Azeotropos y Propiedades coligativas, Apuntes de Fisicoquímica

¡Descarga Azeotropos y Propiedades coligativas y más Apuntes en PDF de Fisicoquímica solo en Docsity!

Integrantes:

Alba Robles Emilio

Arguello Vázquez Samuel

Gutiérrez Barroso Néstor Daniel

Torres Ayala Antonio

Azeótropos, propiedades

coligativas y sus

implicaciones en la

Destilación

Introducción Dentro de la industria química buscamos obtener productos de mayor valor y utilidad, para ello mediante una serie de procesos y reacciones, transformamos una entrada de materia prima, en un producto acabado. Un problema muy común, en especial cuando se trata con compuestos orgánicos, son los múltiples productos que una reacción puede llegar a originar, esto además de reducir el rendimiento en la reacción, implica que obtendremos una serie de mezclas con cierto porcentaje del producto que a nosotros nos interesa. A lo largo del tiempo se ha perfeccionado la forma de separar los distintos componentes en una mezcla, y dependiendo de las características de cada mezcla y las fases que involucra se opta por una técnica u otra, en este caso nos enfocaremos en mezclas líquido-líquido miscibles, las cuales se separan empleando la destilación, técnica que se basa en la diferencia entre los puntos de ebullición de cada componente de la mezcla. Si bien existen diferentes tipos de destilación como son la destilación simple, fraccionada, azeotrópica, por arrastre de vapor, seca, etc., en este trabajo nos enfocaremos más en la destilación fraccionada. Objetivo:  Comparar la pureza del destilado en la separación de una solución azeotrópica, entre la destilación azeotrópica y al aprovechar las propiedades coligativas de las soluciones para crear una ruptura del azeótropo y obtener un mayor porcentaje de recuperación en la columna de destilación fraccionada.

Posteriormente en Europa se introdujo la práctica de enfriar el tubo de salida del alambique, en el siglo XV, la salida se convirtió en un serpentín condensador del que deriva el refrigerante moderno. Esto ayudó a condensar las sustancias que tienen bajos puntos ebullición. Al pasar el tiempo, el alcohol fue tomando un papel muy importante usado en diferentes cosas como: en cocciones de hierbas y conformación de licores. Todo esto ayudó a que poco a poco se fuera mejorando el proceso. A la par se fueron destilando otras sustancias como ácido nítrico, ácido sulfúrico, ácido clorhídrico entre otros. El conocimiento de estos ácidos abrió ampliamente el campo de la química, ya que se pudieron producir nuevas reacciones y productos. La industria química fue tomando fuerza rápidamente desde el siglo XV. A comienzos del siglo XIX se diseñaron las primeras columnas de destilación a nivel industrial. Ya para 1850 fueron usados en la industria del petróleo. Ello significó una enorme ventaja sobre los equipos que se venían utilizando. Los alambiques se modificaron y aparecieron los balones y condensadores, semejantes a los empleados hoy. Desde entonces, la destilación ha sido una de las técnicas de separación más empleadas en los laboratorios y en la investigación química, al tiempo que se la utiliza también como una técnica para analizar la composición de una solución. La “historia de la destilación” es uno de los tantos ejemplos que ponen en evidencia la relación entre los desarrollos sociales, los científicos y los tecnológicos. En días actuales, no es algo novedoso hablar de la destilación fraccionada y la extracción líquido-líquido comparando con cual podemos obtener mejores resultados. A sumado a esto, se le comparará con otros tipos de destilaciones. Para ello es necesario conocer los fundamentos teóricos de la destilación fraccionada, la Ley de Raoult, y los efectos de las propiedades coligativas en las soluciones.

Equilibrio El equilibrio es una condición estática en la cual no ocurren cambios con respecto al tiempo en las propiedades macroscópicas de un sistema. Esto implica un equilibrio de todos los potenciales que pueden causar algún cambio. Si un sistema que contiene cantidades fijas de especies químicas y que consiste en fases líquida y de vapor, en contacto íntimo, está aislado completamente, entonces con el tiempo no hay ninguna tendencia para que ocurra algún cambio dentro del sistema. La temperatura, la presión y la composición de las fases alcanzan valores fínales en los cuales permanecen fijas por ende el sistema está en equilibrio. A pesar de ello, a nivel microscópico, las condiciones no son estáticas. Las moléculas que corresponden a una fase en un instante dado no son las mismas moléculas en esa fase un tiempo después. Las moléculas con velocidades suficientemente elevadas, que están cerca del límite entre las fases, superan las fuerzas de la superficie y pasan a la otra fase. Mezclas ideales Una mezcla ideal presenta las siguientes características:  Las fuerzas intermoleculares promedio de atracción y repulsión en la solución no cambian al mezclar los componentes.  El volumen de la solución varía linealmente con la composición.  No hay absorción ni evolución de calor al mezclar los componentes. Sin embargo, en el caso de gases que se disuelven en líquidos, este criterio no incluye el calor de condensación del gas al estado líquido.  La presión total de vapor de la solución varía linealmente con la composición expresada en fracción mol. Para mezclas ideales el coeficiente de actividad es igual a 1 y cuando son menores o mayores que 1, presentan desviaciones ya sea positiva o negativa de la ley de Raoult-Dalton. Si estas desviaciones son tan grandes que la presión de vapor o la temperatura de ebullición presentan un punto extremo a temperatura constante o a presión constante respectivamente, la mezcla es azeotrópica

Desviaciones positivas respecto a Raoult En contraste al ejemplo anterior, la disolución acetona-disulfuro de carbono, presenta presiones de vapor superiores a las que predice Raoult, pero esta situación es debido a que las fuerzas intermoleculares en la disolución son menores que en los componentes puros. Se anexa el respectivo gráfico para comparar. Ley de Henry Anteriormente mencionamos la Ley de Henry, esta nos permite obtener la presión de vapor de un soluto en una disolución diluida ideal. Para el disolvente sigue aplicándose la Ley de Raoult. Matemáticamente se expresa: Pi=KHxi Donde KH es la constante de Henry Para los gases poco solubles en líquidos, la disolución se aproxima a ideal, cumpliendo la Ley de Henry para el soluto. En la gráfica podemos observar que, cuando la presión es elevada, se produce una desviación respecto a Henry, debido a que la disolución deja de comportarse como diluida ideal.

¿Cuándo se formará un azeótropo? Los puntos de ebullición de los componentes puros presentes en la mezcla deben ser lo suficientemente cercanos para permitir la formación de un azeótropo. El azeótropo se formará si ocurren pequeñas desviaciones de las soluciones líquidas ideales. Una mezcla líquida con puntos de ebullición distantes en sus componentes puede no formar un azeótropo, aun cuando constituyan una mezcla líquida con características considerablemente no ideales. Rara vez se formará uno en una mezcla constituida por componentes cuyos puntos de ebullición difieren más de 30°C. Podemos clasificarlos de distintas maneras; Un azeótropo será homogéneo sólo si está presente una fase líquida. El punto de ebullición máximo de un azeótropo homogéneo puede presentarse si las desviaciones de la ley de Raoult son negativas. Para que un azeótropo presente un punto de ebullición mínimo, es necesario que las desviaciones de la ley de Raoult sean positivas; si éstas son lo suficientemente grandes, puede ocurrir la separación de las fases y se formará un azeótropo heterogéneo, con un punto de ebullición mínimo y la fase de vapor en equilibrio con las dos fases líquidas. Las mezclas que no forman azeótropos se denominan zeótropos. Ruptura del azeótropo Para romper un azeótropo se pueden realizar diferentes procedimientos entre los cuales existen principalmente dos métodos físicos, el primero consiste en variar la presión de destilación para saltarnos el azeótropo; por otro lado, está la alternativa de adicionar un tercer componente que modifique la interacción de las moléculas del azeótropo de tal manera que mediante un proceso llamado destilación azeotrópica estos componentes de la mezcla original puedan ser separados. El problema es que hay que retirar posteriormente este nuevo componente.

del componente, permitiéndonos lograr una diferencia mayor en los puntos de ebullición en los componentes de la mezcla original logrando esquivar los puntos azeotrópicos en un rango mayor. Estas propiedades pueden ser calculadas mediante las siguientes formulas: ∆𝑃 = 𝑃଴𝑋ଶ ∆𝑇௕ = 𝐾௕𝑚 𝑃଴^ → 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑝𝑢𝑟𝑜 𝑋ଶ → 𝐹𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 𝐾௕ → 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑏𝑢𝑙𝑙𝑜𝑠𝑐ó𝑝𝑖𝑐𝑎 𝑚 → 𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 Extracción Liquido-líquido La Extracción Líquido-Líquido en conjunto a la destilación, dan origen a la operación básica más importante en la separación de mezclas homogéneas líquidas. Consiste en separar una o varias sustancias disueltas en un disolvente mediante su transferencia a otro disolvente insoluble, o parcialmente insoluble, en el primero. Aplicarla repetidas veces resulta más favorable en algunos casos para obtener el componente de nuestro interés, Es posible determinar un rendimiento matemáticamente mediante la siguiente formula: 𝑤௘௫௧ = 𝑤 ቈ1 − ൬

௡ ቉ 𝑤 → 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 𝐾 → 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑝𝑎𝑟𝑡𝑜 𝑉ଵ → 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 𝑉ଶ → 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑚𝑝𝑙𝑒𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑙𝑎 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛

Destilación fraccionada y columnas de fraccionamiento El proceso de separar mezclas por destilación resultaría extremadamente complicado y tedioso de realizarse por repetidas destilaciones y condensaciones de una manera discontinua. En su lugar, en la destilación fraccionada, la separación se efectúa continuamente empleando aparatos de destilación conocidos como columnas de fraccionamiento. ¿Cómo es y cómo funciona una columna? Consta esencialmente de tres partes:  De un alambique calentador A  Una columna D, compuesta de una serie de platos (construcción mostrada en la figura);  Un condensador F La mezcla precaliente a destilar, se admite por E a uno de estos platos y fluye por 2 al plato inferior. Sobre éste, el líquido entra en contacto con el vapor que se desplaza hacia arriba del alambique a través de las cápsulas de paso de burbujas (bubble caps) 3’ y 4´. Se denominan así porque el vapor debe burbujear a través de la capa del líquido de cada plato antes de su escape. Al hacerlo se condensa parte del constituyente menos volátil, y parte del más volátil se vaporiza del líquido. El vapor que asciende a los siguientes platos 3 y 4 es más rico en el constituyente más volátil que el vapor del plato inferior mientras

Los Azeótropos, ocurren cuando una mezcla líquida tiene un máximo o un mínimo en los puntos de ebullición, con relación a los puntos de ebullición de los componentes. Destilación Azeotrópica Habiendo hablado ya de algunas propiedades físicas que nos ayudan a esquivar los puntos azeotrópicos, definiremos a grandes rasgos una técnica de destilación que consiste en esto Para fines prácticos, consideraremos la destilación extractiva y la destilación azeotrópica de manera similar, pues presenten semejanzas muy amplias. Únicamente daremos conocimiento de la principal diferencia entre estos dos métodos. Usaremos como ejemplo la mezcla de alcohol y agua, un ejemplo común y útil, pues se logra obtener etanol con pureza superior al 95%. Como ya se mencionó antes en estos métodos se suele añadir otro compuesto a modo de agente para la separación, por ejemplo, en el caso de que se añada benceno a la mezcla azeotrópica, ésta cambia su interacción, consiguiéndose separar el compuesto, pero en este caso existe una clara desventaja en el proceso de adicción, pues posteriormente se deberá realizar una segunda separación con la finalidad de deshacerse del benceno añadido. Cuando el azeótropo sale o salta, se dice que la destilación puede seguir su curso. Otro método para conseguir la concentración necesaria de etanol y poder emplearlo como aditivo en gasolinas, utiliza unos tamices de moléculas para pasar la concentración azeotrópica. El alcohol llega a destilarse hasta llegar a un 95%, luego se pasa por un tamiz de moléculas que consigue absorber toda el agua de la mezcla azeotrópica, teniendo ya el alcohol con una concentración sobre el 95%, permitiéndonos realizar pruebas seguidas y en seguida una destilación. El Tamiz se reutiliza después de evaporar toda el agua capturada. Cuando dos solventes se encuentran formando un azeótropo de tipo positivo, la destilación de dicha mezcla tiende a producir una destilación que cuenta con una composición cerca de la del azeótropo.

En la destilación fraccionada, se somete a la mezcla de nuestro ejemplo (etanol/agua), a una destilación de tipo simple, con un 50% de alcohol, aquí obtenemos dos mezclas, agua con más pureza y la destilación con una concentración superior de alcohol. Si dicha mezcla se vuelve a destilar se conseguirá un segundo producto de destilación con una concentración de alcohol aún superior, si repetimos este proceso varias ocasiones obtendremos un destilado de mayor pureza, sin embargo es mas complejo llegar al compuesto puro. Estos elementos definen mejor a la destilación extractiva, la destilación azeotrópica, busca generar un azeótropo heterogéneo a partir de la adición de un disolvente, con un mínimo punto de ebullición con uno de los componentes, facilitando la extracción de este, se realiza en múltiples columnas de destilación, pero dado que busca eliminar el azeótropo original generando uno nuevo mientras que la destilación extractiva busca eliminarlo variando la presión o con diferencias de solubilidad, tomaremos en cuenta estas dos en una misma categoría.

En la imagen siguiente se presenta un diagrama de proceso, en el cual incluye las principales unidades para la destilación fraccionada. La única desventaja de la destilación fraccionada es que gran parte (más o menos la mitad) del destilado condensado debe volver a la parte superior de la torre y eventualmente debe hervirse otra vez, con lo cual hay que suministrar más calor. Por otra parte, el funcionamiento continuo permite grandes ahorros de calor, ya que el destilado que sale puede ser utilizado para precalentar el material que entra. Este tipo de proceso nos ofrece una mayor eficiencia, es decir, una mayor concentración de nuestros productos.

Discusión de datos obtenidos Dentro del campo laboral nos podemos topar con algunos problemas como la formación de un azeótropo en la destilación debido a las interacciones de las sustancias a nivel molecular. Pero conocemos varias técnicas con las que podemos solucionar este problema, entre ellas están: variar la presión de destilación para saltarnos el azeótropo, destilación azeotrópica, destilación extractiva, adición de sal, etc. Entonces podemos seleccionar la más adecuada a nuestra situación y diseñar un nuevo proceso, lo cual resulta muy complejo porque se tendría que comprar equipo nuevo, ver si los reactivos que vamos a usar son de costo accesible, ver cómo se comportan las sustancias químicas entre ellas (propiedades coligativas), determinar qué tan factible será el nuevo proceso y muchas otras más. En nuestro caso, la opción más viable que encontramos fue agregar solutos no volátiles a la mezcla, pues sabemos que al hacer esto, la solución ebullirá a una temperatura mayor que la del solvente puro. Esto ayudará a que podamos separar los componentes. Dentro de los datos de pureza de los componentes destilados podemos observar que en las destilaciones de azeótropos el proceso que da como resultado un mejor porcentaje de recuperación es la destilación azeotrópica; sin embargo, su inconveniente es el grado de dificultad y las múltiples destilaciones para el tratamiento y recirculación de los componentes en la mezcla. Mientras que la separación de una mezcla azeotrópica usando las propiedades coligativas tampoco es muy común y fácil; si no se cuanta con el equipo o no se puede costear y las características de la mezcla nos permiten tratarla con este método, es una forma alternativa para alcanzar porcentajes de recuperación y pureza más elevados.

Conclusión Existen diferentes tipos de procesos de separación según sean las propiedades de la mezcla a separar sin embargo entre ellos los más utilizados son las destilaciones de la cuales también hay diferentes tipos dependiendo de la naturaleza de los componentes de la mezcla; sin embargo uno de los mayores problemas que enfrenta este método de separación es la existencia de azeótropos; puntos en los cuales las presiones de vapor de la mezcla son iguales por lo cual se comporta como un solo componente y no se separan por puntos de ebullición. Para evitar eso se cuanta con algunas técnicas como cambiar las presiones de destilación; acción que no es muy sencilla de realizar en una columna a escala industrial; por eso mismo se cuenta con la destilación azeotrópica que incluye el uso de agentes separadores para lograr así romper el azeótropo siguiendo la ley de Raoult; sin embargo, es te tipo de destilación implica el uso de varias columnas de destilación aumentando el costo de la energía, así como la complejidad del proceso. Una opción para tratar con los azeótropos en una columna de fraccionamiento es hacer uso de las propiedades coligativas añadiendo solutos no volátiles a la solución de forma que la diferencia de puntos de ebullición de los componentes de la mezcla alimentada crezca logrando separar los compuestos; y para purificar el flujo con el soluto añadido se puede hacer uso de otro método de separación como la extracción líquido-líquido; la cual requiere menos energía que una columna de destilación.

Bibliografía EcuRed. (2011, noviembre 18). Extracción Líquido-Líquido - EcuRed. Recuperado 29 de mayo de 2020, de https://www.ecured.cu/Extracci%C3%B3n_L%C3%ADquido-L%C3%ADquido Quimicas. (2015, julio 2). Ejemplos de la Ley de Raoult. Recuperado 29 de mayo de 2020, de https://www.quimicas.net/2015/05/ejemplos-de-la-ley-de-raoult.html TP Laboratorio Químico. (2015, febrero 12). ¿Qué es la Destilación? Recuperado 29 de mayo de 2020, de https://www.tplaboratorioquimico.com/laboratorio- quimico/procedimientos-basicos-de-laboratorio/que-es-la-destilacion.html UNAM. (2007, abril 25). Ley de Raoult. Recuperado 29 de mayo de 2020, de http://www.cie.unam.mx/%7Eojs/pub/Liquid3/node22.html QUIMICAFISICA.COM. (2012a, octubre 10). Desviaciones Positivas y Negativas Respecto a la Ley de Raoult | FisicoQuímica. Recuperado 30 de mayo de 2020, de http://www.quimicafisica.com/desviaciones-positivas-y-negativas-respecto-a- raoult.html QUIMICAFISICA.COM. (2012b, octubre 10). Ley de Henry | FisicoQuímica. Recuperado 30 de mayo de 2020, de http://www.quimicafisica.com/ley-de- henry.html ugr.es | Recuperado 29 de mayo de 2020, de https://www.ugr.es/~mota/QG_F- TEMA_5-2017-Disoluciones.pdf Treybal, Robert. E. (1988). Operaciones de transferencia de masa (2nd ed.). México: Mcgraw-Hill. Smith, J. M., Van Ness, Hendrick. C., & Abbott, Michael. B. (2005). Introduction to chemical engineering thermodynamics. New York: McGraw -Hill. Maron, S.H. y Prutton, C.F. (1984). Fundamentos de fisicoquímica. Editorial Limusa.