ejercicios de quimica IV resueltos-85

Vista previa del material en texto

EXÁMENES RESUELTOS DE QUÍMICA 253 SEPTIEMBRE 2009 
 
 247
 
3.- El diagrama de fases de la figura corresponde a la mezcla binaria 
tolueno-tetracloruro de carbono a presión atmosférica. Contestar de forma 
razonada a las siguientes preguntas: 
a) ¿Cual es la sustancia más volátil y por qué? 
b) Al destilar una mezcla que contiene un 80% en moles de tolueno: 
 - ¿A qué temperatura empieza a hervir la mezcla? 
 - ¿Qué composición tiene el vapor obtenido? 
 - Si se condensa el vapor destilado en el apartado anterior y se vuelve 
 a evaporar, ¿Qué composición tiene el vapor obtenido en este caso? 
c) Explicar de manera detallada qué proceso ha tenido lugar y la variación 
de la composición del destilado a lo largo del proceso. Indicar en el 
diagrama las sucesivas etapas de evaporación y condensación. 
d) Se dispone de una mezcla de un 50% en moles de tolueno a 92 ºC 
(punto A): 
 - ¿Cuántas fases hay y cuáles son? 
 - ¿Qué composición tiene cada una de ellas? 
 - ¿Qué porcentaje hay de cada una de las fases? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
254 EXÁMENES RESUELTOS DE QUÍMICA BÁSICACAPÍTULO 3 
 248 
Datos 
En el problema se presenta el diagrama de fases (temperatura frente a 
fracción molar) de la mezcla binaria tetracloruro de carbono – tolueno a 
presión atmosférica. En dicho diagrama se muestran: 
• Las curvas de vaporización y condensación. 
• La zona delimitada entre ambas curvas, donde existen dos fases, 
líquido y vapor y las zonas donde todo es vapor y todo es líquido. 
 
Resolución 
a) La sustancia más volátil es aquella que tiene un punto de ebullición 
menor. Por tanto, se debe hallar la temperatura de ebullición para cada uno 
de los componentes que forman la mezcla binaria. 
• Para una fracción molar xtolueno = 0, se tiene tetracloruro de carbono puro. 
En el diagrama se puede leer Tebullición, tetracloruro = 76 ºC. 
• Para una fracción molar xtolueno = 1, se tiene tolueno puro. En el diagrama 
se puede leer Tebullición, tolueno = 110 ºC. 
La sustancia más volátil es el tetracloruro de carbono. 
 
b) Al destilar una mezcla binaria de tolueno y tetracloruro de carbono cuya 
fracción molar de tolueno de 0,8, ésta se calienta (ver la siguiente figura). 
• La temperatura aumenta manteniéndose la composición constante; hasta 
llegar a la curva de vaporización, donde se produce la primera burbuja de 
vapor. La mezcla empieza a evaporarse a una temperatura de ebullición 
de 100 ºC. 
• Para conocer la composición del vapor debe trazarse una recta horizontal, 
ya que el cambio de fase ocurre a temperatura constante. En el punto en 
el que dicha recta corta con la curva de condensación se lee la 
composición de la fase vapor: xtolueno= 0,62 y xtetracloruro= 0,38. 
• El vapor obtenido se condensa, mediante el descenso de la temperatura y 
a una composición constante, hasta que la recta vertical trazada corte con 
la curva de vaporización. La composición del líquido es, la misma que la 
del vapor xtolueno = 0,62 y xtetracloruro = 0,38. 
• Si se evapora la mezcla líquida, para conocer la composición de la fase 
vapor se traza una recta horizontal a temperatura constante. En el punto 
en el que corta con la curva de condensación se lee la composición de la 
fase vapor: xtolueno = 0,42 y xtetracloruro = 0,58. 
 EXÁMENES RESUELTOS DE QUÍMICA 255 SEPTIEMBRE 2009 
 
 249
c) El proceso que ocurre es la destilación fraccionada. El destilado 
recogido se va enriqueciendo en el componente más volátil, el tetracloruro 
de carbono, y el residuo se enriquece en el componente menos volátil, el 
tolueno. 
 
En la figura se indican las dos etapas de evaporación y condensación del 
apartado b); así como las etapas sucesivas para, finalmente, obtener un 
destilado que contiene un 100% de tetracloruro de carbono. 
 
 
d) La mezcla que contiene una fracción molar de tolueno de 0,5 a 92 ºC se 
encuentra en la zona delimitada por las curvas de vaporización y 
condensación, por lo que podemos encontrar dos fases: líquido y vapor 
(ver figura). 
• Para hallar la composición de cada fase se traza una recta horizontal: 
La composición de la fase líquida: xtolueno = 0,38; xtetracloruro = 0,62. 
La composición de la fase vapor: xtolueno = 0,60; xtetracloruro = 0,40. 
• Para encontrar qué porcentaje hay de cada una de las fases se aplica la ley 
de la palanca: 
 
vapor mezcla
vapor líquido
x - x 0,50 - 0,38= ·100= ·100 =
x - x 0,60 - 0,38
L 54,5% 
 
El 54,5% es líquido de composición xtolueno = 0,38. 
El 45,5% es vapor de composición xmetanol = 0,60. También puede 
calcularse: