Laboratorio de fisicoquímica
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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMÓN FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA
PRÁCTICA # 7
Calor DE VAPORIZACIÓN NOMBRE: Wilian Hidalgo Arnez DOCENTE: Lic. Bernardo López AUXILIAR: Armin Hoffmann Vignaud FECHA: Noviembre de 2010 14:15 HORARIO: Jueves 12:00 – 14:15
Cochabamba – Bolivia Bolivia
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OBJETIVOS: Objetivo general: Determinar el calor de vaporización de una muestra de cloroformo. Objetivos específicos:
1. Determinar la composición de la muestra. 2. Observar y determinar que se cumple la ley de Clausius Clapeyron. 3. Ver las presiones de vapor del cloroformo a diferentes temperaturas.
FUNDAMENTO TEÓRICO: Calor de fusión o vaporización: Muchos materiales pueden cambiar de un sólido a un líquido a un gas. Para que el cambio de estado ocurra, la energía calorífica se adiciona o se libera. El agua es el primer ejemplo en que ésta cambia de un sólido (hielo) a líquido (agua) a un gas (vapor). Si el cambio es de un sólido a líquido a gas, la energía calorífica es adicionada. Si el cambio es de gas a líquido a sólido, la energía calorífica es liberada. Estos requisitos de energía son llamados el calor de fusión y el calor de vaporización. Ellos son expresados por Btu por libra (Btu/lb). es la cantidad de energía que se necesita para transformar un material de sólido a líquido (o viceversa) a la misma temperatura. El agua tiene un calor de fusión de 143 Btu/lb. • El calor d e vaporización es la cantidad de energía que se necesita para trasformar un material de líquido a gas (o viceversa) a la misma temperatura. El agua tiene un alto calor de vaporización, 965 Btu/lb. El agua puede transferir grandes cantidades de energía calorífica en forma de vapor de condensación. • El calor de fusión
En un líquido, algunas moléculas tienen una energía cinética suficiente para vencer las fuerzas atractivas y pasar a estado gaseoso. Este proceso se llama evaporación y su velocidad crece si aumenta la temperatura y si disminuye la energía cinética mínima para ese liquido. Una molécula gaseosa puede chocar con la superficie del líquido y ser capturado por ella. Este proceso se llama condensación y su velocidad crece con la presión parcial del gas. El líquido y el gas correspondiente establecen un equilibrio cuando la velocidad de evaporación iguala a la de condensación. Para una sustancia y temperaturas dadas, la presión parcial del gas en el equilibrio es una constante llamada presión de vapor del líquido. Si la presión parcial del gas es mayor que la presión de vapor del líquido, parte del vapor condensa; si es menor, parte del líquido se evapora, alcanzándose el equilibrio cuando se igualan ambas presiones. Los líquidos que se evaporan con facilidad se llaman volátiles y tienen presiones de vapor relativamente altas. La cantidad de calor que debe añadirse a un mol de líquido para evaporarlo a temperatura constante y a la presión de equilibrio, se llama entalpia molar de vaporización ( ∆ ). En condiciones termodinámicas normales (p = 1 atm), se llama entalpia molar normal de vaporización ( ∆ ). La vaporización es siempre un proceso endotérmico, por lo que sus entalpias son siempre positivas.
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Ecuación de Clausius Clapeyron: La presión de vapor de un líquido aumenta con la temperatura y
disminuye con la entalpía de vaporización. Ebullición: La ebullición es una forma ‘violenta’ de evaporación que se produce cuando al elevar la
temperatura, la presión de vapor iguala a la presión total. La temperatura de ebullición de un líquido disminuye al disminuir la presión. Se sabe que un líquido encerrado en un recipiente produce vapor, debido a la transformación física de partículas liquidas que pasan a este estado, ejerciendo una presión constante, a una determinada temperatura, sobre las paredes del recipiente que las contienen. Lo señalado es muy fácil de ver y sentir cuando en un recipiente plástico transparente y cerrado, se ha colocado bencina, sin llenar completamente el recipiente; se puede observar la condensación de los vapores en las paredes, y si se destapa se siente una fuerza que puede hacer saltar la tapa. La “fuerza” depende de la cantidad de gas formado sobre la bencina liquida, que como veremos depende de la temperatura. La cantidad de vapor o de gas formado sobre el liquido, produce una presión que permanece constante a una determinada temperatura, no importando la forma del recipiente ni la cantidad de liquido, siendo necesario que haya lo suficiente de este último, como para mantener el equilibrio liquido-vapor. El vapor formado en este equilibrio, ejerce una presión sobre las paredes del recipiente, denominándose presión de vapor. La Presión de Vapor de los Líquidos es una de las propiedades más adecuadas para el conocimiento de lo que es el estado líquido, esta propiedad se encuentra defendida como la presión del vapor que produce el equilibrio entre el vapor y el líquido. Esto ocurre cuando un líquido se evapora dentro de un espacio de proporciones limitadas, porque en el momento que se da la vaporización aumenta el número de moléculas en estado de vapor y provoca un aumento en la presión ejercida por el vapor. Esta presión se debe a los choques de las moléculas que lo forman contras las superficies que lo están limitando. Pero cuando estas moléculas gaseosas chocan contra la superficie del líquido queda influenciada por las fuerzas atractivas de las moléculas del líquido y quedan retenidas allí formando otra vez parte del líquido. Ebullición: es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado LÍQUIDO al
estado de VAPOR. Para que ello ocurra debe aumentar la temperatura en toda la masa del líquido. A la temperatura durante la cual se dice que un determinado líquido hierve se la llama PUNTO DE EBULLICIÓN. Cuando se realiza una destilación, para separar dos o más líquidos de diferente punto de ebullición, la temperatura permanece constante en el punto de ebullición de cada uno de los líquidos que se desea separar de la mezcla. Al calentar agua en una cacerola la temperatura de toda su masa empieza a aumentar, observamos al cabo de un tiempo que en la superficie hay burbujas y desprendimiento de vapor, entonces toda la masa de agua cambia de estado, se ha alcanzado el PUNTO DE EBULLICIÓN. Evaporación: es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado LÍQUIDO al
estado de VAPOR. La diferencia con el anterior es que en la EVAPORACIÓN el cambio de estado ocurre solamente en la superficie del líquido.
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La EVAPORACIÓN se produce por aumento de la temperatura en la superficie del líquido como en los ejemplos citados. Otro ejemplo similar podría ser el agua de mar, que en su superficie pasa al estado de vapor. La propiedad física principal relacionada con la estabilización, es la presión de vapor, esta se debe al movimiento de las moléculas del gas. El metano tiene una presión de vapor más alta que cualquier hidrocarburo, por eso ejerce una mayor presión dentro de un separador. El movimiento molecular de los hidrocarburos con ocho o más átomos de carbono es muy lento, por lo que ejercen presiones pequeñas dentro de un separador. La presión de vapor de una mezcla de hidrocarburos, es igual a la suma de los productos a la presión de vapor por la fracción molar del componente en la mezcla.
MATERIALES Y REACTIVOS:
Cloroformo (CHCl3) Hielo y sal Manómetro de agua Balón Vaso de precipitación Termómetro Agua y agua caliente
PROCEDIMIENTO: 1. Introducir en un balón una muestra de aproximadamente 3ml de cloroformo y tapar inmediatamente. 2. Sumergir el balón con cloroformo en un vaso precipitado que contiene hielo y sal. 3. Succionar el aire existente a través de un sistema de vacío conectado entre el balón y un manómetro de agua. 4. Introducir un termómetro en el vaso precipitado, enfriar el vaso precipitado introduciendo más cantidad de sal hasta llegar a los -10°C. 5. A esa temperatura leer en el manómetro la diferencia de alturas. 6. Calentar poco a poco el vaso precipitado introduciendo agua caliente, hasta llegar a 0°C y luego a 10, 20, 30, 40 hasta 50°C. 7. Para cada temperatura leer la diferencia de alturas en el manómetro. 8. Realizar la gráfica de Ln Pv vs 1⁄T . 9. Por mínimos cuadrados encontrar el valor de la pendiente (B). 10. Determinar el calor de vaporización a través de ∆Hv = B ∗ R donde R es la constante universal de los gases en Joules.
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CÁLCULOS Y RESULTADOS: Cuadro de datos tomados:
h
h1 h2
h2 mm
-10
413
-416
0
403
-407
10
396
-396
20
384
-383
30
354
-351
40
328
-322
50
308
-306
mmH O H O hmmH 2 0
h[mmHg ]
h1 mm
T [°C]
2
2
Hg
P v
P atm h
P atm H
757 HPa 0. 7471 atm 567.7968 mmHg
20
Hg
(Presión de vapor)
0.998205 g 3 cm
A
T 20C
13.6 g 3 cm
Cuadro de datos calculados:
h mmH 2 0
mmHg
h
T [ K ]
P v [mmHg ]
P v [ Pa]
Ln( P v )
1 T
[1 K ]
829
60.84647
263
506.95033
67587.835
11.121183
0.003802
810
59.45192
273
508.34488
67773.760
11.123930
0.003663
792
58.13076
283
509.66604
67949.899
11.126526
0.003534
767
56.29583
293
511.50097
68194.537
11.130120
0.003413
705
51.74519
303
516.05161
68801.240
11.138977
0.003300
650
47.70833
313
520.08847
69339.443
11.146769
0.003195
614
45.06602
323
522.73078
69691.722
11.151837
0.003096
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Por la ecuación de Clausius Clapeyron: ∆hV 1 Ln PV = A − ∙ R T Se tiene que la pendiente (B) es igual a: ∆
=B
Gráfica de vs
∆hv = B ∗ R
:
Por mínimos cuadrados se tiene: B = -44.98496 Joul hv 44.98496 K 8.31 mol K
Joul hv 373.825 mol
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hv _ Teórico hv _ Experimen t al
% E
hv _ Teórico
373 373.825
% E
373
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100
% E
100
0.22%
Por 5 puntos:
Presiones de vapor del agua y el cloroformo a 50°C: P v _ CHCl 3 P v _ H 2O P T
525.98mmHg
92.648mmHg
X CHCl
3
X CHCl
3
3
3
X H O 2
567.7968
X CHCl
P v _ CHCl
3
2
2O
P v _ H O 2
P T
P atm
mmHg
567.7968
1
X CHCl
X H O
X H
525.98
X H O 2
92.648
1
Resolviendo el sistema de ecuaciones: La composición de la mescla es: X CHCl
0.9035
90.35%
3
X H O
0.0965
9.65%
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CONCLUSIONES: Al realizar el experimento nos dimos cuenta que al subir la temperatura bajaba la diferencia de alturas en el manómetro, esto nos indica que la muestra tiene mayor presión de vapor al aumentar la temperatura. Lo que no se pudo ver fue que para algún valor de temperatura la diferencia de alturas sería cero, como lo indicaba la teoría, esto se debe a que la muestra no era muy concentrada en cloroformo como se pudo ver, es decir tenía más agua que cloroformo. Como se puede ver en la gráfica los datos no están muy dispersos de la línea de ajuste, lo que nos permite determinar el calor de vaporización con más exactitud, con más aproximación al valor teórico y por consiguiente con un error pequeño.
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CUESTIONARIO: 1.- Responda a las siguientes preguntas: a) ¿Qué es vaporización? Es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado Líquido al estado de Vapor. b) ¿Cómo sería la ecuación de clausius clapeyron si en vez de “ln” usaríamos “log”?
∆ℎ 1 ∙ c) ¿Es posible que un compuesto con menor peso molecular ebulla más lento que uno de mayor peso molecular? De un ejemplo. = −
Si es posible que un compuesto de menor peso molecular ebulla más lento que uno de mayor peso molecular.
d) ¿De qué depende el punto de congelamiento de una solución? Depende de la disminución de la temperatura.
2.- Calcular la presión de vapor de agua a 5°C teniendo en cuenta la presión de vapor a 20°C y 100°C. A 20°C = 17.546 A 100°C = 760 Entonces a 5°C la presión de vapor del agua es:
6.5449
3.- La presión de un compuesto orgánico a 15°C es 0.082 atm, su ΔHv = 38.1 KJ/mol. a) Hallar su temperatura cuando tiene una presión de 50000Pa b) Hallar su presión en atm a 60°C. 4.- Calcule el punto de ebullición en la cima del sajama (6542 msnm) del ciclohexano ( 2) si la temperatura ambiente es 4°C. El ΔHv = 25.4 Kcal/mol y el punto de ebullición normal es 96°C. 5.- Se obtuvo los siguientes datos en el experimento de un éter: T[°F] P[torr]
0
30
60
90
45
102
267
601
a) Hallar su entalpía de vaporización. b) Calcular su temperatura de ebullición en °C en Cochabamba (560mmHg). c) Determinar su presión de vapor a una temperatura de 60° Réamur.
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BIBLIOGRAFIA: 1. Gilbert W. Castellan, Fisicoquimica, 2da edicion. Editorial Addison-Wesley ( 1987 ) 2. Maron y Prutton, Fundamentos de Fisicoquimica. Editorial Limusa (1996) Pag. 50-89 3. Gargallo Ligia, Radic Deodato, Quimica Fisica ( Termodinamica Quimica ).Ediciones Universidad Catolica de Chile (2000) 4. Físico-química: Ira N. Levine, McGraw-Hill, 1991 5. Álvarez, R., Determinación de coeficientes de difusión de vapores orgánicos en sistemas polímero - disolvente mediante la técnica Stephan Winkelmann. Tesis doctoral. Universidad de Oviedo, 1977.Paginas. 334-340. 6. Atkins, págs. 365-372; Dickerson, pags. 638-652; Masteron, págs. 301-311; Russell,
págs. 273-281. 7. Química, Física. Barrow M. Gordon. Segunda edición. Editorial Reverté, S.A. España 1968. Tomo II. Pags: 549−555 y 635.
8. Principios de los procesos químicos. Hougen, Watson y Ragatz. Editorial Reverté, S.A. España 1972. Tomo I 9. Balances de Materia y Energía. Pags 84−86.
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