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Determinación de la presión de un líquido puro

Enviado por sideral02029



  1. Objetivos
  2. Introducción teórica
  3. Variación de la presión de vapor con la temperatura
  4. Punto de ebullición
  5. Cuestionario
  6. Conclusiones
  7. Bibliografía

 

OBJETIVOS

  • Determinar experimentalmente la presión de vapor de los líquidos puros a distintas temperaturas de ebullición, modificando la presión del sistema.
  • Determinar la relación existente entre la presión de vapor y la temperatura de los líquidos puros.

INTRODUCCIÓN TEÓRICA

LA PRESIÓN DE VAPOR DE LOS LÍQUIDOS

Esta presión es conocida como presión saturada de vapor del liquido correspondiente. Para un liquido cualquiera la vaporización va acompañada de absorción de calor y la cantidad de este, cuando se nos da una presión y una temperatura, con las cuales se puede calentar cierto peso de liquido se conoce con el nombre de el calor de vaporización y es la diferencia de entalpía de vapor y liquido, esto es, D Hv = Hr - Hl; donde D Hv significa el calor de vaporización de las variables mencionadas, estas son las entalpías de vapor y de liquido.

D Hv = D Ev + P D Vv

Cuando se miden la diferentes presiones y temperaturas de un liquido se usan varios procedimientos para medir la presión de vapor de un liquido, llamados estáticos y dinámicos. Para el primer caso antes mencionado se deja que el liquido establezca su presión de vapor sin que haya ninguna alteración, mientras que en los dinámicos el liquido hierve, ó se hace pasar una corriente inerte de gas a través del mismo. La presión ejercen las moléculas de vapor en equilibrio con el liquido mismo a, una determinada temperatura se llama presión de vapor del liquido. La presión de vapor depende de la clase del liquido, además de el liquido mismo que se emplee; a veces este depende en gran manera de la naturaleza que hay en las interacciones de las moléculas del liquido; un compuesto como el agua tiene una presión de vapor mas baja que el éter porque las moléculas de agua tienen fuerzas de atracción intermolecular mayores que las moléculas del éter.

VARIACIÓN DE LA PRESIÓN DE VAPOR CON LA TEMPERATURA

La presión de vapor de un liquido, es constante a una temperatura dada, pero aumenta si lo hace la temperatura hasta el punto critico del liquido. Cuando se aumenta la temperatura es aumentada o mayor la porción de moléculas, estas toman la energía necesaria para hacer el cambio de liquido a vapor, y en consecuencia se precisa mayor presión para establecer un equilibrio entre el vapor y el liquido. Hay un acensuó lento a bajas temperaturas, y luego uno muy rápido como puede observarse como aumento de la pendiente de las curvas. Esta variación de la presión de vapor con la temperatura se expresa matemáticamente con la ecuación de Clausius-Clapeyron. Para la transición de líquidos a vapor P es la presión a la temperatura T, D H= D Hv el calor de vaporización de un peso dado de liquido, y V1 = V l el volumen del liquido, mientras que V2 = V g es el volumen del mismo pero de vapor. En consecuencia, para la vaporización la ecuación de Clausius-Clapeyron puede escribirse así:

A temperatura no muy próxima a la critica V l es muy pequeña comparada con V g y puede despreciarse. Así a 100ºC, Vg del agua es 1671cc por gramo, mientras que Vi es solo 1.04 cc por gramo. Ademas si suponemos que el vapor se comporta esencialmente como un gas ideal, entonces Vg por mol viene dada por V g = RT/ P y la ecuación anterior se transforma en :

Esta ecuación es conocida como ecuación de Clausius-Clapeyron.

Integrando esta nos queda de la siguiente forma:

Log10 P = - D Hv / 2.303 R ( 1/ T ) + C

Además comparamos la ecuación con la de una línea recta y = mx + b, sugiere que si Log10 P para un liquido se gráfica contra 1 / T, entonces la gráfica debe ser una línea recta con :

PENDIENTE

m = (- D Hv / 2.303 R)

INTERSECCION

b = C

De las pendientes de las lineas, se deducen los calores de vaporización de diversos líquidos, así:

pendiente = m = - D Hv / 2.303 R y por lo tanto D Hv = - 2.303 R m = - 4.576m cal mol-1

La grafica anterior nos muestra el comportamiento de la ecuación de Clausius-Clapeyron.

ENTALPÍA.

La mayoría de los procesos físicos y químicos tienen lugar a presión constante y no a volumen constante. Esto es cierto, por ejemplo en el proceso de vaporización, la energía interna E se puede usar efectivamente en procesos a volumen constante, encontraremos muy conveniente en los cambios a presión constante emplear otra función termodinámica. Al igual que la energía interna no podemos establecer el valor absoluto de la entalpía para un cierto sistema aunque al igual que con E, es la magnitud delta, la diferencia de valores D H, la que es importante al igual que la energía interna, la entalpía de un sistema depende exclusivamente de su estado y no de su historia anterior.

PUNTO DE EBULLICIÓN

Se define punto de ebullición de un liquido como la temperatura a la cual la presión del vapor es igual a la presión externa. Cuando se aplica calor a un liquido, su presión de vapor aumenta hasta hacerse igual a la presión atmosférica. El punto de ebullición varia con la presión externa que existe por encima de la superficie del liquido. Al descender la presión, el punto de ebullición disminuye; un aumento en la presión aumenta el punto de ebullición.

Para la realización de este experimento utilizamos el siguiente material.

MATERIAL:

  • Recipiente de ebullición.
  • Mechero.
  • Termómetro de 0°C-100°C.
  • Refrigerante Recto o Equivalente.
  • Frasco de 2 a 3 lts de pared gruesa y de boca ancha.
  • Tubo en U como manómetro.
  • Matraz de dos bocas.
  • Mercurio para manómetro.
  • Bomba de vacío.
  • 2 Vasos de precipitados.

DESARROLLO EXPERIMENTAL:

Para la realización del experimento, fue regido por los siguientes pasos, cabe mencionar que el equipo es de mucha delicadeza, por lo cual tuvimos bastante cuidado.

  • Se coloco el aparato en la mesa de trabajo, cabe mencionar que este en su mayoría ya viene instalado.
  • Llenamos el matraz de dos bocas en una cuarta a media parte de la capacidad de mismo, el liquido de estudio fue agua destilada.
  • Se verifico de manera prudente que el equipo de trabajo en todas sus áreas, dado que este puede presentar fugas, lo hicimos conectando la bomba de vacío y abriendo la llave y cerrando la válvula de venteo, para que la presión se mantenga constante.
  • Fijamos la bomba de vacío controlándolo con la válvula de venteo, la presión que obtuvimos fue de 40mm de Mercurio.
  • Al verificar la presión necesaria, y que en el equipo no hubiera fugas, calentamos el agua destilada, con las presiones y temperaturas iniciales, el calentamiento fue de manera constante lo cual nos permitió una ebullición moderada.
  • Anotamos la temperatura de ebullición del líquido, y así de manera simultanea registramos las lecturas entre las dos ramas del manómetro, cabe mencionar que las lecturas las registramos cuando permaneciera constante.
  • Al terminar de registrar los datos anteriores, modificamos la presión del sistema abriendo lentamente la válvula de venteo, hasta establecer una presión, la cual variamos de 1.5cm a 2cm aproximadamente, cabe mencionar que en cada lectura registrada, se registro de igual manera su temperatura cuando el líquido bulle en las diferentes lecturas.
  • La operación anterior se efectuó las veces necesarias hasta que la diferencia de las lecturas en el manómetro se igualo, o bien hasta que sea igual a 0, esto quiere decir que la presión absoluta del sistema sea igual a la presión atmosférica.
  • Acabando de registrar las lecturas, apagamos la bomba de vacío.
  • Después de que acabamos el experimento, lavamos el equipo, dejándolo en condiciones de uso para otro experimento.

Al realizar el experimento, registramos los siguientes datos, los cuales se presentan en la siguiente tabla, para hacer los cálculos los hicimos de la siguiente manera, par que la unidades sean iguales.

PABSOLUTA = PATMOSFERICA - PVACIO

PATM = 585 mmHg

PVACIO = Es la leída en el manómetro.

D h = mmHg

Temperatura (°C)

h1=cmHg

h2=cmHg

D h = cmHg

66,0

60,5

20,7

39,8

68,0

58,3

23,5

34,8

73,0

57,2

24,2

33,0

78,0

54,1

27,1

27,0

83,0

50,5

31,0

19,5

87,0

46,9

34,4

12,5

91,0

43,1

37,9

5,2

92,0

412,0

39,9

1,3

94,0

405,0

40,5

0

De acuerdo a los datos, la temperatura fue tomada en grados °C, ya que el termómetro esta en esa escala de medición de temperatura, por lo tanto se tiene que convertir a grados °K; cabe mencionar que los datos delas presiones que obtuvimos inicialmente estaban dadas en cm, entonces realizamos la conversión de todos los datos obtenidos quedando de la siguiente manera.

Temperatura °K

h1=mmHg

h2=mmHg

D h = mmHg

(h1-h2 )

PABSOLUTA = PATMOSFERICA - PMANOMETRICA (D h)

PABSOLUTA

mmHg

339,15

605,0

207,0

398,0

585,0 - 398,0 =187

187

341,15

583,0

235,0

348,0

585,0 - 348,0 = 237

237

346,15

572,0

242,0

330,0

585,0 - 330,0 = 255

255

351,15

541,0

271,0

270,0

585,0 - 270,0 = 315

315

356,15

505,0

310,0

195,0

585,0 - 195,0 = 390

390

360,15

469,0

344,0

125,0

585,0 - 125,0 = 460

460

364,15

431,0

379,0

52,0

585,0 - 52,0 = 533

533

365,15

412,0

399,0

13,0

585,0 - 13,0 = 572

572

367,15

405,0

405,0

0

585,0 - 0 = 585

585

CUESTIONARIO:

  • Construir la grafica de presión (mmHg) contra temperatura absoluta (°K).

PABSOLUTA

mmHg

Temperatura °K

187

339,15

237

341,15

255

346,15

315

351,15

390

356,15

460

360,15

533

364,15

572

365,15

585

367,15

  • Construir la grafica de lnP contra temperatura absoluta.

PABSOLUTA

mmHg

Ln P

Temperatura °K

187

5,23

339,15

237

5,46

341,15

255

5,54

346,15

315

5,75

351,15

390

5,59

356,15

460

6,13

360,15

533

6,27

364,15

572

6,34

365,15

585

6,37

367,15

  • Construir la grafica de ln P contra

.Ln P

Temperatura °K

5,23

339,15

0,00294

5,46

341,15

0,00293

5,54

346,15

0,00288

5,75

351,15

0,00284

5,59

356,15

0,00280

6,13

360,15

0,00277

6,27

364,15

0,00274

6,34

365,15

0,00273

6,37

367,15

0,00272

  • Determinar el valor de la entalpía de vaporización (D Hv).

Para determinar la entalpía, se deduce de la formula de la pendiente; aplicando la siguiente ecuación :

Y = m x + b...........pendiente

ln P = - A/ T + B.....entalpía

Donde sabemos que:

A =

D Hv = Entalpía de vaporización en unidades de cal / mol

Esto es la energía necesaria para convertir un liquido a vapor o el calor necesario para pasar de liquido a vapor.

R = (Cte.) 1.987 cal / mol

Aplicando una regresión lineal a los datos antes establecidos para poder determinar los valores de las variables A y B respectivamente tenemos la siguiente tabla:

Ln P

0,00294

5,23

0,00293

5,46

0,00288

5,54

0,00284

5,75

0,00280

5,59

0,00277

6,13

0,00274

6,27

0,00273

6,34

0,00272

6,37

Por lo tanto por el método de mínimos cuadrados tenemos lo siguiente:

Y = m x + b

Calculo de Variables por mínimos cuadrados: (Ecuaciones simultaneas).

Sustituyendo los valores correspondientes tenemos 2 ecuaciones:

Multiplicando la ecuación 1 por (-355,0295858)

Sumamos ecuación 1 y 2 tenemos:

Entonces queda:

Sustituyendo en ecuación 1 queda:

Entonces los valores de las variables m y b son:

m = - 4780,443447

b = 19.3181929

A =

Donde :

A = - ( - 4780,443447 )

A = 4780,443447

D Hv = (A)(R) \ D Hv = (5049.4889)(1.987)

D Hv = 9498,410035 cal / mol

  • Comparar los valores obtenidos gráficamente de presión de vapor, con los reportados en la literatura.

De acuerdo a los valores que se encuentran el manual hacemos la comparación correspondiente, graficando los valores obtenidos experimentalmente y los valores reportados del manual.

Para ver la tabla seleccione la opción "Descargar" del menú superior

Comparando los valores de las entalpías experimental y teórica tenemos:

D Hv = 9498,410035 cal / mol (experimental)

D Hv = 9715,58 cal / mol (teórica)

  • Determine el porcentaje de error entre el valor (D Hv) experimental y el reportado en la literatura.

Error Relativo = 2,234%

CONCLUSIONES:

En la elaboración de este experimento estudiamos otro aspecto mas de los líquidos, cabe mencionar que en el la practica anterior estudiamos las propiedades de los líquidos; principalmente la determinación de la viscosidad y la tensión superficial, ahora entonces estudiamos la presión de vapor de un liquido puro, donde se ven relacionadas implícitamente las características anteriores. Es preciso mencionar que la presión de un liquido será diferente por las características antes mencionadas, además se comprobó que los líquidos tienen un punto critico, o bien donde el vapor hierve y su presión también se hace critica, es decir permanecen constantes y, comprendimos que a la cantidad energía necesaria para cambiar de un estado liquido a vapor se le llama entalpía de vaporización.

BIBLIOGRAFÍA.

FUNDAMENTOS DE FISICOQUÍMICA, ED. LIMUSA, AUTOR: SAMUEL H. MARON; PÁG. 56,221,283.

http://www.elprisma.com/quimica-general/presionliqu-%=

 

Aarón Hernandez


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