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• JAVIER GONZALEZ

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE QUÍMICA

PRÁCTICA : ​EQUILIBRIO ENTRE FASES CONSTRUCCIÓN DEL DIAGRAMA DE FASES DEL CICLOHEXANO

LABORATORIO DE EQUILIBRIO Y CINETICA

INTEGRANTES: GONZALEZ CERVANTES JAVIER QUETZALKEN CORDOBA MORALES ABRIL MONSERRAT EQUIPO:4

RAMIRO EUGENIO DOMÍNGUEZ DANACHE

I.OBJETIVO GENERAL Interpretar el diagrama de fases de una sustancia pura, construido a partir de datos de presión y temperatura obtenidos a través de diferentes métodos. II. OBJETIVOS PARTICULARES a. Comprender la información que proporcionan la regla de las fases de Gibbs y la ecuación de Clausius-Clapeyron. b. Distinguir los equilibrios entre las diferentes fases (sólido, líquido, vapor). c. Deducir las propiedades termodinámicas involucradas en la transición de fases. III. PROBLEMA Construir el diagrama de fases del ciclohexano a partir de datos obtenidos en la literatura, experimentales y calculados. ​A1. CUESTIONARIO PREVIO 1. Expresar la regla de las fases de Gibbs. y explicar qué información proporciona en la construcción del diagrama de fases. Esta regla nos define los grados de libertad que posee el sistema dependiendo el tipo de variables que se consideren. F+L = C+2 Donde: F: Número de fases. L: Número de grados de libertad C: Número de componentes 2. Definir los conceptos de componente, fase y grado de libertad. A) Componente:Sustancia que está presente en disolución o en una mezcla B) Fase: Cada parte que está presente en un sistema y tiene propiedades físicas y químicas definidas. C) Grado de libertad: Número de variables necesarias para describir un sistema. 3. Escribir las ecuaciones de Clapeyron y Clausius-Clapeyron, indicar el significado de los términos que aparecen en ellas y explicar en qué casos de equilibrio de fases se aplica cada una. Ecuación de Clausius-Clapeyron Equilibrio Liquido-Vapor

Ecuación de Clapeyron Equilibrio Sólido Líquido:

4. Explicar qué representa el punto triple en un diagrama de fases. Proporcionar dos ejemplos. El punto triple es en el cual coexisten en equilibrio la fase sólida, fase líquida y fase gaseosa.

5. Definir los términos siguientes: temperatura de fusión, temperatura de ebullición, temperatura crítica, presión crítica, entalpía de fusión, de vaporización y de sublimación. A) Temperatura de fusión:​El punto de fusión es la temperatura a la cual un sólido pasa a líquido a la presión atmosférica. B) Temperatura de ebullición: ​Aquella temperatura en la que la presión de vapor del líquido iguala la presión de vapor del medio en el que se encuentra C) Temperatura crítica:​T​emperatura límite por encima de la cual un gas miscible no puede ser licuado por compresión. Por encima de esta temperatura no es posible condensar un gas aumentando la presión. D) Presión crítica: ​La presión crítica es una característica de cualquier sustancia, que define el campo en el que ésta puede transformarse en vapor en presencia del líquido correspondiente E) Entalpía de fusión:​La entalpía de fusión o calor de fusión (ΔH​fus​) es la cantidad de energía necesaria para hacer que un mol de un elemento que se encuentre en su punto de fusión pase del estado sólido al líquido, a presión constante F) Entalpía de vaporización:​Es la cantidad de energía necesaria para que la unidad de masa (kilogramo, mol, etc.) de una sustancia que se encuentre en equilibrio con su propio vapor a una presión de una atmósfera G) Entalpía de sublimación :​El cambio de entalpía cuando un mol de sólido se evapora para formar un mol de gas. Las entalpías de sublimación son siempre positivas porque vaporización implica la superación de la mayoría de las atracciones intermoleculares en la sublimación

6. Investigar en la literatura los datos siguientes para el ciclohexano. Tabla 1.Datos reportados en la literatura para el ciclohexano. Temperatura de fusión normal

279.62 K

Temperatura de ebullición normal

353.85 K

Presión crítica

40.2 atm

Temperatura crítica

280.49 K

ΔH (fusión)

2662.6 Jmol-1

ΔH (vaporización)

29944.8 Jmol-1

Densidad del sólido (25°C, 1 atm)

0.8420 g cm-3

A3. REACTIVOS Y MATERIALES Ciclohexano Hielo Equilibrio Sólido- Líquido Experiencia realizada por c/equipo 1 Tubo de ensayo de 12 x 150 mm (15 mL) 1 Termómetro digital con resolución +0.1°C 1 vaso unicel. Equilibrio Líquido-vapor Experiencia demostrativa 1 Sistema de destilación fraccionada 1 Termómetro digital con resolución +0.1°C Punto triple. Experiencia demostrativa Equipo integrado por​: 1 Manómetro de mercurio 1 Bomba de vacío 1 Termómetro de mercurio de -1 a 101°C con resolución +0.1°C 1 Matraz bola 1 L con tapón trihoradado 3 trampas de vapor 3 vasos Berzelius con hielo para introducir las trampas de vapor 4 Soporte universal con pinza mangueras de látex 1 Charola de plástico de 30cm x20 cm x15cm

A4. METODOLOGÍA EMPLEADA Se colocó el tubo de ensayo (15 mL) , con un termómetro digital con resolución +0.1°C en un vaso de unicel con hielo. Para el equilibrio Líquido-vapor Experiencia demostrativa Se utilizó un sistema de destilación fraccionada y con un termómetro digital con resolución +0.1°C se midió la temperatura de evaporación. Para el punto triple. Experiencia demostrativa se utilizó un equipo integrado por un Manómetro de mercurio , una bomba de vacío , un termómetro de mercurio , un matraz bola en el cual se encontraba el hexano sólido y líquido, un tapón trihoradado, tres trampas de vapor , tres vasos Berzelius con hielo para introducir las trampas de vapor cuatro soportes universales con pinza ,mangueras de látex y una charola de plástico.

A5. DATOS, CÁLCULOS Y RESULTADOS​. 1. Registra en la Tabla 2 los datos experimentales obtenidos. Tabla 2. Datos experimentales EQUILIBRIO

PROCESO

PRESIÓN (mmHg)

t/(°C)

T/(K)

S-L

Fusion

585

7.3

280.45

L-V

Evaporación

585

65

338.15

S-L-V

Punto triple

530

6.5

279.65

2. Algoritmo del cálculo a. Explicar cómo se calcula la entalpía de vaporización a partir de P y T en condiciones estándar y en las condiciones experimentales en el lugar de trabajo (ver tabla 1 y 2) P1=760 mmHg = 1 atm T1= 353.1 P2= 585mmHg = 0.7697 T2= 338.15K

ln PP12 =−

ΔH 1 R (T2

⇒ ΔH =− R(ln PP12 )/

1 T2

− −

1 T1) 1 T1

ΔH =− 8.314 J /molK(ln 0.7697atm 1 atm )/ ΔH =17325.33 J/mol

1 338.15

−

1 353.1

b. Explicar cómo se calcular la temperatura de ebullición en un punto de equilibrio L-V cercano a la temperatura de ebullición normal empleando la ecuación de Clausius Clapeyron. Temperatura de ebullición normal 353.85 a 1 atm Si P2 = 700mmHg =0.921

ln PP12 =− 1 T2 1 T2 1 T2

= =

ΔH 1 1 R (T2 − T1) −Rln( P 2/P 1) + T11 ΔH −8.314 J/mol K ln( 0.921/1) 17325.33 J/mo

+

1 353.85

= =2.87x10​-​3

T2= 348.43 K c. Calcular la temperatura de ebullición (T2) en un punto de equilibrio L-V por debajo a la temperatura de ebullición obtenida a la presión atmosférica del lugar de trabajo. Emplear la ecuación de Clausius - Clapeyron. Temperatura de ebullición obtenida a la presión atmosférica del lugar de trabajo= 338.15 a 0.7697 atm Si P2= 500 mmHg = 0.6579 1 T2 1 T2 1 T2

= =

−Rln( P 2/P 1) + T11 ΔH −8.314 J/mol K ln( 0.6579/0.7697) −22836.93 J/mol

+

1 338.15

= =3.03x10​-​3

T2= 330 K d. Calcular una temperatura de sublimación (T2) (por debajo del punto triple) en un punto de equilibrio S-V. Empleando la ecuación de Clausius - Clapeyron. ΔH​s​=ΔH​f​+ΔH​v ΔH​f​=2662.26 J/mol ΔH​v​=29944.8 J/mol ΔH​s​=32607.07 J/mol 1 T2 1 T2 1 T2

= =

−Rln( P 2/P 1) + T11 ΔH −8.314 J/mol K ln( 0.6579/0.697) 32607.07 J/mol

+

1 279.65

=3.59x10​-​3

T2=278.5 K

e. Calcular una temperatura (T2) en un punto de equilibrio S-L (entre la temperatura de fusión experimental y el punto triple). Empleando la ecuación de Clapeyron.

Temperatura de fusión experimental : 280.45 K a 585 mmHg Temperatura de el punto triple:279.65 K a 530 mmHg T1=279.65 K P1=530 mmHg T2=T1​eΔPΔ⊽/ΔH ​

∆P=P2 -P1 = 585 mmHg -530 mmHg=55 mmHg Δ⊽ =⊽​g​-⊽​l o s​ ≈RT /P=(62,36367 mmHgL/mol K)(279.65 K)/( 530)=32.9L/mol ΔH​s​=32607.07 J/mol T2=279.65 ​e(55)(32.9)/32607.07 ​ T2=295.61 K

Tabla 3. Concentración de datos en orden decreciente de presión (Experimentales, reportados y calculados) para las diferentes transiciones de fase del ciclohexano.

Equilibrio (líquido-vapor) P(mmHg)

Equilibrio (sólido-líquido) T (K)

530

P(mmHg)

279.65

Equilibrio ( sólido-vapor) T (K)

530

P(mmHg)

279.65

T (K)

530

279.65

604.11

284.65

650

279.65

410.57

274.65

683.79

289.55

750

279.65

315.06

269.65

774.5

294.65

850

279.65

239.36

264.65

869.49

299.55

950

279.65

179.93

259.65

974.69

304.55

1050

279.65

133.75

254.65

1090.97

309.65

98.25

249.65

1216.66

314.75

71.27

244.65

A6. ELABORACIÓN DE GRÁFICOS

1. Con los datos registrados en la tabla 3, trazar el diagrama de fases: Presión (mmHg) vs Temperatura (K) para el ciclohexano

A7. ANÁLISIS DE RESULTADOS 1. Calcular el número de grados de libertad a partir del diagrama de fases del ciclohexano indicados en la tabla 4 y explicar su significado. TABLA 4. Aplicar la regla de las fases de Gibbs. Fase (F)

Grado de libertad (L)

Significado

Área

1

2

Es posible variar la P o T si el sistema muestra una fase ya sea liquida, solida o gas.

Sobre la línea

2

1

Solo es posible variar la T o P para que puedan coexistir las dos fases.

Punto triple

3

0

Punto único donde existen las tres fases, no se puede modificar la temperatura ni la presión.

CONCLUSIONES

Se construyó el diagrama de fases del ciclohexano a partir de datos de presión y temperatura obtenidos a través de los procesos de fusión , evaporación y punto triple. Las relaciones entre las fases sólida, líquida y de vapor se representan en una diagrama de fases ya que resume las condiciones de T y P en las cuales una sustancia existe como sólido, líquido o gas y permiten predecir los cambios en el punto de fusión y en el punto de ebullición de una sustancia debido a los cambios de la presión.​El diagrama de fases nos ofrece información relevante sobre el estado de una sustancia y los equilibrios físicos que tiene a cierta temperatura y presión. La ecuación de clausius-clapeyron nos permite, sabiendo los valores de entalpía, construir el diagrama de fases asignando valores de presión y temperatura para graficar, proponiendo una P o T con valores cercanos a los equilibrios de fase tomando en cuenta el proceso que se lleve a cabo. Este tipo de diagramas de equilibrios de fase se utilizan en la industria para conocer en qué condiciones de presión y temperatura se presenta un estado físico de alguna sustancia y así encontrar la combinación más conveniente para algún propósito particular. A10. BIBLIOGRAFÍA Budayary,S. The Merck Index., 12ª ed. Merck and Co, Inc. Whtehouse Station, N.Y.(1996) Castellan, G. ,Fisicoquímica. 2ª Edición, Addison-Wesley Iberoamericana, USA. (1987).