UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA)

FACULTAD DE QUÍMICA E INGIENERÍA QUÍMICA

Laboratorio de Fisicoquímica I – Experiencia 3

PRESIÓN DE VAPOR

Profesor:

Torres Díaz, Francisco

Integrantes:

Grupo y Código:

E (MA – 11H – FQI - E)

Horario:

Martes 11 – 14 hrs.

Fecha realizada:

8 de setiembre del 2015

Fecha de entrega:

15 de setiembre del 2015

Ciudad Universitaria, 8 de setiembre del 2015

Estudiante Código E.A.P

Matías Brañez, Joselyn

Belen 14070172 Ing. Química

Reátegui Pascasio, Israel

Javier Isaac 14070188 Ing. Química

INTRODUCCIÓN

El presente informe titulado “Presión de vapor” está diseñada de tal manera que

explicamos los pasos y resultados de la experiencia al detalle, para que cualquier

persona interesada pueda leerlo con la confianza de que entenderá los pasos

que hay que seguir para realizar la experiencia y de entender el porqué es que se

dan los resultados obtenidos.

Consideramos hacer este informe de una manera detallada porque creemos que

es un tema de gran importancia para los ingenieros químicos debido a que esta

presión influye en muchos procesos en el campo de la industria, por lo tanto, este

informe tratará de tocar de manera sencilla y comprensible la presión de vapor

para que de esta manera se pueda difundir este conocimiento.

Los objetivos planteados para esta experiencia son:

Entender la presión de vapor.

Determinar la presión de vapor de los líquidos a temperatura mayores que

la ambiental mediante el Método estático.

Calcular el calor molar de vaporización del líquido.

En el interior de este informe encontrara las condiciones en la cual fue realizada

esta experiencia, principios teóricos para poder entender los fenómenos, los

detalles que ocurrieron durante la experiencia, la tabla de datos obtenidos y los

cálculos respectivos.

Esta información es muy importante para la industria ya que encuentra su

aplicación en diversos procesos uno de los cuales es la caldera; que desde

pequeñas instalaciones locales para la producción de vapor para cocción de

alimentos, planchado en serie de ropa, tratamientos sépticos de instrumentales y

labores similares, con vapor de relativa baja temperatura y presión, hasta enormes

instalaciones industriales, utilizadas para la alimentación de turbinas de

generación de electricidad, y otros procesos industriales donde se requiere vapor

en grandes cantidades, a altísimas temperaturas y presiones. Un ejemplo muy

común de una caldera es la “olla a presión”.

PRINCIPIOS TEÓRICOS

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.

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.

Calor Latente de Vaporización se podría referir a un proceso termodinámico a

volumen constante o a presión constante, y los designaremos por (ΔHv)v y

(ΔHv)p. En el primer proceso, el intercambio calórico que entra en juego se

invierte en vencer la fuerza de atracción del líquido y se suele denominar calor

latente interno de vaporización molar.

Ley de Raoult

La ley de Raoult establece que la relación entre la presión de vapor de cada

componente en una solución ideal es dependiente de la presión de vapor de

cada componente individual y de la fracción molar de cada componente en la

solución. La ley fue enunciada en 1882 por el químico francés Francois Marie

Raoult (1830-1901). La ley dice:

Si un soluto tiene una presión de vapor medible, la presión de vapor de su

disolución siempre es menor que la del disolvente puro.

De esta forma la relación entre la presión de vapor de la solución y la presión de

vapor del disolvente depende de la concentración del soluto en la disolución.

Entonces, será igual al producto entre y . Al resultado se le resta , y

multiplicándolo por -1, dará

Es decir que la presión de vapor del soluto crece linealmente con su fracción

molar. En una solución que sólo contenga un soluto, se tiene que X1= 1 – X2, donde

X2 es la fracción molar del soluto, pudiendo escribir la formulación de la ley como:

Se puede ver de esta forma que una disminución en la presión de vapor, es

directamente proporcional a la concentración del soluto presente

Se cumple sólo para disoluciones ideales no obstante es una buena aproximación

cualitativa.

Relación de Clausius-Clapeyron

En termoquímica, la ecuación de Clausius-Clapeyron es una manera de

caracterizar una transición de fase de primer orden que tiene lugar en un sistema

monocomponente. En un diagrama P-T (presión-temperatura), la línea que separa

ambos estados se conoce como curva de coexistencia. La relación de Clausius-

Clapeyron determina la pendiente de dicha curva. Matemáticamente se puede

expresar como:

donde es la pendiente de dicha curva, es el calor latente o entalpía del

cambio de fase y es el volumen.

Equilibrio Liquido-Vapor y Solido-Vapor:

En estos dos casos el V molar del gas es mucho mayor que el del líquido o que el

del sólido por lo que puede hacerse la aproximación:

∆�̅� = �̅�𝑔 − �̅�𝑙 ≅ �̅�𝑔

Si además se hace la suposición de que el gas se comporta como gas ideal, la

ecuación de Clapeyron se transforma en:

𝑑𝑃

𝑑𝑇=

∆�̅�

𝑇∆�̅�=

∆�̅�

𝑇𝑉̅̅ ̅̅𝑔

=𝑃∆�̅�

𝑅𝑇2

Esta ecuación se suele expresar como:

𝑑 ln 𝑃

𝑑𝑇=

∆�̅�

𝑅𝑇2

Llamada ecuacion de Clausius Clapeyron.

Si el rango de temperatura analizado es pequeño, se puede suponer que ΔH es

constante a lo largo de la línea de equilibrio, y por tanto:

∫ 𝑑 ln 𝑃 ≅ ∆�̅� ∫𝑑𝑇

𝑅𝑇2

Luego la ecuacion de Clausius integrada es:

ln𝑃2

𝑃1≅

∆�̅�

𝑅(

1

𝑇2−

1

𝑇1)

De este modo, haciendo una representación

gráfica de ln(Pv) en función de la inversa de la

temperatura T, y aplicando el procedimiento de

los mínimos cuadrados, la pendiente de la curva

nos proporciona el valor medio del calor latente

de vaporización L en un intervalo dado de

temperaturas.

DETALLES EXPERIMENTALES

Materiales:

o Equipo para determinar presión de vapor por el método estático.

o Matraz con tapón bihoradado

o Cocinilla eléctrica

o Termómetro

o Manómetro

o Llaves

Reactivos

o Agua destilada

PROCEDIMIENTO:

Método Estático

a) Revise y verifique el equipo instalado según la figura

b) Llene el matraz con agua destilada hasta 1/3 de su volumen total,

manteniendo la llave abierta al ambiente. La presión dentro del matraz,

será igual a la atmosférica, por lo tanto el nivel de mercurio en las dos

ramas del tubo en U, será igual.

c) Calentamos el agua hasta ebullición, la temperatura no debe exceder de

100ºC

d) Retiramos inmediatamente la cocinilla para evitar sobrecalentamiento y

paralelamente invierta la posición de la llave, de forma que el manómetro

quede conectado con el balón, el nivel de mercurio en ambas ramas

debe ser igual, de lo contrario, espere a que se nivele.

e) A partir de 97º anotamos las temperaturas y las presiones manométricas,

hasta llegar a 80ºC, tomando las lecturas en intervalos de 1ºC. Debido al

enfriamiento en el matraz, el vapor empieza a condensarse, y crea un

ligero vacío dentro de él, por lo tanto la columna conectada al balón sube

en tanto que la abierta al ambiente baja.

f) Terminado el experimento, cerramos la llave que conecta el manómetro

con el balón y la dejamos abierta al ambiente la salida del balón, de esta

forma evitamos que el mercurio pueda pasar al balón.

TABLA DE DATOS

1.- Resultados de nuestra tabla en el laboratorio

Temperatura

(°C)

Temperatura (K) Altura (mmHg) Presión de

vapor(mmHg)

98 371,15 6,3 749,7

97 370,15 8,9 747,1

96 369,15 13,2 742,8

95 368,15 18,0 738,0

94 367,15 22,3 733,7

93 366,15 25,4 732,3

92 365,15 28,9 727,1

91 364,15 32,9 723,1

90 363,15 36,1 719,9

89 362,15 40,5 715,5

CÁLCULOS

a) Con los datos de presión y temperatura, construya una gráfica de ln P vs

1/T.

b) Calcule el calor molar de vaporización de la muestra, empleando la Ec.

De Clausius – Chapleyron y los datos de la gráfica en a).

c) Establezca una expresión matemática de variación de la presión de vapor

con la temperatura.

EJEMPLO DE CÁLCULO

Con los datos de la Tablas I, despejamos una relación entre ln P y 1/T (K) usando

la siguiente ecuación:

ln 𝑃 = −∆𝐻

𝑅𝑇+ 𝐶

De esta manera, se tiene:

ln 𝑃 = −∆𝐻

𝑅×

1

𝑇 + c y = mx + b

88 361,15 44,3 711,7

87 360,15 47,9 708,1

86 359,15 51,1 704,9

85 358,15 53,0 703,0

84 357,15 55,3 700,7

83 356,15 57,2 698,8

82 355,15 60,1 695,9

81 354,15 63,1 692,1

80 353,15 65,1 690,9

Temperatura

(K)

1/T (K-1) Presión

(mmHg)

Ln(P)

371.15 0.002694328 749.7 6.61967313

370.15 0.002701607 747.1 6.61619904

369.15 0.002708926 742.8 6.61042683

368.15 0.002716284 738 6.60394382

367.15 0.002723682 733.7 6.59810023

366.15 0.002731121 732.3 6.59619027

365.15 0.002738601 727.1 6.58906402

364.15 0.002746121 723.1 6.58354753

363.15 0.002753683 719.9 6.57911231

362.15 0.002761287 715.5 6.5729816

361.15 0.002768933 711.7 6.56765647

360.15 0.002776621 708.1 6.56258533

359.15 0.002784352 704.9 6.55805595

358.15 0.002792126 703 6.55535689

357.15 0.002799944 700.7 6.55207984

356.15 0.002807806 698.8 6.54936458

355.15 0.002815712 695.9 6.54520597

354.15 0.002823662 692.1 6.53973045

353.15 0.002831658 690.9 6.5379951

Gráfico en Excel

a)

y = -613.5x + 8.2701

R² = 0.9895

6.52

6.53

6.54

6.55

6.56

6.57

6.58

6.59

6.6

6.61

6.62

6.63

0 .00268 0 .0027 0 .00272 0 .00274 0 .00276 0 .00278 0 .0028 0 .00282 0 .00284

LN(P) VS 1/T

b)

Obtenemos la ecuación:

y = -613.5x + 8.2701

Determinación de ∆𝐻exp 1 según el grafico en Excel:

Tenemos:

Δ𝐻 = −𝑚𝑅 Dónde:

m es la pendiente

R es la constante universal

Usamos los siguientes datos: 𝑚 = −𝟔𝟏𝟑. 𝟓

𝑅 = 1.987 𝐾𝑐𝑎𝑙/𝑚𝑜𝑙 Reemplazando:

Δ𝐻 = −(−𝟔𝟏𝟑. 𝟓 )𝑥 1.987

Δ𝐻 = 8,318 kcal

c)

Compararemos la Ec. de Clausius-Clapeyron con una ecuación lineal:

𝐋𝐧 𝐏 = −𝚫𝑯𝒗

𝐑

𝟏

𝐓+ 𝐂

𝜸 = 𝒎𝒙 + 𝒃

Donde: 𝛾 = 𝐿𝑛 𝑃

𝑚 = −ΔHv

R

𝑥 = 1

𝑇

𝑏 = 𝑐

Ahora reemplazando datos para la experiencia 1:

ln 𝑃 = − 613.5 (1

𝑇) + 𝐶

Usamos el primer dato de la gráfica:

6.61967313 = − 613.5 x (0.002694328) + C

𝑪 = -4.004713416

Sucesivamente calculamos con los demás datos del grafico para hallar el

𝐶𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜:

𝑪𝒑𝒓𝒐𝒎𝒆𝒅𝒊𝒐 = -3.88184299

Con lo cual obtenemos la expresión matemática:

ln 𝑃 = −613.5 (1

𝑇) − 3.88184299

ANÁLISIS DE DATOS

PRESIONES DE VAPOR TEÓRICAS Y EXPERIMENTALES

Temperatura

(K)

Presión

experimental

(mmHg)

Presión teórico

(mmHg)

%Error

371.15 749.7 707.98 5.56489262

370.15 747.1 682.78 8.60928925

369.15 742.8 658.34 11.37049

368.15 738 634.61 14.0094851

367.15 733.7 611.61 16.6403162

366.15 732.3 589.31 19.5261505

365.15 727.1 567.68 21.9254573

364.15 723.1 546.72 24.3922002

363.15 719.9 526.41 26.8773441

362.15 715.5 506.73 29.1781971

361.15 711.7 487.67 31.4781509

360.15 708.1 469.21 33.7367603

359.15 704.9 451.33 35.9724784

358.15 703 434.04 38.2588905

357.15 700.7 417.3 40.445269

356.15 698.8 401.1 42.6016027

355.15 695.9 385.43 44.6141687

354.15 692.1 370.28 46.4990608

353.15 690.9 355.63 48.5265596

Una de las causas del error en la determinación de la presión de vapor de agua

puede ser la medición inexacta de las alturas, lo que conlleva a un resultado de

vapor muy diferente al teórico.

CALORES MOLARES DE VAPORIZACION TEÓRICO Y EXPERIMENTAL POR EL MÉTODO

GRÁFICO EN EXCEL

TEÓRICO 𝛥𝐻 = 10,45 kcal

EXPERIMENTAL 𝛥𝐻 = 8,318 kcal

Ε% = 10,45 − 8,318

10,45 𝑥100% = 20,38 %

CALORES MOLARES DE VAPORIZACION TEORICO Y EXPERIMENTAL POR EL METODO

ANALÍTICO

TEÓRICO 𝛥𝐻 = 10,45 kcal

EXPERIMENTAL 𝛥𝐻 = 8,318 kcal

Ε% = 10,45 − 8,318

10,45 𝑥100% = 20,38 %

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Para este laboratorio el error con el que posiblemente nos hayamos

topado sería que al momento de medir las distancias estas no hayan sido

precisas ya que conforme vaya bajando la temperatura se debe de

inmediatamente apuntar la medida en la que se encuentra.

Otro error es que posiblemente no se haya equilibrado rigurosamente

antes de comenzar a dictar las alturas ya que ambas columnas deben de

comenzar en el mismo punto.

Es así que para mejores resultados se debe de tener más precisión en

todas las mediciones que se haga ya que cada una es importante para

cada paso que a continuación se haga. De no ser así se podría llegar a un

porcentaje de error muy grande el cual ya no sería aceptable.

CONCLUSIONES

o Se comprobó el uso efectivo de la ecuación de Clausius-Claperyon que

relaciona el calor de vaporización y la presión de vapor de una

sustancia.

o El método estático es útil para relacionar la caída de la presión de vapor

a medida que varía la temperatura.

o En un sistema homogéneo, como el del agua destilada, la presión de

vapor será determinada con facilidad, ya que todo el sistema tiene la

misma composición.

RECOMENDACIONES

o Una vez que el agua empieza a hervir, retirar cuidadosamente la hornilla y

observar la caída de temperatura a partir de un punto fijo (para este caso

97ºC)

o Tener cuidado al momento de manipular las llaves, si estas están cerradas

una vez que el agua empieza a hervir podría romperse el balón por la

presión interna.

o No olvidarse de cerrar la llave una vez terminada la práctica, pues el

mercurio seguirá subiendo (debido a la caída de la presión de vapor) y

podría entrar en el balón.

CUESTIONARIO

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

Método Dinámico

Éste método es bastante más satisfactorio en un margen de temperaturas

amplio. El líquido se calienta en A, que contiene algunos trocitos de porcelana

porosa para evitar el sobrecalentamiento. Los termómetros situados en el vapor

y en el líquido confirman que no se está produciendo una ebullición retrasada. El

vapor se condensa en B y vuelve a caer dentro del matraz. Se lee la presión del

sistema en un manómetro de mercurio C dando el depósito D alguna

estabilidad a la presión (se observan fluctuaciones cuando se produce la

ebullición). Se hace el vacío en el recipiente a través de un sistema de purga

mediante una bomba. Así puede hallarse el punto de ebullición en un gran

intervalo de presiones, permitiendo dibujar un gráfico de T-presión de vapor

saturado.

Método estático

El método estático es más adecuado para líquidos que son volátiles a

temperatura ambiente. Se introduce una pequeña cantidad de líquido en uno de

los tubos barométricos hasta que pueda verse una película de líquido en la parte

superior del mercurio. El espacio situado sobre el mercurio está entonces saturado,

de modo que la presión de vapor saturado viene dada por la diferencia de la

altura entre los niveles del mercurio.

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.

Manóstato

Es un dispositivo de indicación activa. Se utiliza para pasar información de las

variaciones en la presión dentro de un sistema. La señal puede ser proporcional

o inversamente proporcional de acuerdo con las necesidades de la aplicación

dada.

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

vapor

La ebullición ocurre cuando la presión de vapor se iguala a la presión

atmosférica.

Conforme se calienta un líquido su presión de vapor aumenta.

Para el agua, la presión de vapor vale 1 atm cuando se llega a los 100°C, por

eso el agua hierve a 100 °C.

En lugares de mucha altura, la presión es menor de 1 atm y la temperatura de

ebullición es inferior a 100 C. La cocción de alimentos tarda más, porque están a

menos temperatura.

Dentro de una olla a presión, la presión es superior a 1 atm y la temperatura de

ebullición es superior a 100 C. La cocción de alimentos es más rápida, porque

están a más temperatura.

3.- Defina lo siguiente:

Vapor saturado:

Una vez que se alcanza el punto de ebullición, la temperatura del agua

deja de subir y permanece igual hasta que se vaporiza toda el agua. El

agua pasa de un estado líquido a un estado de vapor y recibe la energía

en forma de "calor latente de vaporización". Mientras hay algo de agua

líquida a la izquierda, la temperatura del vapor es la misma que la del

agua líquida. El vapor se llamaba entonces el vapor saturado.

Punto de ebullición:

Es aquella temperatura en la cual la presión de vapor del líquido iguala a

la presión de vapor del medio en el que se encuentra.1Coloquialmente, se

dice que es la temperatura a la cual la materia cambia del estado líquido

al estado gaseoso.

Punto de ebullición normal:

P. normal de ebullición es el punto (Temperatura) donde una sustancia

pasa de su estado líquido a el estado vapor (cuando aparece la primera

burbuja de vapor) a presión atmosférica (generalmente. a 101.325 KPa-

1bar-1atm-760mmHg-14.7 psia)

BIBLIOGRAFÍA

I. Chang, Raymond. “Química 6ta edición”, pp. 204-213

II. CASTELLAN, Gilbert W. Fisicoquímica, segunda edición. México: Fondo Educativo

Interamericano S.A., 1974. Pág. 785.

III. DILLARD, Clyde y GOLDBERG, David. Química: reacciones, estructuras, propiedades.

México: Fondo Educativo Interamericano S.A., 1977. Pág. 414-415.

IV. http://academic.uprm.edu/ccsde/QuimicaFisica/Presion%20de%20vapor%20de%20un%20

liquido%20puro.pdf

V. http://slbn.files.wordpress.com/2008/09/tabla_presion-de-vapor.pdf

VI. http://mural.uv.es/ferhue/2o/labter/Curva_equilibrio_liquido-vapor_FHG.pdf

APÉNDICE