practica-3-equilibrio-liquido-vapor-presion-de-vapor-y-entalpia-de-vaporizacion-del-agua

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Práctica 3. Equilibrio LÍquido- Vapor PresiÓn DE Vapor Y
EntalpÍa DE VaporizaciÓn DEL AGUA
Fisicoquimica (Universidad Nacional Autónoma de México)
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Universidad Nacional Autónoma de
México
Facultad de química
Laboratorio de equilibrio y cinética
2018-2
Práctica 3.
EQUILIBRIO LÍQUIDO-VAPOR
PRESIÓN DE VAPOR Y ENTALPÍA DE VAPORIZACIÓN DEL AGUA
Grupo: 09
Realización: 28/02/18
Profesora: Irma Susana Rojas Tome
Integrantes:
●
Alcaide Palapa Miriam
●
Aparicio González Bibiana
●
Montellano Rojas Andrea Gabriela
●
Santana Anaya Atziri Nicole
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➔ Problema
Determinar la entalpía de vaporización del agua.
H 2 O(L) → H 2 O(g) ⇒ △H m, vapor > 0
➔ Objetivos generales
Comprender e interpretar el significado de las variables termodinámicas involucradas en la
ecuación de Clausius-Clapeyron, para aplicarlas en la determinación de la entalpía de
vaporización de una sustancia.
➔ Objetivos específicos
1. Determinar valores de presión de vapor del agua a distintas temperaturas, para
representar y describir la relación que se presenta entre ambas variables
2. Calcular la entalpía de vaporización del agua a partir de los datos experimentales y
obtener la ecuación de Clausius-Clapeyron
➔ Hipótesis
Si se incrementa la temperatura:
❖ El volumen experimental aumentará
❖ El volumen de aire aumentará
❖ El volumen de vapor aumentará
❖ La presión parcial del aire disminuirá
❖ La presión de vapor de agua aumentará
➔ Datos, cálculos y resultados
TABLA 1. Datos experimentales y calculados para la determinación de la presión de vapor del
agua en la Ciudad de México.
Ciudad de México.
T. inicial aire: ​273,15 K
V. inicial aire: ​4​ mL
Presión atmosférica ​586 mmHg
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Gráficas 1. Determinación de entalpía de vaporización. P vapor agua Vs Temperatura
y P aire Vs temperatura
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Gráfica 2. Determinación de la entalpía de vaporización. Ln P vapor Vs T^-1
Gráfica 3. Gráfica de volumen experimental (agua) en función de la temperatura (K) y
volumen de aire (mL) en función de la temperatura
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a. Determinar el volumen que ocupa el ​aire a cada una de las temperaturas de trabajo,
aplicando la ley de Charles. Registrar los resultados en la tabla 1.
Evento 2: V​aire​฀ V 2 =
V 1 *T 2
T1
K)
= (4 mL)(332.55
= 4.87 mL
273.15K
Evento 3: V​aire​฀ V 2 =
V 1 *T 2
T1
=
(4 mL)(336.85 K)
273.15K
= 4.93 mL
Evento 4: V​aire​฀ V 2 =
V 1 *T 2
T1
=
(4 mL)(343.25 K)
273.15K
= 5.03 mL
Evento 5: V​aire​฀ V 2 =
V 1 *T 2
T1
K)
= 5.06 mL
= (4 mL)(345.75
273.15K
Evento 6: V​aire​฀ V 2 =
V 1 *T 2
T1
K)
= (4 mL)(346.85
= 5.08 mL
273.15K
Evento 7: V​aire​฀ V 2 =
V 1 *T 2
T1
=
Evento 8: V​aire​฀ V 2 =
V 1 *T 2
T1
K)
= (4 mL)(352.75
= 5.17 mL
273.15K
(4 mL)(348.15 K)
273.15K
= 5.10 mL
b. Determinar, por diferencia entre el volumen experimental y volumen del aire calculado en el
inciso (a), el volumen que ocupa el vapor de agua dentro de la probeta, a cada una de las
temperaturas registradas. Anotar los resultados en la tabla 1.
V vapor = V agua l − V vapor
Evento 1​ V vapor = 4 − 4 = 0 mL
Evento 2 V vapor = 8 − 4.87 = 3.13 mL
Evento 3 V vapor = 9 − 4.93 = 4.07 mL
Evento 4 V vapor = 10 − 5.03 = 4.97 mL
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c. Calcular la presión parcial del aire y la presión de vapor del agua, a partir de los valores de
fracción mol de los componentes y de la presión total del sistema. Registrar los resultados en la
tabla 1.
●
Presión parcial del aire
1) Y AIRE =
V aire
V total
=
4 mL
4 mL
2) Y AIRE =
V aire
V total
=
4.87 mL
8 mL
= 0.61 mL * 586 mmHg = 356.72 mmHg
3) Y AIRE =
V aire
V total
=
4.93 mL
9 mL
= 0.55 mL * 586 mmHg = 321.18 mmHg
4) Y AIRE =
V aire
V total
=
5.03 mL
10 mL
= 0.50 mL * 586 mmHg = 294.56 mmHg
5) Y AIRE =
V aire
V total
=
5.06 mL
11 mL
= 0.46 mL * 586 mmHg = 269.73 mmHg
6) Y AIRE =
V aire
V total
=
5.08 mL
12 mL
= 0.42 mL * 586 mmHg = 248.04 mmHg
7) Y AIRE =
V aire
V total
=
5.10 mL
13 mL
= 0.39 mL * 586 mmHg = 229.82 mmHg
8) Y AIRE =
V aire
V total
=
5.17 mL
15 mL
= 0.34 mL * 586 mmHg = 201.81 mmHg
●
= 1 mL * 586 mmHg = 586 mmHg
Presión parcial de vapor
1) Y V AP OR =
V vapor
V T otal
=
0 mL
4 mL
2) Y V AP OR =
V vapor
V total
=
3.13 mL
8 mL
= 0.39 mL * 586 mmHg = 229.28 mmHg
3) Y V AP OR =
V vapor
V total
=
4.07 mL
9 mL
= 0.45 mL * 586 mmHg = 264.82 mmHg
4) Y V AP OR =
V vapor
V total
=
4.97 mL
10 mL
= 0.50 mL * 586 mmHg = 291.44 mmHg
5) Y V AP OR =
V vapor
V total
=
5.94 mL
11 mL
= 0.54 mL * 586 mmHg = 316.27 mmHg
6) Y V AP OR =
V vapor
V total
=
6.92 mL
12 mL
= 0.58 mL * 586 mmHg = 337.96 mmHg
7) Y V AP OR =
V vapor
V total
=
7.90 mL
13 mL
= 0.61 mL * 586 mmHg = 356.18 mmHg
8) Y V AP OR =
V aire
V total
=
= 0 mL * 586 mmHg = 0 mmHg
9.83 mL
15 mL
= 0.66 mL * 586 mmHg = 384.19 mmHg
d. Calcular el logaritmo natural de la presión de vapor y el inverso de la temperatura absoluta.
Registrar los datos en la tabla 1.
1) I nP vapor = Ln(0 mmHg) = 0 mmHg
2) I nP vapor = Ln(229.28 mmHg) = 5.43 mmHg
3) I nP vapor = Ln(264.82 mmHg) = 5.58 mmHg
4) I nP vapor = Ln(291.44 mmHg) = 5.67 mmHg
5) I nP vapor = Ln(316.27 mmHg) = 5.76 mmHg
6) I nP vapor = Ln(337.96 mmHg) = 5.82 mmHg
7) I nP vapor = Ln(356.18 mmHg) = 5.88 mmHg
8) I nP vapor = Ln(384.19 mmHg) = 5.95 mmHg
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➔ Análisis y discusión de resultados
Podemos decir que cuando el experimento se empezó el único gas que se encontraba en la
probeta era el aire conformado por diferentes gases ya que el agua aún no llegaba a su punto
de ebullición provocando que no existiera vapor de agua los primeros instantes, por lo que se
pudo calcular perfectamente cual era el volumen del aire contenido en la probeta.
Posteriormente para medir el vapor de agua se aplicó la ley de Charles la cual nos dice que El
vapor de agua= volumen experimental - volumen del aire.
Para calcular la presión del vapor= volumen de vapor de agua/ volumen experimental x100
para así poder graficar las presiones de vapor contra las temperaturas.
Al graficar las presiones de vapor y las temperaturas podemos observar cómo al aumentar la
temperatura
también
se
aumenta la presión resultando una relación directamente
proporcional, ya que al aumentar la temperatura también se aumenta la energía cinética de
las moléculas favoreciendo el cambio de estado.
La relación entre el logaritmo de la presión de vapor y el inverso de la temperatura nos muestra
una relación inversamente proporcional mientras el logaritmo de la presión aumenta, el inverso
de la temperatura disminuye. . Mediante un análisis de regresión lineal pudimos conocer la
pendiente para así obtener la entalpía de vaporización para el agua a las condiciones no
estándares sino las experimentales como lo fue la presión atmosférica, este valor comparado
con el valor teórico de la literatura de la entalpía de vaporización del agua es de 40.66 kJ/mol
(Dean, 1972, p.1109) nos da un porcentaje de error de 38%, un valor aceptable tomando en
cuenta que no tenemos las condiciones estándares con el que está reportado el de la
literatura, este error también se pudo deber a errores de medición cometidos durante el
desarrollo de la práctica o incluso errores de redondeo.
Los resultados nos permitieron conocer un intervalo de temperatura para observar el cambio
en la presión de vapor del agua, esto se pudo obtener midiendo la variación del Volumen total
del sistema (Vtotal= Vaire + Vvapor)y su relación con la temperatura.
Al observar nuestros resultados podemos decir que nuestras hipótesis estuvieron correctas ya
que mediante las gráficas de los datos obtenidos podemos ver como el volumen experimental
si aumento conforme se incrementó la temperatura, lo mismo pasó con el volumen del aire y e
volumen del vapor ya que como se mencionó anteriormente se incrementa la energía cinética
favoreciendo un cambio de fase.
Nuestra Hipótesis sobre que la presión parcial del aire fue correcta debido a que esta disminuyó
mientras se aumentó la temperatura, mientras que la presión de vapor de agua aumentó.
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➔ Cuestionario
Para llevar a cabo el análisis y la discusión de los resultados, se puede reflexionar sobre las
preguntas siguientes, además de todos los puntos que los alumnos consideren importantes
mencionar:
1. Indicar qué gases se encuentran confinados en la parte superior de la probeta a lo largo del
experimento.
Se encuentra la presión de vapor y el aire (N, O2, H2, C, He, etc)
2. Señalar cuál es el gas dentro de la probeta cuando la temperatura es de 0°C y explicar cuál
es la utilidad de esa determinación.
Se encuentra el aire ya que el vapor de agua está en una mínima cantidad o no hay, si es una
mínima cantidad puede ser despreciable, por lo tanto se puede calcular el volumen de aire
que existe dentro de la probeta.
3. Explicar qué tipo de relación existe entre la presión de vapor y la temperatura, de acuerdo al
comportamiento que se observa en la gráfica 1.
Es un comportamiento exponencial para la temperatura pues la temperatura y la presión de
vapor son directamente proporcionales ya que conforme aumenta la temperatura también
aumenta la presión de vapor pues es un cambio de líquido a gas.
4. Analizar qué tipo de relación se presenta entre el logaritmo natural de la presión de vapor del
agua y el inverso de la temperatura absoluta (gráfica 2). Expresar la ecuación que describe el
comportamiento de estos datos.
En este caso es una relación inversamente proporcional a la anterior.
Y=-2990.9x+14.432
5. Explicar qué información proporciona la pendiente de la ecuación establecida en el punto
(4) e indicar sus unidades.
In P =
m=
−△Hm, vapor
R
( T1 ) + B
−△Hm, vapor
R
Unidades = K
6. Calcular la entalpía de vaporización del agua a partir de la pendiente del gráfica 2.
m=
−△Hm, vapor
R
△H m, vapor = − m * R
△H m, vapor = − (− 2990.9 K)(8.314 J/mol K) = 24866.3426 J/mol
7. Comparar el valor de la entalpía calculada a partir de los datos experimentales con el
reportado en la literatura y calcular el por ciento de error. En caso de existir alguna diferencia,
explicar a qué puede deberse.
De acuerdo a la literatura el valor teórico de la entalpía de vaporización del agua es de 40.66
kJ/mol ​(Dean, 1972, p.1109)
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% error = (40.66-24.87/40.66)*100%= 38.83 J/mol de error
8.
Explicar qué tipo de relación existe entre el volumen y la temperatura, de acuerdo al
comportamiento que se observa en la gráfica 3.
En las gráficas 3 se observa que la temperatura y el volumen son directamente proporcional, es
decir, cuando aumentamos la temperatura del gas las moléculas se mueven con más rapidez
y tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente. Esto quiere decir que el número
de choques por unidad de tiempo será mayor. Es decir se producirá un aumento (por un
instante) de la presión en el interior del recipiente y aumentará el volumen (el émbolo se
desplazará hacia arriba hasta que la presión se iguale con la exterior).
Lo que Charles descubrió que si la cantidad de gas y la presión permanecen constantes, el
cociente entre el volumen y la temperatura siempre tiene el mismo valor. ​(Okuda, M. 2016)
Matemáticamente podemos expresarlo así:
V/T​=​k
(el cociente entre el volumen y la temperatura es constante)
➔ Conclusiones
-La presión de vapor es directamente proporcional a la temperatura, debido a que entre
mayor sea la temperatura se favorece el cambio de fase.
-La ecuación de Clapeyron nos permite calcular la pendiente de una línea de equilibrio entre
dos fases en este caso presión y temperatura de un sistema, esta expresión nos puede ayudar
para predecir dónde se va a dar una transición de fase.
-La presión parcial del aire disminuye, mientras que la presión de vapor de agua aumenta
mientras aumenta la temperatura.
➔ Referencias consultadas
➢ John A. Dean. (1972). LANGE'S HANDBOOK OF CHEMISTRY. New York:
McGRAW-HILL, INC.
➢ Okuda, M. (2016). Ley de Charles. 2018, de E+Educaplus Sitio web:
http://www.educaplus.org/gases/ley_charles.html
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