UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE DE MÉXICO Facultad de Química Equilibrio y Cinética Enseñanza Experimental
“Equilibrio liquido-vapor. liquido-vapor. Presión de vapor y entalpía de vaporización del agua” Integrantes: o o o
García Ramírez Alan César López Sánchez Ángel Piña Benhumea Oswaldo Francisco
19 / Febrero / 2009 Grupo: 25 Equipo: 4 Profa.: Ana Elena García Iñarritu
Equilibrio liquido-vapor. Presión de vapor y entalpía de vaporización del agua I. Objetivo general. Comprender e interpretar el significado de las variables termodinámicas involucradas en la ecuación de Clausius-Clapeyron, para aplicarlas en la determinación de la entalpía de vaporización de una sustancia.
II. Objetivos particulares. a) Determinar valores de presión de vapor del agua a distintas temperaturas, para representar y describir la relación que se presenta entre ambas variables. b) Calcular la entalpía de vaporización del agua a partir de los datos experimentales y obtener los parámetros de la ecuación de Clausius-Clapeyron.
III. Problema. Determinar la entalpía de vaporización del agua.
A2. Propuesta del diseño experimental. Llevar a cabo una discusión grupal, identificar las variables involucradas y plantear la hipótesis para proponer el diseño del experimento que pueda conducir a la resolución del problema planteado (considerar que en el laboratorio se dispone del material indicado en el punto A3). Anotar la propuesta en el Cuadro 1.
Cuadro 1. Variables, hipótesis y propuesta del diseño de experimento. Las variables que influyen en el experimento son temperatura, presión y volumen.
Hipótesis:
Si al gas aumentamos la temperatura, observaremos variación en la presión, volumen y un cambio en su entalpía de vaporización asociado a cada temperatura.
Diseño de experimento: 1. Colocar en la probeta de 50 mL un volumen de agua conocido. 2. Llenar el vaso Berzelius. Invertir la probeta e introducirla en el vaso lleno de agua junto con el termómetro, y la resistencia hasta llegar a una temperatura de 70oC. 3. Registrar la temperatura por cada mL de volumen en variación hasta llegar a 0oC. El esquema se muestra en la figura 1.
Figura1. Sistema de agua y accesorios.
A3. Reactivos y materiales.
A4. Metodología empleada. Describir detalladamente en el cuadro 2 la metodología empleada después de haber realizado el experimento.
Cuadro 2. Metodología empleada.
Diseño de experimento: 1. Colocar en la probeta de 50 mL un volumen de agua conocido. 2. Llenar el vaso Berzelius con agua. 3. Invertir la probeta e introducirla en el vaso lleno de agua junto con el termómetro y la resistencia hasta llegar a una temperatura de 70oC. 4. Observar que volumen inicial existe en la probeta inmediatamente después de haber alcanzado los 70ºC. 5. Registrar la temperatura por cada mL de volumen en variación hasta llegar a 0oC.
A5. Datos, cálculos y resultados. 1. Registrar los datos experimentales de temperatura y volumen en la tabla 1. (SE
ANEXA HOJA CON TABLA) 2. Algoritmo de cálculo. a. Determinar el volumen que ocupa el aire a cada una de las temperaturas de trabajo, aplicando la ley de Charles. Registrar los resultados en la tabla 1.
La ley de Charles nos dice:
Despejando el
obtenemos:
Y es aquí donde en y donde tenemos que ocupar los valores de temperatura y volumen obtenidos al final del procedimiento, es decir: y ; mientras que la será la temperatura a la cual se encuentra el volumen desconocido.
b. Determinar, por diferencia, el volumen que ocupa el vapor de agua dentro de la probeta a cada una de las temperaturas registradas. Anotar los resultados en la tabla1.
Para calcular el vapor de agua solo se hace la diferencia entre el volumen de aire experimental menos el calculado, esto es porque el volumen experimental contiene vapor de agua y aire. Por lo tanto la mezcla de aire y vapor de agua menos el volumen de aire calculado con anterioridad nos dará como resultado el volumen del vapor de agua.
c. Calcular la presión parcial del aire y la presión de vapor del agua, a partir de los valores de fracción mol de los componentes y de la presión total del sistema. Registrar los resultados en la tabla 1.
Primeramente sabemos que la presión total, (que es la presión atmosférica aproximada de la Ciudad de México) y que la fracción mol del aire se ha obtenido con anterioridad. También se conoce una fórmula para obtener la fracción mol de cualquier compuesto en base a las presiones la cual es:
De aquí despejamos la
y se observa lo siguiente:
d. Calcular el logaritmo natural de la presión de vapor y el inverso de la temperatura absoluta. Registrar los datos en la tabla 1.
En este paso solamente se sustituyen los valores de presión de vapor y temperatura para obtener su logaritmo natural y su inverso respectivamente.
A6. Elaboración de gráficos. 1. Trazar la gráfica de presión de vapor (mmHg) en función de la temperatura absoluta
(Gráfico 1). Presión de vapor vs temperatura absoluta 250
a u g 200 a e d r ) 150 o g p H a 100 v m e ( m d 50 n o i s 0 e r 270 P
280
290
300
310
320
330
340
350
Temperatura (K)
2. Trazar la gráfica de ln presión de vapor (mm Hg) en función del inverso de la temperatura absoluta
(Gráfico 2) ) K / 1 ( a r u t a r e p m e t o s r e v n I
Ln presión de vapor vs Inverso de la temperatura 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 0.0028
y = -3753.7x + 16.194 R² = 0.9811 0.0030
0.0032 Ln Pvap
0.0034
0.0036
A7. Análisis de resultados. 1. Indicar qué gases se encuentran confinados en la parte superior de la probeta entre 30 ºC y 70 ºC. Se encuentra el aire que inicialmente se encontraba contenido en la parte superior de la probeta así como el vapor de agua generado con el aumento de la temperatura de la misma, todo esto provocando la disminución del agua líquida dentro de la probeta ocupando el espacio el aire y el vapor de agua.
2. Señalar cuál es el gas dentro de la probeta cuando la temperatura es de 0°C y explicar cuál es la utilidad de esa determinación. Solamente existe aire a esa temperatura. Y esto resulta importante ya que conforme exista un aumento de temperatura, éste volumen irá aumentando, pero ya no solamente será aire sino vapor de agua, que es el dato que nos permitió obtener la presión parcial del aire, del vapor de agua y sus respectivas presiones.
3. Explicar qué tipo de relación existe entre la presión de vapor y la temperatura, de acuerdo al comportamiento que se observa en el gráfico 1. La relación es exponencial ya que se puede observar al principio que conforme aumenta la temperatura, gráficamente el aumento en la presión parece ser del mismo tamaño, y esto se ve en todos los datos obtenidos.
4. Analizar qué tipo de relación se presenta entre el logaritmo natural de la presión de vapor del agua y el inverso de la temperatura absoluta (gráfico 2). Expresar la ecuación que describe el comportamiento de estos datos. La relación es la misma que en la gráfica anterior solo que de manera inversa como lo manifiestan los datos de la temperatura. La ecuación descrita es:
5. Explicar qué información proporciona la pendiente de la ecuación establecida en el punto 4 e indicar sus unidades. La pendiente nos indica la relación que hay entre la entalpía de vaporización y la constante de los gases (R). Sus unidades se expresan en K
6. Calcular la entalpía de vaporización del agua a partir de la pendiente del gráfico 2.
) (
7. Comparar el valor de la entalpía calculada a partir de los datos experimentales con el reportado en la literatura y calcular el porciento de error. En caso de existir alguna diferencia, explicar a qué puede deberse. El valor teórico es de 10.2 Kcal/mol = 42.6768 KJ/mol
A8. Conclusiones. La velocidad con la que el líquido se evapora es constante a una temperatura dada, en cambio la velocidad con la que el gas se condensa aumenta al incrementar la cantidad de vapor dentro de nuestro sistema hasta llegar al equilibrio, es ahí cuando medimos la presión de vapor. La ecuación de Clausius-Clapeyron se usó para calcular la entalpía de vaporización mediante la grafica con una pendiente negativa, es el método más utilizado para determinar los calores de vaporización de los líquidos, y si conocemos la entalpía de vaporización de un líquido la podemos calcular a otra temperatura. En un cambio de fase, por ejemplo, de líquido a gas, el cambio de entalpía del sistema es el calor latente, en este caso el de vaporización. En un simple cambio de temperatura, el cambio de entalpía por cada grado de variación corresponde a la capacidad calorífica del sistema a presión constante. También se observó que al cambio de temperatura de equilibrio (la cual en este caso se manejo como la temperatura de ebullición del agua con respecto a la presión constante) es igual al cambio de volumen molar de la fase.
A9. Manejo de Residuos. Solamente se manejó agua durante la práctica por lo que puede ser guardada en las tinas para el uso de la misma por los equipos restantes de laboratorio o en su defecto puede ser desechada a la tarja.
A10. Bibliografía. -
Laidler, K. J., Meiser, J. H., Fisicoquímica, Cecsa, México, 1997 p.p. 182, 183, 185, 186, 188. Chang, R., Química, 9ª. Edición, McGraw-Hill Interamericana, México D.F., 2007, p.p. 167, 176, 189, 474, 475, 594. Levine, I. N., Physical Chemistry, 3ª edición, McGraw-Hill, Estados Unidos, 1988, p.p. 133-135, 150, 152-154.
