PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE FACULTAD DE QUIMICA DEPARTAMENTO DE QUIMICA FISICA

EXPERIENCIA J-1

EQUILIBRIO LIQUIDO-LIQUIDO DE DOS COMPONENTES OBJETIVO Determinar la temperatura crítica y el efecto de los aditivos sobre ésta, en el sistema fenol-agua. TEORIA La miscibilidad parcial o la inmiscibilidad completa de un par de líquidos, está muy relacionada con la aplicabilidad de la Ley de Raoult.

PA = A

PoA

Así, si los componentes de una mezcla binaria presentan desviación positiva a la Ley de Raoult, entonces, el sistema como un todo presentará desviación positiva a esta ley. Cuando esta desviación es muy grande, se produce el fenómeno de miscibilidad parcial. De acuerdo a las reglas de las fases, un líquido puro en equilibrio con su vapor constituye un sistema univariante; si se agrega una pequeña cantidad de una segunda sustancia que sea capaz de disolverse en la primera, se forma un sistema bivariante (se tienen dos componentes y dos fases). A temperatura constante se podría variar la presión del vapor y la composición de la solución, o bien, si la composición de la solución permanece constante, se podría alterar la temperatura y la presión. Al agregar mayor cantidad del segundo componente líquido, la solución líquida puede permanecer en un comienzo homogénea, pero al alcanzar una composición determinada la solución se satura y se producen dos fases líquidas. Teniendo en cuenta que hay tres fases presentes en equilibrio, el sistema es univariante; a una temperatura determinada la concentración de los componentes, tanto en las dos fases líquidas como en el vapor, tienen un valor definido. La adición de uno de los componentes no altera las concentraciones o la presión, pero puede causar un cambio en la cantidad relativa de las fases. Las dos fases líquidas pueden considerarse, una como solución del componente 1 en el componente 2 y la otra, como solución de 2 en 1. Si se retira la fase vapor y la presión sobre los dos líquidos se mantiene constante (presión atmosférica), el sistema será univariante y a cada temperatura corresponderá una concentración definida de los componentes en las fases líquidas. La adición de un exceso de uno de ellos alterará la cantidad relativa de las dos soluciones. Si la temperatura cambia, la composición de las soluciones debe cambiar, obteniéndose dos curvas de solubilidad; una muestra la solubilidad de 1 en 2 y la otra de 2 en 1. Las dos soluciones, que a una temperatura determinada coexisten en equilibrio, se llaman “soluciones conjugadas”. La temperatura a la cual dos soluciones conjugadas se vuelven idénticas, se llama “temperatura crítica de solución” o “temperatura consoluta” (Tc) y la composición de esta solución es la “composición crítica o

consoluta” ( c).

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Diagrama T vs para un sistema líquido-líquido

con temperatura consoluta superior.

1,0

1

cT

T

L

c0

12

1

Como se ha visto, a una presión determinada, Tc es un punto perfectamente definido; sin embargo, ésta se ve

alterada al agregar un tercer componente (impureza) soluble en uno o en ambos líquidos parcialmente miscibles. Cuando el tercer componente es soluble sólo en uno de los dos líquidos, la solubilidad de este último disminuye y la temperatura a la cual el sistema se vuelve homogéneo aumenta en el caso de líquidos con Tc superior o disminuye en el caso inverso. Este aumento o disminución depende no sólo de la naturaleza

y la cantidad de la sustancia agregada, sino que también de la composición de la mezcla. Cuando la tercera sustancia se disuelve en ambos líquidos, el efecto sobre Tc depende de la solubilidad

relativa de éste en los líquidos. Si la solubilidad es muy diferente en ambos líquidos, una Tc superior

aumentará y una Tc inferior disminuirá en una proporción mucho mayor que en el caso de solubilidad en uno

de los líquidos. Sin embargo, si la solubilidad en ambos líquidos es similar, la miscibilidad aumentará y por lo tanto, la Tc superior disminuirá y la Tc inferior aumentará.

PARTE EXPERIMENTAL a) Determinación de la temperatura crítica de la disolución Dentro de 7 tubos de ensayo, secos y pesados, pese: 0,5 - 1,0 - 1,5 - 2,0 - 2,5 - 3,0 y 3,5 g de fenol

( 0,1 mg). A cada tubo etiquetado, agregue agua hasta completar aproximadamente 5 g. Pese

nuevamente ( 0,1 mg). Coloque los tubos en un baño de agua a aproximadamente 40 °C y aumente la temperatura a la cual el

contenido se aclara. Cuando todas las mezclas estén claras, deje que la temperatura baje lentamente, anote la temperatura a la cual se vuelven turbios nuevamente.

b) Efecto de aditivos sobre la temperatura crítica Prepare 3 muestras que tengan la composición crítica y a cada una agregue uno de los siguientes

compuestos: KCl, naftaleno y ácido succínico en concentración 0,1 M. Determine la nueva temperatura a la cual cada mezcla se vuelve clara. RESULTADOS Haga una tabla de datos con la composición de cada mezcla y la temperatura a la que la mezcla se enturbia y aclara. Haga un diagrama temperatura promedio frente a la composición y de éste determine la temperatura y la composición crítica de la disolución. DISCUSION 1) Determine el número de grados de libertad para el sistema en cada región del diagrama. 2) Dé cuenta del efecto de los aditivos en la temperatura crítica de la disolución. 3) ¿Qué es una línea de enlace?

3 4) Dibuje una línea de enlace en su gráfico y para un punto determinado demuestre que la relación de las

cantidades de cada fase formada viene dada por el inverso de la relación de las distancias. 5) Determine, a partir de su gráfico, las composiciones y masas de cada fase a 60 °C para una de las

soluciones preparadas BIBLIOGRAFIA 1. Prigogine and Delay, “Chemical Thermodynamics”, Longmans Green and Co., London (1954). 2. Findlay, A., “The phase rule and its applications”, Dover Publications, Inc. (1951). 3. Ellis. R.B., “Laboratory Manual in Physical Chemistry”, Ed. Mc Graw-Hill (1953), 51-54.