1. Objetivo Estudiar las propiedades de sistemas líquidos parcialmente miscibles. Construís la curva de solubilidad para el sistema fenol-agua, en función a la temperatura y la concentración. Aplicar la regla de la palanca a un sistema binario parcialmente miscible.
2. Marco teórico En un sistema en equilibrio el potencial químico de cada componente debe ser el mismo en cualquier parte del sistema. Si hay varias fases presentes, el potencial químico de cada componente (sustancia) debe tener el mismo valor en cada fase en la que se encuentre el componente. Existen sistemas de un componente y varios componentes, entre estos puede existir una o varias fases. Los diagramas de fase son representaciones graficas de cuales fases están presentes en un sistema material en función de la temperatura, la presión y la composición. Son representación graficas de las condiciones termodinámicas de equilibrio. El estado de equilibrio de un sistema es aquel en el cual sus propiedades no cambian con el tiempo, a menos que se ejerza una alteración de la temperatura, la presión o la composición, o la aplicación de fuerzas externas de tipo eléctrico, magnético, etc. La base de todo el trabajo sobre los diagramas de equilibrio es la regla de fases de Willard Gibbs. El diagrama también conocido como diagrama de fase o diagrama de equilibrio es esencialmente una expresión gráfica de la gráfica de la regla de fases. La ecuación siguiente presenta la regla de fases en la forma matemática usual: =….
Dónde: C: número de componentes del sistema. F: número de fases presentes en el equilibrio. : Varianza del sistema (grados de libertad) 1
Los términos usados en la expresión anterior así como otros necesarios para entender los diagramas de fase se definen:
Fase:
En termodinámica y química, se denomina fase a cada una de las zonas macroscópicas del espacio de una composición química, y sus propiedades físicas homogéneas, que forman un sistema. Los sistemas monofásicos se denominan homogéneos, y los que están formados por varias fases se denominan mezclas o sistemas heterogéneos. Se debe distinguir entre fase y estado de agregación de la materia. Por ejemplo, el grafito y el diamante son dos formas alotrópicas del carbono; son, por lo tanto, fases distintas, pero ambas pertenecen al mismo estado de agregación (sólido). También es frecuente confundir fase y micro constituyente; por ejemplo, en un acero cada grano de perlita es un micro constituyente, pero está formado por dos fases, ferrita y cementita.
Componente:
Es el menor número de variables individuales independientes (vapor, liquido o solido) por medio de los cuales la composición del sistema puede expresarse cuantitativamente. Normalmente un componente es un elemento, compuesto o solución del sistema.
Varianza:
Grados de libertad, es el número de variables (presión, temperatura y composición) que pueden cambiar independientemente sin alterar el estado de la fase o fases en equilibrio, del sistema elegido. Es la aplicación de la regla de las fases al tipo de sistemas bajo consideración. El número de variables, las cuales se fijan de manera arbitraria para definir completamente el sistema se llama varianza o grados de libertad del sistema. Un ejemplo de diagrama de fases es el de la figura 1 que representa el diagrama de equilibrio de fases P-T para el agua pura.
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FIGURA 1
La regla de las fases nos proporciona un adecuado control de ideas acerca de los equilibrios entre fases en sistemas más complicados. Una mezcla binaria de líquidos puede ser miscible, inmiscible o parcialmente miscible.
Mezcla miscible
Miscibilidad es la habilidad de dos o más sustancias líquidas para mezclarse entre sí y formar una o más fases, o sea, mezcla es el conjunto de dos o más sustancias puras. Los gases se solubilizan casi inmediatamente, en tanto que los sólidos raramente son solubles por completo.
Mezcla inmiscible
Inmiscible toda sustancia que no consigue conformar una franja homogénea de ningún modo. La miscibilidad de las sustancias orgánicas y de los lípidos con el agua se encuentra determinada por las propiedades de la cadena de hidrocarburos.
Mezcla parcialmente miscible 3
Si agregamos pequeñas cantidades de fenol al agua, el fenol se disuelve para formar una sola fase sin embargo en algún momento de la adición el agua se tura y una adición posterior de fenol conduce a la formación de dos fases liquidas, en este cado estamos en presencia de dos líquidos parcialmente miscibles.
Sistemas de dos componentes Los sistemas de dos componentes tienen tres variables independientes, nominalmente, temperatura, presión y composición. En los sistemas de importancia a nivel industrial, donde la presión de vapor permanece muy baja para grandes variaciones en la temperatura, la variable presión y la fase gaseosa pueden no ser consideradas. Por lo tanto los diagramas pueden reducirse a dos dimensiones representando la composición en las abscisas y la temperatura en las ordenadas. En los sistemas bajo esta condiciones pueden coexistir tres fases produciendo una condición invariante (punto triple); dos fases producen una condición univariante (línea) y una fase una condición bivariante (zona de equilibrio). El comportamiento de una mezcla binaria parcialmente miscible se representa en un diagrama T vs X (temperatura- composición o porcentaje en peso). Estos sistemas normalmente se estudian a presión constante de ordinario la atmosférica. De acuerdo a la regla de las fases, si la presión está determinada las restantes variables que se deben conocer son la composición y la temperatura.
FIGURA 2
La región dentro de la campana corresponde a una zona bifásica donde la mezcla de ambos líquidos es inmiscible. La región fuera de la campana corresponde a una zona monofásica. Al punto máximo de la curva se le denomina temperatura crítica de solución o temperatura de cosolubilidad. 4
En la región de dos fases de un sistema liquido de dos componentes, para una temperatura determinada (T1) la composición de las fases está dada por los puntos XA1 y XA2 independientemente de la composición de la mezcla total; es decir que para cualquier composición XA3 de la mezcla total, las composiciones de las fases serán XA1 y XA2 variando solamente las cantidades relativas de las fases en las que se separa el sistema, las cuales se pueden determinar por el método de la regla de la palanca, la cual se deduce a continuación:
= … = … Si sustituimos 1 en 2 tenemos:
̅ = = … ̅
Y también se aplica a fracciones molares.
Dónde: : Masa de la fase C : Masa de la fase E 3 : Porcentaje en peso del componente A en la fase C 2 : Porcentaje en peso del componerte A en la fase E 3 : Porcentaje en peso del componente A en la mezcla inicial
En la figura 2 se puede observar que la solubilidad del sistema aumenta con la temperatura. Se debe hacer notar que la solubilidad mutua de los líquidos o siempre aumenta con la temperatura, existen sistemas en los que dicha solubilidad más bien disminuye con la temperatura.
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3. Procedimiento Inicio
Preparar mezclas de 5 g. al 10, 20, 30, 40, 50 y 70% en peso de fenol y el resto agua.
Colocar una muestra en vaso de precipitado y calentar hasta que desaparezca la turbidez.
Medir con el termómetro la temperatura en la que desaparece la turbidez.
Subir la temperatura alrededor de 10 ℃
Bajar la temperatura
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¿Retornó la turbidez?
NO Seguir enfriando.
SI Medir la temperatura
Repetir el procedimiento con las otras mezclas.
Fin
4. Hoja de datos
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5. Cálculos y diagramas a. Realizar los cálculos correspondientes para graficar temperatura vs composición en peso y temperatura vs composición molar. Para él % en peso usaremos la ecuación: % = []
0.5 1 1.5 2 2.5 3.5
[]
4.5 4 3.5 3 2.5 1.5
5 5 5 5 5 5
∗ 100% % ⁄
10 20 30 40 50 70
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.7
T℃ 37 56.5 69.5 68.5 63.5 52
Realizamos el gráfico:
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Para la composición molar usaremos la ecuación:
%
94 18 94 18 94 18 94 18 94 18 94 18 Hacemos la gráfica T vs X
= ∗ 100%
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.7
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.3
%
2.0833 4.5685 7.5843 11.3208 16.0714 30.8824
0.0208 0.0457 0.0758 0.1132 0.1607 0.3088
T℃ 37 56.5 69.5 68.5 63.5 52
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b. ¿qué es una línea de unión o de reparto? Es aquella línea que determina la composición de las fases en equilibrio. c. Trace una línea de unión y aplique la regla de la palanca para una composición de 30% en peso de fenol y 50℃ de temperatura.
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Aplicamos la regla de la palanca con las medidas del gráfico: ̅ = = = ̅
Además: =
Resolvemos el sistema de ecuaciones con una masa de 5g además de los valores que se pueden leer con el gráfico obtenemos: : : : :
d. Calcular la varianza del sistema para tres puntos distintos en la gráfica, e interpretar los resultados.
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Como es a presión constante: v=1
Zona A B C Zona A:
Componentes 2 2 2
Fases 2 1 1
Varianza 1 2 2
Variables ToX T, X T, X
Esta es la zona bifásica en la que están los dos componentes en estado sólido. Zona B: Corresponde a la zona monofásica en la que solo hay una fase liquida y los dos componentes por lo tanto son miscibles.
Zona C: Es la línea de separación, es el punto en el que comienza la precipitación de los componentes por lo tanto aún hay una fase.
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6. Cuestionario a. Se prepara una mezcla binaria con 120 gramos de nitrógeno y 80 gramos de
hexano a 283 K. determinar la composición de las soluciones conjugadas y las cantidades de las mismas en peso, los datos de la curva de equilibrio fracción molar-temperatura son las siguientes: X (NB) T( )
0.05 -7
0.2 5
0.4 16
0.67 20
0.87 17
0.9 10
0.95 0
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b. Dado el siguiente sistema monofásico preparado a partir de esta sustancia es
eléctricamente neutras que contiene +, − + − en cantidades tan variables como sea posible. Hallar el número de componentes y los grados de libertad.
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c. Deducir la regla de las fases
d. Deducir las reglas de la palanca, especificando el significado de las variables
involucradas.
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e. ¿Cuál es la causa física de la miscibilidad parcial? ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ ________________________________ 7.
Conclusiones
Se pudo estudiar las propiedades de sistema líquidos parcialmente miscibles, donde observamos como varía de acuerdo a la temperatura y su composición para ser monofásico o bifásico para la mezcla de fenol y agua.
Se construyó la curva de solubilidad para el sistema fenol-agua, en función de la temperatura y la composición en peso y molar correspondientemente, la cual si tiene la forma de una campana.
Se aplicó la regla de la palanca a un sistema binario parcialmente miscible para una temperatura de 50 ℃ y una composición de 30% en peso de fenol.
8.
Bibliografía
http://slideplayer.es/slide/117972/
http://slideplayer.es/slide/117972/1/images/36/fig:+diagrama+de+fases+l%C3%ADqu idol%C3%ADquido+de+temperatura+frente+a+composici%C3%B3n+para+dos+l%C3 %ADquidos+parcialmente+miscibles..jpg
http://definicion.de/inmiscible/
http://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/miscibilidad 16
Apuntes de fisicoquímica, ingeniero Armenio Silva
Fisicoquímica – Gilbert W. Castellán
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