Fisicoquímica Ejercicios 2 Y 6.docx

Fisicoquímica ejercicios 2 y 6 Ejercicio 1. Equilibrio de fases de un componente y ecuación de Clausius–Clapeyron. - Levine, I. N. (2014). Principios de fisicoquímica. Ciudad de México: McGraw-Hill Interamericana. (pp. 163-176).

2. Dibuje el diagrama de fase P-T (no necesariamente a escala) para el oxígeno usando los siguientes datos: punto triple, 54.3 K y 1,14 torr; punto crítico, 154.6 K y 37828 torr; punto de fusión normal, 218,4oC; y punto de ebullición normal, -182,9 °C. Ubique los siguientes puntos, establezca las fases presentes y el número de grados de libertad: a) Líquido puro. b) Sólido-líquido. c) Líquido-gas. d) Sólido. e) Gas. f) Equilibrio entre las tres fases.

6. Las densidades ortobaricas de acetato de etilo líquido y gaseoso son 0,826 g/mL y 0,00319 g/mL, respectivamente, en su punto normal de ebullición (77,11 °C). La velocidad de cambio de la presión de vapor con la temperatura es 23.0 torr K-1 en el punto normal de ebullición. Calcule la entalpía molar de vaporización del acetato de etilo en su punto normal de ebullición. De igual manera, determine el cambio de entropía de vaporización, y la energía libre de Gibbs de vaporización. ¿El cambio de fase del acetato de etilo es termodinámicamente favorable? 1 1 88,102𝑔 𝑉̅ 𝑔 − 𝑉̅ 𝑙 = ( − ) ( ) g g 𝑚𝑜𝑙 0,00319 mL 0,826 mL 𝑚𝐿

𝐿

̅ = 27510 ∆𝑣𝑎𝑝 𝑉 = 27,510 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙

Se usa la ecuación: ̅ = 𝑇∆𝑣𝑎𝑝 𝑉 ̅( ∆𝑣𝑎𝑝 𝐻

𝑑𝑃 ) 𝑑𝑇

̅ = (350,26𝐾) (27,510 ∆𝑣𝑎𝑝 𝐻

𝐿 23.0 torr 1 atm 8,314J )( )( )( ) 𝑚𝑜𝑙 𝐾 760 𝑡𝑜𝑟𝑟 0,082𝐿 ∙ 𝑎𝑡𝑚

̅ = 29565,930 ∆𝑣𝑎𝑝 𝐻

𝐽 𝑘𝐽 = 29,5 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙

Ejercicio 2. Equilibrio de fases de dos componentes (líquidovapor, sólido-líquido).

- Mortimer, R. G. (2000). Physical Chemistry (2nd ed). (205-208, 234242) San Diego: Academic Press. - Capparelli, A. L. (2013). Fisicoquímica básica (1a ed). (503-506, 511518). Buenos Aires: Editorial de la Universidad de La Plata. - Cortes Hernandez, H. F. (2018). Composiciones en equilibrio de fases. [OVI].

Para los ejercicios 1 al 5 tener en cuenta la siguiente tabla.

Tabla 1. Presión de vapor y temperaturas de ebullición para diversos compuestos. Presión de vapor (mmHg) 1 5 10 20 40 60 100 200 400 760

Temperatura de ebullición (°C) de la acetona (C3H6O) -59,4 -40,5 -31,1 -20,8 -9,4 -2,0 7,7 22,7 39,5 56,5

Temperatura de ebullición (°C) del metanol (CH4O) -44,0 -25,3 -16,2 -6,0 5,0 12,1 21,2 34,8 49,9 64,7

Temperatura de ebullición (°C) del etanol (C2H6O) -31,3 -12,0 -2,3 8,0 19,0 26,0 34,9 48,4 63,5 78,4

Temperatura de ebullición (°C) del agua (H2O) -15,9 1,2 11,2 22,1 34,0 41,6 50,2 60,6 80,3 100,0

2. En el laboratorio se dispone de una mezcla de etanol-agua, la cual será separada por una destilación. Para ello se debe construir el diagrama de equilibrio de fases de dos componentes de temperatura vs composición (fracción molar del más volátil). Teniendo en cuenta la tabla 1, construir la gráfica del diagrama de dos componentes etanol-agua. ¿Si se tiene una mezcla de 40 mL de agua y 60 mL de etanol, cual es la temperatura del destilado, residuo y la mezcla asumiendo un punto equidistante entre la línea del vapor y líquido? ¿Si se quiere destilar una mezcla de etanol-agua a 85 °C, qué composición del residuo, destilado y composición de la mezcla espero asumiendo un punto equidistante entre la línea del vapor y liquido? ¿para esta mezcla existe un azeótropo, cuál sería su ubicación si existe?

Para los ejercicios 6 al 10 tener en cuenta la siguiente figura:

6. Si en el laboratorio se prepara una solución de 300 g de azúcar disueltos en 700 g de agua a 20 °C, ¿en qué fase se encuentra la solución, cuántos grados de libertad tiene? ¿si la solución anterior se lleva 85 °Brix de forma isotérmica, cuanto fue la masa de azúcar agregada, que composición tiene la mezcla? ¿Si la solución anterior se filtra descartando el residuo, cuánta masa de la solución queda, y qué concentración tendría la solución? ¿Si la solución anterior se enfría hasta 0 °C, qué composición y cantidad tiene la mezcla resultante en cada fase? Utilizar la figura 1, y señalar cada punto utilizado. Ejercicio 3. Equilibrio ternario entre fases líquidas.

Para el desarrollo de este ejercicio se recomienda revisar las siguientes referencias bibliográficas que se encuentran en el entorno de conocimiento de la unidad 2:

- Mortimer, R. G. (2000). Physical Chemistry (2nd ed). (243-244) San Diego: Academic Press. - Buján, N. M. D. C. (2018). Problemas de termodinámica para estudiantes de química. (397-405) Santiago de Compostela: USC editora. Para los ejercicios 1 al 5 tener en cuenta el siguiente enunciado y tablas.

En el laboratorio se realizó un experimento de equilibrio ternario, en el cual se utilizó la mezcla de ácido acético-agua-alcohol n-amilico, determinando las concentraciones y curvas de reparto por medidas con el índice de refacción como se reporta en las tablas 2 y 3, respectivamente. A partir de las tablas 2 y 3, grafique el diagrama de fase ternaria incluyendo las líneas de reparto para ello utilice la figura 1 del anexo 2.

Tabla 2. Datos de solubilidad para la mezcla ácido acético (AA), agua (W) y alcohol n-amílico (AN) en porcentaje en peso. AA 93,28 81,37 75,64 64,46

W 7,720 8,180 10,15 14,94

AN 0,0 10,45 14,21 21,60

55,13 46,08 38,21 29,83 20,56 13,98 10,12 8,180 6,790

19,07 24,92 30,79 39,70 50,86 60,77 71,88 83,13 93,21

25,80 29,00 31,00 30,47 29,58 25,25 18,00 8,690 0,0

Tabla 3. Datos de líneas de reparto para la mezcla ácido acético (AA), agua (W) y alcohol n-amílico (AN) en porcentaje en peso. Fase AA 5 14 18 25

alcohol W 8,0 9,5 12,0 15,0

AN 87,0 76,5 70,0 60,0

Fase agua AA W 2,0 90,5 6,0 86,0 16,0 74,5 23,5 64,0

AN 7,5 8,0 9,5 12,5

1. Si se realiza un experimento alterno y se agrega 30 mL de ácido acético, 30 mL de agua y 10 mL de alcohol n-amílico ¿cuál sería la concentración de las fases y la cantidad de las mismas? ¿Si a la solución anterior se lleva a la línea de reparto más próxima, cuánto de cada componente se debe agregar, cuál es la cantidad de cada fase y su composición? Realizar el ejercicio indicando los puntos en el diagrama de fases construido.