Práctica N° 1 Elaboración del Diagrama (T, x) del sistema binario HCl-H2O

Práctica N° 1 [pic 1]

Elaboración del Diagrama (T, x) del sistema binario HCl-H2O

a partir de datos experimentales

López López Christian Arturo, Pérez López Laura Patricia, Pérez Martínez Luis Felipe, Robles Zárate Alex Giovanni, Rosado Lomán Karem Paola, Ugalde Núñez Saidel.

Universidad Veracruzana; Facultad de Ciencias Químicas. Av. Universidad km. 7.5, col. Santa Isabel. Coatzacoalcos, Ver.

Resumen

En la industria es de vital importancia el uso de gráficos de equilibrio liquido-vapor en sistemas de varios componentes ya que permiten predecir el comportamiento de los mismos a diferentes condiciones de operación. En este trabajo se estudia el procedimiento adecuado para llevar a cabo la construcción de un diagrama temperatura-composición de un sistema binario el cual exhibe una desviación negativa de la Ley de Raoult (un mínimo en la curva de presión de vapor total contra composición y un máximo en la temperatura de ebullición). La construcción de la curva de ebullición se realizó a partir de los datos obtenidos de un equipo de destilación simple del cual se tomaron pequeñas muestras de residuo y destilado, las cuales fueron analizadas por titulación. Estos datos junto con las respectivas temperaturas de ebullición permiten graficar el diagrama T-x, obteniendo de esta manera un valor aproximado de la composición molar del azeótropo, por lo que para el equilibrio vapor líquido (EVL) se plantea mediante la ley de Raoult modificada, en el cual aplicaremos un método de correlación para el cálculo de los coeficientes de actividad, en este caso utilizando el modelo de Van Laar^[1], el cual es un modelo para representar la energía libre de exceso de las disoluciones líquidas, a partir de datos experimentales.

Introducción

Cuando la termodinámica se aplica al EVL el objetivo es encontrar mediante los cálculos, temperaturas, presiones y las composiciones de las fases en equilibrio. En realidad, la termodinámica proporciona el sistema matemático para una […] interpretación sistemática de la información. (Ness, 2007)

Estas herramientas son necesarias para poder obtener la curva de temperatura contra composición para un líquido-vapor en equilibrio de una mezcla Azeotrópica, la elaboración del diagrama (T, x) del sistema binario HCl-H2O a partir de datos experimentales consiste en establecer una relación entre las concentraciones de ácido clorhídrico en agua que se obtienen al llevar a cabo una destilación simple sin embargo si queremos un resultado con mayor grado de pureza es necesario realizar una destilación Azeotrópica. (Hendrick C. Van Ness, 1997) [3]

Una mezcla azeotrópica^[2] se caracteriza porque su vapor tiene la misma composición que la fase líquida y que por tanto no se pueden separar por destilación simple. (Docencia Bases FQ, 2017). Este tipo de mezclas que se apartan del comportamiento ideal pueden separarse usando la destilación fraccionada.

El azeótropo se comporta como un compuesto puro en la propiedad de hervir a temperatura constante. Sin embargo los cambios en la presión producen cambios tanto en la composición del azeótropo como en la temperatura de ebullición, de manera que no es un compuesto puro. (Castellan, 1987)

Cuando una mezcla Azeotrópica tiene un punto de ebullición menor al de alguno de sus componentes o todos, se denomina “azeótropo positivo” o también “azeótropo de punto de ebullición mínima Cuando una mezcla Azeotrópica tiene un punto de ebullición mayor a la de alguno de sus componentes o todos, se denomina “azeótropo negativo” o también “azeótropo de punto de ebullición máxima”. Ejemplo, la mezcla de ácido clorhídrico y agua, que forma un azeótropo que hierve a una temperatura de 108.6 °C mientras que el HCl hierve a           -85.5 °C, por lo tanto se trata de un azeótropo de temperatura máxima y con desviación negativa según Raoult  (Robert H. Perry, 2012)

Al tener las mediciones pertinentes de la temperatura se determinaron los parámetros de interacción binaria por Van Laar. Por consiguiente, desarrollar la ley de Raoult^[3] la cual tiene dos principales suposiciones para reducir los cálculos de EVL “1. La fase de vapor es un gas ideal. Se aplica a presiones bajas moderadas. 2. La fase líquida es una solución ideal. Las especies que constituyen el sistema son químicamente semejantes.” (J. M. Smith, 2007) Para poder modificarla a condiciones reales, basándose en lo experimental y así realizar el diagrama (T, x), el cual fue elaborado suponiendo idealidad en las condiciones de presión.

En dicho grafico a presión constante las temperaturas de ebullición en función de las composiciones de la mezcla azeotrópica se comprueba la presencia de un máximo en las curvas generadas, lo cual demuestra que son tangenciales y que el líquido y el vapor tienen la misma composición (Teorema de Gibbs-Konovalov). (Ronis, 2002)

Metodología experimental

Se ensamblo el equipo de destilación simple, se marcaron 10 tubos de ensaye para el registro de cada destilado (D1-D5) y cada residuo (R1-R5). Posteriormente se colocó en el matraz de destilación HCl y H₂O (20 y 50ml), procurando que el volumen de la solución ocupara un nivel medio del volumen total del matraz.                                                           Después se inició lentamente el calentamiento por convección haciendo uso de un mechero de Bunsen, observando constantemente la temperatura para saber en qué momento se mantenía constante (T1) marco 96 °C (aunque la temperatura no era constante)  se colectaron 2’5 ml de las fracciones que se destilaron (D1), se suspendió el calentamiento, y una vez que el líquido dejo de hervir, se retiró 2’5 ml de la solución en el matraz (R1).    Proseguimos añadiendo 5 ml  de HCl al matraz y se continuo destilando (hasta obtener temperatura constante 103 °C), y de nuevo se recolecto las muestras (D1, R1). El procedimiento anterior es repetido, sin embargo varía en cantidades de HCl.                                       Finalmente teniendo las muestras de cuatro destilados y cuatro residuos, se procede a la determinación de las concentraciones de los mismos (ver Tabla 2) tomando una alícuota característica de cada una de las muestra y titulando con NaOH 0.4N utilizando azul de bromotimol como indicador.

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