Calor Latente de Vaporización

Práctica
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CALOR LATENTE
DE VAPORIZACIÓN
1. INTRODUCCIÓN
A) PRESIÓN DE VAPOR. PUNTOS DE EBULLICIÓN:
Se define como presión de vapor de un líquido en equilibrio con su vapor, o
simplemente, presión de vapor a una temperatura determinada, a la presión que ejercen
las moléculas que escapan de la fase líquida (en equilibrio con las que retornan de la
fase vapor). Dicha presión de vapor aumenta al elevarse la temperatura, llegándose a un
límite que es la presión crítica, en el que la fase líquida desaparece.
Cuando la presión de vapor del líquido es igual a la presión externa que ejerce el
gas en contacto con el líquido, se observa la formación de burbujas en el seno del
líquido y se dice que éste entra en ebullición. Así pues, el punto de ebullición de un
líquido se define como la temperatura a la cuál su presión de vapor es igual a la presión
externa. Si se produce una disminución de la presión externa, el punto de ebullición
disminuye, mientras que un aumento de la presión externa provocará un aumento del
punto de ebullición.
Las moléculas de un líquido se mueven debido a la temperatura a la que se
encuentran, escapando algunas moléculas que poseen una velocidad superior a la media
a través de la superficie libre y pasando a la fase gaseosa. Asimismo, las moléculas de
vapor al chocar con la superficie libre se incorporan a la fase líquida. En las condiciones
adecuadas se llegará a un equilibrio entre ambos movimientos. Se puede demostrar
experimentalmente que la presión de vapor es independiente de la masa del líquido y
del espacio ocupado por el vapor, y que sólo depende de la naturaleza del líquido y de la
temperatura a la que está sometido el líquido.
B) CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN:
Para pasar de la fase líquida a la fase de vapor se necesita una absorción de
energía por parte de las moléculas líquidas, ya que la energía total de éstas es menor que
la de las moléculas gaseosas. En el caso contrario, en la condensación, se produce un
desprendimiento energético en forma de calor. El calor absorbido por un líquido para
pasar a vapor sin variar su temperatura se denomina calor de vaporización. Se suele
denominar calor latente de vaporización cuando nos referimos a un mol.
El calor molar de vaporización se podría referir a un proceso termodinámico a
volumen constante o a presión constante, y los designaremos por (∆Hv)v y (∆Hv)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.
Laboratorio de Química II
2.1
Práctica 2: Calor latente de vaporización
En el proceso a presión constante, que se realiza en la práctica frente a una
presión exterior, prácticamente, invariable hay que agregar a la energía interna la
necesaria para verificar el cambio de volumen, y viene dado por P(VV-VL) siendo P la
presión del vapor y VV y VL, los volúmenes molares del vapor y del líquido,
respectivamente.
Así pues, el calor molar de vaporización a presión constante vendrá dado por:
(∆Hv)p = (∆Hv)v + P(VV-VL)
(1)
Como VV >> VL podemos considerar VL = 0 y (∆Hv)p = (∆Hv)v + PVV, pero como
PVV = RT y considerando que se cumple la ley de los gases perfectos, nos queda:
(∆Hv)p = (∆Hv)v + RT
(2)
Hasta ahora hemos considerado una única presión sobre el líquido, la del vapor,
pero si el líquido está sometido a una presión externa adicional la presión de vapor
variará.
C) ECUACIÓN DE CLAUSIUS-CLAPEYRON
Esta ecuación establece la relación entre la variación de la presión y la
temperatura:
dp ∆H v
=
dT
TV
(3)
como V = VV-VL, tenemos:
∆H v
dp
=
dT T( Vv − VL )
(4)
Tanto ∆Hv, VV como VL están referidas a un mol.
Si la temperatura no está próxima al valor crítico el volúmen VL << VV y se
puede despreciar VL frente a VV. Por tanto,
dp ∆H v
=
dT TVv
(5)
Si nos movemos lejos del punto crítico se puede muy bien introducir la ecuación
de los gases perfectos pV = RT, quedando:
dp ∆H v p
=
dT
RT 2
(6)
dp pd ln p
=
dT
dT
(7)
pero sabemos que:
Laboratorio de Química II
2.2
Práctica 2: Calor latente de vaporización
Si igualamos las ecuaciones (6) y (7),
pd ln p ∆H v p
=
dT
RT 2
(8)
integrando esta ecuación entre p(atm), T(K) y p=1 atm. T=Tb, obtenemos,
1 1 
 −

 T Tb 
∆H v 1
ln p = −
+ cte
R T
ln p = −
∆H v
R
(9)
(10)
D) REGLA DE TROUTON
Esta regla dice que el cociente entre el calor de vaporización y su temperatura
absoluta de ebullición a la presión atmosférica (760 mmHg) es constante y vale 21
cal/K.
Para 1 mol
∆S v =
∆H v
= 21 cal / K
Tb
Existen dos tipos de sustancias que se desvían del valor de entropía (21 cal/K):
1) S > 21 cal/grado, para líquidos asociados por enlaces de hidrógeno, agua,
alcohol ... En este caso la asociación de las moléculas en fase líquida es mucho mayor
que en fase gaseosa.
2) S< 21 cal/grado, en ácidos donde la asociación molecular existe en fase
gaseosa.
En los hidrocarburos, éteres y otros componentes donde no hay asociaciones
moleculares ni en la fase líquida ni en la fase gaseosa, se cumple bastante bien la regla
de Trouton.
E) REGLA DE RAMSAY-YOUNG
Estos investigadores descubrieron que para sustancias con valores análogos en
la regla de Trouton, los cocientes de sus puntos de ebullición a una presión determinada
son iguales a los cocientes de ebullición a otra presión.
TA TA'
=
= cte
TB TB'
2. MATERIAL Y REACTIVOS
Instalación según el esquema. Aparato productor de vacío, Tolueno y benceno.
3. PROCESO EXPERIMENTAL
Laboratorio de Química II
2.3
Práctica 2: Calor latente de vaporización
En el matraz 1 del esquema se encuentra la sustancia problema.
Conectar el refrigerante a la red de agua. Conectar un aparato productor de
vacío. Poner en marcha el aparato productor de vacío regulando con el grifo y con la
llave de entrada de aire hasta alcanzar la presión deseada. La presión para el primer
ensayo será la menor posible (se intentará que se produzca una diferencia entre las
columnas de 600 mm). Recuérdese que la presión que marca el manómetro es
diferencial (diferencia de presiones entre la atmosférica y la del interior del aparato),
por tanto, para calcular la presión absoluta que hay dentro del aparato, se restará de la
presión atmosférica la diferencia de altura entre las dos ramas del manómetro. Se
esperará que el líquido comience a ebullir y que la temperatura de ebullición del
termómetro situado en el matraz se estabilice. Una vez estabilizada se anotará ésta así
como la presión. Una vez tomado el primer dato, se aumenta la presión y se repite el
proceso (al menos deben tomarse 7 datos de presión y temperatura). El último dato
corresponderá a la diferencia de presiones cero entre las ramas.
Este proceso se seguirá para las dos sustancias.
4. CÁLCULOS
a) Deducid el valor de la constante en la ecuación (10) a partir de la ecuación
(8).
b) Con los datos experimentales obtenidos calcular el calor latente de
vaporización, ∆Hv, y la temperatura de ebulición, Tb, a partir de la
representación de ln p frente a 1/Tabsoluta (ecuación 10).
c) Calcular el error relativo cometido tomando del Handbook los datos
correspondientes.
d) Comprobad las reglas de Trouton y la de Ramsay-Young.
e) Comentad los resultados obtenidos de acuerdo con las características de los
líquidos estudiados.
f) ¿De qué dos formas a partir de la ecuación obtenida, se puede calcular la
temperatura de ebullición a 760 mm Hg?
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Laboratorio de Química II
2.4