Equilibrio Liquido Liquido Sistema Ternario

El estudio de un sistema de equilibrio líquido-líquido, el cual describe la fase orgánica y acuosa, y sus respectivas saturaciones a partir de la curva binodal, a partir de condiciones isobáricas e isotérmicas se procede a realizar el estudio de dicho sistema ternario, cuyos componentes son agua, acido acético y tolueno. Para ello se procederá a preparar soluciones binarias de acido acético- agua y de ácido acético-tolueno, a partir de soluciones de 10 a 60 % p/p en ácido acético, para luego realizar la adición gota a gota respectivamente del componente faltante en el sistema ternario (tolueno o agua), hasta observar turbidez, hasta generar una mezcla y observar la separación de ambas fases, siendo las mismas orgánica y acuosa. Para conocer dicha concentración se titula a partir de la adición de Hidróxido de sodio (agente titulante) a fin de conocer la concentración de la muestra. En el sistema ternario las curvas de reparto resultaron tener un coeficiente de reparto (k) mayor a uno es decir que dichas pendientes resultaron menor a un ángulo recto (90°).

Palabras claves: Equilibrio líquido- líquido, curva binodal, línea de reparto, coeficiente de reparto, fase orgánica, fase acuosa, sistema ternario.

INTRODUCCIÓN

La extracción líquido-líquido es un proceso para separar componentes en solución mediante su distribución en dos fases líquidas inmiscibles. Se utiliza principalmente cuando la destilación no es práctica y también porque es más económica que ésta y más económica que la separación con vapor de una impureza. Para la realización del sistema ternario a estudio es debido considerar las variables mencionadas a continuación: composición de tolueno, composición de ácido acético, composición de agua, presión y temperatura a estudio; dado que se trabajara a temperatura constante y presión constante solo restaran tres variables manipulables a lo largo del estudio, en dicho sistema se calculara la composición de cada mezcla ternaria en el punto de turbidez, así la composición en ácido acético de las fases en equilibrio, sean las mismas acuosa y orgánica, se formara a través de ellos la curva binodal y se determinaran las curvas de repartos y su coeficiente a través de dichas composiciones.

METODOLOGÍA

En tres buretas se colocaron las soluciones de agua, tolueno y ácido acético respectivamente para preparar primero cuatro fiolas que contenían mezclas de ácido acético-agua, a las que se le añadió tolueno a cada una, y luego cuatro fiolas más que contenían mezclas de tolueno-ácido acético, a las que se le añadió agua a cada una, todo esto con el fin de obtener dos mezclas ternarias producto de las adiciones convenientes de las primeras fiolas y las segundas. En dos embudos de separación se procedió a decantar ambas mezclas hasta obtener dos fases, una orgánica y otra acuosa, en total cuatro fiolas las cuales se titularon cada una con hidróxido de sodio.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN.

En base a los datos experimentales obtenidos y a los hechos observados se puede decir que las soluciones binarias, que se tenían al inicio, estaban formadas por componentes del sistema completamente miscibles (agua-ácido acético; tolueno-ácido acético) sin tomar en cuenta el sistema agua-tolueno, ya que éstos dos son parcialmente miscibles entre sí debido a las propiedades intermoleculares que ellos presentan.

El ácido acético es afin con el agua, siendo los mismos dos moléculas polares dado que el ácido acético tiene la presencia del grupo carboxilo, sin embargo, el ácido acético se comporta como un compuesto no polar por la presencia de su cadena carbonada la cual, es afin con el tolueno.

Cuando a estas soluciones se les agregó el tercer componente, la turbidez observada indicó que se había alcanzado la máxima solubilidad del sistema. A medida que el porcentaje en peso de ácido acético de la mezcla binaria aumentaba, el volumen necesario del tercer componente para alcanzar la turbidez tanto en las soluciones A’ como en las soluciones C’ también aumentaba, indicando que el ácido acético es más soluble en el agua que en el tolueno, puesto que con el agua los enlaces que se forman son puentes de hidrógeno mientras que con el tolueno son enlaces debido a las fuerzas de dispersión (Van der Walls). Las soluciones no pudieron homogeneizarse completamente, ya que el agua es un compuesto con gran polaridad, mientras que el tolueno es un compuesto con un momento dipolar muy bajo [1].

En el punto de turbidez cada una de las mezclas se llamaron A´1, A´2, A´3 y A´4, C1’, C2’, C3’ y C4’,a partir de las densidades de los componentes de la mezcla y dichos volúmenes se determino las composiciones a estudio, las cuales se encontraban en el punto de saturación del sistema ternario a estudio, dichas composiciones se encuentran reflejadas en la tabla 1, de tal manera se podrá construir la curva binodal o de equilibrio de saturación para dicho sistema, cada punto de equilibrio fue representado sobre dicha curva tal cual se observa en la figura 1, cada vértice del triangulo ternario o diagrama ternario es representado por cada uno de los componentes a estudio del sistema.

Tabla 1. Composición de las soluciones ternarias en el punto de turbidez.

Solución

ternaria Composición másica

Agua

(X1 ± 0,2) % Ácido acético

(X2 ± 0,2) % Tolueno

(X3 ± 0,2) %

A1`

A2`

A3`

A4`

C1`

C2`

C3`

C4` 85,8

73,4

53,8

38,9

2,4

2,2

2,3

5,8 9,5

24,3

44,3

58,7

10,8

24,4

44,1

56,2 4,7

2,3

1,9

2,5

86,7

73,5

53,2

38,0

Presión ambiente (726,9±0,05) mmHg

Temperatura ambiente (27,0±0,5) ºC

Al colocar la mezcla de soluciones en los embudos de separación y dejar decantar por unos minutos, se observo una separación de fases, en la cual se observo la formación de una estructura denominada superficie interfacial, debido a la diferencia de densidades entre los compuestos se pudo apreciar que en la fase superior se encuentra el tolueno y el ácido acético y en la inferior el agua y el ácido acético, partiendo del hecho que la parte superior es menos densa. La turbidez que se presentó en las soluciones ternarias se desvaneció al mezclar cuatro de ellas debido a que aumentó la concentración del ácido acético, produciendo la separación de las fases.

Se recolecto cada fase y se procedió a titular tanto la mezcla I como la mezcla II, a fin de conocer la composición de soluto (acido acético) en la fase de la mezcla a estudio, dichas composiciones se pueden observar en la tabla 2. En la titulación de ácido acético con hidróxido de sodio, el titulante se escogió tomando en cuenta la afinidad de éstos con la fase a titular. La fase acuosa se tituló con NaOH acuoso y la fase orgánica con NaOH alcohólico, con el objeto de evitar separaciones de fase al momento de la titulación, la cual se lleva a cabo mediante la siguiente reacción [1]:

CH3COOH + NaOH  CH3COONa + H2O (I)

La turbidez que se observó al titular la fase orgánica se debe a la producción de agua en la reacción, la cual disminuye la solubilidad del ácido en el tolueno, formando de nuevo un sistema ternario. La desaparición de esta turbidez en el caso de la mezcla A3’ – A4’ – C3’ – C4’ se debe a la cantidad de titulante que diluye la turbidez formada, por tanto, la cantidad de ácido presente en la fase acuosa es mayor que la cantidad presente en la fase orgánica [1].

Al unir los puntos obtenidos de la fase acuosa con la fase orgánica de la misma mezcla en la curva binodal, se genera la curva de reparto de la mezcla a estudio, tal cual puede observarse en la figura 1, las cuales poseen pendiente positiva, indicando así que el coeficiente de reparto es positivo, dicha inclinación implica que el soluto (ácido acético) resulto ser mas soluble en agua que en tolueno. A partir de los cálculos se verifico que hay mayor cantidad de ácido acético en la fase acuosa que en la fase orgánica, tal como se observa en la tabla 2.

Tabla 2. Composiciones de ácido acético de las mezclas ternarias en las fases acuosas y orgánicas, y coeficientes de reparto.

Mezcla Fase Composición

(XHAc ± 0,9) % Coeficiente de reparto

(Kc±1,8)adim

I Acuosa 24,6 6,6

Orgánica 3,7

II Acuosa 58,1 2,4

Orgánica 23,7

Presión ambiente (726,9±0,05) mmHg

Temperatura ambiente (27,0±0,5) ºC

CONCLUSIONES

La mezcla binaria de ácido acético – agua es totalmente miscible. La mezcla binaria de ácido acético – tolueno es totalmente miscible. La mezcla binaria de tolueno – agua es parcialmente miscible. La composición peso-peso porcentual del ácido acético en la fase acuosa de la mezcla 1 fue de (24,6 ± 0,9) %. La composición peso-peso porcentual del ácido acético en la fase orgánica de la mezcla 1 fue de (3,7 ± 0,9) %. La composición peso-peso porcentual del ácido acético en la fase acuosa de la mezcla 2 fue de (58,1 ± 0,9) %. La composición peso-peso porcentual del ácido acético en la fase orgánica de la mezcla 2 fue de (23,7 ± 0,9) %. El ácido acético es más soluble en el agua que en el tolueno. El coeficiente de distribución o de reparto obtenido en la experiencia fue (6,6  1,8) Adim., para la mezcla 1. El coeficiente de distribución o de reparto obtenido en la experiencia fue (2,4  1,8) Adim., para la mezcla 2.

REFERENCIAS

1. [1] MARON, S. y PRUTTON, C. (1998). “Fundamentos de Fisicoquímica”. México. Editorial Limusa. 1era edición.

2.

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