Resumen
En las experiencias realizadas en el laboratorio, para la obtención de la temperatura crítica de disolución en una mezcla bifásica de fenol-agua, se procede 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 somete las distintas mezclas a un baño termostato a 60 °C y con la ayuda de un termómetro se mide la temperatura en la cual las dos sustancias se solubilizan y se forma una sola fase de disolución.
Luego se realiza 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 agregan 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, se observa uno de los tres comportamientos siguientes:
- 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,
- Son inmiscibles y no se mezclan a ninguna composición ni temperatura, como ocurre por ejemplo al mezclar agua y nitrobenceno.
- 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
GIBBS
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 las fases:
L = C – F + 2
Donde L: Grados de libertad.
C: Componentes del sistema
F: Fases presentes del sistema
Los grados de libertad, L, proporciona el número de variables independientes que deben fijarse para describir 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
| N# muestra | Gramos de Fenol (0.0001) | Gramos agua-fenol (0.0001) |
| 1 | 1.1107 | 6.0755 |
| 2 | 1.4924 | 5.9662 |
| 3 | 2.0631 | 6.0238 |
| 4 | 2.5215 | 6.0086 |
| 5 | 3.1917 | 6.0525 |
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:
%p/p= gsto / gsolo * 100
Para la primera muestra tenemos:
%p/p= 1.1107/6.0755 *100 = 18.28 %
Tabla N# 2: %p/p temperaturas medidas
| N# de muestra | %p/p | T1(+1)(°C) | T2(+1)(°C) | Tp(°C) |
| 1 | 18.28 | 68 | 62 | 65 |
| 2 | 25.01 | 72 | 67 | 70 |
| 3 | 34.25 | 74 | 70 | 72 |
| 4 | 41.96 | 75 | 71 | 73 |
| 5 | 52.73 | 74 | 70 | 72 |
Donde T1 es la temperatura en la cual desaparecen las dos fases, T2 es la temperatura donde se observa turbidez y Tp es la temperatura promedio.
Aditivos
Se prepara tres soluciones con fenol-agua más tres aditivos (ácido succínico, naftaleno y cloruro de potasio), tomando 2.5 gramos de fenol ya que esta es la mayor temperatura critica presenta.
Tabla N#3 Aditivos
| Sustancias | Gramos (+- 0.00001) |
| Ac. succínico | 0.0710 |
| Naftaleno | 0.0777 |
| KCL | 0.0450 |
Tabla N# 4: Efecto de los aditivos sobre la temperatura crítica
| Sustancia | T1(+-1)(°C) | T2(+-1)(°C) | Tp(°C) |
| Ac succínico | 65 | 62 | 64 |
| Naftaleno | 80 | 78 | 79 |
| KCL | 78 | 76 | 77 |
La regla de las fases: fenol-agua el número de grados de liberta es 2.
La temperatura crítica reportada por la literatura es de 66 °C.
Error =( teórica – experimental)/teórica *100
Así;
Error= (66°C – 73°C)/(66°C) |*100 = 10.61 %
Error% = (34.5 – 41.96)/(34.5)| *100 = 21.6 %
Discusión de Resultados
Los fenoles: son compuestos que presentan uno o más grupos hidroxilo (OH) unidos directamente a un anillo aromático. El fenol es el miembro más sencillo de esta serie homóloga y se denomina hidroxibenceno.
El fenol es poco soluble en agua ya que aunque presentan el puente de hidrógeno, la proporción de carbonos con respecto a la cantidad de –OH es muy baja. Para que los compuestos que contienen grupos –OH sean solubles en agua la razón entre cambiar, por lo tanto, si se especifica una presión determinada (1 atm); solo hay una temperatura en el que las fases sólida y liquida coexistan, (73°C).
La línea de unión en nuestro grafico está a una temperatura de 71°C ya que es la temperatura en la cual las dos fases se carbonos y grupos –OH no debe ser mayor de 3:1. El fenol es el miembro más pequeño de este grupo y contiene 6 átomos de carbono y sólo uno de -OH.
El fenol y el agua son sustancias solubles uno en el otro en proporciones definidas. Al preparar distintas soluciones con cantidades conocidas de fenol y agua y graficar los resultados obtenidos pudimos obtener una curva en donde el área dentro de la curva representa la región donde la mezcla fenol-agua se separan en dos capas (presentando turbidez); y la región fuera de la curva se tendrán soluciones homogéneas.
El punto máximo de la curva (73°C para un % p/p de 41.96) representa la temperatura critica de solución; ósea la temperatura a la cual hay una solución homogénea sea cual fuera la composición de la mezcla.
Se puede observar un error en cuanto a los datos teóricos reportados por la literatura y los datos obtenidos experimentalmente en nuestra experiencia de laboratorio.
En cuanto a los aditivos podemos darnos cuenta que al agregarle el ácido succínico la temperatura crítica de solución disminuye; ello se debe a q este aditivo solo es soluble en uno de los dos componentes presentes, por lo que la solubilidad del par original será menor (64°C), en cambio para el naftaleno la temperatura crítica aumenta (79°C) ello se debe a que este tiene una solubilidad semejante en ambos componentes aumenta la solubilidad de ambos. Para el cloruro de potasio la temperatura crítica está en medio de los aditivos antes mencionados DE 77°c
REGLAS
Para las reglas de las fases en un sistema fenol-agua tenemos dos fases, dos componentes lo cual nos da un grado de libertad lo que significa, que una variable independiente se puede separar.
La miscibilidad total o parcial de dos líquidos está determinada por las interacciones entre sus moléculas:
Si las moléculas de ambos componentes son tales que las fuerzas de atracción entre unas y otras en la solución es de igual o mayor magnitud que la existente entre las moléculas de igual tipo en cada uno de los líquidos puros, éstos formarán una solución ideal en el primer caso, que cumple con la ley de Raoult y, en el segundo, el sistema resultante presentará desviaciones negativas de esta ley, esto es, la presión de vapor de la solución es menor que la que tendría una solución de igual composición y comportamiento ideal. En este caso los líquidos serían totalmente miscibles.
En el caso en que las fuerzas de atracción entre las moléculas de los dos líquidos en la solución sean menores que entre las moléculas del mismo tipo en los líquidos puros, el sistema presentará desviaciones positivas de la ley de Raoult, esto es, la presión de vapor de la solución será mayor que la de una de igual composición y comportamiento ideal. Si la diferencia entre estas fuerzas de atracción es muy grande, puede presentarse miscibilidad parcial entre los líquidos, pues es más estable el sistema en el cual los líquidos están separados que aquel en que éstos están disueltos el uno en el otro.
Conclusión
Se analizó un sistema bifásico fenol-agua y se obtuvo así la temperatura para la cual el sistema pasa a ser de una sola fase.
Se observó el efecto de ciertos aditivos sobre la temperatura crítica de nuestro sistema.
Graficar los resultados obtenidos dándonos cuenta que se asemejan muchos a los reportados teóricamente.
Aplicamos la regla de las fases para nuestro sistema, calculando el número de grados de libertad logrando nuestro objetivo de determinar la temperatura crítica de una mezcla heterogénea de fenol-agua.
Referencias Bibliográficas
Shoemaker, D. Experimentos de Fisicoquímica (1968). México: Unión tipográfica Editorial Hispanoamericana. Pág. (246 – 255)
Farrington Daniels, Robert A. Alberty. Fisicoquímica. México, 1972. Compañía editorial Continental, S.A. Pág. (397-405).