Equilibrio Lquido - Vapor

Equilibrio Lquido - VaporUNMSM

JU04LFQII B(JU: Jueves, 04: cuatro horas, LFQII: Lab. de Fisicoqumica II, B: Grupo)

Universidad Nacional Mayor de San MarcosFacultad de Qumica e Ingeniera QumicaEscuela Acadmico Profesional de Ingeniera QumicaDEPARTAMENTO ACADEMICO DE FISICOQUMICA_________________________________________________________________Laboratorio de Fisicoqumica II

Practica N9: Equilibrio Lquido - Vapor

Profesor: Yarango Rojas, Alejandro

Integrantes:

Ore Ccasani Edher 12070192

Palacios Pastrana Roberto Carlos13070188

Fecha de la practica: 16 / 04 / 15

Fecha de entrega: 23 / 04 / 15

Grupo: B

Turno: Jueves 8:00 11:00h

Ciudad UniversitariaINDICE

Introduccin3

Resumen.4

Fundamento terico.5

Tabulacin de datos y resultados7

Clculos..10

Anlisis y discusin de resultados12

Conclusiones y recomendaciones13

Bibliografa..14

Apndice (cuestionario, graficas, hoja de datos, etc.)15

INTRODUCCIONLas mezclas consistentes en dos lquidos voltiles, que son completamente miscibles entre s en todas proporciones, se conoce como un sistema Liquido Binario.Aplicando la regla de fases a un sistema binario formado por dos lquidos miscibles, en equilibrio con vapor, esto es, dos componentes y dos fases, se demuestra que hay dos variables. En el estudio de los equilibrios liquido vapor lo mas importantes consiste en la medida de la presin de vapor de las mezclas liquidas de composicin definida. Por consiguiente, las dos variables escogidas son la temperatura y la composicin del lquido. Como el vapor contiene ambos constituyentes de la mezcla, las presiones parciales de ambos constituyentes, as como su presin de vapor total, vienen determinadas por la composicin del lquido y su temperatura.Es de esperar, por tanto que exista alguna relacin entre las presiones parciales de los componentes en la fase vapor como los sistemas binarios de dos lquidos voltiles se asemejan a los sistemas gas - lquido, la conducta de las soluciones (ideal o real) se obtiene por una descripcin de las presiones de vapor. Una solucin ideal se define como aquella en la que la actividad del constituyente es igual a la fraccin molar bajo todas las condiciones de temperatura, presin y concentracin.Entonces vamos a suponer que dos lquidos voltiles y completamente miscibles y supongamos adems que los dos lquidos se disuelvan entre s para formar soluciones ideales. Entonces la relacin que existe entre las presiones parciales de los componentes la da la ley de Raoult, que establece que la presin parcial del constituyente voltil de una solucin ideal es igual a la presin del vapor del constituyente puro multiplicado por la fraccin molar de tal constituyente en la solucin.Como a una temperatura dada el vapor sobre una solucin es ms rico en el componente voltil que la solucin, esta se desplaza en composiciones hacia el constituyente menos voltil, eliminando su vapor. Si condensamos los vapores y removemos los nuevos vapores formados sobre el condensado, los nuevos valores sern mucho ms ricos en el constituyente ms voltil que las soluciones de las cuales procede.Al repetir este proceso es posible obtener una concentracin del constituyente ms voltil en el vapor y una concentracin menos voltil en la solucin. Este proceso de encontrar los constituyentes se conoce como destilacin fraccionada, en la prctica, es ms conveniente llevar a cabo una destilacin fraccionada a presin constante que a temperatura constante.En general, las soluciones de presin baja de vapor hervirn a temperaturas mayores que aquellas cuya presin es alta.Este ltimo permite la construccin de varios tipos de diagrama composicin-temperatura. En el tipo I la presin de vapor A es la mnima del sistema y la de B es la mxima, mientras que la presin de vapor de todas las composiciones posibles entre A y B son intermedias entre las dos.RESUMEN

El objetivo de la prctica es determinar el diagrama temperatura-composicin y el diagrama x-y, para una mezcla liquida de 2 componentes.Las condiciones del laboratorio fueron presin a 756 mmHg, temperatura de 24C y 97% de Humedad relativa.El mtodo utilizado para este propsito fue la medicin directa del ndice de refraccin mediante el refractmetro de las muestras compuestas y de los residuos destilados de los dos sistemas binarios (A con B y B con A) de la tabla 1 de la gua de laboratorio.Con el equipo especial para puntos de ebullicin se determinaron los puntos para el sistema A con incrementos de B y para el sistema B con incrementos de A obteniendo los puntos de ebullicin de los componentes puros de 97.2C para el 1-propanol y 100C para el H2O.En la segunda parte de la experiencia se determin la composicin molar de A en cada muestra y las lecturas de los ndices de refraccin con ello se logr construir la curva patrn de B (el ms voltil) y a partir de esta grfica: ndice de refraccin - composicin del ms voltil, se obtuvieron las composiciones de B para cada una de las muestras del residuo y destilado de ambos sistemas.Con los datos de punto de ebullicin y las composiciones del sistema se construy el diagrama Temperatura - Composicin 1-propanol H2O, cuya curva resulto del tipo I, es decir, que la presin de vapor y los puntos de ebullicin del sistema son valores intermedios entre aquellos de los constituyentes puros.Adems se comprob que en la destilacin el que ebulle mas rpido es el ms voltil (menor temperatura de ebullicin) y es el componente que se encuentra en mayor cantidad en el destilado disminuyendo este a medida que se agrega volmenes del otro componente (menos voltil) pasando a ser este el componente que era aumentado en el destilado y el otro quedara como residuo.Finalmente se hace el clculo para hallar la composicin en la fase vapor y en la fase liquida.La principal recomendacin es tener cuidado con las soluciones orgnicas ya que son muy voltiles e inflamables (estas soluciones deben estar bien tapadas).

FUNDAMENTO TEORICOLEY DE RAOULTFranois Marie Raoult efectu una generalizacin para una solucin ideal conocida como laley de Raoult, la cual postula que para un solvente (sustancia 1), su presin de vaporP1es igual a su fraccin molar en solucin multiplicada por la presin parcialP1odel solvente puro, a temperatura constante.Puede formularse una ecuacin anloga para el soluto (sustancia 2), que es la ecuacin de Raoult: S la solucin tiene presiones de vapor parciales que sigan esta ecuacin, se dice que dicha solucin sigue la ley de Raoult y se comporta de manera ideal. Las soluciones reales se ajustan a la ley de Raoult cuanto ms diluida es la solucin. Es decir todas las soluciones reales se comportan idealmente cuando la concentracin de los solutos se aproxima a cero. Este comportamiento se muestra en la figura 9 (lnea punteada) para el soluto.En una mezcla gaseosa, la razn entre la presin parcial del vapor de agua y la presin de vapor de agua pura a la misma temperatura, se conoce como Humedad Relativa. Cuando se multiplica por 100, es el porcentaje de humedad relativa. Por lo tanto: MEZCLAS AZEOTROPICASLas mezclas ideales o que se apartan muy poco del comportamiento ideal, pueden separarse en sus constituyentes por destilacin fraccionada. Por otro lado, si las desviaciones respecto a la Ley de Raoult son tan notorias que producen un mximo o un mnimo correspondiente en la curva de la temperatura de ebullicin. Estas mezclas no pueden separarse completamente en sus constituyentes por destilacin fraccionada. Puede demostrarse que si la curva de presin de vapor tiene un mximo o un mnimo, entonces, en ese punto las curvas de vapor y liquido deben ser tangentes y el lquido y el vapor tendrn la misma composicin. La mezcla que tiene una presin de vapor mxima o mnima se denomina azeotropica (del griego hervir sin cambio).Consideremos el sistema ilustrado en la figura 1, que muestra una temperatura mxima de ebullicin. Si se calienta una mezcla de composicin azeotropica, descrita por el punto a, el vapor se formara primero a la temperatura t; este vapor tiene la misma composicin que el lquido; en consecuencia, el destilado obtenido tiene exactamente que el lquido; en consecuencia, el destilado obtenido tiene exactamente la misma composicin que el lquido original, no hay separacin. Si se calienta una mezcla descrita por b, la primera seal de vapor se forma a t, con la composicin v. Este vapor es ms rico en el componente de mayor temperatura de ebullicin. La destilacin fraccionada separara a la mezcla en componente puro 1 contenido en el destilado, y dejara la mezcla azeotropica en el recipiente. Una mezcla descrita por c hervir primero a t y el vapor tendra la composicin v. La destilacin de esta mezcla producir el componente puro 2, contenido en el destilado y la mezcla azeotropica permanecera en el recipiente de destilacin.El comportamiento de las mezclas azeotrpicas de temperatura de ebullicin mnima ilustrado en la figura 2, es anlogo. El azeotropo destila sin cambio. Una mezcla descrita por b hierve primero a la temperatura t, teniendo el vapor una composicin v. el fraccionamiento de esta mezcla produce azeotropos en el destilado y el componente puro 1 permanece en el recipiente de destilacin. Anlogamente, el fraccionamiento de una mezcla descrito por c producir el azeotropo en el destilado y dejara componente puro 2 en el recipiente. *Figura 1, Diagrama t-X con temperatura de ebullicin mxima*Figura 2, Diagrama t-X con temperatura de ebullicin mnima

*Fisicoqumica Gilbert W. Castelln 2da edicin pag. 327TABULACION DE DATOS Y RESULTADOS

TABLA N1: Condiciones de laboratorio

Presin (mmHg)Temperatura (C)Humedad Relativa

7562496%

TABLA N2: Datos tericos

TABLA N2.1: Datos tericos de compuestos puros

CompuestoDensidad (g/ml) 20CMasa molar (g/ml)Temperatura de ebullicin

H2O0.9982918.0150.23x99.852

1-propanol0.8026960.0950.956x97.4

TABLA N2.2: Datos tericos de muestra azeotropica

Porcentaje de n-propanolTemperatura de ebullicin

mezcla azeotropica43,20 %88.1C

TABLA N2.3: Datos para la curva patrn del Equilibrio Lquido VaporVol B (mL)Vol A (mL)

A3.00.01.3960

B 2.90.11.3855

C2.80.21.3845

D2.50.51.3810

E2.10.91.3775

F1.71.31.3705

G1.41.61.3650

H1.02.01.3580

I0.52.51.3480

J0.03.01.3330

TABLA N3: Composicin de las mezclas e ndices de refraccin del sistema 1-propanol H2OA = H2OB = 1-propanolTABLA N3.1N de incrementoVolumen de incremento de B para aadir a 20mL de AT. Ebullicin (C)ndice de refraccin del destilado (vapor)ndice de refraccin del residuo (liquido)

11.0941.36161.3345

23.0921.37091.3395

35.0901.37551.3518

48.0891.37701.3628

59.0881.38211.3694

TABLA N3.2N de incrementoVolumen de incremento de B para aadir a 20mL de AT. Ebullicin (C)ndice de refraccin del destilado (vapor)ndice de refraccin del residuo (liquido)

10.494.91.38271.3835

20.492.31.38181.3833

30.491.51.38091.3831

40.590.31.37951.3824

50.5891.37821.3816

60.588.51.37751.3796

TABLA N4: Porcentaje molar del 1-butanol y H2O en las mezclas.Muestra (moles)(moles)X(1-butanol)X (H2O)%X(1-butanol)%X(H2O)

A0.03990.00001.0000.0001000

B0.03860.00550.8750.12587.512.5

C0.03730.01110.7710.22977.122.9

D0.03330.02770.5460.45454.645.4

E0.02790.04980.3590.64135.964.1

F0.02260.07200.2390.76123.976.1

G0.01860.08860.1740.82617.482.6

H0.01330.11080.1070.89310.789.3

I0.00670.13840.0460.9544.695.4

J0.00000.16610.0001.0000100

TABLA 4: Fracciones molares encontradas segn el grafico N en el sistema: Incremento de B en A ndice de Refraccin(Destilado)%X(Destilado)ndice de Refraccin(Residuo)%X(Residuo)

1.361614.11.33450.25

1.370923.91.33951.25

1.375532.11.35187

1.377034.51.362815.25

1.3821611.369422.25

TABLA 5: Fracciones molares encontradas segn el grafico N en el sistema: Incremento de A en B ndice de Refraccin(Destilado)%X(Destilado)ndice de Refraccin(Residuo)%X(Residuo)

1.382765.11.383569.5

1.3818591.383367.5

1.380953.251.383166.5

1.3795461.382463

1.3782401.381645,7

1.3775371.379647.5

CALCULOSI) Determinacin de la composicin de Destilado y Residuo Calcule el % molar del componente A en cada una de las mezclas preparadas en la tabla 2.Si tenemos:A = H2OB= 1-propanolDeterminamos el nmero de moles de la mezcla:Para determinar el nmero de moles segn el volumen

Debemos determinar la densidad a las condiciones de laboratorio en la que hemos trabajado T=24C, para ello:

Por lo tanto: Ahora si podemos determinar las moles que hay de H2O y 1-propanol en las muestras:Muestra A:1-propanol

H2O

Los dems resultados se encuentran en la Tabla N4Con los nmeros de moles encontrados podemos hallar el % molar de A y de B en las muestras para hallar la curva patrn (Grafico N1)

Para la muestra A: 0.0% Los dems resultados estn en la tabla N4

ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS En la prctica se determin los ndices de refraccin para los componentes puros fueron H2O = 1.3336 y 1-propanol = 1.3860. Estas pudieron saberse a la hoja de la tabla N2 otorgada por el profesor de laboratorio. Se obtuvieron las temperaturas de ebullicin para los componentes puros los cuales resultaron 99C y 97.2C para el H2O y 1-propanol encontrados en el libro Handbook of Chemistry and Physics.

Para la construccin de la grfica a partir de las composiciones, del destilado y del residuo se tuvo que ubicar solo los puntos que a propio criterio, tenan una distribucin regular para obtener la grfica de temperatura- composicin, es decir, la mayora de puntos quedaron fuera o dentro de la grfica lenticular obtenida debido a los errores obtenidos en los ndices de refraccin y en las temperaturas tomadas en la destilacin.

Para la construccin de la grfica Teb vs X se tuvo que trazar la tendencia de la grfica por ende quedaron muchos puntos fuera de la grafica , asi se logro hallar la temperatura experimental de la mezcla azeotropica (88,08C) obtenindose un porcentaje de error de 0.023% respecto al valor terico

CONCLUSIONES La grafica a presin constante de las temperaturas de ebullicin contra las composiciones para una solucin ideal de lquidos voltiles se conoce como un diagrama de temperatura - composicin.

La grafica temperatura - composicin para el sistema agua 1propanol es del tipo I, con lo cual se concluye que la temperatura azeotropica del sistema es menor que las temperaturas de agua y 1propanol puros.

El mtodo empleado de destilacin fraccionada se realiz a presin constante lo cual lleva a afirmar que la composicin del vapor es diferente a la del lquido para el sistema: H2O- 1-proanol, en todo el intervalo de concentraciones, es decir, el primer destilado es rico en el componente ms voltil, pero a medida que el otro componente va aumentando en la mezcla del baln, la composicin del destilado varia reducindose la cantidad del mas voltil. As es posible obtener una concentracin del constituyente ms voltil en vapor y una concentracin del menos voltil en la solucin.

En el diagrama T - X, la curva de vapor (destilados) est encima de la curva liquida (residuos) y los puntos de la regin media describen la coexistencia en equilibrio de lquido y vapor, el componente B tiene la presin de vapor ms alto, y por tanto, tiene la temperatura de ebullicin menor.

RECOMENDACIONES Se deben lavar todos los tubos de ensayo y estar enumerados o identificados de alguna forma para no mezclar los tubos con las distintas sustancias, siempre trabajando en forma ordenada y limpia al momento de medir los ndices de refraccin.

El equipo para los puntos de ebullicin siempre debe de estar en reflujo y las uniones deben estar seguras. Al momento de calentar la solucin del baln no se debe poner directamente el mechero sino es un calentamiento suave y homogneo. No se debe de recoger demasiado destilado, ni mucha muestra para no variar mucho las composiciones de estas. La temperatura que se mantiene constante, en la ebullicin es la que se debe anotar con precisin para obtener los puntos en la grfica T - X, esta observacin debe ser continua en todo momento para percatarse de alguna variacin. Al cambiar de sustancia, el baln debe ser lavado y secado en la estufa.

Se debe limpiar el refractmetro con un algodn con acetona en toda la zona en donde se coloca la muestra y luego se procede a secarla con un poco de algodn antes de cada medicin. La medicin debe ser rpida y directa porque las muestras son voltiles y adems se cuenta con una cantidad pequea.

Al graficar la curva T - X se deben escoger los puntos que mejor se ajusten a una distribucin continua, es decir, se puede descartar algunos puntos que estn demasiado aislados porque estos son los puntos con mayor error de medicin.

BIBLIOGRAFIA

Manual del Ingeniero Qumico Perry, Ed. Mc Graw Hill, Sexta edicin, Colombia 1998, Tomo I, Cap. 3, pag105. Fisicoqumica, W. Castellan, Editorial Addison Wesley Iberoamericana, Segunda edicin, Mxico 1987, pg. 322 - 328. Fundamentos de Fisicoqumica, Marn S. Prutton, Ed. Limusa, 12va Edicin, Mxico 1980, cap. 5, pag 180-190 Fisicoqumica , Gaston Pons Muzzo 5 edicin Lima-Peru 1981 pag 278-296.

APENDICE

1) Para mezclas liquidas binarias ideales , explique la aplicacin de las leyes de Dalton y Raoult

La ley de Raoult relaciona la presin de vapor de una solucin con la presion del solvente puro. La presion de vapor del solvente depende de la presin que tena cuando estaba puro y de la fraccin molar de ese solvente. llamando P a la presion del solvente a, X1 a la fraccin molar del solvente en solucin y P a la presion del solvente puro, se tiene que :P=X1*PLa ley de Dalton permite calcular la presion total de una mezcla gaseosa por la suma de las presiones parciales de cada uno de los gases intervinientes, no en la solucin.Deacuerdo con la ley de Dalton la presin de vapor total P ser la suma de las 2 presiones parciales P = + = *P = *PDonde Y=fracciones molares en fase vapor Segn la ley de RAOULT las presiones de los vapores se pueden calcular mediante la composicin del liquido = * = *En una solucin ideal los valores de y obtenidos por Dalton y Raoult deben ser idnticos

2) Explique la solubilidad de los gases en los liquidos En que casos se aplican la ley de Henry y de Dalton

La solubilidad de un gas en un liquido , que es la cantidad mxima del gas que se puede disolver en un volumen determinado del liquido , depende de la naturaleza del gas y de la naturaleza del liquido , de la temperatura y de la presin Al disolverse los gases en los lquidos forman soluciones verdaderas .Al disolverse las molculas del soluto gaseoso continan en movimiento, por lo cual al retornar a la superficie algunas molculas regresaran al estado gaseoso , se establece un equilibrio dinamico La ley de Raoult establece que la presin de vapor del solvente en una solucin es directamente proporcional a la fraccin molar del solvente presente en la solucin.la ley de Henry establece que la "masa de gas disuelto en un determinado volumen de solvente es directamente proporcional a la presin parcial del gas que esta en equilibrio con la solucin". En principio, la ley de Henry se aplica a cualquier soluto, as que mientras que la ley de Raoult concibe el solvente ideal como aquel cuya presin de vapor es directamente proporcional a su fraccin molar, de forma similar la ley de Henry ve el soluto ideal como aquel cuya presin de vapor es directamente proporcional a su fraccin molar. Por tanto, en cierto sentido, la ley de Raoult puede considerarse como una aplicacin "especial" de la ley de Henry en la cual la constante de proporcionalidad tiene un valor particular (p) igual a la presin de vapor del componente puro a la misma presin y temperatura.

3) En que casos se aplica la destilacin fraccionada a presin constante?

La destilacin fraccionada es un proceso fsico para separar mezclas (generalmente homogneas) de lquidos mediante el calor, y con un amplio intercambio calrico y msico entre vapores y lquidos. Se emplea cuando es necesario separar compuestos de sustancias con puntos de ebullicin distintos pero cercanos.

ANEXOSTemperatura de ebullicin del agua a diferentes presionas.0.1.2.3.4.5.6.7.8.9

75199.667671674678682686689693697700

752704708712715719723726730734738

753741745749752756760764767771775

754778782786790793797801804808812

755815819823827830834838841845849

756852856860863867871875878882886

757889893897900904908911915919923

758926930934937941945948952956959

759963967970974978982985989993996

760100.0004007011015018022026029033

18Laboratorio de Fisicoqumica II