UES – FIA – EIQ – FQR-215 Ciclo I / 2012

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DISCUSIÓN DE PROBLEMAS No. 2 – FISICOQUÍMICA II UNIDAD 2: EQUILIBRIO Y REGLA DE LAS FASES

UNIDAD 3: SISTEMAS DE UN COMPONENTE

1. ¿Cuántos componentes hay presentes al mezclar etanol (C2H5OH) y ácido acético (CH3COOH)?

2. Defina los siguientes conceptos:

a) Punto de ebullición normal b) Diferencias entre punto de ebullición normal y el estándar c) Estado tipo para sólidos y estado tipo para líquidos d) Potencial químico e) Equilibrio de fases f) Sistema invariante, univariante, y bivariante

3. Identifique la cantidad de componentes y fases en cada sistema. Suponga que no

hay más componentes en el sistema que los indicados.

a) Un sistema que contiene hielo y agua. b) Una solución 50:50 de agua y etanol (C2H5OH). c) Un tanque presurizado de dióxido de carbono que contiene líquido y gas. d) Un calorímetro de bomba con una bolita de ácido benzoico (C6H5COOH(s)) y 25 litros de O2(g). e) El mismo calorímetro de bomba después de la explosión, en el que el ácido benzoico se convirtió en CO2(g) y H2O(l), suponiendo un exceso de oxígeno.

4. Con la ayuda de diagramas adecuados, describa los cambios físicos y de fase que

podría esperar cuando se calienta agua comprimida a presión constante hasta que se vuelve vapor. La descripción debe cubrir los tres casos:

a) P < Pc b) P = Pc c) P > Pc

5. En el punto triple “clásico” del agua, la presión de vapor del agua líquida es de 4.579 mmHg y la temperatura de 0.0098ºC. En esas condiciones la presión de vapor del hielo debe ser ¿mayor, menor o igual a 4.579 mmHg? Razone su respuesta. ¿Porqué la línea del equilibrio sólido-líquido del diagrama de fases del agua tiene pendiente negativa?

6. Basándose en la siguiente información esquematice y rotule el diagrama de fases

para el compuesto desconocido XX.

a) El punto de fusión del sólido es de 16.6ºC bajo su presión de vapor de líquido de 9.1 mmHg.

b) El sólido existe en dos modificaciones I y II, las cuales son más densas que el líquido, la modificación I es estable a baja presión y II es más denso que I.

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c) Las fases I y II y el líquido están en equilibrio a 55.2ºC a una presión de 200 MPa.

d) La forma I funde a 290 K bajo una presión de vapor de sólido 1210 KPa e) El punto normal de ebullición del líquido es de 391 ºK f) La temperatura de transición desde I hasta II disminuye a medida que

aumenta la presión.

7. A partir del diagrama presentado a continuación, responda lo siguiente:

a) Defina los grados de libertad en el punto c, a lo largo de la línea entre los puntos a y b y en la región de sólido B.

b) Describa los cambios que se mencionan:

i. Calentamiento isobárico desde el punto d ii. Calentamiento isobárico desde el punto c iii. Compresión isotérmica desde el punto b iv. Compresión isotérmica desde el punto a v. Remoción isotérmica e isobárica de calor en el punto b vi. Expansión isotérmica desde el punto d vii. Compresión isotérmica a partir del sólido B viii. Enfriamiento isobárico desde el punto a ix. Adición isotérmica e isobárica de calor en el punto e.

Temperatura (T)

Pres

ión

( P

)

Solido C

Solido B

Solido A

Líquido

Gas

e

Solido

a

b

c

Solido

d

Solido

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8. Haciendo uso del diagrama de fases para el azufre, responda lo siguiente: a) ¿Cuál es la forma del azufre en condiciones ambientales? b) Suponga que una muestra sólida de azufre se disuelve en CS2 (Tnormal

ebullición = 46.3ºC), y posteriormente se evapora el solvente, ¿Cuál sería la forma estable del sólido recuperado?

c) ¿Qué observaría si el azufre rómbico se calentara rápidamente?

9. El calor de vaporización de una sustancia es igual a 10720 cal/mol y su calor de sublimación es igual a 12120 cal/mol. Teniendo en cuenta que el punto triple corresponde a una temperatura de 0.0099ºC y a una presión de 4.58mmHg. Calcule:

a) La presión de vapor del líquido a 15ºC y la del sólido a -15ºC. b) Utilice estos tres puntos para trazar una gráfica utilizando los ejes logP

contra 1/T. Se sabe que en la región bifásica sólido-líquido dP/dT = α c) Indique las distintas regiones del diagrama obtenido.

DIAGRAMA DE FASES PARA EL AZUFRE

10. La Pvapor del etanol es de 135.3 mmHg a 40ºC y de 542.5 mmHg a 70ºC. Calcule el calor molar de vaporización y la presión de vapor del etanol a 50ºC.

Pres

ión

( a

tm)

1290

Rómbico

Monoclínico

Líquido

Gas

444.6 1040 115

116

Temperatura (°C) 119.25 95.5

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11. El mercurio líquido tiene una densidad de 13.69 g/ml y el mercurio sólido una de 14.193 g/ml, ambas medidas en su punto de fusión a -38.87 ºC y 1 atm de presión. El calor de fusión en estas condiciones es de 2.33 cal/g. Calcular los puntos de fusión a una presión de 10 atm y de 3540 atm (el punto de fusión observado a 3540 atm es de -19.9ºC).

12. La presión de vapor del bromobenceno es 1 mmHg a 2.9ºC y de 20 mmHg a

53.8ºC. Calcule el punto de ebullición normal. ¿Cuáles son las posibles razones para la diferencia encontrada con el valor experimental de 156.2ºC

13. Indique si la ecuación de Clausius-Clapeyron se cumple estrictamente en las

siguientes transiciones de fase.

a) Sublimación del hielo en el congelador b) Condensación de vapor para obtener agua c) Congelación del ciclohexano a 6.5°C d) Conversión del hielo VI en hielo VII e) Conversión de oxígeno diatómico, O2(g) en ozono triatómico O3(g) f) Formación de diamantes bajo presión g) Formación de hidrógeno sólido metálico H2 a partir de hidrógeno líquido (la transformación en hidrógeno metálico ocurre bajo megabars de presión y puede formar parte de los planetas gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno) h) La evaporación del mercurio líquido, Hg(l) a partir de un termómetro roto.

14. Establezca una ecuación que presente log (P) como una función de la temperatura

para el CCl4. Este compuesto exhibe las siguientes presiones de vapor a las temperaturas indicadas:

T(ºC) 30 50 70 1000 P(mmHg) 142.3 314.4 621.1 1463

15. La presión de vapor del 2.2 – dimetil – 1 – butanol está dada por la expresión:

Log P = -4849.3/T - 14.701 log T + 53.1187

Donde P está dada en mmHg y T en K. Calcule el calor de vaporización a 25ºC y en el punto de ebullición normal a 136.7ºC

16. Beattie y Marple proporcionan la ecuación siguiente para la presión de vapor del 1

– butanol como una función de la temperatura, válida en un rango de -75 hasta 125ºC:

Log P (atm) = 5.475462 - 1343.516/T - 1.67515 x 10-5 T Calcule:

a) La expresión de ∆H en función de la temperatura. b) ∆H a 300 K c) El punto normal de ebullición del líquido.

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17. Dados los datos de la tabla para el n-propano, grafique ln(P) contra 1/T y determine si es razonable asumir el resultado predicho por la ecuación de Clausius-Clapeyron. Usando la ecuación no integrada estime el calor de vaporización a 25ºC.

T(ºK) -42.07 -25.6 1.4 26.9 58.1 78.7 94.8 P(atm) 1 2 5 10 20 30 40

18. La presión de vapor del mercurio a 356 K es de 103 torr. Estime el punto de

ebullición normal del mercurio, en el que su presión de vapor es de 760 torr. El calor de vaporización del mercurio es de 58.7 kJ/mol.

19. Calcule la presión que se requiere para fundir agua a -10°C si el volumen molar

del agua en estado líquido es de 18.01 mL y el volumen molar del hielo es de 19.64 mL. El valor de ∆S para este proceso es de 22.04 J/°K; puede suponer se que estos valores permanecen relativamente constantes con respecto a la temperatura.

20. Calcule el valor de la pendiente de la línea entre las fases sólida y líquida en el

diagrama de fases del agua a bajas presiones.