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SISTEMA TERNARIO DE LÍQUIDOS PARCIALMENTE
MISCIBLES
1. OBJETIVO
DETERMINAR LAS CONCENTRACIONES DEL ESTADO DE SATURACIÓN DE UN
SISTEMA CONSTITUIDO POR DOS LÍQUIDOS POCO MISCIBLES ENTRE SÍ Y UN
TERCERO COMPLETAMENTE MISCIBLE CON LOS DOS PRIMEROS, Y DIBUJAR
LA CURVA DE SOLUBILIDAD CORRESPONDIENTE SOBRE UN DIAGRAMA
TRIANGULAR.
2. RESUMEN (Elaborado por el(la) alumno(a) o el equipo de trabajo después de realizar el experimento) 3. HIPÓTESIS (Propuesta por el(la) alumno(a) o el equipo de trabajo antes de realizar el experimento) 4. MARCO CONCEPTUAL DE REFERENCIA Si se mezclan agua y benceno, se observa que la solución resultante se separa en dos capas homogéneas llamadas fases, una encima de la otra. Se sabe que este fenómeno, llamado inmiscibilidad, indica que las dos sustancias son muy poco solubles entre sí; prácticamente no se disuelven una a la otra. La fase superior es una solución saturada de agua en benceno (es decir, el soluto es el agua y el solvente es el benceno), mientras que la capa inferior es la solución saturada de benceno en agua (el soluto es el benceno y el solvente es el agua). La inmiscibilidad entre estas dos sustancias puede disminuirse (produciendo mezclas con mayor solubilidad entre los componentes) si a la mezcla se agrega un tercer componente para formar un sistema ternario de líquidos, el cual al mezclarse por separado en cualquier porcentaje
con agua o con benceno se disuelve completamente tanto en uno como en otro. El tercer componente puede ser ácido acético, acetona, metanol, etc. Los sistemas ternarios de líquidos pueden estar formados por diferentes especies químicas no sólo por las mencionadas en estos dos párrafos. En general, tres líquidos al mezclarse pueden originar alguno de tres tipos principales de sistemas ternarios, dependiendo de la distribución mutua entre ellos:
- Las sustancias A, B y C presentan tres parejas de líquidos parcialmente miscibles (ninguna de ellas se disuelve completamente en las otras).
- De las tres sustancias A, B y C, solo se tienen dos parejas solubles parcialmente (por ejemplo A en B y A en C) pero existe una pareja de solubilidad completa (por ejemplo, B en C).
- Tres sustancias A, B y C producen solamente una pareja de líquidos parcialmente miscibles (por ejemplo A en B) mientras que otras dos parejas (C en B y C en A) son solubles completamente en cualquier proporción. En el presente trabajo se estudiará el último caso. Si se mezclan dos líquidos de solubilidad mutua ilimitada, por ejemplo C en B o C en A produciendo una mezcla en una sola fase, y se les añade un tercero A o B, respectivamente, que se disuelve completamente en uno de los dos primeros y en el otro sólo parcialmente, aparecerá una turbidez durante la adición, esto indicará que la solución binaria inicial se ha saturado en el líquido añadido y dará origen a la formación de una segunda fase líquida inmiscible con la primera. Si se continúa agregando la tercera especie la mezcla líquida resultante se separa en dos capas claramente apreciables. El sistema que en un principio era homogéneo, con la aparición de la segunda fase se convierte en un sistema heterogéneo. El estado de interés en este caso es aquel en el que se observa la transición de la mezcla, de monofásica a bifásica, es decir, el estado de turbidez. La concentración o composición que presenta el sistema en esta situación indica el grado de solubilidad que tiene el tercer líquido en la mezcla binaria inicial, y puede cuantificarse para saber qué cantidad de cada sustancia está presente en este estado de saturación, único a las condiciones de composición, presión y temperatura del experimento. Si la operación descrita en el párrafo anterior se repite varias veces utilizando mezclas binarias con diferente concentración inicial, pero a la misma presión y temperatura, se alcanzan los estados de saturación correspondientes a cada una y con las composiciones respectivas de los tres líquidos, que como en el caso anterior, se cuantifican. Los resultados se pueden representar como puntos sobre un diagrama triangular, y la unión entre ellos con una curva suave se llama curva de solubilidad o curva binodal. Esta curva divide el diagrama en dos zonas, una en
Sistema 2 A: Agua B: Xileno C: Etanol Sistema 3 A: Agua B: Tetracloruro de carbono C: Acido acético Sistema 4 A: Agua B: Tolueno C: Etanol Sistema 5 A: Acido acético B: cloroformo C: Glicerol 5.2 MATERIAL 2 Buretas de 50 ml 8 Matraces Erlenmeyer de 50 ml 8 Matraces Erlenmeyer de 125 ml 2 Pipetas volumétricas de 10 ml 1 Pipeta volumétrica de 5 ml 1 Pipeta volumétrica de 2 ml 2 Pinzas para Bureta 1 Probeta de 50 ml 2 Soportes universales 1 Pipeta graduada de 1 ml 1 Microbureta de 5 ml 5.3 EQUIPO 1 Densímetro digital
5.4 HERRAMIENTAS
En ésta actividad no se utiliza herramienta 5.5 SERVICIOS Electricidad Agua potable
6. PROCEDIMIENTO 6.1 DENSIDAD DE LAS SUSTANCIAS Emplear el densímetro digital para medir la densidad de todas las sustancias que constituyen los cinco sistemas. En caso de no contar con este equipo, utilizar un picnómetro y la técnica apropiada. Los valores se registran sobre la tabla 1. 6.2 SISTEMAS 1 A 4 Se disponen apropiadamente para su uso ocho matraces Erlenmeyer de 50 ml (lavar, secar, etiquetar, numerar, etc.). En forma análoga se preparan dos buretas de 50 ml y se llenan, una con la sustancia B y la otra con la sustancia C. Preparar en seguida dentro de cada matraz la mezcla binaria conforme se indica en la sección 1 de la tabla 2. El remanente de las sustancias se regresa a su envase y las buretas se lavan perfectamente antes de proceder con el sistema siguiente. Se valora cada una de las soluciones con agua hasta que aparezca la turbidez. Puede darse el caso extremo en que sea suficiente añadir una o dos gotas para que esto ocurra, por lo que se recomienda usar una microbureta para saber con una precisión mayor el volumen de agua gastada. Después de añadir cada gota, se agita vigorosamente el matraz hasta que se enturbie la mezcla. Se deja en reposo hasta que desaparezca la turbidez. Si al agitar nuevamente aparece la turbidez, significa que la valoración ha terminado. La cantidad de agua empleada se anota en la columna A de la sección 1 de la tabla 2. Se recomienda que el formato que se muestra como tabla 2 se reproduzca tantas veces como sistemas ternarios se tengan, para que a cada uno le corresponda la suya.
TABLA 2
SISTEMA:.
SECCIÓN 1 SECCIÓN 2 SECCIÓN 3 SECCIÓN 4 MATRAZ NÚMER O VOLUMEN (ml) % VOLUMEN DE CADA COMPONENTE MOLES DE CADA COMPONENTE % MOLES DE CADA COMPONENTE B C A B C A B C A B C A 1 2 8 2 3 7 3 4 6 4 6 4 5 7 3 6 8 2 7 9 1 8 9.5 0. 7.2 TRATAMIENTO DE LOS RESULTADOS Para trazar la curva de solubilidad de cada sistema y con ello identificar las zonas de miscibilidad completa y parcial (zona heterogénea), es necesario calcular los porcentajes de las cantidades de sustancia que constituyen a cada uno. Estos porcentajes pueden representar unidades de volumen o unidades de moles. Para expresar los porcentajes en unidades de volumen de cada componente con respecto al sistema de tres componentes, se utilizan las siguientes ecuaciones:
% en volumen de A =
Vol. A ∗ 100
Vol. A + Vol. B + Vol. C
% en volumen de B =
Vol. B ∗ 100
Vol. A + Vol. B + Vol. C
% en volumen de C =
Vol. C ∗ 100
Vol. A + Vol. B + Vol. C
Anotar los resultados en la sección 2 de la tabla 2. Antes de expresar los porcentajes en unidades de mol se deben calcular los moles de cada componente presentes en cada mezcla ternaria en el punto de saturación. Se emplean la siguiente ecuación:
ni =
V i *ρi
M i (4)
ni =¿ es el número de moles de la especie i , i =1,2,
V i =¿ es el volumen de la especie i usado para formar la composición del sistema. Se
obtiene de la sección 1 de la tabla 2.
ρi =¿ es la densidad de la especie^ i. Se obtiene de la tabla 1 para cada sustancia.
M i =¿ es la masa molar de la especie i. Se obtiene de la tabla 1 para cada sustancia.
Los resultados se anotan en la sección 3 de la tabla 2. Para expresar los porcentajes en unidades de mol de cada componente con respecto al sistema de tres componentes, se utiliza la siguiente ecuación:
% mol de i =
ni * 100
n 1 + n 2 + n 3
Anotar los valores obtenidos en la sección 4 de la tabla 2. 7.3 CONSTRUCCIÓN DE LOS DIAGRAMAS Los valores reportados en la sección 2 de la tabla 2 se deben utilizar como coordenadas para construir la curva de solubilidad o curva binodal sobre un diagrama triangular, de
- ¿Qué unidades de concentración se emplean en la construcción de la curva de solubilidad sobre el diagrama triangular? ¿Cuáles son las más útiles para realizar un balance de materia del sistema ternario que representa?
- ¿Qué significa la curva binodal en el diagrama triangular de composiciones del sistema ternario? ¿Qué información representa?
- Sobre un diagrama triangular publicado en la literatura técnica que muestra la miscibilidad parcial entre un par de los componentes de un sistema ternario, la curva de solubilidad es completamente cerrada. ¿Por qué en los resultados experimentales de este protocolo no se exhiben así? ¿Qué se requiere para completarla?
- Explicar, desde el punto de vista fisicoquímico, la turbidez que se emplea como punto final en la valoración del sistema.
- ¿Cuál o cuáles fueron los criterios empleados para diseñar el sistema cinco?
- Describe de manera general las características o el comportamiento de los sistemas ternarios analizados en la presente actividad experimental.
- De acuerdo con tus conocimientos, ¿cuál es la importancia de realizar esta actividad experimental? Comentar.
- ¿Los resultados que obtuvieron o la experiencia que adquirieron se pueden aplicar para solucionar un problema real a nivel industrial? Explicar.
11. REFERENCIAS CONSULTADAS Enlistar las fuentes consultadas para la realización de la actividad experimental propuesta en el presente protocolo. Estas fuentes tienen varios propósitos: consulta de las propiedades físicas, químicas y toxicológicas de las sustancias empleadas; ampliar la investigación acerca del marco conceptual de referencia; solucionar el cuestionario; etc. Las fuentes de consulta pueden ser libros, revistas, tesis, videos, páginas de sitios de internet. 12. ANEXOS Incluir en esta sección:
a. Los datos relacionados con las propiedades físicas, químicas y toxicológicas de todos los reactivos y productos del experimento, precauciones para su manejo, etc. b. Memoria de cálculo (cuando sea necesario).
