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ARTÍCULOS
EQUILIBRIO DE FASES E INTERFACES EN EL SISTEMA BINARIO LÍQUIDO FENOL-AGUA A DIFERENTES CONCENTRACIONES Brian Velasquez1, Gabriel Chiappo1 y Luis Mazo1 1
Programa de Química, Facultad de Ciencias Básicas, Laboratorio de Fisicoquímica II, Universidad de Pamplona, Kilómetro 1, vía a Bucaramanga, Pamplona – Colombia Colombia
Resumen En la siguiente practica se aprendió a estudiar el efecto de la temperatura sobre un sistema binario diferenciando las fases-interfaces, y se estudió sobre la temperatura critica de la solución fenolagua. En esta práctica de laboratorio pudimos ver reflejados los cambios de fases que tiene la solución al someterse a altas temperaturas; la turbidez y la temperatura de equilibrio podrían observarse mediante diferentes cantidades de agua en la concentración de fenol. Palabras clave: Miscibilidad, Potenciales químicos, Diagrama de fases, Equilibrio entre fases.
Abstract In the following practice we learned to study the effect of temperature on a binary system differentiating the phases-interfaces, and we studied the critical temperature of the phenol-water solution. In this laboratory practice we could see reflected the changes of phases that the solution has when subjected to high temperatures; turbidity and equilibrium temperature could be noted by different amounts of water in the phenol concentration.
Key words: Miscibility, Chemical Potential, Phase diagram, Phase equilibrium.
1. Introducción
Cuando se combinan en un recipiente dos componentes (n A moles de A y nB moles de B) ya sea en la misma fase o distinta, sucede un proceso conocido como el proceso de mezcla, el cual se lleva acabo a condiciones de T y P constantes. La diferencia entre el potencial de Gibbs del sistema binario y el de los componentes puros es conocido como potencial de Gibbs de mezcla ( ∆ ∆ ), si ∆ > 0, entonces el sistema binario no se formara, por lo que se dice que los componentes son inmiscibles. Pero si ∆ < 0, entonces si se mezclan y se puede observar unos de los tres comportamientos siguientes:
Las tres variables independientes e intensivas en un sistema de dos componentes son la T, P y la fracción molar de uno de los componentes, pero por conveniencia se mantienen P y T constantes, representándose gráficamente en un diagrama de fases bidimensional. Un sistema de dos componentes es denominado sistema binario. Los equilibrios de fases en estos sistemas binarios o multicomponentes, tienen su aplicación en química, geología y ciencia de materiales, siendo la ciencia de materiales la rama de investigación sobre la estructura, propiedades y aplicaciones de los materiales científicos y tecnológicos, entre estos materiales se encuentran los metales, los semiconductores, los polímeros, las cerámicas y otros agregados especiales. [1]
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1
Formación de una fase homogénea en todo el rango de temperaturas y composiciones. Formación de dos fases homogéneas sea cual sea la composición y la temperatura. Se pueden formar una o dos fases homogéneas homo géneas en función de la temperatura y de la proporción en
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que los querramos mezclar, un ejemplo de este fenómeno es el del sistema agua-fenol los cuales son dos líquidos parcialmente inmiscibles. El potencial ∆ es una suma entre una contribución entálpica y otra entrópica como se ve en la ecuación 1. ∆ = ∆ + ∆
Ec. 1
La mezcla por lo general implica un aumento entrópico, el cual es mayor en la formación de una única fase homogénea si la entalpia de mezcla es menor a cero, entonces la mezcla se ve favorecida energéticamente y se puede observar una total miscibilidad de los componentes. Por el contrario cuando la entalpia de mezcla es mayor a cero, la mezcla muestra una única fase a altas temperaturas (lo que favorece los estados de mayor entropía) y dos fases a bajas temperaturas. El diagrama de fases de temperatura vs composición nos proporciona las condiciones de equilibrio en las cuales existe una o dos fases, figura 1.
es miscible y se ve como una única fase homogénea. Si descendemos T hasta llegar al punto b notaremos el cambio de fase el cual se trata de una transición en la que el sistema se vuelve inmiscible y comienza la formación de una segunda fase evidenciándose por el cambio de apariencia de la disolución de transparente a turbio. Siguiendo la disminución de T hasta el punto c la disolución vuelve a ser transparente pero observándose las dos fases claramente. Las dos fases contienen los dos componentes pero la concentración de fenol en una de ellas es mayor que la concentración media, sucediendo lo contrario en la otra fase. El sistema agua-fenol no muestra un comportamiento ideal, de hecho ya consideramos que para que haya miscibilidad parcial, debe ser la entalpia de mezcla mayor a cero, ya que las moléculas de fenol y agua son de tamaño y naturaleza distinta. El fenol es hidrófobo al tener un anillo aromático de hidrocarburos y un tamaño relativamente grande comparado con la molécula de agua que es pequeña e hidrófila. La figura 2 representa una molécula de fenol y las de agua. [2]
Figura 2. Representación de una molécula de fenol y varias moléculas de agua.
2. Sección experimental Materiales, equipos e insumos Figura 1. Diagrama de fases del sistema fenol – agua a 1 atm. (M. Díaz Peña y A. Roig, Química Física. Alhambra. 1975).
En la gráfica vemos que a esta situado en la región homogénea, mostrando como un sistema agua – fenol al 50%P/p con una temperatura de unos 65°C
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En este experimento se utilizó una balanza analítica Adventurer TM OHAUS (Made in China) con una incertidumbre de 0.0001g, una cámara de extracción de gases y una manta de calentamiento Cole-Parmer. Sustancias químicas:
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Como reactivos químicos para la experiencia utilizamos fenol, agua destilada, NaCl, y naftaleno. Procedimiento:
Se procedió preparando la mezcla de fenol-agua en la que se pesó 5,0 g de fenol y se añadió en un tubo de ensayo con la cantidad indicada de agua en la tabla 2. Seguidamente, el tubo de ensayo se llevó a baño maría para tener la temperatura de equilibrio de fases, se agitó para anotar la temperatura en la que desaparecía la turbidez y se apartó el tubo del baño maría para registrar la temperatura a la que desaparecía la turbidez. La temperatura se midió por medio un termómetro que se introdujo dentro del tubo de ensayo.
3. Resultados y discusión Los datos obtenidos experimentalmente están reportados en la tabla 1, y en la tabla 2. Con estos datos pudimos graficar un diagrama que representa el equilibrio en la mezcla fenol agua teniendo en cuenta la concentración del fenol. Tabla 1. Resultados experimentales T T T MEZCLA TURBIDEZ TURBIDEZ EQUILIBRIO 1 2
Con los datos de la tabla 1, pudimos calcular el porcentaje peso a peso de fenol en agua, con el que finalmente pudimos realizar la gráfica correspondiente al equilibrio del sistema. MEZCLA # 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
60
60
3
74
70
70
10
4
74
64
64
0
5
80
64
64
6
80
60
60
7
78
70
70
8
76
68
68
9
80
70
70
10
82
70
70
11
72
64
64
12
62
62
62
13
62
64
64
14
58
50
50
15
42
38
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71,4285714 62,5 55,5555556 50 45,4545455 41,6666667 38,4615385 35,7142857 33,3333333 29,4117647 25 20 14,2857143 11,1111111 9,09090909
70
60
62
2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 15 20 30 40 50
Una
80
2
28
5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
%P FENOL
DIAGRAMA DE FASES
60 C ° a r 50 u t a r 40 e p 30 m e T 20
1
Tabla 2. Mezcla Fenol-Agua. PESO FENOL PESO AGUA (g) (g)
dos fases líquidas 0
20
40
60
80
100
% Fenol en agua
Figura 3. Diagrama de fases en la mezcla fenol-agua.
A simple vista se observa un error en los resultados, ya que el diafragma de fases debería haber dado un domo casi perfecto como lo reportan en la figura 4. También se logran determinar una serie de errores como la temperatura máxima, donde los valores reportados son de 68.8°C, mientras que nosotros llegamos hasta temperaturas de 70°C en repetidas 3
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ocasiones, lo que significa que no obtuvimos uno, sino varios puntos máximos.
ensayo, los cuales permitían que el vapor generado al calentar la mezcla saliera, por lo que no podemos afirmar la cantidad real de agua o fenol que había en la muestra.
4. Conclusiones Las conclusiones que podemos sacar de esta experiencia son pocas y no muy alentadoras. Para poder llevar a cabo un experimento de este tipo es necesario tener a disposición equipos apropiados que permitan tener datos precisos y exactos, además de contar con reactivos que se encuentren en buen estado. Desafortunadamente nosotros no contamos con ninguno de estos requisitos, por lo que tuvimos una serie de resultados muy negativa. Figura 4. Diagrama de equilibrio teórico.
Los motivos a los que atribuimos errores tan grandes son principalmente 3. El primeo es la limitación de los equipos utilizados durante la práctica, ya que como se puede observar en todos los datos de experimentos como este, las temperaturas están reportadas con por lo menos números decimales, ya que para tener un buen resultado es necesario tener los datos lo más precisos posible. Sin embargo, por decaimiento económico nuestro plantel educativo no cuenta con los recursos para dotarse de equipos más avanzados y precisos por lo que nos vimos forzados a realizar las experiencias con lo que hay a nuestra disposición como utilizar termómetros que reportan la temperatura de 2°C en 2°C, produciendo resultados con gran error. Por otro lado, el estado de los reactivos no era el mejor, esto lo decimos porque el fenol que usamos no estaba suelto en pastillas, sino que estaba húmedo y pegado, por lo que nos tocó raspar la botella para poder sacar la cantidad necesaria. El último de los factores que nos llevó al fracaso fue el mal diseño del experimento, esto lo decimos porque las pruebas se hicieron en tubos de
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5. Referencias [1] Levine, I. (2004). Fisicoquímica, (5Ed ). España. McGraw Hill/interamericana.
[2] diagrama de miscibilidad del diagrama agua-fenol. (np). Recuperado el 17 de septiembre de 2017 de http://www.uv.es/=termo/Laboratori/Termodina mica/Guiones/val/cp18.pdf
