UNIVERSIDAD DE COSTA RICA ESCUELA DE QUIMICA LABORATORIO DE QUÍMICA GENERAL II QU-0103 II Semestre, 2015 INFORME DE LABORATORIO Estudiante: Fabián Jiménez Solera Asistente: Yoselin Rojas Carné: B63680 Grupo: 12 Rubro a calificar Introducción Validez de los conceptos Apoyo en bibliografía Redacción y ortografía Sección experimental Discusión Presentación resultados Validez de explicaciones Veracidad de conceptos Apoyo en la bibliografía Redacción y ortografía Conclusiones Bibliografía Día de tardía (____ días) TOTAL Puntos posibles Puntos obtenidos 15 8 4 3 5 70 15 20 15 10 5 5 10 -20/día 100 Rúbrica de evaluación de reporte** **Se recuerda al estudiante que a todo reporte que se encuentre en condición de plagio o que constituya una copia total o parcial del reporte de otro, se le asignará una nota de CERO. DEDUCCIÓN DE VARIABLES TERMODINÁMICAS Nota Tra. Lab.:_____ Fecha del Lab:____________ Introducción: En el experimento se determinará experimentalmente la entalpía de evaporación de una sustancia (agua), a partir del cálculo de las moléculas de gas de ésta, conforme se aumenta la temperatura. Al aumentarse la temperatura el movimiento de las moléculas de la sustancia también se incrementa, ya que la energía cinética de las moléculas es directamente proporcional a la temperatura absoluta (Brown et al, 2009). Esto permite que un mayor número de moléculas superen las atracciones intermoleculares de la sustancia en fase líquida, pasando a fase gaseosa. Por tanto, el cambio de entalpía de vaporización se puede calcular experimentalmente al relacionar, mediante ecuaciones termodinámicas, el cambio de volumen de una fase con el cambio de temperatura que lo provocó. Mediante las relaciones termodinámicas también se pueden determinar otras variables termodinámicas: cambio de entropía (S) y cambio de energía libre (G). La entropía (S) hace referencia a: “una medida de la aleatoriedad o del desorden de un sistema” (Chang, 2007). Por lo que se podrá inferir el grado de aleatoriedad de la sustancia en fase gaseosa respecto al de fase líquida, en función del cambio neto del sistema obtenido mediante las ecuaciones termodinámicas, específicamente un ajuste de la ecuación de Clausius-Clapeyron. La energía libre de Gibbs (G) se propuso con el fin de relacionar el cambio de entropía con el cambio de entalpía para determinar si un proceso a temperatura y presión constante es espontáneo (Brown et al, 2009). De esta manera se podrán determinar las tres variables termodinámicas para el proceso de evaporización de una sustancia (agua) y analizar la espontaneidad del proceso a diferentes temperaturas de acuerdo a éstas. 1 Sección experimental: El experimento se realizó siguiendo la metodología correspondiente al experimento N10: Deducción de variables termodinámicas a partir de la presión de vapor, presente el Manual de Laboratorio (Calderón et al, 2016). Resultados y Discusión: Cuadro N1. Datos del agua para el ajuste lineal de la ecuación de Clausius-Clapeyron. Temperatura (°C) Temperatura (K) Volumen medido (ml) Volumen total (ml) Volumen total (L) Paire (atm) Pvapor (atm) ln (Pvapor) 6,0 279,15 0,09 0,13 0,00013 0,6448 0,3526 -1,0424 22,0 295,15 0,10 0,14 0,00014 0,6070 0,3904 -0,9405 37,0 310,15 0,11 0,15 0,00015 0,5953 0,4021 -0,9110 47,0 320,15 0,12 0,16 0,00016 0,5761 0,4213 -0,8643 55,0 328,15 0,13 0,17 0,00017 0,5557 0,4417 -0,8172 62,0 335,15 0,14 0,18 0,00018 0,5361 0,4613 -0,7736 64,0 337,15 0,15 0,19 0,00019 0,5169 0,4805 -0,7330 68,0 341,15 0,16 0,20 0,0002 0,4997 0,4977 -0,6978 70,0 343,15 0,17 0,21 0,00021 0,4842 0,5132 -0,6670 72,0 345,15 0,18 0,22 0,00022 0,4726 0,5248 -0,6448 X Y (-1/T) R*ln (Pvapor) 0,0034 -8,6664 0,0034 -7,8191 0,0032 -7,5742 0,0031 -7,1862 0,0030 -6,7942 0,0030 -6,4318 0,0029 -6,0942 0,0029 -5,8016 0,0028 -5,5455 0,0028 -5,3606 Cuadro N2. Muestra de cálculo 2 Figura N1. Gráfica de la ecuación de Clausius-Clapeyron para el agua. Cuadro N.3 Porcentajes de error para los valores termodinámicos obtenidos. Variable termodinámica ΔH° (J/mol) ΔS° (J/mol*K) ΔG° (J/mol) Valor experimental 4653.41 7.52 2411.73 Valor teórico* 40657 108.96 8170.58 Porcentaje de Error -88.55% -93.08% -70.48% *(CRC Press LLC, 2004). Al realizar el ajuste lineal de la ecuación de Clausius-Clapeyron de la forma: y= m x + b, se obtiene que “y” es la variable para R*ln(Pvap), la pendiente “m” equivale al cambio de entalpía (ΔH°), “x” es la variable para -1/T, y la intercepción en el eje vertical “b” equivale al cambio de entropía (ΔS°). De esta manera, utilizando los valores del cambio de temperatura en relación con el cambio de volumen de la sustancia (cuadro N1) obtenidos experimentalmente se obtuvieron mediante una serie de cálculos (cuadro N2), los datos necesarios para calcular las variables termodinámicas mediante la ecuación lineal. Los valores obtenidos, mediante los datos experimentales, aparecen graficados, según el ajuste lineal, en la figura N1. La relación mencionada entre el cambio de volumen y la temperatura, permite determinar la presión de vapor utilizada en la ecuación, ya que al aumentar la temperatura, se incrementa la energía cinética permitiendo que más moléculas de agua superen las fuerzas de atracción pasando a la fase gaseosa, de manera que el volumen de la fase líquida disminuye y por consiguiente aumenta el de la fase gaseosa, lo que provoca un aumento de la presión de vapor. El análisis de los signos de las variables termodinámicas permite realizar un análisis de la espontaneidad del proceso de vaporización del agua. El cambio de entalpía es positivo ya que la vaporización es un proceso endotérmico, es decir la energía del sistema tras el proceso es mayor que en las condiciones previas. De la misma manera el cambio de entropía es positivo, ya que al pasar de fase líquida a fase 3 gaseosa el intervalo de velocidades de las moléculas se incrementa, es decir, aumentan las posibilidades de distribución de la energía cinética (Brown et al, 2009). La espontaneidad de un proceso se analiza en términos de una entalpía negativa y una entropía positiva, no obstante, un proceso puede ser espontáneo cumpliéndose solo uno de estos factores (como en el caso de la vaporización del agua en su punto de ebullición, solo se cumple el aumento de entropía), es por esta razón que es necesario relacionar ambas variables para esta determinación, relación determinada por la energía libre de Gibbs. Una ΔG° positiva implica que el proceso no es espontáneo, ya que de acuerdo con la relación: ΔG° = ΔH° - T ΔS°, esto significaría, a modo de generalización, un ΔH° positivo y un ΔS° negativo, y aun cuando uno de los dos términos cumple el factor de espontaneidad (ΔH° negativo o ΔS° positivo) el ΔG° podría ser positivo, en estos casos es el valor de la temperatura el que determina si el proceso es o no espontáneo (Chang, 2009). De acuerdo con lo anterior, al sustituir las variables ΔH° y ΔG° por los valores obtenidos experimentalmente (cuadro N3), en la relación ΔG° = ΔH° - T ΔS°, se puede determinar que en condiciones estándar (298,15 K) el proceso de vaporización del agua no es espontáneo, al obtenerse un ΔG° positivo. Esto se corrobora también al utilizar los valores teóricos. Mediante el análisis de espontaneidad del proceso de vaporización del agua, utilizando las variables obtenidas experimentalmente se debería obtener un ΔG° positivo para toda temperatura menor a 100 °C (373,15 K) ya que el proceso ocurre de manera espontánea hasta alcanzar el punto de ebullición del agua. De la misma manera el valor de ΔG° a la temperatura de ebullición normal (373,15 K) debería ser igual a cero, ya que ambas fases están en equilibrio de manera que ΔH° = -T ΔS° . Sin embargo, con los valores obtenidos esto no se cumple ya que se obtuvo un alto porcentaje de error respecto a las variables termodinámicas teóricas, como se puede apreciar en el cuadro N3. Algunas posibles causas de error son: error de paralaje en la medición del volumen del agua, medición de la temperatura a diferentes alturas dentro del tubo de ensayo, error de paralaje en la medición del volumen de la burbuja de aire, error instrumental en la medición de temperatura ya que el termómetro presentaba una especie de burbuja en el líquido que permite la medición, presencia de líquido en el microtubo a la hora de medir su masa, entre otras. Conclusiones: Se determinó la presión de vapor a distintas temperaturas, mediante la relación entre el volumen y la temperatura utilizando la ley de los gases ideales. Se determinó la entalpía de vaporización del agua a partir del aumento de su presión de vapor a distintas temperaturas. Se identificó la relación entre la entalpía y la entropía, mediante la energía libre de Gibbs, para la determinación de la espontaneidad de un proceso. Se comprobó experimentalmente, mediante la obtención de las variables termodinámicas y el análisis de sus signos, que el proceso de vaporización del agua a 25 °C (y a temperaturas menores a 100°C) no es espontáneo. Se determinó que tanto la entropía como la entalpía de un sistema aumentan con el proceso de evaporación de una sustancia. 4 Bibliografía: 1. Brown, T.L.; LeMay, H.E.; Bursten, B.E.; Murphy, C.J. Química la Ciencia Central. 11 ed. Pearson Educación. México D.F., 2009; pp 802-831. 2. Chang, R. Química. 9 ed. Mc Graw Hill. México D.F., 2007; pp 784-806. 3. Lide, D.R. Handbook of Chemistry and Physics. 84th ed. CRC Press LLC. 2004. 4. Calderón, L.; Irías, A.; Aguilar, J.; Ramírez, J.; Jerez, J. Manual de Laboratorio de Química General II. Escuela de Química Universidad de Costa Rica, San José, Costa Rica, 2016. 5
