informe 03 fisicoquimica ai

7/26/2019 Informe 03 Fisicoquimica AI

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MA/14:00-18:00/ FQAI/D

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

(Universidad del Per, Decana de Amrica)

FACULTAD DE QUMICA E ING.QUMICA

E.A.P.QUMICA 07.1

DEPARTAMENTO ACADMICO DE QUMICA FISICOQUMICA

LABORATORIO DE FISICOQUMICA AI

PRCTICA N 3: PRESIN DE VAPOR

HORARIO: MARTES14:0016:00

PROFESORA: NORA ROJAS

FECHA DE ELABORACIN: 22DE ABRIL DE 2016

FECHA DE ENTREGA: 26DE ABRIL DE 2016

INTEGRANTE:

14070083MEGO DE LA CRUZ,FROY KEVIN

LIMA-PER

2016-1


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PRCTICA 03PRESIN DE VAPOR Error! Use the Home tab to apply Ttulo 1 to the text that you wa

UNMSMFQIQLABORATORIO DE FISICOQUMICA AI PGINA 2

TABLA DE CONTENIDO

Resumen ............................................................................................................................................................. 3

Introduccin ....................................................................................................................................................... 4

Principios Tericos .............................................................................................................................................. 5

Presin de Vapor ............................................................................................................................................ 5

Punto de Ebullicin ......................................................................................................................................... 5

Variacin de la Presin de Vapor con la Temperatura ................................................................................... 5

Calor Latente de Vaporizacion........................................................................................................................ 6

Entalpia ........................................................................................................................................................... 7

Equilibrio Liquido-Vapor y Solido-Vapor ........................................................................................................ 7

Detalles experimentales ..................................................................................................................................... 8

A. Mtodo esttico .................................................................................................................................... 8

Tabulacin de datos y resultados de datos experimentales .............................................................................. 9

Tabla de datos experimentales ...................................................................................................................... 9

Tabla de datos tericos .................................................................................................................................. 9

Tabla de clculos ............................................................................................................................................ 9

DETERMINACION DEL PV (H2O) EXPERIMENTAL ....................................................................................... 9

Determinacin del calor de vaporizacin (utilizando la ecuacin de Clasius-Clapeyron) ........................ 10

Tabla de resultados ...................................................................................................................................... 11

Clculos............................................................................................................................................................. 11

DETERMINACION DEL PV (H2O) EXPERIMENTAL ..................................................................................... 11

Determinacin del calor de vaporizacin (utilizando la ecuacin de Clasius-Clapeyron) ........................ 12

Determinacin del calor de vaporizacin (utilizando la grfica Lnp vs. 1/t) ............................................ 12

Porcentaje de error % ............................................................................................................................... 13

Discusin de resultados .................................................................................................................................... 14

Conclusiones ..................................................................................................................................................... 14

Recomendaciones ............................................................................................................................................ 14

Bibliografa........................................................................................................................................................ 15

Anexos .............................................................................................................................................................. 15


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RESUMEN

La finalidad de esta prctica experimental fue la determinacin de la presin de vapor de los lquidosmediante el Mtodo Esttico para esto trabajamos con temperaturas cercanas al punto de ebullicin yobservamos la variacin de la presin de vapor con la disminucin de la temperatura. A partir de ellocalculamos el calor molar de vaporizacin del lquido a estudiar (agua).

Para ello, como nico procedimiento tuvimos que aplicar el mtodo esttico a partir de ello calculamos elcalor de vaporizacin experimental por dos mtodos: analtico y grfico. El primero consisti en hallar elcalor de vaporizacin promedio a partir de los 20 datos obtenidos cogiendo de dos en dos; teniendo comoresultado experimental =9.350 Kcal/mol. Mientras que el segundo consisti en hallar el calorde vaporizacin mediante la grfica (LnP vs. 1/T), el cual a partir de la pendiente nos arroj un valorHvexp=8.927 Kcal/mol.

Finalmente a partir de los valores obtenidos experimentalmente se pudo comprobar cual mtodo es mseficaz, comparando los porcentajes de error en ambos mtodos y tomando encuenta que el=9.979 Kcal/mol. Obtuvimos un porcentaje de error del 6.3% para el mtodo analtico y unporcentaje de error del 10.54% para el mtodo grfico, lo cual se puede decir que el mtodo ms aceptableen el clculo de calor de molar de vaporizacin del lquido es por el mtodo analtico.


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INTRODUCCIN

Un joven nacido en Greenock, Escocia se interes en el funcionamiento y busco el perfeccionamiento de las

mquinas de vapor inventadas por los ingleses Thomas Savery y TromasNewcomen, utilizadas entonces para

extraer agua de las minas. Este personaje diseo una cmara de condensacin independiente en la mquina

de vapor, para evitar prdidas de vapor en el cilindro e intensificar las condiciones de vaco. Socio delinventor britnico John Roebuck, recibi financiamiento de l para sus investigaciones. James Watt patent

el motor rotativo para impulsar varios tipos de maquinaria; el motor de doble efecto y el indicador de vapor

que registra la presin de vapor. A partir de 1800 se dedic por completo al trabajo de investigacin de

dicho mecanismo.

Como bien se sabe, existen muchas sustancias que volatilizan con facilidad, es decir, pasan del estado

lquido o slido a uno gaseoso. Pues la propiedad relacionada a ella, es la que se estudiar en la presente

prctica: presin de vapor. La cual se define como la presin a la cual el lquido y vapor se encuentran en

equilibrio, y cabe resaltar que depende de la temperatura ms no de la cantidad de lquido (propiedad

intensiva).

Cada lquido tiene una presin de vapor caracterstica a una temperatura dada. En el caso de mezclas, la

presin de vapor depende de sus componentes (naturaleza y proporciones relativas para ser ms precisos).

La presin de vapor tiene mltiples aplicaciones: intercambiadores de calor (el vapor eleva la temperatura

del producto por transferencia de calor), generacin de electricidad (turbina de vapor), etc. Debido a esto la

importancia de estudiar la presin de vapor, los condensadores de vapor que son aparatos en los cuales se

condensa el vapor de escape procedente de mquinas y turbinas, y de donde el aire y otros gases no

condensables son evacuados en forma continua; dos ventajas de este mecanismo radica en que disminuye la

presin de escape, lo cual genera un aumento de energa utilizable y la otra razn es que recupera el

condensado para utilizarlo como agua de alimentacin para las calderas.


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PRINCIPIOS TERICOS

PRESIN DE VAPOR

Las molculas de un lquido anlogamente la de los gases, se mueven limitadamente en todas las

direcciones y con una amplia gama de velocidades. Aquellas molculas que estn situadas en la superficiedel lquido y que poseen la energa suficiente para vencer la atraccin de las dems, escapan al espacio libre

situado sobre ellas, con lo cual se dice que el lquido se vaporiza o evapora, experimentando un cambio de

fase desde lquido hasta gas. En el caso del agua, el transito seria desde agua liquido hasta vapor de agua.

Supongamos un recipiente parcialmente lleno de agua y cerrado. Las molculas de agua que pasan a fase

vapor se irn acumulando lentamente en la cmara de aire sobre el lquido hasta producir una determinada

presin, a la que se denomina presin de vapor del agua. El proceso es reversible y se completa con el

trnsito de molculas de agua gas que han perdido energa y vuelven al lquido mediante el fenmeno de la

condensacin.Adems, cuando la presin de vapor iguala a la presin externa soportada por el agua, toda el

agua se evaporar. La presin de vapor exige que las molculas se muevan con velocidades diferentes,

teniendo, por tanto, distinta energa cintica.

PUNTO DE EBULLICIN

Se define punto de ebullicin de un lquido como la temperatura a la cual la presin del vapor es igual a la

presin externa. Cuando se aplica calor a un lquido, su presin de vapor aumenta hasta hacerse igual a la

presin atmosfrica. El punto de ebullicin vara con la presin externa que existe por encima de la

superficie del lquido. Al descender la presin, el punto de ebullicin disminuye; un aumento en la presin

aumenta el punto de ebullicin.

VARIACIN DE LA PRESIN DE VAPOR CON LA TEMPERATURA

La presin de vapor de un lquido puro es la presin a la cual el lquido est en equilibrio con su vapor. Este

equilibrio es dinmico; as, el nmero de molculas de lquido que se evaporan es igual al nmero de

molculas de vapor que se condensan.

La presin de vapor aumenta cuando aumenta la temperatura hasta llegar a la temperatura crtica ( Tcrit),

temperatura a partir de la cual no existe lquido y slo existe la fase vapor. El punto de ebullicin normal de

un lquido (Teb) es la temperatura a la cual el lquido tiene una presin de vapor igual a la presin

atmosfrica.

La ecuacin de Clapeyron relaciona la presin de vapor con la temperatura:

= (1)en donde representa el volumen molar del vapor y el volumen molar del lquido. Asimismo, yrepresentan las entropas molares del vapor y el lquido, respectivamente. Debido a que el procesodevaporizacin es reversible, podemos escribir para el cambio de entropa .

= (2)


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Donde es el calor molar de vaporizacin; por lo tanto:=

(3)

Esta ecuacin (ecuacin de Clapleyron), es completamente general. En el caso particular de una transicinlquido-vapor en la que

>>

y, suponiendo que el vapor se comporta aproximadamente como un gas ideal:

=

Por lo que la ecuacin de Clapleyron, en este caso, se convierte en:

=

(4)

que es la ecuacin de Clausius-Clapeyron, que nos da la variacin de la presin de vapor con la temperatura.Reordenando se obtiene:

=

(5)

Y haciendo la aproximacin de que Hv es independiente de la temperatura, la ecuacin anterior se puede

integrar, resultando:

ln = +(6)donde P es la presin de vapor del lquido problema. Al representar grficamente frente a 1/T se debeobtener una lnea recta cuya pendiente es igual a:

Con lo que a partir de medidas de presin de vapor de un lquido a diferentes temperaturas se puededeterminar su entalpa de vaporizacin.

CALOR LATENTE DE VAPORIZACION

Para pasar de la fase lquida a la fase de vapor se necesita una absorcin de energa por parte de las

molculas lquidas, ya que la energa total de stas es menor que la de las molculas gaseosas. En el caso

contrario, en la condensacin, se produce un desprendimiento energtico en forma de calor. El calor

absorbido por un lquido para pasar a vapor sin variar su temperatura se denomina calor de vaporizacin. Se

suele denominar calor latente de vaporizacin cuando nos referimos a un mol.

El calor molar de vaporizacin se podra referir a un proceso termodinmico a volumen constante o a

presin constante, y los designaremos por (Hv)v y (Hv)p. En el primer proceso, el intercambio calrico que

entra en juego se invierte en vencer la fuerza de atraccin del lquido y se suele denominar calor latente

interno de vaporizacin molar.

En el proceso a presin constante, que se realiza en la prctica frente a una presin exterior, prcticamente,

invariable hay que agregar a la energa interna la necesaria para verificar el cambio de volumen, y viene

dado por P(VV-VL) siendo P la presin del vapor y VV y VL, los volmenes molares del vapor y del lquido,

respectivamente.


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As pues, el calor molar de vaporizacin a presin constante vendr dado por:

= + (1)Como >>podemos considerar VL = 0 y (Hv)p = (Hv)v + PVV, pero como PVV = RT y considerando que secumple la ley de los gases perfectos, nos queda:

= + (2)Hasta ahora hemos considerado una nica presin sobre el lquido, la del vapor, pero si el lquido est

sometido a una presin externa adicional la presin de vapor variar.

ENTALPIA

La mayora de los procesos fsicos y qumicos tienen lugar a presin constante y no a volumen constante.

Esto es cierto, por ejemplo en el proceso de vaporizacin, la energa interna E se puede usar efectivamente

en procesos a volumen constante, encontraremos muy conveniente en los cambios a presin constante

emplear otra funcin termodinmica. Al igual que la energa interna no podemos establecer el valor

absoluto de la entalpa para un cierto sistema aunque al igual que con E, es la magnitud delta, la diferencia

de valores D H, la que es importante al igual que la energa interna, la entalpa de un sistema depende

exclusivamente de su estado y no de su historia anterior.

EQUILIBRIO LIQUIDO-VAPOR Y SOLIDO-VAPOR

En estos dos casos el V molar del gas es mucho mayor que el del lquido o que el del slido por lo que puede

hacerse la aproximacin:

=

Si adems se hace la suposicin de que el gas se comporta como gas ideal, la ecuacin de Clapeyron setransforma en:

=

=

=

Esta ecuacin se suele expresar como:

l n =

Llamada ecuacion de Clausius Clapeyron.Si el rango de temperatura analizado es pequeo, se puede suponer que H es constante a lo largo de la

lnea de equilibrio, y por tanto:

ln

Luego la ecuacion de Clausius integrada es:

ln

(1

1)


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DETALLES EXPERIMENTALES

A.

MTODO ESTTICO

MATERIALES:

Equipo para determinar presin de vapor por el mtodo esttico, consistente de un matraz con

tapn bihoradado, termmetro, manmetro, llave de doble va, cocinilla.

REACTIVOS:

Agua destilada

PROCEDIMIENTO

Primero instalalamos el equipo (como se muestra en la figura 1), pero como lo encontramos

instalado solo verificamos que el equipo se encuentre perfectamente instalado.

Luego llenamos en un matraz con agua destilada 1/3 de su capacidad total, manteniendo la llave

abierta al medio ambiente (donde la presin de matraz es igual al de la atmosfrica). Y observamos

que el mercurio se nivel en cada rama de manmetro.

Calentamos el agua hasta ebullicin (No excedimos de 100 C), posteriormente quitamos la cocinilla

y cambiamos la posicin de la llave de abierta a cerrada, para tomar la temperatura y las presiones

manomtricas en intervalos de 1C. Hasta llegar a los 80C luego de ello invertimos de nuevo la

posicin de la llave para que el mercurio no caiga al matraz.


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TABULACIN DE DATOS Y RESULTADOS DE DATOS EXPERIMENTALES

TABLA DE DATOS EXPERIMENTALES

TABLA N1: Condiciones experimentales de laboratorio.

P (mmHg) T (C) %HR

756 24 96

TABLA N2: Datos experimentales

T (C) H1 (mm) H2 (mm) H (mm) Pv (mmHg)

99 19 19 38 718

98 34 34 68 688

97 50 50 100 656

96 58 58 116 640

95 72 72 144 612

94 82 82 164 592

93 91 91 182 574

92 103 103 206 550

91 115 115 230 526

90 123 123 246 510

89 132 132 264 492

88 139 139 278 478

87 144 144 288 468

86 154 154 308 448

85 163 163 326 430

84 171 171 342 414

83 175 175 350 40682 162 162 364 392

81 193 193 386 370

80 200 200 400 356

TABLA DE DATOS TERICOS

vKcal/mol R cal/K.mol9.979 1.987

TABLA DE CLCULOS

DETERMINACION DEL P V (H2O) EXPERIMENTAL

Sabemos que:

= =


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Dnde:Pabs= Presin absoluta = Pv= Presin de vaporPatm= Presin atmosfrica = 756mmHgPman= Presin atmosfrica = HT (mmHg)

= = 756 38= 718

T (C) T (K) Pman (mmHg) Patm (mmHg) Pv (mmHg)

99 19 38 756 718

98 34 68 756 688

97 50 100 756 656

96 58 116 756 640

95 72 144 756 612

94 82 164 756 592

93 91 182 756 574

92 103 206 756 55091 115 230 756 526

90 123 246 756 510

89 132 264 756 492

88 139 278 756 478

87 144 288 756 468

86 154 308 756 448

85 163 326 756 430

84 171 342 756 414

83 175 350 756 406

82 162 364 756 392

81 193 386 756 370

80 200 400 756 356

DETERMINACIN DEL CALOR DE VAPORIZACIN (UTILIZANDO LA ECUACIN DE

CLASIUS-CLAPEYRON)

1/Tx10-3(K-1) Pv (mmHg) vexp

(Kcal/mol)

2.668 718 11.700 v12.695 688

2.703 656 6.699 v22.710 640

2.717 612 8.916 v32.725 592

2.732 574 11.340 v42.740 550

2.747 526 8.110 v52.755 510


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2.762 492 7.496 v62.770 478

2.778 468 11.220 v72.786 448

2.793 430 9.630 v82.801 414

2.809 406 8.812 v92.817 392

2.825 370 9.577 v102.833 356

9.350 vpromedio

TABLA DE RESULTADOS

Tipo de Mtodo v exp (Kcal/mol) %ErrorAnaltico 9.350 6.3Grfico 8.927 10.54

CLCULOS

DETERMINACION DEL P V (H2O) EXPERIMENTAL

Sabemos que:

= = Dnde:Pabs= Presin absoluta = Pv= Presin de vaporPatm= Presin atmosfrica = 756mmHgPman= Presin atmosfrica = HT (mmHg)

Ejemplos:- Para = = 756 38

= 718-Para

= = 756 68= 688


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DETERMINACIN DEL CALOR DE VAPORIZACIN (UTILIZANDO LA ECUACIN DE

CLASIUS-CLAPEYRON)

Aplicando la ecuacin Clausius - Clapeyron:

= ( ) = =

-Para T (99-98) C:

1.987 .

= = 11.70

-Para T (99-98) C:

1.987 . = = 6.699

DETERMINACIN DEL CALOR DE VAPORIZACIN (UTILIZANDO LA GRFICA LNP VS.

1/T)

Aplicando la ecuacin:

=

(1

) +

Utilizacin como pendiente: = Siendo el valor de la pendiente m = -4492.584x + 18.617

4492.584 = 1.927 .

= 8.927


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PORCENTAJE DE ERROR %

Sabiendo que el =9.979 Kcal/molMTODO ANALITICO:

% = | | = |9.350 9.9799.979 | = 6.3%

Vexperimental>VtericoNos indica un error por exceso.

MTODO GRFICO:

% = | | = |8.927 9.979

9.979 | = 10.54%

Vterico>VexperimentalNos indica un error por defecto.


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DISCUSIN DE RESULTADOS

En este laboratorio se obtuvo un error del 6.3% con respecto al calor molar de vaporizacin usando el

mtodo analtico y del 10.54% usando el mtodo grfico. Esto se debe a los siguientes factores:

Posiblemente nos hayamos equivocado al momento de medir las distanciasya que estas no han sido precisas

con respecto a la persona que tom dicha lectura, adems conforme fue bajando la temperatura se debi

tomar la medida de inmediato.

Otro posible error fue que no se haya equilibrado rigurosamente el manmetro con mercurio antes de

comenzar a dictar las alturas, ya que ambas columnas se debieron de equilibrar en un mismo punto.

Adems otro factor que probablemente influya en nuestros clculos es que la presin a la cual se est

trabajando el sistema es a 1 atm, pero eso solo ocurre cuando estamos al nivel de mar (Callao); en nuestro

caso nos ubicamos en la Ciudad Universitaria, la presin no es la ideal de 1 atm y eso en cierto grado

descuadra nuestros clculos obtenidos en la prctica.

Es as que para mejores resultados se debe de tener ms precisin en todas las mediciones que se haga, yaque cada una es importante para cada paso que a continuacin se realice, de no ser as se podra llegar a un

porcentaje de error muy significativo el cual ya no sera aceptable.

CONCLUSIONES

Se obtuvo un porcentaje de error del 6.3% para el mtodo analtico y un porcentaje de error del 10.54%

para el mtodo grfico, lo cual se puede decir que el mtodo ms aceptable en el clculo de calor de

molar de vaporizacin del lquido es por el mtodo analtico.

La presin interna del baln est relacionada con la medida en el manmetro dedos brazos.

A medida que la temperatura disminuye, tambin lo hace la presin de vapor.

La presin de vapor es independiente del volumen del espacio sobre el lquido y del volumen del

lquido.

Se pudo comprobar que conforme iba disminuyendo la temperatura a la cual se somete el lquido, ms

aumentaba presin manomtrica pero disminua la presin del vapor

RECOMENDACIONES

Tenemos que tener en cuenta que al momento de marcar las alturas en el papel milimetrado al

variar el manmetro debemos hacerlo de la manera ms rpida posible ya que la temperatura

sigue bajando.

Con respecto al termmetro debemos considerar que no puede estar calibrado por lo tanto no

podemos guiarnos de que el punto de ebullicin se alcanzara a los 100 C por lo que debemos

examinar el agua y percatarnos exactamente cundo comienza a evaporarse.


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Al llegar a la temperatura de 100 C debemos abrir la llave del sistema, ya que la presin de vapor

baln es tan grande que de no encontrar un lugar por donde fugar, generara que el baln explote.

Al terminar de medir las distancias debemos cerrar la llave del sistema ya que de mantenerla

abierta el baln seguir jalando el mercurio hacia s mismo y lo generar una contaminacin

ambiental.

Por ltimo para disminuir nuestro rango de error debemos repetir la experiencia varias veces.

BIBLIOGRAFA

CASTELLAN,GILBERT. Fisicoqumica, 2da Edicin. Mxico: Fondo Educativo Interamericano S.A, 1974.

Pginas consultadas: 785

RODRGUEZ, MARN. Fisicoqumica de aguas. Espaa: Ediciones Daz de Santos S.A, 1999.

Pginas consultadas: 14-15

MORALES,DAMIN. Mxico en la historia I, 1ra Edicin. Mxico: Universidad Autnoma del Estado de

Hidalgo, 2006.Pgina consultada: 19

SEVERNS. Energa mediante vapor aire o gas. Espaa: Editorial Revert, 1974.

Pgina consultada: 307

WASER. Termodinmica Qumica Fundamenta. Espaa: Editorial Revert, 1972.


DILLARD, CLYDE Y GOLDBERG, DAVID. Qumica: reacciones, estructuras. Mxico: Fondo Educativo

Interamericano S.A, 1977.


ANEXOS

1. Analice la relacin entre los valores del calor molar de vaporizacin y la naturaleza de la sustancias.

Trouton encontr que, para la mayora de lquidos, la relacin entre la entalpa molar devaporizacin y la

temperatura normal de ebullicin (Hvap/Te) era aproximadamente 92 K1mol-1. Se sabe que

Hvap/Te=Svap. Es decir, la relacin de Trouton es una medida del aumento del desorden al tomar 1 mol

de partculas empaquetadas en el estado lquido y separarlas en el estado gaseoso. Algunos lquidos, como

el agua, presentan relaciones Hvap/Teelevadas porque son sustancias con partculas fuertemente

asociadas en el estado lquido (p.ej. mediante enlace de hidrgeno), es decir, con un estado lquido

anormalmente ordenado.

2. Explique el mtodo de saturacin gaseosa para determinar la presin de vapor de los lquidos.

Se enva una corriente de gas portador inerte sobre la sustancia para que aqul se sature devapor de sta.

La medida de la cantidad de sustancia transportada por un volumen conocidode gas portador puede

realizarse o bien mediante su recogida en un sifn adecuado o bienmediante una tcnica analtica acoplada.

As se puede calcular despus la presin de vapor auna temperatura dada.


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Intervalo recomendado: De 10 -4 hasta 1Pa. Este mtodo puede utilizarse tambin en el intervalo de 1 a

10Pa siempre que se tenga cuidado.

3. Adjunte y comente brevemente una publicacin cientfica indexada de los ltimos 5 aos en

referencia al estudio realizado.

Me parece muy interesante la publicacin Control Robusto de Orden Fraccionamiento de la Presin delVapor en Domo Superior de una Caldera Bagacera ya que transformar la energa contenida en dicha

caldera, mediante su combustin, en energa trmica disponible y transferirla al agua para generar vapor a

presin y temperaturas especficas, hacen con ella generar energa mecnica y elctrica, pero se necesita un

controlador de orden fraccionario para que pueda cambiar de forma drstica la variacin del calor especifico

de combustin. Es por eso que el autor gener un modelo matemtico de la variacin de la presin de vapor

en el domo superior de la caldera begacea, obtenido mediante estudios experimentales estim un rango de

variacin de los parmetros dinmicos de dicho modelo obteniendo as un elevado grado de adecuacin.

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