CIENCIA    BÁSICA

EXPERIMENTAL    PARA

ESTUDIANTES    DE

INGENIERÍA    QUÍMICA

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Construcción de un Diagrama de Fases

(Determinación de los cambios de estado

de un líquido y una solución a presión ambiente y a presión disminuida)

 


 
 
 
Por: Angélica María Castillo Carrasco
30 de enero de 2003

RESUMEN

Se determinó experimentalmente; los cambios en los estados de agregación de un líquido puro y que presenta éste al calentarse o enfriarse y variando la presión, se propuso así mismo determinar los cambios de estado del mismo liquido bajo la influencia de un soluto, para construir su diagrama de fases,  la experimentación fue parcial, lográndose la determinación solamente para el líquido puro.

INTRODUCCIÓN                                                                                                                           

            La ebullición y la congelación son ejemplos de cambios de fase que ocurren sin ningún cambio en la composición, es decir la tendencia del sistema a temperatura y presión constantes a desplazarse hacia valores menores de la función de Gibbs de un sistema es la misma que el potencial químico, de forma que la tendencia de cambio es en la dirección de la disminución del potencial químico, esto es, estas formas alternas de expresar la dirección se originan todas en la tendencia del universo a un desorden mayor, por lo que la entropía del mismo aumenta.  La función de Gibbs y el potencial químico no son otra cosa que la entropía total encubierta. De aquí la importancia del potencial químico como función de la temperatura, la presión y la concentración, y que es la propiedad en la que se basan casi todas las aplicaciones más importantes de la termodinámica a la química. Por lo tanto determinar los puntos de equilibrio para un sistema puro nos permite conocer su comportamiento en el estado puro y detectar  fácilmente si un sistema está conformando una solución debido a la aparición de variaciones de sus propiedades físicas respecto al estado puro.

El problema resulta pues determinar las propiedades físicas de un sistema puro y de una solución a las condiciones de la Ciudad de México debido a la diferencia de presión con respecto a nivel del mar o también a las llamadas condiciones estándar y a otras condiciones de presión reducida generadas por un equipo de vacío.

La hipótesis indica que a la presión de la Ciudad de México (523 mm. Hg.), la temperatura de  congelación del agua pura es 0°C y la de ebullición 90°C. 

PRESENTACIÓN TEÓRICA

           DIAGRAMA DE FASE: Cualquier sustancia puede existir en más de un estado o fase de la materia. El equilibrio entre las fases es dinámico; esto es, que existe una transferencia continua de partículas de una fase a la otra. El equilibrio en este sistema dinámico se presenta cuando la velocidad de transferencia entre las fases es similar. El cambio de la materia de un estado a otro se denomina cambio de fase. Las conversiones de un sólido a líquido (fusión), de un sólido a gas (sublimación), o de un líquido a gas (vaporización) son todos procesos endotérmicos; es decir, que la entalpía de la fusión, sublimación o vaporización es positiva. El proceso inverso, la conversión de un líquido a sólido (congelación), de un gas a sólido (deposición) o de un gas a líquido (condensación) son todos procesos exotérmicos, en esta forma los cambios de entalpía para estos procesos son negativos.

El estado físico de una sustancia depende no sólo de las fuerzas de atracciones intermoleculares inherentes, sino también de la temperatura y la presión. Ahora que hemos examinado cada estado, podemos concluir nuestra discusión considerando la temperatura y la presión a la cual las diferentes fases de una sustancia pueden existir. Tal información se puede resumir en un diagrama de fase. La forma general para este tipo de diagramas para una sustancia simple que presenta tres fases es muy similar a la del agua, la cual se representa por la figura siguiente:

Este diagrama contiene tres curvas importantes, cada una de las cuales representa la condición de temperatura y presión a la cual las diferentes fases pueden coexistir en equilibrio. La línea de B a C es la curva de la presión de vapor del líquido. Representa el equilibrio entre las fases líquida y gaseosa a diferentes temperaturas. Esta curva termina en C, el punto crítico. La temperatura en este punto es la Temperatura crítica; la temperatura arriba de la cual la sustancia no puede existir como líquido está relacionada con la presión que se le aplique. A esta temperatura las fases líquidas y gaseosas se vuelven indistinguibles. La presión a temperatura crítica es la presión crítica. Más allá del punto crítico la sustancia se describe como un líquido supercrítico. El punto en la curva BC en donde el equilibrio de la presión de vapor es 1 atm, es por supuesto el punto de ebullición normal de la sustancia.

            La línea AB representa la variación en la presión de vapor del sólido en función de la temperatura.

La línea de B a D  representa el cambio en el punto de fusión del sólido con el aumento de presión. Esta línea se inclina ligeramente hacia la derecha a medida que la presión aumenta; la mayoría de los sólidos se expanden por encima de su punto de fusión y aumentando la presión se favorece la formación de la fase sólida más densa.

El punto B, donde se juntan las tres curvas, se conoce como punto triple.  Este punto se da cuando la presión de vapor de la forma sólida de una sustancia es igual a la presión de vapor de sus estado líquido, las tendencias a escapar (fugacidades) de los dos estados son idénticas. En este caso, no hay tendencia a cambiar de un estado a otro, y ambos estados pueden existir juntos en equilibrio con su vapor, durante un periodo indefinido de tiempo. Esto ocurre si:

1.- La temperatura es constante y

2.- la gráfica de log P contra 1/T para el sólido, produce una línea que intersecta la línea de una gráfica análoga para el estado líquido. El punto de intersección es el punto triple.

 

PRESIÓN DE VAPOR: Las presiones de vapor de los líquidos aumentan en proporción no lineal en relación con la temperatura. La ebullición se presenta cuando la presión de vapor iguala a la presión que se ejerce externamente. El punto normal de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a 1 atm.

DISEÑO EXPERIMENTAL

MATERIAL SUSTANCIAS
Tubo de ensayo Agua tridestilada
Matraz erlenmayer Agua destilada
Mangueras Hielo
Tubos de vidrio Sal de cocina
Parrilla de calentamiento  
Tapón  
Termómetro  
Bomba de Vacío  
Vasos de precipitados de 400 ml  
Soporte universal  
Pinza de tres dedos con nuez  

METODOLOGÍA:

            PARA DETERMINAR LAS TEMPERATURAS DE FUSIÓN: Se lavó el tubo de ensayo, el matraz y los tubos de vidrio perfectamente, con el fin de que quedaran sin contaminantes y no variaran los resultados.

            En el soporte universal, se sujetó con la pinza de tres dedos el tubo de ensayo lleno unas tres cuartas partes con agua tridestilada. Al tubo se le puso un tapón con dos orificios, en uno de ellos se introdujo un termómetro y en el otro se puso un tubo de vidrio. En un vaso de precipitados con hielo y sal se introdujo el tubo de ensayo, esto es con el fin de determinar la temperatura de fusión a presión ambiente.

            Al mismo dispositivo se le conectó una manguera al tubo de vidrio y ésta se conectó a su vez a otro tubo de vidrio introducido en un orificio de otro tapón perforado. Con este nuevo tapón se selló perfectamente el matraz erlenmayer, el cual se introdujo en un recipiente con hielo. En el otro orificio del tapón, se puso otro tubo de vidrio y otra manguera, ésta se conectó a la bomba de vacío.

            Se hizo funcionar la bomba, se ajustó a presiones (manométricas) de 320, 270, 150 y 70. Por lapsos pequeños de tiempo se agitó el sistema y se tomaron las lecturas justo cuando el agua se congelaba y  la temperatura se mantenía estable.  

            PARA DETERMINAR LAS TEMPERATURAS DE EBULLICIÓN: Se lavó el tubo de ensayo, el matraz y los tubos de vidrio perfectamente, con el fin de que quedaran sin contaminantes y no variaran los resultados.

            En el soporte universal, se sujetó con la pinza de tres dedos el tubo de ensayo lleno unas tres cuartas partes con agua tridestilada. Al tubo se le puso un tapón con dos orificios, en uno de ellos se introdujo un termómetro y en el otro se puso un tubo de vidrio. En la parrilla de calentamiento se puso un vaso de precipitados con agua (aproximadamente unas tres cuartas partes) y en éste se introdujo el tubo de ensayo. Se tomó la lectura a presión ambiente hasta que el agua del sistema experimental despendió la primera burbuja al ebullir.

            De nueva cuenta se montó el dispositivo anterior (la trampa), con la diferencia de que el tubo de ensayo es sumergido en un baño maría. La bomba se volvió a ajustar a presiones manométricas de 320, 270, 150 y 70. Se agitó el sistema por lapsos cortos de tiempo y las lecturas fueron tomadas cuando el agua  ebullía y la temperatura se mantenía constante.

 RESULTADOS EXPERIMENTALES

PRESIÓN MANOMÉTRICA

PRESIÓN ABSOLUTA

TEMP. FUSIÓN

(°C)

  523 0
70 453 0.5
150 373 0.7
270 253 -1.0
320 203 -1.3
     

PRESIÓN MANOMÉTRICA

PRESIÓN. ABSOLUTA

TEMP. EBULLICIÓN

(°C)

  523 92
70 453 90
150 373 85
270 253 74
320 203 68

DISCUSIÓN DE RESULTADOS y CONCLUSIÓN

La temperatura de fusión que obtuvimos experimentalmente es la temperatura que se esperaba, mientras que la temperatura de ebullición fue próxima a la  establecida que es de 90°C. Con este experimento se demostró que el agua puede cambiar de estado y a su vez, conseguir ese equilibrio entre los tres estados (sólido, líquido y gas). Por lo tanto los resultados fueron satisfactorios

BIBLIOGRAFÍA

  • PIERCE, James B. “Química de la materia”. 1987 UNAM. Pág. 268-274, pp. 829

  • CASTELLAN, W. “Fisicoquímica”. 2ª. Edición en español. México, 1998. pp.1057

  • BROWN, Theodore L. “Química, la ciencia central”. Ed. Prentice Hall Hispanoamericana, S.A. 1987. Pág. 326-329, pp. 893.

 

 

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