Determinación de la presión de vapor de un líquido puro

Química. Temperatura de líquidos. Punto de ebullición. Entalpía

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RESUMEN

El propósito de este experimento fue el de determinar la presión de vapor de un líquido puro a diferentes temperaturas de ebullición, modificando la presión del sistema.

Para la determinación de la presión de vapor se utilizo un recipiente que sirvió de amortiguador, al cual estaban conectadas tres mangueras de látex, una de ellas se conectó a la bomba de vacío y la otra se conectó al manómetro de mercurio, así también se usó un matraz de dos bocas el cual contenía al liquido en estudio, (en este caso se utilizo agua ) y sostenía el termómetro y a el refrigerante el cual es similar a la bureta para gases, solo que en su interior contiene un tubo en forma de serpentinero el cual se conectó al recipiente amortiguador.

Primero se mantuvo una presión constante en el manómetro de mercurio, una vez logrado este punto se comenzó el calentamiento del agua , observando el instante en que el agua empezó a hervir ( punto de ebullición ) tomando la lectura de la temperatura y de la diferencia entre las columnas de mercurio, después de esto se varó a la presión en 5 cm y se repitió la toma de la temperatura en el instante en que el agua llegó a su punto de ebullición este procedimiento se realizo hasta que en el manómetro las dos columnas de mercurio tuvieron la misma altura.

OBJETIVOS

- Determinar experimentalmente la presión de vapor de los líquidos puros a distintas temperaturas de ebullición, modificando la presión del sistema.

- Determinar la relación existente entre la presión de vapor y la temperatura de los líquidos puros.

INTRODUCCION TEORICA

LA PRESION DE VAPOR DE LOS LIQUIDOS

Esta presión es conocida como presión saturada de vapor del liquido correspondiente. En tanto se mantiene esta, el liquido no exhibe mas tendencia a evaporarse, pero a una presión menor hay una nueva trasformación hacia la fase de gas, y otra mas elevada se verifica una condensación, hasta restablecer la presión de equilibrio.

Para un liquido cualquiera la vaporización va acompañada de absorción de calor y la cantidad de este, para una temperatura y presión dadas, requeridas para calentar cierto peso de liquido se conoce con el nombre de calor de vaporización y es la diferencia de entalpia de vapor y liquido, esto es, Hv = Hr - Hl, donde Hv es el calor de vaporización y Hr y Hl las entalpias de vapor y de liquido.

En una evaporización Hv es positiva siempre, mientras que en una condensación es negativa y numéricamente igual al calor absorbido en la vaporización. Como cabe esperar la definición de H; Hv es la diferencia entre la energía interna del vapor y del liquido Ev = Ev -El y el trabajo de expansión en el cambio de fase; es decir

Hv = Ev + P Vv

donde P es la presión de vapor y Vv = Vv - V l

Hay varios procedimientos de medir la presión de vapor de un liquido que se clasifican en estáticos y dinámicos. En los primeros se deja que el liquido establesca su presión de vapor sin que haya ningún disturbio, mientras que en los dinámicos el liquido hierve o se hace pasar una corriente inerte de gas a través del mismo.

La linea de separación entre esos métodos no es muy clara siempre, y un procedimiento particular es a veces, una combinación de los dos.

La presión ejercida por las moléculas de vapor en equilibrio con el liquido a una determinada temperatura se llama presión de vapor del liquido. La presión de vapor depende de la temperatura y de la clase del liquido, puesto que depende de la naturaleza de las interacciones entre las moléculas de la sustancia ; un compuesto como el agua tiene una presión de vapor mas baja que el éter porque las moléculas de agua tienen fuerzas de atracción intermolecular mayores que las moléculas del éter.

PUNTO DE EBULLICION

Se define punto de ebullición de un liquido como la temperatura a la cual la presión del vapor es igual a la presión externa. Cuando se aplica calor a un liquido, su presión de vapor aumenta hasta hacerse igual a la presión atmosférica. El punto de ebullición varia con la presión externa que existe por encima de la superficie del liquido. Al descender la presión, el punto de ebullición disminuye; un aumento en la presión aumenta el punto de ebullición.

VARIACION DE LA PRESION DE VAPOR CON LA TEMPERATURA

La presión de vapor de un liquido, es constante a una temperatura dada, pero aumenta si lo hace la temperatura hasta el punto critico del liquido.

Es fácil de comprender el aumento de la presión de vapor teniendo en cuenta la teoría cinética. Al aumentar la temperatura es mayor la porción de moléculas que adquieren la energía suficiente para escapar de la fase liquida, y en consecuencia se precisa mayor presión para establecer un equilibrio entre el vapor y el liquido. Por encima de la temperatura critica la tendencia de escape de las moléculas es tan elevada que ninguna presión aplicada es suficiente para mantenerlas unidas en el estado liquido, y toda la masa persistente como gas.

La siguiente figura nos muestra como varia la presión de vapor con la temperatura.

Hay un acensuó lento a bajas temperaturas, y luego uno muy rápido como puede observarse como aumento de la pendiente de las curvas. Esta variación de la presión de vapor con la temperatura se expresa matemáticamente con la ecuación de Clausius-Clapeyron. Para la transición de líquidos a vapor P es la presión a la temperatura T, H= Hv el calor de vaporización de un peso dado de liquido, y V1 = V l el volumen del liquido, mientras que V2 = V g es el volumen del mismo pero de vapor. En consecuencia, para la vaporización la ecuación de Clausius-Clapeiron puede escribirse así:

dP/dT = Hv / T ( V g - V l )

A temperatura no muy próxima a la critica V l es muy pequeña comparada con V g y puede despreciarse. Así a 100ºC, Vg del agua es 1671 cc por gramo, mientras que Vi es solo 1.04 cc por gramo. Ademas si suponemos que el vapor se comporta esencialmente como un gas ideal, entonces Vg por mol viene dada por V g = RT/ P y la ecuación anterior se transforma en :

d ln P / dT = Hv / RT2

Esta ecuación es conocida como ecuación de Clausius-Clapeyron.

Integrando esta nos queda de la siguiente forma:

Log10 P = - Hv / 2.303 R ( 1/ T ) + C

Ademas comparamos la ecuación con la de una linea recta y= mx + b, sugiere que si Log10 P para un liquido se gráfica contra 1 / T, la gráfica debe ser una linea recta con :

PENDIENTE

m = (- Hv / 2.303 R)

INTERSECCION

b = C

De las pendientes de las lineas, se deducen los calores de vaporización de diversos líquidos, así:

pendiente = m = - Hv / 2.303 R

y por lo tanto

Hv = - 2.303 R m = - 4.576m cal mol-1

ENTALPIA. La mayoría de los procesos físicos y químicos tienen lugar a presión constante y no a volumen constante. Esto es cierto, por ejemplo en el proceso de vaporización, la energía interna E se puede usar efectivamente en procesos a volumen constante, encontraremos muy conveniente en los cambios a presión constante emplear otra función termodinámica. Al igual que la energía interna no podemos establecer el valor absoluto de la entalpia para un cierto sistema aunque al igual que con E, es la magnitud delta, la diferencia de valores H, la que es importante al igual que la energía interna, la entalpia de un sistema depende exclusivamente de su estado y no de su historia anterior.

MATERIAL UTILIZADO

  • Recipiente de ebullición.

  • Mechero o mantilla calefactora.

  • Termómetro de 0-100 ºc.

  • Refrigerante recto o equivalente.

  • Frasco de dos a tres litros, de pared gruesa y boca ancha.

  • Mercurio para manómetro.

  • Bomba de vacío.

  • DESARROLLO

    1.- Se instalo el aparato como se muestra en la figura.

    2.- Se lleno con una cuarta parte del volumen del matraz de dos bocas, con el liquido en estudio ( agua ).

    3.- Se verifico que el aparato no presentara fugas, abriendo la válvula que comunica con la bomba de vacío y cerrando la válvula de venteo. En la cual se observo que la presión se mantenía constante.

    4.- Se fijo un vacío el cual fue controlado con la válvula de venteo a una presión de 22 mm Hg.

    5.- Se calentó el agua , controlando el calentamiento de tal forma que la ebullición fuese moderada.

    6.- Se anoto la temperatura de ebullición y se midió la diferencia de alturas entre las dos ramas del manómetro.

    7.- Se modifico la presión del sistema abriendo la válvula de venteo, hasta establecer una nueva presión que puede ser 5 cm de mercurio mayor que la anterior. Las cuales posteriormente se describen las diferentes temperaturas y presiones.

    8.- Se realizo así el experimento hasta que se alcanzo una diferencia de alturas en las ramas del manómetro igual a cero, es decir que la presión absoluta sea igual a la atmosférica.

    CUESTIONARIO

    1.- Construya una gráfica de presión (mm Hg) contra temperatura en ( ºK ).

    DATOS OBTENIDOS EN EL EXPERIMENTO

    P vacío

    T ºC

    563

    30

    507

    44

    449

    57

    375

    66

    283

    75

    125

    86

    76

    90

    65

    91

    54

    91

    30

    92

    14

    93

    PABSOLUTA = PATMOSFERICA - PVACIO

    PATM = 585 mmHg

    PVACIO = ES LA LEIDA EN EL MANOMETRO.

    REALISANDO LAS CONVERSIONES LOS DATOS SON:

    PABSOLUTA

    T ( ºk )

    22

    303

    78

    317

    136

    330

    210

    339

    302

    348

    460

    359

    509

    363

    520

    364

    531

    364

    555

    365

    571

    366