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UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS LABORATORIO DE FISICOQUIMICA

FACULTAD DE QUÍMICA Y FARMACIA EQUILIBRIO LIQUIDO-VAPOR. PRESION DE VAPOR Y ENTALPIA DE VAPORIZACION DEL AGUA Brayan Guio y Linda Luz Flórez. M.Sc Química, Atilano Pastrana M. Universidad del Atlántico, Barranquilla.

RESUMEN En esta práctica, haremos algunos estudios de variables termodinámicas a un gas, utilizando algunas fórmulas propuestas por científicos que hablaron de este tema, trabajaremos con un sistema cerrado, lo cual nos indica que la variable termodinámica que se va a alterar será la de la temperatura ya que se le suministrara energía en forma de calor aumentando la temperatura del sistema y nos variara el volumen del nuestro gas anotando dichas variaciones. Palabras claves: Presión de vapor, Entalpia de vaporización, Temperatura, Volumen, Ecuación de Clausius-Clapeyron. ABSTRACT In this practice, we will do some studies of thermodynamic variables to a gas, using some formulae proposed by scientists who spoke about this topic, will work with a closed system, which indicates us that the thermodynamic variable that is going to be altered will be that of the temperature since energy was supplied him in the shape of heat increasing the temperature of the system and us the volume was changing of our gas annotating the above mentioned variations. Key words: Steam pressure, Enthalpy of vaporization, Temperature, Volume, Clausius-Clapeyron's Equation.

INTRODUCCION En el estudio de las sustancias es de suma importancia tener presente el equilibrio físico y las características termodinámicas que lo definen. Lo cual se refiere a que el sistema y el medio circundante pueden estar en equilibrio

con respecto a una o más variables del sistema, tales como presión (P) y temperatura (T). Un sistema puede estar en equilibrio con el medio con respecto a una sola variable dada; existe solo si la variable no cambia con el tiempo y se tiene el mismo valor en todas las partes del sistema.

La ecuación de Clausius-Clapeyron, se utilizara para la determinación de la presión de vapor y entalpia de vaporización del agua ya que nos permite hacer un análisis del equilibrio entre dos fases de una sustancia pura. Esta ecuación expresa la dependencia cuantitativa de la temperatura de equilibrio con la presión o la variación de la presión de equilibrio con la temperatura. La ley de charles de los gases, explica la relación entre la temperatura y el volumen de un gas cuando la presión es constante; por lo tanto, si la presión aumenta, el volumen del gas aumenta y si la temperatura del gas disminuye, el volumen también disminuirá. Esta ley nos ayuda para la determinación de la fracción del volumen tanto del aire como la de vapor de agua.

MARCO TEORICO LA PRESION DE VAPOR DE LOS LIQUIDOS Esta presión es conocida como presión saturada de vapor del líquido correspondiente. En tanto se mantiene esta, el líquido no exhibe más tendencia a evaporarse, pero a una presión menor hay una nueva trasformación hacia la fase de gas, y otra más elevada se verifica una condensación, hasta restablecer la presión de equilibrio. Para un líquido 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 líquido se conoce con el nombre de calor de vaporización y es la diferencia de entalpia de vapor y líquido, esto es, Hv = Hr - Hl, donde Hv es el calor de vaporización y Hr y Hl las entalpias de vapor y de líquido. 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 líquido 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 líquido que se clasifican en estáticos y dinámicos. En los primeros se deja que el líquido establezca su presión de vapor sin que haya ningún disturbio, mientras que en los dinámicos el líquido hierve o se hace pasar una corriente inerte de gas a través del mismo. La línea 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 líquido a una determinada temperatura se llama presión de vapor del líquido. La presión de vapor depende de la temperatura y de la clase del líquido, 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 más 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 líquido como la temperatura a la cual la presión del vapor es igual a la presión externa. Cuando se aplica calor a un líquido, su presión de vapor aumenta hasta hacerse igual a la presión atmosférica. El punto de ebullición varía con la presión externa que existe por encima de la superficie del líquido. 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 líquido, es constante a una temperatura dada, pero aumenta si lo hace la temperatura hasta el punto crítico del líquido. 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 líquido. 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.

OBJETIVOS  

Determinar la presión de vapor del agua a distintas temperaturas. Calcular la entalpia de vaporización del agua a partir de los datos experimentales aplicando la ecuación de Clausius-Clapeyron. MATERIALES Y REACTIVOS

      

Agua Destilada. Probeta de 10 ml. Beaker de 1000 ml. Pipeta graduada. Termómetro. Auxiliar de pipeteo. Agitador.

PROCEDIMIENTO 1. Experimentación a) Primero llenamos una probeta graduada, dejando 3 ml aproximadamente libre, medido desde el borde, tapamos con un dedo e invertimos. Tomamos el

b)

c) d)

e)

f)

beaker de 1 L y lo llenamos más de la mitad con agua destilada, procedimos a introducir la probeta llena invertida. Llenamos el beaker, si es necesario, hasta que el aire que está dentro de la probeta quede cubierto de agua. Montamos el Beaker en el trípode y calentamos hasta una temperatura aproximada de 80 °C, agitación constante. Leer el volumen del aire con una aproximación de 0.2 ml. Cuando la temperatura del líquido llego a 80 °C, retiramos el mechero, para que el agua fuera, poco a poco, disminuyendo. Leímos el volumen que ocupa el gas en la probeta cada que fuera disminuyendo 2 °C hasta que alcanzara los 60 °C. Empezamos a sacar agua del sistema, y le agregamos hielo para alcanzar una temperatura ente 3°C0°C. y medimos el volumen del gas que ocupa a esa temperatura, y anotamos. Averiguamos el valor de la presión atmosférica para realizar los cálculos. 2. Cálculos

a) Registrar los datos experimentales de temperatura y volumen en la Tabla 1. El uso de una probeta graduada invertida de 10 ml, involucra un pequeño error sistemático debido a que el menisco de la interfase vapor de agua-líquido está invertido. Se ha estimado que la introducción de volúmenes conocidos de aire en un cilindro lleno de agua, involucra un error de 0,2 mL si el cilindro está

graduado hasta 10 ml, por lo tanto, en este caso todos los volúmenes deben ser corregidos restándoles 0,2 mL para compensar el error del menisco invertido. b) Usando los valores medidos de volumen, temperatura y presión atmosférica a temperatura menor que 3ºC calcular el número de moles de aire utilizando la ecuación siguiente: P V naire = atm RT c) Calcular la presión parcial de aire en la mezcla de gases a cada temperatura. Con la siguiente formula: n RT Paire = aire V d) Calcular la presión de vapor de agua a cada temperatura utilizando la siguiente formula: Pagua =Patm −Paire

e) Graficar

Pv

vs 1/T. Verificar si

se obtiene una relación lineal y si es así determinar la pendiente de la recta obtenida. f) Calcular ∆ H v del agua usando Compare el valor obtenido con el de literatura y calcule el error en su determinación. g) Determinar la presión de vapor de agua a 65ºC usando el gráfico. Consulte el valor de la presión de vapor de agua a 65 °C

CALCULOS Y RESULTADOS

naire =

1. Cálculos El valor de la presión atmosférica es de 760 mmHg sobre el nivel del mar. 1. Tabla de experimentales N° evento

3. Presión parcial del aire en cada naire RT temperatura. Paire = V

valores

Temp (°C)

Volumen total (mL)

Volumen corregido (mL)

1

80

5.6

5.4

2

78

5.4

5.2

3

76

5.0

4.8

4

74

4.8

4.6

5

72

4.6

4.4

6

70

4.4

4.2

7

68

4.2

4.0

8

66

4.0

3.8

9

64

3.8

3.6

10

62

3.6

3.4

11

60

3.4

3.2

12

2

2.8

2.6

 −4

1.15 x 10 ∗62.3636∗353.15 Paire = =469.02mmHg 0.0054  Paire =

naire =

Patm V RT

T= 2 °C = 275.15 °K V = 2.6 ml = 0.0026 L P = 1 atm = 760 mmHg R = 62.3636

mmHg∗L mol∗K

1.15 x 10−4∗62.3636∗351.15 =484.30 mmHg 0.0052

 −4

Paire =

1.15 x 10 ∗62.3636∗349.15 =521.67 mmHg 0.0048

 Paire =

1.15 x 10−4∗62.3636∗347.15 =541.23 mmHg 0.0046

 Paire =

1.15 x 10−4∗62.3636∗345.15 =562.57 mmHg 0.0044

 −4

Paire = 2.

760 mmHg∗0,0026 L −4 =1.15 x 10 mol mmHg∗L 62.3636 ∗275.15 K mol∗K

1.15 x 10 ∗62.3636∗343.15 =585.95 mmHg 0.0042

 Paire =

1.15 x 10−4∗62.3636∗341.15 =611.66 mmHg 0.0040

 −4

1.15 x 10 ∗62.3636∗339.15 Paire = =640.08 mmHg 0.0038  Paire =

1.15 x 10−4∗62.3636∗337.15 =667.67 mmHg 0.0036

 −4

Paire =

1.15 x 10 ∗62.3636∗335.15 =706.95 mmHg 0.0034

 Paire =

1.15 x 10−4∗62.3636∗333.15 =746.65 mmHg 0.0032

 Paire =

1.15 x 10−4∗62.3636∗275.15 =758.97 mmHg 0.0026

5,67 5,61 5,47 5,38 5,28 5,15 4,99 4,78 4,52 3,97 2,59

2,83 2,84 2,86 2,88 2,89 2,91 2,93 2,94 2,96 2,98 3

4. Calcular la presión de vapor de agua a cada temperatura. En Pagua =Patm −Paire mmHg 

Pagua =760−469.02=290.98 mmHg



Pagua =760−484.30=275.70 mmHg



Pagua =760−521.67=238.33 mmHg



Pagua =760−541.23=218.77 mmHg



Pagua =760−562.57=197.43 mmHg



Pagua =760−585.95=174.05 mmHg



Pagua =760−611.66=148.34 mmHg



Pagua =760−640.08=119.92 mmHg



Pagua =760−667.67=92.33 mmHg



Pagua =760−706.95=53.05 mmHg



Pagua =760−746.65=13.35 mmHg



Pagua =760−758.97=1.03 mmHg 5. Graficar ln Pv vs 1/T. Verificar si se obtiene una relación lineal y si es así determinar la pendiente de la recta obtenida. Ln Pvapor

1/T K-1

m=

y 2− y 1 x 2−x 1

A(2.84,5.61) B(2.93,

4.99) m=

( 4,99 ) −(5,61) =−6,88 ( 2,93 )−(2,84)

DISCUSION DE RESULTADOS Según los resultados obtenidos en esta práctica, podemos darnos cuenta que a mayor temperatura mayor es el volumen que ocupo el aire o el gas, y a

medida que iba descendiendo este, el volumen también lo hacía. En esta práctica hubieron algunos inconvenientes respecto al sistema, ya que como se agitaba el agua del beaker se movía la probeta donde estaba nuestro gas, y por ende pudieron haber algunos errores al momento de medir el volumen o la temperatura, la probeta se movía puesto que no había algo que la sostuviera, y no se le coloco un contrapeso, para evitar posibles daños Tem en el beaker. Esto pudo hacer que los datos variaran. (°C)



ANEXOS PREGUNTAS POST- LABORATORIO 1. Complete la tabla con los datos experimentales R/ Vol total (mL)

Tem p (K)

Vol aire (mL )

Vol vapo r (mL)

80

5,4 5,2

1,35

0,74

0,97

0,79

0,79

0,82

0,61

0,86

0,44

0,89

0,26

0,93

0,08

0,02

64

3,6

0

0

62

3,4

3,8 7 3,8 5 3,8 3 3,8 1 3,7 9 3,7 6 3,7 4 3,7 2 3,7 0 3,6 8 3,6 5 3,0 2

1,53

Existe una relación directamente78 proporcional entre la presión de vapor y la temperatura, esto es,76 que a mayor temperatura la presión de vapor también es74 mayor, esto debido a al aumento de la energía cinética de las72 partículas. El punto de ebullición de un70 líquido a una presión dada P, es la temperatura a la que la68 presión de vapor de equilibrio se 66 iguala a la presión P.

353, 15 351, 15 349, 15 347, 15 345, 15 343, 15 341, 15 339, 15 337, 15 335, 15 333, 15 275, 15

Fracci ón molar de aire 0,71

0

0

0

0

0

0

CONCLUSION 

[3] Tomado de la página web, es.slideshare.net/samhcb/fisicoquimica -presion-de-vapor

BIBLIOGRAFÍA

[1] Tomado de la página web, determinación de la presión de vapor60 de un líquido puro www. 2 es.scribd.com/doc

4,8 4,6 4,4 4,2 4,0 3,8

3,2 2,6

[2] Tomado de la página web, es.scribd.com/doc/37839015/Presion- Fracció de-vapor-y-entalpia-de-vaporizaciondel-agua

Paire (mm

Pvapor (mm

1/T K- Ln 1 Pvapor

Paire Temp (mmHg) (K)

molar de vapor 0,29 0,26 0,21 0,18 0,14 0,11 0,07 0,98 1 1 1 1

Hg)

469,0 2 484,3 0 521,6 7 541,2 3 562,5 7 585,9 5 611,6 6 640,0 8 667,6 7 706,9 5 746,6 5 758,9 7

Hg)

x 10−3

290,9 8 275,7 0 238,3 3 218,7 7 197,4 3 174,0 5 148,3 4 119,9 2 92,33

2,83 2,84 2,86 2,88

469,02 484,3 521,67 541,23 562,57 5,67 585,95 611,66 5,61 640,08 667,67 5,47 706,95 746,65 5,38 758,97

2,89

5,28

2,91

5,15

2,93

4,99

2,94

4,78

2,96

4,52

53,05

2,98

3,97

13,35

3,00

2,59

1,03

3,63

0,02

353,15 351,15 349,15 53,05 347,15 13, 35 345,15 1,03 343,15 341,15 339,15 337,15 335,15 333,15 275,15

335,15 333,15 275,15

2. En un mismo grafico mostrar las gráficas Pvapor vs T y Paire vs T R/ Pvapor Temp (mmHg (K) ) 290,98 275,7 238,33 218,77 197,43 174,05 148,34 119,92 92,33

353,15 351,15 349,15 347,15 345,15 343,15 341,15 339,15 337,15

3. En un mismo grafico mostrar las gráficas Vvapor vs T y Vaire vs T R/ Vol vapor (mL) 1,53 1,35 0,97 0,79 0,61 0,44

Temp (K) 353,15 351,15 349,15 347,15 345,15 343,15

Vol Temp aire (K) (mL) 0,26 3,87 341,15 353,15 0,08 3,85 339,15 351,15 0 3,83 337,15 349,15 0 3,81 335,15 347,15 0 3,79 333,15 345,15 0 3,76 275,15 343,15 3,74 341,15 3,72 339,15 3,7 337,15 3,68 335,15 3,65 333,15 3,02 275,15

4. ¿Cuál es el propósito de colocar la probeta invertida? R/ Estando la probeta invertida, no hay un lugar por donde el aire pueda entrar o salir y así estamos trabajando con la misma cantidad de aire, con un sistema cerrado, en el que solo entra energía en forma de calor. 5. ¿Por qué es necesario mantener agitación constante durante el experimento? R/ Porque si no se tiene en cuenta, el calor se va a concentrar en algunas partes del líquido, y no va a ser uniforme, por lo tanto dará un resultado inexacto. 6. Discuta los posibles errores de la práctica y como los minimizaría R/ Uno de los posibles errores de la práctica, pudo haber sido la mala lectura de termómetro o del volumen del aire en la probeta, y esto conllevaría a la obtención de una presión de vapor errónea. Otro de los posibles errores que va de la mano con la lectura, pudo haber sido que como la probeta no tenía un contrapeso, los valores pudieron variar.