OBJETIVOS• Determinar la presión de vapor de un liquido puro a diferentes temperaturas. Calcular el calor devaporización de la ecuación de Clausius − Clapeyron.

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Analizar el efecto que produce la temperatura sobre los líquidos y como la Ecuación de Clausius −Clapeyron la expresa cuantitativamente.

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Aprender el manejo del isoteniscopio, su utilidad y la precisión requerida para el manejo de la llave detriple brazo.

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Comprender la forma como a partir de la ecuación de Clausius también podemos calcular las tensiones devapor para pequeños intervalos de temperatura y como se puede aplicar igualmente para los sólidos.

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Analizar el por que se da que la energía libre (�G) es igual para todas las fases que se puedan presentardentro de un sistema en equilibrio.

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Entender el estudio de los fenómenos fisicoquímicos como una relación entre los efectos entre lainteracción molecular de la naturaleza del estado líquido.

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Comprobar el porque para el caso de esta práctica es mucho más apropiado el confiar en los resultadosexperimentales que poseemos, que en los valores teóricos y tabulados que podamos investigar.

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DATOS Y RESULTADOS•

Inicialmente analizamos el sistema para familiarizarnos con los movimientos de la llave de triple brazo, elfuncionamiento del isoteniscopio (graduación del calor y de la velocidad de agitación) y del control demanómetro externo de mercurio. Observamos como el mercurio variaba de posición dependiendo de laposición de la llave G.

Ajustamos el sistema de manera de que la llave G dejara una circulación entre el aire y el sistema, abrimos lacanilla a una presión media y constante para mantener refrigerado el condensador.

Cuando nos encontrábamos a una temperatura inicial de 293ºK encendimos la placa calefactora a un nivel de8 y un nivel de agitación de 6, vimos coma la temperatura al interior del sistema iba aumentandoprogresivamente. Al cabo de unos 30 minutos la muestra problema que estaba dentro del sistema se estabaempezando a evaporar ocurriendo esto a una temperatura de 368ºK, y pasados unos segundos se empezó acondensar; el burbujeo empezó a disminuir lenta pero progresivamente, apagamos la placa calefactora ydespués de unos minutos cuando el termómetro del sistema marcaba 333ºK y el burbujeo había cesado, seestableció un equilibrio dentro del sistema y los niveles del mercurio del manómetro externo no se alteraron.

Inmediatamente después sin cesar la agitación (un poco mayor para un enfriamiento más rápido) empezamosa permitir una ligera circulación entre el vacío y el sistema y nuevamente empezó el manómetro interior aburbujear de forma rápida y esperamos a que se igualaran de nuevo los niveles de este manómetro para poderrealizar las lecturas de la temperatura y de los niveles de mercurio del manómetro exterior; realizamos 11lecturas.

Si el liquido cumple con la ecuación de Clausius − Clapeyron, ¿Hallar su calor de vaporización?.Explicar el cálculo.

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El liquido problema como se puede apreciar en la gráfica cumple con la ecuación de Clausius; la pendienteque se da es negativa e igual a −3882.6 y el intercepto C = 18.31.

La formula de la ecuación es Y = −3882.6X + 18.31 o si bien es mejor expresarla en términos de interés:

Ln P = −3882.6 (1/T) + 18.31

Para hallar el calor de vaporización ( �HVAP) procedemos así:

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Como ya tenemos la pendiente de la recta, la igualamos a − (�H/R) de la ecuación de Clausius, endonde R es un valor de ajuste, el cual hayamos mediante el programa Excel, al igual que la gráfica.

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Se despeja �HVAP, y este es el valor experimental.•

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.

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Resultado Experimental− Resultado Teórico

% error = −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− * 100

Teórico

Valor Teórico: 262.79 cal/gr. (Metanol)

�HVAP = 3746.32 cal/gr

% error = 1325.6%

Este resultado resulta demasiado contradictorio teniendo en cuenta que la gráfica corresponde a los valoresobtenidos en la practica y que las ecuaciones se encuentran bien desarrolladas.

Las posibles causas de error para que el calor de vaporización del liquido problema no coincidiera con losvalores teóricos son:

Falta de conocimiento del isoteniscopio, un equipo totalmente desconocido para nosotros que a pesarde su practicidad era la primera ves que lo manipulábamos.

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Se pudieron haber presentado errores al momento de determinar las variaciones en los niveles delmercurio en el manómetro exterior, de hecho así ocurrió, por lo que tuvimos que repetir parte delprocedimiento.

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Posibles fugas de agua, vapor y sustancia problema en el empate de las componentes de cristal, perosobre todo por el deficiente estado de las mangueras de conexión que eran demasiado porosas.

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Debido a nuestra poca experiencia, se pudieron presentar errores a causa del manejo poco delicadoque debía de dársele a la llave de triple brazo, pues el experimento exigía un manejo muy suave deesta llave.

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El tratar de acelerar el proceso de enfriamiento del sistema, extrayendo agua caliente y agregándoleagua fría, lo que pudo haber ocasionado una descompensación en el sistema.

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Error a causa de la lectura en el papel milimetrado.• Al medir la presión y después mirar el descenso en la temperatura, notábamos un leve cambio en losniveles de mercurio del manómetro exterior.

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El error más posible en el calculo del �H pudo haber sido el no haber identificado bien la sustanciaproblema o un error en el manejo de las unidades.

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ANALIS DE RESULTADOS•

Al momento de aumentar la temperatura dentro del sistema la presión del vapor en equilibrio fue aumentando,a medida que aumentaba se hacia mayor a la de la presión que se encontraba sobre la superficie de la sustanciaproblema que se estaba analizando y por esto fue que la vaporización tuvo lugar en los espacios libres que seformaron debajo de la superficie de la sustancia; A esto se debe la formación de las burbujas que en formarápida y constante empujaron hacia arriba el liquido que iba circulando.

Cuando pasaron unos segundos y la temperatura alcanzo los 333ºK la sustancia se encontraba en su punto de

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ebullición; todo este vapor empezó a chocar con las superficies del isoteniscopio aumentando la presiónejercida por el vapor que en este momento se estaba produciendo, en este momento las moléculas atractivasdel liquido que se encuentran densamente ligadas atraparon las moléculas de gas.

Poco a poco la velocidad de condensación se iba igualando a la velocidad de evaporación estableciendo unequilibrio que solo variaba en el momento en el que movíamos la llave de triple brazo, pero que pronto serestablecía.

En general podríamos resumir la practica en tres partes dada la evaporación de la sustancia dentro de unsistema limitado como el empleado:

La parte de vaporización donde el liquido cambio a un estado gaseoso.• La parte de la condensación donde el gas que ha sido formado tiende a convertirse de nuevo en liquido.• La parte de equilibrio liquido − vapor que gracias a la cantidad de liquido se puede dar, puesto que lavelocidad de condensación se iguala a la velocidad de vaporización.

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A partir de esta ultima parte pudimos interpretar también la dependencia de la presión de vapor con latemperatura.

Un detalle que podríamos analizar es que en el momento de la vaporización las burbujas de vapor se unirán algas que hay por encima y cuando el liquido hierve, la vaporización se da tanto en la superficie como en laparte interna del liquido.

Dentro de las lecturas de esta tabla observamos la constante de que en la medida en que se iba disminuyendola presión, es decir se permitía mayor circulación entre el vacío y el sistema girando la llave G, la muestra seestablecía a menor temperatura y con mayor rapidez. Vimos como el valor de la presión de vapor en elequilibrio dependía del área de liquido que era expuesta al vapor, a medida que aumenta esta área, aumentatambién la ganancia de moléculas del liquido.

SOLUCIÓN AL CUESTIONARIO• Explicar, con este mismo equipo, de que forma se podría hallar la presión de vapor del liquidoproblema.

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La presión de vapor del liquido problema se puede evaluar en un recipiente cerrado estableciendo unequilibrio entre las moléculas del estado liquido y las moléculas del estado gaseoso; la presión que esgenerada por el vapor la podemos cuantificar con el manómetro de mercurio de la parte exterior.

Para establecer la presión de vapor con el isoteniscopio es necesario manejar un intervalo de presionescomprendido desde unos milímetros de mercurio hasta una atmósfera.

Se procede a realizar un montaje con las mismas características como el de la práctica. Dentro del erlenmeyerque va ha ser sometido al calentamiento se colocan unos 20 ml del liquido en estudio. Se comienza a calentarel agua con el liquido problema hasta tener un ascenso en la temperatura de 2ºC aproximadamente y luego selee el desnivel de las dos ramas de manómetro de mercurio, así en varias ocasiones, este manómetro tiene unbrazo abierto a la atmósfera y el otro lo dejamos conectado al sistema que contiene el liquido cuya presiónqueremos medir.

La dependencia que posee el equilibrio liquido − vapor generado por el sistema con su temperatura se puedecalcular a través de las relaciones termodinámicas explicadas en el preinforme de esta misma practica.

Con este mismo equipo se pueden hallar la presión de varios líquidos, pero para casos donde las presiones devapor encontradas se acercan a las temperaturas críticas y son de elevado peso molecular se requieren

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procedimientos especiales.

¿Cómo se define el punto de ebullición de un liquido?•

Cuando una superficie líquida está expuesta a un espacio en el que la presión total del gas es menor que lapresión de vapor en el equilibrio del liquido, se da una vaporización bastante rápida que se conoce comoebullición; está ebullición es el resultado de la formación de pequeños espacios libres dentro del mismolíquido. El punto de ebullición está definido como la temperatura a la que la presión de vapor de un liquido seiguala a la presión total por encima de la superficie; este punto de ebullición depende de la presión total,aumentando a medida que aumenta la presión. Limitándonos a lo netamente teórico, estamos en la capacidadde hacer hervir un líquido a cualquier temperatura, obviamente dentro de un intervalo de existencia del líquidoy siempre y cuando se varié suficientemente la presión total sobre la superficie.

Un punto de ebullición normal esta definido como la temperatura a la que el líquido hierve bajo la presióntotal de 1.0 atm. Esta es la temperatura a la cual la presión de vapor en equilibrio es igual a 760 mm demercurio o 1.0 atm.

¿Por qué en una olla a presión los alimentos se cuecen más rápidamente que una olla corriente?•

Esta olla se comporta como un sistema cerrado, donde al aumentar la temperatura la presión también aumenta,sin presentarse interferencia del medio (presión atmosférica); es decir, solo podrían escapar aquellasmoléculas que adquieren cierta cantidad de energía, que es suficiente para superar las fuerzas de atracción delas moléculas vecinas.

Relacione los hechos observados en esta práctica, con la necesidad que tienen los astronautas depresurizar sus trajes espaciales.

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En el espacio los astronautas no se encuentran con la presión atmosférica, se encuentran en el vacío, donde lapresión es muy baja (casi nula), ellos deben presurizar sus trajes con el fin de establecer un equilibrio dentrode un sistema cerrado que serian sus trajes, de lo contrario, el vacío iría absorbiéndolos rápidamente.

Ellos lo que hacen es comprimir el aire al interior de su traje para mantener una presión satisfactoria para suorganismo que suele ser similar a la presión que reina en la atmósfera a 2500 m

Asumiendo que el calor de vaporización del etanol es constante con la temperatura entre 30 y 75ºC,calcular su calor de vaporización. Consultar los datos requeridos en un Handbook.

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De acuerdo con las tablas de Presión de Vapor de Chilton, Colburn and Vernon del cual se hace referencia enla bibliografía, tenemos Presión en mm de Hg Vs Temperatura en ºC de forma aproximada, tenemos losiguiente:

Explicar en que consiste la destilación a presión reducida•

La presión reducida se obtiene de dividir la presión por la presión a condiciones críticas. Dentro de ladestilación, esta presión reducida permite observar el efecto de la presión sobre la entalpía.

Presión de la sustancia, Kg/cm2

Presión Reducida = −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

Presión crítica, Kg/cm2

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La destilación a presión reducida se emplea con los hidrocarburos, a los que es necesario conocerles su gradode fugacidad, que esta determinado por una constante K que esta definida para las condiciones en equilibriocomo: y = Kx. Estos valores de K se encuentran tabulados para ciertos hidrocarburos, entre ellos el Metano,que gráficamente son valores de K en función de la temperatura, para varias presiones. Este valor de K sedesarrolla de una forma exponencial.

Temperatura. ºC Presión. Atmósferas K

90 3.04 100

150 4.4 100

280 7.8 100

290 11.2 70

315.5 14.6 50

Al momento de aumentar la presión, disminuyen las composiciones del vapor y el líquido.

En general la destilación a presión reducida se emplea para aquellas sustancias en las que se necesitareconocer las limitaciones de la presión a la que hay que realizar la separación de ciertos constituyentes dadosen los procesos de destilación.

CONCLUSIONES• Debido a que la naturaleza de las interacciones entre las moléculas no es fácil de interpretar, el tratamientoteórico en estos estados condensados es menos satisfactorio que el que pudimos realizar durante la práctica.

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Al momento de realizar un estudio a cerca de la presión de vapor del equilibrio liquido vapor, estamosfinalmente relacionándolos con los resultados experimentales que se obtienen, cuando el vapor en equilibriocon el liquido se estudia a una temperatura determinada. Estos valores son importantes al momento denuestra aplicación teórica de lo aprendido en clase; sin embargo estos valores no tienen una importanciadecisiva en las aplicaciones de mayor interés practico de los equilibrios liquido − vapor. Por esta razón seemplea el fijar la presión en un valor constante, y determinar la temperatura a la cual el liquido y el vaporestán en equilibrio.

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Los valores experimentales del equilibrio de evaporación y de presiones de vapor son de gran utilidad enestudio de la destilación. Es por esto que tienen destacado valor los diagramas que muestran no solo lapresión de vapor que se encuentra en equilibrio con un liquido, sino también los diagramas cuando setrabajan con disoluciones.

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El punto de ebullición de un líquido depende de la presión total, aumentando con un aumento en la presión.• Vimos como para el experimento cuando la presión variaba y desajustaba el equilibrio existen dentro delsistema, rápidamente se restablecía el equilibrio debido al aumento o disminución de la velocidad decondensación que resulta del cambio de presión.

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Entendimos que la vaporización relativamente rápida de un liquido se debe a varios factores como ladistribución de las burbujas dentro de toda la sustancia.

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Vimos como la dependencia con la temperatura del equilibrio liquido y su vapor puede calcularse a travésde los resultados experimentales y con la ayuda de las relaciones termodinámicas utilizadas para loscálculos; pero así mismo estos cálculos son igualmente aplicables a los equilibrios sólido − vapor y liquido− sólido.

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BIBLIOGRAFIA•

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Química, Física. Barrow M. Gordon. Segunda edición. Editorial Reverté, S.A. España 1968. Tomo II. Pags549−555 y 635.

Principios de los procesos químicos. Hougen, Watson y Ragatz. Editorial Reverté, S.A. España 1972. Tomo IBalances de Materia y Energía. Pags 84−86.

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