UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA INDUST
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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA INDUSTRIAL LABORATORIO DE QUÍMICA INDUSTRIAL
TEMA: PRESIÓN DE VAPOR DE LÍQUIDOS CURSO: QUÍMICA INDUSTRIAL PROFESOR: ING. OSWALDO CAMASI PARIONA INTEGRANTES: HUAMANI MACHACA, MARÍA FELIPA TOVAR CABANA, ANA PAOLA URETA PÉREZ, PAMELA DENNÍS CALLAO,2018
1615125281 1615115339 1615125056
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
Laboratorio: QUÍMICA INDUSTRIAL
INTRODUCCION
En el presente trabajo, queremos dar a conocer una clara definición de lo que es la presión de vapor de un líquido, como es el comportamiento de una sustancia al someterla a ciertos cambios de temperatura y la influencia que estos cambios tienen sobre la presión de vapor en el líquido. Para poder entender mejor estos comportamientos necesitamos de unas herramientas de mucha ayuda, las ecuaciones termodinámicas, de las cuales veremos de donde es su procedencia y su respectiva utilidad. Dichas ecuaciones las vamos a poder desarrollar de una manera didáctica en el procedimiento experimental.
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Ing. Oswaldo Camassi Pariona
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OBJETIVOS
Determinación de la presión de vapor de líquidos a diversas temperaturas.
Aplicación de la Ecuación de Clausius – Clapeyron para la determinación de la entalpía de vaporización.
Determinación de la Ecuación de Antoine para la sustancia problema.
Comprobación de la Regla de Trouton y de la Ecuación de Kistiakowsky.
Determinación de la constante ebulliscópica del líquido.
Aplicación de la Ecuación de Haggenmacher para la determinación de la entalpía de vaporización.
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PRESION DE VAPOR DE LIQUIDOS FUNDAMENTO TEORICO: La presión de vapor es la presión de un sistema cuando el sólido o líquido se hallan en equilibrio con su vapor. Los vapores y los gases, tienden a ocupar el mayor volumen posible y ejercen así sobre las paredes de los recintos que los contienen, una presión también llamada, fuerza elástica o tensión. Para determinar un valor sobre esta presión se divide la fuerza total por la superficie en contacto.
¿Con que propiedad se relaciona? La regla de fases establece que la presión del vapor de un líquido puro es función única de la temperatura de saturación. Vemos pues que la presión de vapor en la mayoría de los casos se puede expresar como
Pvp = f (t)
La
cual
podría
estar
relacionada
con
cualquier
otra
propiedad
intensiva de un líquido saturado (o vapor), pero es mucho mejor relacionarla directamente con la temperatura de saturación.
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¿Cómo se relaciona? La presión de vapor de un líquido se relaciona con la temperatura por medio de la ecuación de Claussius Clapeyron, sin embargo, existen muchas ecuaciones que estudian esta propiedad de los fluidos, pero de todas maneras estas ecuaciones pueden referirse a la ecuación de Clapeyron:
Ln P2/P1 = (H/R) vaporización (1/T1-1/T2)
Esta ecuación mediante pasos matemáticos, puede convertirse en:
Ln Pvp = A+B/T
La gráfica del logaritmo de la presión del vapor y el reciproco de la temperatura absoluta es una recta. La ecuación anterior no es una mala aproximación, pero en general esta curva realmente tiene unas curvaturas pequeñas que muestran así que esta aproximación tampoco es la mejor. Estas curvas las observamos exagerando un poco el dibujo, de la siguiente manera:
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Debemos tener en cuenta que esta ecuación no es aplicable a temperaturas inferiores al punto de ebullición normal.
¿Cómo se estima la presión del vapor?
En intervalos de baja presión: 10 a 1500 mmHg se estima por varios métodos unos de los cuales son:
El método de estimación de Frost-Kalkwarf-Thodors, es el mejor para compuestos orgánicos, el cual se hace por medio de Cálculos de tipo iterativo, y arroja un máximo porcentaje de error medio de 5.1% El método de Riedel-Plank-Miller es el mejor para compuestos inorgánicos y además es fácil de usar, este arroja un máximo porcentaje de error medio de 5.2%
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En intervalos de alta presión: 1500 mmHg hasta la presión critica también existen varios métodos de los cuales mencionare algunos:
El método de estimación reducida de Kirchhoff, el cual no es muy exacto, pero es muy fácil de usar, este arroja un máximo porcentaje de error medio de 3.2% El método de estimación de Frost-Kalkwarf-Thodors, para intervalos de alta presión también requiere de cálculos iterativos, sin embargo, es muy bueno y arroja un máximo porcentaje de error medio de 1.5% Estos métodos anteriores son métodos trabajados con ecuaciones reducidas para los cuales era necesario conocer tc, pc, tb.. pero existen mucho método diferente tanto con ecuaciones reducidas como con ecuaciones semi reducidas y sin reducir.
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EQUIPO Y MATERIALES
Refrigerante de bolas
Termómetro
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Frasco Dewar
Probeta de vidrio
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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
1. Lavar el ebullómetro, cuidando no mojar el sistema de calentamiento, secarlo e instalar el equipo tal como es mostrado en el esquema N°1. 2. conecte el sistema a la bomba de vació y abra la llave del balón de seguridad cuidadosamente. 3. haga vació por 5 minutos. 4. Cierre la llave L-1, desconecte la manguera de la bomba de vacío y pare esta. 5. Abrir lentamente la llave L-1, engrase cuidadosamente todas las uniones esmeriladas usando grasa para el alto vacío y añada 25 ml del líquido problema al ebullómetro y reensamble el equipo. 6. El termómetro debe estar en posición vertical y debe añadirse la mezcla frigorífica frasco Dowar e introducir la trampa en él. 7. Cerrar la llave L-1, conectar el sistema a la bomba de vacío y poner en marcha la bomba, abrir lentamente la llave L-1, hacer vacío hasta que los niveles de Hg se estabilicen. 8. Cerrar la llave L-1, desacoplar la manguera de la bomba de vacío y pararla. 9. compruebe la hermeticidad del sistema, la que es indicada por la estabilidad de los niveles de Hg.
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10. Abrir cuidadosamente la llave L-1, para permitir la entrada de aire, hasta que los niveles de Hg se encuentren aproximadamente a 50 cm uno del otro . 11. Conectar los terminales del calentador a la línea de 6.3V, circulo agua por el refrigerante y ponga el interruptor en ON 12. Cuando se logre el estado estable de ebullición, reporte la temperatura y los niveles de Hg, simultáneamente. 13. Ponga el interruptor en OFF y luego abra lentamente la llave L-1 para incrementar la presión en 5cm de Hg, aproximadamente 14. Cambie el interruptor a ON y reporte la temperatura y niveles de Hg a esta nueva presión 15. repetir el procedimiento anterior hasta que la presión en el sistema sea igual a la presión atmosférica.
CALCULOS Y RESULTADOS 11
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Sabemos que:
P absoluta = P atmosférica +P manométrica
P local = P sistema +∆ℎ(𝑚𝑎𝑛𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎) P local = P sistema - ∆ℎ
P local = 548mmHg N° Teb(°C) h2
h1
∆ℎ Psist
T(°K)
1 × 10−3 𝑇(°𝐾)
Log P
Ln P
1
41
648
310
338
210
314.15
3.183192742
2.322219295
5.347107531
2
55.5
565
393
172
376
328.65
3.047386866
2.575187845
5.929589143
3
62.5
508
450
58
490
335.65
2.979293907
2.69019608
6.194405391
4
64
492
465
27
521
337.15
2.966038855
2.716837723
6.255750042
5
69
480
480
0
548
342.15
2.922694725
2.738780558
6.306275287
Valor de ∆𝐇𝐯, ECUACIÓN DE CLAUSIUS-CLAPEYRON:
∆𝐻v = −
∂(ln 𝑃). R ∂(1⁄𝑇)
𝑐𝑎𝑙
Donde 𝑅 = 1.987 𝑚𝑜𝑙°𝐾
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∆𝐻v = −
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(5.347107531 − 6.306275287) × 1.987 (3.183192742 × 10−3 − 2.922694725 × 10−3 ) 𝑐𝑎𝑙
∆𝐻v = 7316.241226 𝑚𝑜𝑙
ECUACIÓN DE HAGGENMACHER: Cambio de volumen
∆Vv = √1 − 𝑃𝑟⁄(𝑇𝑟)3
𝑃𝑟 =
𝑃 𝑃𝑐
𝑇𝑟 =
De los datos tenemos: Pc=48.1 atm=36936mmHg
𝑇 𝑇𝑐
Tc=562.1°k
Pr
Tr
∆VV
0.005685510071
0.5588863192
0.9835809103
0.01017977041
0.5846824408
0.9742019878
0.01326619017
0.597135741
0.9683462237
0.01410547975
0.5998043053
0.966764146
0.0148364739
0.6086995197
0.9665483777
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ECUACIÓN DE ANTOINE:
log 𝑃 = 𝐴′ −
P=210mmHg
𝐵′ 𝑡 + 𝐶′
t=41°c o 2.322219295=𝐴′ −
P=376mmHg
41+ 𝐶 ′
t=55.5°c 2.575187845=𝐴′ −
P=490mmHg
𝐵′
𝐵′ 55.5+ 𝐶 ′
t=62.5°c 2.69019608=𝐴′ −
𝐵′ 62.5+ 𝐶 ′
𝐴′ = 8.638650865 𝐵 ′ = 2195.300618 𝐶 ′ = 306.5539303
ECUACION DE PRESION DE VAPOR según CLAUSIUS CLAPEYRON:
1 log 𝑃 = −𝐴 ( ) + 𝐵 𝑇
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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO Tenemos que: Como:
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Y= - AX + B Y = log 𝑃 X = 1⁄𝑇
Por el “Método de mínimos cuadrados”
∑𝑋∑𝑌 - A = 𝑛 ∑ XY− 2 2
𝑛 ∑ 𝑋 −(∑ 𝑋)
B=
∑𝑌 ∑𝑋
2
−∑ 𝑋 ∑ 𝑋𝑌
2
𝑛 ∑ 𝑋 −(∑ 𝑋)
2
n=5 ∑ 𝑋 =0.0150986071 ∑ 𝑌 =13.0432215 ∑ 𝑋𝑌=39.31741575 × 10−3 ∑ 𝑋 2 =45.63500587 × 10−6
5 × 39.31741575 × 10−3 − 0.0150986071 × 13.0432215 −𝐴 = 5 × 45.63500587 × 10−6 − (0.0150986071)2 A=1677.497616 13.0432215 × 45.63500587 × 10−6 − 0.0150986071 × 39.31741575 × 10−3 𝐵= 5 × 45.63500587 × 10−6 − (0.0150986071)2 B=7.674219784 1 log 𝑃 = −1677.497616 ( ) + 7.674219784 𝑇
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ECUACIÓN DE PRESION DE VAPOR según:
1 ln 𝑃 = −𝐴′′ ( ) + 𝐵 ′′ ln 𝑇 + 𝐶 ′′ 𝑇
T=314.15°k
2.322219295 = −3.183192742 × 10−3 𝐴′′ + 5.749870579𝐵 ′′ + 𝐶 ′′ T=328.65°K
2.575187845 = −3.047386866 × 10−3 𝐴′′ + 5.794993355𝐵 ′′ + 𝐶 ′′ T=335.65°K
2.69019608 = −2.979293907 × 10−3 𝐴′′ + 5.81606895𝐵 ′′ + 𝐶 ′′
𝐴′′ = −674.9198367 𝐵 ′′ = 7.637531644 𝐶 ′′ = −43.74099913
1 𝑙𝑛 𝑃 = 674.9198367 ( ) + 7.637531644 𝑙𝑛 𝑇 − 43.74099913 𝑇
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CONSTANTE DE TRAUTON:
∆Sv =
∆Hv 𝑇
𝑐𝑎𝑙
∆𝐻v = 7316.241226 𝑚𝑜𝑙 𝑐𝑎𝑙
T(°K)
∆Sv(𝑚𝑜𝑙°𝐾)
314.15
23.28900597
328.65
22.26149772
335.65
21.79723291
337.15
21.70025575
342.15
21.38313963
Entropía de vaporización según KISTIAKOWSKY:
∆𝑆v =
∆Hv 𝑇𝑒𝑏 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙
Teb normal=353.15°K
𝑐𝑎𝑙
∆𝑆v=20.71709253𝑚𝑜𝑙°𝐾
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TEMPERATURA CRÍTICA:
𝑇𝑐 =
∆Hv,T=0 ∆Cp
∆Hv,T=0 = 𝐴′′ 𝑅 ∆Cp = 𝐵 ′′ 𝑅 𝑅 = 1.987
𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙°𝐾 𝑇𝑐 = −88.36884325
CONSTANTE EBULLISCOPICA DEL C6H6 (Benceno)
Kb =
𝑅 = 1.987
R(𝑇𝑏 )2 M1 1000∆Hv
𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙°𝐾
𝑇𝑏 = 353.15°𝐾 M1 = 78
𝑔𝑟 𝑚𝑜𝑙 𝑐𝑎𝑙
∆𝐻v = 7316.241226 𝑚𝑜𝑙 Kb =2.64193954
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CONCLUSIONES
Del fundamento teórico, hemos podido tener una base para poder entender metódicamente la presión de vapor por líquidos, asimismo en la parte experimental de este informe hemos podido observar las diversas ecuaciones que se utilizan en esta presión; Lo antes mencionado lo hemos puesto en práctica, realizando ejercicios en los cálculos y resultados; por ello hemos aprendido a usar las diferentes ecuaciones para obtener la presión de vapor por líquidos.
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RECOMENDACIONES
Es importante saber que la presión de vapor de un líquido se relaciona con la temperatura, esto se da a través de la ecuación de Clausius Clapeyron, no obstante, cabe señalar que existen otras ecuaciones. Estas ecuaciones hacen referencia a la ecuación de Clapeyron. Se debe tener en cuenta la parte teórica antes de empezar a realizar ejercicio y/o ecuaciones, esto nos ayuda a tener una mejor base del tema. Realizar los procedimientos de forma cautelosa al trabajar con el benceno.
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BIBLIOGRAFIA
P. Sanz Pedrero (Coord.). (1992). "Fisicoquímica para Farmacia y Biología". Ed. Masson-Salvat. I.N. Levine. (1996). "Fisicoquímica". Ed. Mc Graw Hill. R. Chang . (2000). "Physical Chemistry for the Chemical and Biological Sciences" Ed. UniversityScience Books. P. Monk. (2004). "Understanding our Chemical Word". Ed. Wiley. P. Atkins, J. de Paula. (2006). "Physical Chemistry for the Life Sciences". Ed. Oxford UniversityPress
ANEXOS RUDOLF JULIUS EMMANUEL CLAUSIUS
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Rudolf Julius Emmanuel Clausius (Koszalin, Prusia, 2 de enero de 1822- Bonn, 24 de agosto de 1888), fue un físico y matemático alemán, considerado uno de los fundadores centrales de la ciencia de la termodinámica. En su nueva formulación del principio de Sadi Carnot, conocido como ciclo de Carnot, además propuso la teoría del calor sobre una base más sólida y más verdadera. En su trabajo más importante sobre la teoría mecánica del calor, publicado en 1850, estableció por primera vez las ideas básicas de la segunda ley de la termodinámica. En 1865 introdujo el concepto de entropía.
En 1870 Clausius organizó un cuerpo de ambulancias en la Guerra Francoprusiana. Fue herido en batalla, dejándolo con una discapacidad permanente. Fue galardonado con la Cruz de Hierro por sus servicios.
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Su esposa, Adelheid Rimpham, murió al dar a luz en 1875, dejándolo viudo con seis hijos. Continuó enseñando, pero tuvo menos tiempo para la investigación a partir de entonces. En 1886 se casó con Sophie Stack, con quien tuvo otro hijo. Dos años más tarde, el 24 de agosto 1888, murió en Bonn, Alemania.
BENOIT PAUL ÉMILE CLAPEYRON
Benoit Paul Émile Clapeyron (26 de febrero, 1799 - 28 de enero, 1864) fue un ingeniero y físico francés, padre (entre otros) de la teoría termodinámica. Nacido en París, Clapeyron estudió en la École polytechnique y la École des Mines de Paris, antes de mudarse a San Petersburgo en 1820 para enseñar en la École des Travaux Publics. Tras la Revolución de 1830 volvió a París, donde supervisó la construcción de la primera vía de ferrocarril de Francia, que comunicaba París con Versalles y Saint-Germain-en-Laye.
FREDERICK THOMAS TROUTON
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Trouton nació en Dublín el 24 de noviembre de 1863, el hijo más joven del adinerado y prominente Thomas Trouton. Asistió a la Royal School Dungannony se trasladó al Trinity College de Dublín en 1884, donde estudió ingeniería y ciencias físicas. Mientras todavía era un estudiante de pregrado, Trouton observó una relación entre los puntos de ebullición y las energías de las vaporizaciones , que presentó en dos breves trabajos. Encontró que el cambio de entropía por mol para la vaporización en un punto de ebullición es constante, o expresado matemáticamente ΔS m, vap = 10.5 R (donde R es la constante de gas ideal ). Esto se conoció como la Regla de Trouton y, a pesar de tener algunas excepciones, se usa para estimar la entalpía de vaporización de líquidos cuyos puntos de ebullición son conocidos. Trouton mismo menospreció su descubrimiento ya que fue simplemente el resultado de la manipulación de una tarde de datos de un libro de tablas. Antes de graduarse, también tomó un papel principal en la topografía de un ferrocarril.
Trouton se graduó de Maestría en Artes y Doctor en Ciencias en 1884, y fue nombrado inmediatamente asistente del profesor de física experimental, George FitzGerald . Colaboraron en muchos experimentos y se hicieron buenos amigos; La influencia de FitzGerald se puede ver en muchos de los trabajos anteriores de Trouton.
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Fue elegido miembro de la Royal Society en junio de 1897. [2] [6] Su cita de la aplicación decía: " Descubrió la ley que conecta el grado de vaporización y los pesos moleculares de los cuerpos conocidos como la 'ley de Trouton' y determinó experimentalmente las direcciones de la vibración de la fuerza eléctrica e inactiva en la luz polarizada plana. Ha realizado otras observaciones importantes sobre la fase de las ondas secundarias y sobre la influencia del tamaño del reflector en el equipo de Hertz ". [7] Una designación en 1902 como Quain Professor of Physics en el University College de Londres condujo a una carrera de 12 años de física experimental, incluido el trabajo en el experimento Trouton-Rankine. Recibió un OBE en 1918. Trouton se casó con Anne Maria Fowler en 1887 y tuvieron cuatro hijos y tres hijas. Sus dos primeros hijos, Eric y Desmond, fueron asesinados en la Primera Guerra Mundial . Él estaba gravemente enfermo en 1912, y una operación en 1914 lo dejó paralizado en las extremidades inferiores y causó su retiro. A pesar de esto, retuvo el ingenio y encanto por el que era conocido. Después de retirarse, Trouton vivió en Tilford , Surrey, y luego Downe en Kent, donde murió el 21 de septiembre de 1922.
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