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1/6 UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA INSTITUTO DE QUÍMICA DEPARTAMENTO DE FÍSICO QUÍMICA DISCIPLINA: FISICO-QUÍMICA A – QUIA15 EXPERIMENTO: DETERMINAÇÃO DA PRESSÃO DE VAPOR DE UM LÍQUIDO PURO A DIFERENTES TEMPERATURAS. 1. OBJETIVOS: - Determinar a pressão de vapor do líquido utilizando um processo dinâmico - Estabelecer a dependência da pressão de vapor de um líquido com a temperatura - Determinar o calor de vaporização do líquido. 2. INTRODUÇÃO: A entalpia de vaporização pode ser determinada a partir de medidas calorimétricas diretas ou através da determinação indireta usando a equação de Clapeyron. Esta equação relaciona a pressão de vapor, p, de um líquido com a temperatura T, como é mostrado abaixo: ( ) (1) lg vapVVT H dT dp − ∆ = Em que, vapH∆ : entalpia molar de vaporização gV : volume molar do vapor lV : volume molar do líquido 2/6 Considerando na equação (1) que: a) lg VV >> b) O vapor apresenta comportamento ideal, ou seja, pRTV g = c) vapH∆ independe da temperatura no intervalo considerado então, obtemos a seguinte forma integrada, em que C é uma constante: (2) 1ln C TR Hp vap +∆−= Esta equação mostra que um gráfico do logaritmo natural dos valores experimentais de p em função do inverso da temperatura deve ser uma linha reta em que o coeficiente angular fornece o valor de RH vap∆− O conhecimento da entalpia de vaporização de líquidos é de grande importância em muitos cálculos termodinâmicos. Em particular, os valores de ∆ Hvap são empregados para obter, de uma forma aproximada, os valores da energia coesiva molar. Nas fases condensadas, cada molécula tem uma considerável energia potencial negativa resultante das forças atrativas entre as moléculas chamadas energia coesiva molar (-U). Esta é, portanto, a energia associada a todas as interações moleculares em 1 mol do material. Ela representa a energia necessária para afastar as moléculas umas das outras no momento da passagem do estado líquido (ou sólido) para o estado gasoso ideal. Desta forma, temos que: (3) dV V UUU V V T vap vapor ∫ ∞= ∂ ∂ +∆=− O primeiro termo da equação (3) representa a energia requerida para vaporizar o líquido até seu vapor saturado. O segundo termo é a energia requerida isotermicamente para expandir o vapor saturado até volume infinito. A relação ( )TVU ∂∂ é denominada de pressão interna. Para temperaturas abaixo do ponto normal de ebulição o segundo termo pode ser negligenciado de modo que: (4) vapUU ∆≅− 3/6 A energia de vaporização, vapU∆ relaciona-se com a entalpia de vaporização, vapH∆ , através da seguinte expressão: ( ) (5) VpvapHvapU ∆−∆=∆ Sob condições de pressão constante, p, e para uma variação de volume lg VV − , temos: ( ) (6) lg VVpvapHvapU −−∆=∆ Para um gás ideal, pRTV g = e considerando que lg VV >> , temos: (7) RTHUU vapvap −∆≅∆≅− A partir da energia coesiva molar pode-se determinar o parâmetro de solubilidade das substâncias e, assim, prever os solventes capazes de dissolver um determinado soluto. Desde que a dissolução é viável quando as forças de coesão entre as moléculas do solvente e entre as moléculas do soluto são semelhantes ou próximas entre si, os valores dos respectivos parâmetros de solubilidade devem também ser iguais ou próximos. Neste experimento será determinada a entalpia de vaporização de um líquido a partir do conhecimento da dependência de sua pressão de vapor com a temperatura. Utilizaremos então este valor para estimar a energia coesiva molar. 3. MATERIAIS E APARELHOS: - Balão de contenção do líquido em estudo - Bomba de vácuo - Aparelho de Boyle para ser utilizado como manômetro - Termômetro - Cabeçote de destilação bifurcado - Condensador de refluxo - Aquecedor ou manta de aquecimento - Reservatório estabilizador de pressão - Fragmentos de porcelana porosa - Água destilada - Borracha para vácuo. 4/6 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL A aparelhagem empregada na determinação da pressão de vapor de um líquido puro já se encontra montada no laboratório e é mostrada na Figura 1. Figura 1: Aparelhagem para determinação da pressão de vapor de líquidos A referida aparelhagem foi previamente vedada e as ligações entre os tubos foram feitos com tubos de borracha para vácuo, e as extremidades dos tubos estão tão próximos quanto possível. No balão de destilação contém 100 mL de água destilada, dois a três fragmentos de porcelana porosa, o bulbo do termômetro está na altura da saída para o condensador e envolto em uma camada fina de algodão. 4.1. Ligue o agitador magnético e o aquecedor (B) na posição 4. 4.2. Ligue a bomba (G) e feche a pinça (P). A pressão do sistema diminuirá e o manômetro acusará a diferença em relação à pressão ambiente. Certifique-se de que a água de refrigeração está circulando livremente pelo condensador. 4.3. Usando o parafuso de regulagem da bomba diminua a pressão lentamente até o mínimo possível. A pressão deverá se manter constante; caso contrário verifique onde está ocorrendo vazamento e elimine-o. 4.4. Aguarde que o líquido entre em ebulição. Observe a elevação de temperatura no termômetro (C). O equilíbrio líquido-vapor estará estabelecido quando a temperatura permanecer constante. Observe isto pelo menos por 2 minutos. 5/6 4.5. Anote esta temperatura e as alturas das colunas de mercúrio do manômetro. 4.6. Abra lentamente o parafuso de regulagem da bomba para aumentar a pressão. Varie a altura da coluna de mercúrio de 1,0 cm. 4.7. Repita os procedimentos (g) e (h). 4.8. Repita os procedimentos (i), (g) e (h) para outros valores de pressão variando a altura da coluna de mercúrio de 1cm, 1cm, 2cm, 2cm, 3cm, 3cm, 4cm. 4.9. Após a última leitura, abra lentamente o parafuso da bomba ao máximo e posteriormente a pinça (H) para que o sistema retorne à pressão atmosférica. Desligue a bomba. 4.10. Determine a pressão ambiente com o barômetro. (Veja instruções a seguir) 4.11. Feche a torneira da água de refrigeração. DETERMINAÇÃO DA PRESSÃO AMBIENTE: A determinação da pressão ambiente é feita com o barômetro (Figura.2). Consiste de um tubo de vidro fechado em uma das extremidades (A), Reservatório de mercúrio (B), Mergulhador (C), Regulador da altura do mergulhador (D), Pino de referência da altura do mercúrio no reservatório (E) e Escala com Vernier (F). Figura 2 Para obtermos o valor da pressão ambiente devemos adotar o seguinte procedimento: 1) Ler a temperatura ambiente no termômetro acoplado ao barômetro. 2) Ajustar a altura do mercúrio no reservatório de forma a apenas tocar o pino “E”. 3) Efetuar a leitura da altura da coluna de mercúrio no tubo. 4) Corrigir a leitura para 0 oC, usando o gráfico afixado ao lado do barômetro. 6/6 5. TRATAMENTO DE DADOS 5.1. Correção da leitura barométrica: considerando que a densidade do mercúrio varia com a temperatura como também a coluna de vidro que contém o mercúrio, alterando as distâncias entre suas divisões. Aplica-se uma correção tendo como temperatura referencial 0 oC para ambos os casos, aplicando-se a seguinte equação: P(atmosférica local) = P(barométrica) - (Fator de Correção) 5.2. Cálculo da Pressão de Vapor do Líquido O valor da pressão lida no aparelho de Boyle é dada como ∆h = H(altura maior) - h (altura menor)em cm/Hg. Esse valor é transformado em mmHg e a pressão de vapor do líquido é obtida subtraindo da pressão atmosférica local o valor correspondente do ∆h em mmHg. P(vapor do líquido) = P(atmosférico) - ∆h 5.3. Correção da temperatura lida A medida precisa da temperatura exigiria que todo o corpo do termômetro estivesse na temperatura em que se encontra o bulbo. Normalmente, parte do corpo do termômetro encontra-se a uma temperatura diferente da do bulbo, o que introduz um erro na temperatura medida devido às diferentes temperaturas que estão sujeitos o vidro e o mercúrio da parte do corpo exposta ao ar e ao vapor (bulbo), A grandeza exata só pode ser determinada experimentalmente, porém, para fins práticos a temperatura pode ser corrigida aplicando-se a seguinte equação: ( )MoEoc TTxTxTT −+= −4106,1 em que: Tc = temperatura corrigida To = temperatura observada TE = comprimento da coluna de mercúrio exposta no ar expresso em 0 oC. TM = temperatura ambiente. 1,6 x 10-4 = coeficiente aparente de expansão do mercúrio e vidro. 7/6 5.4. Construção da Tabela Organize um quadro, com os valores da temperatura centesimal, temperatura absoluta, pressão de vapor (mmHg) e o logaritmo da pressão. 5.5. Determinação da entalpia de vaporização a- Trace a curva experimental PH2O versus T. Com os valores citados na literatura, construa, sob o mesmo gráfico, uma curva PH2O. Faça uma análise comparativa entre as duas. b- Trace a curva experimental de 1nP versus l/T. Dê a expressão analítica da dependência da pressão de vapor de água com a temperatura. c- Determine a entalpia molar de vaporização da água. Compare com o valor citado na literatura e discuta a respeito das fontes de erro na sua determinação. d- Determine o fator de compressibilidade para a água nas temperaturas e pressões mais altas e mais baixas do experimento. Comente a validade da hipótese do vapor d’água apresentar comportamento ideal. 5.6. Determinação da energia coesiva molar A partir da equação (7) usando os dados do experimento e o citado na literatura. 6. DISCUSSÃO DO TRATAMENTO DE DADOS TÓPICOS PARA DISCUSSÃO 6.1. Esboce em um diagrama p x T os caminhos dos processos realizados, identificando a(s) fase(s) presente(s) e o grau de liberdade dos sistemas 6.2. Dependência da pressão de vapor com a temperatura e pressão 6.3. Porque é necessária a adição de fragmentos de porcelana porosa no sistema? 6.4. Posição do termômetro foi adequada? 6.5. Porque é preciso envolver o bulbo do termômetro com uma fina camada de algodão comum? 6.6. Explique a necessidade da correção da pressão barométrica e da temperatura lida. 7. CONCLUSÃO BIBLIOGRAFIA 1. DANIELS, F. Curso de Físico Química Experimental, 7a. Ed. Libros McGrauw-Hill de México, 1972. 2. RANGEL, R. Práticas de Físico Química, vol. 1, São Paulo, 3ª Ed., 2006. 8/6 3. BUENO, W.A., Manual de Laboratório de Físico Química, Editora McGraw-Hiil do Brasil, 1980. 4. WHITE, J.M. - Physical Chemistry Laboratory Experiments, New Jersey, Prentice- Hall, 1975. 5. LIVINGSTON, R. - Physico Chemical Experiments, 1a. Ed. McMillan Company, 1939.
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