DIAGRAMA DE SOLUBILIDAD

TABLA DE CONTENIDO

Pág.

1. Resumen .............................................................................................1

2. Introducción ........................................................................................2

3. Principios teóricos ..............................................................................3

4. Detalles experimentales ......................................................................5

5. Tabulación de datos y resultados experimentales................................7

6. Ejemplo de cálculos ..........................................................................10

7. Análisis y discusión de resultados ....................................................13

8. Conclusiones y recomendaciones .....................................................14

9. Bibliografía........................................................................................15

10. Apéndice............................................................................................16

Cuestionario.............................................................................16

Gráficos ..................................................................................19

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1. RESUMEN

Esta practica abarcara las relaciones de solubilidad del sistema de tres

componentes como lo son el N-Butanol - ácido acético - agua, se trazó el

diagrama de equilibrio y se construyó la curva de solubilidad (binodal) para una

temperatura dada, luego se trazó la línea de reparto y por ultimo se determinó

las composiciones de los puntos críticos y máximos.

La presente práctica experimental se realizo a condiciones de laboratorio

de 20º C de temperatura, 756 mmHg de presión atmosférica y 92% de

humedad relativa.

El procedimiento experimental a llevarse a cabo para lograr cumplir los

objetivos anteriormente planteados se dividen en dos partes, la primera parte,

para la construcción de la curva binodal, se preparan 4 soluciones que

contenían 10-15-20-25 % de ácido acético en agua y se tituló con N-Butanol,

luego se prepararon 4 soluciones que contenían 10-20-30-40% de ácido acético

en N-Butanol y se tituló con agua, a partir del punto final de la titulación se

calculó cada una de las composiciones en peso de cada solución, con ellas se

trazó la curva de solubilidad. La segunda parte se preparó una mezcla con

cantidades conocidas de N-Butanol, ácido acético y agua, en una pera de

decantación, se separó las capas formadas, a continuación se tomara una

muestra de cada disolución y se tituló con hidróxido de sodio. Con el porcentaje

en peso de ácido acético de cada fase se proyectan las líneas de unión del

sistema, que es la línea de reparto. Con el diagrama completo se determinó el

punto máximo y el punto critico isotérmico del sistema.

Los diagramas de líquidos ternarios son de considerable valor en

problemas de separación y extracción con solventes y gracias a ellos es posible

deducir si la separación buscada puede realizarse y en cuales condiciones de

operación para lograr resultados óptimos.

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2. INTRODUCCION

Es posible tratar todos los equilibrios heterogéneos desde un punto de

vista unificado por medio del principio conocido como Regla de las Fases, con

el cual él numero de variables a que se encuentra sometido un equilibrio

heterogéneo cualquiera, queda definido bajo ciertas condiciones experimentales

definidas. En los casos de sistemas de tres componentes se conviene fijar la

temperatura y presión variando solamente las composiciones del sistema; la

manera de representar este sistema es mediante la utilización de un triangulo

equilátero donde cada uno de sus vértices indica uno de los componentes

puros, en cada lado se lee la composición del sistema ternario.

El que un sistema sea completamente miscible resulta relativamente

raro. Es frecuente, por el contrario, encontrarse miscibilidad parcial en uno, dos

o los tres pares de líquidos. En el sistema N-Butanol - ácido acético - agua, el

agua y el N-Butanol son parcialmente miscibles como se puede observar en la

grafica del diagrama de solubilidad para este sistema ternario a temperatura y

presión constantes.

El ácido acético es miscible tanto con el agua como con el N-Butanol, por

lo que en base a esto se determina la línea de reparto. Cuando dos líquidos son

parcialmente miscibles o inmiscibles es evidente que el comportamiento de uno

con respecto al otro dista mucho de ser ideal. Un tercer componente soluble en

ambos puede comportarse idealmente si se encuentra suficientemente diluido

en las dos fases. En estas condiciones puede aplicarse la ley de reparto. Luego

de esto se determina los puntos máximos de solubilidad del agua y N-Butanol

que son parcialmente miscibles.

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3. PRINCIPIOS TEÓRICOS

3.1 SISTEMA DE TRES COMPONENTES

En un sistema de tres componentes, los grados de libertad son

Si el sistema consta de una sola fase, se necesitan cuatro

variables para describirlo, que pueden tomarse convenientemente como T, p,

x1, x2. No es posible dar una representación gráfica en tres dimensiones y

mucho menos en dos. En consecuencia, es costumbre representar el sistema a

temperatura y presión constantes. Los grados de libertad son por consiguiente,

F = 3-P, de modo que el sistema tiene como máximo dos variables de

composición x1, x2 y x3, relacionados mediante x1 + x2 + x3 = 1. Especificando

dos de ellas se fija el valor de la tercera. El método de Gibbs y Roozeboom

emplea un triángulo equilátero para la representación gráfica. La figura 1 ilustra

el método. Los puntos A, B y C de los vértices del triangulo equilátero

representan el 100% de A, 100% de B y 100% de c. Las líneas paralelas a AB

representan los varios porcentajes de C. Cualquier punto de la línea AB

representa un sistema que contiene el 0% de C. Cualquier punto sobre xy

representa un sistema que contiene 10% de C, etc.

3.2 EQUILIBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO

Se hace un análisis de dos líquidos parcialmente miscibles cuando se

agrega un tercero, soluble en ambos, el sistema formado consistirá en dos

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Fases. Dentro del triángulo, tales sistemas son representados por una

curva binodal. Los puntos en el interior de la región delimitado para la curva

representan los sistemas de dos fases, y los puntos de esta región representan

los sistemas homogéneos. Por consiguiente, los puntos en la curva representan

la frontera entre estas dos situaciones.

Al lado de la base al triángulo, las dos fases poseen la composición

suficientemente diferente: uno de ellos rico en el componente B y la otra pobre

en C, y a otro rico en C y la otra pobre en B. Se forma una única fase, lo que

ocurre en un punto, el Punto llamado Pliegue. Esto ocurre porque, al alejarse la

base, nosotros estamos aumentando la cantidad del agregado al sistema, lo de

que no sólo provoca el aumento del porcentaje, sino el aumento de la

solubilidad mutua de B y C.

Experimentalmente, el diagrama ternario de fase se ha hecho para

mezclas conocidas de 2 líquidos miscibles y se agrega volúmenes conocidos de

un tercer líquido hasta que la turbidez aparezca. Calculando los fragmentos

molares de cada componente en el momento dónde la turbidez aparece, los

puntos en el diagrama son determinados y permite el trazado del diagrama el

sistema en cuestión.

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4. DETALLES EXPERIMENTALES

MATERIALES Y REACTIVOS

- Materiales : 8 erlenmeyers de 125 mL con tapón, 3 erlenmeyers de 100

mL con tapón, 4 buretas de 25 mL, 4 vasos de 100 mL, 1 pera de

decantación, dos tubos medianos con tapón, pipetas volumétricas de 1 y

5 mL, pipetas de 1, 5 y 10 mL, gradilla.

- Reactivos : n-butanol, ácido acético, solución de NaOH ≈ 1N,

fenolftaleina.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Determinación De La Curva De Solubilidad

Primero se lavó y se secaron en la estufa todo el material de vidrio. Luego

en 4 erlenmeyers de 125 mL, se preparó 10 mL de soluciones que contenían

10, 15, 20 y 25 % en volumen de ácido acético en agua, manteniendo

tapado los erlenmeyers luego de cada adición. Se tomaron las temperaturas

iniciales de cada componente puro. Y por otro lado se preparó en 4

erlenmeyes de 125 mL, se preparó, 10 mL de soluciones de 10, 20, 30 y 40

% en volumen de ácido acético en n-butanol, manteniendo tapado los

erlenmeyers luego de cada adición. La temperatura inicial del n-butanol puro

fue 20º C.

Posteriormente se titularon los dos grupos de soluciones preparadas, el

primer grupo ácido acético-agua se tituló con n-butanol y el segundo grupo

ácido acético n-butanol se tituló con agua, esta titilación se realizó hasta la

primera aparición de turbidez. Manteniéndose tapado los erlenmeyers

durante la saturación. Se anotaron los volúmenes gastados

respectivamente.

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Valoración De Solución NaOH ≈ 1N

Primero se pesó un erlenmeyer vacío de 100 mL con tapón y seco, luego se

añadió 1 mL de ácido acético, se tapó y se volvió a pesar. Por último se

tituló el ácido con la solución de NaOH, se usó la fenolftaleina como

indicador.

Determinación de la Línea de Reparto

Primero se preparó en la pera de decantación 20 mL de una mezcla que

contenía 10% de ácido acético, 45% de n-butanol y 45% de agua y se

procedió a agitar fuertemente la mezcla y se dejó separar las dos fases, la

fase orgánica en la parte superior y la fase inorgánica en la parte inferior.

Luego se pesó dos erlenmeyers secos con su respectivo tapón. Se recibió

en dos tubos de ensayo las dos fases por separado y se taparon, luego se

midió con las pipetas volumétricas cada muestra y se colocaron en cada

erlenmeyer y se llevó a pesar previamente tapado. Por último se titularon

ambas muestras con la solución valorada de NaOH usando indicador

fenolftaleina, hasta coloración grosella.

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5. TABULACION DE DATOS Y RESULTADOS

TABLA 1: Condiciones experimentales

PRESION (mmHg) TEMPERATURA(ºC) H. R. (%)

756 20 92

TABLA 2: Soluciones de Ácido Acético en agua y tituladas con n-butanol

SUSTANCIA 10%W 15%W 20%W 25%W

Ácido acético 1.0 1.5 2.0 2.5

Agua 9.0 8.5 8.0 7.5

n-butanol 1.5 2.2 4.3 7.4

TABLA 3: Soluciones de Ácido Acético en n-butanol y tituladas con agua

SUSTANCIA 10%W 20%W 30%W 40%W

Ácido acético 1.0 2.0 3.0 4.0

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n-butanol 9.0 8.0 7.0 6.0

Agua 3.6 8.8 10.9 21.0

TABLA 4: Densidades teóricas de las sustancias en su respectiva temperatura

de estado puro

SUSTANCIA T(o C) ρ(g/mL)

Ácido acético 20 1.0492

n-butanol 20 0.8097

Agua 18 0.9986

TABLA 5: Porcentaje en peso de cada sustancia presente en las soluciones de ácido

acético en agua, tituladas con n-butanol

10%V 15%V 20%V 25%V

Sustancia W(g) %w W(g) %W W(g) %W W(g) %W

Ácido Acético 1.0492 9.33 1.5738 13.29 2.0984 15.46 2.6230 16.29

Agua 8.9874 79.88 8.4881 71.67 7.9888 58.88 7.4895 46.51

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n-butanol 1.2146 10.80 1.7813 15.04 3.4817 25.70 5.9918 37.21

TABLA 6: Porcentaje en peso de cada sustancia presente en las soluciones de ácido

acético en n-butanol, tituladas con agua

10%V 20%V 30%V 40%V

Sustancia W(g) %w W(g) %W W(g)%W W(g) %W

Ácido Acético 1.0492 8.79 2.0984 12.08 3.1476 15.98 4.1968 13.98

n-butanol7.2873 61.08 6.4776 37.31 5.6679 28.77 4.8582 16.18

Agua3.5950 30.13 8.7877 50.61 10.8847 55.25 20.9706 69.84

TABLA 7: Titulo en gramo de ácido acético por mL de NaOH

W(g) V(mL)

Matraz vació 46.7752 Ácido acético 1.0

Matras + ácido acético 47.8350 NaOH gastado 16.8

Ácido acético 1.0598 Titulo (g HAc/mLNaOH) 0.0631

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TABLA 8: Mezcla para determinar el coeficiente de reparto

Sustancia V(mL) W(g) %W

Ácido Acético 2.0 2.0984 11.42

n-butanol 9.0 7.2873 39.66

Agua 9.0 8.9874 48.92

TABLA 9: Determinación de la línea de reparto

FASE ACUOSA FASE ORGANICA

WMUESTRA (g) 4.9591 4.4349

VNaOH (mL) 8.1 9.5

WAC. ACETICO (g) 0.5111 0.5994

%WAC. ACÉTICO 10.31 13.52

6. EJEMPLO DE CALCULOS

A. Calculo del porcentaje de cada componente de las mezclas

ÁCIDO ACETICO EN AGUA:

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SI:

LUEGO:

- Cálculo del peso de cada componente:

VAC. ACETICO = 1.0 mL;

VAGUA = 9.0 mL;

VN-BUTANOL = 1.5 mL;

- Cálculo del porcentaje en peso de cada componente:

B. Titulo en gramo de ácido acético por mL de NaOH

W (ácido acético) = 1.0598 g

V (NaOH gastado) = 16.8 mL

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Luego:

C. Composición global de la mezcla

- Cálculo del peso de cada componente:

VAC. ACETICO = 2.0 mL;

VAGUA = 9.0 mL;

VN-BUTANOL = 9.0 mL;

- Cálculo del porcentaje en peso de cada componente:

D. Determinación de los porcentajes en peso del ácido acético para la determinación de la línea de reparto

- FASE ACUOSA:

Si:

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V (NaOH gastado) = 8.1 mL

W (muestra) = 4.9591 g

Luego:

- FASE ORGANICA:

Si:

V (NaOH gastado) = 9.5 mL

W (muestra) = 4.4349 g

Luego:

7. ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS

Luego de ubicar los porcentajes en peso de cada mezcla en el

diagrama triangular, se observa que este es un sistema de tres líquidos: n-

butanol-ácido acético-agua, donde el ácido acético con el butanol son

completamente miscibles, así como el ácido acético con el agua, mientras

que el agua y el n-butanol son parcialmente miscibles.

Para trazar la curva binoidal, se mezclo cantidades conocidas de los

líquidos miscibles, luego se mezclo con el tercer componente (titilación)

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DIAGRAMA DE SOLUBILIDAD

hasta homogeneidad, que es ligeramente turbio, los porcentajes en peso de

cada componente dan un punto que pertenece a la curva, luego de ubicar

todos los puntos se trazó la curva completa.

La curva trazada representa un arco binoidal donde toda mezcla de

los tres líquidos que esta dentro de la curva dará como resultado la

formación de dos capas saturadas, una acuosa y la otra orgánica, formando

mezclas ternarias conjugadas.

El agua y el n-butanol que son parcialmente miscibles, al mezclarse

en el equilibrio habrán dos capas conjugadas cuyas composiciones están

representados por los puntos a y b, que son los puntos de máxima

solubilidad, es decir, el punto a representa la máxima solubilidad del agua en

el n-butanol y el punto b representa la máxima solubilidad del n-butanol en

agua.

Para obtener la línea de reparto se mezclaron tres cantidades

definidas (punto x) luego de haber alcanzado el equilibrio y separado las

capas y obtener el porcentaje en peso de ácido acético en cada capa se

llevó a la grafica, uniendo estas dos líneas se obtuvo la línea de reparto y el

punto x pertenece a esta línea, aunque este fuera de esta línea, lo

importante es la tendencia a alcanzar este criterio, la ligera desviación se

debe a errores sistemáticos.

8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

CONCLUSIONES

El sistema ternario n-butanol-ácido acético-agua forma sistemas con un par

de ellos parcialmente miscibles, en este caso el n-butanol y agua.

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Por encima de la curva binoidal, se obtendrá una solución de una fase

líquida.

Manteniendo la temperatura y la presión constantes para este sistema, los

grados de libertad dentro de la curva binoidal será uno, y en cambio por

encima de esta curva son dos los grados de liberta, el otro se obtiene

automáticamente.

Existieron errores sistemáticos en cuanto a la pesada de ácido acético para

el titulo, por ello se considero la masa con respecto a la densidad a 20º C.

RECOMENDACIONES:

Al momento de titular para obtener la turbidez, se debe tener en cuenta el

punto exacto, porque pasa do este punto la turbidez desaparece y se

obtiene datos erróneos.

Después de cada operación se de tapar los matraces, porque de lo contrario

las sustancias volátiles perderían su concentración inicial, siendo en base a

esta concentración la realización del grafico.

Para entender mejor el experimento seria importante la realización de este a

distintas temperaturas.

9. BIBLIOGRAFIA

F. D. Ferguson, “La Regla de Las Fases”, 1ª Edición, Editorial

Alhambra, España, 1977. Pgs. 85-96.

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Castellan G., “Fisicoquímica”, 2a Ed., Ed. Addison Wesley Longman

S. A., México, 1998. Pgs. 358-361.

Jhon H. Perry, “Chemical Engineers Handbook”, Third Edition, Mc

Graw Hill Book Company Inc., USA, 1950, Pgs. 187, 193.

Lange, Norbert Adolph, “Handbook of Chemistry”, 10a Ed.,Mc Graw

Hill, New York, 1967, Pg. 1632.

Glasstone, Samuel “Tratado de Química Física”, 1era Ed., España,

1979, Pgs. 710-717.

http://www.monografias.com/trabajos14/sistemas-ternarios/sistemas-

ternarios.shtml

http://tools.search.yahoo.com/language/translation/

translatedPage.php?tt=url&text=http%3a//www.marvial.hpg.com.br/

engqui/topicos/fisqui17.html&lp=pt_en

10. APENDICE

CUESTIONARIO

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1. Indicar las ventajas y desventajas que ofrece el diagrama de Roozebon.

Ventajas:

- Se puede usa el sistema para un sistema de tres componentes para

diferentes temperaturas, las que al elevar la temperatura aumenta las

solubilidades de los componentes.

- Se puede analizar sistemas: dos pares líquidos miscibles parcialmente y

tres pares de líquidos miscibles parcialmente teniendo temperatura y

presión fijados.

- Nos permite saber las composiciones de las sustancia en una mezcla

determinada y usando un método de separación.

Desventajas:

- Se usa con mayor precisión para fases liquidas, ya que al haber tres

fases tres fases liquidas y tres sólidas, solo cuatro de estas estarán en

equilibrio temperatura y presión fijadas. Por ello se supondrá que no hay

fases sólidas.

- Solo es aplicable a sustancias ya establecidas dependiendo de su

naturaleza y la temperatura a que se trabaja.

- Hay tendencia a que por hidrólisis se formen cantidades minúsculas de

productos gelatinosos.

- Sistema de dos sales y agua solo se analiza cuando dichas sales

presentación común.

2. Describa tres procesos químicos a nivel industrial, donde tiene aplicación los criterios del diagrama de solubilidad.

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a) Contacto sencillo: Extracción de ácido acético y benceno utilizando

agua.

b) Contacto múltiple: Tiene varias entradas de solventes a medida que

avanza la mezcla de ácido acético y benceno, para recuperar más

productos derivados.

c) Extracción con reflujo: extracción de metil ciclo hexano de una mezcla

de metil a ciclo hexano y n-heptano usando solvente como anilina.

Extracción de nicotina en solución acuosa con kerosene como

agente de extracción (solvente).

Extracción de estireno con solución etilbenceno utilizando como

disolvente dietilenglicol.

Uso para la separación de algunos productos obtenidos en

desintegración nuclear y para lograr separación del plutonio del

uranio.

Se usa en proceso de metalurgia; fundición de metales, ejemplo:

plomo, plata, zinc. Plomo y plata, zinc y plata son miscibles

completamente, pero plomo y zinc parcialmente, cuando se

funden forman dos capas, una consiste en plomo y la otra en zinc.

3. Explique la regla de Tarasenkov.

Por la regla empírica de Tarasenkov, las prolongaciones de todas las

líneas de conexión en los diagramas de este tipo, en muchos casos se

cortan en un punto. Una de las líneas de conexión se encuentra en las

prolongaciones de uno de los lados del triangulo. Determinando las

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DIAGRAMA DE SOLUBILIDAD

composiciones, aunque no sea más que un par de soluciones

conjugadas, por ejemplo x e y, se puede encontrar el punto b y por el

mismo construir el sistema de conexión para la zona de separación en

capas. Trazando desde el punto b una tangente a la curva pxyq,

obtenemos el punto a, correspondiente a la composición en que el

sistema se hace homogéneo a la temperatura dada (figura 2). La regla

de Tarasenkov esta lejos de cumplirse para todos los sistemas.

dfdsfdsfsdfffffffffffffffff

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