Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química Departamento de Química Industrial y Aplicada Guía de Prácticas LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Última revisión: Noviembre 2010 Guía de Escuela de Ingenier[a Química Universidad de los Andes – Mérida p PRACTICA NO I EQUILIBRIO LIQUIDO Construcción de la cu para el Agua por el M OBJETIVOS 0 pres r) oo POR mperatura El objetivo de este experimento es medir la presión de vapor de una sustancia pura (agua) por un método dinámico, en el intervalo de temperaturas de 500C a 950C aproximadamente.
Se desea además calcular el calor de vaporización proximado a partir de los datos de presión de vapor y estudiar el efecto que tiene sobre la presión de vapor la adición de un soluto no volátil. INTRODUCCION TEORICA La presión de vapor de un líquido (p*) cambia con la temperatura en forma aproximada de acuerdo con la ecuación de Clausius-Clapeyron: en la cual AHV es el calor molar de vaporización. Si se supone que el calor de vaporización es independiente de la de esta línea.
También se puede calcular AHV con la ecuación (3) sustituyendo en ella, pares de datos separados. -T, suponiendo que estén suficientemente Además de la temperatura, la presencia de un soluto puede fectar notablemente la presión de vapor, tal como demostró Raoult al considerar soluciones diluidas con solutos no volátiles y encontrar que la presión de vapor disminuye según: donde p es la presión de vapor de la solución y x representa la fracción molar del solvente, la cual se hace menor que la unidad por la presencia del soluto.
Es importante señalar que deben considerarse como soluto todas las especies presentes en solución. Así por ejemplo, si se agrega al agua un electrolito fuerte, las especies fónicas provenientes de su disociación deberán considerarse como solutos ndependientes en el cálculo de x. Gura de Prácticas del Laboratorio de Fisicoquímica página Figura 1. – Equipo para la determinación de la presión de vapor por el método dinámico. A, balón de ebullición. B, termómetro. C, manta de calentamiento D, conexiones de agua para el refrigerante.
E, manómetro de rama abierta. F, balón regulador. G, válvula. H, conexión para realizar vacío. En este experimento se m n de vapor del agua y de una salmuera (NaCl al 10% conoce como «método dinámico». este procedimiento contrasta con el método estático, en el que se mide la presión para temperaturas elegidas rbitrariamente. APARATOS Y REACTIVOS Equipo para medir la presión de vapor como el que se indica en la Figura 1; termómetro de 00 a 1000C; manta de calentamiento; bomba de vacío; 3 perlas de vidrio para regular la ebullición, Nacl al 10%; agua destilada.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL El aparato que se va a utilizar se representa en la Figura 1 . El calentamiento se hace de mejor modo con la manta de calentamiento y utilizando perlas de ebullición u otros dispositivos a fin de prevenir proyecciones. Obsérvese que en el gráfico el bulbo del termómetro está introducido parcialmente en el líquido. Esto se hace on el objeto de que la temperatura lerda sea realmente el punto de ebullición para cada presión particular. Debe cuidarse de prevenir cualquier sobrecalentamiento. Las temperaturas se leerán con precisión de ± 0,10.
Dado que sobresale del líquido una longitud considerable de la varilla del termómetro puede ser necesario hacer una corrección por este efecto. Por ello, se debe registrar también la temperatura del aire que rodea a la varilla. La presión total dentro del sistema, que se puede tomar como presión de vapor del agua, se obtiene Guía de Prácticas del Laboratorio de Fisicoquímica Página 2 hallando la diferencia de urio en las dos ramas del Hechicera). Si la presión es superior a la barométrica, la diferencia debe añadirse a esta ultima.
Si por el contrario la presión es menor que la atmosférica, la diferencia ha de restársele a ésta. La presión dentro del aparato puede hacerse menor que la atmosférica por medio de un aspirador de agua o una bomba de vacío conectada en H. Para hacer la determinación se agrega agua en el balón de ebullición hasta una altura de 4 cm. Se añaden las perlas de vidrio para prevenir ebullición violenta. Se coloca en la boca de a vasija deebullición el tapón con el termómetro. Se conecta el refrigerante con la fuente de agua.
Se vacía el sistema hasta que la presión dentro del aparato se reduce a unos 300mmHg. Se cierra la llave y se calienta el liquido suavemente hasta que tiene lugar una ebullición lenta que se evidencia porque las lecturas de temperatura mantienen un valor constante. Anótese la temperatura del liquido, la temperatura ambiental, los niveles del mercurio en las dos ramas del manómetro y la presión barométrica. Aumentar la presión aproximadamente 3 cm. abriendo lenta y cuidadosamente la válvula G. Determinar de nuevo el unto de ebullición.
Continuar aumentando la presión en Incrementos de 3 cm. y medir el punto de ebullición para cada presión. A fin de estudiar el efecto de un soluto no volátil sobre la presión de vapor, descartar el agua contenida en el balón y agregar una solución de NaCl al 10% en peso, llegando nuevamente hasta una altura de 4 cm. Repetir el procedimiento experimental y determinar la temperatura de ebullición de la solución a distintas presiones, tom determinar la temperatura de ebullición de la solución a distintas presiones, tomando incrementos de 2 a 3 cm. e mercurio entre cada lectura. TRATAMIENTO DE LOS DATOS Registrar todos los datos y resultados en forma tabulada. Para calcular la presión de vapor a partir de las lecturas manométricas, considerar que en el Núcleo La Hechicera la presión atmosférica es de 620 mmHg aproximadamente. Reportar los valores de los logaritmos de las presiones de vapor y los recíprocos de las temperaturas absolutas. Tener en cuenta que puede ser necesaria la corrección por columna no sumergida para algunas lecturas de la temperatura.
Representar las presiones de vapor del agua pura y de la salmuera frente a la temperatura. Incluir en el mismo gráfico atos de presión de vapor-temperatura para el agua tomados de algún manual. Preparar un segundo gráfico representando los logaritmos de la presión de vapor del agua pura frente a los recíprocos de la temperatura absoluta. Incluir de nuevo los puntos del manual usados en el gráfico anterior. Calcular la pendiente de la curva experimental por el método de mínimos cuadrados. Usar esta pendiente para calcular el calor de vaporización.
En un último gráfico, representar los datos presión de vapor- temperatura para la solución de NaCl y construir una curva teórica para esta salmuera a partir de los datos de presión e vapor para el agua pura y la ey de Raoult. Considere la disociación del NaCI en solución para realizar sus cálculos. Justifique cualquier inconsistencia observada entre el comportamiento experimental y el predicho por la Ley de Raoult. ¿Cuál es I observada ¿Cuál es la precisión de la lectura mínima de los instrumentos de medida utilizados? ¿Cuántas cifras significativas se justifican al expresar el calor de vaporización?
BIBLIOGRAFIA I. LEVINE. Fisicoquímica. 4a Edición. Edit. McGraw-Hill. Espar,a (1997). H. D. CROCKFORD, S. B. KNIGHT. Fundamentos de Fisicoquímica, Cap. III, Compañía Editorial ontinental, s. A. , ata. edición, México (1971 F. DANIELS, R. A. ALBERTY. Fisicoquímica, cap. 6, compañía editorial continental, S. A. , Novena Edición, México (1969). H. D. CROCKFORD; J. w. NOWELL. Manual de Laboratorio de Química Física, Editorial Alhambra, S. A. , Madrid – México (1961) S. H. MARON, C. F. PRUTTON. Fundamentos de Fisicoquímica, Cap. 6, Editorial Lumusa Wiley, s.
A, Guia de Prácticas del Laboratorio de Fisicoquímica 3 2da. edición, México (1971). S. GLASSTONE, D. LERgs. Elementos de Fisicoquímica, cap. 5, Editorial Médico Quirúrgico, Apéndice de la 2da. dición, Buenos Aires (1970) 4 analítico para determinar la composición de mezclas líquidas de dos componentes. INTRODUCCION TEORICA. La mayor parte de los sistemas reales en equilibrio gas-líquido presenta desviaciones positivas o negativas en la curv’a presión-composición. Se observará que los sistemas con mínimo en la curva de presión de vapor presentan un máximo en la curva de temperatura-composición.
Las disoluciones que hierven a temperatura máxima o mínima se llaman mezclas azeotrópicas. Se observa que el diagrama temperatura-composición consta de dos curvas, representando la curva superior las omposiciones del vapor en equilibrio con las distintas soluciones a sus puntos de ebullición (curva de rocío), y la curva inferior los puntos de ebullición de estas disoluciones (curva de burbuja). Cuando el sistema tiene una mezcla azeotrópica, las dos curvas se encuentran con pendiente nula a la composición de esta mezcla.
Las condiciones de temperatura y composición de un azeótropo a una presión determinada pueden consultarse en la literatura o estimarse mediante la termodinámica del equilibrio gas-liquido, que para presiones moderadas establece que . fiv = fil – P*yi = Yi*xi*pi* onde fi representa la fugacidad de la substancia en las fases vapor (v) y líquida (l P es la presión, Yi representa el coeficiente de actividad en fase líquida, Pi* es la presión de vapor de la substancia pura, y xi e yi representan las fracciones molares del componente i en el l[quido y el vapor al equilibrio.
En la condición azeotrópica se cumple que x; = y;, por lo que para un sistema binario se tendrá : P=YI * 7 Yz’ Las presiones de vapor pueden consultarse en manuales o estimarse por correlaciones (ClausiusClapeyron, Antoine, Riedel, etc. ), y dependen únicamente de la temperatura azeotrópica. Para el cálculo de los coeficientes de actividad en sistemas binaros, pueden emplearse ecuaciones empíricas como las desarrolladas por Van Laar Estas expresiones tienen la ventaja que el coeficiente de actividad depende únicamente de la composición molar de la fase líquida en equilibrio.
Los valores de Ty x que satisfagan la ecuación (2) al utilizarse en el cálculo de las presiones de vapor y de los coeficientes de actividad, definen las condiciones del azeótmpo a la presión de trabajo. Para establecer experimentalmente un diagrama de fase gas- liquido para un sistema con azeótropo, se han dedetermnar los untos de ebullición de distintas disoluciones y la composición de vapor asociado con cada 5 tiene un punto de ebullición de 87,720C y una composición de 28,3 por 100 en peso de agua. Finalmente, los coeficientes de Van Laar para este sistema son y REACTIVOS, MATERIAL DE VIDRIO Y EQUIPOS.
Agua bidestilada y n-propanol p. a Aparato especial para puntos de ebullición, como se indica en la figura 1; soporte de hierro y pinzas, termocupla de 1000C, manta calefactora, veinticuatro frascos con tapón- hermético; pipetas para tomar muestras del balón de ebullición y para introducir en ella los componentes, efractómetro de Abbe, barómetro. Propipeta. El aparato especial que se indica en la figura 1 consta de un balón de ebullición de 100 ml, un refrigerante de reflujo con un pequeño depósito para retener el destilado y dos aberturas cerradas con tapones normalizados, para tomar las muestras de destilados y residuos.
El termostato está graduado en intervalos de 0. 10, y su bulbo se debe sumergir de modo que quede cubierto por el líquido aproximadamente en su mitad. Una manta calefactora es muy práctica para calentar el matraz de ebullición, aunque puede utilizarse una unidad de alefacción eléctrica introducida en el liquido. Debe cuidarse de que no se produzcan sobrecalefacciones. para realizar el experimento se calientan las distintas soluciones de manera que se produzca ebullición a temperatura constante.
En el fondo del refrigerador quedarán retenidos los destilados. Figura 1. Equipo de trabajo ricción del diagrama de gas-liquido de un binario. A, tapones de vidrio normalizados. B, termocupla de 10000C en 0,10C. C, balón de destilación con dos ramas de 100ml. D, depósito para recoger destilado. E, conexiones de agua para refrigerarte. Con una pipeta se toma una muestra de cada destilado y al ismo tiempo se toma una muestra del residuo del matraz. Se lee y se anota la temperatura de ebullición de cada disolución.
Antes de tomar la muestra se debe vaciar el depósito de retención por lo menos dos veces Inclinando todo el aparato. Recuérdese que el 1-propanol es volátil e inflamable. Por ello, se debe apagar o separar el mechero antes de abrir los tapones. Se tomarán muestras de 1 ml aproximadamente, que se pondrán en frascos de unos 15 ml de capacidad adecuadamente rotulados. Mantener siempre los frascos bien cerrados, para prevenir cambios en la composición debido a evaporización electiva. 1. Determinar en primer lugar el punto de ebullición del n- propanol puro.
A continuación, añadir porciones sucesivas de agua hasta que las composiciones del destilado y de residuo se hagan esencialmente iguales. 6 2 . Vaciar toda la vasija y añadir agua pura. Después de determinar su punto de ebullición, añadir porciones sucesivas de n-propanol hasta que las composiciones del residuo y del destilado se hagan otra vez esencialmente iguales. Una serie recomendable se da en la Tabla 1 TABLA 1 Soluciones propuestas para construir el diagrama T-xy Volumen Inicial ler incremento 0 DF 60
