Determinación de la Temperatura Crítica

Resumen

En la experiencias realizada en el laboratorio, para la obtención de la temperatura critica de disolución en una mezcla bifásica de fenol-agua, se procedió a preparar distintas mezclas pesadas de una cantidad provista de fenol, y una de agua hasta llegar a un peso final de 6 gramos para cada muestra, en seguida se sometieron las distintas mezclas a un baño termostato a 60 °C y con la ayuda de un termómetro se midió la temperatura en la cual las dos sustancias se solubilizan y se forma una sola fase de disolución.

Luego se realizó una segunda experiencia tomando la cantidad pesada en gramos de naftol para la cual la temperatura critica fue la mayor ;(75°C ,2.5 g) y se le agregaron tres aditivos por separado (naftaleno, ácido succínico y cloruro de potasio) para ver el efecto de cada uno sobre la temperatura critica del sistema naftol-agua , con cada una de las temperaturas medidas y calculando los % p/p de cada solución se procedió a graficar con cada uno delos datos obteniendo así el punto crítico de la mezcla. Finalmente con la regla de las fases calculamos los grados de libertad de nuestro sistema, donde tenemos dos fases y dos componentes.

Introducción

Cuando intentamos mezclar dos líquidos, a presión atmosférica, podemos observar uno de los tres
comportamientos siguientes:

a) Los líquidos son miscibles en todo
el rango de temperaturas y en todo el
rango de Composiciones, como
ocurre por ejemplo al mezclar agua y
etanol,
b) Los líquidos son inmiscibles y no
se mezclan a ninguna composición ni
temperatura, como Ocurre por
ejemplo al mezclar agua y
nitrobenceno.
c) Los líquidos se manifiestan como
miscibles o inmiscibles en función de
la temperatura y de la proporción en
que los intentemos mezclar.

En este caso decimos que son líquidos parcialmente miscibles y un ejemplo típico es el sistema agua-fenol que aquí estudiaremos.

Cuando el fenol se agrega al agua a temperatura ambiente, se obtiene una solución homogénea de Fenol en agua, hasta alcanzar una concentración de un 8%, a partir de la cual una adición posterior de Fenol es causa de la formación de la segunda fase, conjugada de la primera y que consiste en una cantidad muy pequeña de agua disuelta en fenol.

Si la temperatura se eleva, se alcanza un valor al cual la segunda fase desaparece, pero por agregado posterior de soluto (fenol) a esa nueva temperatura T, se obtienen otra vez dos fases conjugadas y nuevamente será necesario aumentar la temperatura para que las fases sean miscibles. Tomando notas de las temperaturas de miscibilidad y las cantidades de fenol agregado sobre una cantidad conocida de agua, se obtiene la curva de solubilidad de fenol en agua.

Se puede comprobar que, cuando la temperatura es mayor que 66 ºC el fenol es soluble en agua en todas proporciones, mientras que por debajo de esa temperatura, existe una zona de concentración y temperatura a la cual aparecen las dos fases conjugadas. Por otro lado, se puede obtener una curva de solubilidad de agua en fenol, si se agregan cantidades conocidas de agua sobre una cantidad determinada de fenol y se miden las temperaturas a las cuales se producen las correspondientes miscibilidades de las fases conjugadas.

Existe un punto, en el cual las dos curvas son comunes, es decir que la solución de fenol en agua tiene la misma composición que la solución de agua en fenol. A este punto se lo denomina punto crítico o de codisolución y la temperatura a la cual ocurre, se le nombra como temperatura crítica o de codisolución. La composición puede también denominarse concentración crítica.

Un diagrama típico se muestra en la figura

Mediante una regla sencilla que Gibbs dedujo originalmente, la cual es considerada como una de las grandes generalizaciones de la ciencia física, puede predecirse información útil en lo que respecta a
los equilibrios de fases:

Los grados de libertad, L, proporciona el número de variables independientes que deben fijarse para escribir completamente al sistema. Este valor de L se obtiene de restar al número total de componentes del sistema el número de fases presentes en el sistema y luego sumarle dos.

Esta ecuación se conoce como regla de las fases, la mejor manera de recordar esta regla es teniendo en cuenta que al aumentar el número de componentes, aumenta el número total de variables, por lo tanto C tiene signo positivo.

Aumentando el número de fases aumenta el número de condiciones de equilibrio y, por lo tanto, de ecuaciones, con lo cual se eliminan algunas variables, por lo que F tiene signo negativo.

En sistemas de un solo componente, C = 1, por lo tanto:

L=1-F+2=3-F

Esta expresión se le llama regla de las fases para un sistema de un solo componente, la cual muestra que el máximo número de fases que pueden coexistir en equilibrio en un sistema de un solo componente es tres.

Parte Experimental

Se pesaron en cinco tubos de ensayos cinco muestras de fenol y se llevaron a seis gramos en total con agua destilada.

Tabla N°1: Gramos pesados de muestra

Observaciones: al mezclar el naftol (solido marrón, olor fuerte) con el agua pudimos darnos cuenta que no se solubilizo en la misma, una vez introducida la mezcla en el termostato y alcanzar una temperatura mayor de 60°C se solubiliza completamente observándose así una sola fase, al disminuir la temperatura se observa turbidez en la solución y un cambio a una mezcla bifásica nuevamente.

Cálculos de lo % p/p de cada una de las soluciones preparadas mediante la ecuación: