Presión de vapor e hidratos

Instituto Politécnico Superior "Gral. San Martín”

Departamento de Química

Informe Trabajo Práctico Nº 3

Presión de Vapor e Hidratos

Alumno: Barreto, Patricia Andrea

Beltrán, Gisela

Fecha de realización: 16/4/2011

Informe TP N° 3. Presión de Vapor e Hidratos

Patricia Andrea Barreto Página 2 de 8 Gisela Beltrán

Presión de Vapor e Hidratos

Aspectos teóricos

Presión de vapor: Si se tiene un líquido en un recipiente abierto se evapora gradualmente hasta que todo el líquido pasa a la fase vapor. Sin embargo, si se tiene una cantidad suficiente de líquido en un recipiente cerrado la evaporación es parcial porque se establece un equilibrio entre el líquido y el vapor y, en el recipiente, se alcanza una presión constante. A partir de ese momento no se observan cambios en las cantidades que se encuentran en una fase y en otra. La presión de vapor de un líquido es la presión constante ejercida por el vapor sobre el líquido cuando se establece el equilibrio. Si las fuerzas intermoleculares son débiles la presión de vapor es elevada. Así pues, la presión de vapor da una medida de la magnitud de las fuerzas intermoleculares. La presión de vapor depende de la temperatura. Cuando aumenta la temperatura aumenta la fracción de moléculas que tienen energía suficiente para vencer las fuerzas intermoleculares y “escapar” de la fase líquida. El resultado es que la presión de vapor aumenta con la temperatura [1]

Presión de vapor de sólidos: Un sólido también ejerce una presión de vapor aunque, con mucha frecuencia, ésta presión es muy pequeña debido a que son muy pocas las moléculas que poseen normalmente la energía suficiente para pasar a la fase vapor venciendo las fuerzas que las ligan al sólido. El proceso por el cual un sólido se convierte directamente en vapor es denominado sublimación [1]

Humedad relativa: En una mezcla gaseosa, el cociente entre de la presión parcial de vapor de agua y la presión de vapor del agua pura a la misma temperatura se denomina humedad relativa. Cuando dicho valor es multiplicado por 100 se obtiene la humedad relativa porcentual

En una solución acuosa que obedece la ley de Raoult la humedad relativa es igual al la fracción molar del agua en la solución. [2]

Presión de vapor en sistemas binarios agua-sal

Antes del agregado de la sal la Pv adquiere el valor de la Pv del solvente puro. Al hacer agregados de la sal sucesivos se observará una disminución de la presión de vapor



del sistema (ley de Raoult) hasta llegar a la saturación de la solución (b). Una vez saturada la solución, el agregado posterior de sal (siempre que ésta no forme hidratos) no alterará el valor de la presión de vapor.

Presión de vapor de sales hidratadas: Un ejemplo importante entre y común del equilibrio entre sólido y vapor es el que se presenta entre hidratos salinos y vapor de agua. A continuación se examinará la presión de vapor del sistema CuSO4-H2O a temperatura fija.

A medida que agregamos CuSO4 anhidro al agua, la presión de vapor del sistema disminuye (ley de Raoult) a lo largo de la curva a-b. En b la solución está saturado respecto al pentahidrato, CuSO4.5H2O. El sistema es invariante a lo largo de b-c ya que existen tres fases a temperatura constante (solución saturada, CuSO4.5H2O sólido y vapor). La adición de CuSO4 anhidro no cambia la presión sino que transforma parte de la solución en pentahidrato. En c, todo el agua se ha combinado con CuSO4 para formar pentahidrato. La adición posterior de CuSO4 reduce la presión al valor d-e; las tres fases presentes son: vapor, CuSO4.5H2O, CuSO4.3H2O. En e el sistema consta completamente de CuSO4.3H2O. La adición de CuSO4. transforma algo del trihidrato en monohidrato y la presión desciende al valor f-g. A lo largo de h-i, el sistema invariante es vapor, CuSO4.H2O, CuSO4 . Finalmente, en j encontramos CuSO4 anhidro.

El establecimiento de una presión constante en un sistema hidrato de sal requiere la presencia de tres fases, un hidrato simple no tiene una presión de vapor definida [2]

Los estados del agua en los sólidos

Agua de higrospicidad: las sustancias físicamente divididas absorben agua en su superficie. La cantidad de agua higroscópica aumenta con el área superficial. Si el precipitado no se calcina la cantidad de agua higroscópica puede ser relativamente grande, ya que estará tanto en las superficies internas como en las externas. El agua absorbida no siempre es eliminada cuantitativamente por calentamiento ya que los procesos de absorción y desorción de agua son siempre reversibles

Agua ocluída: los precipitados y los sólidos por lo general contienen agua ocluída en el material, no es eliminada por calentamiento sino que desaparece en forma continua a temperaturas superiores. La mayoría de los cristales separados de un medio acuoso contienen agua ocluída.



Agua de imbibición: puede ser absorbida de diferentes maneras: el agua es absorbida sin cambiar la red cristalina de la sustancia original (2) el agua absorbida modifica la red cristalina del material

Agua de cristalización: diversos precipitados cristalizan como hidratos estables al aire entre ciertos límites de humedad.

Agua de constitución: el agua no está presente como tal sino en forma de hidroxilo o hidrógeno químicamente unido al compuesto. Por calentamiento tiene lugar la descomposición formando agua (agua de constitución) [3]

Desecador Recipiente que proporciona una atmósfera seca para almacenar muestras, crisoles y precipitados. Está fabricado con un vidrio muy grueso y en él se distinguen dos cavidades, la primera cavidad más grande y superior, permite poner a secar la sustancia, y la otra cavidad inferior se usa para poner el desecante, más comúnmente gel de sílice. También posee un grifo de cierre o llave de paso en su parte lateral o en la tapa, que permite la extracción del aire para poder dejarlo al vacío. Al estar sellado al vacío la tapa siempre es difícil de volver a abrir [4]

Agentes desecantes: un desecante o agente desecante es una sustancia que se usa para eliminar humedad del aire o de alguna otra sustancia, como combustibles orgánicos. Desecantes típicos son sustancias que forman sales anhidras e hidratadas La sal en su forma anhidra se introduce en el recipiente con la sustancia a desecar

(*)Ácido sulfúrico concentrado: Es un deshidratante enérgico que se emplea para cargar desecadores y para secar gases inertes, ácido clorhídrico concentrado, hidrocarburos alifáticos saturados, cloro. El ácido sulfúrico 95-98% produce corrosiones cáusticas si se le emplea de modo inadecuado. El desecante Merk de ácido sulfúrico contiene 75% de ácido sulfúrico de 95-98% y 25% de un soporte

mineral inerte y un indicador que permite visualizar el grado de fijación del agua (violeta–rojizo–amarillo–incoloro)

Aluminio y magnesio en virutas: Se emplean para desecar alcoholes.

Cloruro de calcio anhidro fundido: El cloruro de calcio anhidro fundido se emplea para cargar desecadores. Deseca rápidamente, aunque no por completo. El

cloruro de calcio contiene cal libre. Forma combinaciones con los alcoholes, amoniaco, aminas, algunos ésteres y cetonas. Se emplea para desecar hidrocarburos alifáticos y aromáticos, éteres y derivados halogenados. No se emplea para alcoholes y aminas que con el desecante forman compuestos de adición.

Hidróxido de potasio o de sodio fundidos: Son desecantes básicos de acción rápida. Se utilizan para desecar aminas y sustancias básicas. Son desecantes no regenerables.

Óxido de aluminio “alúmina”: Se emplea para cargar desecadores. Se activa calentando en una mufla a 400-450ºC durante 6-8 horas.



Óxido de calcio o de magnesio: Son desecantes básicos que se utilizan para desecar alcoholes y bases orgánicas e hidrocarburos líquidos. No son adecuados para

ácidos y ésteres. Se activan calentando en una mufla a 600-900ºC durante 6 horas.

Pentóxido de fósforo: Es el agente desecante mas eficaz de todos. Se emplea para cargar desecadores, pistolas de secado y columnas de desecación. Es de manejo difícil y forma una capa de ácido polifosfórico que atenúa su efecto desecante.

El desecante Merck de pentóxido de fósforo, contiene 75% de pentóxido de fósforo y 25% de un soporte inerte con un indicador que permite apreciar visualmente el grado de adsorción de agua (incoloro–verde–azul). El pentóxido de fósforo se utiliza para desecar hidrocarburos, éteres, derivados halogenados y nitrilos. No debe emplearse para alcoholes, ácidos, aminas, aldehídos y cetonas.

Sílica gel: La sílica gel o gel de sílice se emplea para cargar desecadores sin indicador o con indicador azul. El desecador con indicador permite seguir a simple vista el grado de adsorción de agua. Se activa calentando a 100–150ºC durante 24 horas. El color del indicador de cloruro de cobalto es azul (muestra desecada) y vira al rosa, con muestra húmeda.

Sodio metálico: Se emplea para desecar éteres, hidrocarburos alifáticos saturados, hidrocarburos aromáticos y aminas terciarias. No debe emplearse para alcoholes, ácidos, ésteres, aldehídos, cetonas, derivados halogenados, pirroles y aminas primarias y secundarias.

Sulfato de calcio anhidro calcinado: Es un desecante neutro, de eficacia parecida al pentóxido de fósforo, es regenerable. Solo toma hasta un 6,6% de su peso en agua.

Antes de su uso se debe emplear un desecante preliminar. Se activa calentando a 250ºC durante 6 horas. El sulfato de calcio anhidro se puede obtener a partir de yeso calcinando a 240–250ºC durante 3-4 horas.

Sulfato de cobre anhidro: Es un desecante neutro de color blanco, como desecante toma hasta 5 moles de agua para dar el pentahidrato de color azul. Se utiliza para desecar alcoholes y también para detectar agua en líquidos orgánicos. Se activa calentando a 240ºC durante 6 horas.

Sulfato de magnesio anhidro: Es un desecante neutro y muy eficaz. Se emplea para desecar alcoholes ésteres, éteres, cetonas, aldehidos, ácidos grasos, derivados halogenados, nitrilos, etc. Se activa calentando a 250ºC durante 6 horas.

Sulfato de sodio anhidro: Es un desecante neutro, lento pero eficaz. Adecuado para desecar compuestos fácilmente descomponibles, como ácidos grasos, aldehidos, cetonas, halogenuros de alquilo. Se activa calentando a 240ºC.

(por ejemplo el aire), y absorbe la humedad hidratándose [5]

Aspectos experimentales

Calculo del grado de hidratación de la sal

PF(MgSO4. XH2O) = PF(MgSO4) + X.PF(H2O)



F(MgSO4)= PA(Mg) + PA(S) + 4PA(O)

PF(MgSO4)= 24.305 u + 32.066 u + 4x15.9994 u= 120.3686 u

PF(MgSO4)= 120.369 u

PF(H2O)= 18 u

Para averiguar el PF(MgSO4. XH2O) se necesita saber la masa pesada de MgSO4.XH2O y la obtenida de MgSO4

Para saber la masa de MgSO4.XH2O pesada originalmente, se procede de la siguiente forma:

Peso MgSO4. XH2O = Peso (cápsula + MgSO4. XH2O) - Peso cápsula

Y sabiendo que:

Peso cápsula = 35.8055 g

Peso (cápsula + MgSO4. XH2O)= 37.7735 g

Peso MgSO4. XH2O = 37.7735 g - 35.8055 g

Peso MgSO4. XH2O = 1.968 g

Siguiendo el mismo razonamiento se obtiene el peso del MgSO4:

Peso cápsula = 35.8055 g

Peso (cápsula + MgSO4)= 36.8467 g

Peso MgSO4 = 36.8467 g -35.8055 g

Peso MgSO4 = 1.0412 g

1.968 g de MgSO4. XH2O ---------------100 % muestra

1.0412 g de MgSO4 ------------------- x= 52.906 % muestra

52.906 %del PF(MgSO4. XH2O) -----------------------120.369 u

100 %del PF(MgSO4. XH2O) ------------------227.512 u

Una vez averiguado el PF(MgSO4. XH2O) se está en condiciones de determinar el grado de hidratación de la sal:

PF(MgSO4. XH2O) = PF(MgSO4) + X.PF(H2O)

=> X= PF(MgSO4. XH2O) - PF(MgSO4) PF(H2O) X= 227.512 u -120.369 u 18 u

X= 5.952 => el grado de hidratación de la sal es 6 (MgSO4.6H2O)



CARBONATO DE SODIO DECAHIDRATADO: al colocarse en un vidrio de reloj algunos cristales de carbonato de sodio decahidrato previamente obtenidos tal como indica el protocolo de trabajo se observó que el sólido brillante y traslucido con el paso del tiempo se tornó un sólido blanco opaco con aspecto “endurecido”. Esto se debe a que la sal efloresció. Este fenómeno sucede cuando la presión de vapor saturado del agua en el aire es menor a la presión de vapor saturado del agua en el cristal. Es decir, Pv del aire < Pv del cristal.

CLORURO DE CALCIO ANHIDRO: al colocarse en un vidrio de reloj algunos cristales de la sal, notamos que con el transcurso del tiempo la misma adquirió humedad del ambiente, formándose una solución líquida a su alrededor. Esto se debe a que la misma es una sustancia higroscópica y delicuesció. Este fenómeno sucede cuando la presión de vapor saturado del agua en el aire es mayor a la presión de vapor saturado del agua en el cristal. Es decir, Pv del aire > Pv del cristal.

HEXANO: cuando se calentó hexano a presión atmosférica se obtuvo una temperatura de ebullición de 72 °C y cuando se operó a presión reducida y retiró de la platina se observó inmediatamente un burbujeo violento del líquido a la vez que experimentó un descenso paulatino de la temperatura, estableciéndose una nueva temperatura de ebullición de 58.4 °C. Lo que sucedió fue que al disminuir la presión dentro del kitasato las moléculas del líquido lograron cambiar de fase más rápidamente, a expensa de la energía de las moléculas vecinas, de ahí que la temperatura disminuyera.

MATRAZ CON AGUA: se calentó hasta ebullición, registrándose una temperatura de ebullición de 98.2 °C. Cuando se volteó el sistema y se colocó en la base del matraz un cubo de hielo se evidenció un fuerte burbujeo y disminución paulatina de la temperatura, la cual se estabilizó en 44.6 °C. Esto se puede explicar utilizando la ecuación de los gases ideales: P.V= nRT, siendo que tanto n y V permanecieron constantes y R la constante general de los gases, la disminución de temperatura se correlaciona a la disminución de presión dentro del sistema, la cual facilitó el cambio de estado de las moléculas de agua, el cual sucedió a expensa de la energía contenida en las moléculas vecinas.

CRISTALES DE IODO: al colocar algunos cristales en un microtubo y luego se cerró la entrada del mismo con papel, se observó que con el transcurso del tiempo el papel blanco se iba adquiriendo una tonalidad marrón. Esto se debe a que el iodo es un sólido con presión de vapor inusualmente elevada, por lo tanto sublimó, depositándose en el papel las moléculas que habían pasado a la fase vapor.

ACIDO SULFURICO CONCENTRADO Y SULFATO DE COBRE PENTAHIDRATADO: en un microtubo colocamos una punta de espátula de sulfato de cobre pentahidrato, cual es un sólido de color azul y se le agregó el ácido. Se observó que la sal se ahora es de color blanco. Esto se debe a que la misma sufrió una deshidratación por acción del ácido sulfúrico concentrado, ya que éste es un potente agente deshidratante.(*)



Glosario

Delicuescencia: se dice que un cuerpo es delicuescente cuando absorbe humedad y se licua. Depende de la tensión de vapor de la atmósfera [6]

Higroscopia es la capacidad de algunas sustancias de absorber o ceder humedad al medioambiente. También es sinónimo de higrometría, siendo esta el estudio de la humedad, sus causas y variaciones (en particular de la humedad atmosférica) Son higroscópicos todos los compuestos que atraen agua en forma de vapor o de líquido de su ambiente, por eso a menudo son utilizados como desecantes [7]

Eflorescencia: Es la pérdida de agua de cristalización, se pone de manifiesto cuando disminuye la humedad relativa del ambiente [8]

Hidrato: Un compuesto inorgánico cristalino que contiene un número definido de moléculas de agua recibe el nombre de hidrato. Estos sólidos cristalinos tienen una composición definida y no parecen contener humedad pero un calentamiento moderado provoca el desprendimiento de una cantidad fija de agua [9]

Bibliografía

[1]GILLESPIE, Ronald J. BELTRAN, Aurelio. Química. Editorial Reverté. España. 1990.

[2]CASTELLAN, Gilbert. Fisicoquímica. Addison Wesley Longman S.A. 2ª Edición. México. 1998

[3] KOLTHOFF, I.M. Análisis químico cuantitativo. Editorial Nigar. 4ª Edición. Estados Unidos.1969

[4]SKOOG, Douglas A. WEST, Donald M. Fundamentos de química analítica. International Thompson editores S.A.8ª Edición. Argentina.2005.

[5]SALAVERRY GARCIA, Oswaldo. Pigmentos naturales quinónicos. Fondo editorial UNMSM. Perú.1998.

[6]ALVAREZ, Francisco. Tratado completo de física. Tomo I. UCM. 3ª Edición. España. 1844

[7] Higroscopia, consultado en http://es.wikipedia.org

[8] Eflorescencia, consultado en http://www.elergonomista.com

[9] BURNS, Ralph. Fundamentos de química. Prentice-Hall. 2ª Edición. México. 1996

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