Reporte de practica quimica aplicada

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
Escuela Superior de ingeniería Mecánica y Eléctrica
Unidad Zacatenco
Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica (ICE)
Laboratorio de química aplicada
Profesora: Molina Álvarez Ana María
Reporte de practica No. 5 “Influencia de la presión sobre el punto de
ebullición”
2CM18
Equipo 2
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
Escuela Superior de ingeniería Mecánica y Eléctrica
Unidad Zacatenco
Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica (ICE)
Laboratorio de química aplicada
Profesora: Molina Álvarez Ana María
Reporte de practica No. 5 “Influencia de la presión sobre el punto de
ebullición”
2CM18
-Ávila Tolentino José Alberto
-Barrientos López Bruce Ángel
-Gómez Polito Ricardo
-Mendoza Gutiérrez César Iván
OBJETIVO
Determinar experimentalmente la temperatura de ebullición del agua a diferentes presiones.
Comprobar la Ecuación de Clausius-Clapeyron mediante el cálculo de la temperatura
correspondiente a las diferentes presiones de vapor y compararla con la temperatura
experimental respectiva.
MARCO TEORICO
Presión
La presión se define como la fuerza que se ejerce por unidad de área transversal (P = F/A).
Algunas de sus unidades son dinas por centímetro cuadrado (dina/cm2), pascales (1Pa
=1N/m2), atmósferas (atm), milímetros de mercurio (mmHg), etc. A nivel del mar se tiene 1
atm ó 760 mmHg.
En la Ciudad de México la presión es menor debido a la altitud, aproximadamente 585
mmHg ó 0.77 atm.
Volumen
Puede definirse como el espacio que ocupa una cantidad dada de materia. Algunas de sus
unidades son centímetros cúbicos (cm3), litros (l), mililitros (ml), metros cúbicos (m3), etc.
Temperatura
La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las partículas que
constituyen un sistema. En la escala Celsius o centígrada, la temperatura se mide en grados
centígrados (ºC), en la escala absoluta en Kelvin (K), en la escala Fahrenheit en grados
Fahrenheit (ºF).
Las condiciones estándar de presión y temperatura son por convención: P = 1 atm
y T = 0 ºC.
El barómetro
Un barómetro es un instrumento que se utiliza para medir la presión ejercida por la
atmósfera. Un barómetro sencillo consta en un tubo largo de vidrio, cerrado de un extremo
y lleno de mercurio. Si el tubo se invierte con cuidado y se coloca verticalmente sobre un
recipiente que contenga mercurio, de manera que no entre aire en el tubo. El nivel del
mercurio en el tubo desciende hasta una altura determinada y se mantiene en ese nivel
creando un vacío en el extremo superior.
Si se coloca un tubo abierto en forma vertical con uno de sus dos extremos en un recipiente
con mercurio, los niveles del mercurio dentro y fuera del tubo coinciden, pero en el tubo
cerrado del barómetro algo mantiene al mercurio a una altura mayor dentro del tubo que
fuera en el recipiente. Dentro del tubo con el extremo cerrado, no hay aire por encima del
mercurio (sólo trazas de vapor de mercurio). La atmósfera ejerce una fuerza sobre la
superficie del mercurio en la parte exterior del recipiente que se transmite a través del
líquido, haciendo que suba una columna de mercurio. Esta columna ejerce una presión
hacia abajo que depende de su altura y de la densidad del mercurio líquido. Para una cierta
altura, se igualan la presión en la base de la columna de mercurio y la de la atmósfera. De
esta forma, la columna se mantiene.
La altura del mercurio en un barómetro se llama presión barométrica, y varía con las
condiciones atmosféricas y con la altitud en la que se realiza la medición. La presión
atmosférica estándar (atm) se define como la presión que ejerce una columna de mercurio
con una altura de exactamente 760 mm a 0ºC al nivel de mar, cuando la densidad del
mercurio es = 13,5951 g/cm3 y la aceleración de la gravedad es exactamente g = 9,80665
ms2. Esta definición establece una relación entre dos unidades de presión muy útiles, la
atmósfera estándar (atm) y el milímetro de mercurio (mmHg). La unidad mmHG también
es llamada torr en honor al científico italiano Evangelista Torricelli, quien inventó el
barómetro.
Ebullición
La ebullición es el proceso físico en el que la materia pasa a estado gaseoso. Se realiza
cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a
esa presión. Si se continúa calentando el líquido, éste absorbe el calor, pero sin aumentar la
temperatura: el calor se emplea en la conversión de la materia en estado líquido al estado
gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso. En ese momento es
posible aumentar la temperatura de la materia, ya como gas.
El cambio en el punto de ebullición producido por una variación de presión se calcula con
ayuda de la ecuación de Clausius-Clapeyron.
La evaporación del agua es un ejemplo de cambio de fase de líquido a vapor. Los
potenciales químicos de las fases α (líquido) y β (vapor) son funciones de la temperatura T
y la presión P y tienen el mismo valor
μα (T, P) = μβ (T, P)
A partir de esta igualdad y empleando relaciones termodinámicas, se obtiene la ecuación de
Clapeyron.
Suponiendo que la fase vapor es un gas ideal y que el volumen molar del líquido es
despreciable comparado con el volumen molar de gas, se llega a la denominada ecuación de
Clausius-Clapeyron que nos proporciona la presión de vapor del agua Pv en función de la
temperatura T, suponiendo, además, que la entalpía L de vaporización es independiente de
la temperatura (al menos en un determinado intervalo)
Consideraciones sobre la ecuación de Clapeyron
En un cambio de fase líquido-vapor, tanto ΔH como ΔV son positivos, por tanto, la
pendiente de la línea de equilibrio líquido-vapor es positiva. Lo mismo sucede con la línea
sólido-vapor.
En un cambio de fase sólido-líquido, ΔH es positivo y en general ΔV también, por
lo tanto, la pendiente de esta línea también será positiva. Existen sin embargo
algunas excepciones como el H2O, Ga o Bi debido a una disminución de volumen
que sufren estos componentes al fundirse, en estos casos la pendiente de la línea de
equilibrio sólido-líquido será negativa.
En el cambio de fase sólido-líquido ΔV es mucho menor que en los cambios de fase sólidogas o líquido-gas. Por esta razón la pendiente en el primer caso es mucho mayor que en los
últimos.
DESARROLLO
Materiales utilizados y Evidencias con fotografías.
MATERIALES
Formulas
1 Matraz balón de fondo plano de 500 cm3
1 Termómetro
1 Manómetro en "U" con mercurio
1 Tapón de hule bohordado.
1 Tubo de vidrio con conexiones de hule
1 Mechero, anillo y tela de alambre con
asbesto Cuerpos de ebullición
PT = Patm+ ∆P
∆P Ahh2- h1.
PROCEDIMIENTO CON EVIDENCIA EN FOTOGRAFIA
PRIMERA PARTE.
1. En el matraz balón coloque aproximadamente 250 cm3 de agua y los cuerpos de
ebullición.
2. Monte el equipo tal como se indica en la Figura 1, al iniciar el experimento el tubo de
hule no deberá estar conectado al manómetro. Estando desconectado el manómetro (pero en
una posición tal que cuando sea necesario se pueda conectar rápidamente), caliente hasta
ebullición. Anote la temperatura correspondiente.
3. Por un tiempo no mayor de 10 segundos, deje de calentar y conecte rápidamente la
manguera de hule al manómetro, e inmediatamente inicie el calentamiento hasta una
temperatura de aproximadamente 96 °C. Deje de calentar hasta estabilizar la temperatura.
Anote la variación de niveles de mercurio en el manómetro (AP) y la temperatura
correspondiente para este incremento de presión. No deje enfriar mucho tiempo.
4. Caliente nuevamente hasta 98 °C, retire el mechero y anote la variación de niveles del
manómetro a la temperatura correspondiente. Caliente nuevamente hasta 100 °C y anote la
variación de niveles en el manómetro.
5. Cuide de no calentar a una temperatura mayor de 103 °C porque puede desconectarse la
manguera del manómetro o del matraz por el aumento de presión. Deje enfriar y cuando no
haya variación en el nivel de mercurio (AP = 0), desconecte la manguera de hule del
manómetro.
CUESTIONARIO
Registro de los datos obtenidos en el laboratorio
1.- Experimentalmente cuando la presión de oposición fue de 585 mmHg, (presión
atmosférica en la Ciudad de México) la temperatura de ebullición fue de:
Experimentalmente la temperatura fue de 93°C.
2.- A partir del dato anterior y de la ecuación de Clausius-Clapeyron calcule a las diferentes
presiones (PT) la temperatura correspondiente a cada presión y compárela con la obtenida
experimentalmente. Complete la siguiente tabla:
∆Hv = 9700 cal/mol
Considere:
Temperatura
Experimental.
°C
°K
26
299
96
369
98
371
100
373
h2*
h1*
mmHg
0
27.88
30.6
34
mmHg
0
21.76
19.04
14.96
R= 1.987 cal/mol °K
∆H=h2-h1
∆H = ∆P
mmHg
0
6.12
11.56
19.04
PT=585+∆P
Temperatura
Calculada.
°C
°K
365
26
365.28
96.29
365.53
98.55
365.87
100.91
mmHg
585
591.12
596.56
604.04
Cálculos
Conversiones
H1
96°=16 cm (
98°=14 cm (
H2
13.6
10
)=21.76 mmHg
13.6
10
100°=11 cm (
)=19.04 mmHg
13.6
10
)=14.96
mmHg
96°=20 cm (
13.6
10
98°=22.5 cm (
100°=25 cm (
)= 27.88 mmHg
13.6
)=30.6 mmHg
10
13.6
10
)=34 mmHg
∆H= h2-h1
*27.88---21.76=6.12 mmHg
*30.6---19.04=11.56 mmHg
*34---14.96=19.04 mmHg
PT= 585+ ∆P
6.12+585 = 591.12 mmHg
11.56+585 = 596.56 mmHg
19.04+585 = 604.04 mmHg
De la ecuación de Claussius-Clapeyron:
DESARROLLO
1) Para los 26°C (299°K)
T1 = 299°K
T2 = ¿?
2) Para los 96°C (369°K)
P1 = 585 mmHg
P2 = 585 mmHg
T1 = 369°K
T2 = ¿?
𝑇2 =
1
𝑇2 =
591.12
1
ln(
)+
299
585
−9700
(1.987)
T2=299-273=26
4) Para los 100°C (373°K)
P1 = 585 mmHg
P2 = 596.56mmHg
𝑇2 =
T1 = 373°K
T2 = ¿?
1
ln( 585 )+
371
−9700
(1.987)
T2=371.55-273=98.55
P1 = 585 mmHg
P2 = 604.04 mmHg
𝑇2 =
1
596.56
1
591.12
1
ln(
) + 369
585
−9700
(1.987)
T2=369.29-273=96.29
3) Para los 98°C (371°K)
T1 = 371°K
T2 = ¿?
P1 = 585 mmHg
P2 = 591.12 mmHg
1
604.04
1
ln(
)+
585
373
−9700
(1.987)
T2=373.91-273=100.91
Conclusiones y Observaciones personales
Ávila Tolentino José Alberto
Observaciones
El mercurio se movió al conectar
Conclusiones
Interesante practica
Barrientos López Bruce Ángel
Observaciones
En esta práctica, se estudió la relación entre la presión y la temperatura de ebullición del
agua en un sistema cerrado con un manómetro, observando que, al aumentar la temperatura,
también se incrementa la presión. Los resultados confirmaron que, a mayor presión, el
punto de ebullición del agua se eleva, lo cual fue teóricamente respaldado por la ecuación
de Clausius-Clapeyron, que describe cómo la presión de vapor influye en la temperatura de
ebullición. La precisión en la conexión del manómetro y el mantenimiento del sistema
cerrado fueron esenciales para obtener datos fiables, demostrando así la importancia de
estos factores en experimentos termodinámicos.
Conclusiones
Se observó que, conforme aumentaba la temperatura, la presión dentro del sistema también
aumentaba, lo que se calculó utilizando las fórmulas PT = Patm + AP y AP = Ahh2 - h1. La
ecuación de Clausius-Clapeyron fue fundamental para entender la influencia de la presión
de vapor sobre la temperatura de ebullición. La precisión en la conexión del manómetro y
el control de la temperatura fueron críticos para obtener resultados precisos y evitar
desconexiones por aumento excesivo de presión, confirmando la importancia de estas
variables en experimentos termodinámicos.
Gómez Polito Ricardo
Observaciones
El proceso fue un cuanto complejo ya que al llevar el agua a su punto de ebullición se tenía
que insertar las mangueras dentro del manómetro, lo cual fue difícil y con riesgos de
quemadura puesto que los tapones empezaban a temblar por la presión, pero al final todo
salió perfecto, las H1 y H2 nos dieron correctas puesto que la presión del vapor si hizo
cambiar las alturas.
También se observó como el vapor del agua tiene la fuerza de modificar la altura de un
líquido, puesto que es tanta la presión que tiene la capacidad de mover las alturas de un
líquido, observamos cómo es que a cada cierta temperatura el vapor producido nos dará una
altura diferente y como ira variando dependiendo la temperatura.
Mediante el manómetro se observó que, al aumentar la temperatura del agua, hay cambios
de presión. La ecuación de Clausius-Clapeyron fue determinante para ese proceso ya que
nos proporciona mediante la presión de vapor del agua Pv, la influencia de ésta sobre la
temperatura. Se observó de manera correcta la capacidad de ebullición del agua y como el
vapor puede mover líquidos y modificar su altura inicial.
Conclusiones
En conclusión, podemos decir que el efecto de la presión sobre el punto de ebullición se
observó claramente que, al aumentar la presión sobre el agua en ebullición, el punto de
ebullición también aumenta. Este fenómeno fue evidente al conectar rápidamente el
manómetro al sistema tras alcanzar la ebullición inicial.
También se tuvo una buena Relación temperatura-presión, se registraron incrementos
notables en la temperatura de ebullición conforme aumentaba la presión dentro del matraz.
A temperaturas de 96 °C, 98 °C y 100 °C, se observaron incrementos correspondientes en
la presión medida por el manómetro, demostrando una relación directa entre la temperatura
de ebullición y la presión aplicada.
El comportamiento del mercurio en el manómetro se concluyó que el mercurio en el
manómetro mostró variaciones proporcionales a los cambios de presión dándonos este
cambio las diferentes alturas, lo cual corroboró la influencia directa de la presión sobre el
punto de ebullición del agua.
En conclusión, esta práctica proporcionó una comprensión clara de cómo la presión afecta
al punto de ebullición del agua, destacando la importancia de controlar y medir
cuidadosamente las variables para obtener resultados precisos, me gustó esta práctica sobre
todo me gusto observar cómo es que el vapor tiene diferentes capacidades de presión y
cómo es posible que con vapor se pudo modificar la altura del mercurio en el manómetro.
Mendoza Gutiérrez César Iván
Observaciones
Durante esta práctica, se estudió cómo varía la temperatura de ebullición del agua bajo
diferentes condiciones de presión utilizando un sistema cerrado y un manómetro. Se
observó que, al incrementar la temperatura, la presión del sistema también aumentaba, lo
cual concuerda con la teoría establecida por la ecuación de Clausius-Clapeyron. Esta
ecuación explica que la presión de vapor de un líquido está directamente relacionada con su
temperatura de ebullición. A lo largo del experimento, se destacó la importancia de
mantener una conexión precisa y hermética del manómetro para evitar errores en las
mediciones y garantizar la fiabilidad de los datos obtenidos. Además, se demostró que el
control cuidadoso de las variables experimentales es crucial para el éxito de estudios
termodinámicos, ya que cualquier fuga o desconexión puede alterar significativamente los
resultados.
Conclusión
En esta práctica, se confirmó que, al incrementar la presión en el sistema, el punto de
ebullición del agua también aumenta. Este comportamiento se observó claramente mediante
la conexión y desconexión del manómetro durante diferentes etapas del calentamiento. La
ecuación de Clausius-Clapeyron resultó fundamental para interpretar los datos
experimentales, permitiendo calcular la relación entre presión y temperatura de ebullición.
La precisión en la conexión del manómetro y el control estricto de la temperatura fueron
esenciales para evitar desconexiones y obtener resultados precisos. Esta práctica subrayó la
importancia de medir y controlar cuidadosamente las variables involucradas, evidenciando
la relación directa entre la presión aplicada y la temperatura de ebullición del agua.
Además, se observó cómo el vapor puede modificar las alturas de los líquidos en un
manómetro, lo cual ilustra de manera práctica los principios termodinámicos estudiados.
BIBLIOGRAFIAS
Quimica.R. Chang. Ed McGraw Hill. (Paginas 170-180)
Instrumentación industrial, 8va Edición – Antonio Creus Solé (Paginas 47-48)
Química Física, 6ta Edicion – Peter William Atkins (Paginas 224-230, 145,153)
Chemistry LibreTexts. (2022). The Clausius-Clapeyron Equation. Recuperado de
https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbo
ok_Maps/The_Live_Textbook_of_Physical_Chemistry_(Peverati)/12:_Phase_Equilibr
ium/12.04:_The_Clausius-Clapeyron_Equation