UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE DE MÉXICO Facultad de Química Equilibrio y Cinética Enseñanza Experimental
Equilibrio entre fases. Construcción del diagrama de fases del ciclohexano “
”
Integrantes: o o o
García Ramírez Alan César López Sánchez Ángel Piña Benhumea Oswaldo Francisco
26 / Febrero / 2009 Grupo: 25 Equipo: 4 Profa.: Ana Elena García Iñarritu
Equilibrio entre fases. Construcción del diagrama de fases del ciclohexano
I. Objetivo general. Interpretar el diagrama de fases de una sustancia pura, construido a partir de datos de presión y temperatura obtenidos a través de diferentes métodos.
II. Objetivos particulares. a) Obtener el punto de fusión o cristalización del ciclohexano y compararlo con el dato teórico. b) Obtener la presión y temperatura a la cual se presenta el punto triple del ciclohexano y compararlo con el dato teórico. c) Comprender la información que proporcionan la regla de las fases de Gibbs y la ecuación de Clausius-Clapeyron. d) Distinguir los equilibrios entre las diferentes fases (sólido, líquido y vapor) e) Deducir las propiedades termodinámicas involucradas en la transición de fases.
III. Problema. Construir el diagrama de fases del ciclohexano a partir de datos obtenidos en la literatura, experimentales y calculados.
A2. Propuesta del diseño experimental. Cuadro 1. Variables, hipótesis y propuesta del diseño de experimento. Las variables involucradas en el problema a resolver son la presión y la temperatura, que son los datos representativos de la gráfica del punto triple de cualquier sustancia.
Hipótesis Se esperan obtener los datos de presión y temperatura a la cual se observara el punto triple del ciclohexano así como las temperaturas de solidificación o cristalización del ciclohexano y de ebullición del mismo. Recordemos que el resultado debe de ser muy parecido a 281.15 K y 334.15 K respectivamente. Con los datos obtenidos se realizará una gráfica de presión vs temperatura en la cual se podrán observar el punto triple del ciclohexano, sus temperaturas y presiones a las cuales existe un equilibrio líquido-vapor, sólido-vapor y líquido sólido.
Diseño de experimento: Obtención del punto de fusión 1. Colocar un poco de ciclohexano en un tubo de ensayo con un termómetro dentro del mismo. 2. Insertar el tubo en baño de hielo-agua y observar la temperatura a la cual se forma el primer cristal de ciclohexano. Recordar que este valor será aproximado a 8 ºC.
Obtención del punto de ebullición 1. Se monta el sistema de destilación fraccionada o simple. 2. Se enciende la parrilla (NUNCA con mechero con un compuesto tan volátil) y se registra la temperatura en el equilibrio líquido-vapor.
Obtención del punto triple del ciclohexano 1. Armar el equipo de obtención del punto triple del ciclohexano. 2. Prender la bomba de vacío. 3. Observar la temperatura y presión del punto triple del ciclohexano.
A3. Reactivos y materiales. MATERIALES REACTIVOS Ciclohexano Sal de cocina en grano Hielo
Punto triple: 1 Manómetro de mercurio 1 Bomba de vacío con trampa 1 Termómetro de mercurio de -1 a 101 °C 1 Matraz bola 1 L con tapón trihoradado 2 Trampas de vapor 2 Cubetas de plástico para introducir las trampas de vapor 3 Soportes universales con pinzas 1 Charola de plástico de 30 cm x 20 cm x 15 cm. Equilibrio Líquido-vapor: 1 Sistema de destilación fraccionada o simple. Equilibrio Sólido- Líquido: 1 Tubo de ensaye de 12 x 150 mm (15 mL) 1 Termómetro digital de –10 a 100 °C 1 Vaso unicel.
A4. Metodología empleada. Diseño de experimento:
Punto de fusión Desgraciadamente, el único punto de fusión experimental no se pudo obtener gracias a la ausencia del laboratorista en el aula, lo cual no permitió el préstamo de material para la realización de este paso.
Punto de ebullición 1. Colocar un poco de ciclohexano puro en un matraz de bola para destilación. 2. Será destilación fraccionada por lo que se necesitará de una columna fraccionada, puede ser Vigreaux. 3. Colocar de manera adecuada el termómetro en la T de destilación para poder obtener mayor precisión de los datos del punto de ebullición del ciclohexano. 4. Cuando la temperatura del termómetro permanezca constante, ésta será la temperatura experimental de ebullición del ciclohexano la cual será de un valor cercano a 81 ºC.
Punto triple 1. Armar el equipo de obtención del punto triple del ciclohexano, que consiste en un matraz de bola de 1 litro, 3 refrigerantes o “trampas”, un manómetro en U con mercurio, un termómetro y una bomba de vacío. 2. Colocar un poco de ciclohexano en el matraz de bola y colocar tapón trihoradado. 3. Colocar un termómetro con graduación de -1º a 101 ºC en el matraz permitiéndole el contacto con el ciclohexano. 4. Conectar dos mangueras de hule en los otros dos orificios del tapón del matraz. 5. Una de estas mangueras irá conectada a una trampa de vapor, la cual a su vez estará conectada también al manómetro en U. 6. La otra manguera irá conectada a 2 trampas que estarán del lado de la bomba de vacío. Esto se hace para que los vapores del ciclohexano no dañen la bomba. 7. Cada una de las trampas deberá de encontrarse en baño de hielo-agua para evitar que contaminen los alrededores y los aparatos. 8. Prender la bomba recordando que 2 de las trampas deben de ir conectadas del matraz hacia ella ya que los vapores del ciclohexano la pueden dañar. 9. Observar la temperatura y presión del punto triple del ciclohexano.
A5. Datos, cálculos y resultados. PARA LA OBTENCIÓN DE ESTOS DATOS SE UTILIZARON LOS SIGUIENTES DATOS UBICADOS EN EL PROTOCOLO DE LA PRÁCTICA: -
1. Completar la tabla 1 con los datos experimentales, reportados y calculados. 2. Algoritmo de cálculo.
a. Calcular la temperatura (T2) en un punto de equilibrio L-V cercano a la temperatura de ebullición normal.
( ) ⁄
Para un equilibrio L-V utilizamos:
Despejando T 2 que es lo que queremos obtener:
Ahora utilizamos una presión cercana a la temperatura de ebullición normal que es de 760 mmHg obteniendo: P1: 760 mmHg T1: 354.15 K P2: 700 mmHg T2: ¿?
⁄ [ ]
b. Calcular la temperatura (T2) en un punto de equilibrio L-V cercano a la temperatura de ebullición obtenida a la presión atmosférica del lugar de trabajo. Se realiza el mismo procedimiento del inciso anterior solamente se cambia la presión a la cual se trabajo y se toma como base, y a partir de ésta se toma alguna otra cercana para obtener su temperatura: P1: 585 mmHg T1: 344.15 K P2: 600 mmHg T2: ¿?
⁄
c. Calcular una temperatura (T2) en un punto de equilibrio S-V. Para un equilibrio S-V se toma la misma fórmula de Clausius-Clapeyron y solamente se cambia el por donde tenemos ya despejada la fórmula para encontrar T 2:
⁄ [ ]
Aquí tomamos como base el punto triple del ciclohexano tomando en cuenta que en el diagrama de fases del ciclohexano el equilibrio S-V se encuentra a temperatura y presión menor que el del punto triple: P1: 45 mmHg T1: 279.65 K P2: 40 mmHg T2: ¿?
⁄
d. Calcular la entalpía de vaporización. Utilizamos la fórmula de Clausius-Clapeyron para equilibrio L-V y despejamos obteniendo:
⁄
Sustituyendo los valores del punto del equilibrio L-V teórico y experimental obtenemos:
⁄ TABLA 1. Datos experimentales, reportados y calculados, para las diferentes transiciones de fase.
Datos experimentales
Equilibrio
Proceso
S-L
Punto de fusión Punto de ebullición Punto Triple Punto de fusión normal Punto de ebullición normal
L-V S-L-V S-L
Datos teóricos
L-V Condiciones críticas
Punto Triple
L-V
Evaporación
S-V
Sublimación
Datos calculados
P(mmHg) T (ºC)
T (K)
586 586
6.9 71
280.05 344.15
45 760
6.5 7
279.65 280.15
760
81
354.15
36
6.4
279.55
500 450 400 30 25 20
67.60 64.38 60.86 -0.77 -3.90 -7.65
340.75 337.53 334.01 272.38 269.25 265.50
TABLA 2. Ordenar los datos de la tabla 1 en orden decreciente de presión. L-V P(mmHg) 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 45
T (K) 346.47 343.70 340.74 337.53 334.01 330.10 325.71 320.66 314.68 307.30 297.47 282.04 279.83
S-L P(mmHg) 600 45
T (K) 279.65 279.65
S-V P(mmHg) 45 40 35 30 25 20 15 10 5 4 3 2 1
T (K) 279.65 277.50 275.10 272.39 269.25 265.50 260.81 254.48 244.35 241.26 237.39 232.13 233.67
A6. Elaboración de gráficos. 1. Trazar el diagrama de fases presión (mmHg) en función de temperatura (K) para el ciclohexano con los datos de la tabla 2.
Diagrama de fases del ciclohexano 675 575 ) 475 g H m 375 m ( n ó i 275 s e r P 175
Equilibrio L-V Equilibrio S-V Equilibrio S-L
75 -25 200
250
300
350
Temperatura (K)
Equilibrio L-V 675 575 ) 475 g H m 375 m ( n ó i 275 s e r P 175
75 -25 250
300
350
Temperatura (K)
Equilibrio S-V 45 40 35
) g H 30 m 25 m ( n 20 ó i s e r 15 P
10 5 0 200
250
Temperatura (K)
300
A7. Análisis de resultados. 1. Calcular el número de grados de libertad en el diagrama de fases del ciclohexano indicados en la tabla 3 y explicar su significado. TABLA 3. Grados de libertad calculados para distintas regiones del diagrama de fases del ciclohexano.
Fases (F)
Grados de libertad (L)
Área
1
2
Sobre la línea
2
1
Punto triple
3
0
Significado Podemos escoger dos variables intensivas independientes (presión y temperatura) Sólo necesitamos de una variable intensiva independiente (ya sea la presión o la temperatura) No podemos escoger ninguna variable independiente debido a que punto triple de esta sustancia es único. Se deben de conocer todos los valores
A8. Conclusiones. Se pudo construir el diagrama de fases del ciclohexano con éxito a pesar de los pormenores como el no haber podido obtener el punto de fusión experimentalmente. Como lo pudimos observar, el diagrama de fases nos indica en qué fase se encontrara el compuesto a una presión y temperatura señaladas, y hay que recordar que este diagrama es único para cada uno de los compuestos existentes. El punto de fusión experimental no se pudo realizar y por lo tanto no se pudo establecer una comparación con el teórico; aunque el punto de ebullición se pudo observar en la destilación fraccionada y se obtuvieron 10.15º de diferencia entre uno y otro, lo que nos marca un 2.78% de error, aunque hay que considerar que la presión no es la misma, disminuye en la ciudad de México por 174 mm g. La regla de las fases de Gibbs es de gran utilidad ya que nos permitió deducir cuantos grados de libertad se podían asignar, es decir, las variables independientes intensivas (presión y temperatura) necesitamos para deducir un equilibrio (L-V, S-L ó S-V), el punto crítico o en determinada área en la cual sólo hay un componente. De acuerdo a los puntos de ebullición y de fusión notamos que se encuentran justo en la línea que marca el diagrama de fases, es decir, en las líneas encontradas en este diagrama cada punto de esa línea representa un punto de fusión y ebullición a temperatura y presión dadas, de aquí que siempre vemos acompañados a estas dos variables. En resumen, un diagrama de fases es único y cada compuesto tiene el suyo, en el podemos encontrar los puntos de fusión, ebullición, tanto normales como los que se necesiten, la presión de vapor, el punto triple, el punto crítico y las presiones y temperaturas a las cuales se encuentran cada uno de ellos, como vemos, es una herramienta muy útil para nuestro buen desempeño como hombres y mujeres de ciencia.
A9. Manejo de Residuos. El compuesto utilizado en esta práctica, el ciclohexano, es muy tóxico para los organismos acuáticos, puede provocar a largo plazo efectos negativos en el medio ambiente acuático. Elimínense el producto y su recipiente como residuos peligrosos. Evítese su liberación al medio ambiente. Peligroso para el agua potable. No permitir su incorporación al suelo ni a acuíferos. Riesgo de formación de vapores explosivos sobre la superficie del agua. Alteración de las características organolépticas de las proteínas del pescado.
A10. Bibliografía. -
http://www.panreac.com/new/esp/fds/ESP/X211250.htm Laidler, K. J., Meiser, J. H., Fisicoquímica, Cecsa, México, 1997, p.p. 183, 185, 220-224. Levine, I. N., Physical Chemistry, 3ª edición, McGraw-Hill, Estados Unidos, 1988, p.p. 197, 198. Noggle, J. H., Physical Chemistry, 3ª edición, Harper Collins, Nueva York, 1996, p.p. 333. Atkins, P., Jones, L., Química, 3ª edición, Omega, Barcelona, España, 1998, p.p. 199, 200. Apuntes de clase del profesor Baldomero Esquivel.
