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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