LA ENTALPIA DE VAPORIZACION DEL AGUA
1.-OBJETIVOS a.-Determinar la curva de equilibrio líquido-vapor b.-Determinar b.-Determinar el calor molar y latente de vaporización (∆ H vap) c.-Determinar c.-Determin ar la l a temperatura temper atura de ebullición ebul lición normal del líquido (Tb) y la temperatura temperat ura de ebullición Teb. a condiciones del laboratorio d.- Determinar la ecuación de Clausius Clapeyron para el líquido problema. e.- Determinar la entropía de vaporización.
2.-FUNDAMENTO TEORICO 2.1.-Presión de vapor de un líquido puro puro (o tensión de vapor) vapor) Es la presión que se encuentra en equilibrio con el líquido a una temperatura dada y definida. Se entiende que la presión de vapor de un líquido es una propiedad única del compuesto, es decir que para una temperatura fija se tiene un valor constante, ejemplo. El agua a t =100 ºC, la presión es de 760 mm Hg = 760 torr.=1 atm. (a nivel del mar). 1 atm = 760 torr = 101,325 KPa
1 KPa = 7,5 mm Hg
Observación a.- La presión ejercida por el vapor en tal condición de equilibrio, equilibri o, se denomina tensión de vapor del líquido. b.- El vapor que se encuentra en equilibrio con su líquido se denomina vapor saturado (para cada temperatura se tiene un valor fijo) c.- Todos los materiales, ya sean líquidos o sólidos presentan tensiones de vapor definidas, a cualquier temperatura d.- La presión de vapor depende de la naturaleza del líquido e.- La presión de vapor depende de las fuerzas atractivas entre las moléculas. La fuerza atractiva depende del tamaño y naturaleza de las moléculas En un recipiente cerrado, se tiene: . Evaporación: En cada líquido existen moléculas energetizadas que se desplazan a velocidades más altas que el promedio. Cuando estas moléculas llegan a la superficie del líquido, esta tiene energía suficiente para vencer las fuerzas que la retiene en la superficie del líquido, y se alejan de ella, a continuación todas las moléculas que llegan a la superficie con suficiente energía se alejan de ella tendiendo a asumir el estado de vapor
Condensación: Al evaporarse el líquido en un recipiente cerrado, sus moléculas chocan con todas las superficies incluyendo la superficie superfici e del líquido. Al chocar las moléculas con la superficie del líquido se ponen bajo la influencia de las fuerzas de atracción de las moléculas líquidas, las cuales la retienen e integran al seno del líquido. líquido.
2.2.-Temperatura de ebullición normal (Te) Es la temperatura para la cual la tensión de vapor (o presión de un líquido dado, alcanza el valor de 760 mm Hg ó 101,3 KN/m 2.
vapor) saturado de
Es decir que la presión exterior = 1 atm. (Punto de ebullición normal).
Observación Al disminuir la presión exterior, el punto de ebullición disminuye. Al aumentar la presión exterior, el punto de ebullición se eleva .
Diagrama de Fases
P(torr)
Lugar geométrico de equilibrio (L-V)
L
S V
t (ºc)
2.3.-Calor de vaporización
Es la cantidad de calor necesario para convertir una unidad dada de masa Kg, g, mol de una sustancia fija a gas sin cambiar o modificar su temperatura
2.4.-Equilibrio líquido-vapor Cuando un mol de una sustancia pasa de una fase líquida a otra fase vapor (agua líquida a vapor), en forma isotérmica, el calor absorbido o desprendido es igual: ∆ H = ∆ S T Considerando que:
(L) fase líquida
(V) fase vapor
Condiciones a.-En la vaporización, el volumen de la fase vapor es mucho mayor que el volumen de la fase líquida: V fv >>> V f L b.-A presiones bajas, a la fase vapor, se le puede considerar que tiene un comportamiento ideal V v = RT P ∆ S = S
V
∆ H = H
V
- HL (variación de la entalpía molar)
- SL (variación de la entropía molar)
Donde: ∆ H: entalpía molar (variación)
∆S: entropía molar (variación)
Por la ecuación (1), se tiene: H V - H L = ( SV – SL) T
Condición: Todo cambio en un sistema en equilibrio, es reversible entonces en un rango de temperatura, el valor de ∆ Hv es aproximadamente constante ∆ Hv = HV – HL (constante)
2.5.- Equilibrio termodinámico (para una sustancia pura que se presenta en dos fases) Para que coexistan dos fases de una sustancia pura en equilibrio es condición necesaria que el potencial químico sea igual en ambas fases, a una temperatura y presión definida.
dP =
∆
Hv
dT
T∆ V
(Ecuación de Clausius Clayperon)
Para un par de puntos Ln P2 P1
= ∆ Hv ( T2 – T1) R T2 T1
Exacta a temperatura que no esté cerca del punto crítico. Ln P= - ∆Hv R
1 T
+
Constante
Ecuación aplicable a un set de puntos.
Donde: P1: presión absoluta inicial R: constante universal de los gases R = 1,987 cal/mol-K
P 2: presión absoluta final.
R= 8,314 J / mol-grado
R= 8,314 J mol -1 K-1
∆ Hv: entalpía de vaporización (cal / mol) log P = -
P: R: C:
∆Hv 2,303 R
1 T
+ constante
presión absoluta T: temperatura en grados absolutos constante de los gases ideales. ∆Hv: entalpía de vaporización constante de integración
Si: A = ∆Hv 2,303 R Reemplazando
Log P = - A
1 T
+
C
Por similitud con una línea recta y
=
m x
+ b
Donde y = log P m= -A x = 1/T b = C
Graficando log P vs (1/T) Log P
1
1
C
Pendiente= tag = - A = (∆log P) /∆ (1/ T ) (la pendiente es negativa)
∆Log P 2
2 ∆ (1/T) 1
Observación: -A=-
2
(1/ T)
Corregir la línea
∆ Hv = - m 2 ,303 R
∆Hv = (- pendiente) x (- 2,303 R) ∆Hv = pendiente x 2,303 x R
Gráfica: ln P vs (1/T) Ln P x x x
Pendiente = tag α = -A (pendiente negativa) x
C
x x
0
-A =- ∆ Hv / R -m =-∆Hv/R ∆ Hv = pendiente x R
(1 / T)
2.6. Determinación de la temperatura de ebullición normal Ln P
P. normal = 760 mm Hg ln (760) = 6,63
6.63
( 1 / T) 0
(1 / T) eb. normal
Del gráfico se obtiene: 1 = B T Luego: T ebullición normal = 1
= ………. k
B
2.7.- Calor latente (λ) cal/g λ = ∆Hv cal / mol = ∆H M g / mol M
Observación: A y C son constantes características del líquido. La vaporización va acompañada de absorción de calor. La entalpía de vaporización disminuye con el aumento de temperatura, hasta llegar a ser igual a cero a la temperatura crítica (Tc) del líquido.
2.8.- Regla de Troutón a.- Entropía de líquidos no polares Es la relación entre el calor molar de vaporización y el punto de ebullición normal, el cual es igual para todos los líquidos con un valor de: ∆ S v = ∆ H v = 22 cal mol -1 grado-1 Te Te: temperatura de ebullición normal
b.- Entropía de líquidos asociados La entropía de vaporización de estos líquidos es aproximadamente igual a 25 cal mol grado-1 ∆S v = ∆H v = 25 cal mol -1 grado-1 Te
-1
Ejemplo: Agua, Alcoholes, ácidos orgánicos.
3.-MATERIALES- REACTIVOS- EQUIPOS 3.1.-Materiales: termómetro (0 a 150 ºc), corcho mono agujereado, mechero de Busen ó calentador eléctrico (tipo cocina), piseta, vaso de precipitado de 250 ml.
RECIPIENTE DE PAPÍN 3.2.-Descripción del equipo a.- Se compone de una placa de latón o cobre, el cual es cerrado por una tapa atornillada. b.- En la tapa se ubica: c.- La válvula de seguridad. d.- Un manómetro; indica la atmósfera de sobre presión, es decir sobre la presión normal. P absoluta = P. barométrica + P manométrica e.- Un termómetro de 0 -150 ºC que es introducido en un pozo con un poco de mercurio y tapón de corcho (alternativa usar arena fina) con mono agujero. Que mide la temperatura interior del recipiente y por ende la temperatura del vapor de agua recalentado. f.- Una válvula, en la que se encuentra una palanca de un sólo brazo con peso movible, el cual nos sirve para variar la presión de la válvula sobre el contenido vapor dentro de un límite. g.- Llave de salida para el vapor y otro en forma de tornillo con el fin de abrir y cerrar la abertura de relleno para el agua.
Observación a.- Al correr el peso movible hacia fuera de la válvula se tiene una lectura de la temperatura de ebullición mayor que 100 ºc . b.- A cada presión corresponde la temperatura de ebullición, este se alcanza cuando el mercurio en el termómetro no sufre ni aumenta más, aunque se siga calentando. c.- Se obtiene lectura de acuerdo a las diferentes colocaciones del peso movible, es decir la: La temperatura de ebullición y presión manométrica (sobre presión). Por seguridad se debe sobrepasar la presión de 1,5 atm. en un corto tiempo d.- El manómetro indica los valores de sobre presión sobre la presión atmosférica
4.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 4.1.-Procedimiento 1.- Abrir la tapa rosca. 2.- Adicionar agua destilada, recipiente.
hasta
aproximadamente los (2/3) del volumen del
3.- Asegurar las aberturas para evitar las fugas de vapor de agua. 4.- Cerrar la tapa (tipo rosca) 5.- Verificar la posición del termómetro y, del manómetro. 6.- Calentar el recipiente. 7.- Reportar la temperatura y presiones manométricas cada cinco minutos (o lo que se considere conveniente) hasta que la temperatura sea constante. 8.- Reportar a partir de 92 ºc. 9.-Terminado el experimento. Abrir la llave (válvula para desfogar el vapor).
Ejemplo de datos a nivel del mar. Punto de ebullición y presión de vapor Ebullición (ºc)
Ebullición (K)
Presión de vapor (atm.)
100 110 120 130
373,15 383,15 393,15 403,15
1,00 1,46 2,024 2,75
4.2.-Equipo: Recipiente de Papín Esquema Termómetro Manómetro Válvula con peso movible
Tapa Válvula de seguridad ----------Tapa Tapón tipo rosca para el agua
Tornillo
Mechero Gas propano
Bunsen
Válvula con peso movible Peso movible
Barra movible, tipo palanca Válvula
Posiciones Movimiento 1
2
3
4
5
>100 ºc
El peso nos sirve para variar la presión sobre la válvula, y por ende sobre el contenido de vapor
5.- RESULTADOS Y CALCULOS Lecturas P man (Kg/cm 2 ) T. ebullición (ºC) T. ebullición (K) (1/T) K -1 P man (mm Hg) PT=P man + Pbar PT = P absoluta Log P absoluta Ln P absoluta
1
2
3
4
5
Lecturas P man ( Kg/cm 2) T .ebullición (ºC) T. ebullición (K) (1/T) K -1 P man (mm Hg) PT= Pman + Pbar PT = P absoluta Log P absoluta Ln P absoluta
6
7
8
9
10
CALCULOS CORREGIDOS Valores Sin corregir
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
(1/T) K -1 Ln Presión absoluta (1/T) K -1
Valores corregidos (1/T) K -1 Ln Presión absoluta
Valores Sin corregir (1/T) K -1 Ln Presión absoluta (1/T) K -1
Valores corregidos (1/T) K -1 Ln Presión absoluta
5.1.- Resultados (Presión de vapor) 5.1.1.-Gráficamente (con valores corregidos) Pendiente C (constante) ∆HV (cal/ mol g) λV
(cal/g)
∆S 25 ºc
∆ S 100 ºc
Ecuación de Clausius Clapeyrón
5.1.2.-Analíticamente (con valores corregidos) ∆HV (cal / mol) promedio λV (cal / g) ∆S 25 ºc
∆S
100 ºc
5.1.3.-Porcentaje de error ∆HV ( gráfica)
∆HV (analítico)
∆HV (teórico)
Error respecto a la ∆ H v (gráfica) Error respecto a la ∆ H V (analítica)
5.2.- Cálculos Para un set de datos La gráfica l n P vs (1/T) En el gráfico se determina la: -La pendiente, y se obtiene el valor de ∆H v. -El valor de la constante C Formulación de la ecuación de Clausius Clapeyrón L n P = - ∆ HV + C R Se reemplaza los valores de C y A L n P = - A + C, ya que, A = ∆H v T R Aplicar la ecuación (43) con el fin de obtener el valor de ∆S V
6.- INFORME 1.- Graficar la presión absoluta (mm H g) vs la temperatura en grados relativos (ºC). Identificar la zona de la fase vapor y la fase liquida 2.- Graficar: ln P vs (1/ T) K-1 Corregir y ajustar el diagrama de dispersión de datos a una línea recta (aplicar método de mínimos cuadrados, u otros) Del grafico corregido, obtener: -La pendiente -El valor de la constante C -Con el valor de la pendiente, determinar el valor de∆H V 3.-Hallar el calor latente de vaporización en cal/g. 4.- Con los valores hallados en el punto (2) formular la ecuación de Clausius Clapeyrón. 5.-Calcular el valor de ∆H V promedio. -Aplicando la ecuación de Clausius Clapeyrón para dos condiciones. -Hallar el calor latente de vaporización en cal/g
el
6.- Determinar la entropía de vaporización a 25º C y 100 ºC, utilizar el valor de obtenido en el punto (2) y en el (5) 7.- Determinar bibliográficamente el valor teórico de: ∆H V y del calor latente ( λ) 8.-Calcular el porcentaje de error de ∆HV -con el valor obtenido en (2) (en forma gráfica) -con el valor obtenido en (5) (valor promedio).
∆H V,
7.- PROBLEMAS 1.- La presión de vapor del etanol es de 135 y 500 mm Hg a 30 ºC y 60 ºC.. Determinar el calor latente de vaporización en cal/g. así como el de la presión de vapor a 45 ºC 2.- El calor de vaporización del éter etílico es de 80 cal / g. a 25º C, la presión de vapor es de 500 torr. Determinar la presión de vapor en torr. a cero grados centígrados. 3.- El n-propanol tiene las siguientes tensiones de vapor: t grados centígrados 40 60 P absoluta (torr) 50,2 147 Calcular: a.-El calor latente de vaporización en cal/g b.- El punto de ebullición normal.
80 376
100 843
8.-BIBLIOGRAFIA 1.-GASTON PONS MUZZO- FISICOQUIMICA – UNMSM – Sexta Edición- 1985 Lima – Perú- Pág. 205 a 212; 224 a 235 2.-IRAN. LEVINE-FISICOQUIMICA –Volumen I-Editorial Mc.GrawHill - Edición Cuarta1996-España-Madrid.-Pág. 201 a 219 3.-SERIE SCHAUM JEROME.L. ROSENBERG.-QUIMICA GENERAL: TEORIA Y PROBLEMAS- Mc. Graw Hill-Sexta Edición -1980-México-Pág.54 – 57
