DISTRIBUCIN DE EQUILIBRIO A. PROPSITO

Estudiar la distribucin de equilibrio de un soluto en dos disolventes inmiscibles. Demostrar la validez de la ley de accin de masa para sistemas de equilibrios heterogneos.

B. TEORA

Los mtodos de separacin toman en consideracin la distribucin de los componentes en una mezcla de dos fases que luego se separan mecnicamente. Si la cantidad de un componente especfico en una fase es bien diferente a la cantidad de otro componente en esa fase, la separacin de los componentes es posible. La razn de la cantidad del componente en una fase y la otra se conoce como el coeficiente de distribucin. Para aquellas situaciones donde el coeficiente de distribucin de los componentes que se quieren separar, es bien parecido, se necesitan tcnicas de fraccionamiento mltiple para lograr la separacin. En este caso el nmero de veces que ocurre la particin aumenta y la distribucin ocurre en porciones renovadas de las distintas fases.

La distribucin de un soluto entre dos fases inmiscibles es un proceso de equilibrio que sigue la ley de accin de masa. Las constantes de equilibrio para estos procesos varan enormemente para diferentes solutos haciendo tiles los mtodos de extraccin como mtodos de separacin. La tcnica de extraccin se utiliza para sistemas orgnicos. La particin de un soluto entre dos disolventes inmiscibles est gobernada por la ley de distribucin. Para un soluto A que se distribuye entre una fase acuosa y una fase orgnica de acuerdo al equilibrio

(1)

A una temperatura dada la constante de equilibrio K dada por

(2)

se le conoce como el coeficiente de particin o distribucin. Los trminos en corchetes representan la actividad de las especies en la fase orgnica y en la fase acuosa, pero en ocasiones se utiliza la concentracin molar sin cometer mucho error. En otras ocasiones la cantidad en corchetes se relaciona a la solubilidad del soluto en cada disolvente.

El soluto puede existir en varios estados de agregacin en cada disolvente y el equilibrio en (1) se puede escribir

(3)

y la expresin del coeficiente de particin ser

(4)

Los coeficientes de particin ayudan a establecer las condiciones experimentales que se necesitan para transferir un soluto de un disolvente a otro. Para el sistema sencillo descrito en la relacin (1), si tenemos Vac mL de una solucin acuosa que tiene ao mmoles iniciales de A y que pretendemos extraer con Vorg mL de un disolvente orgnico inmiscible. En equilibrio, a1 mmoles de A permanecern en la fase acuosa y stos se representan por

(5)

Lo que se distribuy a la fase orgnica entonces ser

(6)

Al sustituir la relacin (6) y (5) en la (2) y re-arreglando se obtiene

(7)

El nmero de milimoles, a2, que quedan despus de una segunda extraccin del agua con cantidad idntica de disolvente por el mismo razonamiento anterior ser

(8)

Al sustituir la relacin (8) en la (7) se obtiene

(9)

Despus de n extracciones los milimoles que quedan son

(10)

La ecuacin (10) se puede re-escribir en trminos de la concentracin final e inicial en la fase acuosa si sustituimos las relaciones

(11)

Entonces,

(12)

La eficiencia de la extraccin mltiple aumenta cuando pequeas porciones de volumen de disolvente se usan en vez de una sola porcin de una cantidad grande de volumen. La ecuacin 12 es de naturaleza exponencial y muestra un comportamiento exponencial, figura 1. La eficiencia de las extracciones mltiples disminuye rpidamente a medida que aumenta el nmero de extracciones consecutivas y por esto mas de cinco o seis extracciones no aumentan la eficiencia de separacin.

Figura 1: Grfica correspondiente a la ecuacin 12 asumiendo volmenes iguales ambos disolventes.

C. PROCEDIMIENTO

Reactivos y Materiales

o Agua de-ionizada o Solucin acuosa de cido actico 0.5 M o cido actico glacial o ter o Hidrxido de sodio 0.5, 0.05 y 0.01 M o Indicador de fenoftalena o 4 embudos de separacin de 125 mL y uno de 500 mL o matraces volumtricos de 100 mL y 200 mL o pipetas de 5, 10, 25 y 50 mL o buretas de 10 mL y dos buretas de 50 mL o Preparacin de soluciones para titulaciones y para extraccin simple o Prepare NaOH, 0.5 M de no ser provista. o Prepare la soluciones de cido actico 0.25 y 0.125 M por dilucin de la

solucin 0.5 M de cido actico provista. o Para todas las transferencias de soluciones con pipeta utilice el bulbo de

goma.

Extracciones simples

Transfiera exactamente 50 mL (con pipeta) de la solucin de cido actico 0.5 M a un embudo de separacin de 125 mL. Haga lo mismo para las soluciones de 0.25 y 0.125 M de cido actico. Usando una pipeta limpia, aada 50.0 ml de ter a cada embudo. Mezcle las soluciones con agitaciones continuas y permita que lleguen a equilibrio. Transfiera la fase acuosa de cada embudo a un envase limpio y dejando toda la fase orgnica en el embudo de separacin. Descarte la interfase.

Titule la porcin acuosa con base valorada en triplicado. Use la bureta de 50.00 mL con NaOH 0.05 M para titular. Para las muestras de cido actico 0.5 M debe usar porciones de 5.0 mL y para las soluciones de 0.25 y 0.125 M de cido actico debe usar porciones de 10.0 mL. Puede titular la fase orgnica si quiere corroborar las cantidad de cido actico que permanece en esa fase, pero debe usar las mismas porciones de volumen que us en la fase acuosa.

Extraccin sencilla

1. Prepare 250 mL de una solucin 0.5 M de cido actico en ter pesndolo cuidadosamente en una balanza analtica y completando hasta la marca con ter en matraz volumtrico.

2. Transfiera una porcin de 75.0 mL de la solucin de cido actico en ter a un embudo de separacin de 500 mL y mezcle con 75 mL de agua. Agite y deje llegar a equilibrio. Descargue la fase acuosa a un envase limpio y titule porciones de 20 mL con NaOH 0.5 M (triplicado).

Extraccin mltiple

1. Transfiera una porcin de 75 mL de la solucin de cido actico en ter a un embudo de separacin de 500 mL y mezcle con 25 mL de agua, agite y espere a que se equilibre. Descargue la porcin acuosa a un envase limpio. Aada otros 25 mL de agua al embudo de separacin y repita la extraccin. Descargue la segunda porcin de la fase acuosa en el mismo envase donde almacen la primera. Aada una tercera porcin de agua al embudo de separacin, agite y espere a que se equilibre. Descargue la tercera porcin al mimo envase donde almacen las otras dos porciones.

2. Titule porciones de 20 mL con NaOH 0.5 M (triplicado).

D. REFERENCIAS 1. F. Daniels and R. A. Alberty. 1975 "Physical Chemistry," John Wiley and Sons, Inc. New York, New York. Captulo 4. 2. W. J. Moore, l972 "Physical Chemistry", Prentice-Hall, Inc. New York, New York. Captulo 5. 3. G. M. Barrow, 1973 "Physical Chemistry", McGraw-Hill Book Co., New York, New York. Captulo 20 y 21. 4. G. W. Castellan. 1971 "Physical Chemistry", Addison-Wesley Publishing Co. Reading, Massachusetts. Captulo 14. 5. H. D. Crockfond, J. W. Nowell, H W. Barid and F. W. Getzen, 1975 "Laboratory Manual of Physical Chemistry", 2nd Ed., p. 164-171. 6. D. A. Skoog & D. M. West, 1982 "Fundamentals of Analytical Chemistry", CBS College Publishing, New York. Captulo 26.