LABORATORIO DE PROPIEDADES TERMODINÁMICAS Y DE TRANSPORTE

PRESIÓN DE VAPOR

1. OBJETIVOS

1.1. OBJETIVO GENERAL

Determinar la presión de vapor de una sustancia pura como función de la temperatura.

1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Determinar la entalpía de vaporización utilizando la ecuación de Clausius – Clapeyron.

Analizar los resultados de presiones de vapor y temperaturas de ebullición obtenidos y compararlos con la información encontrada en la literatura.

Conocer la función del equipo que se va a utilizar y la forma adecuada para su manejo.

Identificar los tipos de errores que se pudo haber presentado durante el desarrollo de la práctica de laboratorio.

2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

A continuación se presenta un esquema del procedimiento que se utilizó durante el desarrollo de la práctica experimental, ver figura 1.

Figura 1. Procedimiento experimental

3. MATERIALES Y EQUIPO UTILIZADO

Los materiales y equipos utilizados durante la práctica de laboratorio fueron:

Vaporizador de reflujo total Manómetro de mercurio Termómetro Sistema de calentamiento Bomba de vacío 1 vaso de precipitados

Repetir el mismo procedimiento con agua

Registrar por lo menos 5 datos

Continuar este proceso hasta llegar a la presion atmosférica (alturas iguales de las columnas de Hg)

Dejar estabilizar otra vez la temperatura y registrar datos

Elevar un poco la presion del sistema abriendo un poco la válvula reguladora

Cuando la temperatura registrada por el termómetro alcanza un valor constante, registrar datos de temperatura y presión

Enciender la bomba de vacio hasta que el manómetro indique gran diferencia entre las alturas

Encender el equipo de calentamiento y dejar que se eleve la temperatura

Revisar que el sistema este correctamente montado

Colocar en el balón 50 ml de propanol 99.9 %.

Condensador Balón de fondo redondo de boca ancha con desprendimiento lateral Pipeta Perlas de ebullición

El esquema del equipo empleado se puede observar en la figura 2.

Figura 2. Equipo utilizado en la práctica de laboratorio.

4. TABLAS DE DATOS.

Datos obtenidos en el laboratorio.

Δh para cada ensayo (cm) Δh manométrica (cm) T (°C) T (K)

Referencia 0 22,0 73,3 346,5

2 15,4 77,1 350,3

2 13,5 78,3 351,5

2 9,0 80,1 353,3

2 4,8 82,0 355,2

2 0,5 84,2 357,4

2 0,0 84,7 357,9Tabla 1. Datos experimentales para el n-propanol.

Datos obtenidos en el laboratorio.

Δh para cada ensayo (cm) Δh manométrica (cm) T (°C) T (K)

Referencia 0 28,0 73,6 346,8

3,2 20,4 79,3 352,5

3 13,0 84,0 357,2

3 5,9 87,8 361,0

3 0,0 90,8 364,0Tabla 2. Datos experimentales para el agua.

Datos necesarios en los cálculos.

g (m/s^2) 9,806

ρ mercurio (kg/m^3) 13579

Presión atmosférica de Bogotá (kPa) 74,64

R (J /mol*K) 8,314Valor de ∆ H vap para el propanol de literatura (kJ/kg) 2728.3

Valor de ∆ H vap para el agua de literatura (kJ/kg) 2278,6Tabla 3. Datos y constantes en los cálculos.

5. MUESTRA DE CÁLCULOS.

Se calcula la presión del sistema que será igual a la presión de vapor de la sustancia según las siguientes ecuaciones:

PVapor=Patm−Pmanometrica

PVapor=Patm−ρg∆h

Para el primer ensayo del propanol presentado en la tabla 1 tenemos:

PVapor=560mmHg−(9,8 ms2∗13579 kgm3∗0,22m)

( 7601000∗101.3 )

=340,221mmHg

Este será un punto en nuestras graficas, pero antes debemos hallar los valores numéricos de las coordenadas de la siguiente manera:

ln PVapor=ln 45,348kPa=5,8296

1T (K )

= 1346,5(K )

=0,0029 1K

Según la ecuación de Clausius-Clapeyron podemos obtener el valor para ∆ H vap si tomamos los datos de temperatura a diferentes presiones, con el objetivo de graficar este fenómeno, se recomienda hacer un ajuste lineal de la grafica:

ln PVapor=−∆ H vap

RT+B

Siendo la variable independiente (1/T) se puede observar que la pendiente de la recta para el ensayo con n - propanol es:

m=−∆ H vap

R=−5305,4

El intercepto es B.

Despejando ∆ H vap para el propanol es:

−∆ H vap=R∗−5305,4 (K )=8,314( Jmol∗K )∗5305,4 (K )=44109,2 J

mol

∆ H vap=44109,2

Jmol

58kgkgmol

=735,15kJkg

6. TABLAS DE RESULTADOS.

Presión manométrica (mm Hg)

Presión de vapor del propanol (mm Hg) Ln(Pvap) del propanol 1/(T (K))

219,779 340,221 5,8296 0,0029153,845 406,155 6,0067 0,0029134,365 425,635 6,0536 0,002889,910 470,090 6,1529 0,002847,952 512,048 6,2384 0,00284,995 555,005 6,3190 0,00280,000 560,000 6,3279 0,0028

Tabla 4. Resultados para el experimento con n-propanol.

Presión manométrica (mmHg)

Presión de vapor del agua (mm Hg) Ln(Pvap) del agua 1/(T (K))

279,7 280,281 5,6358 0,0029203,8 356,205 5,8755 0,0028129,9 430,130 6,0641 0,002858,9 501,059 6,2167 0,00280,0 560,000 6,3279 0,0027

Tabla 5. Resultados para el experimento con agua.

Constantes de AntoineSustancia A B C

n -propanol 7,6192 1375,14 193,01

Agua 7,96687 1668,21 228

Tabla 6. Constantes de Antoine.

Con las constantes de Antoine podemos hallar los errores experimentales, evaluando la ecuación de Antoine en las temperaturas medidas.

Tabla 7. Error de las presiones de vapor para el propanol.

T (°C)Presión de vapor del

agua (mm Hg)Presión de vapor del agua

teórica (mm Hg) Error (%)73,6 280,281 272,690 2,78%79,3 356,205 345,355 3,14%84,0 430,130 416,911 3,17%87,8 501,059 483,483 3,64%90,8 560,000 542,114 3,30%

Tabla 8. Error de las presiones de vapor para el agua.

Sustancia H vap (kJ/kg) H vap teórica (kJ/kg) Error (%)Propanol 735 687 6,99%

Agua 2349,91 2260 3,98%Tabla 9. Error de los calores de vaporización para los 2 ensayos.

T (°C)Presión de vapor del propanol (mm Hg)

Presión de vapor del propanol teórica (mm Hg) Error (%)

73,3 340,22 343,209 0,87%77,1 406,15 405,698 0,11%78,3 425,64 427,288 0,39%80,1 470,09 461,451 1,87%82,0 512,05 499,934 2,42%84,2 555,01 547,768 1,32%84,7 560,00 559,149 0,15%

7. GRAFICAS.

Grafica 1. Ecuación lineal de la presión de vapor del propanol.

Grafica 2. Ecuación lineal de la presión de vapor del agua

8. ANALISIS DE RESULTADOS.

Tras concluir los cálculos realizados a los datos obtenidos en la práctica, podemos ver que los resultados son muy cercanos a los valores que encontramos en la literatura, tanto para el propanol como para el agua. Esto se ve reflejado con los cálculos de error que relacionan los datos experimentales con los datos de la literatura, así podemos ver que para el propanol se tiene un error que no supera el 2,5% en los 7 puntos tomados y de igual forma para el agua no superan el 4%, estos resultados muestran la cercanía entre estos datos y que evidencian la posible ausencia de errores procedimentales significativos durante el desarrollo de la práctica o suposiciones iniciales, como por ejemplo el comportamiento ideal de las sustancias. Según lo anterior podemos decir que la desviación del comportamiento ideal es inferior al 4%, lo reafirma la pertinencia de la suposición inicial.

Adicional a esto, teniendo en cuenta las gráficas realizadas (Ln (Psat) vs 1/T), con los datos experimentales podemos ver que los puntos se pueden ajustar a una línea recta, lo cual era de esperarse ya que coincide con la ecuación de Clausius -

Clapeyron que se mostró anteriormente, donde la pendiente es igual a m=−∆ H vap

R

y el punto intercepto B. Debido a esta precisión en los datos, no se requirió descartar alguno de ellos para realizar los cálculos, confirmando con todo esto el buen desempeño tanto del sistema como de la práctica en general.

Finalmente, se realizó las graficas teóricas del modelo de Clausius – Clapeyron utilizando las constantes de Antoine (ver tabla 6) teniendo en estos puntos graficados la referencia para observar gráficamente la dispersión de nuestros datos, nuevamente verificamos que los puntos se acercan bastante e incluso algunos se yuxtaponen.

Con respecto al calor de vaporización hallado podemos afirmar que los errores obtenidos en la tabla 9 son tolerables, ya que no exceden el 10 %, siendo mejor el resultado para el ensayo del agua.

9. CONCLUSIONES.

El punto de ebullición tanto del propanol como del agua aumentó con el incremento en la presión del sistema.

Se identificó que la energía necesaria para hacer cambiar una sustancia liquida a estado gaseoso es la entalpia de vaporización.

Las presiones de vapor halladas son precisas con respecto al modelo de Antoine.

10. SUGERENCIAS

Con el fin de que los resultados de la práctica de laboratorio fuesen mejores, sería muy bueno que en el sistema usado no se presenten fugas, lo cual evitaría que la presión leída por el manómetro no disminuyera sin haberse abierto la válvula apropiada para tal fin.

La escala que se encuentra marcada sobre el papel milimetrada debería coincidir con los meniscos cóncavos que presenta el mercurio cuando la presión dl sistema es la misma atmosférica.

11. BIBLIOGRAFIA

PERRY & GREEN. Manual del Ingeniero Químico. Séptima edición. Editorial McGraw Hill.

LEVINE, Ira. Fisicoquímica. Vol. 1. Quinta edición. Editorial McGraw-Hill: Madrid, España. 2002.

SHOEMAKER, David. GARLAND, Carl. Experiments in Physical Chemistry. Tercera Edición. Mc-Graw Hill. Estados Unidos de América. 1962. 725 pags.

HOUGEN, Olaf. Principios de los procesos químicos Vol. 1. Editorial Reverte: Barcelona, 1982.

UNAL-Sede Manizales. Guía de presión de vapor.http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4090006/html/pages/lab_5.htm 28/03/2010 - Hora: 15:22