INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALEscuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad ZACATENCO Especialidad: Ingeniería en Control y Automatización LABORATORIO DE QUÍMICA APLICADA PRACTICA #5: INFLUENCIA DE LA PRESIÓN SOBRE EL PUNTO DE EBULLICIÓN GRUPO: 2AM2 EQUIPO: 5 INTEGRANTES: PROFESORA: Ing. ALEJANDRA MONTES SERVIN FECHA DE ENTREGA: 19 de mayo de 2014 Objetivo: Determinar experimentalmente la temperatura de ebullición del agua a diferentes presiones. Comprobar la Ecuación de Clausius-Clapeyron mediante el cálculo de la temperatura correspondiente a las diferentes presiones de vapor y compararla con la temperatura experimental respectiva. Investigación. Presión La presión se define como la fuerza que se ejerce por unidad de área transversal (P = F/A). Algunas de sus unidades son dinas por centímetro cuadrado (dina/cm 2 ), pascales (1Pa =1N/m 2 ), atmósferas (atm), milímetros de mercurio (mmHg), etc. A nivel del mar se tiene 1 atm ó 760 mmHg. En la Ciudad de México la presión es menor debido a la altitud, aproximadamente 585 mmHg ó 0.77 atm. Volumen Puede definirse como el espacio que ocupa una cantidad dada de materia. Algunas de sus unidades son centímetros cúbicos (cm 3 ), litros (l), mililitros (ml), metros cúbicos (m 3 ), etc. Temperatura La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las partículas que constituyen un sistema. En la escala Celsius o centígrada, la temperatura se mide en grados centígrados (ºC), en la escala absoluta en Kelvin (K), en la escala Fahrenheit en grados Fahrenheit (ºF). Las condiciones estándar de presión y temperatura, son por convención: P = 1 atm y T = 0 ºC. El barómetro Un barómetro es un instrumento que se utiliza para medir la presión ejercida por la atmósfera. Un barómetro sencillo consta en un tubo largo de vidrio, cerrado de un extremo y lleno de mercurio. Si el tubo se invierte con cuidado y se coloca verticalmente sobre un recipiente que contenga mercurio, de manera que no entre aire en el tubo. El nivel del mercurio en el tubo desciende hasta una altura determinada y se mantiene en ese nivel creando un vacío en el extremo superior. Si se coloca un tubo abierto en forma vertical con uno de sus dos extremos en un recipiente con mercurio, los niveles del mercurio dentro y fuera del tubo coinciden, pero en el tubo cerrado del barómetro algo mantiene al mercurio a una altura mayor dentro del tubo que fuera en el recipiente. Dentro del tubo con el extremo cerrado, no hay aire por encima del mercurio (sólo trazas de vapor de mercurio). La atmósfera ejerce una fuerza sobre la superficie del mercurio en la parte exterior del recipiente que se transmite a través del líquido, haciendo que suba una columna de mercurio. Esta columna ejerce una presión hacia abajo que depende de su altura y de la densidad del mercurio líquido. Para una cierta altura, se igualan la presión en la base de la columna de mercurio y la de la atmósfera. De esta forma, la columna se mantiene. La altura del mercurio en un barómetro se llama presión barométrica, y varía con las condiciones atmosféricas y con la altitud en la que se realiza la medición. La presión atmosférica estándar (atm) se define como la presión que ejerce una columna de mercurio con una altura de exactamente 760 mm a 0ºC al nivel de mar, cuando la densidad del mercurio es = 13,5951 g/cm3 y la aceleración de la gravedad es exactamente g = 9,80665 ms 2 . Esta definición establece una relación entre dos unidades de presión muy útiles, la atmósfera estándar (atm) y el milímetro de mercurio (mmHg). La unidad mmHG también es llamada torr en honor al científico italiano Evangelista Torricelli, quien inventó el barómetro. Ebullición La ebullición es el proceso físico en el que la materia pasa a estado gaseoso. Se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión. Si se continúa calentando el líquido, éste absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversión de la materia en estado líquido al estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso. En ese momento es posible aumentar la temperatura de la materia, ya como gas. El cambio en el punto de ebullición producido por una variación de presión se calcula con ayuda de la ecuación de Clausius-Clapeyron. La evaporación del agua es un ejemplo de cambio de fase de líquido a vapor. Los potenciales químicos de las fases α (líquido) y β (vapor) son funciones de la temperatura T y la presión P y tienen el mismo valor μ α (T, P)= μ β (T, P) A partir de esta igualdad y empleando relaciones termodinámicas, se obtiene la ecuación de Clapeyron. Suponiendo que la fase vapor es un gas ideal y que el volumen molar del líquido es despreciable comparado con el volumen molar de gas, se llega a la denominada ecuación de Clausius-Clapeyron que nos proporciona la presión de vapor del agua P v en función de la temperatura T, suponiendo además, que la entalpía L de vaporización es independiente de la temperatura (al menos en un determinado intervalo) Consideraciones sobre la ecuación de Clapeyron En un cambio de fase líquido-vapor, tanto ΔH como ΔV son positivos, por tanto la pendiente de la línea de equilibrio líquido-vapor es positiva. Lo mismo sucede con la línea sólido-vapor. En un cambio de fase sólido-líquido, ΔH es positivo y en general ΔV también, por lo tanto la pendiente de esta línea también será positiva. Existen sin embargo algunas excepciones como el H2O, Ga o Bi debido a una disminución de volumen que sufren estos componentes al fundirse, en estos casos la pendiente de la línea de equilibrio sólido-líquido será negativa. En el cambio de fase sólido-líquido ΔV es mucho menor que en los cambios de fase sólido-gas o líquido-gas. Por esta razón la pendiente en el primer caso es mucho mayor que en los últimos. MATERIAL REACTIVOS 1 Matraz Balón de fondo plano de 500 ml 1 Termómetro 1 Manómetro en “U” con Mercurio 1 Tapón de hule bihoradado 1 Tubo de vidrio con conexiones de hule 1 Mechero, anillo y tela de alambre con asbesto 1 Pinza universal Cuerpos de ebullición PROCEDIMIENTO PRIMERA PARTE 1. En el matraz balón coloque aproximadamente 250 ml de agua y los cuerpos de ebullición. 2. Monte el equipo tal como se indica en la figura 1, al iniciar el experimento el tubo de hule no deberá estar conectado al manómetro. Estando desconectado el manómetro (pero en una posición tal que cuando sea necesario se pueda conectar rápidamente), caliente hasta ebullición. Anote la temperatura correspondiente. 3. Por un tiempo no mayor de 10 segundos, deje de calentar y conecte rápidamente la manguera de hule al manómetro, e inmediatamente inicie el calentamiento hasta una temperatura de aproximadamente 96 °C. Deje de calentar para estabilizar la temperatura. Anote la variación de niveles de Mercurio en el manómetro () y la temperatura correspondiente para este incremento de presión. No deje enfriar mucho tiempo. 4. Caliente nuevamente hasta 98 °C, retire el mechero y anote la variación de niveles del manómetro a la temperatura correspondiente. Caliente nuevamente hasta 100 °C y anote la variación de niveles en el manómetro. 5. Cuide de no calentar a una temperatura mayor de 103 °C porque puede desconectarse la manguera del manómetro o del matraz por el aumento de presión. Deje enfriar y cuando no haya variación en el nivel de Mercurio ( ), desconecte la manguera de hule del manómetro. CUESTIONARIO 1.- Experimentalmente cuando la presión de oposición fue de 585 mmHg, (presión atmosférica en el D.F) la temperatura de ebullición fue de: Experimentalmente medida fue de 92°C. 2.- A partir del dato anterior y de la ecuación de Clausius-Clapeyron calcule a las diferentes presiones (P T ) la temperatura correspondiente a cada presión y compárela con la obtenida experimentalmente. Complete la siguiente tabla: Considere: ∆H v = 9700 cal/mol R= 1.987 cal/mol °K Temperatura Experimental. h 2 * h 1 * ∆H=h 2 -h 1 ∆H = ∆P P T =585+P Temperatura Calculada. °C °K mmHg mmHg mmHg mmHg °C °K 92 365 0 0 0 585 92 365 96 369 180 130 50 635 94.25 367.25 98 371 200 100 100 685 96.35 369.35 100 373 220 80 140 725 97.95 370.95 CALCULOS Conversiones. ( ) ( ) ( ) ( ) De la ecuación de Claussius-Clapeyron: ( ) ( ) [ ( )] ( ) [ ] ( ) [ ] [ ] DESARROLLO 1) Para los 92°C (365°K) T 1 = 365°K P 1 = 585 mmHg T 2 = ¿? P 2 = 585 mmHg ( ) () 2) Para los 96°C (369°K) T 1 = 365°K P 1 = 585 mmHg T 2 = ¿? P 2 = 635 mmHg ( ) () 3) Para los 98°C (371°K) T 1 = 369°K P 1 = 585 mmHg T 2 = ¿? P 2 = 685 mmHg ( ) () 4) Para los 100°C (373°K) T 1 = 371°K P 1 = 585 mmHg T 2 = ¿? P 2 = 725 mmHg ( ) () OBSERVACIONES El proceso fue un cuanto complejo ya que al llevar el agua a su punto de ebullición se tenía que insertar las mangueras dentro del manómetro, lo cual fue difícil y con riesgos de quemadura. CONCLUSIÓN Mediante el manómetro se observó que al aumentar la temperatura del agua, hay cambios de presión. La ecuación de Clausius-Clapeyron fue determinante para ese proceso ya que nos proporciona mediante la presión de vapor del agua Pv, la influencia de ésta sobre la temperatura. BIBLIOGRAFÍA Quimica.R.Chang. Ed McGraw Hill. (Paginas 170-180) Instrumentación industrial, 8va Edición – Antonio Creus Solé (Paginas 47-48) Química Física, 6ta Edicion – Peter William Atkins (Paginas 224-230, 145,153)