UNIVERSIDAD UNIVERSI DAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DE HUAMANGA
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA INGENIERÍA QUÍMICA QUÍMICA ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA
ASIGNATURA: QU-244: FÍSICO-QUÍMICA I PRÁCTICA No 03
PROFESOR DE TEORÍA: Ing. QUISPE MISAICO, Hernán. PROFESOR DE PRÁCTICA: Ing. QUISPE MISAICO, Hernán. ALUMNOS:
SULCA SUCA, Juan Antonio PALOMINO GARCIA, Romyl CHACCHI MOLINA, Deysi Alina
DÍA DE PRÁCTICAS: miércoles HORA: 5-8pm FECHA DE EJECUCIÓN: 03/09/14
FECHA DE ENTREGA: 10/09/14
AYACUCHO- PERU 2014
PRESION DE VAPOR DEL AGUA I.- OBJETIVOS
Establecer los fundamentos teóricos del equilibrio liquido-vapor liquido-vapor de un un componente puro. Obtener mediante mediante la experimentación el comportamiento comportamiento de la presión de vapor de u liquido puro sometido sometido a diferentes temperaturas. Comparar el modelo experimental experimental obtenido de presión de vapor de un líquido puro con un modelo matemático elegido por el profesor. Obtener con objetivo secundario secundario mediante el uso de de la ecuación ecuación de Clausus.Clapeyron el calor latente de vaporización del líquido puro, discutir el porcentaje de error con la reportada bibliografía.
II.-REVISION BIBLIOGRAFICA. PRESIÓN DE VAPOR DE LÍQUIDOS LÍQUIDOS La presión de vapor es es la presión la presión de la fase gaseosa o vapor de un sólido o un líquido sobre la fase líquida, para una temperatura una temperatura determinada, en la que la fase líquida fase líquida y el vapor el vapor se encuentra en equilibrio dinámico; dinámico; su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas. Este fenómeno también lo presentan los sólidos; cuando un sólido pasa al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido (proceso denominado sublimación o el proceso opuesto llamado sublimación inversa) también hablamos de presión de vapor. En la situación de equilibrio, las fases reciben la denominación de líquido saturado y vapor saturado. Esta propiedad posee una relación inversamente proporcional con las fuerzas de atracción intermoleculares, intermoleculares, debido a que cuanto mayor sea el módulo de las mismas, mayor deberá ser la cantidad de energía entregada (ya sea en forma de calor u otra manifestación) para vencerlas y producir el cambio de estado. Imaginemos una burbuja de cristal en la que se ha realizado el vacío y que se mantiene a una temperatura constante; si introducimos una cierta cantidad de líquido en su interior éste se evaporará rápidamente al principio hasta que se alcance el equilibrio entre ambas fases. Inicialmente sólo se produce la evaporación ya que no hay vapor; sin embargo a medida que la cantidad de vapor aumenta y por tanto la presión en el interior de la ampolla, se va incrementando también la velocidad de condensación, hasta que transcurrido un cierto tiempo ambas velocidades se igualan. Llegados a este punto se habrá alcanzado la presión máxima posible en la ampolla (presión de vapor o de saturación) que no podrá superarse salvo que se incremente la temperatura. El equilibrio dinámico se alcanzará más rápidamente cuanto mayor sea la superficie de contacto entre el líquido y el vapor, pues así se favorece la
evaporación del líquido; del mismo modo que un charco de agua extenso pero de poca profundidad se seca más rápido que uno más pequeño pero de mayor profundidad que contenga igual cantidad de agua. Sin embargo, el equilibrio se alcanza en ambos casos para igual presión. El factor más importante que determina el valor de la presión de saturación es la propia naturaleza del líquido, encontrándose que en general entre líquidos de naturaleza similar, la presión de vapor a una temperatura dada es tanto menor cuanto mayor es el peso el peso molecular del líquido. Por ejemplo, el aire al nivel del mar saturado con vapor de agua a 20ºC, tiene una presión parcial de 23 mbar de agua y alrededor de 780 mbar de nitrógeno, 210 mbar de oxígeno y 9 mbar de argón.
Por lo general, la ecuación de Antoine no se puede utilizar para describir con suficiente precisión toda la curva presión de vapor saturado desde el punto el punto triple al punto al punto crítico. Por crítico. Por lo tanto generalmente se emplean varios conjuntos de parámetros para un solo componente. Un conjunto de parámetros de baja presión para describir la curva de presión de vapor hasta el punto el punto de ebullición normal y el segundo conjunto de parámetros se utiliza desde el punto de ebullición normal al punto crítico. En la zona de solapamiento de los parámetros surgen inconsistencias, la aplicación en esta zona de la ecuación de Antoine es problemática.
Variación típica del ajuste de parámetros en toda la gama (datos experimentales del benceno)
Desviación del ajuste de la ecuación de August (2 parámetros) Desviación del ajuste de la ecuación de Antoine (3 parámetros) Desviación del ajuste de la ecuación de DIPPR 101 (4 parámetros) ETANOL FORMULA: C2H6O, CH3CH2OH. PESO MOLECULAR: 46.07 g/mol. COMPOSICION: C: 52.24 %; H: 13.13 % y O: 34.73 %. GENERALIDADES: El etanol es un líquido incoloro, volátil, con un olor característico y sabor picante. También se conoce como alcohol etílico. Sus vapores son más pesados que el aire. Se obtiene, principalmente, al tratar etileno con ácido sulfúrico concentrado y posterior hidrólisis. Algunas alternativas de síntesis son: hidratación directa de etileno en presencia de ácido fosfórico a temperaturas y presiones altas y por el método Fischer-Tropsch, el cual consiste en la hidrogenación catalítica de monóxido de carbono, también a temperaturas y presiones altas. De manera natural, se obtiene a través de fermentación, f ermentación, por medio de levaduras a partir de frutas, caña de azúcar, maiz, cebada, sorgo, papas y arroz entre otros, generando las variadas bebidas alcohólicas que existen en el mundo. Después de la fermentación puede llevarse a cabo una destilación para obtener un producto con una mayor cantidad de alcohol. El etanol se utiliza industrialmente para la obtención de acetaldehido, vinagre, butadieno, cloruro de etilo y nitrocelulosa, entre otros. Es muy utilizado como disolvente en síntesis de fármacos, plásticos, lacas, perfumes, cosméticos, etc. También se utiliza en mezclas anticongelantes, como combustible, como antiséptico en cirugía, como materia prima en síntesis y en la preservación de especímenes fisiológicos y patológicos. El llamado alcohol desnaturalizado consiste en etanol al que se le agregan sustancias como metanol, isopropanol o, incluso, piridinas y benceno. Estos
compuestos desnaturalizantes son altamente tóxicos por lo que, este tipo de etanol, no debe de ingerirse.
III.-MATERIALES Y EQUIPOS. Materiales
Matraz Erlenmeyer de 250 ml Parilla de calentamiento Manguera de látex Manómetro diferencial Termómetro de 0°C-150°C Liquido problema (agua) 250ml Pinzas de presión Barómetro Baño de etanol fría
IV.- DESARROLLO EXPERIMENTAL Mostrar el equipo de laboratorio tal como la ilustra la figura .el matraz debe contener el líquido problema, cerrar el sistema de tal manera que solo esté conectada la salida del vapor al manómetro diferencial y verificar que la válvula esté abierta antes de iniciar el calentamiento. Encienda la parrilla de calentamiento. Caliente el sistema hasta la ebullición del líquido problema. Verifique que no haya fugas el en sistema.
Una vez que alcanzó la temperatura de ebullición permite escapar vapor vapor para desalojar el aire atrapado en la manguera de latex, guera de latex (PRECAUCION;el sistema está caliente, tener cuidado de no quemarse en el momento de cerrarla válvula) Para registrar las variaciones de presión el en manómetro diferencial de mercurio, anota la altura en milímetros de mercurio al aumentar 0.5°C la temperatura del líquido problema. Ya se han tomado tomado los suficientes suficientes datos de altura a intervalos de T sin rebasar la escala del manómetro diferencial, suspender el calentamiento. Retirar el matraz de la parrilla colocarlo sobre la mesa. Registrar el enfriamiento del líquido problema a intervalos de 0.5°C y
anotar las correspondientes alturas del mercurio (presiones de vacío) en mm Hg.mientras el sistema se enfría enf ría espontáneamente hasta alcanzar alcanzar los 30 y 28°C,si es necesario cubrir el matraz con un manto frio para alcanzar la temperatura.
1. Presión atmosférica = ghb =ɤhb 2. hb mm de mercurio registrada en el barómetro del laboratorio del ingeniería básica.
densidad del Hg, g:aceleración de la gravedad, ɤ:peso específico del Hg
:
4. Realizar los cálculos necesarios para transformar t ransformar la altura o elevación de fluido manométrico (mm Hg) a presión absoluta de saturación (Pa, KPa)tal como lo explica el anexo 1.Reporta los datos como lo ilustra la tabla 3. 5. Registra la presión atmosférica de la ciudad de Ayacucho del barómetro ubicado en el laboratorio de fisicoquímica. f isicoquímica.
1. presión atmosférica = ghb = ɤhb…………..ec.8 2. hb mm de Hg registrada en el barómetro del laboratorio de fisicoquímica. 3. densidad de Hg, g: aceleración de la gravedad, ɤ: peso específico del Hg
:
6. Realizar los cálculos necesarios para transformar la altura o elevación de fluido manométrico (mm Hg) a presión absoluta de saturación (Pa, KPa) tal como lo explica el anexo 1.Reporta los datos como lo ilustra la tabla 3. 7. Determina el comportamiento del líquido problema mediante un diagrama de fases. (Pa,KPa) vs 1/T (K) del líquido problema. Obtén con los datos experimentales un modelo para determinar la pr esión de vapor a partir de la temperatura. 8. De acuerdo a la tabla 1, es posible determinar las constantes A,B de la ecuación general. 9. Elaborar la gráfica de lnPsat. 10. Compara el modelo obtenido empíricamente del líquido problema contra una de las correlaciones registrada en la tabla 1 (ver anexo 2 para constantes de Antoine). 11. Determina el calor latente de vaporización tal como lo expresa la ecuación (7). La figura 3 presenta la tendencia de los datos experimentales que se deben obtener. 12. Realiza la discusión de resultados y concluye en base a los objetivos propuestos.
V. RESULTADOS Tabla 2. Registro de temperatura temperatura y altura o elevación del Hg del calentamiento/enfriamiento del líquido del problema. T°C
Hs
Hi
71.5
51.7
51.2
5
72
52
50.7
13
71.5
51.4
51.4
0
71
50.8
51.9
11
70
49.4
53.4
40
67
47
55.9
89
64
44.6
58.2 58.2
136
61
43.7
59
153
58
41.8
60.8 60.8
190
54
40.9
61.8 61.8
209
50
40.6
62.8 62.8
222
45
39.7
63
233
40
39
63.8
248
Tabla 3 Obtención de presión manométrica a partir de las diferentes altura de mercurio del calentamiento/enfriamiento del líquido problema. T°C
°K
hs
hi
Pbar
Pasb
Pman
71.5
344.65
51.7
51.2
5
546.044905
541.044905
0.664137
72
345.15
52
50.7
13
546.044905
533.044905
1.7267562
71.5
344.65
51.4
51.4
0
546.044905
546.044905
0
71
344.15
50.8
51.9
11
546.044905
535.044905
1.4611014
70
343.15
49.4
53.4
40
546.044905
506.044905
5.313096
67
340.15
47
55.9
89
546.044905
457.044905
11.8216386
64
337.15
44.6
58.2
136
546.044905
410.044905
18.0645264
61
334.15
43.7
59
153
546.044905
393.044905
20.3225922
58
331.15
41.8
60.8
190
546.044905
356.044905
25.237206
54
327.15
40.9
61.8
209
546.044905
337.044905
27.7609266
50
323.15
40.6
62.8
222
546.044905
324.044905
29.4876828
45
318.15
39.7
63
233
546.044905
313.044905
30.9487842
40
313.15
39
63.8
248
546.044905
298.044905
32.9411952
Tabla 4.Datos de la presión absoluta de vapor y temperatura en SI del líquido problema. T°K
∆h (mmHg)
Pabs
-1
1/T*K
Pas Kpa
Psat
lnPsat
344.65
5
541.044905
0.00290149
72.1333882
71.4692512
4.269267303
345.15
13
533.044905
0.00289729
71.0668092
69.340053
4.239022705
344.65
0
546.044905
0.00290149
72.8
72.8
4.287715955
344.15
11
535.044905
0.00290571
71.3334539
69.8723525
4.246670042
343.15
40
506.044905
0.00291418
67.4671053
62.1540093
4.129615325
340.15
89
457.044905
0.00293988
60.9343092
49.1126706
3.894117059
337.15
136
410.044905
0.00296604
54.6681579
36.6036315
3.600147457
334.15
153
393.044905
0.00299267
52.4016776
32.0790854
3.468204274
331.15
190
356.044905
0.00301978
47.46875
22.231544 22 .231544
3.101512181
327.15
209
337.044905
0.0030567
44.935625
17.1746984
2.843437278
323.15
222
324.044905
0.00309454
43.2024342
13.7147514
2.618471999
318.15
233
313.044905
0.00314317
41.7358882
10.787104
2.378351343
313.15
248
298.044905
0.00319336
39.7360526
6.79485743
1.916166066
Grafico presión absoluta Vs temperatura en grados Celsius
presion absoluta Vs temperatura °C 600
500
y = 6.4951x + 9.8194 R² = 0.8787
400 s b a P
300 Series1 200
Linear (Series1)
100
0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
T°C
lnPsat(Kpa) vs. temperatura(1/T) 4.5 y = -7720.7x + 26.542 R² = 0.9881
4 3.5 3 t a s P n L
2.5 2 1.5 1 0.5 0 0.0029
0.00295
0.003
0.00305
0.0031
0.00315
0.0032
0.00325
1/T
Series1
Linear (S (Series1)
VI. CALCULOS. Calculando la variación de alturas: Ejemplo de 70°C
Variación de altura cuando la P atm es mayor a la Pvap.etanol a una temperatura de 67°C (cuando la temperatura disminuye)
Presión atmosférica o barométrica
Presión absoluta la temperatura de 70°C Dato. 101.325Kpa = 760mmHg
Presión absoluta la temperatura de 67°C
457.0449 60.9343092 OBTENCION DE PRESION MANOMÉTRICA Cálculo de la presión manométrica Kpa
Datos para hallar la presión manométrica a temperatura 70°C:
Aplicando la fórmula:
Se realiza en temperatura temperatur a 70°C Datos: densidad
=1354 Kg/m3
gravedad
=9.81 m/s2
landa
=132.8274
5.313096 Obtención de la presión de saturación con la ecuación de Antoine Constantes
A
B
C
Etanol
18.5242
3578.91
-50.50
Presión de vapor:
ET ºK
344.65
1/T (k- )
lnpsat
e
9.46710776
0.00290149
12914.7606
345.15
9.4785536
0.00289729
13063.4145
344.65
9.46710776
0.00290149
12914.7606
344.15
9.45563292
0.00290571
12767.4279
343.15
9.43259578
0.00291418
12476.6949
340.15
9.36277673
0.00293988
11635.3826
337.15
9.29187703
0.00296604
10839.0822
334.15
9.21987139
0.00299267
10086.1193
331.15
9.14673374
0.00301978
9374.84542
327.15
9.04740932
0.0030567
8488.53108
323.15
8.94595833
0.00309454
7669.68462
318.15
8.81604864
0.00314317
6735.41396
313.15
8.68256656
0.00319336
5893.85944
Si el líquido cumple la ecuación de Clauisius-Clapeyron, hallar su calor de vaporización. Explicar el cálculo.
lnPsat(Kpa) vs. temperatura(1/T) 4.5 y = -7720.7x + 26.542 R² = 0.9881
4 3.5 3 t a s P n L
2.5 2 1.5 1 0.5 0 0.0029
0.00295
0.003
0.00305
0.0031
0.00315
0.0032
0.00325
1/T
Series1
Linear (S (Series1)
Como ya se dijo, la ecuación de Clausius-Clapeyron ya integrada es:
Ln P = (-Hvap / RT) + C Donde la pendiente m está dada por -Hvap / R y C es el intercepto. En la gráfica realizada en el numeral anterior el programa Excel presentó la siguiente ecuación para la linea recta que representa los valores obtenidos durante la práctica; dicha ecuación fue la siguiente:
y = -7720.7x + 26.542 R² = 0.9881
R = 0.9940
Donde y el eje Y representa Ln P y el eje X representa 1/T. Por lo tanto, de esta ecuación se determina la pendiente m de la gráfica: m = --7720.7x K (las unidades deben ser K porque 1/T esta en 1/K)
Calcular el porcentaje de error, en el cálculo del calor de vaporización del líquido problema, consultando su valor teórico. Explicar las posibles causas de error. Del etanol. Los valores del calor de vaporización son los siguientes: Metanol = 8978.8 cal/mol Etanol = 9673.9 cal/mol El líquido problema utilizado en la práctica de laboratorio etanol Etanol =
cal/mol (practico) ( ) ) (
VII. CONCLUSIONES Podemos ver que el método experimental para obtener la presión de vapor es muy efectivo, ya que los valores tomados de presión y temperatura coinciden notablemente con los de la curva obtenida mediante la ecuación de Clausius-Clapeyron
Se logró establecer el fundamento para el equilibrio liquido vapor de un componente puro Se logró trazar las dos gráficas e incluyéndose las ecuaciones con tendencia a una recta. Se halló la temperatura normal y a condiciones de laboratorio (para Ayacucho). Se formuló la ECI-CI experimental y se comparó cada término con la ecuación de una recta.
VIII.
IX.
RECOMENDACIONES cuidado la cantidad del líquido volátil, ya ya que este Medir con sumo cuidado debe estar alineado dentro del tubo en U. medida de la presión exactamente exactamente en el momento preciso Tomar la medida para obtener los resultados óptimos. Los datos de la presión obtenidos en el experimento están en centímetros, y se tienen q llevar a milímetros para cálculos posteriores. BIBLIOGRAFIA
http://es.wikipedia.org/wiki/presi%c3%b3n_de_vapor http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujodegases/presiondevap or/presiondevapor.html
Moran,MJ,Shapiro.HN,”Fundaments de la Moran,MJ,Shapiro.HN,”Fundaments a termodinamica”,2 .Edicion,Editorial SHOEMAKER, D.P. – GARLAND, C.W. … “EXPERIMENTS IN PHYSICAL CHEMISTRY”. Edit. McGRAW.
