DESTILACIÓN DE UNA MEZCLA BINARIA DE HCl - H2O

PARA LA OBTENCIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN DEL

AZEÓTROPO Facultad de Ciencias Químicas Campus Coatzacoalcos – 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. Benoit Fouconnier

INTRODUCCIÓN

En la industria química uno de los métodos más usados para la separación de componentes

de una mezcla, es la destilación, aprovechando las diferencias de volatilidades de los compuestos a

separar, mediante la adición de calor. Los procesos de separación por calor alcanzan sus 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 una notoria desviación de la 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. La mezcla en ebullición constante muestra un punto máximo o

mínimo de ebullición, comparado con el de otras mezclas de las mismas sustancias.

El Ácido clorhídrico, a temperatura ambiente, es 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 fuerte que se disocia completamente en disolución acuosa.

Esta sustancia produce mezcla azeotrópica negativa, con el agua, en su representación las curvas de

vapor y líquido deben ser tangentes y el líquido y el vapor tendrán la misma composición (Teorema

de Gibbs-Konovalov), el azeótropo HCl-H2O 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 más denso que el aire, el punto de ebullición del HCl se encuentra a

los +48 °C, por otro lado el Agua (H2O) es un compuesto químico formado por dos átomos de

hidrógeno (H) y uno 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 H2O (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 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 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.

Vol de

H2O

agregado (ml)

Vol de HCl

agregado (ml)

Temp (°C)

Destilado

retirado (D) (ml)

Residuo retirado

( R ) (ml)

Edo. Inicial (1) 50 20 102 2.5 2.5

2 0 5 103 2.5 2.5

3 0 3.5 104 2.5 2.5

4 0 3.5 105 2.5 2.5

5 0 3.5 108 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).

Tabla 2 Concentraciones de destilados y residuos.

Alícuota

(ml)

Concentración

de destilados

(N)

Concentración de

Residuos (N)

2 0.12 3.44

2 0.44 3.68

2 1.4 4.92

2 3.08 5.4

2 6.12 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^2

-5 10 20 40 60 80 100

Temperatura (°C)

1.0574

1.0685

1.0790

1.0888

1.0980

1.1067

De

ns

ida

d 2

0%

HC

l (

g/c

m3

)

Ecuación 1

Tabla 3 Densidades de HCl 20.2% a diferentes temperaturas.

Temp δ HCl (20.2

%)

Den

sid

ad

es c

on

oci

das

-5 1.1087

0 1.1067

10 1.1025

20 1.098

40 1.0888

60 1.079

80 1.0685

100 1.0574

Den

sid

ad

es d

esco

noci

das

101 1.0581392

102 1.0575768

103 1.0570128

104 1.0564472

105 1.05588

106 1.0553112

107 1.0547408

108 1.0541688

109 1.0535952

110 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 que se alcanzó el punto máximo de Temperatura en la sección de vapor-

composición 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 4 Fracciones molares de Destilado y Residuos (Azeótropo)

Temp (° C) Conc molar

Destilado

mol/L

Conc molar

de Residuo

mol/L

Fracción

molar de

Destilado

Fracción

molar de

Residuos

100 0 1 0 1

102 0.12 3.44 0.002 0.998 0.062 0.938

103 0.44 3.68 0.0076 0.9924 0.067 0.933

104 1.4 4.92 0.024 0.976 0.092 0.908

105 3.08 5.4 0.069 0.931 0.1 0.9

108 6.12 5.64 0.12 0.88 0.11 0.89

Tabla 5 Diagrama de Fases, Temp vs Fracción molar

Temperatura vs Fracción Molar

Azeótropo HCl - H2O

Var1

Var1-0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

Fracción molar

99

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

Te

mp

era

tura

(°C

)

Xa=1

M

Líquido

Xm

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, y tiene 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 mediante la aplicación de un modelo de actividad de los 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)

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[3] S.L.GLASSTONE. Elementos de Fisicoquímica. Cap. 12, Editorial Médico Quirúrgica,

2da. Edición, Buenos Aires. (1970)

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[4]G.W. CASTELLAN. Fisicoquímica. Editorial Fondo Educativo Interamericano. Bogotá

(1975)

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[5] R. PERRY (Ed.). Manual del Ingeniero Químico. 6a Edición. Cap. 13. Edit. McGraw

Hill. México, D.F. (1992)

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[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.