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PRACTICA # 7
“SISTEMA LIQUIDO DE TRES COMPONENTES”
1. OBJETIVO
Construir en forma experimental la cueva binodal (o curva de
solubilidad) y las líneas de unión para el sistema ternario:
cloroformo, agua y ácido acético.
Interpretar el diagrama de fases de un sistema ternario, aplicando
la regla de las fases.
2. FUNDAMENTO TEORICO
En un sistema en equilibrio el potencial químico de cada componente
debe ser el mismo en cualquier parte del sistema. Si hay varias fases
presentes, el potencial químico de cada componente (sustancia) debe
tener el mismo valor en cada fase, en la que se encuentre el
componente.
Existen sistemas de un componente y varios componentes, entre estos
pueden existir una o varias fases.
Se puede hacer una generalización referente al número de fases que
puede coexistir en un sistema llamada regla de las fases. Esta regla fue
deducida y demostrada por J. Willard Gibbs y está dada por la siguiente
ecuación:
V=C-F+2
(1)
Donde:
V = Grados de Libertad (Varianza)
F = Número de Fases en el sistema
C = Número de Componentes
2 = Número referido a las variables de presión y temperatura
La regla de las fases nos proporciona un adecuado control de ideas
acerca de los equilibrios entre fases en sistema más complicados.
En un sistema líquido de tres componentes (C = 3) de acuerdo a la regla
de las fases la varianza del sistema será:
V = C - F + 2 = 3 – F + 2 = 5 - F (1)
Si se fijan la presión y la temperatura la varianza será:
V =3-F
(2)
De modo que el sistema tendrá como máximo dos grados de libertad,
que representan a las variables de composición relacionadas mediante la
siguiente ecuación:
X1 + X2 + X3 = 1
Página 1
(3)
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Es decir, que si variamos dos de las tres variables de composición,
automáticamente la tercera es fijada. Si existen 2 fases líquidas el
sistema el sistema será monovariante, es decir que si se llega a variar
cualquiera de las composiciones, las composiciones de las soluciones
conjugadas en el sistema quedan automáticamente definidas por medio
de una de las líneas de unión de las muchas que existen en la zona
bifásica.
Diagrama Triangular
Para la representación gráfica de un sistema líquido de tres
componentes es conveniente el empleo del diagrama Triangular
equilátero como el que se muestra en la Fig. 1 donde los vértices del
triángulo representan a un componente puro.
Cada lado del triángulo se divide en 100 partes, para así tener la
composición centesimal, cualquier punto del lado del triángulo
representa una mezcla binaria.
Un punto en el interior del triángulo representa una mezcla ternaria, el
% de A en la mezcla correspondiente al punto P está dado por los
segmentos Pa o Pa’; en forma análoga el % de B está dado por los
segmentos Pb o Pb’ y finalmente el % de C es igual a los segmentos Pc
o Pc’, en síntesis se tiene:
% A = Pa ; % B = Pb ; % C = Pc
Los diagramas triangulares se utilizan como isotermas o diagramas a
temperatura constante.
Sistema Acido Acético – Cloroformo – Agua
En este sistema se tienen los siguientes pares:
H2O – CH3COOH
CHCl3 – CH3COOH
CHCl3 – H2O
son totalmente miscibles entre sí
son totalmente miscibles entre sí
son parcialmente miscibles entre sí
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Acido Acético
100%
E
M
R
Cloroformo
100%
Agua
100%
En la anterior figura se muestra el diagrama de fases para este sistema
a temperatura ambiente y presión atmosférica.
Cuando se agrega agua al cloroformo se obtiene un sistema
homogéneo, siempre que la cantidad de agua no exceda la
correspondiente al punto de saturación indicado por X. El agregado
posterior de agua separa al sistema en dos fases. Si la composición
inicial del sistema es Z, al agregar ácido acético, éste se distribuye entre
las dos fases formando las soluciones ternarias conjugadas, cuyas
composiciones están indicadas por los puntos E y R. La línea que los une
se denomina línea de unión o línea de reparto y no es paralela a la base
del triángulo debido a que el ácido acético es más soluble en agua que
en cloroformo.
A medida que se va agregando más ácido acético, las líneas de unión se
van acortando hasta que se llega al punto P, donde las soluciones
conjugadas tienen la misma composición a este punto se le denomina
punto de pliegue.
Una mezcla preparada cuya composición está dada por el punto M, se
separa en dos fases conjugadas de composición E y R, la línea de unión
se determina separando ambas fases y pesándolas para luego analizar
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el contenido de ácido acético en ambas fases. Aplicando la regla de la
palanca para soluciones conjugadas de la mezcla se tiene:
R ME X E X M
M RE
XE XR
Donde:
R = Cantidad de la solución conjugada rica en CHCl3
E = Cantidad de la solución conjugada rica en H2O
M = Cantidad de la mezcla
XR = Fracción en peso de ácido acético en R
XE = Fracción en peso de ácido acético en E
XM = Fracción en peso de ácido acético en M
3. APARATOS Y REACTIVOS
Los materiales que se usaron fueron los siguientes:
2 Buretas de 50 ml
6 Matraces erlenmeyer de 150 ml
2 Pinzas para buretas
Anillos.
Embudos de separación de 125 ml
Soportes universales
2 Pipetas de 5 ml
1 Pipeta de 10 ml
1 Probeta de 50 ml
Los reactivos fueron:
Ácido acético glacial
Cloroformo
Hidróxido de Sodio
Fenolftaleína
Agua Destilada
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4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
SISTEMA LÍQUIDO DE
TRES COMPONENTES
Zona orgánica
Zona acuosa
Líneas de Unión
Prepara una mezcla de 5 ml de
Prepara una mezcla de 1 ml de
Preparar tres mezclas de las
cloroformo y 0,5 ml de agua en
cloroformo y 2,5 ml de agua en
siguientes composiciones cada
un Erlenmeyer de 100ml
otro Erlenmeyer de 100 ml
mezcla en matraz Erlenmeyer:
Agregar ácido acético desde una
Añadir ácido acético y obtener
bureta hasta obtener una
una solución clara .
Mezcla
solución clara.
Anotar
el
volumen
de
ácido
acético gastado.
Repetir el procedimiento
CLOROFORMO
ÁCIDO
AGUA
ACÉTICO
A
35%
25%
40%
B
30%
35%
35%
C
30%
45%
25%
Agregar 4 porciones de 2,5 ml
de agua y en cada caso
Traspasar
agregar ácido acético hasta
separación y agitar vigorosamente
que la turbidez de la mezcla
durante 5 min. , y dejar reposar para
desaparezca.
separar las fases formadas.
a
los
embudos
de
agregando a la mezcla resultante
0,5 ;1;1,5;10 y 15 ml de agua
Pesar cada una de las fases y
cada vez.
analizar
el
contenido
de
ácido
acético en cada fase.
Usar toda la fase orgánica y una
alícuota de 5 ml de la fase acuosa
emplear una solución 2M de NaOH
y fenolftaleína como indicador.
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5. CALCULOS Y CUESTIONARIO
Realizamos reorganizando nuestra hoja de cálculos:
Zona Orgánica
Volumen
CHCl3
(ml)
1
5
5
2
3
5
5
4
5
5
5
6
Zona Acuosa
Volumen H2O
(ml)
N
N
1
2
0.5
1.0
2.5
7.5
17.5
32.5
Volumen
CH3COOH
(ml)
4.0
5.4
8.0
15.0
26.0
41.5
Volumen
CHCl3
(ml)
1
1
Volumen H2O
(ml)
2.5
5.0
Volumen
CH3COOH
(ml)
5.6
8.2
1
7.5
11.4
1
1
10.0
12.5
14.5
17.0
3
4
5
Líneas de Unión
Preparación:
Mezcla
CHCl3(ml)
CH3COOH (ml)
H2O (ml)
A
5.25
3.75
6.00
B
4.50
5.25
5.25
C
4.50
6.75
3.75
Pesos y Volúmenes de cada fase:
(Los pesos se hallaron directamente en laboratorio aprovechando las
bondades de la balanza electrónica usada. Se taró el peso de cada
probeta vacía, de modo que luego se midiera directamente el peso de
cada fase. Los volúmenes fueron medidos directamente con la probeta
correspondiente)
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Mezcla
Fase
Orgánica
Peso (g)
A
B
C
7.090
6.520
5.710
Fase
Orgánica
Volumen
(ml)
5.20
4.35
4.50
Fase
Acuosa
Peso (g)
Fase
Acuosa
Volumen
(ml)
9.20
10.5
10.1
9.540
10.48
10.710
5.1
Determinar los porcentajes en peso de cloroformo, acido
acético y agua de cada mezcla, tabular resultados.
Zona Orgánica
Volumen
CHCl3
(ml)
5
5
5
5
5
5
Aplicando la ecuación:
𝑔
𝜌𝐶𝐻𝐶𝐿3 = 1.47 ( )
𝑚𝑙
𝑔
𝜌𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝐻 = 1.05 ( )
𝑚𝑙
𝑔
𝜌𝐻2𝑂 = 1 ( )
𝑚𝑙
TABLA1:
Masa CHCl3
(g)
7.35
7.35
7.35
7.35
7.35
7.35
Volumen H2O
(ml)
0.5
1.0
2.5
7.5
17.5
32.5
m=
Volumen
CH3COOH
(ml)
4.0
5.4
8.0
15.0
26.0
41.5
V
Masa H2O
(g)
0.5
1.0
2.5
7.5
17.5
32.5
Página 7
Masa
CH3COOH
(g)
4.20
5.67
8.40
15.75
27.30
43.58
Masa Total
(g)
12.05
14.02
18.25
30.60
52.15
83.43
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Entonces las fracciones en peso serán:
TABLA2:
% CHCl3
% H2O
61.00
4.15
52.42
7.13
40.27
13.70
24.02
24.51
14.09
33.56
8.81
38.95
%CH3COOH
34.85
40.44
46.03
51.47
52.35
52.24
Zona Acuosa
TABLA3:
Volumen
CHCl3
(ml)
1
1
1
1
1
Volumen H2O
(ml)
2.5
5.0
7.5
10.0
12.5
Aplicando la ecuación:
m = V
𝑔
𝜌𝐶𝐻𝐶𝐿3 = 1.47 ( )
𝑚𝑙
𝑔
𝜌𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝐻 = 1.05 ( )
𝑚𝑙
𝑔
𝜌𝐻2𝑂 = 1 ( )
𝑚𝑙
TABLA4:
Masa CHCl3 Masa H2O
(g)
(g)
1.47
1.47
1.47
1.47
1.47
2.5
5
7.5
10
12.5
Entonces las fracciones en peso serán:
Página 8
Volumen
CH3COOH
(ml)
5.6
8.2
11.4
14.5
17.0
Masa
CH3COOH
(g)
5.88
8.61
11.97
15.22
17.85
Masa Total
(g)
9.85
15.08
20.94
26.69
31.82
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TABLA5:
% CHCl3
14.92
9.75
7.02
5.51
4.62
5.2
% H2O
25.38
33.16
35.82
37.47
39.28
%CH3COOH
59.70
57.10
57.16
57.02
56.10
Graficar la curva binodal usando los resultados obtenidos
en el anterior punto, completar con los siguientes datos:
una solución saturada de agua en cloroformo contiene
98 % en peso de cloroformo. Mientras que la solución
conjugada de cloroformo en agua contiene 1.0 % de
cloroformo también en peso.
El presente grafico se realizara en un papel milimetrado mostrando en
comportamiento de cada sustancia:
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5.3
Trazar las líneas de unión
Las composiciones en volumen de las mezclas son:
Mezcla
Cloroformo
A
B
C
35%
30 %
30 %
Acido
Acético
25%
35 %
45 %
Agua
40%
35 %
25 %
Pesos y Volúmenes:
Mezcla
Fase
Orgánica
Peso (g)
Fase
Orgánica
Volumen
(ml)
Fase Acuosa
Peso (g)
Fase Acuosa
Volumen
(ml)
A
B
C
7.090
6.520
5.710
5.20
4.35
4.50
9.540
10.48
10.710
9.20
10.5
10.1
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Para la solución A:
% HAc ORG
m HAcORGANICO
* 100
mORGANICO
m HAcORGANICO 5.0ccNaOH *
2 eq - gr
1 eq - gr HAc
1mol HAc
60 grHAc
*
*
*
1000 cc NaOH 1eq grNaOH 1eq grHAc
1mol
m HAcORGANICO 0.60 gr de HAc organico
% HAc
0.60 gr
* 100 8.46 % HAc
7.09 gr
% HAc ACUOSP
m HAcACUOSO
* 100
m ACUOSO
ma cos o 14ccNaOH *
% HAc
2 eq - gr
1 eq - gr HAc
1mol HAc
60 grHAc
*
*
*
1.68 grHAc a cos o
1000 cc NaOH 1eq grNaOH 1eq grHAc
1mol
1.68 gr
* 100 17.61 % HAc
9.54 gr
Para la solución B:
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% HAc ORG
m HAcORGANICO
* 100
mORGANICO
m HAcORGANICO 7.6ccNaOH *
2 eq - gr
1 eq - gr HAc
1mol HAc
60 grHAc
*
*
*
1000 cc NaOH 1eq grNaOH 1eq grHAc
1mol
m HAcORGANICO 0.912 gr de HAc organico
% HAc
0.912 gr
* 100 13.99 % HAc
6.520 gr
% HAc ACUOSP
m HAcACUOSO
* 100
m ACUOSO
ma cos o . 19ccNaOH *
% HAc
2 eq - gr
1 eq - gr HAc
1mol HAc
60 grHAc
*
*
*
2.28 grHAc a cos o
1000 cc NaOH 1eq grNaOH 1eq grHAc
1mol
2.28 gr
* 100 21.76 % HAc
10.48 gr
Para la solución C:
% HAc ORG
m HAcORGANICO
* 100
mORGANICO
m HAcORGANICO 11ccNaOH *
2 eq - gr
1 eq - gr HAc
1mol HAc
60 grHAc
*
*
*
1000 cc NaOH 1eq grNaOH 1eq grHAc
1mol
m HAcORGANICO 1.32 gr de HAc organico
% HAc
1.32 gr
* 100 23.12 % HAc
5.71gr
% HAc ACUOSP
m HAcACUOSO
2.724
* 100
100 25.43% HAc
m ACUOSO
10.71
ma cos o 22.7cc *
2 eq - gr
1 eq - gr HAc
1mol HAc
60 grHAc
*
*
*
2.724 grHAc a cos o
1000 cc NaOH 1eq grNaOH 1eq grHAc
1mol
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5.4
Indicar la varianza del sistema dentro y fuera de la curva
binodal y en los dos lados del diagrama.
Dentro de la curva binodal es
V = C – F+2 (P, T, xi)
Como P y T es constante y hay tres componentes, se tiene:
V=3-F
Habiendo realizado este análisis, efectuamos el análisis en las diferentes
regiones del diagrama:
en la región monofásica:
F = 1
V = 3 –1 = 2
en la región bifásica:
F = 2
V=3–2=1
en una línea de unión:
F = 2,
pero: “T” también es constante, ya que sobre una línea de unión
ya esta definida
V = C – F = 3-2 = 1
5.5 Determine el punto pliegue.
Habiendo ya trazado las líneas de unión extrapolamos y trazamos una
línea de unión hacia el punto de pliegue o punto de coso luto por tal
razón se lee de la gráfica:
% CH3COOH =
%H2O =
%CHCl3 =
5.6
¿Por que no puede aplicarse la ley de de reparto a las
soluciones conjugadas?
En 1391 se formula la ley del reparto, dada por Nerst, esta ley se ha
aplicado al estudio de problemas a nivel teórico y práctico, como el
proceso de extracción, el de análisis y determinación de las constantes
de equilibrio, las cuales dependen de la temperatura dada.
Poniendo de ejemplo a la extracción, este procedimiento se utiliza a
nivel de laboratorio e industrial. En el primero se utiliza para remover
una sustancia de un líquido o de un sólido mediante la utilización de un
solvente orgánico como éter, cloroformo, benceno, tetracloruro de
carbono o en agua.
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A nivel industrial se aplica en la remoción de elementos no deseables en
el producto final, pero para esto se necesita saber la cantidad de
solvente a utilizar y el número de veces que se a de efectuar el ciclo de
la extracción, ya que no se debe desperdiciar reactivos ni energía.
Debido a que el ácido acético es más soluble en el agua que en el
cloroformo.
5.7 Definir lo que significa capa refinada y capa extracto.
La capa refinada es la solución conjugada rica en la fase orgánica, en
nuestro caso rica en cloroformo.
La capa extracto es la solución conjugada rica en la fase acuosa, es
decir rica en agua.
6. CONCLUSIONES
Se construyo en forma experimental la curva binodal y las líneas
de unión para el sistema ternario: cloroformo, agua y ácido
acético.
Se comprobó la regla de las fases usando el diagrama triangular,
observando el cambio de fases respecto a la composición de cada
elemento.
La limitada solubilidad de los componentes ocasiona que se
formen dos líquidos, pero al agregar un tercero (ácido acético)
este ocasiona la disolución, formándose entonces dos soluciones
ternarias conjugadas en equilibrio.
Al realizar los cálculos se tuvo problemas con respecto de las
líneas de unión puesto que a mi parecer se tuvieron confusiones
al anotar los valores de la masas de las dos fases orgánica y
acuosa puesto que la fase orgánica es la mas densa por lo tanto
en el embudo de separación la fase orgánica estará en el fondo,
por lo que tuve que hallar la progresión que seguiría las masas
halladas.
Por ultimo la única recomendación que tengo es que en
laboratorio se debería de tener mayor cantidad de reactivos
puesto que nos hizo difícil hacer la práctica.
7. BIBLIOGRAFIA
Guía de Laboratorio “Sistema líquido de Tres componentes”; Ing.
Jorge Avendaño.
FISICOQUÍMICA “Sistema Ternario”, John H Meiser
Internet Pág. Ley de reparto
Biblioteca Encarta “Sistema Ternario”
Página
14
0
