Laboratorio de Equilibrio Ternario Termodinamica Quimica II

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EXPERIENCIA N°1 DE TERMODINÁMICA QUÍMICA II – EQUILIBRIO TERNARIO P.A. Cuello, R.A. Domínguez, A.A. Movilla, J.C. Pertuz, J.S Barrios. Facultad de ingeniería, Ingeniería Química, V semestre Universidad del Atlántico, Km 7 Antigua vía a Puerto Colombia, espacio 205A, A.A. 1890, Barranquilla, Colombia OBJETIVOS Objetivo General Estudiar el comportamiento de un sistema ternario de tipo I, donde dos componentes son insolubles o parcialmente solubles entre si y el tercero es miscible con los dos anteriores. Objetivos específicos Determinar el efecto de la adición a mezclas de dos componentes parcialmente solubles entre si de un tercero miscible con los anteriores. Determinar los puntos de doblez o puntos críticos de los sistemas estudiados. Determinar con los datos obtenidos experimentalmente la curva binodal.

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Experiencia de laboratorio de equilibrio ternario del sistema ácido acético, acetato de etilo y agua, con procedimiento, resultado y discusión y conclusiones.

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EXPERIENCIA N1 DE TERMODINMICA QUMICA II EQUILIBRIO TERNARIOP.A. Cuello, R.A. Domnguez, A.A. Movilla, J.C. Pertuz, J.S Barrios.Facultad de ingeniera, Ingeniera Qumica, V semestre

Universidad del Atlntico, Km 7 Antigua va a Puerto Colombia, espacio 205A, A.A. 1890, Barranquilla, Colombia

OBJETIVOS

Objetivo General

Estudiar el comportamiento de un sistema ternario de tipo I, donde dos componentes son insolubles o parcialmente solubles entre si y el tercero es miscible con los dos anteriores.

Objetivos especficos

Determinar el efecto de la adicin a mezclas de dos componentes parcialmente solubles entre si de un tercero miscible con los anteriores. Determinar los puntos de doblez o puntos crticos de los sistemas estudiados. Determinar con los datos obtenidos experimentalmente la curva binodal.

MARCO TERICO

Un sistema ternario es un sistema de tres componentes, generalmente esta denominacin se le da a los sistemas en el que por lo menos dos componentes son lquidos parcial o totalmente inmiscibles. Estos sistemas tienen una importante aplicacin en la ingeniera como lo es la extraccin liquido-liquido en la cual un soluto disuelto en un solvente es extrado poniendo en contacto la solucin con un segundo solvente inmiscible con el primero.

Las coordenadas triangulares equilteras son ampliamente utilizadas para describir grficamente las concentraciones en sistemas ternarios. Una de las propiedades de un tringulo equiltero es que la suma de las distancias perpendiculares desde cualquier punto dentro del tringulo hasta cualquiera de los tres lados, es igual a la altura del tringulo. Por lo tanto, considerando la altura como la concentracin al 100% y las distancias a los lados los porcentajes o fracciones de los tres componentes. Los vrtices del tringulo representan compuestos puros, un punto sobre un lado correspondera a una mezcla binaria y un punto en el interior del tringulo representara una mezcla ternaria. La composicin de una mezcla puede determinarse por lectura directa en el diagrama. La concentracin de los componentes en el diagrama se muestra como fraccin molar o fraccin msica. En el presente trabajo se obtuvieron diagramas del tipo I, es decir, solamente con un par de lquidos parcialmente miscibles.

En los sistemas ternarios tipo I los dos disolventes implicados son inmiscibles o parcialmente inmiscibles entre s. Es decir, su mezcla en las proporciones adecuadas puede dar lugar a la formacin de dos fases. Adems, la presencia de un soluto modifica la solubilidad de un disolvente en otro.

Figura 1. Diagrama de equilibrio ternario ABC. Representacin de coordenadas equilteras.

Para representar este comportamiento, y poder conocer si a una determinada mezcla le corresponden una o dos fases, los diagramas triangulares lquido-lquido presentan la denominada curva binodal o de solubilidad (Figura 2). Una mezcla representada por un punto situado por encima de la curva binodal estar constituida por una sola fase. Por el contrario, a una mezcla situada por debajo de la curva binodal le corresponden dos fases. Las dos fases en equilibrio se encuentran ligadas por una recta de reparto. La recta de reparto pasa por el punto mezcla y sus extremos sobre la curva binodal indican la concentracin de las dos fases en equilibrio (Figura 2).

Figura 2. Diagrama de equilibrio ternario para un sistema tipo I.

METODOLOGA EXPERIMENTAL Para la determinacin de la curva binodal de un sistema de equilibrio ternario, se debe reconocer cules son las dos sustancias que son consideradas inmiscibles entre ellas para efectos prcticos (es decir, tienen una miscibilidad pequea), y que al mismo tiempo son completamente miscibles con una tercera. En la experimentacin del laboratorio, se trabaj con acetato de etilo, agua y cido actico glacial, para este caso, el acetato de etilo y el agua son sustancias inmiscibles entre s, y completamente miscibles con el cido actico glacial.Empleando tubos de ensayo, se preparan distintas muestras entre los dos componentes inmiscibles o parcialmente miscibles para tener un rango de datos mayor; para establecer una comparacin ms precisa se toma un volumen total fijo de la mezcla, y se comienzan a variar las composiciones de agua y acetato de etilo, respectivamente. Cuando se lleva a cabo la preparacin de las mezclas acetato de etilo-agua se observa la formacin de las fases, siendo la fase inferior la fase acuosa; cada vez que se agita la mezcla se forma una turbidez momentnea, a la cul le sigue la regeneracin de la interfase. Despus de tener las respectivas mezclas, se titula con una bureta cido actico glacial; al agregar poco a poco ste tercer componente, ocurren cambios entre los dos componentes inmiscibles, ya que el agregar cido actico glacial, tanto una parte de agua como una parte de acetato de etilo empiezan a solubilizarse con el titulante.Se busca establecer el estado en que las tres sustancias juntas forman una sola fase; ste efecto se determina cuando al agitar vigorosamente, desaparece la turbidez.

RESULTADOSDe los valores de volumen empleado del titulante cido actico para llevar las diversas mezclas de acetato de etilo y agua de composicin conocida hasta el punto de doblez se generan los datos registrados en la tabla 1. Los volmenes de agua y acetato de etilo fueron determinados y escogidos de modo que se ajustaran a porcentajes en volumen de agua cuya variacin fuese del 10%. De este modo el valor 1 de la tabla 1 corresponde inicialmente a una mezcla de agua y acetato de etilo con 10% de volumen de agua, a la que posteriormente se le agrega cido actico, de modo que las concentraciones cambian, pero con volmenes conocidos de agua y acetato. Lo anterior se aplic para todos los dems valores, de modo que las composiciones iniciales de las disoluciones en funcin del porcentaje de volumen de agua, antes de agregar el acido actico son mltiplos de 10. Para el caso concreto de las condiciones ambientales a la que la experiencia se llevo a cabo, se estima una presin de 1 atm debido a la cercana al nivel del mar, y una temperatura de 29,7C determinada por la utilizacin del termmetro dentro del laboratorio. TABLA 1.

Medidas volumtricas

MuestraVolumen Agua (ml)Volumen Acetato de etilo (ml)Volumen cido actico (ml)

10,807,201,40

21,606,401,50

32,405,602,10

44,004,002,40

55,602,402,10

66,401,601,50

77,200,801,10

85,000,300,00

90,605,000,00

Observacin. Las dos ltimas filas se refieren a las medidas del punto de doblez para la lnea acetato de etilo-agua. La temperatura de trabajo es de 29.7C aprox. La presin es de 1 atm aprox.

DISCUSINLa ubicacin de la curva binodal (lnea que resulta de unir los puntos de doblez de diferentes composiciones) depende de las sustancias que se mezclan, su cantidad, concentracin y propiedades particulares, y de las condiciones ambientales presentes, siendo la presin y la temperatura factores importantes a tener en cuenta ya que las partculas se harn mayormente solubles o tendern a separarse en distintas fases segn estos parmetros. Empleando los valores de las densidades de los tres componentes mencionados se convierten esas magnitudes volumtricas encontradas en la experiencia en magnitudes de masa, las cuales se muestran en la tabla 2. Este ltimo paso se realiza para determinar el porcentaje peso-peso ya que los volmenes no se pueden considerar aditivos pues las interacciones intermoleculares de compuestos diferentes provocan un cambio en el volumen total que en muchos casos no ser el mismo si se calcula como la sumatoria de los volmenes de cada componente y esto en consecuencia afectaran las relaciones porcentuales, caso que no ocurre para la masa, ya que la masa total es la sumatoria de las masas de las sustancias que componen el sistema, apoyndose en el principio de conservacin de masa y energa. Al realizar los respectivos cocientes de la masa de la sustancia respecto a la masa total y multiplicar por cien se determina el porcentaje masa a masa de los componentes del sistema para cada muestra. A continuacin se muestran estas operaciones.TABLA 2.

Medidas msicas

MuestraMasa Agua (g)Masa Acetato de etilo (g)Masa cido actico (g)

10,806,461,47

21,605,741,57

32,405,022,20

44,003,592,52

55,602,152,20

66,401,441,57

77,200,721,15

85,000,270,00

90,604,490,00

Observaciones. Las densidades empleadas para la conversin fueron de 1g/ml para el agua, 0,897g/ml para el acetato de etilo y 1,049g/ml para el cido actico.

Para muestra 1:Masa total: 0,80g + 6,45g + 1,47g = 8.72g%m/m Agua= %m/m Acetato de etilo= %m/m cido actico=

Para muestra 2:Masa total: 1,60g +5,74g + 1,57g = 8,91g%m/m Agua= %m/m Acetato de etilo= %m/m cido actico= Para muestra 3:Masa total: 2,40g +5,02g + 2,20g = 9,62g%m/m Agua= %m/m Acetato de etilo= %m/m cido actico= Para muestra 4:Masa total: 4,00g +3,59g + 2,52g = 10,11g%m/m Agua= %m/m Acetato de etilo= %m/m cido actico= Para muestra 5:Masa total: 5,60g +2,15g + 2,20g = 9,95g%m/m Agua= %m/m Acetato de etilo= %m/m cido actico= Para muestra 6:Masa total: 6,40g +1,44g + 1,57g = 9,41g%m/m Agua= %m/m Acetato de etilo= %m/m cido actico= Para muestra 7:Masa total: 7,20g +0,72g + 1,15g = 9,07g%m/m Agua= %m/m Acetato de etilo= %m/m cido actico= Para muestra 8:Masa total: 5,00g +0,27g =5,27g%m/m Agua= %m/m Acetato de etilo= Para muestra 9:Masa total: 0,60g +4,49g =5,09g%m/m Agua= %m/m Acetato de etilo= Los resultados porcentuales desarrollados anteriormente se muestran en la tabla 3.

TABLA 3.

Resumen porcentajes msicos

MuestraMasa Total (g)% m/m Agua% m/m Acetato de etilo% m/m cido actico

18,729,1773,9716,86

28,9117,9664,4217,62

39,6224,9552,1822,87

410,1139,5635,5124,93

59,9556,2821,6122,11

69,4168,0115,3016,69

79,0779,387,9412,68

85,2794,885,120

95,0911,7988,210

Al graficar las cantidades porcentuales de la tabla 3 en un diagrama de equilibrio ternario, se obtiene la figura 3. En esta figura se muestran los puntos de doblez con rojo y se unen con una lnea azul que representa la curva de saturacin que delimita la regin de inmiscibilidad (dentro del domo) donde coexisten las 2 fases de los lquidos parcialmente miscibles. La regin que esta fuera de este domo representa las composiciones para las cuales estas tres sustancias coexisten en una sola fase.Con el objetivo de comparar el diagrama obtenido con un diagrama de referencia se acude a citar en el presente trabajo un diagrama realizado para una revista cientfica, bajo el ttulo es Synergistic extraction of acetic acid from aqueous solution cuya labor tuvo lugar en Tamilandu, India. El diagrama de su trabajo es el mostrado en la figura 4.

Figura 3. Diagrama experimental de equilibrio ternario acetato de etilo-agua-cido actico.

Figura 4. Diagrama de referencia de equilibrio ternario acetato de etilo-agua-cido actico.Cuando se superpone la curva binodal de la figura 4 en el diagrama de la figura 3, resulta la figura 5. En esta figura se aprecia estas curvas son parecidas en todos los puntos menos en la primera composicin de izquierda a derecha. Partiendo del hecho que la curva experimental presentaba el mismo comportamiento que la de referencia excepto en ese punto y que esa diferencia es notoria se establece que es un error sistemtico, producido probablemente por un desarrollo impreciso del mtodo para ese punto. Las dems diferencias (menos notorias) se deben a las condiciones ambientales pues la temperatura y la presin son distintas para la experiencia de ese grupo y la expuesta aqu, tambin se puede atribuir a la precisin del los artefactos, la deteccin de la seal (por medio del ojo humano) que genera de igual manera errores aleatorios. Por otra parte se debe tener en cuenta que el acido actico glacial utilizado tiene un mnimo porcentaje de agua, lo cual tambin puede influir en la determinacin de los resultados, ya que se estara agregando una pequea cantidad de agua adicional al sistema ternario que se est analizando en el experimento.

Figura 5. Comparacin de las curvas binodales de la experiencia de laboratorio y la de referencia.

CONCLUSINEn la experiencia realizada se analiz el comportamiento de un sistema ternario tipo I por medio de la adicin a varias mezclas de agua y acetato de etilo, dos sustancias con miscibilidad parcial entre s de acido actico glacial, una sustancia miscible con las dos sustancias anteriores a temperatura y presin constante. Se determin experimentalmente la curva binodal que describe el comportamiento del sistema de equilibrio ternario estudiado a partir de los datos obtenidos. A partir de los resultados anteriores descritos a travs de la discusin de la presente experiencia se concluye que la adicin a una mezcla de agua y acetato de etilo de cido actico glacial incrementa la solubilidad mutua entre los dos primeros, y que al llegar a determinada composicin con respecto a la composicin inicial de la mezcla las dos fases presentes desaparecen, indicando miscibilidad entre las sustancias involucradas, este tipo comportamiento se presenta en sistemas tipo I, lo cual se puede apreciar grficamente en los diagramas triangulares mostrados en la discusin del presente informe. Los resultados obtenidos fueron comparados con un diagrama terico por medios grficos, se encontr que estos son semejantes salvo por el punto de entrada a la curva binodal ubicado cerca de la esquina marcada para el acetato de etilo, lo cual podra deberse a determinadas fuentes de error desarrolladas y explicadas en la discusin.

BIBLIOGRAFA GARCIA. Introduccin al equilibrio termodinmico y de fases. Universidad Nacional de Colombia, Bogot Colombia. ATKINS, DE PAULA. Physical chemistry, 8va edicin, Oxford University Press, Reino Unido, 2006. Equilibrio lquido liqudo, URL: http://webs.uvigo.es/prosepav/practicas/p5_ELL.pdf KALAICHELVI, PERUMALSAMY, ARUNAGIRI, SOFIYA. Synergistic extraction of acetic acid from its aqueous solution. National institute of technology, Tamilnadu-India 2007.