VI13LFQII-A

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

FACULTAD DE QUÍMICA E ING. QUÍMICA

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE FISICOQUÍMICA

LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA II

TEMA Equilibrio Liquido-Vapor

PROFESOR Berzoy Llerena, Claudia

ESTUDIANTEEdgard Eduardo Vásquez Carpio

Kenny Renzo Quiroz Ventocilla

FECHA DE REALIZADO 17/4/2015

FECHA DE ENTREGA 4/5/2015

CIUDAD UNIVERSITARIA

Resumen

En este laboratorio trataremos de la determinación del diagrama temperatura-composición entre agua y 1-propano la cual es una mezcla azeotropica y a su vez el diagrama x-y seguidamente de sus porcentajes molares, para ello utilizamos el equipo armado que consiste en un pequeño balón con agua e iremos agregando 1-propanol de acuerdo a las medidas dichas, y llevaremos la mezcla a destilación, tomamos medida de la temperatura cuando empiece a hervir la mezcla, también medimos los índices de refracción, en el experimento obtuvimos una temperatura de 88.2°C en la última agregación de 1-propanol, podemos decir que la temperatura de ebullición de la mezcla agua y 1-propanol tiene un valor cercano a 88°C.

Introducción

El Equilibrio líquido vapor representa el corazón de la mayoría de las operaciones unitarias más comunes de separación en ingeniería química, tal como la destilación, la extracción o la absorción. De ahí que, el conocimiento de las propiedades termodinámicas es indispensable en cualquier actividad relacionada con el diseño y la optimización. Sin embargo, las propiedades termodinámicas de sustancias frecuentemente no se encuentran con facilidad debido a una variedad de causas

Marco Teórico

Presión De Vapor De Una Solución Ideal

Si un soluto tiene una presión de vapor medible, la presión de vapor de su disolución siempre es menor que la del disolvente puro. De esta forma la relación entre la presión de vapor de la disolución y la presión de vapor del disolvente depende de la concentración del soluto en la disolución.

Esta relación entre ambos se formula mediante la Ley de Raoult mediante la cual: la presión parcial de un disolvente sobre una disolución P1 está dada por la presión de vapor del disolvente puro P°1, multiplicada por la fracción molar del disolvente en la disolución X1.

P1=X1P°1

Es decir que la presión de vapor del soluto crece linealmente con su fracción molar. En una solución que sólo contenga un soluto, se tiene que X1=1-X2, donde X2 es la fracción molar del soluto, pudiendo escribir la formulación de la ley como:

P1= (1-X2)P°1

P°1-P1=∆P=X2P°1

Se puede ver de esta forma que una disminución en la presión de vapor, ΔP es directamente proporcional a la concentración del soluto presente.

Solución Real

Es aquella sustancia que no se ajusta a la ley de Raoult, y que presenta desviación negativa y positiva de la ley. Se dice que exhiben desviaciones negativas los sistemas en los cuales la curva PX (en un diagrama PXY a t cte.) se encuentra por debajo de la relación lineal PX proporcionada por la ley de Raoult. Cuando la desviación llega hacer lo suficientemente grande respecto a las diferencias entre las presiones de los componentes puros, la curva muestra un mínimo. Se dice que las soluciones presentan desviaciones positivas cuando la curva PX a t cte. se encuentra sobre la línea de la ley de Raoult. Para desviaciones positivas grandes se tiene un máximo en la curva.

A nivel molecular, las desviaciones negativas apreciables de la ley de Raoult reflejan fuerzas intermoleculares más fuertes entre moléculas diferentes que entre moléculas iguales. Opuestamente, desviaciones positivas apreciables resultan en soluciones en donde las fuerzas intermoleculares entre moléculas parecidas son más fuertes respecto a las moléculas distintas.

Mezclas Azeotrópicas

Es una mezcla líquida de dos o más componentes que posee un único punto de ebullición constante y fijo, y que al pasar al estado vapor (gaseoso) se comporta como un compuesto puro, o sea como si fuese un solo componente.

Un azeótropo, puede hervir a una temperatura superior, intermedia o inferior a la de los constituyentes de la mezcla, permaneciendo el líquido con la misma composición inicial, al igual que el vapor, por lo que no es posible separarlos por destilación simple.

El azeótropo que hierve a una temperatura máxima se llama azeótropo de ebullición máxima y el que lo hace a una temperatura mínima se llama azeótropo de ebullición mínima, los sistemas azeotrópicos de ebullición mínima son más frecuentes que los de ebullición máxima.

Tablas de Datos Experimentales

TABLA N°1: Condiciones de laboratorio

P(mmHg) T (°C ) %H.R.

756 24 96

TABLA N°2: Datos experimentales para 20mL de agua con incrementos de 1-propanol

Tabla N°3 : Datos experimentales para 20mL de 1-propanol con incrementos de agua

Númerodeincremento

Volumendeagua (ml)

T ebullición(° C)η(índice derefracción)

Destilado Residuo

1 0.4 94.5 1.3830 1.3840

2 0.4 93.0 1.3824 1.3836

3 0.4 92.2 1.3813 1.3834

4 0.5 91.1 1.3802 1.3828

5 0.5 89.9 1.3796 1.3822

6 0.5 88.5 1.3787 1.3817

7 0.5 88.2 1.3782 1.3808

Númerodeincremento

Volumende1−propanol (ml)

T ebullición(° C)η(índice derefracción)

Destilado Residuo

1 1.0 99 1.3329 1.3327

2 3.0 96.2 1.3610 1.3351

3 5.0 90.0 1.3760 1.3412

4 8.0 88.5 1.3769 1.3481

5 9.0 88.0 1.3753 1.3510

6 10.0 87.8 1.3761 1.3539

Tablas de Datos Teóricos

Tabla N°4: Datos teóricos para el agua y el 1-propanol

ComponenteDensidad a25 °C

(g/ml) T ebuliición(° C) PM (g /mol) η(índice derefracción)

Agua 0.99772 100 18.015 1.3334

1−propanol 0.80340 97.2 60.095 1.3860“Perry’s Chemical Engineers Handbook 8Th Edition. Don W.Green, Robert H.Perry

Tabla N°5: Datos teóricos para el azeótropo

T ebuliición(° C) 88.1°C%peso de

1−propanol43.2 %

“Perry’s Chemical Engineers Handbook 8Th Edition. Don W.Green, Robert H.Perry

Tabla de Resultados

Tabla N°6: Composición en el destilado y residuo de acuerdo a su temperatura

Tabla 7: Datos de la mezcla azeotrópica

Azeótropo V teórico V experimental %Error

T ebullición 88.1°C 88 0.11%

% X1−propanol 43.2% 39% 9.72%

X(R) Y(D) T ebuliición(° C)

0 0 99

0.127 0.007 96.2

0.333 0.027 90

0.353 0.053 88.5

0.32 0.067 88

0.333 0.08 87.8

0.407 0.527 88.2

0.427 0.593 88.5

0.473 0.627 89.5

0.5 0.667 91.1

0.56 0.713 92.2

0.633 0.727 93

0.687 0.773 94.5

Cálculos

1. Determinación de las propiedades del Azeótropo

A partir de la GRÁFICA Nº2 podemos obtener el valor de la composición azeotrópica, proyectando el punto de intersección entre las dos curvas al eje X.

%X A=39 % %X A teorico=43.2 %

Calculando el porcentaje de error:

%error= valor teórico−valor experimentalvalor teórico

×100 %

%error=43.2−3943.2

×100 %=9.72 %

A partir de la GRÁFICA N°3, calculamos el punto de ebullición de la mezcla azeotrópica:

T ebullición=88 °C

%error= valor teórico−valor experimentalvalor teórico

×100 %

%error=88.1° C−88 °C88.1 °C

×100 %=0.11%

Discusión de Resultados

Con respecto a las gráficas obtenidas podemos decir que estas si tuvieron la tendencia que se esperaba ya que, de acuerdo con la teoría, se trataba de una mezcla azeotrópica con temperatura mínima de ebullición, lo cual resulto satisfactorio en nuestra experiencia.

A partir de la GRÁFICA N°2 (Composición del vapor VS Composición del líquido), se obtuvo la composición del 1-propanol que fue de 39%, comparando con el valor teórico se obtiene un porcentaje de error de 9.72%.

En cuanto a la determinación del punto de ebullición el resultado fue algo cercano al teórico, (ver GRÁFICA N°3) ya que el error, con respecto al punto de ebullición teórico, fue 0.11%. Aunque no puede decirse que es exacto ya que se usaron datos de otro grupo y las muestras estaban contaminadas.

Conclusiones

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 la cual es 88°C

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.

Bibliografía

Atkins, P., "Fisicoquímica", 2da ed., Ed. Addison Wesley, págs. 194, 201-202, 210-212

Gilbert W. Castellan “Físicoquimica”, Addison – Wesley Iberoamerica, Segunda Edición, 1987, Páginas: 316, 317, 322, 323, 333, 334.

Cuestionario

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

Supóngase que dos líquidos, A1 y A2 sean volátiles y completamente miscibles, y admítase además que los dos líquidos se disuelven uno en otro para formar soluciones ideales. Como las soluciones son ideales entonces se obtiene:

P1=X1P10 y P2=X2P2

0

Estas ecuaciones son expresiones de la ley de Raoult, que establece que la presión parcial de vapor de un componente volátil de una solución es igual a la presión de vapor del componente puro multiplicado por la fracción molar de ese componente en la solución. A partir de estas ecuaciones la presión total de vapor P, en dicha solución es:

P=P1+P2

P=X1P10+X2P2

0

Las relaciones anteriores que demanda la ley de RAOLUT se aplican a las presiones de vapor totales y parciales como función de las fracciones molares de los componentes en solución. Para obtener la relación entre la composición de una solución y la composición de una solución y la composición del vapor encima de ella, sea Y2 la fracción molar de A2 en el vapor sobre una solución de composición X2 .Entonces, de acuerdo con la ley de las presiones parciales de DALTON:

Y 2=P2/P

2. Explique la solubilidad de los gases en los líquidos. ¿En qué casos se aplican 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.

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.

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

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.

Apéndice