INFORME DE LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA

Escuela de Ingeniería Química, cuarto ciclo, sección B

Universidad Nacional de Trujillo

rsangay@unitru.edu.pe

Objetivo

Se traza una gráfica de solubilidad y los datos de la línea de unión sobre papel milimétrico triangular.

Resumen

El sistema particular objeto de este estudio es el ácido acético glacial (CH3-COOH) disuelto en agua destilada (H2O) y en cloroformo (CHCl3) a la presión de 1 atm y la temperatura de 298 K. Se analiza el diagrama de fases en este sistema ternario en el equilibrio líquido-líquido, por un lado, determinamos la línea límite o la llamada curva de solubilidad a partir de las composiciones de la mezcla ternaria. Además, se determina las líneas de unión o de reparto correspondiente al equilibrio líquido-liquido del sistema ternario. Se realizan 10 ensayos, 8 primeros sirven para determinar la línea límite y los 2 ensayos restantes nos ayudan a determinar las líneas de unión presentes en el diagrama ternario.

Palabras clave: Sistema ternario, miscibilidad, método del triángulo, curvas binodales.

1. INTRODUCCIÓN

SISTEMAS DE TRES COMPONENTES

En este caso una sola fase posee cuatro grados de libertad, que son, la temperatura, presión y las composiciones de dos de los tres componentes. Este número de variables plantea una gran dificultad al representar las relaciones de fase. Por esa razón los datos en los sistemas ternarios se presentan generalmente a cierto valor fijo de la presión, tal como la atmosférica, y a diversas temperaturas constantes. En estas condiciones, es posible mostrar las relaciones de concentración entre los tres componentes. a cualquier temperatura, sobre un diagrama plano, al combinar este tipo de diagramas obtenidos a distintas temperaturas se logra construir un modelo sólido que tiene representadas las concentraciones en la base y la temperatura en el eje vertical.

Para un sistema de tres componentes la regla de las fases tiene la forma F = 5 - P. A una presión y temperatura fijas el número de grados de libertad se reduce en dos, así que F = 3 - P, y el número máximo de fases que pueden presentarse simultáneamente es tres, que es el mismo número posible para los sistemas de dos componentes bajo una presión constante únicamente. Por esa razón, bajo las condiciones especificadas un área indica de nuevo divariancia, una línea monovariancia, y un punto invariancia.

MÉTODO DE REPRESENTACIÓN GRÁFICA

Se han propuesto diversos esquemas para representar bidimensionalmente los diagramas de equilibrio de los sistemas ternarios. De ellos el método del triángulo equilátero sugerido por Stokes y Roozeboom es el más general y el que se utilizará ahora. En este método las concentraciones de los tres componentes a una presión y temperatura dadas se grafican sobre un triángulo equilátero tal como se muestra en la figura 1. Cada vértice del triángulo se toma como punto de referencia para un 100% del componente con que se designa. Para obtener otros porcentajes de A, se dividen los lados AB y AC en 10 (o a veces 100) partes iguales, y se dibujan líneas paralelas a BC. Cada una de ellas representa entonces un porcentaje de A que varía desde cero sobre la línea BC a 100 en A. Análogamente, las líneas que dividen los lados BA y BC son paralelas a AC y nos dan diversos porcentajes de B, mientras que las trazadas a lo largo de los lados CA y CB paralelas a AB representan los diversos porcentajes de C. Para graficar un punto cualquiera sobre el diagrama tal como el D, que tiene un 30% de A, 20% de B, y 50% de C, localizamos primero la línea de 30% de A, esto es, ab; luego la de 20% de B, es decir, cd. La intersección de aquellas dos rectas nos da el punto buscado. Este debe quedar también sobre la línea de 50% de C, o el, y este hecho se utiliza para comprobar la exactitud de la localización.

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Figura 1. Representación gráfica de sistemas de tres componentes.

SISTEMAS DE TRES LÍQUIDOS PARCIALMENTE MISCIBLES

Aunque son posibles muchas categorías de sistema de tres componentes se dedicará la atención principal sólo a dos de ellos; esto es, (a) sistemas compuestos de tres componentes líquidos que presentan una miscibilidad parcial, y (b) sistemas compuestos de dos componentes sólidos y uno líquido. Los sistemas compuestos de tres líquidos que presentan una miscibilidad parcial se clasifican así:

Tipo 1. Formación de un par de líquidos parcialmente miscibles.

Tipo II. Formación de dos pares de líquidos parcialmente miscibles.

Tipo III. Formación de tres pares de líquidos parcialmente miscibles.

Cada uno de estos tipos se discutirá por turno.

TIPO I. UN PAR MISCIBLE PARCIALMENTE.

Consideremos a un par de líquidos, B y C, que son parcialmente solubles entre sí a una temperatura dada. Si mezclamos cantidades relativas de los dos, de manera que se exceda los límites de solubilidad mutua, se obtendrán dos capas, una compuesta de una solución de B en C, la otra de C en B. Supongamos que ahora se agrega a la mezcla anterior un tercer líquido A, que es completamente miscible tanto en B como en C. La experiencia enseña que A se distribuirá entre dos capas y promueve una mayor miscibilidad de B y C. Este incremento depende de la cantidad adicionada y de las cantidades de B y C presentes. Si se añade suficiente A, las dos capas pueden resultar modificadas dando una solución única compuesta de los tres líquidos.

Los cambios de miscibilidad producidos por adiciones progresivas de A a las mezclas de B e pueden seguirse en el diagrama mostrado en la figura 2. Los puntos a y b designan las composiciones de las dos capas líquidas que resultan de la mezcla de B y e en alguna proporción global arbitraria tal como c, mientras que la línea Ac muestra la manera en que dicha composición cambia por adición de A. Cuando se añade suficiente A para cambiar c a c1, las composiciones de las dos capas se desplazan desde a y b hasta a1 y b1. La línea a1b1 a través de c1 conecta las composiciones de las dos capas en equilibrio, y, se denomina línea de unión. De manera análoga se modifican las composiciones a a2, a3 y b2, b3, cuando las composiciones globales alcanzan los valores c2 y c3. Finalmente, en el punto b4 se ha agregado suficiente cantidad de A para formar una sola capa de esta composición, y de aquí que se obtiene sólo una composición única.

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Figura 2. Tres líquidos con un par parcialmente miscible.

Son ejemplos del tipo discutido el sistema ácido acético-cloroformo-agua (A-B-C), la acetona-agua-fenol (A-B-C).

TIPO II. DOS PARES PARCIALMENTE MISCIBLES.

Un sistema compuesto de tres líquidos tales que A y B, y A y C son parcialmente miscibles, mientras que B y C lo son totalmente, exhibirá un diagrama de fases con dos curvas binodales como se muestra en la figura 3. La curva aDb da el intervalo de composiciones en que la mezcla A y B conteniendo C son parcialmente miscibles. De nuevo la curva binodal cFd da el área dentro de la cual C y A que contiene B se separa en dos capas. Fuera de estas áreas los tres componentes son completamente miscibles. D y F son los puntos de doblez respectivos de las dos regiones heterogéneas, mientras que las dos líneas de enlace muestran las composiciones de las diversas capas en equilibrio.

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Figura 3. Líquidos parcialmente miscibles con dos curvas binodales.

Este tipo de diagrama lo presentan los líquidos nitrilo succínico-agua-alcohol etílico (A-B-C) entre 18.5 y 31°C.

Aunque algunos sistemas líquidos temarios exhiben este tipo de diagrama a temperaturas elevadas, a otras inferiores, cuando la miscibilidad decrece, las dos curvas binodales pueden intersectar para formar la banda típica del diagrama mostrado en la figura 4. Aquí el área de la miscibilidad parcial abdc se extiende en toda la amplitud del diagrama, dando bd la composición de una capa y ac la de la otra. Las líneas de enlace indicadas unen las soluciones en equilibrio. Ejemplos de la formación de bandas se encuentran en los sistemas de agua-fenol-anilina (A-B-C) y agua-acetato de etilo-alcohol butílico-n (A-B-C).

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Figura 4. Líquidos parcialmente miscibles con curvas binodales que interceptan.

TIPO III. TRES PARES PARCIALMENTE MISCIBLES.

Cuando los tres líquidos son parcialmente solubles entre sí, se producen tres curvas binodales (figura 5), con tal que la temperatura sea suficientemente elevada para prevenir intersecciones. Aquí de nuevo las áreas en forma de domo indican regiones líquidas bifásicas, mientras que en las externas sólo existe una fase presente.

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Figura 5. Líquidos parcialmente miscibles con tres curvas binodales.

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