Práctica 3. Equilibrio LÍquido- Vapor PresiÓn DE Vapor Y EntalpÍa DE VaporizaciÓn DEL AGUA PDF

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Laboratorio de equilibrio y cinética ...

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Universidad Nacional Autónoma de México  Facultad de química  Laboratorio de equilibrio y cinética 2018-2    Práctica 3. EQUILIBRIO LÍQUIDO-VAPOR PRESIÓN DE VAPOR Y ENTALPÍA DE VAPORIZACIÓN DEL AGUA

Grupo: 09 Realización: 28/02/18 Profesora: Irma Susana Rojas Tome    Integrantes: ●

Alcaide Palapa Miriam

●

Aparicio González Bibiana

●

Montellano Rojas Andrea Gabriela

●

Santana Anaya Atziri Nicole

➔ Problema Determinar la entalpía de vaporización del agua. H 2 O (L) → H 2 O(g) ⇒ △H m, vapor > 0  ➔ Objetivos generales Comprender e interpretar el significado de las variables termodinámicas involucradas en la ecuación de Clausius-Clapeyron, para aplicarlas en la determinación de la entalpía de vaporización de una sustancia. ➔ Objetivos específicos 1. Determinar valores de presión de vapor del agua a distintas temperaturas, para representar y describir la relación que se presenta entre ambas variables 2. Calcular la entalpía de vaporización del agua a partir de los datos experimentales y obtener la ecuación de Clausius-Clapeyron ➔ Hipótesis Si se incrementa la temperatura: ❖ El volumen experimental aumentará ❖ El volumen de aire aumentará ❖ El volumen de vapor aumentará ❖ La presión parcial del aire disminuirá ❖ La presión de vapor de agua aumentará  ➔ Datos, cálculos y resultados TABLA 1. Datos experimentales y calculados para la determinación de la presión de vapor del agua en la Ciudad de México. Ciudad de México. T. inicial aire: 273,15 K

V. inicial aire: 4 mL



Presión atmosférica 586 mmHg



    Gráficas 1. Determinación de entalpía de vaporización. Pvaporagua Vs Temperatura y P aire Vs temperatura





      Gráfica 2. Determinación de la entalpía de vaporización. Ln P vapor Vs T^-1

 Gráfica 3. Gráficade volumenexperimental(agua)en función de la temperatura (K) y volumen de aire (mL) en función de la temperatura







 a. Determinar el volumen que ocupa el aire a cada una de las temperaturas de trabajo, aplicando la ley de Charles. Registrar los resultados en la tabla 1.

Evento 2: Vaire฀ V 2 =

V 1 *T 2 T1

=

(4 mL)(332.55 K) 273.15K

= 4.87 mL 

Evento 3: Vaire฀ V 2 =

V 1 *T 2 T1

=

(4 mL)(336.85 K) 273.15K

= 4.93 mL 

Evento 4: Vaire฀ V 2 =

V 1 *T 2 T1

=

(4 mL)(343.25 K) 273.15K

= 5.03 mL 

Evento 5: Vaire฀ V 2 =

V 1 *T 2 T1

)(345.75 K) = (4 mL273.15K = 5.06 mL 

Evento 6: Vaire฀ V 2 =

V 1 *T 2 T1

=

(4 mL)(346.85 K) 273.15K

= 5.08 mL 

Evento 7: Vaire฀ V 2 =

V 1 *T 2 T1

=

(4 mL)(348.15 K) 273.15K

= 5.10 mL 

Evento 8: Vaire฀ V 2 =

V 1 *T 2 T1

=

(4 mL)(352.75 K) 273.15K

= 5.17 mL 

b. Determinar, por diferencia entre el volumen experimental yvolumendelairecalculadoen el inciso (a), el volumen que ocupa el vapor de agua dentro de la probeta, a cada una de las temperaturas registradas. Anotar los resultados en la tabla 1. V vapor = V agua l − V vapor  Evento 1 V vapor = 4 − 4 = 0 mL  Evento 2 V vapor = 8 − 4.87 = 3.13 mL  Evento 3 V vapor = 9 − 4.93 = 4.07 mL  Evento 4 V vapor = 10 − 5.03 = 4.97 mL 

c. Calcular la presión parcial del aire y la presión de vapor del agua,apartirdelos valores de fracción mol de los componentes y de la presión total del sistema.Registrarlos resultados en la tabla 1. ●

Presión parcial del aire

1) Y AIRE =

V aire V total

mL * 586 mmHg = 586 mmHg  = 44 mL mL = 1

2) Y AIRE =

V aire V total

mL .61 mL * 586 mmHg = 356.72 mmHg  = 4.87 8 mL = 0

3) Y AIRE =

V aire V total

mL .55 mL * 586 mmHg = 321.18 mmHg  = 4.93 9 mL = 0

4) Y AIRE =

V aire V total

mL .50 mL * 586 mmHg = 294.56 mmHg  = 5.03 10 mL = 0

5) Y AIRE =

V aire V total

mL .46 mL * 586 mmHg = 269.73 mmHg  = 5.06 11 mL = 0

6) Y AIRE =

V aire V total

mL .42 mL * 586 mmHg = 248.04 mmHg  = 5.08 12 mL = 0

7) Y AIRE =

V aire V total

mL .39 mL * 586 mmHg = 229.82 mmHg  = 5.10 13 mL = 0

8) Y AIRE =

V aire V total

mL .34 mL * 586 mmHg = 201.81 mmHg  = 5.17 15 mL = 0

●

Presión parcial de vapor

1) Y V AP OR =

V vapor V T otal

=

0 mL 4 mL

2) Y V AP OR =

V vapor V total

=

3.13 mL 8 mL

= 0.39 mL * 586 mmHg = 229.28 mmHg 

3) Y V AP OR =

V vapor V total

=

4.07 mL 9 mL

= 0.45 mL * 586 mmHg = 264.82 mmHg 

4) Y V AP OR =

V vapor V total

=

4.97 mL 10 mL

= 0.50 mL * 586 mmHg = 291.44 mmHg 

5) Y V AP OR =

V vapor V total

=

5.94 mL 11 mL

= 0.54 mL * 586 mmHg = 316.27 mmHg 

6) Y V AP OR =

V vapor V total

=

6.92 mL 12 mL

= 0.58 mL * 586 mmHg = 337.96 mmHg 

7) Y V AP OR =

V vapor V total

=

7.90 mL 13 mL

= 0.61 mL * 586 mmHg = 356.18 mmHg 

8) Y V AP OR =

V aire V total

=

= 0 mL * 586 mmHg = 0 mmHg 

9.83 mL 15 mL

= 0.66 mL * 586 mmHg = 384.19 mmHg 

d. Calcular el  logaritmo natural de la presión de vapory el inverso de la temperatura absoluta. Registrar los datos en la tabla 1.

1) InP vapor = Ln(0 mmH g ) = 0 mmHg  2) InP vapor = Ln(229.28 mmHg ) = 5.43 mmHg  3) InP vapor = Ln(264.82 mmHg ) = 5.58 mmHg  4) InP vapor = Ln(291.44 mmHg ) = 5.67 mmHg  5) InP vapor = Ln(316.27 mmHg ) = 5.76 mmHg  6) InP vapor = Ln(337.96 mmHg ) = 5.82 mmHg  7) InP vapor = Ln(356.18 mmHg ) = 5.88 mmHg  8) InP vapor = Ln(384.19 mmHg ) = 5.95 mmHg 

➔ Análisis y discusión de resultados Podemos decir que cuando el experimento se empezó el único gas que se encontraba en la probeta era el aire conformado por diferentes gases ya que el agua aún no llegaba a su punto de ebullición provocando que no existiera vapor de agua los primeros instantes, por lo que se pudo calcular perfectamente cual era el volumen del aire contenido en la probeta. Posteriormente para medir el vapor de agua se aplicó la ley de Charles la cual nos dice que El vapor de agua= volumen experimental - volumen del aire. Para calcular la presión del vapor= volumen de vapor de agua/ volumen experimental x100 para así poder graficar las presiones de vapor contra las temperaturas. Al graficar las presiones de vapor y las temperaturas podemos observar cómo al aumentar la temperatura también se aumenta la presión resultando una relación directamente proporcional, ya que al aumentar la temperatura también se aumenta la energía cinética de las moléculas favoreciendo el cambio de estado. La relación entre el logaritmo de la presión de vapor y el inverso de latemperatura nosmuestra una relación inversamente proporcional mientras el logaritmo de la presión aumenta,elinverso de la temperatura disminuye. . Mediante un análisis de regresión lineal pudimos conocer la pendiente para así obtener la entalpía de vaporización para el agua a las condiciones no estándares sino las experimentales como lo fue la presión atmosférica, este valor comparado con el valor teórico de la literatura de la entalpía de vaporización del agua es de 40.66 kJ/mol (Dean, 1972, p.1109) nos da un porcentaje de error de 38%, un valor aceptable tomando en cuenta que no tenemos las condiciones estándares con el que está reportado el de la literatura, este error también se pudo deber a errores de medición cometidos durante el desarrollo de la práctica o incluso errores de redondeo. Los resultados nos permitieron conocer un intervalo de temperatura para observar el cambio en la presión de vapor del agua, esto se pudo obtener midiendo la variación del Volumen total del sistema (Vtotal= Vaire + Vvapor)y su relación con la temperatura. Al observar nuestros resultados podemos decir que nuestras hipótesis estuvieron correctas ya que mediante las gráficas de los datos obtenidos podemos ver como el volumen experimental si aumento conforme se incrementó la temperatura, lo mismo pasó con el volumen del aire y e volumen del vapor ya que como se mencionó anteriormente se incrementa la energía cinética favoreciendo un cambio de fase. Nuestra Hipótesis sobre que la presión parcial del aire fue correcta debido a que esta disminuyó mientras se aumentó la temperatura, mientras que la presión de vapor de agua aumentó.     

 ➔ Cuestionario Para llevar a cabo el análisis  y  la  discusión  de  los resultados, se puede reflexionar sobre las preguntas  siguientes,  además  de  todos  los  puntos  que  los  alumnos  consideren importantes mencionar: 1. Indicar qué gases se  encuentran confinados en la parte superior de la probeta alo largo del experimento. Se encuentra la presión de vapor y el aire (N, O2, H2, C, He, etc) 2. Señalar cuál es el gas dentro de la probeta cuando la temperatura es de 0°C y explicar cuál es la utilidad de esa determinación. Se encuentra el aire ya que el vapor de agua está en una mínima cantidad o no hay, si es una mínima cantidad puede ser despreciable, por lo tanto se puede calcular el volumen de aire que existe dentro de la probeta. 3. Explicar qué tipo de relaciónexiste entre la presión de vapor y la temperatura, de acuerdo al comportamiento que se observa en la gráfica 1. Es un comportamiento exponencial para la temperatura pues la temperatura y la presión de vapor son directamente proporcionales ya que conforme aumenta la temperatura también aumenta la presión de vapor pues es un cambio de líquido a gas. 4. Analizar qué tipo de relación se presentaentre el logaritmo natural de la presión de vapor del agua y  el  inverso de la temperatura absoluta (gráfica 2). Expresar laecuaciónquedescribe el comportamiento de estos datos. En este caso es una relación inversamente proporcional a la anterior. Y=-2990.9x+14.432 5.  Explicar  qué  información proporciona la pendiente  de la ecuación establecida en el punto (4) e indicar sus unidades. In P = m=

−△Hm, vapor R

−△Hm, vapor R

( T1 ) + B 



Unidades = K 6. Calcular la entalpía de vaporización del agua a partir de la pendiente del gráfica 2. m=

−△Hm, vapor R



△H m, vapor = − m * R  △H m, vapor = − (− 2990.9 K )(8.314 J /mol K ) = 24866.3426 J /mol  7.  Comparar  el  valor de la entalpía calculada  a partir  de  los datos experimentales con el reportado en la literatura y calcular el por ciento  de error. Encaso de existir alguna diferencia, explicar a qué puede deberse. De acuerdo a la literatura el valor teórico de la entalpía de vaporización del agua es de 40.66 kJ/mol (Dean, 1972, p.1109)

% error = (40.66-24.87/40.66)*100%= 38.83 J/mol de error 8.  Explicar  qué  tipo  de  relación  existe entre el volumen y la temperatura, de acuerdo al comportamiento que se observa en la gráfica 3. En las gráficas 3 se observa que la temperatura y el volumen son directamente proporcional,es decir, cuando aumentamos la temperatura del gas las moléculas se mueven con más rapidez y tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente. Esto quiere decir que el número de choques por unidad de tiempo será mayor. Es decir se producirá un aumento (por un instante) de la presión en el interior del recipiente y aumentará el volumen (el émbolo se desplazará hacia arriba hasta que la presión se iguale con la exterior). Lo que Charles descubrió que si la cantidad de gas y la presión permanecen constantes, el cociente entre el volumen y la temperatura siempre tiene el mismo valor. (Okuda, M. 2016) Matemáticamente podemos expresarlo así: V/T=  k (el cociente entre el volumen y la temperatura es constante) ➔ Conclusiones -La presión de vapor es directamente proporcional a la temperatura, debido a que entre mayor sea la temperatura se favorece el cambio de fase. -La ecuación de Clapeyron nos permite calcular la pendiente de una línea de equilibrio entre dos fases en este caso presión y temperatura de un sistema, esta expresión nos puede ayudar para predecir dónde se va a dar una transición de fase. -La presión parcial del aire disminuye, mientras que la presión de vapor de agua aumenta mientras aumenta la temperatura.  ➔ Referencias consultadas

➢ John A. Dean. (1972). LANGE'S HANDBOOK OF CHEMISTRY. New York: McGRAW-HILL, INC. ➢ Okuda, M. (2016). Ley de Charles. 2018, de E+Educaplus Sitio web: http://www.educaplus.org/gases/ley_charles.html ...