determinación experimental de un diagrama de solubilidad de

Recopilación, adaptación y diseño :
MC. Rosalba Patiño Herrera
Agosto del 2006
D
eterminación de un diagrama de solubilidad de
líquidos parcialmente miscibles
Objetivo
El experimento consiste en determinar la solubilidad del sistema binario a diferentes temperaturas. A partir de
estas determinaciones construir un diagrama de equilibrio para este par de líquidos parcialmente miscibles.
Introducción
Al mezclar dos líquidos pueden observarse todas las posibilidades de la solubilidad mutua: desde insolubilidad
prácticamente completa (mercurio-agua) hasta miscibilidad total como la formación de la solución homogénea
(etanol-agua). La mezcla de solubilidad mutua limitada ocupa una posición intermedia (anilina-agua); en este
caso la mezcla de los líquidos A y B después de su agitación se divide en dos capas: la solución saturada de A
en b y la solución saturada de B en A. No obstante, en este caso también pueden existir intervalos de
temperatura y composición donde A y B forman una mezcla homogénea.
La temperatura influye sobre la miscibilidad parcial de los líquidos en forma diferente. Al aumentar la
temperatura, los limites de solubilidad, por regla general, se aproximan ( la solución se acerca a la idealidad) y
el intervalo de estratificación disminuye; es decir, el cambio de temperatura afecta las composiciones a las que
la separación de las fases ocurre. En muchos casos se puede alcanzar cierta temperatura, por arriba de la cual
los líquidos son miscibles en cualquier proporción y la separación de fases no se da a ninguna composición.
Esta temperatura se llama temperatura crítica de consolución o temperatura de consolubilidad y dependiendo
del sistema estudiado existirán temperatura crítica superior de solución o bien, temperatura crítica inferior de
solución.
Algunos sistemas muestran tanto temperaturas de consolubilidad inferiores como superiores.
El diagrama temperatura-composición permite obtener una completa descripción de cualquier sistema de dos
líquidos y su interpretación constituye un importante ejercicio en la aplicación de la regla de las fases.
En el estudio y aplicación de las soluciones de líquidos parcialmente miscibles es práctica común llevar a cabo
la experimentación a condiciones atmosféricas variando únicamente la temperatura con la finalidad de
observar la distribución de las concentraciones. Si consideramos un equilibrio líquido-líquido para un sistema
de este tipo, tenemos que la regla de las fases nos da:
F =C−P+2
Donde:
C = número de componentes = 2
P = número de fases = 2
F = 2 grados de libertad
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Por lo tanto, en este experimento se establece la presión del sistema igual a la atmosférica y definiendo la
temperatura quedará definido el sistema. Esto significa que a una temperatura dada, las composiciones de las
dos capas líquidas estarán determinadas y serán independientes de la masa o volumen de las dos fases que
forman el sistema.
Si los líquidos se mezclan completamente, sólo habrá una fase y L = 2, lo que indica que sólo las variables
temperatura y composición pueden modificarse independientemente como se muestra en la siguiente figura:
El área bCa representa la región de inmiscibilidad y la
curva de contorno representa ,los límites de
solubilidad (curva de saturación) del sistema.
Una mezcla de composición Y, se separa en dos fases
de composición Y1 y Y2. Estas fases Y1 y Y2 en
equilibrio una con otra se llaman soluciones
conjugadas y la línea que las une se llama línea de
reparto.
Existen tres métodos generales para llevar a cabo el análisis de los sistemas de líquidos parcialmente
miscibles.
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MC. Rosalba Patiño Herrera
Agosto del 2006
a) Método analítico
b) Método sintético
c) Método termostático
En el desarrollo de esta práctica se utilizará el método sintético dada su sencillez y exactitud. En este método
se pesan cantidades definidas de los componentes y se colocan en tubos de ensaye, se agitan suavemente y
se eleva gradualmente la temperatura. El método consiste en registrar la temperatura a la cual se funden las
dos capas o bien la temperatura en la cual se forman las dos capas tras el enfriamiento de la solución. A través
de esta metodología se puede obtener un diagrama de fases (temperatura vs fracción mol) para líquidos
parcialmente miscibles.
PARTE EXPERIMENTAL
Material y reactivos
10 Tubos de ensaye de 15 X 2 cm.
1 Vaso de precipitados de 250 ml
1 Un termómetro de 0 a 100ºC
Pueden analizarse diferentes sistemas, el más recomendado es el de anilina-n-heptano.
Otros sistemas:
metanol-ciclohexano
fenol-agua,
isopentano-fenol,
dietilamina-agua,
glicerina-mtoluidina,
agua-trietilamina.
Procedimiento
Prepara 10 soluciones con los siguientes porcentajes en volumen de anilina: 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%,
8%, 9%, 10 %.
La preparación de estas soluciones consistirá simplemente en poner 1ml de anilina con 9 ml de n-heptano,
2ml de anilina con 8 de n-heptano, y así sucesivamente. La fracción molar correspondiente de cada solución
se obtiene utilizando la densidad y pureza de cada reactivo junto con su peso molecular. Todos estos datos
pueden consultarse directamente en el frasco del reactivo.
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MC. Rosalba Patiño Herrera
Agosto del 2006
Una vez que se tienen las 10 soluciones preparadas introduce una por una en un vaso de precipitados de 250
ml con agua caliente (temperatura no mayor de 90ºC).
Después de haberse borrado la interfase coloque el tubo de ensaye en una gradilla con un termómetro para
registrar la temperatura en la que se forman las dos fases. Anota la temperatura en la cual aparece
opalescencias en la solución.
Cálculos
1) ¿Qué es la temperatura crítica de consolución?
2) ¿Qué son las soluciones conjugadas?.
3) ¿Cuáles son ,los grados de libertad para cada zona del diagrama de fases de un sistema de líquidos
parcialmente miscibles y qué significado tienen?.
4) ¿Cuál es la regla de la palanca para un sistema de líquidos parcialmente miscibles?.
5) ¿Cómo destila una mezcla de líquidos parcialmente miscibles?.
6) Haz una gráfica de temperatura contra porcentaje en volumen, otra de temperatura contra fracción
molar. Indique que significan las áreas internas y externas a la campana formada. También interprete
el significado de la curva (¿qué sistemas representan?).
7) De las gráficas determine la temperatura crítica de solución y compare el valor obtenido con el
reportado en la bibliografía.
8) Determina la concentración y temperatura crítica de solución del sistema utilizando una extensión de la
ley del diámetro rectilíneo de “Cailletet y Mathias”, obteniendo la media aritmética de cada línea de
unión de las dos fases en equilibrio a las temperaturas de 30, 40, 50 y 60ºC. Trace una línea recta
uniendo estas medias aritméticas. La concentración crítica estará dada por el punto de unión de esta
línea de medias aritméticas y la línea correspondiente a la temperatura crítica.