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Unidad 3

UNIVERSIDAD JUÁREZ AUTÓNOMA DE TABASCO
DIVISIÓN ACADÉMICA DE CIENCIAS BÁSICAS
LICENCIATURA  EN QUÍMICA

UNIDAD 3. EQUILIBRIO DE FASES Y ABSORCIÓN
PRÁCTICAS

PRÁCTICA 9. DIAGRAMA DE FASES. SISTEMA TERNARIO.
PRÁCTICA 10. EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA TENSIÓN SUPERFICIAL.
DETERMINACIÓN DEL EXCESO DE SOLUTO SUPERFICIAL MEDIANTE LA ECUACIÓN DE ADSORCIÓN DE GIBBS

PRÁCTICA 9. DIAGRAMA DE FASES. SISTEMA TERNARIO.

Objetivos

  • Estudiarlas relaciones de solubilidad de tes componentes.
  • Trazar el diagrama de equilibrio del sistema utilizado.
Introducción

Es posible tratar a los equilibrios por medio de la regla de las fases, con lo cual el número de variables a que se encuentra sometido un equilibrio heterogéneo cualquiera, queda definido bajo ciertas condiciones experimentales.
En los casos de sistemas de tres componentes conviene fijar la temperatura y la presión, variando únicamente la composición del sistema.

Los diagramas de fase ternarios se utilizan de forma considerable en problemas de separación y extracción con disolventes y gracias a ellos puede conocerse si la separación buscada puede realizarse y en qué condiciones ha de realizarse
para lograr resultados óptimos.


En el que se permite ver al mismo tiempo la influencia de tres elementos en una disolución, así como en petrología, mineralogía, metalurgia y otras ciencias físicas en los que sea necesario mostrar la composición de sistemas compuestos de tres especies diferentes.
Diagrama de equilibrio ternario (Diagrama de composición)

Para la representación de la composición de un sistema líquido ternario se va a utilizar el método propuesto por Gibbs, Stokes y Rozeboom , que consiste en la asignación de un punto en un diagrama basado en un triángulo equilátero .
Cada uno de los vértices del triángulo representa un componente puro (es decir, el 100% de ese componente).
Una vez que se ha establecido el vértice que corresponde a cada sustancia pura, se trazan líneas paralelas a los lados opuestos a cada uno de los vértices y así se establece la escala en cada eje.
Se puede comprobar que cualquier punto que se encuentre dentro del diagrama es un sistema formado por tres componentes, mientras que los puntos que se encuentran en cualquiera de los lados representan un sistema formado por dos componentes.

Por ejemplo, en el diagrama de la figura, se presentan los puntos correspondientes a las siguientes mezclas:
  1. 60% A | 20% B | 20% C =100%
  2. 25% A | 40% B | 35% C = 100%
  3. 10% A | 70% B | 20% C = 100%
  4. 0.0% A| 25% B | 75% C = 100%
El sistema de tres componentes (A, B y C) que se va a estudiar consta de dos componentes (A y B) que son prácticamente inmiscibles , mientras que el otro componente, C, es miscible en todas proporciones con A y con B.
Si representamos los datos de equilibrio líquido-líquido, a temperatura constante, para un sistema de este tipo, en un diagrama triangular, obtendremos una gráfica similar a la que se muestra a continuación.

Para conocer si a una determinada mezcla le corresponden una o dos fases, los diagramas triangulares líquido líquido presentan la denominada curva binodal o de solubilidad. La posición de la curva cambia con la temperatura.
Una mezcla representada por un punto situado por encima de la curva binodal estará constituida por una sola fase. Por el contrario, a una mezcla situada por debajo de la curva binodal le corresponden dos fases . Las dos fases en equilibrio se encuentran ligadas por una recta de reparto.
La recta de reparto pasa por el punto mezcla y sus extremos sobre la curva binodal indicando la concentración de las dos fases en equilibrio.
Las líneas de reparto se obtienen experimentalmente y no existe una metodología teórica, a partir de la cual, puedan conocerse.


ACTIVIDADES PREVIAS

Investigar los temas:

  • Equilibrio de fases.
  • Regla de las fases.
  • Diagrama de fases.
  • Diagrama de fases triangular.
  1. Investigar la hoja de datos de seguridad de cada uno de los reactivos
  2. Indicar el diagrama de flujo de la metodología

MATERIALES Y REACTIVOS


METODOLOGÍA

a) Primera parte
Se determinará la solubilidad del acetato de etilo (o butanol) en agua y la solubilidad del agua en acetato de etilo (o butanol).
Esto nos proporcionará los primeros dos puntos del diagrama de fases. Para ello se colocan 20 mL de agua en un Erlenmeyer y se añade, agitando continuamente, gota a gota acetato de etilo hasta turbidez.
De la misma forma, se colocan 20 mL de acetato de etilo (o butanol) en un Erlenmeyer y se añade, agitando continuamente, gota a gota agua hasta turbidez Por último, calculamos las fracciones molares de cada componente (consultar videos).

b) Segunda parte:

Se determinarán los puntos que forman la curva binodal.
Se preparan una serie de disoluciones acuosas ternarias de composición que varía entre la de los componentes puros.
Este experimento se llevará a cabo preparando una mezcla binaria agua acetato de etilo (o butanol), sobre la que se va añadiendo ácido acético desde una bureta.
En el momento en que aparecen dos fases en el sistema, el líquido se pone turbio. Las cantidades de los tres componentes en el sistema en ese momento permiten determinar un punto en la línea binodal de separación de las zonas de una fase y dos fases del sistema triangular.

Repitiendo el procedimiento para otras cantidades de la mezcla binaria inicial se determinan más puntos de la línea y, por tanto, el diagrama de fases. Se preparan por pesada 5 mezclas de acetato de etilo (o butanol) y agua que contengan aproximadamente entre el 10 y el 90 en peso de acetato de etilo (o butanol). Cada mezcla debería tener un volumen aproximado de 20 mL. A partir de la cantidad de ácido acético añadido y de las iniciales de los otros componentes, se calcula el en peso y la fracción molar de cada uno de los componentes. Indicar sobre el diagrama las zonas de una o dos fases.

Una vez obtenido el diagrama de fases, el profesor indicará un punto sobre la zona monofásica y el alumno deberá calcular qué cantidad de ácido acético debe añadírsele para alcanzar la zona bifásica. Una vez realizado el cálculo, debe comprobarse experimentalmente si se verifica la predicción realizada

ACTIVIDADES FINALES

Consultar los siguientes videos:


Diagrama ternario

Elabora tablas de datos experimentales, y cálculo de las fracciones molares de los componentes.

RESULTADOS


a) Primera parte
b) Segunda parte


REPRESENTAR EL DIAGRAMA TRIANGULAR
1. Cuando se forman dos fases ¿Cuál es la acuosa?.
2. ¿Como influye la variación de la temperatura en esta experiencia?.
3. Teniendo en cuenta las fuerzas intermoleculares explica el comportamiento de los sistemas binarios y del ternario.
4. ¿Se tendrá mayor precisión preparando las muestras por pesada o por volumen?
5. Determina el número de componentes, el número de fases y los grados de libertad del sistema en cada región del diagrama de fases.

ESTABLEZCA SUS CONCLUSIONES


ANOTE LA BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA (en formato APA).


OBJETIVO GENERAL

Determinar de manera experimental y mediante la simulación con ayuda de programas como Matlab y Origin el diagrama temario del equilibrio líquido-líquido con un par parcialmente miscibles.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Aplicar estrategias para la medición de datos experimentales del equilibrio líquido + líquido temario.

Usar herramientas computacionales y de simulación como MatLab y Excel para realizar la simulación del diagrama temario del equilibrio líquido-líquido y tratamiento de los datos.

Evaluar la capacidad en el uso de herramientas de búsqueda como base de datos y demás fuentes bibliográficas.

Afianzar y evaluar los conocimientos teóricos adquiridos durante las sesiones de clase para el tratamiento y cálculo de diagramas ternarios.

MATERIALES Y REACTIVOS DE LA PRÁCTICA 

  • 1 Bureta de 10 mL
  • 4 Buretas de 50 mL
  • 10 Erlenmeyer de 125 mL y 4 de 250 mL
  •  Pipetas volumétricas de 5 y 10 mL
  •  1 pipeta graduada de 10 mL
  •  2 embudos de separación
  •  1 soporte de madera para embudos
  •  2 beakers de 100 mL

DATOS OBTENIDOS EXPERIMENTALMENTE
Datos para la determinación de la curva binodal
Datos para la determinación de los puntos base de la curva binodal
  • Punto F


  • Punto H
Datos para la determinación de las curvas de enlace


MODELOS DE CÁLCULO
Cálculo de la curva binodal
  • Moles de \(H_2O, \, CH_3COOCH_3,\,CH_3COOH \)

\( n_i =  \frac {V \cdot \rho  i }{M} \)

Donde:
V = Volumen de adicionado del compuesto.
\(\rho i\) = Densidad de cada sustancia.
M = Peso molecular de cada compuesto.
  • Moles totales

\(nT=n_{H_2O} + n_{CH_3COOCH_3} + n_{CH_3COOH} \)

Donde:
\( n_{H_2 O} \) = moles de agua.
\( n_{CH_3COOCH_3} \) =  moles de acetato de etilo.
\(n_{CH_3COOH} \) = moles de ácido acético.
  • Composiciones de cada compuesto 

\(x_i = \frac{n_i}{nT}\)

Donde:
\(n_i \) = moles de cada compuesto.
\(nT\) = moles totales.

Cálculo de los puntos base de la curva binodal
  • Punto F 
+Moles de agua

\(n_{H_2 O} = \frac{V_{H_2O}\cdot \rho_{H_2O}}{M_{H_2O}}\)
Donde:
\( V_{H_2O}\) = Volumen de agua.
\(\rho H_2O \) = Densidad de agua.
\( M_{H_2O}\) = Peso molecular del agua.
  • Punto H

+Moles de \(CH_3COOCH_3\)

\( n_{CH_3COOH_3} = \frac{(V_{CH_3COOCH_3}\cdot \rho_{CH_3COOCH_3})}{M_{CH_3COOCH_3}} \)
Donde:
\( V_{CH_3COOCH_3}\) = Volumen del acetato de estilo.
\(\rho_{CH_3COOCH_3}\) = Densidad del acetato de etilo.
\(M_{CH_3COOCH_3}\) = Peso molecular del ácido acético.


+Moles totales
\(nT = n_{H_2O} +  n_{CH_3COOH_3}\)
Donde: 
\(n_{H_2O}\) = Moles de agua.
\(n_{CH_3COOCH_3}\) = Moles de acetato de etilo
+Composiciones de agua y acetato de etilo

\(x_i=\frac{n_i}{nT}\)
Donde: 
\(n_i\) =  Moles de cada compuesto.
\(nT\)= Moles totales.


PRÁCTICA 10. EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA TENSIÓN SUPERFICIAL

INTRODUCCIÓN

La agitación cinética de las moléculas y la tendencia de éstas a escapar hacia fuera aumentan al elevar la temperatura por consiguiente, es de esperar que la tendencia general sea que la tensión superficial disminuya con el incremento de la temperatura, alcanzando el valor de cero a la temperatura crítica Existen sólo ecuaciones empíricas que relacionan la tensión superficial con la temperatura Eötvös, Ramsay y Shields y Guggenheim Katayama, por mencionar algunas En la Figura 1 se representa la tensión superficial como función de la temperatura para el agua, se observa que conforme aumenta la temperatura, la tensión superficial disminuye, y en la temperatura crítica del agua se espera que la tensión superficial sea igual a cero.

Figura 1. Dependencia de la temperatura sobre la tensión superficial
OBJETIVOS
  • Determinar experimentalmente los valores de tensión superficial de líquidos puros, así como los cambios que pueda sufrir ésta con la temperatura.
  • Calcular la energía de superficie total de los líquidos utilizados en función de la temperatura.
  • Determinar experimentalmente las constantes de Eötvös, Katayama y Van der Waals Guggenheim, las cuales representan modelos matemáticos que plantean la dependencia de la tensión superficial con la temperatura.
MATERIALES Y REACTIVOS
ACTIVIDADES PREVIAS
  1. ¿Cómo se modifica la tensión superficial con la temperatura?
  2. Ecuaciones de Eötvös, Ramsay y Shields, Katayama y Van der Waals Guggenheim.
  3. ¿Qué relación existe entre la temperatura crítica y tensión superficial?
  4. ¿Qué significado físico tiene la energía de superficie total y la energía molar superficial?
  5. ¿Cómo se calculan?
  6. Propiedades toxicológicas de los reactivos del experimento.
  7. Investigar los valores de tensión superficial de disolventes.
DIAGRAMA DE LA METODOLOGÍA

RESULTADOS

CONSULTAR LOS DATOS DEL ARTÍCULO: J.CHEM.ENG. DATA.1997,42, 438 440 o conseguir un articulo relacionado con tensión superficial de los reactivos mencionados en la experiencia.
ACTIVIDADES FINALES

Gráfica  de la Tensión superficial vs Temperatura
CÁLCULOS
Gráfica de la Tensión superficial vs Temperatura

CÁLCULOS
Se tomaron:
  1. (20,23.9)
  2. (30,22.25)
m = -0.165
\(K = 9.1802 \times 10^{-7} \,o\,\, 9.8102) \)


Calcular Tc
Calcular tensión superficial cero y n para cada molécula

CONCLUSIONES

En la realización de esta practica aprendimos que la tensión superficial depende de la naturaleza del líquido, del medio que le rodea y de la temperatura. Los líquidos cuyas moléculas tengan fuerzas de atracción intermoleculares fuertes tendrán tensión superficial elevada. La tensión superficial de un líquido está asociada a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área.

De igual manera para incrementar el área de la superficie de un líquido, es necesario mover los átomos que ya están a lo largo de la superficie para acomodar los nuevos átomos provenientes de otro líquido que puede ser de la misma naturaleza o no. También vimos y analizamos las constantes de Eötvös, Katayama y Van der Waals Guggenheim, las cuales representan modelos matemáticos que plantean la dependencia de la tensión superficial con la temperatura

Finalmente concluimos que la tensión superficial disminuye con la temperatura, ya que las fuerzas de cohesión disminuyen al aumentar la agitación térmica.

REFERENCIAS

  • Tensión Superficial.( s. f.).Tensión superficial. Recuperado 2021 de https://fsz.ifas.ufl.edu/surfacetensionandcapillarity/html/tension.htm
  • Leon, D.(s. f.). Reporte 4 Fisicoquímica Scribd Recuperado 2021, de https://es.scribd.com/document/ 262734213 /Reporte-4-Fisicoquimica
  • FICHA DE DATOS DE SEGURIDAD (2019, marzo).
  • https://www.ypf.com/productosyservicios/Descargas/FDS Benceno.pdf
  • Facultad de Química. ( 5 febrero). Hojas de Seguridad https://quimica.unam.mx/proteccion-civil-facultad-quimica/hojas-de-seguridad/
RÚBRICA


DETERMINACIÓN DEL EXCESO DE SOLUTO SUPERFICIAL MEDIANTE LA ECUACIÓN DE ADSORCIÓN DE GIBBS

OBJETIVO

Aplicar la ecuación de adsorción de Gibbs para la determinación del exceso de soluto superficial en el sistema fenol o n‐propanol/agua.

INTRODUCCIÓN
Las superficies en sistemas multi componentes, las concentraciones de las sustancias disueltas son, en las proximidades de la interfase, diferentes de las concentraciones en el seno de las fases. Esto es, hay
adsorción en la interfase. Si se supone que cada fase tiene un estado que la caracteriza, se puede diferenciar entre las propiedades de las moléculas en el seno de la disolución y las moléculas de la interfase.
Es por ello que Gibbs, propuso un modelo para definir la región interfacial y así poder desarrollar la termodinámica que tenía en cuenta estas dos clases de propiedades. Gibbs considera a la interfase como una superficie ubicada en algún lugar de la región interfacial.

En un sistema sencillo de dos componentes, para calcular el número de moles 1 y 2 en la interfase se proponen las siguientes ecuaciones:
\(n_1 ^s  = n_1 - c_1 ^ I V^I - c_1^{II} V^{II }\)
\(n_2 ^s  = n_2 - c_2 ^ I V^I - c_2^{II} V^{II} \)
Y si se definen las concentraciones interfaciales de exceso como:
\(\Gamma_1 = \frac{n_1}{A}\)
\(\Gamma_2 = \frac{n_2 ^s}{A}\)
La designación de los componentes 1 y 2 es por conveniencia. En el caso de soluciones es común designar al disolvente con el número 1.
\(\Gamma_i  >  0\) El compuesto i se encuentra positivamente adsorbido.
\(\Gamma_i < 0\)  El compuesto i se encuentra negativamente adsorbido.

\(\Gamma\) Representa el exceso superficial del soluto en la región superficial con respecto a su presencia en el seno del líquido ( corresponde al número de moléculas por unidad de área interfacial. La ubicación de la interfase está definida en base a dos suposiciones.
\(\Gamma_1 ^{(1)} = 0 \) y
\(\Gamma_1 ^{(n)} + \Gamma_{2} ^{n} = 0 \)
\( \Gamma _i ^{(1)} \neq \Gamma_i ^{(n)}\)

ACTIVIDADES PREVIAS
  • Definición de tensión superficial
  • El efecto de un soluto en la tensión superficial.
  • Definición de exceso de soluto superficial.
  • La ecuación de absorción de Gibbs.
  • Breve descripción de las mono capas y del concepto actividad superficial.
  • Aplicación del exceso de soluto superficial en la industria.
MATERIALES Y REACTIVOS
DIAGRAMA DE LA METODOLOGÍA



RECOMENDACIONES
  • Las lecturas para cada solución se toman de la solución más diluida a la más concentrada.
  • Tener cuidado de no contaminar las soluciones
  • Al cambiar de concentración, el tubo capilar se debe enjuagar con la solución a medir, esto apretando la propipeta de tal forma que el líquido salga por la parte superior del tubo capilar.
  • Recordar "se debe tener el valor del radio del tubo capilar antes de iniciar la medición de las soluciones".

CÁLCULOS
  • Para realizar los cálculos debidos, se investigo una practica relacionada, por lo que se  encontraron datos en donde se trabajo con un  sistema de soluciones molares de n-propanol.
  • En la práctica usada como material de apoyo, se encontró el valor del radio del tubo capilar el cual es necesario determinar antes de iniciar la medición de las soluciones.
  • Se menciona que el valor del radio del capilar, se obtuvo con agua destilada a 22 C, para así sustituir este y poder obtener las tensiones superficiales para cada solución.
  • Para  el cálculo del valor del radio del capilar, se utilizo la ecuación que expresa la Ley de Jurín, la cual permite determinar la tensión superficial por el método de capilaridad:
\(\gamma =\frac{hgpr}{2 \cos \theta}\)
Donde:
\(\gamma\) = tensión superficial
\(r\) = radio del capilar
\(\rho \)=densidad g= gravedad h =altura
La cual por conveniencia (debido a que al determinar el ángulo ϴ complica el cálculo), muchas veces se desprecia el ángulo y la ecuación se simplifica:
\(\gamma = \frac{hgpr}{2}\)
Al despejar el radio,  la ecuación se expresa como:
\(\gamma = \frac{2\gamma}{\rho gh}\)

De acuerdo con el material de referencia (práctica consultada), el valor del radio del capilar es de 0.017509 cm Tomando en cuenta que, este resultado se obtuvo a condiciones establecidas (parámetros que son variables que forman parte de la ecuación), por estos autores a nivel experimental.

\(r = \frac{2\gamma}{\rho gh} = \frac{2(72.8 \frac{dina}{cm})}{(1.261 \frac{g}{cm^3})(981\frac{cm}{s^2})(6.8cm)} = 0.017509\, cm\)
ACTIVIDADES FINALES

Elabore una tabla de resultados con todas las variables

Los resultados de la siguiente tabla, fueron tomados de una practica ya realizada. La tabla de resultados  experimentales muestra la información de alturas, densidades y tensiones superficiales de las diferentes  soluciones.

Calcule la tensión superficial como función de la concentración



Realice un gráfico de tensión superficial como función de la concentración

El gráfico demuestra como el fenómeno de la tensión superficial se ve afectado cuando la presencia de solutos en el medio aumenta gradualmente. Ya que, las interacciones moleculares del disolvente, se ven afectadas por la presencia de moléculas de n-propanol.

El agua no puede solvatar del todo al n-propanol, por la diferencia de polaridades entre ambas especies, ya que la cadena hidrocarbonada del alcohol lo convierte en una especie ligeramente miscible con un disolvente que es totalmente polar como es el agua.

Con esta información calcule el exceso de soluto superficial, G, mediante la ecuación de adsorción de Gibbs.




Realice el gráfico del exceso de soluto superficial en función de la concentración y discuta el comportamiento obtenido.

Como se puede observar en la grafica el exceso de soluto superficial es directamente proporcional a la concentración.

Calcule la presión superficial, π, para cada una de las soluciones.


CONCLUSIÓN

Finalmente podemos concluir que la contribución más sobresaliente de G. W  Gibbs para la descripción termodinámica de la adsorción, es la consideración de  que este fenómeno tiene lugar en un plano imaginario que permite ver la zona  de adsorción como una fase. A partir de este modelo el fenómeno de adsorción  se puede entender como un proceso de transferencia de componente entre  fases, el cual queda bien definido en el equilibrio por la igualdad del potencial  químico de los componentes entre las fases involucradas. Nos hubiese gustado  aplicar la ecuación de adsorción de Gibbs para determinar el exceso de soluto  superficial en el sistema fenol o n‐propanol/agua en el laboratorio. Pero debido  a la pandemia se realizo la practica de manera teórica, tomando como  referencias practicas ya realizadas para tener una idea de como se llevaría acabo  el experimento.

REFERENCIAS

  • Ricardo, J. (2017). Determinación del Exceso de Soluto Superficial mediante la Ecuación de Adsorción de Gibbs - Free  Download PDF. https://kupdf.net/download/determinacion-del- exceso-de-soluto-superficial-mediante-la-ecuacion-de-  adsorcion-de- gibbs_59e417fa08bbc5c849e65e3b_pdf
  • Tensión superficial. (2021, 28 de enero). Wikipedia, La enciclopedia libre. Fecha de consulta: 02:43, febrero 9, 2021  desde https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Tensi%C3%B3n_superficial&oldid=132774163.
  • Castellan, G. W. Fisicoquímica, 2ª ed.; Addison-Wesley Iberoamericana: México, 1998.

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