PRÁCTICA 7 DIAGRAMA DE FASES TEMPERATURA DE EBULLICIÓN-COMPOSICIÓN DE UNA MEZCLA LÍQUIDA BINARIA

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1 PRÁCTICA 7 DIAGRAMA DE FASES TEMPERATURA DE EBULLICIÓN-COMPOSICIÓN DE UNA MEZCLA LÍQUIDA BINARIA Materia Productos 2 viaes Metano 2 matraces esféricos dos bocas de 50 ml Coroformo 3 tapones de goma esmeriado Siicona íquida 2 bases de corcho Acetona para impieza 4 cuentagotas 1 montaje de destiación: - coumna - pieza de saida - pinzas y soporte - tubo conexión - agitador magnético con caefacción - 1 termopar NiCr-Ni con su funda Materia compartido (dos parejas) Peras de vidrio para ebuición 1 refractómetro 1 baño termostático 2 buretas de 50 ml con tapón 2 embudos pequeños de vidrio 2 vasos de precipitados de 100 ml 1 soporte con pinza de mariposa 1 medidor digita de temperatura Objetivos E aumno/a debe ser capaz de: A) Objetivos generaes 1. Construir e diagrama de fases, temperatura de ebuición-composición de a mezca metano-coroformo. 2. Pantear un esquema de a práctica, en donde se especifique: i) E procedimiento experimenta utiizado para obtener as magnitudes necesarias para construir e diagrama de fase. ii) E procedimiento de cácuo que permite construir e diagrama de fase. B) Objetivos Experimentaes 1. Preparar disouciones de concentración conocida (fracción moar) a partir de reactivos comerciaes íquidos. 2. Manejar adecuadamente e materia voumétrico (buretas, coumnas de destiación, ). 3. Medir índices de refracción. 4. Manejo de equipo de destiación. 5. Manejo y caibrado de mutiparámetro Cobra. 6. Acanzar equiibrio iquido-vapor y extraer e destiado. Laboratorio de Química Física I(09-10), Grupo Innovación, P-7 1

2 C) Objetivos Conceptuaes 1. Definir qué es una disoución íquida formada por dos componentes voáties. 2. Definir a presión de vapor de a disoución. 3. Conocer a ey de Daton de a as presiones parciaes. 4. Definir qué es una disoución idea. Conocer a Ley de Raout. 5. Conocer e interpretar diagramas Presión de vapor de os componentes y P T vs. x(iq) y y(gas), a T constante. 6. Conocer e interpretar diagramas Temperaturas de ebuición vs. x(iq) y y(gas), a P constante. 7. Definir que es una disoución rea. Ley de Henry y desviaciones de a Ley de Raout. 8. Conocer e interpretar diagramas Temperaturas de ebuición vs. x(iq) y y(gas), a P constante, para una disoución rea. 9. Definir qué es un azeótropo. 10. Definir y entender que es a actividad y os coeficientes de actividad. 11. Conocer e concepto de índice de refracción. D) Objetivos igados a desarroo de a práctica y obtención de resutados 1. Determinar e índice de refracción de diferentes disouciones metano-coroformo. Manejo de refractómetro. 2. Anaizar a evoución de índice de refracción de as diferentes mezcas íquidas. 3. Determinar a composición (fracción moar) de una mezca íquida (x) a partir de voúmenes, densidades y M r. 4. Construir a curva de caibrado índice de refracción en función de a composición de a mezca íquida, n r = f(x) (uso de Exce). 5. Determinar a T eb de un componente puro y de as diferentes mezcas íquida en equiibrio con su fase vapor. 6. Extraer e destiado y medir su índice de refracción (n vap ). 7. Anaizar a evoución de n vap de as diferentes destiados recogidos (fase vapor). 8. Determinar a composición de a fase vapor (fracción moar, y) mediante e caibrado previo. 9. Construir e diagrama de fases temperatura de ebuición-composición para a mezca metano-coroformo (T eb, x, y). 10. Caracterizar e punto azeótropo de a mezca, x = f(y). 11. Comparar e vaor obtenido con e bibiográfico que puede buscarse en una base de datos (p.e Determinar os coeficientes de actividad de os componentes de a mezca (ey de Daton de as presiones parciaes, ey de Raout, ecuación de Antoine, etc.). Fundamentos Los diagramas de fases temperatura de ebuición-composición (T-x) de una mezca binaria de íquidos a presión constante muestran as composiciones de as fases íquida y vapor de a mezca en función de a temperatura a una presión constante dada. Estos diagramas son necesarios cuando se quiere separar ambos íquidos por destiación fraccionada. Laboratorio de Química Física I(09-10), Grupo Innovación, P-7 2

3 En a figura 1 se muestra e diagrama de fases de una disoución idea. En un experimento de destiación a presión constante se caienta a disoución, se extrae vapor y se condensa. E íquido condensado es más rico en e componente más voáti que e íquido origina. La destiación fraccionada repite e cico de ebuición y condensación varias veces hasta obtener e componente puro. Figura1. Diagrama de fases íquido vapor, temperatura frente a composición correspondiente a una mezca idea con A más voáti que B. Existen muchas mezcas de íquidos que no siguen e comportamiento idea. Estas desviaciones pueden generar un pico o un vae en e diagrama T-x, o que tiene consecuencias importantes en e proceso de destiación. Para una desviación positiva de a ey de Raout de magnitud suficiente como para dar un máximo en a curva P frente a x en e diagrama de fases presión-composición a temperatura constante, fig 2(a), obtenemos un mínimo en e diagrama de fases T-x, fig 2(b). De a misma forma una desviación negativa de a ey de Raout produce un máximo en e diagrama T-x. Figura 3. (a) Diagrama de fases íquido-vapor, presión frente a composición, con un máximo. (b) E correspondiente diagrama de temperatura frente a composición. Laboratorio de Química Física I(09-10), Grupo Innovación, P-7 3

4 Cuando en e proceso de destiación fraccionada, de disouciones cuyos diagramas de fases son de tipo representado en a fig 3, se obtiene una mezca cuya composición corresponde a máximo o mínimo de a curva, a evaporación tiene ugar sin cambio de composición. La mezca forma un azeótropo (de griego "ebuición sin cambio"). Una vez acanzada a composición azeotrópica, a destiación no puede separar ambos íquidos, ya que e destiado retiene a composición de íquido. Procedimiento experimenta Antes de comenzar a experiencia conectar: - e refractómetro y e baño termostático a 25 C. - a bomba de agua para refrigerar as coumnas. - e ordenador y e potenciometro 1.- Medir e índice de refracción de una sustancia pura Cuando e refractómetro esté a temperatura constante (no necesariamente 25 C) poner con un cuentagotas unas gotas de metano puro sobre a superficie de prisma de refractómetro. - Medir e índice de refracción de componente puro. PRECAUCIONES EN EL MANEJO DEL REFRACTOMETRO. La superficie de refractómetro debe impiarse y secarse antes de cada medida. No utiizar sustancias u objetos agresivos, pueden rayar a superficie de refractómetro. No debe haber burbujas dentro de prisma 2.-Determinación de a temperatura de ebuición de un componente puro y caibrado de aparato Introducir 20 ml de metano puro en un matraz de 50 ml con 6 ó 7 peras de ebuición y e imán y operar como sigue: 1) Coocar e matraz en e montaje de refujo con a sonda de temperatura. Poner a paca caefactora y a agitación en a posición 1 (agitación moderada y que e imán no toque e termopar). Hacer cick sobre e icono de programa Measure y posteriormente sobre e primer botón de a izquierda en a fia de arriba,, sobre continuar y sobre iniciar a medida. En a pantaa aparecerá un punto de temperatura cada segundo. 2) Cuando a temperatura se mantenga constante durante a menos un cuadrante, se caibra e aparato como sigue: Hacer cick en acabar (finaizar) a medida, iniciar una nueva medida mediante, presionar sobre caibrar (abajo), introducir a temperatura de ebuición de metano puro (ver Datos) y presionar e botón caibrar (cuadro derecha) y OK. Iniciar una nueva medida y comprobar a temperatura de ebuición de metano. Retirar e matraz de fondo redondo de aparato de destiación, quitar a sonda de temperatura y enfriar e matraz en e baño con os tapones de goma puestos. Cuando no esté caiente verter e contenido en e bidón de resíduos recogiendo as peras y e imán. Laboratorio de Química Física I(09-10), Grupo Innovación, P-7 4

5 3.- Construccion de diagrama temperatura de ebuición-composicion Se prepararan sucesivamente dentro de matraz de dos bocas (con peras de ebuición e imán) as siguientes disouciones metano-coroformo: V MeOH (ml) V CH C3 (ml) Con cada una de as disouciones se procede como sigue: 1) Medir e índice de refracción de a disoución. 2) Coocar e matraz en e montaje de refujo con a sonda de temperatura. Poner a paca caefactora y a agitación en a posición 1. Hacer cick sobre e icono de programa Measure y posteriormente sobre e botón, sobre continuar y sobre iniciar a medida. En a pantaa aparecerá un punto de temperatura cada segundo. 3) Cuando a temperatura se mantenga constante durante a menos un cuadrante (apuntar), cerrar a ave de tefón y extraer unas gotas de condensado con a jeringuia sin retirar a aguja, recogero en un via y enfriaro en e baño. Vover a abrir a ave de tefón. Medir e índice de refracción de condensado. 4) Presionar acabar a medida. En a pantaa aparecerá una gráfica reescaada, T = f(t). Hacer cick sobre e botón en forma de cruz,, cuarto por a derecha de a barra de arriba y con e ratón arrastrar por a zona de temperatura constante. Presionar e tercer botón por a izquierda de a barra de abajo,, y aparecerá a temperatura media de a zona señaada. 5) Retirar e matraz de fondo redondo de montaje, extraer e tapón con a sonda de temperatura, coocar otro tapón y refrigerar en e baño. Cuando no esté caiente verter en e bidón de resíduos. 6) Para competar a taba, medir e índice de refracción de coroformo puro y su temperatura de ebuición. Datos: METANOL CLOROFORMO ρ20(gcm -3 ) n M(gmo -1 ) Teb (ºC) Organización de os datos. 1) Construir una taba (taba 1) en a que se indique para cada mezca: e voúmen de metano, e voúmen de coroformo, a fracción moar de as diferentes disouciones metano-coroformo. Incuir en a taba os datos correspondientes a os componentes puros. Laboratorio de Química Física I(09-10), Grupo Innovación, P-7 5

6 2) Incuir en a taba anterior os indices de refracción de as diferentes disouciones, a temperatura a a que se recoge e destiado y e indice de refracción de destiado. Tratamiento de resutados 1) Construir a curva de caibrado composición en función de índice de refracción, x (Me tan o) = f (n ) de as disouciones metano- coroformo. Incuir os puntos correspondientes a os componentes puros. 2) Determinar as fracciones moares de os componentes en a fase gaseosa a partir de a curva de caibrado anterior. Incuir estos resutados en a taba 1. 3) Representar e diagrama temperatura de ebuición-composición. 4) Caracterizar e punto azeótropo. E punto azeotropo se caracteriza porque ambas fases tienen a misma composición. Por tanto, si representamos a fracción moar de una de as fases frente a a fracción moar de a otra e punto azeótropo tiene que estar situado en a recta que une os puntos de igua composición en ambas fases. Para determinar e punto azeotropo se representa para uno de os componentes de a disoución, por ejempo e metano, a fracción moar de una de as fases frente a a fracción moar de a otra. E punto azeotropo será aque en que a curva obtenida intersecta a recta que une os puntos de igua composición en ambas fases. 5) Determinar e coeficiente de actividad de metano y coroformo. Para eo utiizaremos as eyes de Raout y Daton. Una disoución idea se caracteriza porque sigue a ey de Raout P A = P oa x A La ey de Raout nos proporciona a presión de vapor (P A ) de un componente (A) en una mezca binaria en función de a presión de vapor de componente puro (P 0A ) a a temperatura de ebuición de a mezca y a fracción moar ( x A ) de componente en a disoución. En e caso de disouciones reaes aunque a disoución presente una gran desviación de a ey de Raout, esta ey es una buena aproximación para e disovente siempre que a disoución sea diuida. Para disouciones reaes a ey de Raout nos proporciona a presión de vapor (P A ) de un componente (A) en una mezca binaria en función de su coeficiente de actividad (γ A ). P A = P oa a A = P oa x A γ A a A = x A γ A a A = P A P oa P oa P A * Por otra parte a ey de Daton para mezcas de gases ideaes nos proporciona a presión de gas (P A ) en a mezca gaseosa en función de a fracción moar ( x A g ) de componente en a mezca gaseosa y a presión tota de os gases (P T ). Laboratorio de Química Física I(09-10), Grupo Innovación, P-7 6

7 P A = P T x A g Combinando ambas ecuaciones se obtiene a expresión de coeficiente de actividad: γ A = P A P A * xa = (P T x A g ) (P oa x A ) Para determinar e coeficiente de actividad de un componente de a disoución necesitamos conocer: su composición en e equiibrio en ambas fases, a presión tota y a de a presión de vapor de componente puro a a temperatura de ebuición de a mezca. La presión de vapor de un componente puro en función de a temperatura, se puede determinar utiizando a ecuación de Antoine donde P 0A viene expresada en unidades hpa g P oa = A T es a temperatura expresada en grados centígrados. B C + T A, B y C son constantes características de cada componente. A B C CLOROFORMO METANOL ) Contruir una taba, taba 2, en a que se especifique para uno de os componentes, por ejempo metano, su fracción moar en a fase íquida y en a fase vapor y a temperatura de equiibrio. 5.2) Determinar a presión de vapor de metano puro a as diferentes temperaturas. Utiizar a ecuación de Antoine con os vaores de as constantes de a taba anterior. Incuir os datos en a taba ) Determinar e coeficiente de actividad de metano en as diferentes disouciones. Competar con estos vaores a taba 2. Como presión tota tomar a de aboratorio. 5.4) Repetir os apartados 5.1 a 5.3 y determinar e coeficiente de actividad de coroformo. Presentar os resutados en una taba. Laboratorio de Química Física I(09-10), Grupo Innovación, P-7 7