PRCTICA N9 LABORATORIO DE FISICOQUMICA II
PRCTICA N9 LABORATORIO DE FISICOQUMICA II
UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS(UNIVERSIDAD DEL PER, DECANA DE AMRICA)FACULTAD DE QUMICA E INGENIERA QUMICAE.A.P. INGENIERA QUMICA 0.72DEPARTAMENTO DE ACADEMICO DE FISICOQUMICA
LABORATORIO DE FISICOQUMICA IIPRCTICA N9INFORME DE EQUILIBRIO LQUIDO - VAPORPROFESOR:ANBAL FIGUEROA TAURINOALUMNOS: CHVEZ HUAMAN, DAMIN DANIEL11070033 FIGUEROA AYALA, BRANCO JOS11070116 LEYVA MEJA, OSCAR DANIEL11070173FECHA DE LA PRCTICA:MIRCOLES 08/04/13FECHA DE ENTREGA:MIRCOLES 15/04/13
TURNO:LUNES 13-16 HORASGRUPO:A B
2013NDICE
Introduccin.3 Resumen .4 Principios Tericos.5 Detalles Experimentales.7 Tabulacin de Datos y Resultados.9 Clculos.15 Anlisis y Discusin de Resultados.18 Conclusiones y Recomendaciones.19 Bibliografa .20 Apndice.21 Cuestionario.21 Grficas.23 Hoja de Datos.26
INTRODUCCIN
La estimacin del Equilibrio Lquido-Vapor en mezclas es uno de los aspectos de inters para la ingeniera qumica, ya que aporta informacin importante para el diseo de equipos de separacin y especialmente de destilacin.La destilacin es una de las operaciones de separacin ms utilizada en la industria qumica, tanto en el acondicionamiento previo de las materias primas como en la separacin de los productos. El requerimiento bsico para separar los componentes de una mezcla lquida por destilacin es que la composicin del vapor sea diferente de la composicin del lquido del cual se forma, esto es lo que sucede en las mezclas azeotrpicas. Las cuales se definen como mezclas de dos componentes las cuales hierven a temperaturas ms altas o ms bajas que sus respectivos puntos de ebullicin.Los conceptos y propiedades, entendidas como ventajas, de la destilacin fraccionada y mezcla azeotrpica son empleados en la industria del petrleo y del etanol en las que son muy comunes el empleo de la columnas de Fraccionamiento. Tambin es empleado el criterio de mezcla azeotrpica en la sntesis de esteres en qumica orgnica, donde se forma un azetropo de tres componentes, permitiendo as la obtencin del ster por destilacin.
RESUMENEsta prctica tiene como objetivo graficar temperatura - composicin y X-Y para una mezcla lquida de dos componentes, para as poder determinar la temperatura y composicin de la mezcla azeotrpica.Las condiciones de laboratorio a la cual se trabajaron fueron: Presin de 756 mmHg, Temperatura 22C y Humedad Relativa 92%.Las mezclas azeotrpicas son aquellas soluciones reales, cuya caracterstica es que los componentes hierven a una misma temperatura. Para determinar la composicin azeotrpica se determin haciendo el diagrama composicin molar del componente ms voltil en el vapor VS. Composicin del componente ms voltil en el lquido, (grfica N 2). Y para determinar la temperatura de ebullicin de la mezcla azeotrpica se obtuvo al graficar Temperatura de ebullicin vs. Composicin (A B) en el residuo y destilado (grfica N 3).A partir de la grfica N2 se determin que la composicin del 1-propanol en la mezcla azeotrpica fue de 35%, dando como error: 18.98%; y tambin se hall la temperatura del azetropo la cual fue de 81C, dando como error: 8.06%.De la prctica realizada se concluye que es posible analizar el equilibrio liquido-vapor para un sistema binario porque de acuerdo a la regla de Gibbs, solo se necesitan especificar dos variables para definir el sistema (Temperatura y composicin de un componente).Se recomienda esperar que la temperatura de ebullicin de la mezcla se mantenga constante para determinar su punto de ebullicin.
PRINCIPIOS TERICOSLEY DE RAOULT:La Ley de Raoult establece que la relacin entre la presin de vapor de cada componente en una solucin ideal es dependiente de la presin de vapor de cada componente individual y de la fraccin molar de cada componente en la solucin, es decir:
Donde: Si se introduce una mezcla de A y B en un recipiente en el que se ha hecho el vaco y en el que se mantiene una temperatura constante, se vaporizarn A y B hasta alcanzar un estado de equilibrio en el que la presin reinante ser la presin total de vapor de la mezcla, P, que de acuerdo con la ley de Raoult, tendr el valor:
SOLUCIONES REALES:Son aquellas soluciones que no se ajustan a la Ley de Raoult, y que presentan desviacin positiva o negativa de la ley, debido a las fuerzas de interaccin intermolecular de atraccin o repulsin entre los componentes y como consecuencia de ello no cumplen con la propiedad de aditividad de sus volmenes.
Desviacin positivaDesviacin negativaMEZCLA AZEOTRPICA:Son aquellas soluciones reales, cuya caracterstica es que hierven a una temperatura ms alta o ms baja respecto a la temperatura de ebullicin de cada uno de sus componentes. Dicho de otra manera, es una mezcla de dos componentes que hierven como si fuese una sustancia pura, con un punto de ebullicin constante y originando un vapor de igual composicin que la mezcla lquida de partida. Es evidente, que para estas mezclas no puede conseguirse ninguna separacin mediante el empleo de la destilacin.
DETALLES EXPERIMENTALES
1. MATERIALES Y REACTIVOS:
Materiales:Equipo especial para puntos de ebullicin, termmetro de dcimas, mechero de alcohol, refractmetro, tubos con tapones de corcho y pipetas.Reactivos:1-propanol (A), agua destilada (B) y acetona comercial.
2. PROCEDIMIENTO
Determinacin de los puntos de ebullicin del sistemaInstalamos el equipo para determinacin de puntos de ebullicin (baln de 125ml, refrigerante de reflujo y un separador para retirar el destilado). Ver figura 1.Adicionamos 20ml de 1-propanol (B) en el baln, luego introducimos el termmetro de modo que el bulbo quede aproximadamente en la mitad del lquido contenido en el baln, calentamos hasta alcanzar el punto de ebullicin y tomamos lectura de la temperatura; inmediatamente extrajimos 1ml del destilado; dejamos enfriar con un bao de agua fra y luego retiramos aproximadamente 1ml del componente A del baln (este lquido es el residuo). As mismo aadimos cada incremento de agua (A) de acuerdo a la tabla 2.2: repetimos todo el procedimiento, es decir para cada incremento: calentamos, tomamos lectura del punto de ebullicin, retiramos 1ml de destilado, enfriamos y extrajimos 1ml de residuo. Por otro lado realizamos un procedimiento parecido; esta vez con 20ml de agua (B): calentamos, determinamos punto de ebullicin, retiramos 1ml de destilado, enfriamos y extrajimos 1ml de residuo. La diferencia estuvo en que para cada incremento de 1-propanol segn la tabla 2.1, se realiz siempre con 20 ml de agua (B) y su respectivo incremento; lavando todo el equipo para cada incremento.
Determinacin de la composicin de las mezclasSe prepar 3ml de mezclas en tubos con tapn de corcho segn la tabla 2.3 y tomando lectura de temperatura de agua y 1-propanol puros; y a continuacin medimos el ndice de refraccin de cada mezcla.Finalmente medimos ndices de refraccin para los destilados y residuos obtenidos anteriormente.
TABULACIN DE DATOS Y RESULTADOSTABLA N1: Condiciones de laboratorio
7562292
TABLA N2: Datos experimentales Tabla 2.1: Para 20mL de agua con incrementos de 1-propanol
11.098.61.33371.3327
23.098.41.34001.3336
35.097.11.35121.3340
48.096.81.35531.3360
59.096.11.36301.3365
610.095.01.36501.3372
Tabla 2.2: Para 20mL de 1-propanol con incrementos de agua
10.495.51.38381.3833
20.494.81.37981.3824
30.493.91.37821.3804
40.590.91.37801.3790
50.589.51.37721.3747
60.588.71.37651.3737
70.587.61.37531.3627
Tabla 2.3: Datos para las mezclas
13.00.01.3860
22.90.11.3855
32.80.21.3845
42.50.51.3810
52.10.91.3775
61.71.31.3705
71.41.61.3650
81.02.01.3580
90.52.51.3480
100.03.01.3330
TABLA N3: Datos tericosTabla 3.1: Datos tericos para el agua y el 1-propanol
0.9977210018.0151.3334
()
0.8034097.260.0951.3860
Tabla 3.2: Datos tericos para el azetropo88.1C
()
() Perrys Chemical Engineers Handbook 8Th Edition. Don W.Green, Robert H.Perry
TABLA N4: Resultados y porcentaje de error
Tabla 4.1: ndices de Refraccin de los lquidos puros
Agua1.33341.33310.0225%
1-propanol1.38601.38460.10101%
Tabla 4.2: Temperaturas de ebullicin de los lquidos puros
100991%
97.2961.2346%
Tabla 4.3: Datos de la mezcla azeotrpica
88.1C81C8.06%
43.2%35%
Tabla N5: Datos para grficas
Tabla 5.1: Datos para la Grfica: ndice de Refraccin vs %molar del 1- propanol
1.3860100%
1.385587.58%
1.384577.11%
1.381054.66%
1.377536.07%
1.370523.97%
1.365017.41%
1.358010.79%
1.34804.62%
1.33300.00%
00
1.471.36
2.401.46
5.721.51
7.861.76
14.281.83
16.681.93
37.0513.95
40.6732.73
42.9435.37
45.6849.36
46.4055.02
52.5264.25
71.6268.89
Tabla 5.2: Datos para la Grfica:Composicin en el Vapor vs Composicin en el Lquido
Tabla 5.3: Datos para la Grfica:Diagrama Temperatura vs Composicindel Sistema A B
98.6C1.471.36
98.4C2.401.46
97.1C5.721.51
96.8C7.861.76
96.1C14.281.83
95.0C16.681.93
95.571.6268.89
94.852.5264.25
93.946.4055.02
90.945.6849.36
89.542.9435.37
88.740.6732.73
87.637.0513.95
Tabla 5.3.1: De agua con incrementos Tabla 5.3.2: De 1-propanol con 1-propanolincrementos de agua
CLCULOS1. Determinacin de la Composicin del Destilado y Residuo Calcula el %molar del componente ms voltil en cada una de las mezclas de la Tabla 2.2:El componente ms voltil es el 1-propanol.Componente A: aguaComponente B: 1-propanol Donde: Adems:
Donde:
En la muestra 2: 2.9ml de 1-propanol y 0.1ml de agua
En la muestra 3: 2.8ml de 1-propanol y 0.2ml de agua
Los dems resultados ver en la Tabla 5.1. Del grfico, determinar el %molar del componente ms voltil de cada una de las muestras de destilado y residuo:
Hallamos el %XA del componente ms voltil de cada una de las muestras de destilado y residuo a partir de la ecuacin de la grfica que es:
Despejamos
Hacemos un ejemplo de clculo para el primer incremento de la TABLA 2.2, tenemos que los ndices de refraccin de su residuo y destilado son:Entonces reemplazando en la ecuacin de la curva tenemos que el valor de %XA para el residuo y para el destilado son:
Los dems resultados ver en las tablas 5.3.1 y 5.3.2.
2. Determinacin de las propiedades del AzetropoA partir de la GRFICA N2 podemos obtener el valor de la composicin azeotrpica, proyectando el punto de interseccin entre las dos curvas al eje X.
Calculando el porcentaje de error:
A partir de la GRFICA N3, calculamos el punto de ebullicin de la mezcla azeotrpica:
DISCUSIN DE RESULTADOS
La curva patrn (grafica N1 )( ndice de refraccin Vs composicin molar 1-propanol ) tuvo una adecuada tendencia a excepcin de un punto que no ajusta debido a una inadecuada preparacin de dicha mezcla .Con respecto a las grficas obtenidas podemos decir que estas si tuvieron la tendencia que se esperaba ya que, de acuerdo con la teora, se trataba de una mezcla azeotrpica con temperatura mnima de ebullicin, lo cual resulto satisfactorio en nuestra experiencia.A partir de la GRFICA N2 (Composicin del vapor VS Composicin del lquido), se obtuvo la composicin del 1-propanol que fue de 35%, comparando con el valor terico se obtiene un porcentaje de error de 18.98%.En cuanto a la determinacin del punto de ebullicin los resultados fueron buenos, (ver GRFICA N3) ya que el error, con respecto al punto de ebullicin terico, fue 8.06%, este resultado se debe a que contbamos con un termmetro que media decimas de grados centgrados, y podamos tomar las temperaturas de ebullicin con ms exactitud.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONESCONCLUSIONES: Es posible analizar el equilibrio liquido-vapor para un sistema binario porque de acuerdo a la regla de Gibbs, solo se necesitan especificar dos variables para definir el sistema (Temperatura y composicin de un componente).
El sistema agua 1-propanol no se comporta idealmente debido a que describe desviaciones positivas de la ley de Raoult y, a su pequea diferencia de puntos de ebullicin. Por ello presenta un azetropo con temperatura de ebullicin mnima.
En una mezcla azeotrpica, el punto azeotrpico se comporta como si fuese un lquido puro.
De la grfica x-y para el 1-propanol podemos indicar que al ser el componente ms voltil de la mezcla, esto es que tiende a evaporarse con ms facilidad, se encontrar mayor concentracin del mismo en la fase vapor que en la fase lquido.
RECOMENDACIONES: Evitar sobrecalentamiento para que la mezcla no se rebalse.
Esperar que la temperatura de ebullicin de la mezcla se mantenga constante para determinar su punto de ebullicin.
Calibrar adecuadamente el refractmetro para tener una buena visibilidad de la lnea de referencia.
Tapar bien las muestras de residuo y destilado pues pueden volatilizarse y variar su composicin inicial.
BIBLIOGRAFA
Gaston Pons Muzzo Primer Curso de Fisicoqumica, impreso en Talleres Tipogrficos de la UNMSM, Primera edicin, Lima, 1956, Pginas: 195, 202-206.
Gilbert W. Castellan Fsicoquimica, Addison Wesley Iberoamerica, Segunda Edicin, 1987, Pginas: 316, 317, 322, 323, 333, 334.
Atkins, P., "Fisicoqumica", 2da ed., Ed. Addison Wesley, pgs. 194, 201-202, 210-212
Fundamentos Tericos - Prcticos Para El Laboratorio, Lydia Galagobsky Kurman Ed. Eudea Pginas. 90-91
APNDICECUESTIONARIO1. Para las mezclas lquidas binarias ideales, explique la aplicacin de las leyes de Dalton y Raoult.Supngase que dos lquidos, A1 y A2 sean voltiles y completamente miscibles, y admtase adems que los dos lquidos se disuelven uno en otro para formar soluciones ideales. Como las soluciones son ideales entonces se obtiene: y Estas ecuaciones son expresiones de la ley de Raoult, que establece que la presin parcial de vapor de un componente voltil de una solucin es igual a la presin de vapor del componente puro multiplicado por la fraccin molar de ese componente en la solucin. A partir de estas ecuaciones la presin total de vapor P, en dicha solucin es:
Las relaciones anteriores que demanda la ley de RAOLUT se aplican a las presiones de vapor totales y parciales como funcin de las fracciones molares de los componentes en solucin. Para obtener la relacin entre la composicin de una solucin y la composicin de una solucin y la composicin del vapor encima de ella, sea Y2 la fraccin molar de A2 en el vapor sobre una solucin de composicin X2 .Entonces, de acuerdo con la ley de las presiones parciales de DALTON:
2. Explique la solubilidad de los gases en los lquidos. En qu casos se aplican la ley de Henry y la ley de Dalton?El efecto de la presin sobre la solubilidad de un gas dado en un lquido particular a temperatura constante, se puede obtener fcilmente examinando el proceso inverso, es decir, considerando el gas como un soluto que se vaporiza para establecer una presin de vapor sobre la solucin. Para el ltimo caso se aplica la ecuacin: Donde es la fugacidad del gas sobre la solucin y es la actividad del gas en la solucin. Si la fase gaseosa y la solucin se comporte idealmente, entonces: , = ; Estas nuevas ecuaciones se conocen como la ley de Henry y establece que a temperatura constante la solubilidad de un gas en un lquido es directamente proporcional a la presin del gas sobre el lquido.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 variacin considerable. Por lo general cuanto ms alta sea la temperatura y ms baja sea la presin, ms exactamente se cumplir la ley. Adems, 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 ionizacin en la solucin es completa, la ley no se cumple en absoluto.Las desviaciones en los casos de reaccin qumica y disociacin se pueden comprender y corregir fcilmente al advertir que la ley de Henry es vlida solo cuando se aplica a la concentracin en la solucin de la especie molecular tal como existe en la Fase gaseosa y no para la concentracin total de la solucin.Cuando varios gases se disuelven simultneamente en un solvente, segn Dalton la solubilidad de cada gas en una mezcla de gases es directamente proporcional a la presin parcial del gas en la mezcla. Siempre que en la ley de Henry se cumpla que es la concentracin y P es la presin parcial de cada gas.
3. En qu casos se aplica la destilacin fraccionada a presin constante?El requerimiento bsica para separar los componentes de una mezcla liquida por destilacin es que la composicin del vapor sea diferente de la composicin del lquido del cual se forma. Si la composicin del vapor es la misma como la del lquido, el proceso de separacin de los componentes es imposible por destilacin. Tal cosa sucede con las mezclas azeotrpicas.A excepcin de las mezclas azeotrpicas, todas las mezclas liquidas tienen puntos de ebullicin que se encuentran dentro de aquellas de sus componentes puros. Variando la composicin de la mezcla varia de manera regular, desde el punto de ebullicin de uno de sus componentes hasta del otro.
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