FISICOQUÍMICA TRABAJO DE LABORATORIO Nº 2 TEMA: Equilibrio líquido-vapor. Presión de vapor y entalpía de vaporización del agua. OBJETIVO Determinación de la presión de vapor del agua a distintas temperaturas. Cálculo de la entalpía de vaporización del agua a partir de los datos experimentales aplicando la ecuación de Clausius-Clapeyron. FUNDAMENTOS TEÓRICOS Si se considera una muestra líquida de una sustancia pura en un recipiente cerrado, la presión del vapor en equilibrio con el líquido se denomina presión de vapor. La presión de vapor depende de la naturaleza del líquido y aumenta con la temperatura hasta la temperatura crítica. La ecuación de Clausius-Clapeyron (1) expresa la variación de la presión de vapor con la temperatura: ∆ (1) La integración de la ecuación anterior conduce a la ecuación que se indica a continuación: ∆ (2) donde es la presión de vapor de la sustancia, ∆ es el calor latente de vaporización del líquido, T es la temperatura (debe expresarse en K) y C la constante de integración. En la deducción de la ecuación anterior se ha considerado que el volumen de líquido es despreciable frente al volumen del gas y que el calor latente de vaporización del líquido es constante en el intervalo de temperatura considerado. 78 FISICOQUÍMICA MATERIAL NECESARIO Agua destilada, probeta de 10 mL, vaso de precipitado de 1 L, termómetro, varilla para agitar. PROCEDIMIENTO 1. Llenar con agua destilada una probeta graduada de 10 ml dejando un volumen libre de aproximadamente 3 mL, medido desde el borde. Cubrir el extremo con un dedo e invertirla rápidamente introduciéndola en el vaso de precipitado de 1 L, que ha sido llenado previamente con agua 2. Agregar agua al vaso de 1 L, si fuera necesario, para que el aire dentro de la probeta quede totalmente cubierto de líquido. Luego calentar con un mechero de laboratorio hasta aproximadamente 80ºC. Nota: agitar (con cuidado), el agua del baño para evitar gradientes de temperatura. 3. Leer el volumen de aire con una aproximación de 0,1 mL y la temperatura del baño con una apreciación de 0,2ºC. 4. Una vez que la temperatura es (aproximadamente) de 80ºC, retirar el fuego permitiendo que el agua comience a enfriarse. Leer el volumen que ocupa el gas, en intervalos de 2ºC, a medida que disminuye la temperatura hasta alcanzar 60ºC. 5. Enfriar rápidamente el sistema, quitando en agua caliente y agregando hielo hasta que cubra toda la probeta, hasta alcanzar una temperatura cercana o igual a 0ºC (entre 3ºC y 0ºC), de modo tal que el contenido de vapor de agua sea despreciable, y mida el volumen que ocupa el gas a esa temperatura. 6. Averigüe el valor de la presión atmosférica para luego efectuar los cálculos. CÁLCULOS 1. Registrar los datos experimentales de temperatura y volumen en la Tabla 1. El uso de una probeta graduada invertida de 10 ml, involucra un pequeño error sistemático debido a que el menisco de la interfase vapor de agua-líquido está invertido. Se ha estimado que la introducción de volúmenes conocidos de aire en un cilindro lleno de agua, involucra un error de 0,2 mL si el cilindro está graduado hasta 10 ml, por lo tanto, en este caso todos los volúmenes deben ser corregidos restándoles 0,2 mL para compensar el error del menisco invertido. 2. Usando los valores medidos de volumen, temperatura y presión atmosférica a temperatura menor que 3ºC calcular el número de moles de aire utilizando la ecuación (3). Suponga que la presión de vapor de agua es despreciable comparada con la presión atmosférica a esa temperatura tan baja. Registrar los resultados en la Tabla 1. 79 FISICOQUÍMICA (3) 3. Calcular la presión parcial de aire en la mezcla de gases a cada temperatura usando la ecuación (4). (4) 4. Calcular la presión de vapor de agua a cada temperatura utilizando la ecuación (5). (5) Tabla 1. Datos experimentales y calculados. Volumen Temperatura Volumen Volumen de vapor N°Evento del sistema medido T (K) de aire de agua (mL) (°C) (mL) (mL) Presión Presión de parcial de vapor de -1 -1 T (K ) aire agua (Pv) (hPa) (hPa) ln Pv 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 5. Graficar vs 1/T. Verificar si se obtiene una relación lineal y si es así determinar la pendiente de la recta obtenida. 6. Calcular ∆ del agua usando la ecuación (2). Compare el valor obtenido con el de literatura y calcule el error en su determinación. 7. Determinar la presión de vapor de agua a 65ºC usando el gráfico. El valor de literatura es 250,42 hPa 80