Termodinamica

PRACTICA 2

DISTRIBUCION DE ACIDO ACETICO ENTRE AGUA Y ETER (BENCENO)

OBJETIVO:

El propósito de este experimento es el estudio de la distribución de un soluto entre dos solventes inmiscibles.

TEORIA:

Si una porción de una solución conteniendo soluto A es agitada con una porción de un segundo solvente, el cual es inmiscible con el primer solvente pero en el cual A es soluble, se encuentra que en el equilibrio las concentraciones de soluto en los dos solventes están relacionadas por un tipo especial de constante de equilibrio. La distribución puede ser complicada, en algunos casos, por ionización, disociación o asociación del soluto en uno o ambos de los solventes. En este experimento consideraremos solamente dos situaciones simples. En una el soluto tiene la misma forma molecular en ambos solventes. En la otra el soluto esta asociado en moléculas dobles en uno de los solventes.

Como soluto usaremos ácido acético y como par de solventes usaremos éter-agua o benceno-agua. No hay asociación del soluto ni en agua ni en éter, pero hay asociación en moléculas dobles en el benceno. La muy ligera ionización del ácido acético en el agua no es significativa. El proceso de formación de moléculas dobles en solventes que no contienen oxígeno es característico de muchos ácidos orgánicos.

Designemos un solvente como fase 1 y al otro solvente como fase 2. La ecuación para la distribución del soluto entre los dos solventes, cuando no hay asociación, puede escribirse:

La constante de equilibrio para esta reacción es:

(1)

En la cual C representa la concentración del ácido. La constante K es llamada usualmente coeficiente de distribución. De la misma forma que otras constantes de equilibrio, su valor cambia con la temperatura.

Si hay asociación en moléculas dobles en la fase 2, la ecuación para la distribución puede escribirse como:

y la expresión para la constante de equilibrio es:

(2)

Las ecuaciones (1) y (2) son usadas para comprobar la asociación en un experimento de distribución. Varias cantidades de soluto son llevadas al equilibrio en varios volúmenes de los dos solventes. Las concentraciones de soluto en los solventes son sustituidas en estas ecuaciones. Si no ocurre asociación y si no hay otros factores de complicación, la ecuación (1) dará una serie de valores constantes de K. Si, por otra parte, no se obtiene una serie de valores constantes usando la ecuación (1) pero se obtiene usando la ecuación (2), sabremos que la asociación ha tenido lugar en la fase 2.

Deberá notarse que ni la ecuación (1) ni la ecuación (2) establecen algo acerca de las cantidades relativas de los dos solventes, son solamente las concentraciones de soluto las que deben satisfacer la expresión de la constante de equilibrio.

El proceso de distribución de un soluto entre solventes inmiscibles se utiliza en experimentos de extracción, particularmente en química orgánica. Sabemos empíricamente que el uso de solvente extractor en pequeñas porciones produce una mucho mas eficiente extracción que el uso de un mismo volumen de solvente en una porción extractora. Esto se demuestra matemáticamente de la ecuación (1). Limitemos nuestras consideraciones al caso simple cuando no ocurre asociación.

Llamemos X0 a los gramos de soluto en V mililitros de solvente 1, y agitemos esta solución con porciones sucesivas de solvente 2. Designemos al volumen de solvente 2 como v mililitros. Designemos la cantidad de soluto que permanece sin extraer en el solvente 1 después de cada extracción por los símbolos X1, X2, X3, etc. Puesto que las concentraciones se expresarían en gramos por mililitro, la sustitución en la ecuación (1) conduciría a:

(3)

Resolviendo la ecuación (3) para X1, tendríamos:

(4)

La repetición de este proceso lleva a la cantidad que permanece sin extraer después de n extracciones:

...