Laboratorio de Termodinámica Química II

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

E. S. I. Q. I. E.

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

PETROLERA

Laboratorio de Termodinámica Química II

Práctica N° 2

Equilibrio químico simultáneo

(Estudio de la distribución y dimerización del ácido

benzoico en benceno y agua)

Dr. Octavio Elizalde Solis

OBJETIVO

Comprender los fenómenos fisicoquímicos de la distribución, ionización y

dimerización del ácido benzoico que se llevan a cabo en dos fases (orgánica y

acuosa).

Calcular las constantes de equilibrio químico simultáneo de una

reacción de

dimerización.

Octavio Elizalde Solis

Laboratorio de Termodinámica Química II

MARCO TEORICO

El comportamiento no ideal de las soluciones es explicado en términos de fuerzas

intermoleculares. El modelo de soluciones, la teoría de “estructura” y la teoría de

estados

correspondientes, relacionan los coeficientes de actividad a parámetros físicos que

reflejan la medida de las moléculas y las fuerzas de interacción entre ellas.

El estudio de las propiedades en las soluciones se basa en la aproximación de

que las

moléculas en una solución líquida interactúan con otras en tal dirección que

forman

nuevas especies químicas, por lo que la no idealidad de la solución es una

consecuencia

de las reacciones químicas.

Podemos distinguir entre dos tipos de reacciones:

Asociación: ¿?

Solvatación:

¿?

La teoría química de las soluciones considera que las sustancias químicamente

diferentes

forman una solución ideal, sin embargo no se ha tomado en cuenta la composición

real de

las especies químicas existentes.

Estudiar la teoría química de las soluciones desde el punto de vista

termodinámico.

Ley de distribución de Nernst, ley de Henry.

Ahora considere la distribución del ácido benzoico entre dos solventes inmiscibles

(agua

y b enceno) a temperatura ambiente.

La explicación de la desviación de la Ley de Nerst puede ser encontrada, tomando

en

cuenta la tendencia de los ácidos orgánicos a dimerizar en un solvente polar y en

ionizarse en el agua.

Equilibrio de distribución (

) del ácido benzoico entre la fase acuosa y orgánica.

Equilibrio químico en la fase acuosa (

, ionización del ácido benzoico):

Laboratorio de Termodinámica Química II

Equilibrio en la fase orgánica (

, d imerización del ácido benzoico):

[HBz]B y [HBz]A es la concentración molar del ácido benzoico en el benceno y en

el agua

respectivamente. Los iones [H+], [Bz-] y [(HBz)2] la concentración del dímero en el

benceno.

Desarrollando un balance en cada fase a partir de las concentraciones totales de

ácido CA

para la fase acuosa y CB p ara la fase orgánica, obtenidas por titulación del ácido

en cada

fase, se obtienen las siguientes expresiones:

donde α es el grado de ionización del ácido

benzoico.

Al graficar CA/CB (1-α ) vs CA(1-α ) se obtiene una relación lineal con una p

endiente

(2

) e intersección al origen (KD).

El grado de ionización se conoce mediante la ecuación:

En nuestro caso:

= 6.3 10

mol /l a 25 °C

A partir de una serie de datos experimentales de CA y CB se puede conocer el

valor de KD

y KM, para corroborar la teoría química de soluciones y la desviación a la Ley de

Nerst.

MATERIALES Y REACTIVOS

MATERIAL

REACTIVOS

Bureta

Acido benzoico

Pipeta

Agua destilada

Perilla

Benceno

Balanza analítica

Hidróxido de sodio

Matraces

Fenolftaleína

Vasos de precipitado

Espátula

Embudo de separación

Servitoallas (alumnos)

Laboratorio de Termodinámica Química II

DESARROLLO EXPERIMENTAL

1. Preparar 90 ml de u na solución 5 g/l d e acido benzoico en benceno. Calcular

la

cantidad de masa necesaria de acido benzoico.

2. Preparar 1 litro de solución NaOH 0.015N.

3. Colocar 5 alícuotas (ac. benzoico en benceno) en cada embudo de separación:

25,20,16, 8 y 4 ml.

4. Agregar 25 ml de agua en cada embudo y la correspondiente cantidad de

benceno para

tener un volumen total de 50 ml dentro de los embudos de separación.

5. Agitar durante 10 minutos la solución final y d ejar reposar de 20 a 30 minutos

con el

objetivo de que la fase orgánica

y acuosa se separen (condición de equilibrio).

6. Para cada embudo, tomar una alícuota de 10 ml de la fase acuosa (A) en un

matraz,

agregar 2 o 3 gotas de fenolftaleína y titular con una solución de NaOH 0.015N.

7. Para la fase orgánica (B), tomar una alícuota de 10 ml en un matraz, agregarle

10 ml

de agua y 2 o 3 gotas de fenolftaleína.

8. Agitar fuertemente durante 5 minutos para acelerar el paso del acido a la fase

acuosa y

titular con una solución NaOH 0.015N.

TABLA DE DATOS EXPERIMENTALES

EMBUDO

Volumen (ml)

ac. benzoico

Benceno

Agua

Alícuota (A)

NaOHA

Alícuota (B)

NaOHB

1

2

3

4

5

NNaOH=

CÁLCULOS

Concentración de la alícuota de la fase acuosa

=

∗

Concentración de la alícuota de la fase o rgánica

=

∗Octavio Elizalde Solis

Laboratorio de Termodinámica Química II

Constante de equilibrio (distribución) del sistema:

=

Grado de ionización (α ):

=

∗1−

Relación:

y

∗ (1 − )

Vs.

∗ (1 − )

∗ (1 − )

Graficar la relación:∗ (1 − )

De la grafica anterior, obtener la pendiente y la ordenada al origen p or regresión

lineal.

=

Obtener la constante de dimerización

+

:

=2

Graficar la relación:

Vs.

Vs.

TABLA DE RESULTADOS

EMBUDO

/

(1 − )

/[ (1 − )]

1

2

3

4

5

=

=

Compare los resultados de las constantes con el reportado en la literatura.

Octavio Elizalde Solis