Universidad Nacional Mayor de San Marcos

Facultad de Química e Ingeniería Química

Escuela Académico Profesional de Ingeniería Química

Laboratorio de Fisicoquímica

Practica Nª2

Presión de vapor

Integrantes:

12070029 Bolívar Yactayo Billy Joe

Rodríguez Augusto

Profesora: Ing. Mercedes Puca Pacheco

Horario: Miércoles 8-11

Fecha de Practica: 02/10/2013

Fecha de Entrega: 09/10/2013

Tabla de Contenido

Resumen

El objetivo de la experiencia realizada es determinar la presión de vapor de los líquidos (en este caso el agua) mediante el Método Estático, a temperaturas mayores que la ambiental y con ellas calcular el calor molar de vaporización del liquido.

La experiencia fue realizada bajo una presión de 756 mmHg con una temperatura de 19°C (al momento de iniciar el experimento) y 95% de humedad relativa.

Para la determinación de la presión de vapor de los líquidos aplicando el método estático utilizamos como muestra el agua destilada. Se obtuvieron como datos las alturas que alcanza el mercurio dentro de las 2 ramas del manómetro; mediante estas alturas pudimos obtener la presión manométrica expresada en mmHg. Graficando estos datos en papel milimetrado (1/T vs Log (Pv)) se halla la pendiente de esta recta (con los datos experimentales y teóricos). Teniendo ésta pendiente se halla el calor molar de vaporización al relacionarla con ecuación de Clausius–Clapeyron:

LnP= −❑2,3 RT

+c

Los resultados obtenidos para ΔHv experimental es de 30520.694 J/mol teniendo en cuenta que es ΔHv teórico es de 40650 J/mol arrojándome un porcentaje de error de 24.92%.

Luego del experimento se puede concluir que la presión de vapor y la temperatura tienen una relación directamente proporcional y teniendo especial cuidado de no abrir la llave de doble vía al aire libra para que no se mezcle el mercurio con el agua.

Introducción

Cuando dejamos un vaso con agua este va evaporándose lentamente podría tardar días hasta semanas en hacerlos mientras que si dejamos thinner este se evaporara más rápido hasta genera una sensación de frio esto se debe a su calor de vaporización es menor.

Esto se explica desde un nivel molecular; la presión de vapor no es más que el equilibrio entre la cantidad de moléculas que escapan de la fase liquida debido a su alta energía y la incorporación de moléculas en la fase liquida por su baja energía; la sensación de frio que se percibe en algunos líquidos volátiles es debido a que las moléculas que salen de la fase liquida se llevan energía y cada vez queda menos energía en el estado líquido.

El calor de vaporización es un dato importante pues con el podemos tomar las precauciones necesarias para evitar situaciones desfavorables, con por ejemplo si una industria produce un líquido volátil entonces dicha fabrica tiene que evitar la menor perdida posible en la vaporización, o también para un material toxico, conociendo los valores de la entalpia de vaporización podemos evitar que dicho material pase al medio ambiente y así podemos enumerar una infinidad de situaciones en donde es necesario conocer dicho valor.

PRINCIPIOS TEORICOS

PRESION DE VAPOR: Tenemos las siguientes definiciones:

La presión de vapor de un líquido es la presión ejercida por vapor cuando los estados líquidos y vapor están en equilibrio dinámico. (Tomado de: “Química: la ciencia central” novena edición-Theodore L. Brown pág. 426)

Es la presión medida cuando hay un equilibrio dinámico entre la condensación y la evaporación. (Tomado de: “Química” séptima edición-Raymond Chang pág. 446).

La presión ejercida por un vapor en equilibrio dinámico con su líquido se denomina presión de vapor. (Tomado de: “Química General” octava edición-Petrucci Harwood Herring pág. 483)

En estas tres definiciones se observa repetitivamente la palabra equilibrio dinámico, veamos qué quiere decir esto. Las moléculas de un líquido se mueven con diferentes velocidades. En un instante dado, algunas de las moléculas que está en la superficie del líquido poseen suficiente energía para vencer las fuerzas de atracción de sus vecinas y escapar a la fase gaseosa. Cuanto más débiles son las fuerzas de atracción, mayor es el número de moléculas que pueden escapar y mayor es la presión de vapor.

A cualquier temperatura dad, tiene lugar un movimiento continuo de moléculas de la fase liquida la fase gaseosa. Sin embargo, al aumentar el número de moléculas en la fase gaseosa, aumenta la probabilidad de que una molécula de la fase gaseosa choque con la superficie del líquido y vuelva a ser capturado por este. En algún momento, la frecuencia con que las moléculas regresan al líquido es igual a la frecuencia con que escapan. El número de moléculas de la fase gaseosa llega entonces a un valor estable, y la presión de vapor se hace constante.

La condición en la que dos procesos opuestos están ocurriendo simultáneamente con la misma tasa de denomina equilibrio dinámico. Un líquido y su vapor están en equilibrio cuando la evaporación y la condensación ocurren con la misma rapidez. Podría parecer que nada está ocurriendo en un equilibrio porque no hay un cambio neto en el sistema. En realidad, es mucho lo que está sucediendo; las moléculas pasan continuamente del estado líquido al gaseoso y del gaseoso al líquido. Todos los equilibrio entre estado diferentes de la materia poseen este carácter dinámico.

La temperatura a la cual la presión de vapor del líquido se hace igual a 1 atm es la temperatura de ebullición normal del mismo, Teb. Algunos sólidos son suficientemente volátiles como para producir una presión mensurable de vapor, incluso a temperaturas ordinarias; si la presión de vapor de un sólido se hace igual a 1 atm por debajo de su temperatura de fusión, el sólido se sublima. Esta temperatura se conoce con el nombre de temperatura de sublimación normal, Ts. Las temperaturas de ebullición y sublimación dependen de la presión que se ejerce sobre la sustancia.

VAPOR.

Se denomina vapor cuando una sustancia se encuentra en estado gaseoso. Los términos de vapor y gas son intercambiables, aunque en la práctica se emplea la palabra vapor para referirse al de una sustancia que normalmente se encuentra en estado líquido o sólido, como por ejemplo agua, benceno o yodo. Se ha propuesto restringir el uso del término a las sustancias gaseosas que se encuentren por debajo de su punto crítico (la máxima temperatura a la que se puede licuar aplicando una presión suficiente) y hablar de gas por encima de la temperatura crítica, cuando es imposible que la sustancia exista en estado líquido o sólido. Esencialmente, el uso de los términos es arbitrario, porque todas las sustancias gaseosas tienen un comportamiento similar por debajo y por encima del punto crítico.

VOLATILIDAD Y FUERZAS INTERMOLECULARES:

Se puede esperar alta presión de vapor cuando las moléculas de un líquido se mantiene juntas solo por fuerzas intermoleculares débiles en el líquido y baja presión de vapor cuando son fuertes. Por consiguiente se puede prever que los compuestos capaces de formar enlaces de hidrógenos sean menos volátiles que otros de masa molar similar. Se puede ver el efecto de los enlaces de hidrogeno con claridad cuando se compara el dimetil éter(1) y el etanol (2), cada uno de los cuales tienen la formula molecular C2H6O. Como ambos poseen el mismo número de electrones, se puede anticipar que tengan interacciones de London similares, por lo tanto, presiones de vapor similares. Sin embargo, una molécula de metano tiene grupo –OH y puede formar un enlace de hidrogeno entre sí. Las moléculas de éter no pueden formar un enlace de hidrogeno entre sí porque todos los átomos de hidrogeno están unidos a átomos de carbono. Como resultado de esta diferencia, el etanol es un líquido a temperatura ambiente, mientras que el dimetil éter es un gas.

A fin de establecer una expresión para la presión de vapor, primero recordamos que cuando un líquido y su vapor se encuentran en equilibrio el cambio en la energía libre para la formación de vapor a partir del líquido es cero:

∆G vap=Gm (g )−Gm (l )=0 (1)

La energía libre molar de un líquido es casi independiente de la

presión y, por ende, se puede reemplazar Gm (l ) por su valor estándar

(su valor a 1 bar), Gm ° (l ) La energía libre molar de un gas ideal varía

con la presión y los argumentos termodinámicos muestras que, para un gas ideal,

Gm (g ,P )=Gm ° (g )+RT lnP (2)

DondeP es el valor numérico de la presión en bares yGm ° Es la energía molar estándar del gas (su energía libre molar a 1 bar). En el equilibrio, cuando la presiónP es la presión de vapor del liquido,

∆G vap={Gm° (g )+RT lnP }−Gm ° ( l )¿ {Gm ° (g )−Gm ° (l ) }+RT lnP¿∆G vap°+RT lnP=0

∆G vap°Es la energía libre estándar de vaporización, el cambio en la energía libre (de Gibbs) molar cuando un líquido a 1 bar cambia a vapor a 1 bar. Por lo tanto, la presión de vapor esta dad por

lnP=−∆Gvap °RT

Cuando se inserta ∆G vap°=∆ H vap °−∆T vap°, donde∆ H vap° y ∆ Svap°son la entalpia y la entropía estándar de vaporización, respectivamente, se obtiene la ecuación (3), dad abajo.

Se mostró que la presión de vapor (en bar) está relacionada con la entalpia y la entropía estándar de evaporación estándar mediante

lnP=−∆ H vap °

RT+∆Svap °

R(3a)

O

P=A e−∆H vap ° /RT (3b)

Con A=e−∆S vap° /R como una buena aproximación, las entropías de evaporación de todos los líquidos son aproximadamente iguales porque sufren casi la misma expansión cuando se evaporan. Por lo tanto, se ve que si la entalpia de vaporización es alta –que es el caso probable cuando hay fuerzas intermoleculares fuertes en el líquido- entonces puede esperar que lnP, y por consiguiente la presión de vapor, P, sea baja.

Se espera que la presión de vapor de un líquido a una temperatura dad sea baja y si entalpia de vaporización alta si las fuerzas que actúan entre sus moléculas son fuertes.

VARIACIÓN DE LA PRESIÓN DE VAPOR CON LA TEMPERATURA:

La presión de vapor de unlíquido depende de la velocidad con la cual las moléculas del líquido pueden escapar de las fuerzas que las mantienen juntas. A altas temperaturas hay más energía disponible para superar estas atracciones que a bajastemperaturas y, por lo tanto, puede esperarse que la presión de vapor de un líquido se eleve con el aumento de la temperatura. En la Tabla N°01se muestra la dependencia de la temperatura de la presión de vapor de agua y en la Tabla N°02 como la presión de vapor de diversos líquidos varia con la temperatura. En efecto, vemos, que como se espera de la ecuación (3), en cada caso la presión de vapor se incrementa con la temperatura (específicamente, como e−∆ H vap° /RT).

Podemos usar la ecuación (3a) para predecir la variación de temperatura a partir de la presión de vapor. Ni la entalpia ni la entropía de vaporizaciónvarían demasiado con la temperatura; por consiguiente, para una sustancia dada, ∆ H vap° y ∆ Svap °pueden tratarse

aproximadamentecomo constantes. Las presiones de vapor P1 y P2 a cualquiera de dos temperaturas T1 y T2 se relacionan al escribirecuación 3a para dos temperaturas y sustrayendo una respecto de la otra. En el proceso, los términos de entropía se cancelan:

ln P2−lnP1=(−∆H vap°

RT 2+∆Svap °

R )−(−∆ H vap°

RT 1+∆Svap °

R )¿ ∆ H vap °

R ( 1T 1− 1T 2 )

Luego, debido a que lna−lnb=ln ( ab ), se onbtiene la ecuación de

ClausiusClapeyron:

ln (P2P1 )=∆ H vap °

R ( 1T 1− 1T 2 ) (4)

2.3 log( P2P1 )=∆ H vap °

R ( 1T 1− 1T 2 )

(5)

Utilizamos esta ecuación para predecir la presión de vapor a cualquier temperatura de interés, dada la presión de vapor a alguna otra temperatura.

La presión de vapor de un líquido se incrementa a medida que aumenta la temperatura. La ecuación de CLAUSIUS- CLAPEYRON da la dependencia cuantitativa de la presión de vapor de un líquido de la temperatura.

Parte Experimental

I. MATERIALES

Matraz con tapón bihoradado Termómetro Manómetro Llave de doble vía Cocinilla Papel milimetrado

II. REACTIVOS

Agua destilada

PROCEDIMIENTO

a) Instale el equipo de la fig. 1

Fig. 1

b) Llene el matraz con agua destilada hasta 1/3 de su volumen total, manteniendo la llave abierta al ambiente. La presión dentro del matraz, es igual a la atmosférica, por lo tanto el nivel de mercurio en cada rama del manómetro es el mismo.

c) Caliente el agua hasta ebullición, la temperatura no debe exceder de 100°C.

d) Terminado el experimento cierre la llave conectada al balón y déjela abierta al ambiente, de esta forma evitará que el mercurio pueda pasar al balón.

Tabla de datos

TABLA N°1 : Condiciones de laboratorio

PRESION TEMPERATURA HUMEDAD RELATIVA

756 mmHg 19°C 96%

TABLA N°2 : Datos experimentales

Tª Pv experimental

9998979695949392919089888786858483828180

TABLA N°3 : Datos Teóricos

Discusión de resultados

Como se vio en los cálculos el porcentaje de error en la determinación experimental es alto lo cual quiere decir que las medidas tomadas son inexactas, y que pudieron haber sido afectado por diversos factores como los siguientes:

La falta de precisión en la medición de las alturas.

La temperatura no uniforme en toda la superficie del agua.

La variación de la altura con respecto al nivel del mar.

La manipulación o uso incorrecto de los instrumentos.

El redondeo realizado en los cálculos.

Error en la determinación de la pendiente en las graficas.

CONCLUSIONES:

Se calienta el agua hasta los 99°C con el fin de tener una concentración elevada de vapor de agua de tal manera que al realizar los cálculos en el sistema se pueda despreciar la presión ejercida por el aire.

Cuando se reduce la temperatura se crea un vacío es por ello que la columna de Hg asciende para llenar ese vacío.

En la tabla se observa que a medida que la temperatura desciende de ello se concluye que el incremento de temperatura incrementa la presión, a nivel molecular esto demuestra que si se le incrementa la energía las moléculas adquieren tanta velocidad que son capaces de salir de la fase liquida

La grafica es una recta lo que implica que la pendiente es constante esto quiere decir

que el calor o entalpia de vaporización es constante (la pendiente representa:∆ H vap °

2.3R).

Se demostró gráficamente que la presión de vapor depende exclusivamente de la temperatura.

Los errores obtenidos son muy grandes estos se deben a diversos factores los cuales están: La habilidad del observador y también se observó que el tapón del matraz dejaba entrar aire alterando la exactitud de la medición.

RECOMENDACIONES:

i. Asegúrese que todos los tapones estén bien sellados

ii. Cuando la temperatura llegue a 99°C ponga al mismo nivel las columnas de mercurio

iii. Ponga niveles de referencia en el papel milimetrado, que está en el manómetro, para facilitar las mediciones.

iv. Para mayor exactitud usar 5 cifras significativas

BIBLIOGRAFIA:

- Theodore L. Brown, “Química La Ciencia Central” ,novena edición

- Raymond Chang, “Química”, séptima edición.

- Petrucci Harwood Herring, “Química General” octava edición.

- Gordon M. Barrow, “Química general”, Volumen 1

- Peter William Atkins,Loretta Jones “Principios de química: los caminos del descubrimiento”

- Findlay Levitt, B. “Química-física practica”

I. APENDICE

1)Analice la relación que existe entre los calores delcalor molar de vaporización y la naturaleza de la sustancias.

La evaporación de un líquido es el paso de las moléculas que están en una fasse liquida a una fase gaseosa para esto se necesita que estas moléculas tengan la energía suficiente para poder salir de la fase liquida.

Las fuerzas intermoleculares son las que se encargan de retener la salida de una molécula

De estas dos ideas concluimos que mientras mayores sean las fuerzas intermoleculares mayor será la energía necesaria para salir dela fase. Por ejemplo si la sustancia posee puentes de hidrogeno (como el agua) serámás difícil que se evapore que una molécula que no posea puentes de hidrogeno (éter).

3.-Explique el método del isoteniscopio e indique el rango de valores para el que es aplicable

Un isoteniscopio es un aparato empleado para la medición de la presión de vapor de sustancias en fase líquida. El instrumento consta de un manómetro y de un recipiente en el cual se introduce la sustancia cuya presión de vapor se va a medir. La apertura del manómetro se conecta a un sensor de presión. Es necesario utilizar una célula de vacío para ajustar la presión del sistema y purificar la muestra.

Este método consiste en bulbo de vidrio A, de unos 2cm de diámetro, conectado con un tubo B con una pequeña U, que tenga en cada rama una longitud de 3 a 4 cm. El principio en el que se funda este dispositivo es que la presión de vapor en A debe equilibrarse con una presión ajustable de aire en la parte externa del aparato, para que el líquido alcance el mismo nivel en las dos ramas del tubo B en U. La presión registrada en esta condiciones con el manómetro M es igual a la presión barométrica menos la presión de vapor. La temperatura de A es la del baño en que el bulbo está sumergido.

La presión del aire se regula con la llave C que se conecta con una trompa de vacío y con la llave D que deja entrar aire a través del capilar. El frasco de gran tamaño actúa de regulador para estabilizar la presión; debe cubrirse de fieltro o lana de vidrio, para reducir al mínimo las fluctuaciones de temperatura y evitar que salten trozos de vidrio que puedan romperse al momento de hacer el vacio.

Para hacer una determinación el aparato se monta primero y se comprueba que no tenga fugas, se introduce a continuación el liquido hasta que A y B queden llenos en sus dos terceras partes .La presión se reduce para hacer que el liquido de A hierva, de forma que desplace el aire del isoteniscopio, logrando este objetivo ,se restablece cuidadosamente la presión abriendo D hasta que el liquido en B alcance su nivel equilibrado y esta situación debe mantenerse hasta que el isoteniscopio tome la temperatura del termostato. El ajuste final de presión debe hacerse con sumo cuidado, lo que debe ser juzgado con la vista. Entonces deben hacerse las lecturas del termómetro, barómetro y manómetro .El proceso de vaciado y de medida de presión de vapor debe repetirse hasta que se tenga seguridad de que el aire ha sido completamente evacuado .si los resultados se reproducen, ya es posible realizar medidas a otras temperaturas, cuidando que no entre aire en el interior de A. Es preciso dejar transcurrir suficiente tiempo a cada temperatura, para que el liquido tome la temperatura del baño; cuando esto sea así la presión de vapor permanecerá estabilizada indefinidamente

El isoteniscopio es particularmente útil para el intervalo de temperaturas entre 20 y 150 ºC, y para presiones de vapor entre 1 y 100 kN m-2.