DETERMINACIÓN DEL PUNTO TRIPLE DE UNA SUSTANCIA PURA

EQUILIBRIO ENTRE FASES

OBJETIVO:

Determinar experimentalmente las condiciones de presión y temperatura bajo las cuales una sustancia pura se presenta simultáneamente en sus fases sólida, líquida y vapor.

INTRODUCCIÓN:

Los estudios de los equilibrios entre fases se van a introducir con algunos sistemas químicamente sencillos, los cuales están constituidos por una sola sustancia química o componente. Pero con esto lo que se pretende es que la composición de todas y cada una de las fases presentes queden del todo determinadas, al especificar una sola sustancia química en el sistema. Las fases presentes en un sistema de un solo componente para diferentes presiones y temperaturas pueda representarse en forma adecuada en diagramas que dan P en función de T.    

              El establecimiento de la regla termodinámica que rige el equilibrio que puede aparecer entre distintas fases, en cualquier sistema, requiere la definición previa y precisa de tres conceptos. El primero es el llamado fase, la cual se define como la parte de un sistema que en su totalidad es uniforme física y químicamente. Una fase puede consistir en cierta cantidad pequeña o grande de materia que puede estar en una sola porción o dividida en diferentes porciones más

pequeñas; sin embargo, esta fragmentación no debe alcanzar las dimensiones moleculares.     Es ahora necesario considerar de que información se debe disponer para especificar la composición química de un sistema. En relación con este problema, se ha hecho familiar la palabra componente, a la cual está ligada una definición rigurosa del la misma. El número de componentes se define como el menor número de especies químicas diferentes e independientes, necesario para describir la composición de cada una de las diferentes fases del sistema.     Algunas propiedades de cada fase de un sistema son independientes de la cantidad de fase presente. Las propiedades características de las fases de un sistema por separado, e independientes de la cantidad de materia que existe en cada fase, se llaman propiedades intensivas. En cambio, otras propiedades, como peso y volumen de cada fase, que dependen de la cantidad de materia de la fase, se conocen como propiedades extensivas, Las propiedades de este último tipo no importan tanto en el estudio del equilibrio entre fases.     Por ejemplo, un sistema de una sola fase y un solo componente tiene muchas propiedades intensivas. Para describir exactamente el estado de un sistema tan sencillo, se pueden medir y reseñar su presión, temperatura, densidad, índice de refracción, calor específico y así sucesivamente. Sin embargo, la experiencia ha enseñado que no es necesario especificar todas estas propiedades para caracterizar propiamente al sistema.     Fruto de estas observaciones es que solo se requiere fijar arbitrariamente unas pocas propiedades intensivas de una sustancia, o dicho de otra forma, sólo se necesita que estas queden especificadas para definir el estado de la sustancia. El número de grados de libertad de un sistema se define como el menor número de variables intensivas que es necesario determinar para fijar los valores de todas las demás variables intensivas. Otra forma de establecer esta definición, que en ocasiones es más fácil de aplicar, es que el número de grados de libertad es el número de variables intensivas que se pueden modificar arbitrariamente sin que varíe el número de fases del sistema. El número de grados de libertad está dado por la Regla del as Fases de Gibbs.

L = C - F + 2

donde L es el número de grados de libertad, C el número de componentes y F el número de fases presentes en el sistema.

    Para un sistema de un solo componente, la ecuación anterior se reduce a L = 3 - F; cuando hay una sola fase, se tienen dos grados de libertad y su representación en el diagrama de presión contra temperatura es una superficie; cuando son dos fases, no hay mas que un grado de libertad y la representación es una línea; cuando coexisten tres fases, L = 0 y esta situación se simboliza en el diagrama de fases con un punto.                    

EQUIPO Y REACTIVOS.

1 Manómetro

1 Bomba de vacío con trampa

1 Matraz bola con tapón trihoradado

1 Soporte Universal con pinza

1 Termómetro de - 1 a 101 ºC

1 Recipiente para baño de hielo

  Benceno

  Hielo

  TÉCNICA:

a. Montar el aparato que se muestra en la figura b. Conectar la bomba de vacío y determinar la presión de vapor

del benceno a la temperatura ambiente. c. Introducir el matraz dentro del baño de hielo y determinar las

condiciones de presión y temperatura bajo las cuales se presenta el punto triple.

  CUESTIONARIO:

1. ¿Qué es el punto triple? 2. ¿Qué es la regla de las fases y qué información proporciona en

la construcción del diagrama de fases? 3. ¿Qué es la ecuación de Clausius-Clapeyron y qué información

proporciona en la construcción del diagrama de fases? 4. ¿Es un punto triple el equilibrio entre dos formas cristalinas

diferentes de una sustancia y su líquido? Dar un ejemplo. 5. Proporcionar la ecuación para la presión de vapor del benceno

en función de la temperatura.

  BIBLIOGRAFÍA:

Barrow, G.M. Química Física Ed, Reverté, S.A. Ferguson, F.D. La Regla de las Fases Ed. Alhambra, S.A.    

Estimación del punto triple de sustancias puras.

La determinación del punto triple de una sustancia pura es uno de los experimentos que más cuidados requiere para su optima realización, los

alumnos necesitan ser especialmente cuidadosos en las condiciones de trabajo que propongan para la realización exitosa del experimento.

En la vida diaria hemos visto la ebullición del agua, la cual constituye el equilibrio de fases entre el vapor y el líquido. También sabemos de la fusión del hielo, que corresponde al equilibrio entre el sólido y el líquido; pero también hemos observado como el hielo seco, sólido, desprende vapores a temperatura ambiente, el cual experimenta un proceso de sublimación y representa el equilibrio entre el sólido y el vapor; de manera que se pudiera inferir la posibilidad de que el agua sólida (hielo) sublimase. Pero ¿existe algún estado termodinámico en donde las tres fases, sólido, líquido y vapor, coexistan en equilibrio? En principio se puede suponer que todas las sustancias presentan al menos un punto triple. ¿Qué experimento se sugeriría para probar esta hipótesis? ¿Qué equipo experimental sería requerido?

La presión de vapor de un líquido puro es la presión a la cual el líquido se encuentra en equilibrio con su vapor. La presión de vapor aumenta en la medida en que lo hace la temperatura, hasta llegar a la temperatura crítica( a la cual no existe líquido).

El punto de ebullición normal de un líquido, es la temperatura a la que la presión de vapor del líquido se iguala a la presión atmosférica de 1 atm. Para dos fases en equilibrio, en un proceso isotérmico reversible a presión constante :

Expresión, esta última, conocida como ec. de Clapeyron.

Ahora bién, para un equilibrio entre dos fases, fase gaseosa y fase condensada(líquido o gas) , por ejemplo, se tiene

donde vgas y vcond son los volúmenes molares de las fases respectivas.

Pero, generalmente el volumen molar de un gas(vgas), es mucho mayor que el volumen molar de la fase condensada(vcond), luego, para un líquido de una sustancia pura en equilibrio con su vapor, vv >> vl y la ec. (2) puede escribirse como

donde vgas es el volumen molar del vapor.

Ahora, asumiendo que el gas se comporta idealmente, y diferenciando , se tiene

Integrando entre límites

Las ecuaciones (5) y (6), y aún la obtenida de la integración indefinida , son conocidas como ecuación de Clausius-Clapeyron.

Regla de las fases.

La regla de las fases relaciona las condiciones que se deben especificar a fin de describir totalmente a un sistema en equilibrio. El gran científico norteamericano Josiat Willard Gibbs fue quien derivó esta simple generalización en 1876 y se basa en los siguientes conceptos:

Fase(F) es una parte del sistema de composición uniforme y que puede ser separada por medios mecánicos.

Componente(C) es el número más pequeño de variables, necesario para describir las condiciones de todas y cada una de las fases presentes en un sistema.

Número de grados de libertad o variancia(V) es el número de variables intensivas(T, P, etc.) que pueden ser alteradas sin la aparición o desaparición de una fase.

Sistema. Desde un punto de vista termodinámico un sistema es una parte del universo, aislada del resto del universo, por límites definidos.

Matemáticamente la regla de las fases puede expresarse de la forma siguiente:

V = C - F + 2

de ahí que, para un solo componente, el punto triple de una sustancia pura puede expresarse como

V = 1 - 3 + 2 = 0

lo que significa que la presión y la temperatura necesarias para la coexistencia de tres fases en equilibrio, son únicas. Adicionalmente, debe observarse, que el máximo número de fases que pueden coexistir en equilibrio, son tres.

Figura. (1) Punto triple del agua.

Así por ejemplo, para la gráfica del punto triple del agua (Figura (1)), cada curva representa el equilibrio entre dos fases y su intersección, punto triple, representa la coexistencia de las tres fases.

PRACTICA 3

PUNTO TRIPLE DE UNA SUSTANCIA PURA 

Antecedente

En la vida diaria hemos visto la ebullición del agua, la cual constituye el equilibrio de fases entre el vapor y el líquido. También sabemos de la fusión del hielo, que corresponde al equilibrio sólido y líquido; pero quizá también hemos observado como el hielo seco, sólido, desprende vapores a temperatura ambiente, el cual experimenta un proceso de sublimación y representa el equilibrio sólido y vapor; de manera que se pudiera inferir la posibilidad de que el agua solida (hielo) sublimase. Pero, ¿existe algún estado termodinámico en donde las tres fases, sólido, líquido y vapor, coexistan en equilibrio? En principio se puede suponer que todas las sustancias presentan al menos un punto triple. ¿Qué experimento sugeriría para probar esta hipótesis? ¿Qué equipo experimental seria requerido? 

Objetivo

Encontrar las condiciones experimentales a las cuales existe el punto triple del benceno.

Introducción

La regla de las fases de Gibbs es una relación fenomenológica que es muy útil para determinar el estado termodinámico del sistema; es decir que establece cuantas variables independientes e intensivas deben medirse con la finalidad de poder conocer las restantes.

Metodología 

De acuerdo con la regla de las fases de Gibbs, el estado termodinámico en el cual coexisten las fases sólida, liquida y vapor es único. Si se parte de un liquido subenfriado, y mediante etapas de cuasi equilibrio se quiere llegar al punto triple, entonces será necesario disminuir paulatinamente la temperatura y posteriormente la presión en el sistema.

Material y Reactivos:

2 Trampas de vacío

4 Mangueras

3 Soportes universales

1 Soporte para barómetro

1 Papel milimétrico

2 Pinzas de 3 dedos

2 Cristalizadores

3 Tapones

1 Termómetro

3 Tubos de vidrio en forma de L

1 Tubo en U de rama abierta

1 Bomba de vacío

Benceno, Hielo, y Agua

Procedimiento

 

1.- Montar el dispositivo experimental según se muestra en el esquema.

2.- Registrar el valor de la presión y la temperatura del sistema (matraz bola), en las condiciones iniciales de presión atmosférica y temperatura ambiente.

3.- Sumergir el fondo del matraz en hielo picado y esperar la aparición de la fase sólida.

4.- Disminuir lentamente la presión del sistema y simultáneamente raspar las paredes del matraz para evitar la posibilidad de estados meta estables.

5.- En el estado de equilibrio estable se deberá poder observar líquido, cristales y burbujas.

6.- Anotar los valores de temperatura y presión manométrica observados en las condiciones del punto 5.

7.- Leer el valor de la presión atmosférica en el barómetro.

Resultados

1.- Reportar los valores de temperatura y presión absoluta encontrados

T=______°C; Pabs= ___________mmHg.

2.- En el diagrama de fases de presión contra temperatura localizar el estado termodinámico inicial.

3.- Dibujar la sucesión de estados de cuasi equilibrio usados para conseguir el punto triple.

4.- Comparar los valores registrados de temperatura y presión del punto triple contra los reportados en la literatura técnica.

Cuestionario

1.- ¿Qué es una fase?

2.- ¿Qué es una variable independiente?

3.- ¿Qué es una variable intensiva?

4.- ¿Qué significa grado de libertad?

5.- ¿Qué es un diagrama de fases?

6.- ¿A que se denomina punto triple de una sustancia?

7.- ¿Qué significa estado de cuasi equilibrio?

8.- ¿Cuál es la diferencia entre estado de equilibrio estable y estado de equilibrio meta estable?

9.- ¿Cuántos grados de libertad tiene el sistema de un componente puro en el punto triple?

10.- ¿Qué significa que el estado termodinámico de un sistema sea invariante?

11.- ¿Una misma sustancia pura puede presentar más de un punto triple? Explique su respuesta.

12.- ¿Qué significa líquido subenfriado o comprimido?

Bibliografía

 

Smith J.M., Van Ness H.C. y Abbott M.M., Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química, Sec. 2.8 y 3.1, 5a Ed., McGraw-Hill, México, 1997.