equilibrio liquido vapor

EQUILIBRIO LÍQUIDO VAPOR
EN UN SISTEMA NO IDEAL
OBJETIVO
El alumno obtendrá el punto azeotrópico para el sistema acetona-cloroformo, calculará
los coeficientes de actividad de cada componente a las composiciones del líquido y el vapor en
equilibrio a diferentes temperaturas de ebullición y determinará el tipo de desviación a la ley de
Raoult que presenta el sistema.
CONSIDERACIONES TEÓRICAS
Las disoluciones ideales se definen como aquellas que obedecen la ley de Raoult en todo
el rango de concentraciones, y la ley de Raoult se define como:
Pi = Pºi xi
(1)
donde es la presión parcial del componente i-ésimo en la disolución,
es la presión de vapor
del componente i puro y xi la fracción molar de i en la disolución (líquida).
El comportamiento ideal lo presentan las disoluciones formadas por componentes de
naturaleza muy semejante, por ejemplo, benceno y tolueno. En estos casos las presiones de vapor
de las disoluciones binarias varían linealmente con la composición de la disolución líquida, y el
vapor siempre es más rico en el componente más volátil.
Existen muchos sistemas binarios que no se comportan idealmente ya que obedecen la ley
de Raoult sólo a concentraciones muy bajas y que presentan un máximo o un mínimo en los
diagramas de presión de vapor contra composición, esto es, existe una composición a la cual la
presión de vapor es máxima o mínima con respecto a la presión de vapor de los componentes
puros. Estos puntos presentan también la característica de que en el equilibrio la composición del
vapor es la misma que la del líquido, de manera que destilan con la misma composición. Por este
motivo, esos puntos se denominan puntos azeotrópicos. Los sistemas binarios que presentan un
máximo o un mínimo en una curva de presión de vapor contra composición, presentan en
consecuencia un mínimo o un máximo en un diagrama de temperatura de ebullición contra
composición.
Debido a que el sistema que se utilizará en la práctica es real, y como se requiere
describirlo utilizando la ecuación de Raoult, entonces esta deberá de modificarse, introduciendo
un factor de corrección que toma en cuenta las interacciones intermoleculares de los
componentes que forman la disolución, la ecuación de Raoult (Smith, Ness, & Abbott, 2002) se
expresará como:
Pi = Poi i xi
(2)
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donde xi es la fracción molar de i en el líquido, i se denomina coeficiente de actividad de i y es
función de la temperatura, la presión y la composición. La ecuación (2) se justifica, de algún
modo, al considerar que el potencial químico de i (i) en la fase de líquida de un sistema real,
está dado por:
i = oi + RT ln ai
i = oi + RT lni xi
(3)
donde oi es el potencial químico en estado líquido puro, i es el coeficiente de actividad del
componente i en la disolución líquida, xi es la fracción molar de i en la solución líquida, se
puede ver que la actividad ai se define como:
ai = i i
(4)
Para calcular los coeficientes de actividad de las muestras del líquido en
ebullición, se recurrirá a la ecuación (2). La presión parcial en el vapor del componente i, Pi, se
encontrará empleando la ley de Dalton de las presiones parciales dada por
Pi = yi Pt
(5)
donde yi es la fracción molar de i en el vapor, la cual se obtiene por análisis del condensado, y Pt
es la presión total del sistema (presión barométrica) que se obtiene leyendo el barómetro del
laboratorio.
Las presiones de vapor puros de los componentes, , se encontrarán con la ecuación de
Antoine, que es una versión modificada de la ecuación integrada de Clausius - Clapeyron:
lnPi0  Ai 
Bi
t  Ci
(6)
donde t la temperatura de ebullición en °C y Ai, Bi, Ci, son parámetros que dependen de la
sustancia en estudio.
En esta práctica se prepararán disoluciones de acetona y cloroformo de diferente
composición y se calentarán a ebullición, manteniendo reflujo total con el objeto de producir un
sistema en estado estacionario de composición constante. Una vez asegurada la constancia en la
temperatura de ebullición, se tomarán muestras del líquido y del vapor condensado, las cuales se
analizarán por refractometría para conocer la fracción molar de cada componente en cada
muestra.
Como el método de análisis de las muestras del líquido y vapor condensado en equilibrio
se basa en la medición del índice de refracción, es conveniente señalar que dicho índice varía con
la temperatura, la presión y la composición. El efecto de la presión es despreciable tratándose de
fases líquidas y el efecto de la temperatura se minimiza si todas las mediciones del índice de
refracción se efectúan a la misma temperatura. En estas condiciones el índice de refracción es
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solo función de la composición (fracción molar). Utilizando una tabla de conversión de los
índices de refracción a concentración de cloroformo en fracción molar se pueden obtener las
concentraciones de todas las disoluciones analizadas de las dos sustancias tanto en la fase de
vapor como en la fase líquida, ver tabla (Reid, 1977) o en la sección de cálculos de esta misma
práctica.
GUÍA DE ESTUDIOS
1. ¿Cómo se define una disolución ideal?
2. ¿Qué es una disolución azeotrópica?
3. ¿Qué variables afectan el punto azeotrópico de un sistema dado?
4. Enuncie la ley de Raoult.
5. ¿Qué es el coeficiente de actividad?
6. ¿Qué valores tienen el coeficiente de actividad y la actividad en una disolución ideal?
7. ¿Qué es el índice de refracción y de qué variables depende?
8. Explique los tipos de desviación a la ley de Raoult.
9. ¿Por qué los sistemas binarios que presentan un máximo en el diagrama de presión de vapor
contra composición, tienen un mínimo en el diagrama de temperatura de ebullición contra
composición?
10. Dibuje un diagrama de temperatura de ebullición contra composición, para un sistema que
presente un punto de ebullición máximo y otro que presente un mínimo.
MATERIAL
Algodón, aparato para destilación a reflujo total para microescala, baño de arena (1),
gradilla (1), perla de ebullición(1), pipeta graduada de 5 mL (2), pipeta graduada de 2 mL (1),
pipeta graduada de 1 mL (1), pipeta Pasteur (2), pipeteador (2), placa para calentamiento (1),
refractómetro , termómetro digital (1), tubo de ensaye con tapón de (70 x 10) mm (26), vaso de
precipitado de 30 mL (2), vidrio de reloj (2).
REACTIVOS
Acetona, cloroformo.
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PROCEDIMIENTO
1. Coloque sobre un baño de arena el aparato para destilación.
2. Vierta 5 mL de cloroformo y una perla de ebullición en el matraz de destilación. Haga
recircular agua por el refrigerante y caliente el matraz hasta que el líquido hierva
suavemente. Anote la temperatura de ebullición cuando ésta se mantenga constante. Retire el
aparato de destilación del baño de arena.
3. Agregue 0.4 mL de acetona al matraz de destilación (no es necesario ser muy exactos en el
volumen). Caliente nuevamente hasta alcanzar una ebullición suave. Anote la temperatura de
ebullición cuando se mantenga constante.
4. Continúe calentando y tome una muestra de vapor introduciendo una pipeta Pasteur por el
extremo abierto del refrigerante y vacíela en un tubo marcado como V1, tape inmediatamente
el tubo. Retire el aparato para destilación del baño de arena.
5. Retire el termómetro y tome una muestra de líquido en el matraz de destilación con otra
pipeta Pasteur y vacíela en un tubo marcado como L1, tape inmediatamente el tubo.
6. Agregue 0.6 mL de acetona al matraz de destilación, coloque el termómetro en su lugar y
repita el procedimiento de calentar a ebullición, anotar la temperatura y tomar muestras de
vapor V2 y de líquido L2
7. Repita el procedimiento del punto anterior, pero agregando una porción de acetona de 0.4mL
y una porción de 0.2 mL.
8. Retire el matraz de destilación y vacíe su contenido en el frasco de desechos. Monte
nuevamente el aparato.
9. Agregue 5 mL de acetona y una perla de ebullición en el matraz de destilación. Caliente
hasta que el líquido hierva suavemente. Anote la temperatura cuando se mantenga constante.
Retire el aparato para destilación del baño de arena.
10. Repita el procedimiento de agregar muestra, calentar a ebullición, anotar temperatura y tomar
muestras de vapor V y de líquido L, pero utilizando una porción de cloroformo de 2 mL, dos
de 1 mL cada una y una de 1.8 mL.
11. Lea y anote la presión barométrica.
ÍNDICES DE REFRACCIÓN
El refractómetro es un instrumento valioso, cuya parte más importante son los prismas. Su
superficie nunca debe rayarse, por lo que debe evitar tocarla con objetos sólidos, como
pipetas o tubos de ensaye. Antes de usarlo por primera vez, debe limpiar suavemente la
superficie expuesta de los prismas con un algodón humedecido en acetona. El procedimiento
posterior se detalla a continuación.
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1. Ensaye la lectura del refractómetro poniendo acetona o cloroformo puros en cantidad
suficiente para cubrir la parte expuesta del prisma inferior y cierre el conjunto de prismas.
2. Busque la posición del refractómetro que produzca una mejor iluminación del campo.
3. Gire los botones del refractómetro hasta lograr una separación nítida entre campos claro y
oscuro (idealmente blanco y negro divididos por una recta horizontal).
4. Gire el botón inferior del refractómetro hasta que la línea divisoria entre los campos claro y
oscuro pase por el punto de cruce de las líneas en forma de X.
5. Lea cuidadosamente el índice de refracción en la escala apropiada. Observe que puede leer
con seguridad 5 cifras significativas.
6. Mida los índices de refracción de todas las muestras tan pronto como sea posible. Anote
cuidadosamente sus lecturas.
7. Recolecte los residuos obtenidos en el experimento en un contenedor debidamente rotulado.
TRATAMIENTO Y DISPOSICIÓN DE RESIDUOS
Los residuos de la mezcla acetona-cloroformo se almacenan para su posterior
confinamiento.
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