UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
INTRODUCCION
Cuando un líquido se encuentra a la temperatura de ebullición, para pasarlo a para romper las fuerzas atractivas intermoleculares, a este calor necesario para evaporar cierta cantidad de sustancia se le conoce con el nombre de calor de vapo vaporiz rizac ació ión. n. El calo calorr de vapo vaporiz rizac ació ión n se cono conoce ce como como calo calorr late latent nte e de vaporización puesto que al aplicarlo, no hay cambio en la temperatura del sistema. Cuando a una cierta cantidad de agua (u otro líquido) se le suministra calor, ste ste se invier invierte te inicia inicialme lmente nte en aument aumentar ar la temper temperatu atura ra del agua. agua. !icho !icho aumento de temperatura viene determinado por el calor suministrado, la masa de agua agua,, y la cons consta tant nte e llam llamad ada a calo calorr espe especí cífi fico co.. "ero "ero si la temp temper erat atur ura a alcanza el punto de ebullición del agua (# $ %&&'C, dependiendo de la presión, y por tanto de la altitud, local), el agua hierve (entra en ebullición) y se va transformando en vapor con mayor o menor rapidez segn la velocidad a la que se le est suministrando el calor. ientras que dura la transformación de líquido a vapor (cambio de fase), su temperatura permanece constante en # e, y la energía que se le suministra se invierte en transformar el líquido en vapor. "or tanto, el paso de la fase líquida a la fase vapor requiere de un aporte de energía. Este informe tiene como finalidad e*plicar un poco la obtención del calor de vaporización e*perimentalmente y los mtodos empleados para tal fin.
LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
OBJETIVOS
•
Comprobar que un líquido problema cumple la ecuación de Clausius +Clapeyron a partir de un grfico de -n" vs. %#.
•
Calcular el calor de vaporización de un líquido que cumple la ecuación de Clausius+Clapeyron. •
!eterminar la presión de vapor del agua a diferentes temperaturas.
FUNDAMENTO TEORICO Presión de vapor, punos de e!u""i#ión$ /e define como presión de vapor de un líquido en equilibrio con su vapor, o simplemente, presión de vapor a una temperatura determinada, a la presión que e0ercen las molculas que escapan de la fase líquida (en equilibrio con las que retornan de la fase vapor). !icha presión de vapor aumenta al elevarse la temperatura, llegndose a un límite que es la presión crítica, en el que la fase líquida desaparece. Cuando la presión de vapor del líquido es igual a la presión e*terna que e0erce el gas en contacto con el líquido, se observa la formación de burbu0as en el seno del líquido y se dice que ste entra en ebullición. 1sí pues, el punto de ebullición de un líquido se define como la temperatura a la cul su presión de vapor es igual a la presión e*terna. /i se produce una disminución de la presión e*terna, el punto de ebullición disminuye, mientras que un aumento de la presión e*terna provocar un aumento del punto de ebullición. -as molculas de un líquido se mueven debido a la temperatura a la que se encuentran, escapando algunas molculas que poseen una velocidad superior a la media a travs de la superficie libre y pasando a la fase gaseosa. 1simismo, las molculas de vapor al chocar con la superficie libre se incorporan a la fase líquida. En las condiciones adecuadas se llegar a un equilibrio entre ambos movimientos. /e puede demostrar e*perimentalmente LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO que la presión de vapor es independiente de la masa del líquido y del espacio ocupado por el vapor, y que sólo depende de la naturaleza del líquido y de la temperatura a la que est sometido el líquido.
Ca"or "aene de vapori%a#ión$ "ara pasar de la fase líquida a la fase de vapor se necesita una absorción de energía por parte de las molculas líquidas, ya que la energía total de estas es menor que la de las molculas gaseosas. En el caso contrario, en la condensación, se produce un desprendimiento energtico en forma de calor. El calor absorbido por un líquido para pasar a vapor sin variar su temperatura se denomina calor de vaporización. /e suele denominar calor latente de vaporización cuando nos referimos a un mol. El calor molar de vaporización se podría referir a un proceso termodinmico a volumen constante o a presión constante, y los designaremos por
( ∆ H V )V y ( ∆ H V ) P .
En el primer proceso, el intercambio calórico que entra en 0uego se invierte en vencer la fuerza de atracción del líquido y se suele denominar calor latente interno de vaporización molar.
En el proceso a presión constante, que se realiza en la prctica frente a una presión e*terior, prcticamente, invariable hay que agregar a la energía interna la necesaria para verificar el cambio de volumen, y viene dado por P ( V g−V L )
siendo
P
la presión del vapor y
V g
y
V L
, los volmenes
molares del vapor y del líquido, respectivamente. 1sí pues, el calor molar de vaporización a presión constante vendr dado por2
( ∆ H V ) P =( ∆ H V )V + P ( V g−V L ) … ( 1)
LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO Como
V g ≫ V L
podemos considerar
PV g= RT
pero como
V L = 0
y
( ∆ H V ) P =( ∆ H V )V + PV g ,
3 considerando que se cumple la ley de los gases
perfectos, nos queda2
( ∆ H V ) P =( ∆ H V )V + RT … ( 2 ) 4asta ahora hemos considerado una nica presión sobre el líquido, la del vapor, pero si el líquido est sometido a una presión e*terna adicional la presión de vapor variar.
E#ua#ión de #"ausius & #"ape'ron Esta ecuación establece la relación entre la variación de la presión y la temperatura2 dP ∆ H V … (3 ) = dT TV
Como
V = V g−V L
, tenemos2
∆ H V dP = … (4 ) dT T ( V g−V L )
#anto
∆ H V
,
V g
como
V L
estn referidas a un mol.
/i la temperatura no est pró*ima al valor crítico el volumen puede despreciar
V L
frente a
V g
dP ∆ H V = … (5 ) dT T V g
!onde2 P
2 "resión ("a)
LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I
. "or tanto2
V L ≪ V g
y se
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO ∆ H V
2 Calor de vaporización
V g , V L
2 5olumen molar de fases vapor y liquida en equilibrio.
/i nos movemos le0os del punto crítico se puede muy bien introducir la ecuación de los gases perfectos
PV V = RT
, quedando2
dP ∆ H V P … (6 ) = 2 dT R T
"ero sabemos que2 dP Pd ln P … (7 ) = dT dT
/i igualamos las ecuaciones
(6 ) y ( 7 ) 2
Pd ln P ∆ H V P = … (8 ) 2 dT R T
6ntegrando esta ecuación entre
(
P atm
) ,
( )
T K
y
P=1 atm
.
T =T b
,
obtenemos2 ln P =
ln P =
−∆ H V R
−∆ H V RT
[
1
−
T
1
T b
]
… (9 )
+ cte… (10 )
Re("a de Trouon Esta regla dice que el cociente entre el calor de vaporización y su temperatura absoluta de ebullición a la presión atmosfrica (78& mm4g) es constante y vale 9% cal:. "ara % mol2 LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO ∆ SV =
∆ H V T b
=21 cal / K
E*isten dos tipos de sustancias que se desvían del valor de entropía (9% cal:)2 %) / ; 9% calgrado, para líquidos asociados por enlaces de hidrógeno, agua, alcohol ... En este caso la asociación de las molculas en fase líquida es mucho mayor que en fase gaseosa. 9) /< 9% calgrado, en cidos donde la asociación molecular e*iste en fase gaseosa. En los hidrocarburos, teres y otros componentes donde no hay asociaciones moleculares ni en la fase líquida ni en la fase gaseosa, se cumple bastante bien la regla de #routon.
FUNDAMENTO E)PERIMENTA* A+& EUIPOS - MATERIA*ES "isceta y agua
edidor de presión
=omba de vacio
#ermómetro
edidor de temperatura digital
matraz esfrico
LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
Equipo armado para la e*perimentación
B+& PROCEDIMIENTO E)PERIMENTA* •
1rmamos el equipo en donde se realizara la e*perimentación> el equipo consiste en una bomba de vacio, frasco de tres entradas, medidor de
•
presión, medidor de temperatura, entre otros. "reparamos el ba?o a %& @C, al agua de grifo le agregamos hielo de la
•
refrigeradora hasta llegar a la temperatura deseada. /e revisa el equipo, tratando de que no halla entrada para el aire ya que
•
la e*perimentación se realizara en vacio. 1gregamos A& ml de agua en el frasco de tres entradas, en donde en una va el sensor de presión, el otro el sensor de temperatura, y el otro
•
conectado para sacar el aire del frasco. Bna vez preparado todo empezamos a tomar mediciones de la presión
•
de vapor de agua a medida que le aumentamos de temperatura. "ara calentar subir la temperatura vamos calentando agua con el mechero y cada cierto tiempo agregamos el agua caliente, tratando que suba A @C y tomar datos de la presión de vapor del agua.
LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO •
#erminamos de tomar los datos y luego con estos se realizaran los clculos respectivos y el anlisis para la obtención del calor de vaporización.
C+& RE.ISTRO DE MEDICIONES -os datos medidos los hemos reunidos en una tabla. #1=-1 %
Presión /Pa0
1234526
721 4526
Te:peraura /;C0
.9
%D.9
7354526 3614526 %.9
9D.9
8274526
837452 6
928452 6
9.9
D.9
.9
Fbservación2 −
-a presión atmosfrica es2 %&% h"a.
D+& CA*CU*OS Con los datos medidos en la tabla %, formamos otra tabla de tal forma que
(10 ) > asi tenemos2
podamos hacer uso de la ecuación
#1=-1 9 ln P −1
1 / T ( K
)
-a ecuación
52+163
52+827
52+959
52+<83
55+22=
55+2<<
55+583
&.&&AD
&.&&DG
&.&&D9
&.&&8
&.&&&
&.&&98
&.&&9
( 10 ) esta dada por2
LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO ln P =
−∆ H V
1
R
T
+ C
En donde observamos que si graficamos la pendiente ser2 pendiente= m=
−∆ H V R
Entonces de la grafica en !ata /tudio obtenemos2 m
=−2410
-uego si2 m=
−∆ H V R
Entonces2 ∆ H V =−m. R
Heemplazando nuestros datos2
(
−1
−1
∆ H V =− −2410 K × 8.314 J mol K ×
Iinalmente2 ∆ H V =19 . 97398537 kJ mol
−1
LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I
1 kJ 1000 J
)
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO E+& .RAFICAS -a grafica de la tabla 9, es la siguiente2
-a grafica nos muestra la relación entre
ln P
1
vs
T y era la esperada lo
cual nos muestra el comportamiento del vapor de agua segn la ecuación de clausius J Clapeyron.
F+& ANA*ISIS DE RESU*TADOS "ara comenzar debemos citar la importancia que el sistema, en este caso el bulbo de tres entradas con el volumen de agua analizado debe estar aislado de la interferencia del aire, ya que se debe realizar en el vacio. 1simismo 0ustificamos la obtención no tan e*acta del clculo e*perimental al clculo teórico> pensando que el equipo armado para esta practica no es el indicado ya que sus mrgenes de error pueden producir errores importantes y por ende no llegaríamos a los resultados requeridos. "or lo tanto tendríamos que utilizar instrumentos mucho ms precisos y evitar así los porcenta0es de error elevados.
LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
CONC*USIONES /e pudo observar que a medida que la temperatura disminuye, la presión de vapor de un líquido tambin disminuye, es decir, e*iste una relación directa entre el cambio de la temperatura y el cambio en la presión de vapor del agua. /i los datos obtenidos al representarlos en una grfica de %# vs. -n " quedan bien representados por una línea recta de pendiente negativa, se dice que cumplen la ecuación de Clausius+Clapeyron.
•
1 partir de la ecuación de Clausius+Clapeyron se puede calcular el calor de vaporización de un líquido mediante la ecuación2
m=
•
−∆ H V R
En el desarrollo de la prctica en el laboratorio es importante aislar nuestro sistema de la interferencia del aire ya que la e*perimentación se debe realizar en el vacío.
BIB*IO.RAF>A Chang H. KIisicoquímicaL> tercera edición. •
1tMins ".N. KIisicoquímicaL 1ddison + Nesley 6beroamericana. *ico, %%.
•
C1/#E--1O, Pilbert N. Iisicoquímica, segunda edición. *ico2 Iondo Educativo 6nteramericano /.1., %7D.
LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I
