informe de laboratorio l-v final

Equilibrio de Fases y QuímicoDepartamento de Ingeniería Química Universidad de Los Andes

INFORME DE LABORATORIO EQUILIBRIO LIQUIDO-VAPOR

Integrantes: Carlos BuenoCamilo TorresAndrés Chisavo RippeJuan Sebastián Sánchez.

ABSTRACT

The purpose of this paper is to study the liquid-vapor equilibrium for a solution of ethanol and water at different concentrations. By heating the solution samples at

known compositions we intend to analyze the behavior of the mix, making possible to generate graphs of the experimental curve of Temperature vs composition of

liquid and vapor of the solution and sketch tie lines for these solutions.

Keywords:

Azeotrope: Is a mixture of two or more liquids whose proportions cannot be altered by simple distillation.

Residues: When the evaporation process of the mixture is made, it is the product line after.

Distilled: It is the portion of fluid is collected after the process once the vapor has condensed.

Tie lines: Are lines that can be constructed by combining curves which are liquid and balance with curves where balance and vapor are.

RESUMEN

El propósito del presente informe es estudiar el equilibrio líquido-vapor para una solución de etanol y agua a distintas composiciones. A través del calentamiento de muestras de la solución a concentraciones conocidas, buscamos analizar el comportamiento de la mezcla, haciendo posible realizar gráficos experimentales de las curvas de temperatura contra las composiciones de líquido y vapor de la

solución para construir líneas de unión para estas mezclas.

Palabras clave:

Azeótropo: Es la mezcla de dos o más líquidos cuyas proporciones no pueden ser alteradas por destilación simple.

Residuo: Después de realizar el proceso de evaporación de la mezcla, es el producto que queda de fondo.

Destilado: Es la porción de líquido que se recoge después del proceso una vez el vapor se ha condensado.

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Líneas de unión: Son las líneas que se pueden construir al unir las curvas donde se encuentran el líquido y el equilibro con las curvas donde se encuentran el equilibrio y el vapor.

1. Introducción

El equilibrio líquido-vapor de una solución de dos o más componentes se estudia a diferentes composiciones y temperaturas, de modo que es posible observar cómo un cambio en la temperatura afecta a la solución dependiendo de la composición de la misma.

Las mezclas en las que se observa una marcada desviación de la idealidad (ley de Raoult) son denominadas mezclas azeotrópicas, en las cuales dos o más sustancias se comportan como una sustancia única, por el hecho que el vapor producido por la evaporación parcial del líquido tiene la misma composición que el líquido.

En los diagramas líquido-vapor de mezclas alejadas de la idealidad es posible encontrar puntos donde las fracciones de vapor y líquido son las mismas, los cuales son llamados puntos azeótropicos (ver figura 1).

En el sistema etanol-agua los solventes forman un azeótropo de mínima temperatura de ebullición y se puede deducir que habrá una concentración mayor de etanol en el destilado.

Cuando se eleva la temperatura, el sistema permanece constante hasta que este alcanza el punto Ltomando como referencia la composición x A (ver figura 1), en el cual comienza el equilibrio líquido-vapor y es llamado el punto burbuja. Por otro lado, cuando se reduce la temperatura del vapor y se llega al punto H, empieza el proceso de

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Figura 1. Diagramas T XY de líquido-vapor

de mezclas Azeotrópicas

Figura 2. Diagramas T XY de líquido-vapor


condensación, el cual es el punto en el que se inicia el equilibrio líquido-vapor y es conocido como punto de rocío.

El índice de refracción es una medida que determina la reducción de la velocidad de la luz al propagarse por un medio homogéneo. El índice de refracción es usado para la identificación de compuestos en una mezcla, eliminando así la rutina de identificación mediante procesos más mecánicos y tediosos. El índice de refracción además es usado para la determinación de las impurezas en las muestras líquidas.

Las mediciones de los índices de refracción sirven como un medio auxiliar para seguir la pureza del producto de una destilación, puesto que los líquidos tienen puntos de ebullición análogos.

2. Objetivos:

Identificar las características de un sistema binario y el equilibrio líquido-vapor que puede presentar.

Construir el diagrama de fases T XY a presión constante que caracteriza un sistema agua-etanol.

Identificar en el diagrama T XY el punto azeotrópico de la solución, en caso de que el sistema presente alguno.

Generar un diagrama de calibración para el refractómetro, que permita

identificar composiciones de compuestos en base a la refracción que presenta la mezcla.

3. Metodología

En primer lugar se procedió a medir el índice de refracción en la mezcla pura de etanol, entre tanto se prepararon las distintas mezclas con composiciones especificadas en la guía del laboratorio, para luego ser puestas en la manta de calentamiento y realizar el proceso de destilado.

Conforme aumenta la temperatura del sistema, esta tiende a estabilizarse en un punto determinado el cual tomamos como la temperatura de equilibrio para cada mezcla. En este momento se retira la fuente de calor del montaje y se toma la muestra de residuo (el producto que queda en el balón de dos bocas) y el destilado (después de purgarlo un poco).

Siguiente a esto se midió el índice de refracción de cada una de las muestras con distintas composiciones.

4. Análisis de Resultados

Se graficaron los índices de refracción de sistema binario Etanol-Agua (Ver gráfica 3.). Se observa que la cuarta mezcla puede estar mal preparada o mal medida. Esto debido a una desviación anormal en un punto de la gráfica que no se justifica con la tendencia de la línea.

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Adicionalmente, al observar los datos teóricos para el índice de refracción del agua el etanol en estado puro, se evidencia una clara desviación de los valores reales. Esto se pudo haber dado debido al uso de tubos de ensayos o Erlenmeyer’s contaminados, dado que cualquier impureza de otra sustancia o una adición de la misma causaría efectos no beneficiadores para la composición y por ende para la práctica en general. No se debe descartar posibles errores en la calibración del refractómetro, este también podría ser un incidente en la causa de los errores en la práctica, así como también errores humanos.

Por otro lado, se pude notar que los demás datos siguen un línea de tendencia parabólica, lo cual significa que no esta tan alejada del caso ideal según la línea. Se debe tener en cuenta que no porque se parezca a la línea se iguale necesariamente al caso ideal de todo el sistema etanol-agua.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 11.325

1.33

1.335

1.34

1.345

1.35

1.355

f(x) = 0.274699 x⁵ − 0.837139 x⁴ + 0.943696 x³ − 0.493626 x² + 0.127325 x + 1.33402R² = 0.988676042911746

Indice de Refracción Inicial vs Fracción de Etanol

Fracción Molar Etanol

Indi

ce d

e Re

frac

ción

Inic

ial

Se obtuvieron los siguientes datos con respecto a los valores tomados y reales de las sustancias en cuestión. Los índices de refracción para el agua y el etanol teóricos y según la literatura son 1.333 y 1.361(Cientech) respectivamente. Los valores hallados para el agua y el etanol son 1.3339 y 1.349 respectivamente. Se puede decir que en cuanto al agua el valor arrojado fue muy cercano pero no igual, ya que el valor hallado de esta se podría aproximar a 1.334.

En cuanto al etanol, no fue tan cercano el rango esta vez pero es una buena aproximación dadas las condiciones en que se dio la toma de datos. Lo anteriormente dicho, se refiere a que no fueron datos tomados de muestras perfectamente aisladas de los alrededores o en condiciones de temperatura, presión y limpieza perfectas.

Realizando un contraste entre los datos obtenidos de los índices de refracción para las mezclas iniciales o puras en su defecto con datos reales basados en una gráfica (Unitarias) de la literatura sobre el sistema etanol-agua, se obtiene la siguiente gráfica.

Se puede ver la evidente desviación de los datos con respecto al sistema ya calculado de la otra gráfica. Se dibujaron los puntos de intersección de los índices de refracción vs la composición de etanol. Esta toma de datos se realizó a una temperatura constante de 18 °C, que es una temperatura ambiente

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Gráfica 1. Gráfica experimental de los índices de refracción en función de la composición de Etanol


aproximadamente igual a la de la ciudad de Bogotá D.C..

Nota: En la parte final del documento (anexos), se pueden ver las mismas graficas pero con las composiciones de residuos y destilados.

A continuación se presenta el diagrama T XY obtenido en los resultados. En el diagrama se presentan 2 puntos en los que se tiende a una composición azeotrópica. El primero de estos se encuentra en aprox. un 45% de etanol, y el segundo en un 91% de etanol. Gracias a la literatura se puede afirmar que el punto azeotrópico es el respectivo al 91% de etanol aproximadamente.

En la gráfica se puede notar una tendencia aproximada de cómo se comporta la mezcla en la vida real. Aunque el diagrama no cumpla con la precisión necesaria para un estudio riguroso, cuenta con las condiciones necesarias para ser evaluada correctamente.

Una de estas condiciones es que la línea de burbuja (línea azul) está calculada con la composición de etanol, y dado que el etanol es más volátil que el agua, se puede evidenciar que efectivamente esta línea se encuentra por debajo de la otra a una menor temperatura, logrando representar esto.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1556065707580859095

Diagrama Txy Etanol-Agua

% Etanol

Tem

pera

tura

(°C)

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Gráfica 2. Gráfica índice de refracción del Sistema Etanol-Agua a 18°C

Gráfica 3. Diagrama T xy experimental


Luego el trazo de las Tie Lines se muestra así:

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1556065707580859095

Diagrama Txy Etanol Agua

% Etanol

Tem

pera

tura

(°C)

Error Relativo

%ex=|RE−RT|RT

∗100

%eAgua=|RE−RT|RT

∗100

%eAgua=0.0675%

%eEtanol=|1.349−1.361|

1.361∗100

%eEtanol=0.8817%

El error relativo es de gran importancia, dado que se requiere de gran precisión en los datos para poder obtener las composiciones adecuadamente. Esta precisión debe ser muy exacta teniendo en cuenta que en la práctica de laboratorio nos interesan en mayor parte los decimales de menor escala según los datos obtenidos.

En esta práctica los causantes de los posibles errores pudieron haber sido los mismos montajes, ya que en algunos casos se debió inclinar todo el montaje para que los destilados no se estancaran encima de la llave de paso. Este estancamiento también pudo afectar los resultados debido a que existe la posibilidad de varios “niveles de composición” en el destilado, es decir, existía mayor concentración del vapor en la parte inferior de la llave de paso que en la superficie donde se devolvía al matraz para continuar con la recirculación de este.

Tampoco se descarta posibles errores de toma de datos con el refractómetro, teniendo en cuenta la foto sensibilidad del lente en este equipo y así mismo el manejo que se le dio durante este tiempo.

Preguntas

1. Durante la destilación, ocurre un proceso cíclico en lo referente a las distintas composiciones de etanol y agua, que varían según la fase del ciclo. Se puede afirmar que existen 3 fases, las cuales denominamos como “principio de la recirculación (concentración de etanol mayor a la del agua)”, “terminación de la recirculación (concentración de agua menor a la del etanol)” y, por último

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Gráfica 4. Diagrama T xy experimental Tie Lines


“equilibrio de fase donde el etanol y el agua se encuentran en estado

estacionario en el fondo del matraz”. Se sabe que la temperatura de ebullición del etanol es menor que la del agua por lo cual se sobreentiende que el etanol es un compuesto más volátil, lo que explica que durante el proceso de destilación se obtenga una mayor concentración de alcohol en el destilado mientras que en el residuo la concentración de agua es predominante. Dicho esto, podemos afirmar sobre las composiciones que: en el equilibrio de fase la composición del agua aumentará frente a la composición del etanol favoreciendo al agua.

2. La mezcla objeto de estudio estaba compuesta por dos sustancias, la primera de ellas; el agua, líquido incoloro cuyo punto de ebullición en condiciones estándar es 373,15 K. La segunda de ellas; el etanol, es un líquido incoloro con un olor característico que en condiciones estándar tiene un punto de ebullición de 351,52 K.

Lo anterior evidencia que uno de los componentes en la mezcla es notablemente más volátil que el otro, por tanto se puede evidenciar también que a medida que la temperatura aumenta uno de los componentes (etanol) será más propenso a cambiar su fase de líquido a vapor, por lo que al aumentar la temperatura de la mezcla algunas moléculas de este componente pasarán a la fase vapor

haciendo que la composición de la mezcla se vea afectada.

Por lo anterior, la recirculación del destilado es una estrategia para evitar los cambios drásticos de composición en la mezcla, en caso de dejar escapar el gas y no recircularlo la temperatura de ebullición se acercaría bastante a la temperatura del agua alejándose así de la temperatura de ebullición de la mezcla objeto de estudio.

3. En prácticas de laboratorio como estas, siempre se tiende a cometer infinidad de errores con respecto a un caso ideal. Esto puede ser posible debido a que en el laboratorio son 4 personas manejando los implementos y los montajes de la práctica, y es casi imposible que todos se coordinen como uno solo para un óptimo rendimiento en cuanto a calidad de resultados.

Otro caso puede llegar a ser la contaminación de los envases químicos proporcionados en el laboratorio, ya que están en constante uso, y por maximización del tiempo muy pocas veces son lavados y limpiados adecuadamente para una toma de muestras futura o en el mismo momento. Ya que se prepararon las mezclas en recipientes que no estaban perfectamente limpios, esto aportara impurezas al sistema haciendo que en cierta medida varíen las composiciones.

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Se pueden presentar imperfecciones en el funcionamiento de los montajes. Muy posiblemente

estos no tienen un cierre hermético perfecto y aunque sea un 0.001% aproximadamente, la mezcla tiende a escaparse por fuera del montaje, afectando así la calidad de resultados. En cuanto a las mezclas, estas se prepararon con anterioridad a su utilización, lo que hace que en medio de los factores como la manipulación por el practicante del experimento, el ambiente, y el hecho de que no hubiera manera de aislar perfectamente estas muestras desde la preparación hasta su uso, no se pueda garantizar que la composición de las mezclas se mantenga estable.

También puede existir un estancamiento de destilado en la base de la válvula de paso, donde posiblemente se pueden ver afectadas las composiciones del destilado. A pesar de que se hace lo posible porque la totalidad del vapor que es destilado recircule al balón completamente, se sabe que esto no se logra. Para este caso, para que la presión se mantenga constante en la práctica el sistema debería estar abierto al ambiente de una forma en la cual no halla posibilidad de escape de la muestra. Pero a pesar de estar presente un condensador para el vapor destilado, no se puede evitar que alguna cantidad de vapor escape al medio ambiente, además algo del destilado tiene que acumularse y evitar que recircule lo que hace que también halla una desviación de la

idealidad en cuanto a la práctica, y una variación en la composición de la mezcla.

Por último podríamos decir que el refractómetro con el cual se tomaron los datos para un buen acondicionamiento de las curvas en las gráficas, podría no estar en óptimas condiciones para llevar a cabo con los objetivos del laboratorio y suplir con las necesidades de llevar a cabo la práctica. Todo lo anteriormente mencionado es muy propenso a producir cambios no beneficiarios, alterando el equilibrio del sistema.

4. Primero que todo y tal vez lo más importante, es que los montajes estén en ausencia de contaminación; ya sea por muestras ajenas a la actual o por la misma solución a utilizar.

Siguiente a esto se buscaría optimizar la práctica en cuanto a una manera de reducir las pérdidas de vapor a la atmósfera, se podría utilizar un condensador más largo que garantice que se perderá solo el mínimo de vapor, es decir, se podría aumentar el área del cilindro interior del condensador (longitud del tubo y diámetro de este) para maximizar el contacto de área superficial del fluido con la pared del tubo y que exista un buen intercambio de calor.

Por último, una buena solución sería la posibilidad de colocar un agitador magnético en la base de la válvula de paso que es donde se

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estanca el destilado, hasta que se recircula de nuevo al matraz. De esta manera y con el agitador en

movimiento habría homogeneidad de composiciones en el destilado y una mejor y más óptima mezcla al final de la recirculación.

Conclusiones

El objetivo principal del laboratorio fue obtener datos experimentales que permitiesen generar un diagrama Txy en donde se evidenciara el comportamiento termodinámico de una mezcla etanol-agua en los puntos donde el líquido y el vapor se encontraran en equilibrio.

Si bien los datos experimentales generaron en cierta medida una desviación (esperada debido a las condiciones de laboratorio y la cantidad de muestras preparadas) de los datos teóricos, se pudo identificar claramente cómo el comportamiento de la mezcla a diferentes composiciones presenta un claro equilibrio entre sus fases líquida y vapor que se mantiene constante entre distintos rangos de temperatura, los cuales varían con la composición y están delimitados por las líneas de rocío y burbuja (Gráfica 2).

Además de lo anterior, se identificó un punto azeotrópico a una

composición muy alta de etanol (alrededor de 0.95 – 0.98), la cual si bien fue imposible identificar experimentalmente con total precisión puesto que en el experimento no estaba programado realizar una mezcla con la susodicha composición, si se pudo identificar

cualitativamente; tal punto era esperado de acuerdo a los datos teóricos debido a que en estos sistemas (agua-etanol) encontramos que a una composición muy alta de etanol, el valor de la composición tanto del agua como del etanol en la fase vapor y la fase líquida es igual.

Aunque todos los datos recolectados presentaron errores, generados por la posible contaminación de los equipos de laboratorio, el error de lectura de los equipos y principalmente por el pequeño número de muestras tomadas, encontramos que la desviación respecto a los datos teóricos es pequeña y si bien cuantitativamente los datos no son ciento por ciento precisos, si es posible identificar todos los puntos importantes en el diagrama (línea de burbuja, línea de rocío, la “lenteja” de equilibrio y el punto azeotrópico) cualitativamente.

Bibliografía

Cientech. (s.f.). Cientech, Ciencia y Tecnologia. Recuperado el 03 de Noviembre de 2014, de http://www.cienytech.com/tablas/Tabla-indices-refrac.pdf

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Tabla 1. Índices de Refracción de las Mezclas


Unitarias, L. d. (s.f.). Laboratorio de Operaciones Unitarias. Recuperado el 03 de Noviembre de 2014, de http://laboratoriodeunitarias.files.wordpress.com/2008/06/diagrama-indice-de-refraccic3b3n-vi20111.pdf

En las siguientes tablas se presentan de manera organizada los datos obtenidos en la práctica de laboratorio. Se presentan allí todas las mezclas con los índices de refracción medidos y sus respectivos promedios. Así como también la temperatura estable de cada mezcla y el porcentaje molar en base a etanol. También se presentan datos adicionales con respecto a las dos sustancias en cuestión.

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Anexos

Tabla 2. Datos adicionales del Etanol y Agua


A continuación se presenta la gráfica de los índices de refracción vs fracción molar de etanol todos en una misma gráfica. Esto con el fin de observar diferencias entre los respectivos índices.

Así como anteriormente se presentó una gráfica parecida a las siguientes donde se comparaban los datos tomados, evidenciados con los puntos de intersección de las líneas dibujados allí, con otra gráfica del mismo experimento a condiciones estables; esta vez se realiza la misma gráfica pero para los índices de refracción de las fracciones de residuos y de destilados.

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0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 11.32

1.3251.33

1.3351.34

1.3451.35

1.3551.36

1.365

Indice de Refracción vs Fración Molar de Etanol

IR InicialIR ResiduoIR Destilado

Fracción Molar Etanol

Indi

ce d

e Re

frac

ción

Gráfica 4. Diagrama Índices de refracción (mezclas, residuos y destilados)


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