1

RESUMEN

Los objetivos de esta práctica fueron determinar la entalpia de vaporización y

la presión de vapor de líquidos (agua destilada) por el método estático a

temperaturas entre 80-99°C.

La experiencia se realizó bajo las condiciones de laboratorio de:

P=756mmHg, T=20°C y Hrel=96%.

Para determinar la presión de vapor del agua se utilizó el método estático el

cual consiste en calentar un balón con agua conectado a un manómetro con

mercurio y para que luego conforme el sistema se va enfriando, el vapor

empiece a condensarse y se cree un ligero vacío dentro de este, por lo cual la

columna conectada al balón sube debido a que la presión de vapor del agua

es menor que la presión atmosférica mientras que la rama del manómetro

abierta al ambiente baja.

Al realizar los cálculos las presiones de vapor obtenidas experimentalmente

fueron 731.08 cal/mol a 99°C y así sucesivamente hasta llegar a 403.16

cal/mol a 80°C mientras que las presiones de vapor teóricas son de 733.24

cal/mol a 99°C, 355.1 cal/mol a 80°C. Los porcentajes de error fueron 0.29% y -

13.53 % respectivamente.

Luego de calcular las presiones de vapor hacemos uso de la ecuación de

Clausius-Clapeyron para obtener la entalpia de vaporización del agua por el

método analítico y gráfico. La entalpia de vaporización obtenida de forma

analítica fue de 8388.89 cal/mol mientras que la entalpia de vaporización

teórica fue de 9943.35cal/mol. Al calcular el porcentaje de error fue de 15.63%

por defecto. Los resultados obtenidos de forma gráfica de la entalpia de

vaporización teórica del agua fue 8230.75 cal/mol y la entalpia de vaporización

experimental fue de 9943.35 cal/mol. Al calcular el porcentaje de error resulto

17.22% por defecto.

Se concluyó que luego de graficar Ln P vs 1/T se obtiene un pendiente de -

4221.89 y una constante de 17.94, reemplazando estos datos en la ecuación

de clausius-clapeyron se obtiene la siguiente relación matemática:

Ln P = -4221.89 (1/T) +17.94.

Se recomienda que cuando se llegue a los 80°C se debe girar la llave triple, de

tal forma que quede conectado al medio ambiente, para que así no se

transfiera mercurio del manómetro al matraz debido a que contaminaría el

sistema (balón, la manguera de unión) y que el mercurio al mezclarse con el

agua provocaría que una menor cantidad de moléculas de agua se evaporen y

esto conllevaría a que la presión de vapor del agua disminuya.

2

INTRODUCCION

Si se coloca cierta cantidad de un líquido puro en un recipiente vacío que tiene

un volumen mayor que el del líquido, una porción del líquido se evaporara

hasta llenar de vapor el volumen restante. Suponiendo que queda cierta liquido

una vez establecido el equilibrio, la presión del vapor en el recipiente es solo

una función de la temperatura del sistema. La presión desarrollada es la

presión de vapor del líquido, que es una propiedad característica de los líquidos

y aumenta rápidamente con la temperatura.

El vapor es usado en un gran rango de industrias. Las aplicaciones más

comunes para el vapor son, por ejemplo, procesos calentados por vapor en

fábricas y plantas, y turbinas impulsadas por vapor en plantas eléctricas, pero

el uso del vapor en la industria se extiende más allá de las antes mencionadas.

Algunas de las aplicaciones típicas del vapor para las industrias son:

esterilización, calentamiento, impulso, movimiento, motriz, limpieza, hidratación

y humidificación.

3

PRINCIPIOS TEORICOS

PRESION DE VAPOR

La presión de vapor se define como la presión en la cual la fase líquida y

el vapor se encuentra en equilibrio dinámico; su valor está en función de la

temperatura y es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes

mientras existan ambas. 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..

VARIACION DE LA PRESION DE VAPOR CON LA TEMPERATURA

La presión de vapor varía en función de la temperatura, a medida que aumenta

la temperatura, la presión de vapor muestra una rapidez de cambio cada vez

mayor.

PRESION DE VAPOR PARA ALGUNOS LIQUIDOS (mmHg)

Temperatura (°C)

AGUA ACETONA BENCENO ACIDO ACETICO

0 4.58 67.3 26.5 …

10 9.21 115.6 45.4 …

20 17.53 184.8 74.7 11.7

30 31.82 282.7 118.2 20.6

40 55.32 421.5 181.1 34.8

50 92.51 612.6 269.0 56.6

60 149.4 860.6 388.6 88.9

70 233.7 … 547.4 136

80 355.1 … 753.6 202.3

90 525.8 … 1016.1 293.7

100 760 … …. 417.1

En una situación como la relación temperatura-presión de vapor, siempre se

intenta obtener una relación matemática para los dos variables. Esto se puede

hacer representando gráficamente varias funciones de las dos variables para

tratar de obtener una relación simple entre ellas. Para los datos de la presión

de vapor se encuentra que si se representa gráficamente el logaritmo de la

presión (Ln P) en función de la inversa de la temperatura absoluta (1/T), se

obtiene una línea recta con pendiente negativa. Esta recta se puede

representar mediante una ecuación de la forma:

(1-1) Ln P = -𝑚

1

𝑇 + cte

4

Donde P es la presión de vapor, T es la

temperatura absoluta, m es la pendiente

de la recta y la cte es la intersección con

el eje de Ln P. En la Ec. 1-1 las variables

deben ser Ln P Y 1/T en lugar de P y T

para que la ecuación sea la de una línea

recta.

El problema se puede enfocar también

desde un punto de vista teórico; sin embargo, si se siguen procedimientos

termodinámicos adecuados utilizando el cálculo, se obtiene la ecuación

siguiente:

En esta ecuación dp representa el cambio muy pequeño en la presión de vapor

con un cambio muy pequeño de temperatura a la temperatura T, a la que la

presión de vapor es p. El calor de evaporación de 1 mol de líquido es ∆𝐻𝑣 .

Ahora bien, si se integra la ecuación, suponiendo que ∆𝐻𝑣 sea independiente

de la temperatura, se obtiene la expresión siguiente:

(1.2)

Si comparamos las ecuaciones 1-1 y 1-2 veremos que la pendiente A de la Ec.

1-1 es igual a ∆𝐻𝑣/2.303𝑅. Por lo tanto, tenemos en estas ecuaciones un medio

de calcular el calor molar de evaporaciones del líquido.

Para llevar a cabo este cálculo es conveniente convertir la Ec. 1-2 en una

ecuación de dos puntos eliminando así la constante I. La ecuación así obtenida

es:

Sería mucho más exacto usar varios puntos y obtener el valor de ∆𝐻𝑣

utilizando el método de los promedios o algún procedimiento matemático

similar. El método usado en este ejemplo, suele dar excelentes resultados si

los puntos se escogen bien. Debe agregarse que ∆𝐻𝑣 no es completamente

independiente de la temperatura y el valor determinado en este tipo de cálculo

es más un valor promedio para el margen de temperaturas que se cubren.

Ln p = - ∆𝐻𝑣

2.303𝑅𝑇 + I

𝑑𝑝

𝑑𝑇=

∆𝐻𝑣 𝑝

𝑅𝑇2

Log 𝑝2

𝑝1 =

∆𝐻𝑣

2.303𝑅(

1

𝑇1−

1

𝑇2)

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CALOR DE VAPORIZACIÓN

La entalpía de vaporización o calor de vaporización es la cantidad

de energía necesaria para que la unidad de masa (kilogramo, mol, etc.) de

una sustancia que se encuentre en equilibrio con su propio vapor a

una presión de una atmósfera pase completamente del estado líquido al

estado gaseoso. Se representa por ∆Hv, por ser una entalpía. El valor

disminuye a temperaturas crecientes, lentamente cuando se está lejos

del punto crítico, más rápidamente al acercarse, y por encima de

la temperatura crítica las fases de líquido y vapor ya no coexisten.

Generalmente se determina en el punto de ebullición de la sustancia y se

corrige para tabular el valor en condiciones normales.

El calor molar de vaporización es el calor necesario para que un mol de una

sustancia cambie de estado líquido a estado gas.

∆𝑈 = ∆𝐻 − ∆(𝑃𝑉)

MÉTODO ESTATICO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA PRESION DE

VAPOR DE LOS LIQUIDOS

En los Métodos estáticos se mide directa o indirectamente la presión ejercida

cuando se introduce liquido en exceso en un recipiente evacuado. Para

temperaturas inferiores a la del ambiente, la presión se puede medir

directamente y para temperaturas superiores a la temperatura ambiente la

presión se puede medir indirectamente.

El método estático indirecto se utiliza para determinar la presión de vapor a

temperaturas superiores ala del ambiente. Este método consiste en introducir el

líquido en un balón, la presión dentro del recipiente debe ser igual a la presión

atmosférica al calentar parte del líquido se evapora (absorbiendo calor latente)

hasta que se establezca una cierta presión de saturación. A la temperatura de

99°C. el balón debe ser conectado al manómetro, en el cual se producen

desniveles de mercurio en ambas ramas. Conforme el sistema se va enfriando,

el vapor empieza a condensarse y se crea un ligero vacío dentro de él, por lo

tanto la columna conectada al balón sube en tanto que la abierta al ambiente

baja. Terminando el experimento cierre la llave conectada al balón y ábrala al

ambiente, de esta forma evitara que el mercurio pueda pasar al balón.

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TABLA DE DATOS

TABLA 1: CONDICIONES EXPERIMENTALES

Temperatura (°c) Presión (mmHg) %humedad rel.

20 756 96

TABLA 2: VARIACIÓN DE LAS ALTURAS PARA DETERMINAR LA

PRESIÓN DE VAPOR DEL AGUA DESTILADA POR EL MÉTODO ESTÁTICO.

Temperatura (°C) h1 (mm) h2 (mm)

99 10 15

98 19 25

97 34 38

96 43 47

95 55 57

94 65 68

93 75 78

92 83 85

91 93 95

90 100 105

89 110 115

88 120 122

87 125 130

86 133 135

85 140 145

84 148 153

83 156 160

82 163 168

81 170 175

80 173 181

TABLA 3: DATOS TEORICOS PARA DETERMINAR LA Pvapor DEL AGUA

DESTILADA POR EL METODO ESTATICO (*)

DENSIDAD DEL MERCURIO A

UNA TEMPERATURA DE 20°C

13545.87 Kg/m3

CONSTANTE DE LO GASES (R) 1.987 cal/mol.K

(*) H. Perry y D.W. Green, ´´Perry’s Chemical Engineers Handbook´´, 6° ed. Edit. McGraw-Hill, Nueva York. Pag 3-77

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TABLA 4: DATOS TEORICOS DE LA PRESION DE VAPOR DEL AGUA

Temperatura (°C) Pvapor (mmHg)

80 355.1

81 369.7

82 384.9

83 400.6

84 416.8

85 433.6

86 450.9

87 468.7

88 487.1

89 506.1

90 525.76

91 546.05

92 566.99

93 588.60

94 610.90

95 633.90

96 657.62

97 682.07

98 707.27

99 733.24

TABLA 5: PORCENTAJE DE ERROR EN LA DETERMINACIÓN DE LA

PRESION DEL VAPOR DEL AGUA POR EL METODO ESTATICO

Temperatura (°C) Pvapor (mmHg) %Error

99 731.08 0.29

98 712.14 -0.69

97 684.24 -0.32

96 666.30 -1.32

95 644.37 -1.65

94 623.44 -2.05

93 603.50 -2.53

92 588.55 -3.80

91 568.62 -4.13

90 551.67 -4.93

89 531.74 -5.07

88 514.79 -5.68

87 501.84 -7.07

86 488.88 -8.42

85 471.93 -8.84

84 455.99 -9.40

83 441.04 -10.09

82 426.09 -10.70

81 412.13 -11.48

80 403.16 -13.53

8

TABLA 6: DETERMINACION DE LA ENTALPIA DE VAPORIZACION

EXPERIMENTAL POR EL METODO ANALITICO

T (°C) Δ Hv

(cal/mol)

Δ Hv promedio

(cal/mol)

CTE CTE promedio

99-80 8180.44

8388.89

17.66

17.94

98-81 8402.76 17.96

97-82 8248.24 17.74

96-83 8291.33 17.81

95-84 8213.12 17.70

94-85 8082.90 17.51

93-86 7862.36 17.21

92-87 8329.48 17.86

91-88 8662.91 18.32

90-89 9615.37 19.64

TABLA 7: DETERMINACION DE LA ENTALPIA DE VAPORIZACION

EXPERIMENTAL POR EL METODO GRAFICO

T (K) 1/T Ln Pv Δ Hv grafica

(cal/mol)

CTE

372.15 0.002687 6.594523

8230.75

17.72

371.15 0.002694 6.568275

370.15 0.002702 6.528309

369.15 0.002709 6.501740

368.15 0.002716 6.468273

367.15 0.002724 6.435253

366.15 0.002731 6.402746

365.15 0.002739 6.377662

364.15 0.002746 6.343212

363.15 0.002754 6.312950

362.15 0.002761 6.276155

361.15 0.002769 6.243759

360.15 0.002777 6.218281

359.15 0.002784 6.192117

358.15 0.002792 6.156831

357.15 0.0028 6.122471

356.15 0.002808 6.089136

355.15 0.002816 6.054651

354.15 0.002824 6.021339

353.15 0.002832 5.999334

9

TABLA 8: DETERMINACION DE LA ENTALPIA DE VAPORIZACION

TEORICA POR EL METODO GRAFICO

T (K) 1/T Ln Pv Δ Hv grafica

(cal/mol)

CTE

372.15 0.002687 6.597473

9943.35

20.05

371.15 0.002694 6.561412

370.15 0.002702 6.525132

369.15 0.002709 6.488627

368.15 0.002716 6.451891

367.15 0.002724 6.414933

366.15 0.002731 6.377747

365.15 0.002739 6.340342

364.15 0.002746 6.302711

363.15 0.002754 6.264845

362.15 0.002761 6.226734

361.15 0.002769 6.188469

360.15 0.002777 6.149963

359.15 0.002784 6.111246

358.15 0.002792 6.072122

357.15 0.0028 6.032606

356.15 0.002808 5.992963

355.15 0.002816 5.952984

354.15 0.002824 5.912692

353.15 0.002832 5.872399

TABLA 9: PORCENTAJE DE ERROR EN LA DETERMINACION DE LA

ENTALPIA DE VAPORIZACION DEL AGUA POR EL METODO ESTATICO

TEORICO EXPERIMENTAL %ERROR

∆𝑯𝑽 cal/mol

(analítico)

9943.35

8388.89 15.63

∆𝑯𝑽 cal/mol

grafica

8230.75 17.22

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CALCULOS

1-) Calculando la presión de vapor:

Pv + Ph = P1 = P2 = Patm

Pv = Patm – Ph

PV = P (mmHg) - 𝜌gh

PV = P (mmHg) – 𝜌gh (Pa) x (760mmHg/1.01325x105Pa)

Calculando para T=99°C:

Pv = 756 mmHg –(9.81m/s2x13545.87Kg/m3x25m)x(760mmHg/1.01325x105Pa)

Pv = 731.08 mmHg

Se realiza el mismo cálculo para las demás temperaturas.

Luego con los datos de presión y temperatura se construye una gráfica de

Ln (Pv) vs 1/T.

Para: T=99°C

T K= T°C + 273.15 T= 372.15 K 1/T=0.002687

P=731.08 mmHg Ln (Pv) = 6.594523

Se realiza el mismo cálculo para todas las temperaturas y presiones.

*La grafica se encuentra en el apéndice.

2-) Calculando el calor molar de vaporización

Con los datos de presión y temperatura se calcula el ∆𝐻𝑉

Partiendo de la ecuación de clausius-clapeyron: Ln P = - ∆𝐻𝑉

𝑅𝑇 + C

Se toma dos puntos, por ejemplo:

T1 = 372.15 k, P1 = 731.08 mmHg

T2 = 353.15 k, P2 =403.16 mmHg

*Para T1 Y P1

Ln (731.08)= -∆𝐻𝑉

1.987𝑥(1/372.15) + C

6.597473= -∆𝐻𝑉 x 1.352x10−3 + C……… (1)

*Para T2 y P2

R= 1.987 cal/mol

11

Ln (403.16) = −∆𝐻𝑉

1.987x (1/353.15) + C

5.872399 = −∆𝐻𝑉 x 1.425x10−3 + C......... (2)

Trabajando con la ecuación 1 y 2 se obtienen los valores de ∆𝑯𝑽 y C.

∆𝑯𝑽 = 𝟖𝟑𝟖𝟖.𝟖𝟗𝒄𝒂𝒍/𝒎𝒐𝒍 C = 17.94

Análogamente se toma los 9 pares de puntos restantes, los puntos deben ser

tomados de extremo a extremo para que tengan una misma tendencia todos

los pares de puntos (tendencia lineal).

3-) Realizando un regresión matemática con todos los puntos, se obtiene

un ∆𝑯𝑽 , y la expresión matemática, la cual relaciona la presión y la

temperatura.

m = -4142.3 c = 17.72

m = - ∆𝐻𝑉

𝑅 R= 1.987 cal/mol.K

Calor molar de vaporización

experimental, obtenido de la grafica

Calor molar de vaporización

promedio experimental

Obtenido de forma analítica

∆𝐻𝑉1 = 8230.75 cal/mol

cal/mol

∆𝐻𝑉2 = 8388.89 cal/mol

12

ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS

Para determinar la entalpia de vaporización del agua se halló la presión de

vapor del agua por el método estático a temperaturas de 80-90°C.

La entalpia de vaporización obtenida de forma analítica fue de 8388.89 cal/mol

mientras que la entalpia de vaporización teórica fue de 9943.35cal/mol. Al

calcular el porcentaje de error fue de 15.63% por defecto.

Los resultados obtenidos de forma gráfica de la entalpia de vaporización teórica

del agua fue 8230.75 cal/mol y la entalpia de vaporización experimental fue de

9943.35 cal/mol. Al calcular el porcentaje de error resulto 17.22% por defecto.

Este margen de error puede ser debido a una mala lectura del nivel de las

ramas del manómetro y esto conllevaría a la obtención de una presión de vapor

errónea.

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CONCLUSIONES

Las presiones de vapor obtenidas experimentalmente fueron: desde

731.08 cal/mol a 99°C y finalmente 403.16 cal/mol a 80°C mientras que

las presiones de vapor teóricas son de 733.24 cal/mol a 99°C, 355.1

cal/mol a 80°C. los porcentajes de error fueron 0.29% y -13.53 %

respectivamente.

El calor molar de vaporización del líquido fue cal/mol, con un porcentaje

de error equivalente 8388.89 cal/mol con 15.63% y 8230.75 cal/mol

con 17.22% (cada uno determinado por el método analítico y grafico

respectivamente), los errores obtenidos fueron en base a un calor molar

de vaporización teórico obtenido es igual a 9943.35 cal/mol.

Luego de graficar Ln P vs 1/T se obtiene un pendiente de -4221.89 y una

constante de 17.94, reemplazando estos datos en la ecuación de

clausius-clapeyron se obtiene la siguiente relación matemática:

Ln P = -4221.89 (1/T) +17.94

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RECOMENDACIONES

Se recomienda tomar en cuenta que antes de iniciar el calentamiento del

agua, el matraz debe estar conectado con el medio ambiente, para esto

se gira la llave triple.

Se debe mantener el nivel de mercurio igual en ambas ramas del

manómetro., esto se logra girando 2 o 3 veces la llave triple.

Cuando se llegue a los 80°C se debe girar la llave triple, de tal forma que

quede conectado al medio ambiente, para que así no se transfiera

mercurio del manómetro al matraz debido a que contaminaría el sistema

(balón, la manguera de unión) Y que el mercurio al mezclarse con el

agua provocaría que menor cantidad de moléculas de agua se evaporen

y esto conllevaría a que la presión de vapor disminuya.

15

BIBLIOGRAFIA

Alexander Findlay, “Practicas de Fisicoquímica”, 1ra ed., Edit. Médico Quirúrgico, Buenos Aires, 1955. pág. 99-112.

Alberty R. Daniels F.,”Fisicoquímica”, versión SI, 1ra ed, Cia Ed. Continental, Mexico, 1984. pág. 55-59.

H. Perry y D.W. Green, ´´Perry’s Chemical Engineers Handbook´´, 6° ed.

Edit. McGraw-Hill, Nueva York. pág. 3-77.

16

CUESTIONARIO

1- Indique otros métodos para la determinación de la presión de vapor.

Se dispone de varios métodos experimentales para medir la presión del

vapor en función de la temperatura.

MÉTODO DE SATURACIÓN GASEOSA: se hace burbujear

lentamente un volumen conocido de un gas inerte a través de un

líquido, el cual se mantiene a temperatura constante en un

termostato. La presión del vapor se calcula mediante una

determinación de la cantidad de vapor contenida en el gas

saliente o por la pérdida de peso del líquido.

MÉTODO DINÁMICO: Se mide la variación del punto de

ebullición con la presión externa aplicada. La presión total sobre

el líquido puede variarse y mantenerse a un valor dado mediante

el uso de un balón de compensación de gran capacidad; entonces

se mide esa presión con un manómetro de mercurio. El líquido

objeto del estudio se calienta hasta que hierve; se mide la

temperatura del vapor de reflujo con el fin de evitar los efectos de

sobrecalentamiento.

METODO DEL ISOTENISCOPIO DE SMITH Y MENZIES:

Un isoteniscopio es un aparato empleado para la medición de

la presión de vapor de sustancias en fase líquida. El instrumento

consta de un manómetro y de un recipiente en el cual se

introduce la sustancia cuya presión de vapor se va a medir. La

apertura del manómetro se conecta a un sensor de presión. Es

necesario utilizar una célula de vacío para ajustar la presión del

sistema y purificar la muestra.

El isoteniscopio es particularmente útil para el intervalo de

temperaturas entre 20 y 150 °C, y para presiones de vapor entre

1 y 100 kPa.

17

2- Explique la relación entre el punto de ebullición de un líquido y su

presión de vapor.

La relación entre el punto de ebullición de un líquido y su presión de

vapor, se puede explicar de la siguiente manera: Si se coloca un líquido

en un recipiente y se calienta lentamente, el líquido hervirá cuando

alcance la temperatura a la que su presión de vapor sea igual a la

presión externa. Además se sabe que la presión de vapor depende de

la temperatura, dependiendo en forma directamente proporcional.

Por ejemplo, si se tuviese una presión externa igual a P, entonces un

líquido “A” tendría una presión de vapor igual a la externa a una

temperatura igual a T1; ahora, si la presión externa disminuiría entonces

se necesitaría llegar a una temperatura menor para que la presión de

vapor del líquido sea igual a la externa. De manera inversa si se

aumentara la presión externa (aumentaría el punto de ebullición).

3- Defina lo siguiente: vapor saturado, punto de ebullición, punto de

ebullición normal.

Vapor saturado:

Es el vapor que se encuentra en equilibrio dinámico (estado en el

cual la velocidad de evaporación es igual a la velocidad de

condensación) con la fase liquida de la sustancia, estando

presente tanto el vapor como el líquido (dos fases).

Punto de ebullición:

Temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la

presión atmosférica externa.

Punto de ebullición normal:

El punto de ebullición normal de un líquido, es la temperatura a

la cual la presión de vapor es igual a 760 mmHg o 1atm.

.