Presión de vapor de los líquidos

Ecuación de Clausius-Clapeyron. Calor de vaporización. Punto de ebullición. Destilación a presión reducida

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

    • Determinar la presión de vapor de un líquido puro a diferentes temperaturas.

    • Calcular el calor de vaporización empleando la ecuación de Clausius-Clapeyron.

    • Observar como varía la presión de vapor de un líquido problema a medida que cambia la temperatura.

    • Comprobar que un líquido problema cumple la ecuación de Clausius-Clapeyron a partir de un gráfico de Ln P vs. 1/T.

    • Calcular el calor de vaporización de un líquido que cumple la ecuación de Clausius-Clapeyron.

    • Investigar una manera diferente a la utilizada durante la práctica de laboratorio para medir la presión de vapor de un líquido usando el mismo equipo (isoteniscopio).

    • Consultar la definición del punto de ebullición de un líquido.

    • Analizar porqué en una olla a presión los alimentos se cuecen más rápidamente que en una olla corriente.

    • A partir de lo observado en la práctica explicar porque los astronautas deben presurisar sus trajes espaciales.

    • Consultar en qué consiste la destilación a presión reducida.


  • DATOS Y OBSERVACIONES

  • El líquido problema es uno de los siguientes: etanol, metanol o acetona; a partir del valor que se calcule de calor de vaporización se podrá concluir cual de los tres líquidos fue el que se utilizó durante la práctica. El isotenescopio consta de un bulbo portamuestra A, lleno un poco más de la mitad con el líquido problema, y un manómetro B, formado por un tubo en U bajo dos pequeños bulbos, que contienen también líquido problema, este manómetro permite determinar en que momento la presión en el bulbo A es igual a la presión del sistema, lo cual se consigue cuando los niveles del líquido en los dos bulbos del manómetro B son exactamente iguales. En estas condiciones las presiones en ambos lados del manómetro son iguales, lo cual implica que la presión del vapor en A debe ser igual a la presión exterior, la cual se lee con un manómetro de mércurio que se encuentra conectado al sistema.

    En el experimento es necesario modificar la presión del sistema a valores menores que la presión atmosférica; para esto se empleó una bomba de vacio conectada al sistema y operando una llave de triple paso; esta llave de triple paso y esta bomba de vacío deben manejarse de tal forma que el nivel de mercurio en el manómetro suba en cada medición aproximadamente 2 cms.

    Para medir los valores de presión a diferentes temperaturas el procedimiento fue el siguiente:

  • Ajustar la presión del sistema a la atmosférica mediante la llave de triple paso. Poner en circulación el agua para refrigerar el condensador.

  • Encender el calentador. A medida que líquido problema se calienta observar el burbujeo


  • del bulbo hacia el condensador. Mantener el calentamiento hasta cuando el vapor condensado se devuelva hacia el manómetro B.

  • Apagar el calentador. Observar con atención el momento en que los niveles del líquido en ambas ramas del manómetro B sean iguales; en ese momento se anotan la temperatura y la diferencia de altura de los niveles de mercurio en el manómetro de mercurio (en este caso la diferencia de alturas debe ser igual a 0 porque el sistema se encuentra a la presión atmosférica.

  • Proceder a disminuir, lo más pronto posible, la presión del sistema, evitando el burbujeo de líquido problema desde el manómetro B hacia el bulbo A (es posible que esta sea una causa de error para nuestros resultados, debido a que en varias ocasiones se presentó este burbujeo, por lo que fue necesario esperar a que el sistema se equilibrara nuevamente). Al disminuir la presión, observar nuevamente el burbujeo del bulbo hacia el condensador. Agitar continuamente el baño y cuando se igualen los niveles en el manómetro B, anotar la temperatura y la diferencia en los niveles de mercurio en el manómetro de mercurio. Así se obtiene la segunda lectura de presión de vapor.

  • Este procedimiento se repite hasta obtener 9 mediciones, las cuales se resumen en el siguiente cuadro:

  • Temperatura (K)

     Altura (mm.)

    346.0

    0.0

    343.0

    50.0

    341.0

    95.0

    340.0

    141.0

    337.5

    173.0

    337.0

    188.0

    336.0

    188.0

    335.0

    210.0

    334.8

    220.0


  • CÁLCULOS

  • Determinar la presión de vapor del líquido a las diferentes temperaturas.

  • Como durante la práctica se trabajó con un manómetro de mercurio, las diferencias en las alturas pueden ser dadas en milímetros de mercurio (mmHg).

    La fórmula para calcular la presión de vapor es la siguiente:

    Presión de Vapor = Presión Barométrica - Presión Manométrica

    La presión barómetrica en Medellín es aproximadamente de 640.0 mmHg; entonces, para la primera lectura realizada en el laboratorio se tienen que:

    Presión de Vapor = 640.0 mmHg - 0.0 mmHg = 640.0 mmHg

    Para la segunda lectura dicho valor será:

    Presión de Vapor = 640.0 mmHg - 50.0 m,mHg = 590 mmHg

    Así sucesivamente se pueden calcular las presiones de vapor a las diferentes temperaturas. Los resultados obtenidos se muestran en la siguiente tabla:


    Temperatura (K)

    Presión de Vapor (mmHg)

    346.0

    640.0

    343.0

    590.0

    341.0

    545.0

    340.0

    499.0

    337.5

    467.0

    337.0

    452.0

    336.0

    452.0

    335.0

    430.0

    334.8

    420.0

  • Elaborar una tabla que contenga los siguientes datos: T en K, 1/T, P en mmHg y Ln P.

  • T (K)

    1/T

    P (mmHg)

    Ln P

    346.0

    2.89 * 10-3

    640

    6.4615

    343.0

    2.91 * 10-3

    590

    6.3801

    341.0

    2.93 * 10-3

    545

    6.3001

    340.0

    2.94 * 10-3

    499

    6.2126

    337.5

    2.96 * 10-3

    467

    6.1463

    337.0

    2.97 * 10-3

    452

    6.1137

    336.0

    2.98 * 10-3

    452

    6.1137

    335.0

    2.98 * 10-3

    430

    6.0638

    334.8

    2.99 * 10-3

    420

    6.0402

  • Comprobar que el líquido cumple la ecuación de Clausius-Clapeyron realizando un gráfico de Ln P vs. 1/T.

  • La ecuación de Clausius-Clapeyron ya integrada es la siguiente:

    Ln P = (-Hvap / RT) + C

    Si el líquido cumple la ecuación de Clausius Clapeyron, al graficar Ln P vs. 1/T se debe obtener una línea recta de pendiente negativa. A continuación se presenta una gráfica con los datos obtenidos durante la práctica; estos datos no quedan todos contenidos sobre una línea recta, por lo que la gráfica presenta una recta por dispersión que se aproxima a la realidad para que el líquido problema trabajado durante la práctica cumpla con la ecuación de Clausius-Clapeyron:


    Presión de vapor de los líquidos


  • Si el líquido cumple la ecuación de Clauisius-Clapeyron, hallar su calor de vaporización. Explicar el cálculo.

  • Como ya se dijo, la ecuación de Clausius-Clapeyron ya integrada es:

    Ln P = (-Hvap / RT) + C

    donde la pendiente m está dada por -Hvap / R y C es el intercepto. En la gráfica realizada en el numeral anterior el programa Excel presentó la siguiente ecuación para la linea recta que representa los valores obtenidos durante la práctca; dicha ecuación fue la siguiente:

    Y = -4205.4X + 18.61

    donde y el eje Y representa Ln P y el eje X respresenta 1/T. Por lo tanto, de esta ecuación se determina la pendiente m de la gráfica:

    m = -4205.4 K (las unidades deben ser K porque 1/T esta en 1/K)

    m = -Hvap / R

    -4205.4 K = -Hvap / (1.98 cal/mol K)

    Hvap = 8326.7 cal/mol

  • 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.

  • Como se dijo en los datos y observaciones, los posibles líquidos problema utilizados en la realización de la práctica fueron el metanol, el etanol y la acetona. Los valores del calor de vaporización teóricos de cada uno de estos líquidos son los siguientes:

    Metanol = 8978.8 cal/mol

    Etanol = 9673.9 cal/mol

    Acetona = 7641.5 cal/mol

    Como se observa, el valor obtenido durante la práctica para el calor de vaporización es un valor intermedio entre el correspondiente al del metanol y al de la acetona. Por lo tanto, con los resultados obtenidos no es posible concluir con cual líquido fue que se trabajó exactamente durante la práctica, es posible que haya sido con el metanol o con la acetona.

    Si asumimos que el líquido problema utilizado fue el metanol, obtendríamos el siguiente porcentaje de error:

    % error = [(8978.8 - 8326.7) / 8978.8] * 100 = 7.3 %

    Y si asumimos que el líquido problema utilizado en la práctica de laboratorio fue la acetona, tendriamos un porcentaje de error de:

    % error = [(7641.5 - 8326.7) / 7641.5] * 100 = 8.9 %


  • ANÁLISIS DE CÁLCULOS Y RESULTADOS

  • Como se observa en la realización de los cálculos, estos dependen de los valores de temperatura y de las diferencias de altura en el mercurio medidos durante la práctica de laboratorio. Si estos datos no fueron tomados con suficiente precisión, los resultados obtenidos en los cálculos no serán muy precisos. A partir de estos datos se deben calcular la presión de vapor a diferentes temperaturas y además se debe completar un cuadro que incluya la temperatura, la presión de vapor, el inverso de la temperatura (1/T) y el logaritmo natural de la presión de vapor (la temperatura y la presión debían estar en K y mmHg respectivamente). A partir de estos datos se construyó un gráfico de 1/T vs. Ln P. Los datos obtenidos no quedaban todos representados por una línea recta, pero se observó que tendían a ella, por lo que se trazó una línea de dispersión mediante el programa Excel. El mismo programa suministró una ecuación para la recta, de la cual se obtuvo el valor de la pendiente (que era negativa), el cual se utilizó para calcular el calor de vaporización de la muestra problema, mediante la siguiente ecuación:

    m = -Hvap. / R

    donde m es la pendiente de la recta y R la constante de los gases. Con este valor experimental del calor de vaporización para la muestra problema, procedimos a compararlo con los valores teóricos del calor de vaporización del metanol, etanol y acetona, posibles muestras problemas. El valor que más se aproximó fue el del metanol, con el cual se obtuvo un menor porcentaje de error que con la acetona, la cual también tuvo un valor aproximado


    al obtenido durante la práctica. Por lo tanto, asumimos que la muestra problema era metanol, con un porcentaje de error para el valor de su calor de vaporización de 1.16%. Este porcentaje de error pudo deberse a una de las siguientes causas de error:

    • En varias ocasiones la muestra problema comenzó a burbujear en sentido del manómetro B al bulbo portamuestra A, por lo que hubo que esperar a que este se estabilizara nuevamente, mientras que la temperatura seguía disminuyendo.

    • Es posible que existieran impresisiones en el ojo humano y en la persona que marcaba la posición del mercurio

    • Las lecturas de la temperatura pudieron no ser muy precisas debido a fallas del ojo.


  • SOLUCIÓN AL CUESTIONARIO

  • Explicar, con éste mismo equipo, de que otra forma se podría hallar la presión de vapor del líquido problema.

  • El montaje que se debe realizar es el mismo que se hizo para la práctica de laboratorio. Se colocan aproximadamente 20 mls. del líquido problema o que va a ser sometido a calentamiento en el erlenmeyer. Se procede a calentar el erlemeyer mediante el baño de María, tal como se realizó durante la práctica, hasta observar un aumento en la temperatura de aproximadamente 2ºC y luego se lee el desnivel de las dos ramas del manómetro de mercurio, realizando este mismo proceso en varias ocasiones. Se debe tener en cuenta que el manómetro debe tener un brazo abierto a la atmósfera y el otro debe estar conectado al sistema que contiene el líquido problema cuya presión queremos medir.

    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 líquido?

  • El punto de ebullición de un líquido a una presión dada P, es la temperatura a la que la presión de vapor de equilibrio se iguala a la presión P. El punto de ebullición normal es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es 1 atm.


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

  • En una olla a presión los alimentos están recibiendo un calor externo debido a que están siendo calentados por el fogón; pero como el sistema se encuentra a presión, el vapor generado en el interior de la olla aumenta, pues no tiene como escapar, y a medida que la presión aumenta, la temperatura en el interior de la olla también aumenta. Es decir, en una olla a presión, los alimentos reciben calor del exterior debido al fogón, y reciben también calor del interior de la olla debido a la alta presión de vapor que se crea en su interior. Es por esto que en una olla a presión los alimentos se cuecen más rápidamente que en una olla corriente, pues en esta última, la única fuente de calor es el fogón.

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

  • El cuerpo humano esta diseñado para soportar una presión específica; sin esta presión nuestros órganos podrían explotar o seriamos “succionados” por el vacío. Por esto, los astronautas deben presurisar sus trajes, pues en el espacio como es vacío no existe presión, por lo que los astronautas deben crear unas condiciones de presión que se asemejen a las de la realidad para evitar sufrir daños en sus órganos debidos a cambios de presión.

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

  • Explicar en qué consiste la destilación a presión reducida.

  • La presión reducida es el cociente entre la presión y la presión a condiciones críticas. Dentro de la destilación, esta presión reducida permite observar el efecto de la presión sobre la entalpía.

    Presión Reducida = (Presión de la sustancia) / (presión crítica)

    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.

    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

    • Se pudo observar que a medida que la temperatura disminuye, la presión de vapor de un líquido también disminuye, es decir, existe una relación directa entre el cambio de la temperatura y el cambio en la presión de vapor de un líquido.

    • Si los datos obtenidos al representarlos en una gráfica de 1/T vs. Ln P quedan bien representados por una línea recta de pendiente negativa, se dice que cumplen la ecuación de Clausius-Clapeyron.

    • A partir de la ecuación de Clausius-Clapeyron se puede calcular el calor de vaporización de un líquido mediante la ecuación m = -Hvap. / R.

    • Una manera diferente a la utilizada durante la práctica de laboratorio de obtener la presión de vapor de un líquido usando el isotenescopio es realizando el mismo montaje y observar los cambios en las ramas del manómetro de mercurio, cada que se presenten cambios en la temperatura de aproximadamente 2°C.

    • El punto de ebullición de un líquido a una presión dada P, es la temperatura a la que la presión de vapor de equilibrio se iguala a la presión P.

    • El punto de ebullición normal es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es 1 atm.

    • Los alimentos se cocinan mucho más rápido en una olla a presión que en una olla normal debido a que reciben tanto calor del exterior mediante el fogón, como calor del interior por el aumento de presión debido al diseño de sistema cerrado de la olla.

    • Los astronautas deben presurisar sus trajes para evitar que sus órganos exploten al salir de la atmósfera por el cambio de presión, ya que en el espacio sólo hay vacío, no existe


    presión.

    • Generalmente, la destilación a presión reducida es empleada en 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.


  • BIBLIOGRAFÍA

    • CASTELLAN, Gilbert W. Fisicoquímica, segunda edición. México: Fondo Educativo

    Interamericano S.A., 1974. Pág. 785.

    • DILLARD, Clyde y GOLDBERG, David. Química : reacciones, estructuras, propiedades. México: Fondo Educativo Interamericano S.A., 1977. Pág. 414-415.

    • WHITTEN, Kenneth y GAILEY, Kenneth. Química General. México: Editorial Interamericana, 1985. Pág. 235.