UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DEHUAMANGA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA ASIGNATURA: QU-244: FÍSICO-QUÍMICA I PRÁCTICA N o 03 “PRESION DE VAPOR DE ETANOL” PROFESOR DE TEORÍA: Ing. QUISPE MISAICO, Hernán. PROFESOR DE PRÁCTICA: Ing. QUISPE MISAICO, Hernán. ALUMNOS: SULCA SUCA, Juan Antonio PALOMINO GARCIA, Romyl CHACCHI MOLINA, Deysi Alina DÍA DE PRÁCTICAS: miércoles HORA: 5-8pm FECHA DE EJECUCIÓN: 03/09/14 FECHA DE ENTREGA: 10/09/14 AYACUCHO- PERU 2014 PRESION DE VAPOR DEL AGUA I.- OBJETIVOS Establecer los fundamentos teóricos del equilibrio liquido-vapor de un componente puro. Obtener mediante la experimentación el comportamiento de la presión de vapor de u liquido puro sometido a diferentes temperaturas. Comparar el modelo experimental obtenido de presión de vapor de un líquido puro con un modelo matemático elegido por el profesor. Obtener con objetivo secundario mediante el uso de la ecuación de Clausus.Clapeyron el calor latente de vaporización del líquido puro, discutir el porcentaje de error con la reportada bibliografía. II.-REVISION BIBLIOGRAFICA. PRESIÓN DE VAPOR DE LÍQUIDOS La presión de vapor es la presión de la fase gaseosa o vapor de un sólido o un líquido sobre la fase líquida, para una temperatura determinada, en la que la fase líquida y el vapor se encuentra en equilibrio dinámico; su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas. Este fenómeno también lo presentan los sólidos; cuando un sólido pasa al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido (proceso denominado sublimación o el proceso opuesto llamado sublimación inversa) también hablamos de presión de vapor. En la situación de equilibrio, las fases reciben la denominación de líquido saturado y vapor saturado. Esta propiedad posee una relación inversamente proporcional con las fuerzas de atracción intermoleculares, debido a que cuanto mayor sea el módulo de las mismas, mayor deberá ser la cantidad de energía entregada (ya sea en forma de calor u otra manifestación) para vencerlas y producir el cambio de estado. Imaginemos una burbuja de cristal en la que se ha realizado el vacío y que se mantiene a una temperatura constante; si introducimos una cierta cantidad de líquido en su interior éste se evaporará rápidamente al principio hasta que se alcance el equilibrio entre ambas fases. Inicialmente sólo se produce la evaporación ya que no hay vapor; sin embargo a medida que la cantidad de vapor aumenta y por tanto la presión en el interior de la ampolla, se va incrementando también la velocidad de condensación, hasta que transcurrido un cierto tiempo ambas velocidades se igualan. Llegados a este punto se habrá alcanzado la presión máxima posible en la ampolla (presión de vapor o de saturación) que no podrá superarse salvo que se incremente la temperatura. El equilibrio dinámico se alcanzará más rápidamente cuanto mayor sea la superficie de contacto entre el líquido y el vapor, pues así se favorece la evaporación del líquido; del mismo modo que un charco de agua extenso pero de poca profundidad se seca más rápido que uno más pequeño pero de mayor profundidad que contenga igual cantidad de agua. Sin embargo, el equilibrio se alcanza en ambos casos para igual presión. El factor más importante que determina el valor de la presión de saturación es la propia naturaleza del líquido, encontrándose que en general entre líquidos de naturaleza similar, la presión de vapor a una temperatura dada es tanto menor cuanto mayor es el peso molecular del líquido. Por ejemplo, el aire al nivel del mar saturado con vapor de agua a 20ºC, tiene una presión parcial de 23 mbar de agua y alrededor de 780 mbar de nitrógeno, 210 mbar de oxígeno y 9 mbar de argón. Por lo general, la ecuación de Antoine no se puede utilizar para describir con suficiente precisión toda la curva presión de vapor saturado desde el punto triple al punto crítico. Por lo tanto generalmente se emplean varios conjuntos de parámetros para un solo componente. Un conjunto de parámetros de baja presión para describir la curva de presión de vapor hasta el punto de ebullición normal y el segundo conjunto de parámetros se utiliza desde el punto de ebullición normal al punto crítico. En la zona de solapamiento de los parámetros surgen inconsistencias, la aplicación en esta zona de la ecuación de Antoine es problemática. Variación típica del ajuste de parámetros en toda la gama (datos experimentales del benceno) Desviación del ajuste de la ecuación de August (2 parámetros) Desviación del ajuste de la ecuación de Antoine (3 parámetros) Desviación del ajuste de la ecuación de DIPPR 101 (4 parámetros) ETANOL FORMULA: C2H6O, CH3CH2OH. PESO MOLECULAR: 46.07 g/mol. COMPOSICION: C: 52.24 %; H: 13.13 % y O: 34.73 %. GENERALIDADES: El etanol es un líquido incoloro, volátil, con un olor característico y sabor picante. También se conoce como alcohol etílico. Sus vapores son más pesados que el aire. Se obtiene, principalmente, al tratar etileno con ácido sulfúrico concentrado y posterior hidrólisis. Algunas alternativas de síntesis son: hidratación directa de etileno en presencia de ácido fosfórico a temperaturas y presiones altas y por el método Fischer-Tropsch, el cual consiste en la hidrogenación catalítica de monóxido de carbono, también a temperaturas y presiones altas. De manera natural, se obtiene a través de fermentación, por medio de levaduras a partir de frutas, caña de azúcar, maiz, cebada, sorgo, papas y arroz entre otros, generando las variadas bebidas alcohólicas que existen en el mundo. Después de la fermentación puede llevarse a cabo una destilación para obtener un producto con una mayor cantidad de alcohol. El etanol se utiliza industrialmente para la obtención de acetaldehido, vinagre, butadieno, cloruro de etilo y nitrocelulosa, entre otros. Es muy utilizado como disolvente en síntesis de fármacos, plásticos, lacas, perfumes, cosméticos, etc. También se utiliza en mezclas anticongelantes, como combustible, como antiséptico en cirugía, como materia prima en síntesis y en la preservación de especímenes fisiológicos y patológicos. El llamado alcohol desnaturalizado consiste en etanol al que se le agregan sustancias como metanol, isopropanol o, incluso, piridinas y benceno. Estos compuestos desnaturalizantes son altamente tóxicos por lo que, este tipo de etanol, no debe de ingerirse. III.-MATERIALES Y EQUIPOS. Materiales Matraz Erlenmeyer de 250 ml Parilla de calentamiento Manguera de látex Manómetro diferencial Termómetro de 0°C-150°C Liquido problema (agua) 250ml Pinzas de presión Barómetro Baño de etanol fría IV.- DESARROLLO EXPERIMENTAL Mostrar el equipo de laboratorio tal como la ilustra la figura .el matraz debe contener el líquido problema, cerrar el sistema de tal manera que solo esté conectada la salida del vapor al manómetro diferencial y verificar que la válvula esté abierta antes de iniciar el calentamiento. Encienda la parrilla de calentamiento. Caliente el sistema hasta la ebullición del líquido problema. Verifique que no haya fugas el en sistema. Una vez que alcanzó la temperatura de ebullición permite escapar vapor para desalojar el aire atrapado en la manguera de latex, guera de latex (PRECAUCION;el sistema está caliente, tener cuidado de no quemarse en el momento de cerrarla válvula) Para registrar las variaciones de presión el en manómetro diferencial de mercurio, anota la altura en milímetros de mercurio al aumentar 0.5°C la temperatura del líquido problema. Ya se han tomado los suficientes datos de altura a intervalos de T sin rebasar la escala del manómetro diferencial, suspender el calentamiento. Retirar el matraz de la parrilla colocarlo sobre la mesa. Registrar el enfriamiento del líquido problema a intervalos de 0.5°C y anotar las correspondientes alturas del mercurio (presiones de vacío) en mm Hg.mientras el sistema se enfría espontáneamente hasta alcanzar los 30 y 28°C,si es necesario cubrir el matraz con un manto frio para alcanzar la temperatura. 1. Presión atmosférica = gh b =ɤh b 2. h b mm de mercurio registrada en el barómetro del laboratorio del ingeniería básica. : densidad del Hg, g:aceleración de la gravedad, ɤ:peso específico del Hg 4. Realizar los cálculos necesarios para transformar la altura o elevación de fluido manométrico (mm Hg) a presión absoluta de saturación (Pa, KPa)tal como lo explica el anexo 1.Reporta los datos como lo ilustra la tabla 3. 5. Registra la presión atmosférica de la ciudad de Ayacucho del barómetro ubicado en el laboratorio de fisicoquímica. 1. presión atmosférica = gh b = ɤh b …………..ec.8 2. h b mm de Hg registrada en el barómetro del laboratorio de fisicoquímica. 3. : densidad de Hg, g: aceleración de la gravedad, ɤ: peso específico del Hg 6. Realizar los cálculos necesarios para transformar la altura o elevación de fluido manométrico (mm Hg) a presión absoluta de saturación (Pa, KPa) tal como lo explica el anexo 1.Reporta los datos como lo ilustra la tabla 3. 7. Determina el comportamiento del líquido problema mediante un diagrama de fases. (Pa,KPa) vs 1/T (K) del líquido problema. Obtén con los datos experimentales un modelo para determinar la presión de vapor a partir de la temperatura. 8. De acuerdo a la tabla 1, es posible determinar las constantes A,B de la ecuación general. 9. Elaborar la gráfica de lnPsat. 10. Compara el modelo obtenido empíricamente del líquido problema contra una de las correlaciones registrada en la tabla 1 (ver anexo 2 para constantes de Antoine). 11. Determina el calor latente de vaporización tal como lo expresa la ecuación (7). La figura 3 presenta la tendencia de los datos experimentales que se deben obtener. 12. Realiza la discusión de resultados y concluye en base a los objetivos propuestos. V. RESULTADOS Tabla 2. Registro de temperatura y altura o elevación del Hg del calentamiento/enfriamiento del líquido del problema. T°C Hs Hi 71.5 51.7 51.2 5 72 52 50.7 13 71.5 51.4 51.4 0 71 50.8 51.9 11 70 49.4 53.4 40 67 47 55.9 89 64 44.6 58.2 136 61 43.7 59 153 58 41.8 60.8 190 54 40.9 61.8 209 50 40.6 62.8 222 45 39.7 63 233 40 39 63.8 248 Tabla 3 Obtención de presión manométrica a partir de las diferentes altura de mercurio del calentamiento/enfriamiento del líquido problema. T°C °K hs hi Pbar Pasb Pman 71.5 344.65 51.7 51.2 5 546.044905 541.044905 0.664137 72 345.15 52 50.7 13 546.044905 533.044905 1.7267562 71.5 344.65 51.4 51.4 0 546.044905 546.044905 0 71 344.15 50.8 51.9 11 546.044905 535.044905 1.4611014 70 343.15 49.4 53.4 40 546.044905 506.044905 5.313096 67 340.15 47 55.9 89 546.044905 457.044905 11.8216386 64 337.15 44.6 58.2 136 546.044905 410.044905 18.0645264 61 334.15 43.7 59 153 546.044905 393.044905 20.3225922 58 331.15 41.8 60.8 190 546.044905 356.044905 25.237206 54 327.15 40.9 61.8 209 546.044905 337.044905 27.7609266 50 323.15 40.6 62.8 222 546.044905 324.044905 29.4876828 45 318.15 39.7 63 233 546.044905 313.044905 30.9487842 40 313.15 39 63.8 248 546.044905 298.044905 32.9411952 Tabla 4.Datos de la presión absoluta de vapor y temperatura en SI del líquido problema. Grafico presión absoluta Vs temperatura en grados Celsius T°K ∆h (mmHg) Pabs 1/T*K -1 Pas Kpa Psat lnPsat 344.65 5 541.044905 0.00290149 72.1333882 71.4692512 4.269267303 345.15 13 533.044905 0.00289729 71.0668092 69.340053 4.239022705 344.65 0 546.044905 0.00290149 72.8 72.8 4.287715955 344.15 11 535.044905 0.00290571 71.3334539 69.8723525 4.246670042 343.15 40 506.044905 0.00291418 67.4671053 62.1540093 4.129615325 340.15 89 457.044905 0.00293988 60.9343092 49.1126706 3.894117059 337.15 136 410.044905 0.00296604 54.6681579 36.6036315 3.600147457 334.15 153 393.044905 0.00299267 52.4016776 32.0790854 3.468204274 331.15 190 356.044905 0.00301978 47.46875 22.231544 3.101512181 327.15 209 337.044905 0.0030567 44.935625 17.1746984 2.843437278 323.15 222 324.044905 0.00309454 43.2024342 13.7147514 2.618471999 318.15 233 313.044905 0.00314317 41.7358882 10.787104 2.378351343 313.15 248 298.044905 0.00319336 39.7360526 6.79485743 1.916166066 VI. CALCULOS. Calculando la variación de alturas: Ejemplo de 70°C ( ) ( ) Variación de altura cuando la P atm es mayor a la P vap.etanol a una temperatura de 67°C (cuando la temperatura disminuye) y = 6.4951x + 9.8194 R² = 0.8787 0 100 200 300 400 500 600 0 10 20 30 40 50 60 70 80 P a b s T°C presion absoluta Vs temperatura °C Series1 Linear (Series1) y = -7720.7x + 26.542 R² = 0.9881 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 0.0029 0.00295 0.003 0.00305 0.0031 0.00315 0.0032 0.00325 L n P s a t 1/T lnPsat(Kpa) vs. temperatura(1/T) Series1 Linear (Series1) ( ) ( ) Presión atmosférica o barométrica ( )( )( ) Presión absoluta la temperatura de 70°C Dato. 101.325Kpa = 760mmHg Presión absoluta la temperatura de 67°C 457.0449 60.9343092 OBTENCION DE PRESION MANOMÉTRICA Cálculo de la presión manométrica Kpa Datos para hallar la presión manométrica a temperatura 70°C: ( ) Aplicando la fórmula: Se realiza en temperatura 70°C Datos: densidad =1354 Kg/m3 gravedad =9.81 m/s2 landa =132.8274 5.313096 Obtención de la presión de saturación con la ecuación de Antoine Constantes A B C Etanol 18.5242 3578.91 -50.50 () Presión de vapor: ( ) () ET ºK 1/T (k -1 ) e lnpsat 344.65 9.46710776 0.00290149 12914.7606 345.15 9.4785536 0.00289729 13063.4145 344.65 9.46710776 0.00290149 12914.7606 344.15 9.45563292 0.00290571 12767.4279 343.15 9.43259578 0.00291418 12476.6949 340.15 9.36277673 0.00293988 11635.3826 337.15 9.29187703 0.00296604 10839.0822 334.15 9.21987139 0.00299267 10086.1193 331.15 9.14673374 0.00301978 9374.84542 327.15 9.04740932 0.0030567 8488.53108 323.15 8.94595833 0.00309454 7669.68462 318.15 8.81604864 0.00314317 6735.41396 313.15 8.68256656 0.00319336 5893.85944 Si el líquido cumple la ecuación de Clauisius-Clapeyron, hallar su calor de vaporización. Explicar el cálculo. Como ya se dijo, la ecuación de Clausius-Clapeyron ya integrada es: y = -7720.7x + 26.542 R² = 0.9881 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 0.0029 0.00295 0.003 0.00305 0.0031 0.00315 0.0032 0.00325 L n P s a t 1/T lnPsat(Kpa) vs. temperatura(1/T) Series1 Linear (Series1) Ln P = (-Hvap / RT) + C Donde la pendiente m está dada por -Hvap / R y C es el intercepto. En la gráfica realizada en el numeral anterior el programa Excel presentó la siguiente ecuación para la linea recta que representa los valores obtenidos durante la práctica; dicha ecuación fue la siguiente: y = -7720.7x + 26.542 R² = 0.9881 R = 0.9940 Donde y el eje Y representa Ln P y el eje X representa 1/T. Por lo tanto, de esta ecuación se determina la pendiente m de la gráfica: m = --7720.7x K (las unidades deben ser K porque 1/T esta en 1/K) ( ) 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. Del etanol. Los valores del calor de vaporización son los siguientes: Metanol = 8978.8 cal/mol Etanol = 9673.9 cal/mol El líquido problema utilizado en la práctica de laboratorio etanol Etanol = cal/mol (practico) ( ) ( ) VII. CONCLUSIONES Podemos ver que el método experimental para obtener la presión de vapor es muy efectivo, ya que los valores tomados de presión y temperatura coinciden notablemente con los de la curva obtenida mediante la ecuación de Clausius-Clapeyron Se logró establecer el fundamento para el equilibrio liquido vapor de un componente puro Se logró trazar las dos gráficas e incluyéndose las ecuaciones con tendencia a una recta. Se halló la temperatura normal y a condiciones de laboratorio (para Ayacucho). Se formuló la ECI-CI experimental y se comparó cada término con la ecuación de una recta. VIII. RECOMENDACIONES Medir con sumo cuidado la cantidad del líquido volátil, ya que este debe estar alineado dentro del tubo en U. Tomar la medida de la presión exactamente en el momento preciso para obtener los resultados óptimos. Los datos de la presión obtenidos en el experimento están en centímetros, y se tienen q llevar a milímetros para cálculos posteriores. IX. BIBLIOGRAFIA http://es.wikipedia.org/wiki/presi%c3%b3n_de_vapor http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujodegases/presiondevap or/presiondevapor.html Moran,MJ,Shapiro.HN,”Fundaments de la termodinamica”,2 a .Edicion,Editorial SHOEMAKER, D.P. – GARLAND, C.W. … “EXPERIMENTS IN PHYSICAL CHEMISTRY”. Edit. McGRAW.