Presión de vapor de los líquidos

Calor de vaporización. Ecuación de Clausius-Clapeyron. Tensión de vapor. Energía libre

  • Enviado por: Andrés Restrepo
  • Idioma: castellano
  • País: Colombia Colombia
  • 12 páginas
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  • OBJETIVOS

  • Determinar la presión de vapor de un liquido puro a diferentes temperaturas. Calcular el calor de vaporización de la ecuación de Clausius - Clapeyron.

  • Analizar el efecto que produce la temperatura sobre los líquidos y como la Ecuación de Clausius - Clapeyron la expresa cuantitativamente.

  • Aprender el manejo del isoteniscopio, su utilidad y la precisión requerida para el manejo de la llave de triple brazo.

  • Comprender la forma como a partir de la ecuación de Clausius también podemos calcular las tensiones de vapor para pequeños intervalos de temperatura y como se puede aplicar igualmente para los sólidos.

  • Analizar el por que se da que la energía libre (G) es igual para todas las fases que se puedan presentar dentro de un sistema en equilibrio.

  • Entender el estudio de los fenómenos fisicoquímicos como una relación entre los efectos entre la interacción molecular de la naturaleza del estado líquido.

  • Comprobar el porque para el caso de esta práctica es mucho más apropiado el confiar en los resultados experimentales que poseemos, que en los valores teóricos y tabulados que podamos investigar.

  • DATOS Y RESULTADOS

  • Inicialmente analizamos el sistema para familiarizarnos con los movimientos de la llave de triple brazo, el funcionamiento del isoteniscopio (graduación del calor y de la velocidad de agitación) y del control de manómetro externo de mercurio. Observamos como el mercurio variaba de posición dependiendo de la posición de la llave G.

    Ajustamos el sistema de manera de que la llave G dejara una circulación entre el aire y el sistema, abrimos la canilla a una presión media y constante para mantener refrigerado el condensador.

    Cuando nos encontrábamos a una temperatura inicial de 293ºK encendimos la placa calefactora a un nivel de 8 y un nivel de agitación de 6, vimos coma la temperatura al interior del sistema iba aumentando progresivamente. Al cabo de unos 30 minutos la muestra problema que estaba dentro del sistema se estaba empezando a evaporar ocurriendo esto a una temperatura de 368ºK, y pasados unos segundos se empezó a condensar; el burbujeo empezó a disminuir lenta pero progresivamente, apagamos la placa calefactora y después de unos minutos cuando el termómetro del sistema marcaba 333ºK y el burbujeo había cesado, se estableció un equilibrio dentro del sistema y los niveles del mercurio del manómetro externo no se alteraron.

    Inmediatamente después sin cesar la agitación (un poco mayor para un enfriamiento más rápido) empezamos a permitir una ligera circulación entre el vacío y el sistema y nuevamente empezó el manómetro interior a burbujear de forma rápida y esperamos a que se igualaran de nuevo los niveles de este manómetro para poder realizar las lecturas de la temperatura y de los niveles de mercurio del manómetro exterior; realizamos 11 lecturas.

  • Si el liquido cumple con la ecuación de Clausius - Clapeyron, ¿Hallar su calor de vaporización?. Explicar el cálculo.

  • El liquido problema como se puede apreciar en la gráfica cumple con la ecuación de Clausius; la pendiente que se da es negativa e igual a -3882.6 y el intercepto C = 18.31.

    La formula de la ecuación es Y = -3882.6X + 18.31 o si bien es mejor expresarla en términos de interés:

    Ln P = -3882.6 (1/T) + 18.31

    Para hallar el calor de vaporización ( HVAP) procedemos así:

    • Como ya tenemos la pendiente de la recta, la igualamos a - (H/R) de la ecuación de Clausius, en donde R es un valor de ajuste, el cual hayamos mediante el programa Excel, al igual que la gráfica.

    • Se despeja HVAP, y este es el valor experimental.

  • Calcular el porcentaje de error, en el cálculo del calor de vaporización del líquido problema, consultando su valor teórico. Explicar las posibles causas de error.

  • Resultado Experimental- Resultado Teórico

    % error = --------------------------------------------------------------- * 100

    Teórico

    Valor Teórico: 262.79 cal/gr. (Metanol)

    HVAP = 3746.32 cal/gr

    % error = 1325.6%

    Este resultado resulta demasiado contradictorio teniendo en cuenta que la gráfica corresponde a los valores obtenidos en la practica y que las ecuaciones se encuentran bien desarrolladas.

    Las posibles causas de error para que el calor de vaporización del liquido problema no coincidiera con los valores teóricos son:

    • Falta de conocimiento del isoteniscopio, un equipo totalmente desconocido para nosotros que a pesar de su practicidad era la primera ves que lo manipulábamos.

    • Se pudieron haber presentado errores al momento de determinar las variaciones en los niveles del mercurio en el manómetro exterior, de hecho así ocurrió, por lo que tuvimos que repetir parte del procedimiento.

    • Posibles fugas de agua, vapor y sustancia problema en el empate de las componentes de cristal, pero sobre todo por el deficiente estado de las mangueras de conexión que eran demasiado porosas.

    • Debido a nuestra poca experiencia, se pudieron presentar errores a causa del manejo poco delicado que debía de dársele a la llave de triple brazo, pues el experimento exigía un manejo muy suave de esta llave.

    • El tratar de acelerar el proceso de enfriamiento del sistema, extrayendo agua caliente y agregándole agua fría, lo que pudo haber ocasionado una descompensación en el sistema.

    • Error a causa de la lectura en el papel milimetrado.

    • Al medir la presión y después mirar el descenso en la temperatura, notábamos un leve cambio en los niveles de mercurio del manómetro exterior.

    • El error más posible en el calculo del H pudo haber sido el no haber identificado bien la sustancia problema o un error en el manejo de las unidades.

  • ANALIS DE RESULTADOS

  • Al momento de aumentar la temperatura dentro del sistema la presión del vapor en equilibrio fue aumentando, a medida que aumentaba se hacia mayor a la de la presión que se encontraba sobre la superficie de la sustancia problema que se estaba analizando y por esto fue que la vaporización tuvo lugar en los espacios libres que se formaron debajo de la superficie de la sustancia; A esto se debe la formación de las burbujas que en forma rápida y constante empujaron hacia arriba el liquido que iba circulando.

    Cuando pasaron unos segundos y la temperatura alcanzo los 333ºK la sustancia se encontraba en su punto de ebullición; todo este vapor empezó a chocar con las superficies del isoteniscopio aumentando la presión ejercida por el vapor que en este momento se estaba produciendo, en este momento las moléculas atractivas del liquido que se encuentran densamente ligadas atraparon las moléculas de gas.

    Poco a poco la velocidad de condensación se iba igualando a la velocidad de evaporación estableciendo un equilibrio que solo variaba en el momento en el que movíamos la llave de triple brazo, pero que pronto se restablecía.

    En general podríamos resumir la practica en tres partes dada la evaporación de la sustancia dentro de un sistema limitado como el empleado:

  • La parte de vaporización donde el liquido cambio a un estado gaseoso.

  • La parte de la condensación donde el gas que ha sido formado tiende a convertirse de nuevo en liquido.

  • La parte de equilibrio liquido - vapor que gracias a la cantidad de liquido se puede dar, puesto que la velocidad de condensación se iguala a la velocidad de vaporización.

  • A partir de esta ultima parte pudimos interpretar también la dependencia de la presión de vapor con la temperatura.

    Un detalle que podríamos analizar es que en el momento de la vaporización las burbujas de vapor se unirán al gas que hay por encima y cuando el liquido hierve, la vaporización se da tanto en la superficie como en la parte interna del liquido.

    Dentro de las lecturas de esta tabla observamos la constante de que en la medida en que se iba disminuyendo la presión, es decir se permitía mayor circulación entre el vacío y el sistema girando la llave G, la muestra se establecía a menor temperatura y con mayor rapidez. Vimos como el valor de la presión de vapor en el equilibrio dependía del área de liquido que era expuesta al vapor, a medida que aumenta esta área, aumenta también la ganancia de moléculas del liquido.

  • SOLUCIÓN AL CUESTIONARIO

  • Explicar, con este mismo equipo, de que forma se podría hallar la presión de vapor del liquido problema.

  • La presión de vapor del liquido problema se puede evaluar en un recipiente cerrado estableciendo un equilibrio entre las moléculas del estado liquido y las moléculas del estado gaseoso; la presión que es generada por el vapor la podemos cuantificar con el manómetro de mercurio de la parte exterior.

    Para establecer la presión de vapor con el isoteniscopio es necesario manejar un intervalo de presiones comprendido desde unos milímetros de mercurio hasta una atmósfera.

    Se procede a realizar un montaje con las mismas características como el de la práctica. Dentro del erlenmeyer que va ha ser sometido al calentamiento se colocan unos 20 ml del liquido en estudio. Se comienza a calentar el agua con el liquido problema hasta tener un ascenso en la temperatura de 2ºC aproximadamente y luego se lee el desnivel de las dos ramas de manómetro de mercurio, así en varias ocasiones, este manómetro tiene un brazo abierto a la atmósfera y el otro lo dejamos conectado al sistema que contiene el liquido cuya presión queremos medir.

    La dependencia que posee el equilibrio liquido - vapor generado por el sistema con su temperatura se puede calcular a través de las relaciones termodinámicas explicadas en el preinforme de esta misma practica.

    Con este mismo equipo se pueden hallar la presión de varios líquidos, pero para casos donde las presiones de vapor encontradas se acercan a las temperaturas críticas y son de elevado peso molecular se requieren procedimientos especiales.

  • ¿Cómo se define el punto de ebullición de un liquido?

  • Cuando una superficie líquida está expuesta a un espacio en el que la presión total del gas es menor que la presión de vapor en el equilibrio del liquido, se da una vaporización bastante rápida que se conoce como ebullición; está ebullición es el resultado de la formación de pequeños espacios libres dentro del mismo líquido. El punto de ebullición está definido como la temperatura a la que la presión de vapor de un liquido se iguala a la presión total por encima de la superficie; este punto de ebullición depende de la presión total, aumentando a medida que aumenta la presión. Limitándonos a lo netamente teórico, estamos en la capacidad de hacer hervir un líquido a cualquier temperatura, obviamente dentro de un intervalo de existencia del líquido y siempre y cuando se varié suficientemente la presión total sobre la superficie.

    Un punto de ebullición normal esta definido como la temperatura a la que el líquido hierve bajo la presión total de 1.0 atm. Esta es la temperatura a la cual la presión de vapor en equilibrio es igual a 760 mm de mercurio o 1.0 atm.

  • ¿Por qué en una olla a presión los alimentos se cuecen más rápidamente que una olla corriente?

  • Esta olla se comporta como un sistema cerrado, donde al aumentar la temperatura la presión también aumenta, sin presentarse interferencia del medio (presión atmosférica); es decir, solo podrían escapar aquellas moléculas que adquieren cierta cantidad de energía, que es suficiente para superar las fuerzas de atracción de las moléculas vecinas.

  • Relacione los hechos observados en esta práctica, con la necesidad que tienen los astronautas de presurizar sus trajes espaciales.

  • En el espacio los astronautas no se encuentran con la presión atmosférica, se encuentran en el vacío, donde la presión es muy baja (casi nula), ellos deben presurizar sus trajes con el fin de establecer un equilibrio dentro de un sistema cerrado que serian sus trajes, de lo contrario, el vacío iría absorbiéndolos rápidamente.

    Ellos lo que hacen es comprimir el aire al interior de su traje para mantener una presión satisfactoria para su organismo que suele ser similar a la presión que reina en la atmósfera a 2500 m

  • Asumiendo que el calor de vaporización del etanol es constante con la temperatura entre 30 y 75ºC, calcular su calor de vaporización. Consultar los datos requeridos en un Handbook.

  • De acuerdo con las tablas de Presión de Vapor de Chilton, Colburn and Vernon del cual se hace referencia en la bibliografía, tenemos Presión en mm de Hg Vs Temperatura en ºC de forma aproximada, tenemos lo siguiente:

  • Explicar en que consiste la destilación a presión reducida

  • La presión reducida se obtiene de dividir la presión por la presión a condiciones críticas. Dentro de la destilación, esta presión reducida permite observar el efecto de la presión sobre la entalpía.

    Presión de la sustancia, Kg/cm2

    Presión Reducida = -------------------------------------------

    Presión crítica, Kg/cm2

    La destilación a presión reducida se emplea con los hidrocarburos, a los que es necesario conocerles su grado de fugacidad, que esta determinado por una constante K que esta definida para las condiciones en equilibrio como: y = Kx. Estos valores de K se encuentran tabulados para ciertos hidrocarburos, entre ellos el Metano, que gráficamente son valores de K en función de la temperatura, para varias presiones. Este valor de K se desarrolla de una forma exponencial.

    Temperatura. ºC

    Presión. Atmósferas

    K

    90

    3.04

    100

    150

    4.4

    100

    280

    7.8

    100

    290

    11.2

    70

    315.5

    14.6

    50

    Al momento de aumentar la presión, disminuyen las composiciones del vapor y el líquido.

    En general la destilación a presión reducida se emplea para aquellas sustancias en las que se necesita reconocer las limitaciones de la presión a la que hay que realizar la separación de ciertos constituyentes dados en los procesos de destilación.

  • CONCLUSIONES

  • Debido a que la naturaleza de las interacciones entre las moléculas no es fácil de interpretar, el tratamiento teórico en estos estados condensados es menos satisfactorio que el que pudimos realizar durante la práctica.

  • Al momento de realizar un estudio a cerca de la presión de vapor del equilibrio liquido vapor, estamos finalmente relacionándolos con los resultados experimentales que se obtienen, cuando el vapor en equilibrio con el liquido se estudia a una temperatura determinada. Estos valores son importantes al momento de nuestra aplicación teórica de lo aprendido en clase; sin embargo estos valores no tienen una importancia decisiva en las aplicaciones de mayor interés practico de los equilibrios liquido - vapor. Por esta razón se emplea el fijar la presión en un valor constante, y determinar la temperatura a la cual el liquido y el vapor están en equilibrio.

  • Los valores experimentales del equilibrio de evaporación y de presiones de vapor son de gran utilidad en estudio de la destilación. Es por esto que tienen destacado valor los diagramas que muestran no solo la presión de vapor que se encuentra en equilibrio con un liquido, sino también los diagramas cuando se trabajan con disoluciones.

  • El punto de ebullición de un líquido depende de la presión total, aumentando con un aumento en la presión.

  • Vimos como para el experimento cuando la presión variaba y desajustaba el equilibrio existen dentro del sistema, rápidamente se restablecía el equilibrio debido al aumento o disminución de la velocidad de condensación que resulta del cambio de presión.

  • Entendimos que la vaporización relativamente rápida de un liquido se debe a varios factores como la distribución de las burbujas dentro de toda la sustancia.

  • Vimos como la dependencia con la temperatura del equilibrio liquido y su vapor puede calcularse a través de los resultados experimentales y con la ayuda de las relaciones termodinámicas utilizadas para los cálculos; pero así mismo estos cálculos son igualmente aplicables a los equilibrios sólido - vapor y liquido - sólido.

  • BIBLIOGRAFIA

  • Química, Física. Barrow M. Gordon. Segunda edición. Editorial Reverté, S.A. España 1968. Tomo II. Pags 549-555 y 635.

    Principios de los procesos químicos. Hougen, Watson y Ragatz. Editorial Reverté, S.A. España 1972. Tomo I Balances de Materia y Energía. Pags 84-86.