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• David Sotd

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PRACTICA N° 5 EQUILIBRIO LIQUIDO-VAPOR PARA UNA SUSTANCIA PURA

1 Objetivos generales • Estudiar el equilibrio de fases líquido-vapor de una sustancia pura. • Manejar correctamente los conceptos de presión de vapor de un líquido y temperatura de ebullición. 2 Objetivos específicos: • Estudiar un ejemplo concreto de sistema sometido a vacío (acetona). • Realizar medidas de la presión de vapor de la acetona a distintas temperaturas (menores a su temperatura de ebullición normal). • Verificar si la acetona cumple con la ecuación de Clausius-Clapeyron. • Calcular el HΔ de vaporización de la acetona.

3 Introducción teórica Un líquido puro en un recipiente cerrado y evacuado se evapora hasta alcanzar un estado de equilibrio denominado equilibrio líquido-vapor. La presión que ejerce el vapor en el equilibrio es función de la naturaleza del líquido y de la temperatura, y se denomina Presión de Vapor de dicho líquido a esa temperatura. La evaporación de un líquido, se produce a cualquier temperatura y es un fenómeno superficial, es decir, moléculas en la superficie del líquido pasan a la fase vapor. La presión de vapor de un líquido aumenta con la temperatura. Si se calienta un líquido sometido a una cierta presión (mayor, menor o igual a la atmosférica), cuando la presión de vapor iguala a dicha presión externa se desprenderán burbujas de vapor desde el seno del líquido. Se dice que en estas condiciones el líquido está en ebullición y la temperatura es la Temperatura de Ebullición. En particular, si la presión exterior es 1 atmósfera, la temperatura a la cual el líquido hierve recibe el nombre de Temperatura de Ebullición Normal del líquido (Tb) 3.1 Ecuación de Clausius-Clapeyron La presión de vapor de un líquido se puede relacionar con la temperatura mediante la ecuación de Clausius - Clapeyron. dP = ΔHvap xP dT RT2

Ec. 3-1

donde: ΔHvap es la variación de entalpía que acompaña a la vaporización de un mol de líquido.

Reordenando variables: dP = ΔHvap . dT P RT2

Ec. 3-2

La relación anterior es la forma diferencial de la ecuación de Clausius-Clapeyron. Suponiendo ΔHvap independiente de la temperatura e integrando dicha ecuación entre los límites: P 1, T1 y P2 , T2. ln P = - ΔHvap P R

1 - 1 T1 T2

Ec. 3-3

Si P2 = 1 atm, T2 es la temperatura de ebullición normal del líquido (Tb) y entonces: ln P = - ΔHvap + ΔHvap RT R Tb

Ec. 3-4

Esta ecuación permite calcular la presión de vapor en equilibrio con el líquido para una sustancia pura a una temperatura dada. Observe que: • la presión se expresa necesariamente en atmósferas • la temperatura en K • las unidades de Hvap deben ser coherentes con las de R. En un diagrama de fases para una sustancia pura P-T, las líneas representan valores de temperatura y presión para los cuales se da el equilibrio entre las fases que son estables a ambos lados de dichas líneas. La curva que separa las fases líquido-vapor es la representación gráfica de la Ec 3-4. Los puntos pertenecientes a esta curva representan las temperaturas de ebullición del líquido a diferentes presiones. Según lo indica la Ec. 3-4, si se grafica el logaritmo de la presión de vapor en función de la inversa de la temperatura expresada en Kelvin (lnP vs 1/T) se obtiene una recta de pendiente−ΔHvap/R y ordenada en el origen ΔHvap/RTb, donde Tb es la temperatura de ebullición normal del líquido. Un líquido para el cual se verifica esta relación, en cierto rango de temperatura, se dice que cumple con la ecuación de Clausius-Clapeyron. 3.2 Determinación de la presión de vapor de un líquido a distintas temperaturas En la práctica se realizará la medida directa de la presión del vapor en equilibrio con el líquido a una temperatura prefijada. Para ello se monta un equipo como el que se muestra en la Figura 2. El equipo está formado por un recipiente que contiene el líquido en estudio sumergido en un baño de agua. Un termostato permite regular la temperatura del baño a valores prefijados. El recipiente se cierra con un tapón de goma perforado que permite introducir un termómetro cuyo bulbo se sumerge hasta la mitad en el líquido. El recipiente se conecta en serie a un sistema de vacío y a un sistema de medida de presión. El sistema de vacío consiste en una trompa de agua

que se intercala con un kita-sato para evitar problemas debidos a una eventual reabsorción de agua. El sistema de medida de presión está constituido por un vacuómetro. Si a través del sistema de vacío se elimina todo el aire del equipo, en el recipiente quedarán solamente el líquido y su vapor. El valor de presión leído en el vacuómetro será la presión de vapor del líquido a la temperatura indicada en el termómetro. Discuta con el docente que sucede si no se evacua completamente el aire del equipo. El experimento se repite cambiando la temperatura del baño, una vez alcanzado el equilibrio térmico se leen los valores de temperatura y presión. De este modo se obtiene una serie de pares de valores de temperatura y de presión de vapor en equilibrio con el líquido para cada temperatura elegida.

Figura: Esquema del equipo utilizado

4 Técnica 1. Verifique que la temperatura de la acetona sea igual a la del baño. 2. Haga vacío unos cinco minutos. Discuta el objetivo de esta operación con su docente. 3. Corte el vacío y espere el tiempo suficiente para que se alcance el equilibrio térmico (Si en el paso 1 la temperatura de la acetona era la del baño, por qué puede haber variado? Por qué debe esperarse hasta igualar las temperaturas?). Mida el vacío en el vacuómetro. Anote este valor y el de temperatura. 4. Haga vacío nuevamente unos 30 segundos y repita 3 5. Coloque el termostato a 30 °C, espere hasta alcanzar el equilibrio térmico anote los valores de temperatura y presión. Espere 5 minutos y vuelva a leer los valores de T y P. 6. Repita el paso 5 a 35 °C y a 40 ° C. 7. Grafique los datos obtenidos y verifique si la acetona cumple la ecuación de ClausiusClapeyron. 8. Utilizando el método de mínimos cuadrados calcule el HΔ de vaporización de la acetona y compárelo con el valor extraído de la literatura.

5 Cálculos Para facilitar los cálculos se recomienda completar la siguiente tabla Acetona: -1

T(ºC)

T(K)

Datos:

Tb (Acetona) = 56.1 ºC

1/T (K )

P.vacío(mbar)

ΔHvap = 124.5 cal/g

Pvap

LnP

-1

-1

R = 1.9869 cal K mol

6 Bibliografía 1. Chang. Fisicoquímica con aplicaciones a sistemas biológicos. 2. Castellán. Fisicoquímica. 2ª Edición. 1987. Addison-Wesley Iberoamericana S.A 3. Atkins. Fisicoquímica. 3ª Edición. 1991. Addison-Wesley Iberoamericana S.A.