Equilibrio líquido-vapor en mezclas binarias azeotrópicas

EQUILIBRIO LÍQUIDO-VAPOR EN MEZCLAS BINARIAS AZEOTRÓPICAS

OBJETIVO

En esta práctica se obtiene el diagrama temperatura-composición para un sistema líquido de dos componentes con una mezcla azeotrópica.
Asimismo, se aprende a utilizar el refractómetro para medir los índices de redacción.

DESARROLLO TEÓRICO

Un sistema formado por la mezcla de dos líquidos totalmente miscibles, esdecir, dos líquidos que se disuelven completamente entre sí, en equilibrio con su vapor tendrá dos componentes y dos fases, una fase líquida y una fase vapor. Las variables que suelen fijarse son la temperatura y la composición de la fase líquida y en estas condiciones, la presión de vapor del sistema tendrá un valor definido que vendrá dado por la ley de Dalton.
Para comprender el comportamientode las disoluciones reales, se analizará primero el comportamiento de las disoluciones ideales. Una disolución ideal es la que se forma cuando al mezclar dos líquidos volátiles se disuelven sin absorber ni desprender calor y de modo que los volúmenes resultan ser aditivos. Las disoluciones ideales líquido-líquido cumplen la ley de Raoult y la ley de Dalton.

Ley de Dalton: PT =PA + PB

Ley de Raoult: PA = PA0 · xA
PB = PB0 · xB

siendo PA y PB las presiones parciales de vapor de cada componente, PA0 y PB0 las presiones de vapor respectivas para los componentes puros y xA y xB las fracciones molares en la fase líquida.

Sometiendo a un sistema líquido-líquido de comportamiento ideal a un conjunto repetidode procesos de evaporación parcial-condensación se puede obtener el componente más volátil en estado casi puro en las fracciones recogidas de la fase vapor (destilado), mientras que en las fracciones líquidas (residuo) se recogerá el componente menos volátil casi puro.
Para un sistema líquido-líquido ideal, el diagrama T-x a presión constante se representa:

Figura 1. Diagrama T-x parasistema líquido-líquido

En la realidad, la mayoría de las disoluciones tienen un comportamiento no ideal, con lo que presentan desviaciones de la ley de Raoult, tanto positivas como negativas. Los valores correspondientes a las composiciones de los vapores en equilibrio con mezclas líquidas de distinta composición sólo se conocen de forma experimental. El diagrama correspondiente a este caso:Figura 2. Diagrama T-x para una disolución real con desviación positiva

Observando el gráfico, se aprecia un punto al que le corresponde la misma fracción molar para la fase líquida y para la fase gaseosa. A ese líquido de composición definida y punto de ebullición constante se le denomina mezcla azeotrópica. Cuando se alcanza el punto azeotrópico, no se puede seguir separando los doscomponentes.
Para poder continuar con la destilación, habría que cambiar la presión a la que se trabaja o añadir otro componente más, para que se forme otro azeótropo con uno de los componentes dejando el otro libre.


PARTE EXPERIMENTAL

En primer lugar, se lleva a cabo el montaje del equipo de destilación.
Esta práctica consiste en hacer distintas disoluciones de etanol, apuntando lacorrespondiente temperatura de ebullición. Una vez alcanzado el punto de ebullición, se recogen muestras tanto del destilado como del residuo, y se mide su índice de refracción en el refractómetro.
Las disoluciones que hay que destilar son las siguientes:

Disolución | Volumen de etanol (ml) | Volumen de agua (ml) |
1 | 5.0 | 50.0 |
2 | 10.2 | 50.0 |
3 | 30.0 | 50.0 |
4 | 40.0 | 30.0 |
5| 60.0 | 20.0 |
6 | 70.0 | 10.0 |
etanol puro | 63.0 | 0.0 |
azeótropo | 48.2 | 1.8 |
agua | 0 | 50.0 |
Los resultados, tanto de las temperaturas de ebullición como de los índices de refracción, están en el anexo (Tabla 1).
CUESTIONES

* Obtener mediante una hoja de cálculo (Excel) la curva temperatura-composición representando las temperaturas de ebullición frente a las...