Procedimiento experimental

PRÁCTICA 7
DIAGRAMA DE FASES TEMPERATURA DE EBULLICIÓN-COMPOSICIÓN
DE UNA MEZCLA LÍQUIDA BINARIA
Material
Productos
2 viales
Metanol
2 matraces esféricos dos bocas de 50 mL
Cloroformo
3 tapones de goma
Silicona líquida
2 bases de corcho
Acetona para limpieza
4 cuentagotas
1 refractómetro
2 buretas de 50 ml con tapón
2 embudos pequeños de vidrio
2 vasos de precipitados de 100 ml
perlas de vidrio para ebullición montaje de destilación
agitador magnético con calefacción
baño para refrigerar matraces de fondo redondo
sistema de refrigeración por agua de las columnas
aparato de destilación con controlador Cobra
consecuencias importantes en el proceso de destilación. Para una desviación positiva
de la ley de Raoult, de magnitud suficiente como para dar un máximo en la curva P
frente a x en el diagrama de fases presión-composición a temperatura constante, fig
2(a), obtenemos un mínimo en el diagrama de fases T-x, fig 2(b). De la misma forma
una desviación negativa de la ley de Raoult produce un máximo en el diagrama T-x.
Cuando en el proceso de destilación fraccionada, de disoluciones cuyos diagramas
de fases son del tipo representado en la fig 2, se obtiene una mezcla cuya composición
corresponde al máximo o mínimo de la curva, la evaporación tiene lugar sin cambio de
composición. La mezcla
forma un azeótropo (del griego "ebullición sin cambio"). Una vez alcanzada la
composición azeotrópica, la destilación no puede separar ambos líquidos, ya que el
destilado retiene la composición del líquido.
Objetivos
1. Construcción del diagrama de fases temperatura de ebullición-composición para la
mezcla metanol-cloroformo.
2. Caracterización del punto azeótropo de la mezcla.
3. Determinación del índice de refracción de diferentes disoluciones metanolcloroformo.
4. Construcción de la curva de calibrado índice de refracción en función de la
composición.
5. Determinación de los coeficientes de actividad de los componentes de la mezcla.
Fundamentos
Los diagramas de fases temperatura de ebullición-composición (T-x) de una mezcla
binaria de líquidos a presión constante muestran las composiciones de las fases líquida
y vapor de la mezcla en función de la temperatura a una presión constante dada. Estos
diagramas son necesarios cuando se quiere separar ambos líquidos por destilación
fraccionada.
En la figura 1 se muestra el diagrama de fases de una disolución ideal. En un
experimento de destilación a presión constante se calienta la disolución, se extrae
vapor y se condensa. El líquido condensado es más rico en el componente más volátil
que el líquido original. La destilación fraccionada repite el ciclo de ebullición y
condensación varias veces hasta obtener el componente puro.
Existen muchas mezclas de líquidos que no siguen el comportamiento ideal. Estas
desviaciones pueden generar un pico o un valle en el diagrama T-x, lo que tiene
1
Figura 1. Diagrama de fases líquido vapor, temperatura frente
acomposición correspondiente a una mezcla ideal con A más volátil que
B.
Lab Q-F I P7
Hacer click en “acabar la medida”, iniciar una nueva medida mediante
, presionar
sobre “calibrar” , introducir la temperatura de ebullición del metanol puro (ver tabla 1)
y presionar el botón “calibrar” . Iniciar una nueva medida y comprobar la temperatura
de ebullición del metanol.
Retirar el matraz de fondo redondo del aparato de destilación, quitar la sonda de
temperatura y enfriar el matraz en el baño con los tapones de goma puestos. Cuando
no esté caliente verter el contenido en el bidón de resíduos recogiendo las perlas y el
imán.
Figura 2. (a)
Diaframa de fases líquido-vapor, presión frente a
composición, con un máximo. (b) El correspondiente diagrama de
temperatura frente a composición.
Procedimiento experimental
Conectar las bombas de agua para refrigerar las columnas.
PRECAUCIONES EN EL MANEJO DEL REFRACTOMETRO.
La superficie del refractómetro debe limpiarse y secarse antes de cada medida.
No utilizar sustancias u objetos agresivos, pueden rayar la superficie de
refractómetro.
No debe haber burbujas dentro del prisma
1.- Determinación del índice de refracción de una sustancia pura
Cuando el refractómetro esté a temperatura constante poner con un cuentagotas,
unas gotas de metanol puro la superficie del prisma del refractómetro. Medir el índice
de refracción del componente puro. Posteriormente determinaremos el índice de
refracción de las disoluciones metanol-cloroformo.
2.-Determinación de la temperatura de ebullición de un componente puro y calibrado
del aparato
Introducir 20 mL de metanol puro en un matraz de 50 mL con 6 ó 7 perlas de
ebullición y el imán y operar como sigue:
1) Colocar el matraz en el montaje de reflujo con la sonda de temperatura. Poner
la placa calefactora y la agitación en la posición 1. Hacer click sobre el icono del
programa “Measure” y posteriormente sobre el primer botón de la izquierda en la fila
de arriba,
, sobre “continuar” y sobre “iniciar la medida”. En la pantalla aparecerá
un punto de temperatura cada segundo.
2) Cuando la temperatura se mantenga constante durante al menos un cuadrante,
se calibra el aparato como sigue:
2
3.- Construcción del diagrama temperatura de ebullición-composición
Se prepararan sucesivamente dentro del matraz de dos bocas (perlas de ebullición e
imán) las disoluciones metanol-cloroformo indicadas en la Tabla 2. Con cada una de
las disoluciones se procede como sigue:
1) Medir el índice de refracción de la disolución.
2) Colocar el matraz en el montaje de reflujo con la sonda de temperatura. Poner la
placa calefactora y la agitación en la posición 1. Hacer click sobre el icono del
programa “Measure” y posteriormente sobre el botón
, sobre “continuar” y
sobre “iniciar la medida”. En la pantalla aparecerá un punto de temperatura cada
segundo.
3) Cuando la temperatura se mantenga constante durante al menos un cuadrante,
cerrar la llave de teflón y extraer unas gotas del condensado con la jeringuilla sin
retirar la aguja, recogerlo en un vial y enfriarlo en el baño. Volver a abrir la llave
de teflón. Medir el índice de refracción del condensado.
4) Presionar “acabar la medida”. En la pantalla aparecerá una gráfica reescalada, T =
f(t). Hacer click sobre el botón en forma de cruz,
, cuarto por la derecha de la
barra de arriba y con el ratón arrastrar por la zona de temperatura constante.
Presionar el tercer botón por la izquierda de la barra de abajo,
, y aparecerá la
temperatura media de la zona señalada.
5) Retirar el matraz de fondo redondo del montaje, extraer el tapón con la sonda de
temperatura, colocar otro tapón y refrigerar en el baño.
Cuando no esté caliente verter en el bidón de resíduos.
6) Para completar la tabla, medir el índice de refracción del cloroformo puro y su
temperatura de ebullición.
Cuestiones
1) Construir la curva de calibrado composición en función del índice de refracción,
x  (Me tanol)  f (n  )
2) Representar el diagrama temperatura de ebullición-composición. Las fracciones
molares de los componentes en la fase gaseosa se determinan a partir de la curva de
calibrado anterior.
Lab Q-F I P7
3) Caracterizar el punto azeótropo. Para ello se representa la fracción molar de la fase
vapor frente a la fracción molar de la fase líquida e intersectar dicha curva con la
recta que une los puntos de igual composición en ambas fases.
4) Determinar el coeficiente de actividad del metanol y cloroformo. Para ello
utilizaremos las leyes de Raoult y Dalton.
La ley de Raoult para disoluciones reales nos proporciona la presión de vapor (PA)
de un componente (A) en una mezcla binaria en término de la presión de vapor del
componente puro (P0A) a la temperatura de ebullición de la mezcla, la fracción molar
(x1A) del componente en la disolución y su coeficiente de actividad (A).
Tabla. Diagrama de fases temperatura de ebullición-composición de la mezcla
metanol-cloroformo
V
CH3OH
(mL)
V
CHCl3
(mL)
20.0
0.0
19.5
1.0
Aunque la disolución presente una gran desviación de la ley de Raoult, esta ley es
una buena aproximación para el disolvente siempre que la disolución sea diluída.
18.0
2.0
Por otra parte la ley de Dalton para mezclas de gases ideales nos proporciona la
presión del gas (PA) en la mezcla gaseosa en término de la fracción molar (xgA) del
componente en la mezcla gaseosa y la presión total de los gases (PT).
16.0
4.0
14.0
6.0
12.0
8.0
10.0
10.0
log P0A = A - [B/(C+T)]
8.0
12.0
donde A, B y C son constantes características de cada componente, P0A viene
expresada en unidades hPa y T es la temperatura expresada en grados centígrados. Las
constantes A, B y C tienen los siguientes valores:
6.0
14.0
4.0
16.0
2.0
18.0
1.0
19.0
0.5
19.5
0.0
20.0
x1
CH3OH
n1
ng
xg
CH3OH
PA = P0A x1A A
PA = PT xgA
Combinando ambas ecuaciones se obtiene la expresión del coeficiente de actividad:
A = (PT xgA) / (P0A x1A)
La presión de vapor de un componente puro en función de la temperatura, se puede
determinar utilizando la ecuación de Antoine
CLOROFORMO
A= 7.07959
B= 1170.966
C= 226.232
METANOL
A= 8.20591
B= 1582.271
C= 239.726
Datos
3
METANOL
CLOROFORMO
n(20 ºC)
(gcm-3)
1.3288
1.4459
0.7914
1.4832
M (gmol-1)
32.04
119.32
T eb (ºC)
64.6
61.2
Lab Q-F I P7
T (C)