Equilibrio líquido vapor en un sistema binario

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INTRODUCCIÓN

Para un sistema binario compuesto por dos líquidos  parcialmente miscibles, para esta experiencia etanol-benceno, se puede aplicar la Ley  de Raoult para conocer el comportamiento que presentará la mezcla homogénea; puesto que corresponde a un sistema binario de dos líquidos miscibles; presentando tres posibles comportamientos, cumplir la ley de Raoult o presentar un desvío positivo o negativo a la ley de Raoult.

La Ley de Raoult establece que la presión de vapor de un componente puede ser expresado mediante su presión de vapor en estado puro y su fracción molar, lo cual se expresa en la ecuación 1.

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Dónde corresponde a la presión de vapor en estado puro de A y   a su fracción molar.[pic 5][pic 6]

En el caso de que la muestra obedezca la ley de Raoult, tendrá un comportamiento ideal. En el caso de que la muestra tenga una desviación negativa, la muestra pasa por un punto mínimo al variar la composición, y la temperatura de ebullición isobárica pasa por un máximo. En el caso de desviaciones positivas, se tiene exactamente lo contrario, es decir, al variar la composición la muestra pasa por un máximo y la temperatura de ebullición isobárica pasa por un mínimo.

Por ende, podemos notar que al destilar un compuesto líquido, lo que estamos haciendo es evaporarlo,  y que al evaporar un líquido su composición no cambia, por ende la composición del líquido será igual a la composición del vapor de éste.

En base a lo anterior, tendremos un destilado de composición constante  a un punto de ebullición constante, lo que químicamente se denomina mezcla azeotrópica.

Las mezclas azeotrópicas presentan una desviación a la ley de Raoult, por lo que se debe calcular el coeficiente de actividad  de sus componentes para determinar su comportamiento. Estos coeficientes se basan en la actividad química, que puede ser determinada en base a la ecuación 2.

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Donde  corresponde a la fugacidad de i en su fase de vapor y  a su fugacidad en estado puro, siendo  fugacidad a la tendencia de preferir una fase en vez de las otras.[pic 9][pic 10]

El sistema binario Etanol-Benceno se comporta como una mezcla azeotrópica, en el cual sus líquidos (componentes) presentan un comportamiento no ideal, pero sus gases respectivos presentan un comportamiento lo suficientemente ideal, por lo que en sus coeficientes de actividad pueden basarse en sus presiones en vez de sus fugacidades. Esto se representa mediante la ecuación 3.

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En dónde la presión de cada componente estará determinada por la ecuación 4.

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En el punto azeotrópico las composiciones de gas y líquido son iguales, por lo que el coeficiente de actividad puede ser determinado mediante la ecuación 5.

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Donde P  corresponde a la presión total y  a la presión de vapor del componente.[pic 19]

OBJETIVOS  

• Obtener una curva de equilibrio de fases de un sistema binario.

• Comprender el concepto de mezclas azeotrópicas y coeficientes de actividad.

MATERIALES Y REACTIVOS

Los materiales utilizados en este práctico se encuentran enlistados a continuación.

• Equipo de Destilación.
• Frascos pequeños con tapa.
• Refractómetro de Abbe.
• Termómetro análogo. Sensibilidad  ; Error instrumental .[pic 20][pic 21]
• Benceno, densidad .[pic 22]
• Etanol, densidad .[pic 23]
• Bureta.
• Pinzas para bureta.
• Soporte universal.
• Pipetas y Propipeta.
• Manto calefactor.
• Vaso de precipitado mediano.

METODOLOGÍA[pic 24]

Actividad I: Temperatura y composición de Benceno con Etanol.

El proceso experimental que se utilizó en esta experiencia se encuentra explicado, paso por paso, a continuación.

1.  Se Armó el aparato de destilación simple y se colocó un manto calefactor bajo el matraz, para que el matraz aumente su temperatura de manera gradual y no tan violentamente como lo haría si se colocara un mechero.

1. Se agregó un volumen de  de Benceno puro al matraz, generando un sistema monofásico al interior de éste último. [pic 25]

1. Se enrasó una bureta con Etanol.

1. Se encendió el manto calefactor y se calibró la potencia de éste a ¾ de su escala. Luego se inició una destilación a reflujo para obtener un destilado.

1. Se registró la temperatura a la que destiló el Benceno. Se apagó el manto calefactor y se retiró del matraz. Luego de procedió a disminuir la temperatura del matraz mediante una toalla nova húmeda, que se colocó alrededor de éste.

1. Luego de un descenso térmico de unos , se procedió a tomar una muestra del destilado y del residuo (el líquido contenido en el matraz), cada muestra se depositó en un frasco pequeño de vidrio con tapa, se tapó y rotuló.[pic 26]

1. De la bureta previamente enrasada con Etanol, se trasvasó  a un vaso precipitado y se agregó al matraz con el residuo de la destilación anterior, formando un sistema bifásico de dos componentes.[pic 27]

1. Se realizó la destilación a reflujo de la misma manera anterior, repitiendo los pasos 4, 5 y 6.

1. Se repitieron los pasos 7 y 8, pero agregando  en cada destilación respectiva.[pic 28]

1. Los tubos con los destilados y los residuos se llevaron al refractómetro de Abbe, para medir su índice de refracción respectivo. Se Registró lo anterior.

Actividad II: Temperatura y Composición de Etanol con Benceno.

De manera análoga a la actividad I, los pasos que se realizaron para realizar el experimento se enlistan a continuación.

1. Se armó el aparato de destilación de la misma forma que en la actividad I.

1. Se agregó un volumen de  de Etanol puro al matraz, generando un sistema monofásico al interior de éste último.[pic 29]

1. Se enrasó una bureta con Benceno.

1. Se encendió el manto calefactor y se calibró la potencia de éste a ¾ de su escala. Luego se inició una destilación a reflujo para obtener un destilado.

1. Se registró la temperatura a la que destiló el Etanol puro. Se apagó el manto calefactor y se retiró del matraz. Luego de procedió a disminuir la temperatura del matraz mediante una toalla nova húmeda, que se colocó alrededor de éste.

1. Luego de un descenso térmico de unos , se procedió a tomar una muestra del destilado y del residuo (el líquido contenido en el matraz), cada muestra se depositó en un frasco pequeño de vidrio con tapa, se tapó y rotuló.[pic 30]

1. De la bureta enrasada con benceno, se trasvasijó  a un vaso precipitado y se colocó en el matraz que contenía el residuo de la destilación de etanol, formándose un sistema bifásico en el matraz.[pic 31]

1. Se realizó la destilación a reflujo repitiendo los pasos 4, 5 y 6.

1. Se repitieron los pasos 7 y 8, pero agregando un volumen de  en cada destilación respectiva.[pic 32]

1. Se procedió de manera análoga al paso 10 de la actividad I.

RESULTADOS Y DISCUSION

Discusión

CONCLUSION

BIBLIOGRAFÍA

1. Ira N. Levine, Fisicoquímica, Quinta edición Volumen 1, Ed. Mc Graw Hill, cap. 12, pág 435-438.

1. Guía de laboratorio Unidad temática 4, segunda ley de la Termodinámica.

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