Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química Laboratorio de Fisicoquímica Informe Nº1 EQUILIBRIO LIQUIDO-VAPOR: PRESIÓN DE VAPOR. Grupo N° 4 Br. Fernández Moreno, Edka Ariana; Br. Nayleth Lilebeth, Lopez Pereira. Profesora: Marilia Guillén G. RESUMEN La presión de vapor juega un papel primordial en el ámbito industrial, por ende es de suma importancia contar con el valor de la presión de vapor de una sustancia pura en ciertos intervalos de temperatura ya que mediante su estudio nos permite medir el grado de toxicidad de diferentes compuestos, en el equilibrio liquido-vapor para una sustancia pura se puede fijar una propiedad y con esta encontrar las demás, tal como explica la regla de faces de Gibbs. Mediante relaciones teóricas se puede predecir su comportamiento y por lo tanto verificarla, partiendo de los datos de presión se puede hallar un valor de la entalpia de vaporización a través de la ecuación de Claussius Clapeyron. Ahora, cuando se le agrega un soluto no volátil a una sustancia pura afecta notablemente su presión de vapor siendo determinada por la ley de Raoult. Estas leyes se demostraron y se evidenció que el valor del delta de vaporización para el agua pura es de 47750,6276 J/mol. Dicho valor se asemeja al valor teórico para el delta de vaporización del agua pura que es de 42245,0968 J/mol. Palabras clave: Equilibrio dinámico, cambio de faces, temperatura de ebullición. METODOLOGÍA Y OBSERVACIONES Se adiciona agua al balón de ebullición, se añaden las perlas de ebullición y se tapona el balón, se conecta el equipo de refrigeración y se activa la bomba de succión, se cierra la válvula y se procede a encender la manta de calentamiento de manera que se eleve la temperatura hasta lograr la ebullición, tomando nota de la temperatura y del aumento de altura. Análogamente para las soluciones de 3% p/p y 5 p/p. Se debe tener especial cuidado en la utilización de la válvula para que los intervalos de presión sean constantes y así generar resultados más precisos. MUESTRA DE CÁLCULOS Primera Experiencia: Determinación de la presión de vapor del agua por el método dinámico. A partir de los datos recolectados de altura (cmHg) y temperatura (°C) se hallan los valores de presión (mmHg) y temperatura (K) absoluta. Práctica N°1. Equilibrio líquido-vapor para sustancias puras: estudio de la presión de vapor del agua y soluciones acuosas de cloruro de sodio por el método dinámico. 1 Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química Laboratorio de Fisicoquímica P[mmHg] = Pamb − 2 × h × 10 mmHg cmHg Ec. 1 Presión absoluta Donde: Pamb = 620 mmHg h → cmHg T [K] = T[°C] ∗ 1K + °C Ec. 2 Temperatura absoluta. 273,15 K Tabla Nº1. Datos registrados para la determinación de la presión de vapor para el agua pura. H (cmHg) T (°C) 25,6 56 25 24 58,7 61,5 23,1 63,7 22,2 65,3 20,6 69 19,8 70,6 18,2 73,1 17,5 74,5 16,5 75,5 15,2 77,2 14,2 78,6 13,4 80,2 12,6 80,9 11,6 82,4 10,6 83,2 9,6 84,2 8,3 85,8 6,7 87,2 5,7 88,5 4,7 89,4 3,5 90,5 El procedimiento se realizó para una sola corrida. Calculo de la presión de vapor del agua usando las ecuaciones propuestas por la Asociación Internacional para las propiedades del agua y su vapor. (PRUTTON) 𝑃 𝐿𝑛 (𝑃𝑐) = 𝑇𝑐 𝑇 Ec. 3 IAPWS × (𝑎1 𝜗 + 𝑎2 𝜗1,5 + 𝑎3 𝜗 3 + 𝑎4 𝜗 3,5 + 𝑎5 𝜗 4 + 𝑎6 𝜗 7,5 ) 𝜗 =1− 𝑇 𝑇𝑐 Tabla 1: Datos teóricos Asociación Internacional para las propiedades del agua y su vapor. Tc [K] Pc a1 a2 a3 a4 a5 a6 Práctica N°1. Equilibrio líquido-vapor para sustancias puras: estudio de la presión de vapor del agua y soluciones acuosas de cloruro de sodio por el método dinámico. 2 Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química Laboratorio de Fisicoquímica [Mpa] 22,064 647,096 -7,85952 1,844083 -11,7866 22,68074 -15,9619 1,801225 P Ln ( )= 22,064 Mpa 647,096 × (−7,85952ϑ + 1,844083ϑ1,5 − 11,7866ϑ3 + 22,68074ϑ3,5 − 15,9619ϑ4 + 1,801225ϑ7,5 ) T Agua 600 P 400 Experimentales 200 Teoricos 0 325 330 335 340 345 T 350 355 360 365 370 Grafica 1 Presión de vapor en función de la temperatura, observaciones experimentales y datos teóricos. Se calculó el inverso de la temperatura absoluta (1/T) y el logaritmo natural de la presión (Ln P). Estos datos se usaron para realizar una regresión lineal. 8 LnP vs 1/T y = -5081,2x + 20,259 R² = 1 y = -5743,4x + 22,122 R² = 0,999 Линейная (Datos teoricos) LnP 6 4 2 0 0,0027 Линейная (Datos Experimentales) 0,0028 0,0029 1/T 0,003 0,0031 Grafica N°2. Regresión lineal del Ln P vs 1/T. Tabla N°2. Ajuste estadístico de la regresión lineal del Ln P Vs 1/T. Intersección Variables X Coeficiente de determinación R^2 Teórica 20,259 -5081,2 1 Experimental 22,122 -5743,4 0.999 Práctica N°1. Equilibrio líquido-vapor para sustancias puras: estudio de la presión de vapor del agua y soluciones acuosas de cloruro de sodio por el método dinámico. 3 Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química Laboratorio de Fisicoquímica Calculo del △Hv a partir de la regresión lineal. 1 La regresión lineal arroja la ecuación de una recta de la forma: 𝐿𝑛 𝑃 = 𝑎 × 𝑇 + 𝑏 Donde b es el corte y a es la pendiente de la recta que será: 𝑎 = △Hv 𝑅 △ Hv = a × R R = 8,314 J/mol ∆𝐻𝑣 = −(5081,2) ∗ 8,314𝐽/𝑚𝑜𝑙 ∆Hvteorico = 42245,0968 J/mol ∆𝐻𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑛𝑡𝑎𝑙 = 47750,6276𝐽/𝑚𝑜𝑙 Evaluación de a presión de vapor de una solución acuosa de cloruro de sodio: Se realizó una gráfica P vs T para las dos duplicaciones de cada una de las soluciones de NaCl, en ellas se manifiestan los valores experimentales, teóricos y los encontrados a través de la ecuación de Raoult con un factor de Van´t Hoff igual a 2. Temperatura absoluta: 𝑇(𝐾) = 𝑇(°𝐶) + 273,15 Ec. 4 𝑇(𝐾) = 56°𝐶 + 273,15 = 329,15°C Presión absoluta: 𝑃𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 (𝑚𝑚𝐻𝑔) = 𝑃𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑎 − 2 ∗ 𝐻 ∗ 10 Ec. 5 𝑃𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 (𝑚𝑚𝐻𝑔) = (620𝑚𝑚𝐻𝑎 − 2 ∗ 25,6 ∗ 10) = 108𝑚𝑚𝐻𝑔 Calculo de la presión de vapor del solvente puro a partir de la presión de vapor de la solución utilizando la Ley de Raoult. Calculo de la moles del NaCl a 20°C: 𝑔𝑁𝑎𝐶𝑙 = 3𝑔 𝑃𝑀𝑁𝑎𝐶𝑙 = 58,5 𝑔/𝑔𝑚𝑜𝑙 𝑛= 𝑔𝑁𝑎𝐶𝑙 3𝑔 = = 0,051334𝑔𝑚𝑜𝑙 𝑃𝑀𝑁𝑎𝐶𝑙 58,5𝑔/𝑔𝑚𝑜𝑙 Calculo de la fracción molar del NaCl y H2O a 20°C: 𝑔𝑚𝑜𝑙𝑁𝑎𝐶𝑙 = 0,051334 𝑔𝑚𝑜𝑙 𝑔𝐻2𝑂 = 97𝑔 Práctica N°1. Equilibrio líquido-vapor para sustancias puras: estudio de la presión de vapor del agua y soluciones acuosas de cloruro de sodio por el método dinámico. 4 Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química Laboratorio de Fisicoquímica 𝑃𝑀𝐻20 = 18𝑔/𝑔𝑚𝑜𝑙 𝑋𝑁𝑎𝐶𝑙 = 𝑖 ∗ 𝑛𝑁𝑎𝐶𝑙 2 ∗ 0,051334𝑔𝑚𝑜𝑙𝑁𝑎𝐶𝑙 = = 0,01867704 𝑔𝐻2𝑂 97𝑔𝐻2𝑂 𝑖 ∗ 𝑛𝑁𝑎𝐶𝑙 + 𝑃𝑀𝐻2𝑂 2 ∗ 0,051334𝑔𝑚𝑜𝑙𝑁𝑎𝐶𝑙 + 18𝑔/𝑔𝑚𝑜𝑙𝐻20 XH20=1-XNaCl=1- 0,018677 = 0,98132 𝑃𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛∗ = 𝑋𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒 ∗ 𝑃𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒 ∗ 𝑃𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛∗ 𝑃𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑋𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒 ∗ 𝑃𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒 ∗ 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 𝑎𝑙 3% 𝑝 48𝑚𝑚𝐻𝑔 = = 48,7868𝑚𝑚𝐻𝑔 𝑝 0,983871 Análogamente se obtienen los demás valores para la presión de vapor del solvente puro para la solución al 3% p/p y para la solución al 5% p/p. Tabla Nº4. Datos registrados para la determinación de la presión de una solución 3% p/p. H (cmHg) T (°C) 28,6 44,6 26,4 53,7 22,8 64,3 21,6 67,4 19,7 70,3 17,8 73,6 15,5 77,7 13,7 80 12,1 81,9 8,2 85,9 6,8 87,5 5,5 88,8 4 90,3 Tabla Nº5. Datos registrados para la determinación de la presión de una solución 5% p/p. H (cmHg) T (°C) 28,6 44,8 26,4 54,2 24,7 59,5 21,8 66,7 Práctica N°1. Equilibrio líquido-vapor para sustancias puras: estudio de la presión de vapor del agua y soluciones acuosas de cloruro de sodio por el método dinámico. 5 Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química Laboratorio de Fisicoquímica 19,4 71,5 17 75,5 14 79,5 12 82 10,5 83,9 8,4 86,1 6,7 87,5 4,1 90,4 3,1 91,3 NaCL aL 3% 600 400 P Teorico 200 Experimetal 0 310 320 330 340 350 360 370 Raoult T Gráfica N°4.Presión Vs Temperatura de la solución de NaCl 3%. 600 NaCl al 5% 500 400 Teorico 200 Experimental P 300 raoult 100 0 310 320 330 340 T 350 360 370 Grafica N°5. Presión Vs Temperatura de la solución de NaCl 5%. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS Práctica N°1. Equilibrio líquido-vapor para sustancias puras: estudio de la presión de vapor del agua y soluciones acuosas de cloruro de sodio por el método dinámico. 6 Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química Laboratorio de Fisicoquímica Al representar gráficamente los datos experimentales obtenidos, se evidenció un aumento de la temperatura de ebullición al aumentar la presión de vapor. Al comparar estos datos experimentales con los datos obtenidos mediante las regla IAPWS, se observa que ambas poseen un comportamiento similar, una tendencia positiva de crecimiento en el rango de temperatura estudiado. Sin embargo alguno los puntos experimentales difieren de los puntos teóricos (Ver Figura 1); se puede observar que la curva experimental se encuentra por debajo de la teórica. El principal factor que pudo influir en este resultado es el valor de la conductividad térmica ya que con ella podríamos detectar las impurezas presentes en el agua, Estas impurezas pueden ser del tipo no volátil (del mismo tipo que las estudiadas más adelante), que ejercen un descenso en el punto de ebullición, obteniéndose valores por debajo de los esperados. En cuanto a los datos utilizados para la regresión lineal (ver figura 2); se encuentran apropiados para la suposición de linealidad establecida arrojando valores de 0,999 y 1. La entalpia de vaporización teórica es de 42245,096 J/mol y la experimental presenta un valor cercano de 47750,62 J/mol, Las mismas calculadas bajo la ecuación de Clausius-Clapeyron para describir la presión de vapor del agua pura. Hay que tener en cuenta las suposiciones que se hacen en este modelo antes de validarlo para la descripción de la presión de vapor del agua en el rango estudiado. Como primera suposición se tiene que si el intervalo de estudio no es muy grande y se está alejado de la temperatura crítica del agua, el delta de vaporización no varía mucho y la representación sería prácticamente lineal. Según se ha encontrado en la literatura, la ecuación de Clausius-Clapeyron es el menos apropiado para la determinación de la presión de vapor o de la entalpía de vaporización por no ser preciso a bajas temperaturas. (SALVAT) La observación del descenso del punto de ebullición en presencia de un soluto no volátil se evidenció gracias las distintas soluciones de NaCl preparadas. En la (Figura4 y 5) se muestra como varían las presiones de vapor al añadir el soluto con respecto al agua pura. Todos los puntos siguen la misma tendencia, sin embargo no se evidencia claramente una disminución del punto de ebullición de una solución a otra ya que algunos puntos están superpuestos. El agua no se encuentra totalmente desionizada, teniendo un efecto significativo en la presión de vapor y en la temperatura de ebullición, lo que puedo presentar una incidencia directa en la ley de Raoult. Pero quizás el parámetro más importante para determinar estas desviaciones es el parámetro de Van´t Hoff, el cual se asumió para todos los casos como 2. Para una solución más concentrada (NaCl 5%) las desviaciones con respecto a los valores teóricos de la presión de vapor del agua pura son mucho más marcadas que para la solución de menor concentración (NaCl 3%). (LEVINE) CONCLUSIONES Se fortalecieron los conocimientos sobre los principios termodinámicos del equilibrio de fases para usa sustancia pura con base en la vaporización del agua ya que se vio el proceso físico y su variación. Se usó el método dinámico para la medición de la presión de vapor del agua pura en el intervalo de temperaturas de 50 °C a 95 °C Se comprueba que el método de Clausius-Clapeyron es insuficiente para la estimación de la presión de vapor y del calor latente de vaporización debido a las limitaciones que este posee. Se comprueba que La ley de Raoult tiene una alta aplicabilidad en el estudio del descenso de la presión de vapor de una sustancia al añadir un soluto no volátil, mientras se trabaje con el manejo necesario al momento de realizar las experiencias. Práctica N°1. Equilibrio líquido-vapor para sustancias puras: estudio de la presión de vapor del agua y soluciones acuosas de cloruro de sodio por el método dinámico. 7 Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química Laboratorio de Fisicoquímica Se concluye que el valor asumido para la disociación del Cloruro de Sodio en agua no siempre es igual a 2 debido a que no se sabe con certeza si todo el soluto se disocia. Sin embargo es un valor bastante aceptable al momento de realizar los cálculos. Se recomienda realizar más repeticiones para poder tomar las varianzas existentes en cada experiencia, y así obtener resultados más factibles. REFERENCIAS SALVAT Ed. Enciclopedia SALVAT de Ciencia y Tecnología. Tomo IX. Primera Edición. Editorial SALVAT. Barcelona-1964pp. 43, 44. GESSNER, Hawley. Diccionario de Química y Productos Químicos. Ediciones Omega S.A. Barcelona, 1991. pp. 25. LEVINE, fisicoquímica. 4a edición. Edit. McGraw-Hill. España (1997). S.H. MARON, C.F PRUTTON. Fundamentos de fisicoquímica. Cap. 6, Editorial Lamusa Wiley, S.A., 2a edición, México (1971). Práctica N°1. Equilibrio líquido-vapor para sustancias puras: estudio de la presión de vapor del agua y soluciones acuosas de cloruro de sodio por el método dinámico. 8
