EQUILIBRIO SÓLIDO-LÍQUIDO-VAPOR CONSTRUCCIÓN DE UN DIAGRAMA DE FASES

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Sergio Vidal Toro
hace 6 años
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1 EQUILIBRIO SÓLIDO-LÍQUIDO-VAPOR CONSTRUCCIÓN DE UN DIAGRAMA DE FASES I. OBJETIVO GENERAL Interpretar el diagrama de fases de una sustancia pura, construido a partir de datos de presión y temperatura obtenidos a través de diferentes métodos. II. OBJETIVOS PARTICULARES a. Comprender la información que proporcionan la regla de las fases de Gibbs y la ecuación de Clausius-Clapeyron. b. Distinguir los equilibrios entre las diferentes fases (sólido, líquido, vapor). c. Deducir las propiedades termodinámicas involucradas en la transición de fases. III. PROBLEMA Construir el diagrama de fases del ciclohexano a partir de datos obtenidos en la literatura, experimentales y calculados. IV. CUESTIONARIO PREVIO 1. Expresar la regla de las fases de Gibbs y explicar qué información proporciona en la construcción de un diagrama de fases. 2. Definir los conceptos de componente, fase y grado de libertad. 3. Escribir las ecuaciones de Clapeyron y Clausius-Clapeyron, indicar el significado de los términos que aparecen en ellas y explicar en qué casos de equilibrio de fases se aplica cada una. 4. Explicar qué representa el punto triple en un diagrama de fases. Proporcionar dos ejemplos. 5. Definir los términos siguientes: temperatura de fusión, temperatura de ebullición, temperatura crítica, presión crítica, entalpía de fusión, entalpía de vaporización. 6. Investigar en la literatura los datos siguientes para el ciclohexano: temperatura de fusión normal, temperatura de ebullición normal, temperatura crítica, presión crítica, entalpía de fusión, entalpía de vaporización, densidad de la fase sólida y densidad de la fase líquida. 1

2 V. MATERIAL, EQUIPO Y REACTIVOS. 1 Manómetro de mercurio 1 Matraz bola 1 L con tapón trihoradado 1 Bomba de vacío 2 varillas de vidrio 1 Sistema de destilación fraccionada o simple 2 Mangueras de látex 1 Termómetro de mercurio de 1 a 101 C 1 Soporte universal con pinza Tubo de ensaye de 12 x 150 mm ó 15 ml con 1 Recipiente para baño de hielo tapón y termómetro Hielo 1 hielera de unicel de 10 L Sal de cocina en grano 1 Tubo de ensaye de 12 x 150 mm (15 ml) con Ciclohexano tapón VI. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL A. Determinación del punto triple 1. Colocar en un matraz bola aproximadamente 200 ml de ciclohexano e introducir un tapón al que se encuentren adaptados un termómetro y dos mangueras de látex. Conectar una de las mangueras a una bomba de vacío y la otra a un manómetro de mercurio (ver figura 2). termómetro vacío 60 cm manómetro Mezcla frigorífica hexano Figura 2. Equipo para la determinación de los equilibrios líquido-sólido-vapor. 2. Determinar la presión manométrica y la temperatura antes de accionar la bomba de vacío. 3. Introducir el matraz dentro de un baño formado por hielo, agua y sal (mezcla frigorífica) y accionar la bomba. Registrar todos los valores posibles de presión y temperatura en que se presenten los equilibrios líquido-vapor, líquido-sólido-vapor y líquido-sólido (en este último caso, registrar datos inclusive por debajo de 0 C). 2

B. Punto de ebullición a 586 mmhg Instalar un sistema de destilación como el que se muestra en la figura 3 y determinar la temperatura de ebullición a la presión atmosférica. C.

3 B. Punto de ebullición a 586 mmhg Instalar un sistema de destilación como el que se muestra en la figura 3 y determinar la temperatura de ebullición a la presión atmosférica. C. Punto de fusión a la presión a 586 mmhg En un tubo de ensayo se ponen 2 ml de ciclohexano, se introduce un termómetro y todo esto a su vez a un baño de hielo con sal. Se determina la temperatura para el equilibrio líquido sólido a la presión del lugar. Realizar una curva de enfriamiento (gráfica de T/ o C vs. t /min) Preguntas del procedimiento experimental. 1. Cuál es la función de la bomba de vacío en el experimento A? 2. Explica, con la ayuda de un esquema, cómo se lee la presión utilizando un manómetro de mercurio? 3. Qué es y para qué sirve una mezcla frigorífica? 4. Por qué el experimento B se hace en un sistema abierto? Qué pasaría si se cierra el sistema? 5. En que valor de temperatura esperas encontrar el punto de ebullición del experimento B (menor o mayor que la temperatura de ebullición normal)? 6. Porqué se requiere un baño de hielo con sal en el experimento C? 7. En que valor de temperatura esperas encontrar el punto de fusión del experimento C (menor o mayor que la temperatura de fusión normal)? 8. Para que sirve la curva de enfriamiento? 3

4 VII. DATOS, CÁLCULOS Y RESULTADOS 1. Completar la tabla 1 con los datos experimentales, reportados y calculados. Tabla 1. Datos experimentales, reportados y calculados, para las diferentes transiciones de fase. A. Equilibrio Líquido-Vapor P mmhg T o C Propiedad * a * a Punto crítico 900 Punto de ebullición l a 900 mmhg 760 * a Punto de ebullición normal 700 Punto de ebullición a 700 mmhg 600 Punto de ebullición a 600 mmhg 586 * b Punto de ebullición a 586 mmhg 500 Punto de ebullición a 500 mmhg 400 Punto de ebullición a 400 mmhg 300 Punto de ebullición a 300 mmhg 200 Punto de ebullición a 200 mmhg 150 Punto de ebullición a 150 mmhg 100 Punto de ebullición a 100 mmhg 50 Punto de ebullición a 50 mmhg * b * b Punto triple Entalpía de Vaporización ( H v ) * a en J mol -1 Entalpía de Vaporización ( H v ) Calculado de datos experimentales en J mol -1 * a Datos obtenidos de la literatura, * b Datos obtenidos experimentalmente B. Equilibrio Sólido-Vapor P mmhg T o C Propiedad * b * b Punto Triple 5 Sublimación a la presión X Entalpía de Sublimación ( H s ) en J mol -1 Calculado a partir de H f y H v Entalpía de Sublimación ( H s ) en J mol -1 a partir de H f y H v experimentales 4

5 C. Equilibrio Sólido-Líquido P mmhg T o C Propiedad 900 * a * a Punto de fusión normal * b Punto de fusión a 586 mmhg * b * b Punto triple Entalpía de fusión ( H f ) Literatura en J mol -1 Entalpía de fusión ( H f ) a partir de datos experimentales en J mol Algoritmo del cálculo a. Indicar el cálculo realizado para la determinación de las entalpías de vaporización, fusión y sublimación (incluir las hojas que sean necesarias) b. Para el equilibrio L-V calcular la temperatura (T 2 ) para la presión de 700 mmhg c. Para el equilibro S-V calcular la presión (P 2 ) para la temperatura de 0 o C 5

6 d. Para el equilibrio S-L determinar la temperatura (T 2 ) para la presión de 650 mmhg 3. Elaboración de gráficas. Con los datos registrados en la Tabla 1 trazar el diagrama de fases para el ciclohexano utilizar la presión (mmhg) y la temperatura en K. VIII. ANÁLISIS DE RESULTADOS Para llevar a cabo el análisis de resultados, se puede reflexionar sobre las preguntas siguientes, además de todos los puntos que los alumnos consideren importantes mencionar. 1. Explicar qué significan las líneas obtenidas en el diagrama de fases 2. Especificar qué signo (positivo, negativo) presenta la entalpía en los diferentes cambios de fase y explicar si es congruente con lo esperado. 5. Comparar los valores teóricos con los experimentales para los distintos equilibrios de fases y explicar si existen diferencias significativas, indicando qué factores pudieron originarlas. IX. CONCLUSIONES (recordar que las conclusiones se basan en los objetivos) X. REFERENCIAS CONSULTADAS. 6

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