1. Azeotropo.pdf

DESTILACIÓN DE UNA MEZCLA BINARIA DE HCl - H2O PARA LA OBTENCIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN DEL AZEÓTROPO Facultad de Ciencias Químicas Campus Coatzacoalcos –  Universidad  Universidad Veracruzana Delgado Vargas, D.; Chávez Segura, G.; Madrazo Cazarin, E.; Sagrero González, J.; Palomeque, J.; Espejo Martínez, B.; Simón Domínguez Ilse Laboratorio de Fisicoquímica –  Dr.  Dr. Benoit Fouconnier INTRODUCCIÓN En la industria química química uno de los métodos métodos más usados para la separación de componentes de una mezcla, es la destilación, aprovechando aprovechando las diferencias de de volatilidades de los compuestos a separar, mediante la adición de calor. Los procesos de separación por calor alcanzan sus objetivos objetivos mediante la creación de dos o más fases que coexisten y que tienen diferencia de temperatura,  presión y composición. Cada especie molecular de la mezcla que se vaya a separar coexistirá de modo único ante los diversos ambientes presentes en esas zonas. En consecuencia, conforme el sistema se desplaza hacia el equilibrio, cada especie establecerá una concentración diferente en cada zona y esto da como resultado una separación entre las especies. [1-4] En la práctica es más conveniente llevar a cabo una destilación a presión constante que a temperatura constante. A una presión de confinamiento dada una solución de composición definida hervirá a una temperatura a la cual su presión de vapor total es la misma que la presión de confinamiento. Así a una presión atmosférica una solución hervirá a la temperatura en que la  presión total de vapor se hace igual a 760 mm de mercurio. [5-6] Aquellas mezclas en las que se observa observa una notoria notoria desviación de la la ley de Raoult Raoult son denominadas mezclas Azeotrópicas, en las las cuales dos o más sustancias se comportan como una sustancia única, por el hecho que el vapor producido producido por la evaporación parcial del líquido tiene la misma composición que el líquido. La mezcla en ebullición ebullición constante muestra un punto máximo máximo o mínimo de ebullición, comparado comparado con el de otras mezclas de las mismas sustancias. sustancias. El Ácido clorhídrico, clorhídrico, a temperatura temperatura ambiente, es un gas un gas ligeramente amarillo, corrosivo, no inflamable, más pesado que el aire, de olor fuertemente irritante. Se emplea comúnmente como reactivo químico y se trata de un ácido un  ácido fuerte que se disocia completamente en disolución acuosa. Esta sustancia produce mezcla azeotrópica azeotrópica negativa, con el agua, en su representación las curvas de vapor y líquido deben ser tangentes tangentes y el líquido y el vapor tendrán tendrán la misma composición (Teorema (Teorema de Gibbs-Konovalov), el azeótropo HCl-H 2O hierve a una temperatura superior que sus componentes por lo cual es un azeótropo de ebullición máxima. Tomando como referencia lo anterior, el presente trabajo tiene como objetivo la destilación de una mezcla binaria de HCl-H2O para la determinación del punto de ebullición y composición en el azeótropo.

2. METODOLOGÍA 2.1 Sustancias y materiales. Las sustancias utilizadas en el desarrollo de esta práctica fueron; HCl concentrado (20%) y agua. El Ácido clorhídrico (HCl) es compuesto químico que a  condiciones normales de presión y temperatura (CNPT) es un gas un gas más denso más denso que el aire, el punto de ebullición del HCl se encuentra a los +48 °C, por otro lado el Agua Agua (H2O) es un compuesto químico formado por  dos átomos dos átomos de hidrógeno (H) y uno y uno de oxígeno de oxígeno (O), la cual presenta un punto de ebullición a 100 °C (1 atm). [8]

2.2 Equipo y estado inicial. Fueron tomadas cantidades de 50 ml y 20 ml al comienzo del proceso experimental, de Agua destilada hervida y Ácido clorhídrico concentrado, respectivamente, mediante el uso de probetas graduadas con capacidad de 100 ml, teniendo un error máximo permisible (EMP) de ±1 ml. Dichas cantidades fueron depositadas en un matraz de destilación con capacidad de 500 ml. Posteriormente fue integrado al equipo de destilación simple (Ilustración 1). Ilustración 1 Equipo de destilación simple

2.3 Procedimiento de destilación simple La mezcla inicial con una composición de 50 ml de H 2O (X=0.999) y 20 ml de HCl (X=0.001) fue sometida al proceso de destilación simple, transfiriendo calor por convección haciendo uso de un mechero de Bunsen, hasta obtener temperatura constante.

2.3.1 Colectación de destilados y residuos Al alcanzar una temperatura constante se procede a colectar 2.5 ml de destilado (D1), anotando la temperatura (T1), por otra parte, para la obtención obtención del residuo (R1) es necesario suspender el calentamiento, para así permitir que nuestro líquido contenido en la matraz de destilación deje de hervir, y así colectar 2.5 ml de residuo, el proceso de colectado fue realizado haciendo uso de pipetas graduadas de 5 ml con un error máximo permisible per misible de ±0.03 ml.

2.3.2 Proceso de adición de HCl Posterior a la obtención de D1 y R1, se adiciona HCl concentrado al matraz de destilación, añadiendo 2.5 ml en la campana de extracción. El procedimiento anterior es repetido, sin embargo varía en cantidades, las cuales son representadas en la Tabla 1.

Tabla 1 Volúmenes adicionados y retirados en el proceso de destilación simple.

Edo. Inicial (1) 2 3 4 5

Vol de H2O agregado (ml) 50 0 0 0 0

Vol de HCl agregado (ml)

Temp (°C)

20 5 3.5 3.5 3.5

Destilado retirado (D) (ml)

102 103 104 105 108

2.5 2.5 2.5 2.5 2.5

Residuo retirado (R) (ml) 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5

2.6 Titulación para la determinación de concentraciones Teniendo las muestras de cinco destilados y cinco residuos, se procede a la determinación de las concentraciones de los mismos, haciendo uso de un método análisis químico cuantitativo, denominado Titulación, para la cual fueron tomadas alícuotas de 2 ml tanto de destilado como de residuo, y se titulan con NaOH 0.4 N, haciendo uso de azul de bromotimol como indicador. Dicho  procedimiento nos proporcionara una cantidad de ml gastados de NaOH, en la cual nuestro líquido vira, es decir, cambia su coloración. Contando con la cantidad de ml gastados, y la normalidad de  NaOH se procede a la determinación de la concentración de nuestra solución mediante la fórmula     

(Ver Tabla 2).

Tabl a 2 Con centr centr aciones de des desti l ados y r esi esi duos. duos.

Alícuota (ml)

Concentración de destilados (N)

2 2 2 2 2

0.12 0.44 1.4 3.08 6.12

Concentración de Residuos (N) 3.44 3.68 4.92 5.4 5.64

2.7 Determinación de fracciones molares La determinación de las fracciones molares del componente volátil y el azeótropo fueron evaluadas haciendo uso de las densidades del Ácido clorhídrico a las temperaturas en las cuales se tomaron los destilados y residuos, las densidades fueron evaluadas mediando un ajuste polinómico de segundo grado a los datos conocidos de densidad del HCl al 20% (Ecuación 1) esto debido a que en un proceso isobárico, la densidad del HCl a 20% disminuye al aumentar la temperatura (Ver Gráfica 1) tomando un comportamiento polinómico de grado 2, siendo posible la determinación de densidades en función de la temperatura para así extrapolar las temperaturas desconocidas (Tabla 3), también se requirió la densidad del agua para el proceso de cálculo de fracciones molares (Ver Tabla 4).

Gráfico 1 Variación de la Densidad de HCl (20%) con la Temperatura D = 1.1067-0.0004*x-7.732E-7*x 1.1067-0.0004*x-7.732E-7*x^2 ^2

1.1067 ) 3

1.0980 m c/ (g l C

1.0888 H % 0 2 d

1.0790 a id s n e D

1.0685

1.0574

-5

10

20

40

60

80

100

Temperatura (°C)

Ecuación 1             

Tabla 3 Densidades de HCl 20.2% a diferentes temperaturas.

  s   a    d    i   c   o   n   o   c   s   e    d   a    d    i   s   n   e    D

  s   a    d    i   c   o   n   o   c   s   e    d   s   e    d   a    d    i   s   n   e    D

Temp

δ HCl (20.2

-5 0 10 20 40 60 80 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110

%) 1.1087 1.1067 1.1025 1.098 1.0888 1.079 1.0685 1.0574 1.0581392 1.0575768 1.0570128 1.0564472 1.05588 1.0553112 1.0547408 1.0541688 1.0535952 1.05302

DISCUSIÓN Y RESULTADOS En la Tabla 3 se ilustran las concentraciones molares así como las fracciones molares de destilados y residuos, la obtención de una fracción molar de destilado igual a 0.11 y de residuo igual a 0.89 comprueba la existencia de un 20.24% en peso de Ácido clorhídrico en el azeótropo a una temperatura de ebullición de 108.6 °C, teniendo un punto de ebullición máximo. A su vez, es posible comprobar la clasificación de nuestro par líquido miscible en el Tipo III [6] donde se tiene una presión de vapor mínima por lo cual se obtiene un diagrama de destilación con un máximo en la curva de puntos de ebullición. Cabe destacar que nuestro diagrama de fases se encuentra incompleto, ya ya que se alcanzó el punto punto máximo de Temperatura Temperatura en la sección de vaporvaporcomposición de líquido, pero debido a que no se prosiguió la práctica, no fue posible obtener la sección de vapor composición de vapor como se muestra en la  Ilustración 2, todo lo anterior resultó en la gráfica 2. Ilustración 2 Diagrama teórico para azeótropo con desviación negativa.

Tabla Tabl a 4 F r acciones mol ares de de Desti Desti l ado y Res Resi duos (Azeó (Azeótr opo)

Temp (° C)

100 102 103 104 105 108

Conc molar Destilado mol/L 0.12 0.44 1.4 3.08 6.12

Conc molar de Residuo mol/L

Fracción molar de Destilado

3.44 3.68 4.92 5.4 5.64

0 0.002 0.0076 0.024 0.069 0.12

Fracción molar de Residuos 1 0.998 0.9924 0.976 0.931 0.88

0 0.062 0.067 0.092 0.1 0.11

1 0.938 0.933 0.908 0.9 0.9 0.89

Tabl a 5 Di agrama de F ase ases, Temp vs F racci ón mol ar Temperatura vs Fracción Molar   Azeót ropo HCl - H2O 109

M

108 107 106 ) C° (

105 tu

104

ra ra e p m e T

103 102

Líquido

101 100 99 -0 . 0 2

0 .0 0 Xa=1

0.02

0 .0 4

0.06

Fracción molar

0 .0 8

0.10

0 .1 2 Xm

 Var1  Var1

CONCLUSIÓN El presente estudio comprueba en base a datos experimentales, que la composición del azeótropo formado por Ácido Clorhídrico (HCl) y Agua (H2O) a presión constante (760 mm Hg) se conforma de 20.24% (X=0.11) del componente B (HCl) en el azeótropo, azeótropo, y tiene punto punto de ebullición a la temperatura de 108.6°, temperatura superior a la temperatura de nuestros componentes, siendo por lo tanto un azeótropo de punto máximo de ebullición. Sin embargo es necesario un análisis que describa las fases de equilibrio líquido-vapor de una solución no ideal, lo cual se vuelve posible posible mediante la aplicación de un modelo de actividad actividad de los componentes, componentes,  proponiendo un método alternativo como la linealización de las ecuaciones de los modelos de Van Laar o Margules, para dos constantes, encontrando la pendiente e intercepto que corresponden a cada una de esas constantes.

BIBLIOGRAFÍA [1] H.D. CROCKFORD, S.B. KNIGHT. Fundamentos de Fisicoquímica. Cap. 4, Editorial C.E.C.S.A., 2da. Edición. México. (1968) [2] F. DANTIELS, R.A. ALBERTY. Fisicoquímica. Cap. 9, Editorial C.E.C.S.A., 2da. Edición, New York, (1961) . [3] S.L.GLASSTONE. Elementos de Fisicoquímica. Cap. 12, Editorial Médico Quirúrgica, 2da. Edición, Buenos Aires. (1970) .

[4]G.W. CASTELLAN. Fisicoquímica. Editorial Fondo Educativo Interamericano. Bogotá (1975) . [5] R. PERRY (Ed.). Manual del Ingeniero Químico. 6a Edición. Cap. 13. Edit. McGraw Hill. México, D.F. (1992) . [6] MARON AND PRUTTON, Fundamentos de Fisicoquímica. [7] “ESTIMACION DE LAS CONSTANTES DE MARGULES Y VAN LAAR PARA SISTEMAS BINARIOS POR CORRELACIÓN LINEAL”, Br. Diego Lainfiesta López [8] “FICHAS DE SEGURIDAD HCl-H2O”, QUIMINSA: QUÍMICOS INDUSTRIALES ASOCIADOS.