =0.92

x soluto +x solvente = 1 0.05+ 0.92= 0.97~ 1


M=d*V M= 0.89 gr /ml * 10.48 ml = 9.32 gr


X soluto

+ =

.

. +. =0.26

X solvente

+ =

.

. +. =0.73

X soluto +x solvente = 1 0.26+ 0.73= 0.99 ~ 1


M=d*V M= 0.185 gr /ml * 10 ml = 1.85 gr


X soluto

+ =

.

. +. =0.07

X solvente

+ =

.

. +. =0.93

X soluto +x solvente = 1 0.07+ 0.93= 1

Construir la grafica de de la curva de calibracin empleando los datos de la densidad y

la fraccin mol de uno de los componentes de la disolucin.

Interpolar las densidades de cada lquido (condensado y residual) en la curva de

calibracin para determinar la composicin en fraccin mol de la mezcla.

1,15 1,15

0,89

0,185

-0,1

0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

1,1

1,3

0,28 0,05 0,26 0,07

D e

n s

i d

a d

Fraccin Molar

Curva de Calibracin

Construir la grafica de composicin de las disoluciones residuales en fraccin mol

contra la temperatura media del ebullicin (se promedian las temperaturas de

ebullicin)

Promedio de las temperaturas es=

79,5 0C

Construir la grafica de composicin en el vapor (liquido condensado) en fraccin

mol contra la temperatura media de ebullicin (se promedian las temperaturas de

ebullicin).

NOTA: es conveniente que las dos graficas (lquido residual y vapor condensado) se

realicen en la misma hoja.

1,06 1,04

0,9 0,92

1,04

0,94

0,810,86

-0,1

0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

1,1

1,3

0,28 0,05 0,26 0,07

D e

n s

i d

a d

e s

Fraccin Molar

1,15 1,15

0,89 0,85

-0,1

0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

1,1

1,3

79,5 79,5 79,5 79,5

D e

n s

i d

a d

e s

promedio de temperatura

Construir la grafica de composicin del lquido contra la composicin del vapor.

RESULTADOS Y DISCUSIN

Se estudi un sistema en equilibrio de dos fases: el equilibrio entre una fase lquida y otra de vapor para un sistema con dos componentes. Estos componentes fueron el agua y el etanol.

1,040,94

0,810,869

-0,1

0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

1,1

1,3

79,5 79,5 79,5 79,5

D e

n s

i d

a d

de

l de

stila

do

promedio de temperatura

1,06 1,04

0,9 0,91

-0,1

0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

1,1

1,3

1,04 0,94 0,81 0,869

D e

n s

i d

a d

de

l vap

or

densidad del destilado

Para estos puntos de densidad se calcul la fraccin molar a las proporciones de volumen especificadas; las fracciones molares para la curva de calibracin estuvieron en el intervalo de 0.07 a 0.28, ya que los volmenes especificados proporcionaron ste intervalo de fracciones molares.

BIBLIOGRAFA

Marn S., Lando J, "Fisicoqumica Fundamental", 2da ed., Ed. Limusa, Mxico, 1987,

Crockford H., Navell J., "Manual de Laboratorio de Qumica Fsica", 1ra ed., Ed.

Alambra, Madrid, 1961.

Fisicoqumica de Raymond Chang tercera edicin editorial Mc Graw Hill.

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