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Práctica Equilibrio líquido vaporLaboratorio de FisicoquímicaFecha: 14 de abril de 2019ResumenEn esta práctica se elaboró un sistema de dos fases para un componente, agua en estado líquido y agua en estado gaseoso, a la cual se variaron las temperaturas y presiones, obteniendo distintos puntos de eq...

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Práctica Equilibrio líquido vapor

Laboratorio de Fisicoquímica

Fecha: 14 de abril de 2019

Resumen En esta práctica se elaboró un sistema de dos fases para un componente, agua en estado líquido y agua en estado gaseoso, a la cual se variaron las temperaturas y presiones, obteniendo distintos puntos de equilibrio para el mismo sistema, esto con el fin de calcular la entalpía de vaporización del agua, que en este caso se obtuvo 38.95 kj/mol, con un porcentaje de error de 4.51% descrito en la literatura, de 40.79 kj/mol, además de obtener este valor a las diferentes temperaturas y presiones.

Objetivo En esta práctica se estudiará el equilibrio entre dos fases y un componente, en este caso, líquido y vapor para un sistema, con su punto de equilibrio a diferentes temperaturas y presiones.

Introducción Los equilibrios de fases y las transiciones de estas están presentes tanto en procesos químicos como físicos que existen en la naturaleza alrededor de nosotros, como la condensación del vapor de agua, resultante en nubes, como el vapor de agua que los seres vivos exhalamos en cada respiración. Es importante saber que todos estos cambios de fase de los componentes responden a un equilibrio, inherente de cada elemento y compuesto, relacionado con sus estados de agregación, sobre todo el líquido y el gaseoso. Todos estos cambios tienen distintas aplicaciones tanto en la naturaleza como en procesos industriales. Los cambios de fases con temperatura y presión constantes, en la mayoría de los casos (en algunos es cero), poseen un cambio de entalpía, llamado “Calor latente de la transición”, este pudiendo ser de fusión (sólido a líquido), sublimación (sólido a gas), vaporización (líquido a gas), o de transición (sólido a sólido). Estos valores cambian cuando varia la temperatura y la presión del sistema. Poniendo énfasis en el calor de vaporización, este se define como la energía necesaria para convertir 1 g de sustancia en estado líquido a estado gaseoso, en determinada temperatura de ebullición. Esta misma energía sirve para expandir el gas, identificable en cuanto la presión de vapor es grande tal que se forman burbujas dentro del líquido. Manteniendo la temperatura constante, este es el punto de equilibrio. La ecuación de Clausius Clapeyron describe la transición de fase de primer orden que tiene en lugar un sistema de un solo componente, como la temperatura en función de la temperatura. La pendiente de esta ecuación representa el equilibrio de las dos fases a la presión y temperatura dada. Ecuación de Clapeyron 1.

( −∆R H )∗( 1T )

ln ( P ) =

De la ecuación de Clapeyron se deduce la ecuación de Antoine, la cual describe la relación entre la temperatura y presión de un sistema en equilibrio para un solo componente, según la saturación de su gas en el sistema. Ecuación de Antoine

2.

P=10

A−

B T +C

Metodología Material:        

Bomba de extracción de aire Matraz de bola de tres bocas Termómetro Porta termómetro Termo agitador Placa Olla Pinza de 3 dedos

Procedimiento: Primeramente, se coloca el sistema: se coloca el matraz de bola, sostenido con la pinza, al soporte universal. Debajo de ella se pone la olla con agua, para poner baño maría, y debajo de esta, el calentador. Dentro del matraz se coloca el termo agitador, agua y el termómetro, este último a través de una de las bocas, cerrando con el porta termómetro. En otra boca del matraz, se coloca una manguera que se conecta con el extractor. Una vez armado el sistema, se lleva el agua a la primera temperatura, que es 90°C y se enciende la bomba de extracción, hasta que el agua comience ebullición, y se registra tanto temperatura como presión. Después, se deja enfriar el sistema de 2 a 5 grados, después se vuelve a prender la bomba para reducir la presión, y se vuelven a registrar los datos en el momento en que vuelva a su punto de ebullición. Todo esto se repite hasta que la bomba no pueda reducir más la presión.

Resultados Se enlistan a continuación los valores experimentales que obtuvimos, en este caso, la Temperatura y la presión del sistema, seguido de la conversión a mmHg y el cálculo de los datos que necesitaremos para calcular la entalpía. Temperatura (K) 363.15

Presión (inHg) 22.91339528

363.15

Presión (mmHg)

1/T

LN(P)

582.00024

0.002753683

22.1259937

562.00024

0.002753683

361.15 359.15

19.76378898 18.18898583

502.00024 462.00024

0.002768933 0.002784352

357.15

17.00788346

432.00024

0.002799944

356.15

16.61418268

422.00024

0.002807806

355.15

15.8267811

402.00024

0.002815712

353.15

15.03937953

382.00024

0.002831658

348.15

11.88977323

302.00024

0.002872325

343.15

9.921269291

252.00024

0.002914177

339.15

8.740166929

222.00024

0.002948548

337.15

7.952765354

202.00024

0.002966039

336.15

7.559064567

192.00024

0.002974862

333.15

6.968513386

177.00024

0.003001651

330.15

5.984261417

152.00024

0.003028926

6.3664708 6 6.3315022 8 6.2186006 6.1355654 1 6.0684261 4 6.0450058 8 5.9964526 9 5.9454212 4 5.7104278 1 5.5294300 4 5.4026784 6 5.3082688 9 5.2574966 2 5.1761510 9 5.0238821

Tabla 1. A continuación, se presenta la relación de temperatura con la presión, ambos en el punto de equilibrio de ebullición del sistema de agua.

Gráfica Temperatura vs presión en el equilibrio 650 550

T (°C)

450 350 250 150 50

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

25

P (inHg)

Gráfica 1. Ecuación de Clapeyron (1)

(

)( )

1 ln ( P )= −∆ H ∗ R T

Despejando, la pendiente es:

m=

−∆ H R

Utilizamos los datos anteriormente calculados, para obtener la pendiente, que necesitaremos para la ecuación de Clapeyron:

LN(P) vs 1/T 7 6

f(x) = − 4684.97 x + 19.2

LN(P)

5 4 3 2 1 0 0

0

0

0

0

(1/T)

Tomando quela pendiente es -4685:

0

0

0

∆ H=−(−4685 ) R

∆ H=38953.4

kj j =38.95 mol mol

Porcentaje de Error con ΔH de vaporización del agua

%error=

40.79 −38.95 x 100= 4.51% 40.79

Seguido de esto, compararemos los resultados experimentales obtenidos, con la ecuación de Antoine: Ecuación de Antoine (2)

P=10

A−

B T +C

Los valores de las constantes para el agua son de: A=8.07131 B=1730.63 C=233.426 Presión calculada con T en °C experimental con la ecuación de Antoine Temperatura (°C) 90 90 88 86 84 83 82 80 75 70 66 64 63 60 57

P Antoine (mmHg) 525.2664328 525.2664328 486.5020829 450.1661395 416.1368073 399.9502389 384.2965982 354.5322655 288.4976828 233.1732906 195.6521392 178.9035524 170.9973873 149.0384192 129.5310293

Presión experimental (mmHg) 582.00024 562.00024 502.00024 462.00024 432.00024 422.00024 402.00024 382.00024 302.00024 252.00024 222.00024 202.00024 192.00024 177.00024 152.00024

Valores ΔH vap del agua a diferentes Temperaturas Temperatura (K) Presión (mmHg) 363.15 582.00024

ΔH(kj/mol) 19222.990

363.15

562.00024

361.15

502.00024

359.15

462.00024

357.15

432.00024

356.15

422.00024

355.15

402.00024

353.15

382.00024

348.15

302.00024

343.15

252.00024

339.15

222.00024

337.15

202.00024

336.15

192.00024

333.15

177.00024

330.15

152.00024

1 19117.405 6 18673.099 9 18321.735 1 18020.335 1 17900.526 9 17706.893 2 17457.336 3 16529.936 4 15776.131 2 15234.811 3 14880.318 1 14694.278 1 14337.812 6 13790.718

Conclusiones Con esta práctica se pudo evaluar de forma empírica el equilibrio de fases de un solo componente. Se observó que la relación de entalpía de vapor y la temperatura es directamente proporcional, debido a que, a mayor temperatura, mayor es esta entalpía. Esto quiere decir que, a mayor temperatura, el componente tiene mayor energía para poder expandir el gas, lo que hace que esta entalpía sea mayor. Cuando se obtuvo la pendiente de la ecuación de Clapeyron con los datos evaluados, se pudo obtener la entalpía de vaporización del agua, la cual tuvo un margen de error mínimo al consultado en la literatura del Levine, esto se entiende a que el sistema se armó de forma eficaz, debido a que se redujeron errores de manejo, aunque el mínimo porcentaje de error se pudo deber a una no tan precisa medición tomada del termómetro o del manómetro. Al final se pudo completar el objetivo de evaluar el punto de equilibrio a diferentes temperaturas y presiones debido a que el agua llegó a su punto de ebullición en todas las variaciones de las variables antes mencionadas, pudiendo obtener los datos necesarios para su evaluación y reporte.

Referencias 1. N. Levine (2014). Principios de Fisicoquímica, 6ta edición. Mc Graw Hill, págs. 189 -199....