INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LA PRESIÓN DE VAPOR INFLUENCE OF TEMPERATURE ON THE VAPOR PRESSURE Jessica Andrea Arévalo, Yeimy Lorena Castillo, Jury Díaz, Dayana Andrea González, María Andrea Pinzón y Andrés Murillo* 1. Estudiantes Facultad Ciencia y Tecnología - Química Farmacéutica - Universidad de Ciencias Aplicadas y Ambientales UDCA *
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RESUMEN La presión de vapor de un líquido es la presión a la que cada Temperatura las fases liquida y vapor se encuentran en equilibrio; su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor mientras existan ambas. En la situación de equilibrio las fases reciben el nombre de líquido saturado y vapor saturado. Esta es una de las propiedades más importantes y de gran utilidad a nivel de procesos industriales. Sin embargo esta propiedad puede verse afectada por diversos factores como son la naturaleza de la sustancia o la Temperatura, de esta forma el objetivo de este ensayo fue determinar si la Temperatura influye de manera directa en la presión de vapor de una sustancia liquida, para este caso el agua. Para la realización de este experimento se utilizó un vaso de precipitado, una probeta, un mechero, una malla de asbesto, un soporte universal, pinzas para bureta, un trípode y un termómetro. Este, consistía en introducir la probeta previamente llenada con agua destilada, al Vaso de precipitado, en la misma condición. Posteriormente se realizó un calentamiento a este sistema, y en el momento que alcanzó los 80 C se suspendió el calentamiento y se registraron los volúmenes de la burbuja de aire presente en la probeta. Los resultados obtenidos indican que la presión de vapor del agua se ve afectada por la temperatura de una manera proporcional, pero en cierto intervalo de temperatura, puesto que entre los 62 y 58 C al disminuir la temperatura el cambio en la presión de vapor no es muy notorio, por lo tanto se evidencio que a medida que la temperatura del sistema comienza a disminuir, la energía cinética que mantenía las moléculas de agua en estado de vapor también comienza a disminuir. º
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Palabras clave: Presión de Vapor, Temperatura, Energía Cinética, Líquido saturado, Vapor saturado, entalpia de vaporización.
ABSTRAC The vapor pressure of a liquid is the pressure at each temperature the liquid and vapor phases are in equilibrium, its value is independent of the amounts of liquid and vapor while there are both. At equilibrium, phases are called saturated liquid and saturated vapor. This is one of the most important properties and useful at industrial processes. However, this property may be affected by various factors such as the nature of the substance or temperature, the objective of this assay was to determine if the temperature affects the vapor pressure of a liquid such as water. To carry out this assay used a beaker, a graduated cylinder, a Bunsen burner, an asbestos mesh and universal support, burette clamps, a tripod and a thermometer. This, was to introduce the pre-filled cylinder with distilled water, inside the beaker in the same condition, (pre-filled with distilled water). After that, the system was heated, and when it reached 80 ° C the heating was discontinued. Later volumes of air bubbles present in the graduated cylinder were recorded. The results indicate that the vapor pressure of the water is affected by temperature in a proportional way, but in a temperature range, as between 62 and 58 ° C by lowering the temperature the change in vapor pressure is not notorious, therefore was evidenced that as the temperature of the system begins to decrease, maintaining the kinetic energy of water molecules in vapor state begins to decrease.
Key Words: Vapor pressure, Temperature, Kinetic energy, Saturated liquid, Saturated Vapor, Enthalpy of vaporization
INTRODUCCION La presión de vapor de un liquido es la presión constante ejercida por el vapor sobre el liquido cuando este se establece el equilibrio (1), es posible determinarla mediante ensayos que se realizan a nivel matemático y se comprueban mediante la practica experimental, donde la presión de vapor de un liquido puro a diferentes temperaturas de ebullición, modificando la presión permite su determinación; cuyo resultado es obtenido evaluando la entalpia de vaporización mediante la aplicación de la ecuación de Clausius Clapeyron (2), teniendo en cuenta la ejecución de sus variables. El objetivo de la determinación de la presión de vapor en un análisis experimental es calcular las presiones parciales de aire a diferentes temperaturas en un sistema controlado con las fases del agua liquido y vapor, se puede saber así, cuales son las presiones de vapor de ese sistema controlado a las diferentes temperaturas experimentales con que se trabaje, teniendo en cuenta el ajuste y tratamiento de los datos se obtiene la presión de vapor a cada temperatura, la fracción molar del agua a cada temperatura y el calor que se requiera para evaporar la sustancia, cuyo comportamiento ideal es la disminución de la temperatura proporcionalmente con la disminución del desplazamiento de la burbuja de aire. Este articulo teórico-práctico presenta el método por el cual se realizó la determinación determinación de la presión de vapor del agua a distintas temperaturas con una probeta, teniendo en cuenta
que conforme aumentaba la temperatura en el tubo se comenzaba a formar vapor de agua que aumentaba el volumen experimental y por lo tanto la presión de vapor, disminuyendo así la presión parcial del aíre manteniendo constante la presión total. Se utilizó la ecuación de Clausius Clapeyron para expresar matemáticamente la variación de la presión del vapor con la temperatura, y así mismo se graficaron los datos obtenidos.
MARCO TEORICO La presión de vapor es una de las propiedades más importantes y de gran utilidad a nivel de procesos industriales, relacionada con la estabilización, pues es aquí donde se evidencia el movimiento de las moléculas del gas (3), esta propiedad hace presencia no solo en los estados líquidos y gaseosos, sino también en los sólidos, pues el sólido puede realizar una sublimación pasando directamente a vaporizarse. Cuando la fase liquida comienza el proceso de vaporización las moléculas entran en presión gaseosa cuando se llega al equilibrio entre las dos fases, en este equilibrio las moléculas que ha pasado a fase gaseosa han adquirido energía lo que les permite desligarse parcialmente de las otras moléculas, esta energía es dada al sistema en forma de calor, de esta manera la presión del líquido dependerá únicamente de la naturaleza del líquido y de la energía suministrada (calor). En la naturaleza del líquido se contemplan varios aspectos dentro de los cuales se incluye el tipo de interacción entre las moléculas del líquido, es decir cuando tenemos líquidos que son fácilmente volatilizables su presión de vapor será más alta comparada con otra sustancia menos volátil ambas sustancias a la misma temperatura, como sería la presión comparada entre el agua y la gasolina a 50°C. (4) La presión de vapor es constante si la temperatura es constante, pero si la temperatura aumenta la presión de vapor aumenta, no de manera directamente proporcional, pues a bajas temperaturas con cambio el aumento de la presión de vapor es muy bajo y aumenta a medida que la temperatura aumenta hasta el punto crítico del líquido. (5) La presión de vapor de un líquido se relación con la temperatura por medio de la ecuación Clausssius Clapeyron, muchas otras ecuaciones describen también este tipo de comportamiento muchas de ellas hacen referencia final a Claussius Clapeyron, sin embargo se han postulado otras en donde se contempla un comportamiento directamente proporcional en las variables de temperatura y presión, sin embargo estas sugieren un un comportamiento de gas ideal el cual tiene muy pocas sustancias (6). Ecuación de Clausius Clapeyron: Relación cuantitativa entre la presión de vapor de un líquido (mmHg) y la temperatura (ºK)
Además se compara la ecuación ecuación con con la de una una línea recta y = m x + b , su g ie re qu e s i Log10P para un liquido se gráfica contra 1 / T, entonces la gráfica debe ser una línea recta con pendiente m =∆ H/R y con intersección b=c y con las pendientes de las líneas se deducen los calores de vaporización de diversos Líquidos (5). Pendiente:
La relación entre la temperatura y la presión de vapor saturado de las sustancias, no es una línea recta, en otras palabras, si se duplica la temperatura, no necesariamente se duplicará la presión, pero si se cumplirá siempre, que para cada valor de temperatura, habrá un valor fijo de presión de vapor saturado para cada líquido. La explicación de este fenómeno puede se basar en el aumento de energía de las moléculas al calentarse; Cuando un líquido se calienta, estamos suministrándole energía. Esta energía se traduce en aumento de velocidad de las moléculas que lo componen, lo que a su vez significa, que los choques entre ellas serán más frecuentes y violentos. Es fácil darse cuenta entonces, que la cantidad de moléculas que alcanzarán su fi ci en te ve lo ci dad da d pa ra pasar pasar al estad estado o gaseo gaseoso so será será mucho mucho mayor, mayor, y por tanto tanto mayor también la presión.
MATERIALES o o o o o o o o o
1 Vaso de Precipitado de 1Litro. 1 Probeta de 10mL. 1 Mechero. 1 Malla de asbesto. 1 Soporte Universal. 1 Pinzas para bureta. 1 Nuez. 1 Termómetro. 1 Trípode.
REACTIVOS o
Agua destilada.
MÉTODO Se procede a llenar la probeta de 10mL con agua destilada dejando un espacio de ± 2cm, se toma el vaso de precipitado de 1L y se llena la mitad de agua destilada, a continuación, se tapa el orificio de la probeta volteándola suavemente para introducirla al vaso de precipitado. Se llena a volumen el vaso de precipitado, para poder calentar el agua destilada, se arma el montaje del soporte, con las pinzas y la nuez para sostener el termómetro, seguido de esto se introduce el termómetro al vaso de precipitados para controlar la temperatura. Se calienta el agua destilada contenida en el vaso de precipitado hasta 80°C, para no dejar aumentar la temperatura se retira la fuente de calor. Se empieza a tomar la medición de la variación del volumen cada que la temperatura disminuye 2grados, hasta que la temperatura final sea de 50°C. Luego de tomar los datos se debe realizar el tratamiento de los mismos, para determinar cada uno de los campos requeridos por la tabla: Temperatura (°K), Volumen (L), Moles totales, Moles vapor de agua, fracción molar de agua, Presión de vapor de agua, Inverso a la Temperatura (1/T), y Logaritmo natural de la Presión de Vapor de agua.
RESULTADOS Y DISCUSION Durante la realización del experimento se observo como a medida que aumentaba la temperatura del sistema de igual forma aumentaba el volumen de la burbuja que se encontraba en la probeta, con lo que se comprueba la hipótesis planteada desde el inicio del experimento. De esta forma a 80˚C que fue la temperatura máxima alcanzada se evidencio un volumen de 4.8ml en la probeta que equivale al valor máximo reportado. En la tabla 1 se pueden evidenciar cada uno de los datos de temperatura y volumen registrados durante el experimento, los cuales fueron medidos en una escala de disminución de la temperatura cada 2˚C. Posteriormente se realizo un tratamiento de los datos obtenidos aplicando las correspondientes formulas para obtener: temperatura en Kelvin, volumen en litros, moles iníciales de aire seco, moles totales, moles vapor de agua, fracción molar vapor de agua, presión e vapor de agua, inverso de la temperatura en Kelvin, logaritmo natural de la presión de vapor de agua. Estos datos fueron empleados para la construcción de las graficas que se encuentran más adelante, que corresponden a: En la grafica 1 se muestra el comportamiento de la presión de vapor del agua con respecto a la temperatura en expresada en Kelvin; mientras que en la grafica 2 se presenta la relación entre el inverso de temperatura y con el logaritmo natural de la presión de vapor, con base a esta ultima grafica se obtiene la ecuación de la recta, hallando así el valor de la pendiente para la posterior determinación del ∆H vapor. El análisis de los datos reportados en la tabla uno y de las graficas obtenidas se realizara más adelante durante la discusión de resultados, donde se evaluara el comportamiento obtenido experimentalmente contra el comportamiento esperado teóricamente.
Comportamiento experimental de la presión de vapor vs temperatura 330.00 310.00 290.00 270.00 PRESION DE VAPOR DEL AGUA
250.00 230.00 210.00 190.00 170.00 150.00 320
330
340
350
360
Calculo de ∆H vapor
A = -2452.26 -2452.26 B = 12.6945 R2 = 0.964
y = ax + b y = mx + b y = -2452.26 x + 12.6945 2452.26 x 1.987 cal/mol k = 4872.64 cal/mol
De acuerdo a los resultados obtenidos, se evidencia que a partir de los 78˚C se comenzó a detectar una disminución del volumen de la burbuja contenida en la probeta, lo cual afirma la hipótesis planteada desde el principio ‘a mayor temperatura mayor presión de vapor’, sin embargo esta relación no es directamente proporcional puesto que entre los 62 y 58˚C se evidencio el mismo volumen (3.2ml) al igual que entre los 56 y 52˚C en donde el volumen registrado fue de 3ml. Este comportamiento se explica con base al fundamento teórico según el cual: La presión de vapor es constante si la temperatura es constante, pero si la temperatura aumenta la presión de vapor aumenta, no de manera directamente proporcional, pues a bajas temperaturas el cambio en el aumento de la presión es muy bajo y aumenta a medida que la temperatura aumenta hasta el punto crítico del liquido (5). De acuerdo a lo anterior vemos como en la grafica 1 aunque debe evidenciarse un comportamiento parabólico este se encuentra un poco alterado en algunas zonas debido a las razones que ya se explicaron anteriormente. En la grafica 2 en la cual se pretende obtener una relación lineal entre el inverso de temperatura y el logaritmo natural de la presión de vapor se evidencia que el comportamiento obtenido se aleja en dos momentos de la línea de tendencia central y que esto ocurre cuando la temperatura comienza a disminuir por debajo de los 62˚C y luego por debajo de los 56˚C; es decir a medida que se va acercando mas a los 50˚C, esto ocurre porque las moléculas han perdido la energía que las mantenía suficientemente activas para permanecer en estado gaseoso, es decir porque su energía cinética ha
disminuido y por lo tanto están regresando a su estado liquido(7) , tal y como se encontraban al inicio del experimento cuando aun no se les había suministrado ninguna fuente de calor que aumentara su temperatura. Finalmente es importante realizar una comparación de los datos obtenidos durante el experimento con los reportados por la literatura, en la tabla que se muestra a continuación la presión de vapor se encuentra expresada en torr pero como sabemos 1 torr = 1mmHg, por lo que los datos obtenidos deben acercarse a los reportados por la literatura. Como se puede evidenciar no todos los datos obtenidos en la práctica son iguales a los teóricos sin embargo hay algunos que se aproximan mas al valor que otros, sin embargo lo que si podemos afirmar al realizar esta comparación es que el comportamiento de la presión de vapor con respecto a la temperatura es el mismo tanto a nivel práctico como a nivel teórico ya que a mayor temperatura, mayor presión de vapor ya que lo energía cinética de las moléculas de agua aumentara y de esta forma las moléculas que se encuentren en la superficie comenzaran a escapar.
Vemos así como al calcular las presiones parciales del aire a diferentes temperaturas en un sistema controlado con las fases del agua líquida y vapor, se puede saber cuáles son las presiones de vapor de este sistema controlado a las diferentes temperaturas
experimentales con que se trabaje, teniendo en cuenta el tratamiento de los datos se obtiene la presión de vapor a cada temperatura, la fracción molar del agua a cada temperatura temperatura y el calor que se requiere para evaporar la sustancia que según los cálculos realizados bajo la ecuación de Clausius Clapeyron fue de 4872.64 cal/mol.
CONCLUSIONES o
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La presión de vapor es la presión de un sistema cuando el líquido se halla en equilibrio con su vapor y es independiente del volumen del recipiente que lo contiene. En un sistema controlado a medida que la temperatura aumenta, la presión de vapor también aumentara y viceversa. Cuando el líquido y el vapor están en equilibrio se denominaran como líquido saturado y vapor saturado, respectivamente. La presión de vapor del líquido dependerá únicamente de la naturaleza del líquido y de la energía suministrada (calor). A medida que la temperatura del sistema comienza a disminuir, la energía cinética que mantenía las moléculas de agua en estado de vapor también comienza a disminuir debido a que estas comienzan a regresar a su estado liquido y por ende se evidenciaran periodos en los cuales aunque la temperatura disminuye las variaciones en la presión de vapor serán muy bajas lo que explica el comportamiento parabólico de la grafica 1.
BIBLIOGRAFIA (1) BELTRAN Aurelio. Chemistry. Editorial Reverte S.A. 1990 (2) REID, Robert C y SHERWOOD, Thomas K. propiedades de los gases y líquidos. Unión tipográfica editorial hispano-americana. México.1968. (3) http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/leip/clemente_c_ma/capitulo3.pd f (4) Gesari S., Irigoyen B., Juan A. An experiment on the liquid-vapor equilibrium for water. Edit. Am. J. Phys. 9ª ed, Philadelphia, 19 (5) Bligh P. H., Haywood R. Latent heat- its meaning and measurement. Edit. J. Phys. Philadelphia, 1986 pp. 245-251 (6) ADDISON Wesley. Physycal Chemistry. 1987 (7) D.E. Roller; R. Blum. Física -tomo 1 - mecanica, ondas y termodinamica - volumen 2. Editorial reverte. España 2007, p. 735.
