EQUILIBRIO LÍQUIDO- LÍQUIDO DEL SISTEMA TERNARIO

TOLUENO-ÁCIDO ACÉTICO-AGUA

Arley Noguera, Jesús Anaya

Laboratorio de Fisicoquímica (Sección: 68) – Escuela de Ingeniería Química

Universidad de Carabobo

Profesor: Auxilia Mallia

Preparadores: David Ferrer, Jesús Mendoza

RESUMEN

Esta práctica tuvo como objetivo principal la construcción del diagrama de equilibrio líquido-líquido

del sistema ternario tolueno-ácido acético-agua, a temperatura y presión constante, a partir de datos

experimentales. Para ello, se mezclaron cantidades conocidas de dos componentes miscibles entre sí y

se agregaron porciones del tercero hasta que el sistema se volviera heterogéneo (método del punto de

niebla); las composiciones obtenidas para cada caso correspondieron a un punto sobre la curva binodal

del diagrama. También se prepararon dos mezclas de las soluciones anteriores y se separó la fase

orgánica de la acuosa mediante decantación, obteniéndose un extracto y un refinado, cuyas

concentraciones se determinaron mediante titulación con hidróxido de sodio acuoso y orgánico, según

correspondía, con la finalidad de obtener las líneas de reparto de cada mezcla. Se determinaron los

coeficientes de reparto de cada línea; y estos fueron y

Palabras clave: coeficiente de reparto, diagrama, equilibrio, líquido, sistema ternario.

INTRODUCCIÓN

La representación más simple de un sistema

ternario a presión y temperatura constantes, es

mediante un diagrama triangular, donde los dos

disolventes implicados son inmiscibles o

parcialmente miscibles entre sí, y la presencia de

un soluto modifica la solubilidad entre ellos [1].

Estos diagramas presentan una curva de

equilibrio que delimita el campo de existencia de

los sistemas heterogéneos, conocida como curva

binodal. Las mezclas cuya composición se

encuentra dentro de la curva binodal, se separan

en dos fases líquidas; estas se encuentran unidas

por una línea de reparto, cuyos extremos sobre la

curva indican la concentración de cada fase. La

relación entre fases se denomina coeficiente de

reparto [2].

METODOLOGÍA

Se prepararon cuatro soluciones de 20 mL cada

una, de ácido acético-agua cuyas concentraciones

variaban de 10 a 60% en peso de ácido acético,

añadiendo en fiolas, previamente lavadas y

secadas en una estufa, los volúmenes

correspondientes mediante el uso de buretas, y se

identificaron como A1, A2, A3 y A4. A las

soluciones anteriores, se les agregó tolueno gota a

gota con la bureta, agitando vigorosamente

después de cada adición hasta que se observó una

turbidez (coloración blanca), y se tomó nota del

volumen añadido; se identificaron estas mezclas

ternarias obtenidas como A1’, A2’, A3’ y A4’.

De igual manera se prepararon cuatro soluciones

de ácido acético-tolueno, se identificó cada una

de ellas como C1, C2, C3 y C4, se les añadió

poco a poco agua hasta el punto de turbidez y se

renombraron como C1’, C2’, C3’ y C4’,

respectivamente. Luego se mezclaron en un

embudo de separación las soluciones A1’, A2’,

C1’ y C2 (mezcla 1), y en otro las soluciones

A3’, A4’, C3’ y C4’ (mezcla 2). Se dejó decantar

y se separaron las fases de cada mezcla en cuatro

vasos de precipitados, y se identificaron; se

desechó la interfase. Se midieron 5 mL de cada

fase de cada mezcla, mediante buretas y se

vertieron en fiolas, las cuales se pesaron

previamente vacías en la balanza analítica, así

como también llenas. Se añadieron tres gotas de

fenolftaleína en cada fiola y se titularon con

hidróxido de sodio (NaOH) acuoso y orgánico

según la naturaleza de cada solución y se tomó

nota del volumen gastado de titulante. Se

realizaron tres titulaciones por cada fase de cada

mezcla.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En el sistema en estudio, el par de líquidos

parcialmente miscibles entre sí son el agua y el

tolueno, esto debido a que el agua es una

sustancia polar y el tolueno no lo es. El soluto es

el ácido acético; este es soluble tanto en agua

como en tolueno. El ácido acético tiene una parte

hidrofílica (polar) y otra orgánica (no polar), que

le permite ser miscible en ambos medios; sin

embargo, este es más soluble en agua (mayor

afinidad), ya que con esta puede formar puentes

de hidrógeno e interacciones del tipo dipolo-

dipolo que, a diferencia del tolueno (con quien

forma únicamente fuerzas de Vander Vaals, las

cuales pueden ocasionar un dipolo inducido en la

molécula de ácido acético), le proporcionan

mayor estabilidad, por lo que el agua es el

solvente extractor. De allí que los pares

totalmente miscibles están representados por

ácido acético y agua y la mezcla de ácido acético

y tolueno.

De esta miscibilidad entre pares, se basa el

método empleado durante esta práctica, el cual es

denominado “punto de niebla”, que consiste en

añadir uno de los componentes a una mezcla

formada por una pareja totalmente miscible de los

otros dos. Si se adiciona el componente poco a

poco llega el momento en que aparece una

neblina o turbidez que indica que ya no se

disuelve más de ese componente; esa situación

corresponde a un punto sobre la curva binodal del

diagrama triangular [3]. Durante la experiencia

práctica, a las soluciones de ácido acético y agua

(A1’, A2’, A3’ y A4’), se les añadió poco a poco

tolueno; y las mezclas de ácido acético y tolueno

(C1’, C2’, C3’ y C4’), se les agregó agua hasta

observar el punto de turbidez; estos resultados se

encuentran registrados en la Tabla 1.

Tabla 1. Proporciones de cada componente del sistema

ternario en el punto de turbidez.

Solución

Volumen (V ± 0,03) mL

Agua Ácido acético Tolueno

A1’ 18,10 1,90 0,10

A2’ 14,20 5,80 0,20

A3’ 12,20 7,80 0,30

A4’ 8,20 11,80 0,70

C1’ 0,10 1,70 18,30

C2’ 0,20 5,20 14,80

C3’ 0,40 7,10 12,90

C4’ 1,35 11,10 8,90

El comportamiento de un sistema ternario a

presión y temperatura constantes, puede

representarse mediante un diagrama triangular

[1]. En este diagrama, los vértices representan

los componentes puros, y pueden distinguirse

claramente dos zonas: una en la cual coexisten los

tres componentes y otra zona donde se representa

la miscibilidad parcial de los disolventes (allí se

sitúan las fases orgánica y acuosa); la

delimitación entre ambas zonas es conocida como

curva binodal. Dicha curva es la mejor

representación de los tres componentes

coexistiendo en equilibrio debido a la saturación

de la mezcla, es decir, ya se han agregado las

máximas cantidades de las sustancias que la

componen [2].

Tabla 2. Concentraciones másica de cada componente del

sistema ternario correspondientes a la curva binodal del

diagrama.

Solución

Porcentaje peso-peso (p/p ± 0,1) %

Agua Ácido acético Tolueno

A1’ 89,7 9,9 0,4

A2’ 69,4 29,8 0,8

A3’ 59,1 39,7 1,3

A4’ 38,7 58,5 2,9

C1’ 0,6 10,0 89,4

C2’ 1,1 29,5 69,4

C3’ 2,1 39,1 58,8

C4’ 6,5 56,2 37,3

Experimentalmente, se parte de los datos de

volumen obtenidos (Tabla 1) para determinar la

composición másica de cada componente,

expresada en porcentaje peso-peso (%p/p), las

cuales representaban un punto sobre la curva

binodal. Dichas composiciones obtenidas

experimentalmente se encuentran registradas en

la Tabla 2.

Luego, se procedió a ubicar dichos puntos dentro

del triangulo equilátero obteniéndose el diagrama

del equilibrio líquido-líquido del sistema ternario

ácido acético-agua-tolueno (Figura 1).

Figura 1. Diagrama del equilibrio líquido-líquido del

sistema ternario ácido acético-agua-tolueno.

Puede observarse en la Figura 1 que el rango

donde el agua y el tolueno son medianamente

miscibles en realmente muy pequeño, por lo que

se consideran líquidos inmiscibles. Otra

observación que puede obtenerse, es que la curva

binodal es bastante pronunciada, esto debido al

efecto que tiene la temperatura sobre la

solubilidad entre los componentes del sistema, ya

que, por lo general, a mayor temperatura mayor

solubilidad, y la temperatura a la que llevó a cabo

la experiencia práctica fue alta.

Puede notarse que cuando están en solución los

tres componentes, el ácido acético se distribuye

entre las dos capas, y su función es promover una

mayor miscibilidad entre el agua y el tolueno. El

aumento de la miscibilidad efectuado por el ácido

acético depende de la cantidad que se agregue de

este y de las cantidades de agua y tolueno

presentes. Si se introduce suficiente ácido, las dos

capas se pueden cambiar a una sola solución

compuesta de los tres líquidos, es decir,

sobrepasar la curva binodal [1].

Posteriormente, se realizaron mezclas de las

soluciones anteriores dentro de dos embudos de

separación y se identificaron: A1’, A2’, C1’ y C2

para la mezcla 1, y A3’, A4’, C3’ y C4’ para la

mezcla 2. Se observó en cada embudo, la

formación de dos fases, una acuosa y la otra

orgánica. Se dejó decantar cada líquido, por

diferencia de densidades, y se extrajo la fase

acuosa (extracto) por debajo y la orgánica

(refinado) por arriba; se desechó la interfase ya

que no era de interés su estudio, más sí lo era el

de las dos fases ya mencionadas, debido a que se

pretendía conocer la concentración de ácido

acético en cada una de ellas mediante una

titulación ácido-base. Para ello, se tomaron

alícuotas de cada fase de cada mezcla y se

titularon con solución de NaOH. La fase acuosa,

se tituló con NaOH alcohólico 2,3889 N y la fase

orgánica con NaOH orgánico 1,5041 N; esto con

el objeto de evitar separaciones de fases al

momento de la titulación, ya que de lo contrario

se estaría adicionando compuesto de la fase que

ya se habría logrado separar en una gran cantidad,

y de esta manera se estaría asegurando que exista

un mayor contacto entre la base (NaOH) y el

ácido acético, de quien se desea obtener la

concentración. Durante la titulación se llevó a

cabo la reacción 1.

(1) OH COONaCH NaOH COOHCH 233

Se realizaron tres titulaciones por cada fase de

cada mezcla. Se pesó cada fiola llena y vacía, con

el fin de determinar la masa de cada solución. Los

valores obtenidos se encuentran en la Tabla 3

para las soluciones en fase acuosa, y en la Tabla 4

para las fases orgánicas.

Presión: (717,52 ± 0,05) mmHg

Temperatura: (28,0 ± 0,5) °C

Tabla 3. Cantidad de hidróxido de sodio añadido para la

titulación de la fase acuosa de las mezclas ternarias

preparadas.

Mezcla

Masa de la

fiola vacía ( 0,001) g

Masa de la

fiola llena ( 0,001) g

Volumen de

titulante ( 0,05) mL

1

79,283 84,415 11,70

57,080 68,176 11,90

57,074 68,179 11,80

2

62,854 68,101 25,60

57,238 62,496 25,70

79,296 84,539 25,75

Tabla 4. Cantidad de hidróxido de sodio añadido para la

titulación de la fase orgánica de las mezclas ternarias

preparadas.

Mezcla

Masa de la

fiola vacía ( 0,001) g

Masa de la

fiola llena ( 0,001) g

Volumen de

titulante ( 0,05) mL

1

81,360 85,647 4,00

83,667 87,978 3,70

75,053 79,381 4,30

2

80,863 85,242 9,50

74,913 79,280 9,45

57,252 62,620 9,60

Puede observarse que los volúmenes de titulante

gastado para las fases acuosas fueron mayores

que las fases orgánicas; esto debido a que la fase

acuosa es rica en solvente extractor y en soluto,

por lo que precisa mayor cantidad de NaOH para

consumirse el ácido acético, mientras que el

refinado es rico en disolvente y pobre en soluto.

Cabe destacar que ocurrió un error a la hora de

tomar nota de la masa de la fiola vacía para las

corridas dos y tres en la titulación de la fase

acuosa de la mezcla 1, ya que la masa de solución

que se obtiene por diferencia en ambos casos

duplica el valor requerido (alrededor de 5 g), por

lo que, para efectos de los cálculos, estos valores

no se tomaron en cuenta, y sólo se trabajó con los

valores obtenidos a partir de la primera corrida

para este caso. Las concentraciones de ácido

acético obtenidas a partir de titulación con NaOH

como titulante se encuentran en la Tabla 5.

Una vez obtenidas las concentraciones, se

procedió a ubicar estos puntos dentro del

diagrama del equilibrio líquido-líquido del

sistema ternario ácido acético-agua-tolueno: se

entró en él con dichas concentraciones y se cortó

la curva binodal. Cada par de puntos

correspondientes a cada mezcla, representaba el

extracto y el refinado para cada punto de mezcla.

El extracto se ubicó del lado derecho del

diagrama debido a la gran afinidad entre al ácido

acético y el agua. La unión de estos dos puntos

para cada mezcla, representó la línea de reparto

respectiva. Dicha representación puede

observarse en la Figura 2.

Tabla 5. Composiciones másicas promedio de ácido acético

de las mezclas ternarias preparadas en cada fase de

equilibrio.

Mezcla

Fase

Composición

( ) Adim.

1

Acuosa 0,33

Orgánica 0,08

2

Acuosa 0,65

Orgánica 0,18

Figura 2. Líneas de reparto en el diagrama del equilibrio

líquido-líquido del sistema ternario ácido acético-agua-

tolueno.

La disposición de las líneas de reparto en el

diagrama depende del valor del coeficiente del

coeficiente de reparto o distribución (K). Este

representa la relación entre el extracto y el

refinado, y depende directamente de la naturaleza

Presión: (717,52 ± 0,05) mmHg

Temperatura: (28,0 ± 0,5) °C

del soluto y de los disolventes (afinidad química

entre ellos), así como también de la temperatura

[1]. La magnitud de K permite concluir acerca del

proceso de extracción líquido-líquido. Si K es

igual a la unidad (K=1), las líneas de reparto son

horizontales, y quiere decir que el soluto es

igualmente soluble en ambos solventes (se

distribuye en igual proporción tanto en el extracto

como en el refinado); si K es menor que la unidad

(K<1), las líneas de reparto presentan una

pendiente negativa, lo que indica que el soluto se

distribuye mejor en el refinado; y si K es mayor a

la unidad (K>1), las líneas de reparto adoptan una

pendiente positiva e indica que el soluto se

distribuye mejor en el extracto [3].

Para el caso en estudio de esta práctica, se

obtuvieron solo dos líneas de reparto, y ambas

presentan pendiente positiva, tal como se

esperaba, debido a la gran afinidad entre en ácido

acético y el agua, como ya se mencionó

anteriormente, por lo que para ambos casos, se

obtuvo un valor de K mayor que la unidad (ver

Tabla 6), lo que quiere decir que el ácido acético

se distribuye mejor en el extracto y por lo tanto el

proceso de extracción es óptimo.

Tabla 6. Valores de los coeficientes de distribución

correspondientes a cada mezcla ternaria preparada.

Mezcla

Constante de reparto

(K ± 0,4) Adim.

1 3,9

2 3,8

Los errores asociados a los datos obtenidos

experimentalmente, pueden haberse debido a que

algunas buretas goteaban (no quedaban

completamente cerradas), lo que ocasionaba

deficiencias a la hora de tomar el verdadero valor

de titulante gastado la agitación durante la

titulación puede no haber sido constante o lo

suficientemente vigorosa; la adición de

volúmenes de titulante puede haber sido mayor o

menor a los necesarios para alcanzar el punto

final, entre otros.

CONCLUSIONES

La tendencia obtenida por la curva binodal al

representar los puntos obtenidos

experimentalmente, concuerda con la

esperada, según la teoría, al igual que para las

líneas de reparto.

Los coeficientes de las líneas de reparto para la

mezcla 1 y 2 fueron y

, respectivamente.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Castellan, G. (1998) Fisicoquímica. 2da

Edición. Editorial Pearson Educación. México.

Pág. 358-361.

[2] Maron, S. y Prutton, C. (1999). Fundamentos

de Fisicoquímica. 2da Edición, Editorial Limusa,

México. Pág.: 383-389.

[3] Levine, I. (2004) Fisicoquímica (Volumen 1).

5ta Edición. Editorial Mc Graw Hill. Madrid,

España. 457-460