Universidad Nacional Autónoma de México

Facultad de Química

Laboratorio de Equilibrio y Cinética

Práctica 4. ‘’Equilibrio entra fases. Construcción del diagrama de fases del ciclohexano.’’

Esperanza Martínez Mariana Guadalupe

López Salgado Karla Alejandra

Salgado Mendoza Rodrigo

Equipo 3

Grupo 26 06/marzo/2014

EQUILIBRIO ENTRE FASES. CONSTRUCCIÓN DEL DIAGRAMA DE FASES DEL CICLOHEXANO.

OBJETIVOS

Interpretar el diagrama de fases de una sustancia pura, construido a partir de datos de presión y temperatura obtenidos a través de diferentes métodos.

Comprender la información que proporciona la regla de las fases de Gibbs y la ecuación de Clausius-Clapeyron.

Distinguir los diferentes equilibrios entre las fases sólido, líquido y vapor. Deducir las propiedades termodinámicas involucradas como lo hemos hecho en

prácticas anteriores.

INTRODUCCIÓN

Una sustancia pura como el agua puede existir en fase sólida, líquida y gras, dependiendo de las condiciones de temperatura y presión. Un diagrama de fases es un mapa que muestra cual es la fase más estable a diferentes presiones y temperaturas.

Las líneas que separan las regiones en un diagrama de fases se denominan límites de fase. En cualquier punto sobre un límite entre dos regiones, las dos fases colindantes coexisten en equilibrio dinámico.

En un diagrama de fases, existen las reglas de fases de Gibbs, las cuales nos brindan cierta información Es una expresión que permite caracterizar completamente a un sistema termodinámico a partir del número de propiedades intensivas independientes. Indica el número de variables intensivas independientes que describen al sistema.

f=c−p+2F= grados de libertad C= número de componentes

P= número de fases 2=número de variables de estado (temperatura y presión)

o Ecuaciones de Clapeyron:

dPdT

=∆Sm, trans∆V m,trans

L-V dPdT

=∆Sm, vap∆V m,vap

=Svm−S

Lm

V vm−VLm

S-V

dPdT

=∆ Sm,¿

∆V m,¿=Svm−S

Lm

V vm−VLm

¿

¿

S-LdPdT

=∆Sm, fus∆V m,fus

=Svm−S

Lm

V vm−V

Lm

o Ecuaciones de Clausius-Clapeyron:

Equilibrio liquido-vapor

dPdT

=∆Sm, vap∆V m,vap

→ lnP2P1

=−∆ Hm, vap

R ( 1T 2− 1T 1 )

Equilibrio sólido-vapor

dPdT

=∆Sm,¿

∆V m,¿→ lnP2P1

=−∆H m,¿

R ( 1T 2− 1T 1 )¿¿

¿

Equilibrio sólido-líquido

dPdT

=∆Sm, fus∆V m,fus

→ lnP2P1

=−∆ Hm, fus

R ( 1T 2− 1T1 )

Un punto triple es un punto donde se encuentran los límites de tres fases. Un cambio en la temperatura o en la presión trae aparejada la perdida de una de las fases. La ubicación del punto triple de una sustancia fija de esa sustancia u no puede alterarse cambiando las condiciones.

En general un diagrama de fases sintetiza las regiones de presión y temperatura a las cuales cada fase de una sustancia es más estable. Los límites de fase muestran las

condiciones en las que dos fases pueden coexistir en equilibrio dinámico. En el punto triple coexisten en equilibrio mutuo tres fases.

El vapor de una sustancia puede condensarse a líquido mediante la aplicación de presión solo si se encuentra por debajo de su temperatura crítica.

PROBLEMA

Construir el diagrama de fases del ciclohexano a partir de datos obtenidos en la literatura, experimentales y calculados.

DISEÑO EXPERIMENTAL

Queremos observar el equilibrio entre las diferentes fases (solido-liquido, liquido-vapor, solido-liquido-vapor), para esto debemos tener datos para hacer un cálculo aproximado de las temperaturas a las que observaremos el equilibrio entre las fases para que al realizar los experimentos tengamos un parámetro de referencia en la medición de las temperaturas. Posteriormente a partir de las temperaturas obtenidas y aplicando la ecuación de Clausius - Clapeyron podremos realizar un diagrama de fases.

REACTIVOS Y MATERIALES

Ciclohexano Sal de cocina en grano Hielo Manómetro de mercurio Bomba de vacío con trampa Termómetro Matraz de bola 1L

2 trampas de vapor 3 soporte universal Sistema de destilación simple Tubo de ensaye Termómetro digital Vaso de unicel

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS Y TOXICIDAD

Ciclohexano: Fácilmente inflamable. Irrita la piel. Muy tóxico para los organismos acuáticos. Si se ingiere puede causar daño pulmonar. La inhalación de vapores puede causar somnolencia y vértigo. En caso de contacto con ojos causa enrojecimiento e irritación. En caso de inhalación causa tos, disminución de la respiración.

Sal de cocina en grano: Sólido blanco, cristalino, higroscópico. Soluble en agua, glicerol y alcohol. Estable bajo condiciones normales. Las soluciones muy concentradas pueden causar irritación. El polvo ocasiona enrojecimiento y puede ser perjudicial para los ojos.

Hielo: No corrosivo para la piel. No es irritante para la piel. No es sensibilizador para la piel. No irritante a los ojos. No es peligroso en caso de ingestión. No es peligroso en caso de inhalación. No es irritante para los pulmones.

METODOLOGÍA EMPLEADA

Punto triple

Punto de fusión (Congelar)

Armar el sistema para llevar a cabo

la exp.

Encender bomba de

vacío.

Observar la presión

del sistema.

Registrar presión y

temperatura.

Aumentar la presión del ciclohexano

contenido en el matraz de bola. Cambi

o de fase

Punto de ebullición

Colocar ciclohexano en

un tubo de ensaye.

Colocar hielo en un

recipiente e introducir el

tubo de ensaye

Introducir termóme

tro y medir por intervalos

.Observar y

registrar temperatura de formación de primeros

cristales.

Temperatura cristalización

= Temperatura solidificación.

Colocar equipo

para destilación

simple.

Encender equipo

Observar cuando

comience la

destilación

Temperatura

constante.

RESULTADOS

Tabla 1.

Equilibrio Proceso P(mmHg)

T/(°C) T/(K)

Datos Experimentales

S-L Punto de fusión

585.2 6.9 280.05

L-V Punto de ebullición

585.2 70 343.15

S-L-V Punto triple 40 6.5 279.65

Datos Teóricos

S-L (∆H f=2662.6J mol

−1)Punto de

fusión normal760 6.47 279.62

L-V (∆H v33001.3 J mol

−1)Punto de ebullición

normal760 80.7 353.85

Condiciones Críticas 30552 7.34 280.49

Datos Calculados

L-V (∆H V=31341.53 J mol

−1) Evaporación730 79.3 352.527710 78.40 351.555680 77.08 350.234

S-V (∆H ¿=35363.9 J mol

−1) Sublimación30 6.06 279.21520 5.28 278.43510 4.08 277.235

ALGORÍTMO DE CÁLCULO

Calcular la temperatura (T2) en un punto de equilibrio L-V cercano a la temperatura de ebullición normal.

T 2=[ 1T1− R∆ Hm, vap

ln(P2P1 )]−1

T 2=354.66K

T 2=¿Calcular la temperatura (T2) en un punto de equilibrio L-V cercano a la temperatura de ebullición obtenida a la presión atmosférica del lugar de trabajo.

T 2=[ 1T1− R∆ Hm, vap

ln(P2P1 )]−1

T 2=336.10K

Calcular una temperatura (T2) en un punto de equilibrio S-V

T 2=¿¿

T 2=525.60K

Calcular la entalpía de vaporización

∆ H m,vap=−Rln (P2

P1)

1T 1T 2

∆ H m,vap=−315852.38 Jmol

Tabla 2

L-V S-L S-VP(mmHg

)T(K) P(mmHg

)T(K) P(mmHg) T(K)

585.2 343.15 585.2 280.05 10 277.235680 350.234 760 353.85 20 278.435710 351.555 30 279.215730 352.527

GRÁFICA

Curva de enfriamiento Ciclohexano.

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

5

10

15

20

25

30

t vs T

t(s)

T(°C

)

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Tabla 3.

Fase (F)

Grado de libertad (L)

significado

Area 1 1-1+2 = 2 La presión contra la temperatura en cualquier valor, sea solido líquido o gas solo presentara una fase teniendo un

máximo de dos variables determinadas por el grado de libertad indicado.

Sobre la línea 2 1-2+2= 1

Son valores delimitados entre 2 fases ya sea L-V, V-S o S-G con solo una variable determinada mediante los grados de

libertad.

Punto triple 3 1-3+2 = 0

Es un sistema donde la presión y la temperatura trabajan en conjunto para que coexistan las 3 fases sin ningún

grado de libertad.

CONCLUSIONES

Como pudimos darnos cuenta la ecuación de Clausius-Clapeyron nos permite construir un diagrama de fases según la presión y la temperatura solo con saber la entalpia correspondiente a cada sustancia. La regla de fases nos permite calcular el grado de libertad con en que un sistema en equilibrio mantiene sus componentes independientes entre las fases y las variables intensivas.

Estos diagramas también nos ayudan dentro de la industria para conocer los estados físicos presentes y así saber que combinación es la mejor para la obtención de propósitos en común.

MANEJO DE RESIDUOS

Ciclohexano:

Se devolvió al laboratorista para su uso posterior. Para manejar este producto deben utilizarse bata, lentes de seguridad y guantes, evitando todo contacto con la piel, en un lugar bien ventilado y no deben utilizarse lentes de seguridad mientras se trabaja con él. Si la cantidad a manejar es considerable, debe utilizarse un equipo de respiración autónoma.

El equipo utilizado se dejó armado tal cual para su uso posterior.

APLICACIONES DEL TEMA

Los diagramas de fase se utilizan ampliamente porque en ellos es más fácil entender el comportamiento de un sistema en equilibrio.

En la industria estos diagramas son útiles para representar procesos y realizar balances de materia.

BIBLIOGRAFÍA Y MESOGRAFÍA CONSULTADA

Laidler, K. (1997). FISICOQUIMICA CECSA, México. Castellan,G. (1987). FISICOQUIMICA 2ª Edición, Addison-Wesley Iberoamericana

USA

I.N. Levine, FISICOQUIMICA, 5ª Edición, McGraw-Hill, 2004. https://www.dropbox.com/s/gth6a5io4gl1i1s/Diagrama%20de%20fases%20del

%20ciclohexano.ppsx Consultada el 02/03/2014 a las 4:15 p.m.