Construir el diagrama de fases de un sistema líquido de tres componentes: agua, n-butanol y ácido acético.

1. Objetivo:

Construir el diagrama de fases de un sistema líquido de tres componentes: agua, n-butanol y ácido acético.

2. Fundamento teórico:

En un sistema de tres componentes se tiene un medio excelente para representar composiciones como lo es el uso del triángulo equilátero. Sin embargo, esta es una representación bidimensional y si se desea añadir otra variable, como la temperatura, se ha de emplear una tercera dimensión, resultando una figura en el espacio. En este experimento, trabajaremos a temperatura constante y nos limitaremos a examinar el procedimiento para representar datos de composiciones de tres componentes en el triángulo equilátero. En cada lado del triángulo representaremos los porcentajes de uno de los componentes, señalando los intervalos convenientes de los porcentajes, como se indica en la figura 1. Obsérvese que cada esquina del triángulo representa 100% de uno de los componentes.

Figura 1: Punto d: 25% A, 25% B Figura 2: Diagrama de Solubilidad del sistema

y 50% C. ácido acético/n-butanol/agua.

En la Figura 1 el punto "d" representa la composición de la mezcla formada por 25% de A, 25% de B y 50% de C.

Obsérvese que para establecer el punto d se necesitan sólo dos de las líneas ag, hb y fc. Obsérvese también que una mezcla que sólo contenga dos de los componentes se representaría por un punto de uno de los lados del triángulo. De la geometría del triángulo equilátero resulta que la suma de las líneas dh, da y df (las cuales representan los porcentajes de A, B y C respectivamente), iguala a 100%. Del mismo modo, la suma de las líneas análogas trazadas para cualquier otro punto dentro del triángulo sería igual a 100%. Un procedimiento alternativo que se utiliza algunas veces es el llamado de representación en la perpendicular, el cual no se discute en este texto.

En el sistema ácido acético/n-butano/agua, dos de los componentes, n-butanol y agua, son parcialmente miscibles. Por el contrario, ácido acético y n-butanol o agua y ácido acético son miscibles en todas las proporciones. Consideremos primeramente una mezcla de n-butanol y agua. Estará formada por dos capas, una de ellas rica en n-butanol. Las cantidades relativas de las dos capas dependen de las cantidades de n-butanol y de agua mezcladas inicialmente.

Si se añade a esta mezcla una pequeña porción de ácido acético se distribuye éste entre las dos capas. Además se encuentra que se ha disuelto algo de agua en la solución rica en n-butanol y algo de n¬butanol en la capa acuosa. Las composiciones de las dos capas resultantes, establecidas por procedimientos analíticos adecuados se hallan en puntos semejantes a los a y b de la Figura 2. La línea que une estos dos puntos de composición en equilibrio se llama línea de reparto. Esta línea no es necesariamente paralela a la base.

-Si se añade más ácido acético, las dos capas líquidas cambian de composición (puntos c y d). La recta que une a estos dos puntos da otra línea de reparto. A medida que se añade ácido la composición de las dos capas líquidas se hace más semejante una a otra. Sin embargo, la característica más significativa del proceso es que la cantidad de una de las fases se hace cada vez menor. Eventualmente, una de las fases desaparece y queda una sola capa líquida. Esta capa persiste aunque se continúe la adición de ácido.

La adición de ácido acético a distintas mezclas de n-butanol y agua termina por producir sistemas líquidos de una sola fase. Las composiciones donde el sistema bifásico cambia a homogéneo, definen la denominada "curva de solubilidad", cuya representación genérica se muestra en la figura 2. Se observará que esta curva va desde una solución rica en n-butanol hasta una fase rica en agua. Una mezcla cualquiera dentro del área que encierra la curva se separará en dos capas líquidas, y cualquier mezcla del área exterior a la curva formará una sólo capa líquida. La posición de la curva cambia con la temperatura.

Consideremos ahora las dos disoluciones, a y b, de la Figura 2 y la línea que las une. Cualquier disolución de composición total que se halle sobre la línea de reparto formará un sistema de dos fases de composición a y b. Las cantidades relativas de las dos fases dependerá de la composición total. Si la mezcla total es rica en agua, la composición global se hallará sobre un punto próximo a la composición a sobre la recta de reparto; en este caso la cantidad de la fase a será mucho mayor que la cantidad de la fase b. Si, por el contrario, la mezcla total es rica en n-butanol, la composición global se hallará cerca de la composición b sobre la línea de reparto y predominará la fase alcohólica.

En la figura 2 se han trazado algunas líneas de reparto para el sistema ácido acético/n-butanol/agua. Estas líneas no son paralelas a la base n-butanol/agua ni unas a otras. A medida que el porcentaje de ácido acético se hace mayor, las composiciones de las dos fases se aproximan y las líneas de reparto se hacen cada vez más pequeñas. Las composiciones de las dos fases se hacen iguales en un punto llamado punto de doblez o punto crítico. En este experimento el alumno habrá de establecer la curva de solubilidad para una temperatura dada y determinará algunas líneas de reparto. El experimento se realizará a la temperatura ambiente. Si se desean resultados más precisos habrá de utilizarse un baño de temperatura constante.

3. Material y reactivos:

CH3COOH 8

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