DETERMINATION OF PHASE DIAGRAM FOR ETHANOL/TOLUENE/WATER SYSTEM

DATE OF EXPERIMENT: 7/12 /2016

PRACTICAL 3 (A)

TITLE: DETERMINATION OF PHASE DIAGRAM FOR ETHANOL/TOLUENE/WATER SYSTEM

OBJECTIVE:

To determine the phase diagram for ethanol/toluene/water system

INTRODUCTION:

For three-component systems at constant temperature and pressure, the compositions may be stated in the form of coordinates for a triangular diagram.

Figure 1: Ternary Phase Diagram

      All compositions, e.g., bulk compositions, liquid compositions, compositions of solid phases, on ternary diagrams are expressed in terms of the three end member components which define the system. These three components are located at the apices of the triangle. Each apex on the triangle representing the ternary system represents 100% of the component at that apex. The side of the triangle, directly opposite the apex, represents 0% of the apex component. Compositions of points which lie along the outside edge of the triangle are simply a mixture of the two components at each end of the tie line, with 0% of the third component. Meanwhile, each side represents two-component mixtures and within the triangular itself represents ternary components .Any line parallel to a side of the triangular diagram shows constant percentage value for a component. For example, DE shows 20% of A with varying amounts of B and C. So does line FG, showing all mixtures containing 50% of B .These lines intercept with each other at K , which definitely contains 20% A, 50% B as well as 30% C . Measurements can be made this way because in a triangular diagram, the sum of all distances from K which is drawn parallel to the three sides of the diagram is same and equals to the length of any side of the triangular diagram.

   The addition of a third component to a pair of miscible liquids can change their mutual solubility. If third component is more soluble in one of the two different components the mutual solubility of the liquid pair is decreased. However, if it is soluble in both of the liquids, the mutual solubility is increased. Thus, when ethanol is added to a mixture of benzene and water, the mutual solubility of the liquid pair increased until it reached a point whereby the mixture become homogenous. This approach is used in the formulation of solutions. Examples of three-component systems that has been studied include castor oil/alcohol/water; peppermint oil/propylene glycol/water; peppermint oil/polyethyl glycol/water. The benefits of preparing an oily substance as homogenous water in liquid are already clear. However, what will happen to a system like this when it is diluted should also be known and this can be explained through the understanding of the triangular phase diagram.

APPARATUS AND MATERIALS:

Conical flask

Retort stand and clamp 

Burette 

Dropper 

Measuring cylinder

Chemicals;

Ethanol 

Toluene

Distilled water

PROCEDURES:

1.Mixture of ethanol and toluene with different compositions are prepared in sealed conical flasks.

2. Each conical flasks are labeled with A,B,C,D,E,F,G and H and each of it are filled with different percentage of ethanol ;

 A: 10%    E: 65%

 B: 25%    F: 75%

 C: 35%    G: 90%

 D: 50%    H: 95%

3. 20 ml of each mixture are prepared in the conical flasks by filling a certain volume (accurately).

4. The burette was filled with distilled water.

5. Each conical flask are titrated with the distilled water and swirled until cloudiness is observed.

7. The volume of distilled water used until the mixture turned cloudy is measured and recorded.

8. Steps 1-7 are repeated for the second titration .The volumes of distilled water used to complete each titration are recorded in a table (Table 1).

9. The average volume of distilled water used is calculated in ml.

10. The percentage based on the volume of each of the component when the second phase started to appear is calculated.

11. The points are plotted onto a triangular paper to give a triple phase diagram at the recorded temperature. 

RESULTS AND CALCULATIONS:

Result:

Percentage of ethanol (% )	Volume of distilled water used (ml)		Average of distilled water used (ml)
	Titration I	Titration II
10	0.8	0.9	0.85
25	1.0	1.1	1.05
35	1.2	1.2	1.2
50	1.5	1.4	1.45
65	2.4	2.6	2.50
75	3.8	4.0	3.90
90	9.2	9.4	9.30
95	15.0	11.2	13.10

Calculation:

Total volume(ml)	Volume of water(ml)	% of water	Volume of toluene(ml)	% of toluene	Volume of ethanol(ml)	% of ethanol
20.85	0.85	4.08	18	86.33	2	9.59
21.05	1.05	4.99	15	71.26	5	23.75
21.20	1.20	5.66	13	61.32	7	33.02
21.45	1.45	6.76	10	46.62	10	46.62
22.50	2.50	11.11	7	31.11	13	57.78
23.90	3.90	16.32	5	20.92	15	62.76
29.30	9.30	31.74	2	6.83	18	61.43
33.10	3.10	39.58	1	3.02	19	57.40

DISCUSSION:

The phase of three component system of ethanol, toluene and water system can be determined by using ternary phase diagram. This type of diagram is three dimensional but is illustrated in two dimensions for ease of drawing and reading. Instead of being of rectangle plot, it is a triangle and called triangular diagram. 

Water and toluene are usually form a two-phase system because they are slightly miscible. The heavier of the two phases consists of water saturated with toluene, while the lighter phase is toluene saturated with water. However, ethanol is completely miscible with both toluene and water. Therefore, sufficient amount of ethanol is added to the toluene water system will produced a single liquid phase in which all three components are miscible and mixture is homogenous. 

The curve of the plotted graph is termed a binodal curve or binodal. The region bounded by this curve, which is marked A, represent the two-phase region. Mixture with composition contained within region A are cloudy in appearance due to the phase separation. In other words, the amount of ethanol is not sufficient for homogenous mixture to be produced. The region of the graph that is not bounded by the binodal curve represents the one–phase region. It is marked B on the diagram. Mixture with composition that falls into this region is clear and they are homogenous. For these mixtures, the amount of ethanol is sufficient to produce a single liquid. 

The points that are at both ends of the curve are the limits of solubility of toluene in water and water in toluene. Along the toluene-water line, which represents a binary mixture of toluene and water, the liquids are able to form a homogenous mixture as long as the first point is not exceeded. However, the second point must be exceeded for a homogenous mixture to be formed. The length of line between the two points represents the mixture of toluene and water with such composition that they cannot form a homogenous mixture. This may be due to insolubility of toluene in water or water in toluene.

In this experiment, some errors may be happened and influence the accuracy of the result formed. Our eyes must be parallel to the meniscus position when taking reading on burette or pipette. It can make sure the volume taken and recorded is accurate. Besides, the conical flask must be well shake after each addition of water. Furthermore, judgement of the cloudy solution formed depends on personal judgement. Hence, different group may vary in results Thus, precautions should be taken to minimize it.

CONCLUSION:

Ethanol, toluene and water system is a ternary system with one pair of partially miscible liquid (toluene and water). Phase diagram for ternary systems-ethanol, toluene, water system is represented using a triangle. As having higher percentage of toluene in the mixture than ethanol, little water is needed to disrupt the homogeneity, water and toluene will form two-phase system because they are only slightly miscible. As higher percentage of ethanol in the mixture than toluene, the volume of water needed to titrate the mixture until cloudiness is observed is higher, ethanol and water will miscible with both toluene and water.

REFERENCE(S):

1.      Physicochemical Principles of Pharmacy, 3rd edition (1998). A.T. Florence and D.Attwood. Macmillan Press Ltd.

2.      Physical Pharmacy: Physical Chemistry Principles in Pharmaceutical Sciences, by Martin, A.N.

3.      http://www.chemguide.co.uk/physical/phaseeqia/phasediags.html

QUESTIONS:

1. Does a mixture containing 70% ethanol, 20% water and 10% toluene (volume) appear clear or does it form two phases?

The solution is appeared clear, at these concentrations, showing them appear as one liquid phase.

2. What will happen if you dilute 1 part of the mixture with 4 parts of (a) water; (b) toluene; (c) ethanol?

(a)    Water

         The solution appeared in two layers as there are two phases formed.

(b)    Toluene

         The solution appeared in two layers as there are two phases formed.

(c)   Ethanol

           The solution appeared in one layer as there is only single phase formed.