EQUILIBRIO LÍQUIDO VAPOR EN UN SISTEMA NO IDEAL OBJETIVO El alumno obtendrá el punto azeotrópco para el sstema acetona-cloroformo, calculará los coefcentes de actvdad de cada componente a las composcones del líqudo y el vapor en equlbro a dferentes temperaturas de ebullcón y determnará el tpo de desvacón a la ley de Raoult que presenta el sstema. CONSIDERACIONES TEÓRICAS Las dsolucones deales se defnen como aquellas que obedecen la ley de Raoult en todo el rango de concentracones, y la ley de Raoult se defne como: P = Pº x (1) donde es la presón parcal del componente -ésmo en la dsolucón, es la presón de vapor del componente puro y x la fraccón molar de en la dsolucón (líquda). El comportamento deal lo presentan las dsolucones formadas por componentes de naturaleza muy semejante, por ejemplo, benceno y tolueno. En estos casos las presones de vapor de las dsolucones bnaras varían lnealmente con la composcón de la dsolucón líquda, y el vapor sempre es más rco en el componente más volátl. Exsten muchos sstemas bnaros que no se comportan dealmente ya que obedecen la ley de Raoult sólo a concentracones muy bajas y que presentan un máxmo o un mínmo en los dagramas de presón de vapor contra composcón, esto es, exste una composcón a la cual la presón de vapor es máxma o mínma con respecto a la presón de vapor de los componentes puros. Estos puntos presentan tambén la característca de que en el equlbro la composcón del vapor es la msma que la del líqudo, de manera que destlan con la msma composcón. Por este motvo, esos puntos se denomnan puntos azeotrópcos. Los sstemas bnaros que presentan un máxmo o un mínmo en una curva de presón de vapor contra composcón, presentan en consecuenca un mínmo o un máxmo en un dagrama de temperatura de ebullcón contra composcón. Debdo a que el sstema que se utlzará en la práctca es real, y como se requere descrbrlo utlzando la ecuacón de Raoult, entonces esta deberá de modfcarse, ntroducendo un factor de correccón que toma en cuenta las nteraccones ntermoleculares de los componentes que forman la dsolucón, la ecuacón de Raoult (Smth, Ness, & Abbott, 2002) se expresará como: P = P o x (2) 7
donde x es la fraccón molar de en el líqudo, se denomna coefcente de actvdad de y es funcón de la temperatura, la presón y la composcón. La ecuacón (2) se justfca, de algún modo, al consderar que el potencal químco de ( ) en la fase de líquda de un sstema real, está dado por: = o + RT ln a = o + RT ln x (3) donde o es el potencal químco en estado líqudo puro, es el coefcente de actvdad del componente en la dsolucón líquda, x es la fraccón molar de en la solucón líquda, se puede ver que la actvdad a se defne como: a = (4) Para calcular los coefcentes de actvdad de las muestras del líqudo en ebullcón, se recurrrá a la ecuacón (2). La presón parcal en el vapor del componente, P, se encontrará empleando la ley de Dalton de las presones parcales dada por P = y P t (5) donde y es la fraccón molar de en el vapor, la cual se obtene por análss del condensado, y P t es la presón total del sstema (presón barométrca) que se obtene leyendo el barómetro del laboratoro. Las presones de vapor puros de los componentes,, se encontrarán con la ecuacón de Antone, que es una versón modfcada de la ecuacón ntegrada de Clausus - Clapeyron: lnp 0 A B t C (6) donde t la temperatura de ebullcón en C y A, B, C, son parámetros que dependen de la sustanca en estudo. En esta práctca se prepararán dsolucones de acetona y cloroformo de dferente composcón y se calentarán a ebullcón, mantenendo reflujo total con el objeto de producr un sstema en estado estaconaro de composcón constante. Una vez asegurada la constanca en la temperatura de ebullcón, se tomarán muestras del líqudo y del vapor condensado, las cuales se analzarán por refractometría para conocer la fraccón molar de cada componente en cada muestra. Como el método de análss de las muestras del líqudo y vapor condensado en equlbro se basa en la medcón del índce de refraccón, es convenente señalar que dcho índce varía con la temperatura, la presón y la composcón. El efecto de la presón es desprecable tratándose de fases líqudas y el efecto de la temperatura se mnmza s todas las medcones del índce de refraccón se efectúan a la msma temperatura. En estas condcones el índce de refraccón es 8
solo funcón de la composcón (fraccón molar). Utlzando una tabla de conversón de los índces de refraccón a concentracón de cloroformo en fraccón molar se pueden obtener las concentracones de todas las dsolucones analzadas de las dos sustancas tanto en la fase de vapor como en la fase líquda, ver tabla (Red, 1977) o en la seccón de cálculos de esta msma práctca. GUÍA DE ESTUDIOS 1. Cómo se defne una dsolucón deal? 2. Qué es una dsolucón azeotrópca? 3. Qué varables afectan el punto azeotrópco de un sstema dado? 4. Enunce la ley de Raoult. 5. Qué es el coefcente de actvdad? 6. Qué valores tenen el coefcente de actvdad y la actvdad en una dsolucón deal? 7. Qué es el índce de refraccón y de qué varables depende? 8. Explque los tpos de desvacón a la ley de Raoult. 9. Por qué los sstemas bnaros que presentan un máxmo en el dagrama de presón de vapor contra composcón, tenen un mínmo en el dagrama de temperatura de ebullcón contra composcón? 10. Dbuje un dagrama de temperatura de ebullcón contra composcón, para un sstema que presente un punto de ebullcón máxmo y otro que presente un mínmo. MATERIAL Algodón, aparato para destlacón a reflujo total para mcroescala, baño de arena (1), gradlla (1), perla de ebullcón(1), ppeta graduada de 5 ml (2), ppeta graduada de 2 ml (1), ppeta graduada de 1 ml (1), ppeta Pasteur (2), ppeteador (2), placa para calentamento (1), refractómetro, termómetro dgtal (1), tubo de ensaye con tapón de (70 x 10) mm (26), vaso de precptado de 30 ml (2), vdro de reloj (2). REACTIVOS Acetona, cloroformo. 9
PROCEDIMIENTO 1. Coloque sobre un baño de arena el aparato para destlacón. 2. Verta 5 ml de cloroformo y una perla de ebullcón en el matraz de destlacón. Haga recrcular agua por el refrgerante y calente el matraz hasta que el líqudo herva suavemente. Anote la temperatura de ebullcón cuando ésta se mantenga constante. Retre el aparato de destlacón del baño de arena. 3. Agregue 0.4 ml de acetona al matraz de destlacón (no es necesaro ser muy exactos en el volumen). Calente nuevamente hasta alcanzar una ebullcón suave. Anote la temperatura de ebullcón cuando se mantenga constante. 4. Contnúe calentando y tome una muestra de vapor ntroducendo una ppeta Pasteur por el extremo aberto del refrgerante y vacíela en un tubo marcado como V 1, tape nmedatamente el tubo. Retre el aparato para destlacón del baño de arena. 5. Retre el termómetro y tome una muestra de líqudo en el matraz de destlacón con otra ppeta Pasteur y vacíela en un tubo marcado como L 1, tape nmedatamente el tubo. 6. Agregue 0.6 ml de acetona al matraz de destlacón, coloque el termómetro en su lugar y repta el procedmento de calentar a ebullcón, anotar la temperatura y tomar muestras de vapor V 2 y de líqudo L 2 7. Repta el procedmento del punto anteror, pero agregando una porcón de acetona de 0.4mL y una porcón de 0.2 ml. 8. Retre el matraz de destlacón y vacíe su contendo en el frasco de desechos. Monte nuevamente el aparato. 9. Agregue 5 ml de acetona y una perla de ebullcón en el matraz de destlacón. Calente hasta que el líqudo herva suavemente. Anote la temperatura cuando se mantenga constante. Retre el aparato para destlacón del baño de arena. 10. Repta el procedmento de agregar muestra, calentar a ebullcón, anotar temperatura y tomar muestras de vapor V y de líqudo L, pero utlzando una porcón de cloroformo de 2 ml, dos de 1 ml cada una y una de 1.8 ml. 11. Lea y anote la presón barométrca. ÍNDICES DE REFRACCIÓN El refractómetro es un nstrumento valoso, cuya parte más mportante son los prsmas. Su superfce nunca debe rayarse, por lo que debe evtar tocarla con objetos sóldos, como ppetas o tubos de ensaye. Antes de usarlo por prmera vez, debe lmpar suavemente la superfce expuesta de los prsmas con un algodón humedecdo en acetona. El procedmento posteror se detalla a contnuacón. 10
1. Ensaye la lectura del refractómetro ponendo acetona o cloroformo puros en cantdad sufcente para cubrr la parte expuesta del prsma nferor y cerre el conjunto de prsmas. 2. Busque la poscón del refractómetro que produzca una mejor lumnacón del campo. 3. Gre los botones del refractómetro hasta lograr una separacón nítda entre campos claro y oscuro (dealmente blanco y negro dvddos por una recta horzontal). 4. Gre el botón nferor del refractómetro hasta que la línea dvsora entre los campos claro y oscuro pase por el punto de cruce de las líneas en forma de X. 5. Lea cudadosamente el índce de refraccón en la escala apropada. Observe que puede leer con segurdad 5 cfras sgnfcatvas. 6. Mda los índces de refraccón de todas las muestras tan pronto como sea posble. Anote cudadosamente sus lecturas. 7. Recolecte los resduos obtendos en el expermento en un contenedor debdamente rotulado. TRATAMIENTO Y DISPOSICIÓN DE RESIDUOS Los resduos de la mezcla acetona-cloroformo se almacenan para su posteror confnamento. 11