INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUÍMICA
E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA INDUSTRIAL
LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA IV
PRACTICA 3: EQUILIBRIO QUIMICO SIMULTANEO.ESTUDIO DE LA DISTRIBUCION Y
DIMERIZACION DEL ACIDO BENZOICO EN BENCENO Y AGUA
FECHA DE EXPERIMENTACIÓN: 21 DE MAYO DE 2004.
FECHA DE ENTREGA: 28DE MAYO DE 2004.
OBJETIVOS:
Al finalizar esta práctica el alumno comprenderá los fenómenos fisicoquímicos de la distribución y
dimerización del ácido benzoico que se lleva a cabo en dos fases una orgánica y una acuosa (benceno y agua),
así como las condiciones de operación para beneficiar el desplazamiento del equilibrio hacia el producto que
se desea obtener en mayor cantidad.
CONSIDERACIONES TEORICAS
QUÍMICA DE LAS SOLUCIONES
El comportamiento no ideal de las soluciones es explicado en términos de fuerzas físicas intermoleculares. El
modelo de soluciones regulares, la teoría de estructura y aquellas basadas en la teoría de estados
correspondientes, relacionan el coeficiente de actividad a parámetros físicos que reflejan la medida de las
moléculas y las fuerzas de interacción operando entre ellas. Una aproximación alternativa para el estudio de
las propiedades en las soluciones, está basado en una premisa diferente esto es las moléculas en una solución
líquida interactúan con otras en tal dirección que forman nuevas especies químicas, por lo que la no idealidad
de la solución es una consecuencia de las reacciones químicas.
Podemos distinguir dos tipos de reacciones.
• Asociación
• Solvatación
La asociación se refiere a la formación de agregados químicos como polímeros consistentes de monómeros
idénticos.
Una asociación puede ser representada por reacciones del tipo:
nB Bn
Donde B es el monómero y n es el grado de asociación (o polimerización).
1
Un caso común de asociación es la dimerización (n=2) y un ejemplo conocido es la dimerización del ácido
acético.
O O−−−−−−−−−− HO
2CH3 − C CH3 − C C − CH3
OH OH−−−−−−−− O
En este caso, la dimerización es debida a puentes de hidrógeno que es responsable de la forma más común de
asociación en soluciones líquidas.
La solvatación se refiere a la formación de agregados de dos o más moléculas de las cuales mínimo dos, son
idénticos. Puede ser representado por la siguiente ecuación general:
nA + mB AnBm
Un ejemplo bien conocido es la solvatación del cloroformo y del dietil éter.
C2H5 C2H5
Cl3 − C − H + O Cl3 − C − H −−−− O
C2H5 C2H5
La formación de la nueva especie es debida nuevamente al puente de hidrógeno. Otro ejemplo de solvatación
es dado por un complejo entre el Nitrobenceno y Mesitileno provocado por una transferencia de carga.
En este caso un puente químico débil es formado debido a que el Mesitileno es un buen donador de electrones
(base de Lewis) y el Nitrobenceno es un buen aceptor de electrones (ácido de Lewis).
La teoría química de las soluciones postula la existencia de especies químicas distintas, las cuales asume se
encuentran en equilibrio químico. En su forma original, la teoría supone que estas sustancia químicamente
diferentes forman una solución ideal. De acuerdo a estas suposiciones, la no idealidad observada es aparente,
ya que no se ha tomado en cuenta la composición real de las especies químicas existentes.
DISTRIBUCIÓN DE UN SOLUTO ENTRE DOS SOLVENTES INMISCIBLES
Considere dos fases líquidas ( solución acuosa ) y ( solución orgánica ), y un soluto ( 1 ) distribuido entre
estas dos fases.
Suponiendo que X del soluto en cualquier fase es muy pequeña, y podemos considerar a las soluciones como
ideales. Entonces:
Donde H1, y H1, son las constantes de Henry para el soluto en la fase y respectivamente.
Podemos obtener el siguiente coeficiente de partición.
2
A presión y temperatura constante el coeficiente de partición es una constante real independiente de la
composición, llamada LEY DE DISTRIBUCIÓN DE NERNST.
Como sabemos que son muy pequeñas, entonces consideramos que las concentraciones del soluto en ambas
fases es proporcional, entonces utilizamos el coeficiente de partición expresado en términos de la
concentración.
Donde y son las densidades molares de las fases y respectivamente para X1 pequeñas, las son de
solventes puros.
AHORA CONSIDEREMOS EL SIGUIENTE CASO:
La distribución del ácido benzoico entre dos solventes inmiscibles, agua () y Benceno (), a temperatura
ambiente.
La explicación de la desviación a la Ley de distribución de Nernst puede ser encontrada, en éste caso,
tomando en cuenta la tendencia de los ácidos orgánicos a dimerizar en un solvente polar y en ionizarse
parcialmente en agua.
Entonces encontramos tres equilibrios.
BENCENO
ACIDO
ACIDO BENZOICO
BENZOICO (DIMERO)
(MONOMERO) kM
kD
_
ACIDO H+ + BZ
BENZOICO
Ka
AGUA
Equilibrio de Distribución del Ácido entre las dos fases:
Ácido (no ionizado) en agua Monómero ácido en benceno donde:
KD
II Equilibrio químico en la fase acuosa (ionización del ácido):
Ácido (no ionizado) en agua H+ + Bz − donde
3
Ka
III Equilibrio Químico en la fase orgánica (Dimerización del ácido).
Monómero ácido Dímero ácido
KM
Esta reacción es:
2 HBz (HBz)2
Quedando la constante como:
En estas ecuaciones KD es la constante de distribución, Ka la constante de ionización del ácido y Km. la
constante de dimerización (HBz)B es la concentración molar del ácido benzoico en el benceno, (HBz)A es la
concentración molar del ácido en el agua y de sus iones (H+) y (Bz−), y ((HBz)2) la concentración del dímero
en el benceno.
Desarrollando un balance en cada fase a partir de las concentraciones totales de ácido, CA para la fase acuosa
y CB para la fase orgánica, obtenidas por titulación del ácido en cada fase, se obtienen las siguientes
expresiones.
Sustituyendo (HBz)A = CA (1− ) obtenemos:
Esta ecuación predice que una gráfica de vsserá lineal con pendiente
e intersección al origen (KD). Para un grado de ionización, conocido.
con Ka = 6.6 * 105 mol/L a 25 °C
A partir de una serie de datos experimentales de CA y CB podemos obtener información con respecto al valor
de KD y KM. Confirmando así la teoría química de soluciones y la desviación a la Ley de distribución de
Nernst.
A continuación se ilustra la aplicación de ésta teoría al estudio experimental de la distribución del ácido
benzoico en benceno−agua.
DESARROLLO EXPERIMENTAL
• Preparar una solución de 4−5 g/L de ácido benzoico en benceno.
• Colocar muestras de 25,20,16,12,8 y 4 ml de esta solución en embudos de separación.
• Agregar 25 ml de agua a cada embudo y adicionar benceno hasta tener un volumen de 50 ml.
• Agitar durante varios minutos.
• Dejar reposar aproximadamente 30 minutos para que el sistema alcance el equilibrio.
• Separar las fases formadas y tomar una alícuota de 10 ml de cada fase.
• Titular con una solución de NaOH 0.015 N, utilizando fenoftaleína como indicador.
• Para titular la fase orgánica se añade inicialmente un volumen igual de agua y se agita fuertemente después
de cada adición de la base a fin de acelerar el paso del ácido a la fase acuosa.
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TABLA DE DATOS EXPERIMENTALES
SISTEMA
I
II
III
IV
V
VI
VHBZ
4
8
12
16
20
25
VA
1.2
1.5
2
2.7
3.2
5.5
VB
1.6
3
5.2
6.4
8.4
9
CALCULOS
Los cálculos se ejemplificarán únicamente con el sistema número uno
NNaOH=0.012N
Cálculo de las concentraciones
CA = VA* NNaOH/ VALIC = 1.2 ml * 0.012 N/10 = 0.0014
CB = VB* NNaOH/ VALIC = 1.6 ml * 0.012 N /10 = 0.00192
Cálculo de
Ka= * CA / (1− ) = 6.3 * 10−5 mol / L
Sustituyendo los valores de las constantes y despejando obtenemos:
= 0.1884
Cálculo de y
y = CB / CA (1− ) = 0.00192 / 0.0014 (1−0.1884) = 1.6429
Cálculo de x
x = CA (1− ) = 0.0014 (1−0.1884) = 0.00117
Cálculo de los volúmenes de la fase acuosa y la fase orgánica modificadas
VB = 2.00661 * VHBZ 1.0331 = 2.00661 * 41.0031 = 4.3137 ml
VA = 1.4048 * VHBZ 0.5706 = 1.4048 * 40.5706 = 1.5492 ml
VHBZ
4
8
12
16
20
Vaaj
1.5492
2.3008
2.8998
3.4171
3.8811
5
25
4.4081
VHBZ
4
8
12
16
20
25
Vbaj
4.3137
8.8147
13.389
18.012
22.672
28.536
Cálculo de las concentraciones modificadas
CA = VA* NNaOH/ VALIC = 1.5492 ml * 0.012 N/10 = 0.00186
CB = VB* NNaOH/ VALIC = 4.3137 ml * 0.012 N /10 = 0.00518
Cálculo de modificado
Ka= * CA / (1− ) = 6.3 * 10−5 mol / L
Sustituyendo los valores de las constantes y despejando obtenemos:
= 0.16788
Cálculo de y
y = CB / CA (1− ) = 0.00518 / 0.00186 (1−0.16788) = 3.3461
Cálculo de x
x = CA (1− ) = 0.00186 (1−0.16788) = 0.00155
Xaj
0.0015
0.00237
0.00304
0.00362
0.00415
0.00474
Yaj
3.3003
4.2641
5.0422
5.7189
6.3291
7.0244
Extrapolando encontramos que KD = 2.8
Cálculo de KM
6
CB / CA (1− ) = KD + 2KD2 KM CA (1− )
Despejando
KM = (CB / CA (1− ) − KD) / (CA (1− ) * 2KD2) = 3.3461 − 2.8 / 0.00155 * 2(2.8)2 = 22.514
TABLA DE RESULTADOS
OBSERVACIONES
De acuerdo con lo realizado experimentalmente, observamos la reacción entre el benceno, el ácido benzoico y
el agua, también vimos como se debía agitar fuertemente el embudo de separación para que la reacción se
llevara acabo eficientemente antes de proceder a la titulación con hidróxido de sodio.
CONCLUSION
De acuerdo con lo realizado vimos la reacción del ácido benzoico en benceno y agua , y es así como se
estudio el equilibrio de esta reacción en dos fases, una orgánica y acuosa, y vimos la importancia de el
equilibrio químico simultaneo, ya que este tipo de reacciones heterogéneas las podemos encontrar en nuestro
campo de acción , es decir , en la industria por lo que es de suma importancia que el futuro ingeniero químico
viera la aplicación real de lo que se estudio teóricamente
BIBLIOGRAFIA
INTRODUCCION A LA TERMODINAMICA EN INGENIERIA QUIMICA
SMITH VAN NESS.
CURSO DE FISICO QUIMICA
DREVIN
WWW.GOOGLE.COM
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