02 Experimento pressão de vapor - Arley

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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA ANALÍTICA
QUI A15 – FÍSICO QUÍMICA A
ARLEY THALMO AMADO FAGUNDES
LUCAS OLIVEIRA
MARCOS VENICIO BARREIROS DE ALMEIDA
DETERMINAÇÃO DA PRESSÃO DE VAPOR DE UM LÍQUIDO PURO EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA
Salvador
Junho 2010
UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
QUI A15 – FÍSICO QUÍMICA A
ARLEY THALMO FAGUNDES
LUCAS OLIVEIRA
MARCOS VENICIO BARREIROS DE ALMEIDA
RELATÓRIO DA PRÁTICA EM LABORATÓRIO
SOBRE
DETERMINAÇÃO DA PRESSÃO DE VAPOR DE UM LÍQUIDO PURO EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA
Trabalho apresentado ao curso de Engenharia Química da Universidade Federal da Bahia como parte da avaliação Prática da disciplina Físco Química A– QUI A15.
Professor Orientador: Ilma Cirne
Salvador
Junho 2010
1. OBJETIVOS DO EXPERIMENTO
Determinar a pressão de vapor do líquido utilizando um processo dinâmico;
Estabelcer a dependência da pressão de vapor de um líquido com a temperatura;
Determinar o calor de vaporização e a energia coesiva do líquido.
2. INTRODUÇÃO
A pressão de vapor é a pressão exercida pelo vapor de uma substância líquida no líquido quando ocorre o equilíbrio entre essas fases.A pressão de vapor é uma propriedade característica de líquidos e está relacionada diretamente com as forças de interação entre as moléculas que formam esse líquido e a temperatura do sistema. Quanto menor a pressão de vapor, maior são as forças de atração entre as moléculas e maior a temperatura necessária para se atingir o ponto de ebulição. Quanto maior a temperatura do sistema maior tende-se a ser a pressão de vapor.
A pressão de vapor é uma propriedade medida apenas no equilíbrio líquido-vapor. Ou seja, quando a quantidade de líquido vaporizado é igual a quantidade de vapor condensado. 
A entalpia, representada pelo símbolo H, não possui o valor absoluto conhecido, no entando é possível o cálculo da sua variação.
dH = dU + d(PV) (I)
No caso de uma mudança de fase, temos a pressão constante. Utilizando a equação com pressão constante e integrando, temos:
 (II)
Sabendo-se que: 
e 
. Substituindo em (II), temos para processos à pressão constante:
Ou seja, a varianção de entalpia encontrada para o procedimento corresponde a quantidade de calor necessária que ocorra a mudança de fase da substância utilizada.
A partir do valor da entalpia de vaporização é possível calcular o valor da energia coesiva molar. Nas fases líquida e sólida, as moléculas de cada substância interagem entre si através das forças de atração, essas forças geram uma energia potencial negativa, energia coesiva molar, que é a energia necessária para um mol de moléculas da substância passar do estado sólido ou líquido para o estado gasoso ideal.
A energia coesiva molar tem importante função na determinação da solubilidade de uma determinada substância num soluto específico, pois sabe-se que se a energia liberada no processo de solubilização for menor que a energia coesiva, a solubilidade da substância naquele determinado solvente é baixa. Ou seja, a partir dos valores da energia de coesão de uma substância e da energia liberada na sua solubilização num determinado soluto, sabe-se se ocorre ou não a dissolução.
3.PARTE EXPERIMENTAL
3.1 Material utilizado
Balão de contenção do líquido em estudo;
Bomba de vácuo;
Aparelho de Boyle para ser utilizado como manômetro;
3 Pinças de Mohr;
Termômetro;
Cabeçote de destilação bifurcado;
Condensador de refluxo;
1 bagueta (agitador magnético);
Placa de aquecimento com agitação magnética;
Reservatório estabilizador de pressão;
100 mL de água destilada;
Água para resfriamento do vapor;
Borracha para vácuo.
3.2 Procedimento
Todo o procedimento realizado foi de acordo com a imagem abaixo:
A referida aparelhagem foi previamente vedada e as ligações entre os tubos foram feitos com tubos de borracha para vácuo. Foi adicionado 100 mL de água destilada no balão de destilação e posicionou-se o bulbo do termômetro de forma que sua ponta fique submersa.
Ligou-se o agitador magnético, o aquecedor (B), a bomba de vácuo (G), fechou-se a pinça (P) e certificou-se de que a água de refrigeração estava circulando livremente pelo condensador. Utilizando o parafuso de regulagem da bomba diminuiu-se a pressão lentamente até o mínimo possível. O manômetro acusa a diferença de pressão em relação à pressão ambiente espera-se até que ele estabilize.
Aguardou-se que o líquido entrasse em ebulição observando a elevação de temperatura no termômetro (C). Após os 2 minutos necessários para garantir que a temperatura permanece constante, indicando que o equilíbrio líquido-vapor foi estabelecido. Anotou-se, então, a temperatura e as alturas das colunas de mercúrio do manômetro. Repetiu-se o procedimento após variar a altura da coluna de mercúrio (pressão do sistema) de 1 cm, 1cm, 1 cm, 2cm, 2cm, 3cm, 3cm e 4cm, respectivamente.
Abriu-se a lentamente o parafuso da bomba e posteriormente a pinça (H) para que o sistema retornasse à pressão atmosférica, desligou-se a bomba e repetiu-se o procedimento supracitado para a pressão ambiente.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
	Através dos dados obtidos experimentalmente, foi possível desenvolver a seguinte tabela:
	T(C°)
	T(K)
	H(mm)
	h(mm)
	∆H(mm)
	P.vap(mmHg)
	ln(P.vap)(mmHg)
	1/T(K)
	46,8
	319,8
	817
	146
	671
	89
	4,488636
	0,003127
	54,9
	327,9
	799
	147
	652
	108
	4,682131
	0,00305
	57,8
	330,8
	790
	156
	634
	126
	4,836282
	0,003023
	60,7
	333,7
	780
	167
	613
	147
	4,990433
	0,002997
	63,9
	336,9
	770
	177
	593
	167
	5,117994
	0,002968
	68
	341
	750
	198
	552
	208
	5,337538
	0,002933
	72,2
	345,2
	727
	221
	506
	254
	5,537334
	0,002897
	77,2
	350,2
	697
	251
	446
	314
	5,749393
	0,002856
	81,2
	354,2
	668
	280
	388
	372
	5,918894
	0,002823
	86,1
	359,1
	629
	320
	309
	451
	6,111467
	0,002785
	89,3
	362,3
	598
	352
	246
	514
	6,242223
	0,00276
	99,7
	372,7
	477
	477
	0
	760
	6,633318
	0,002683
Tabela 1: Dados obtidos durante a prática
	Inicialmente, iremos comparar os dados obtidos experimentalmente da variação da pressão de vapor da água em função da temperatura com os valores descritos pela literatura. Os valores teóricos obtidos se encontram na tabela abaixo:
	P.vap teorico(mmHg))
	T(°C)
	78,8
	47
	118,04
	55
	136,08
	58
	156,43
	61
	179,31
	64
	214,17
	68
	254,6
	72
	314,1
	77
	369,7
	81
	450,9
	86
	506,1
	89
	751,89
	99,7
Tabela 2: Valores teóricos obtido para a pressão de vapor da água em função da temperatura
�
O seguinte gráfico foi desenvolvido:
Gráfico 1: Pressão de vapor teórica e experimental em função da temperatura
Pode-se notar que as duas curvas ( valores experimentais e valores teóricos) praticamente coincidem. Portanto, a pressão de vapor,no experimento, variou de maneira esperada em função da temperatura.
	Iremos obter, então, qual a relação de dependência entre essas duas grandezas. Para isso, traçamos o gráfico do lnP.vap versus 1/T. Encontramos o seguinte:
Gráfico 2: Logaritimo neperiano da pressão de vapor em função do inverso da temperatura
A linha em azul representa os valores obtidos experimentalmente. Verifica-se, dessa forma, que a relação lnP versus 1/T mostra uma certa linearidade. Podemos obter a relação de dependência entre essas duas grandezas aplicando o método dos mínimos quadrados, encontrando a melhor reta que descreve essa relação. Obtivemos a seguinte função:
	Em seguida, determinamos o valor da entalpia molar de vaporização da água. Para isso, aplicamos a seguinte fórmula:
	Em outras palavras, a entalpia de vaporização da água é a derivada da reta obtida anteriormente multiplicada pela constante dos gases R.Então:
	O valor teórico esperado para essa grandeza (encontrado na literatura) é de 40,733kJ. O desvio do valor obtido experimentalmente para o valor teórico é o seguinte:
	Dessa forma, encontramos um baixo valor para o desvio entre os valores teórico e experimental.
	Para prosseguir com o cálculo do fator de compressibilidade da água, devemos inicialmente encontrar os valores da temperatura e pressão reduzidas da água para as maiores e menores pressões e temperaturas. Para isso, utilizamos a seguinte relação:
Os seguintes valores foram encontrados:
	
	Maiores valores
	Menores valores
	Tempr
	0,57591
	0,494167
	Pressaor
	0,004583
	0,000537
Tabela 3: Valores encontrados para as temperaturas e pressões reduzidas
Há uma grande dificuldade em se determinar o fator de compressibilidade para esses valores de uma forma bem exata, pois a temperatura reduzida é muito baixa. Podemos, entretanto, fazer uma análise aproximada. Como a temperatura reduzida se aproxima do valor 0,5 e a pressão do valor 0, o fator de compressibilidade da água obtido experimentalmente se aproxima bastante de 1. Vale lembrar que essa aproximaçãp foi feita com base na análise gráfica.
	O fator de compressibilidade próximo de 1 mostra que a água apresenta um comportamento ideal quando no estado de vapor. Ou seja, as atrações inter-moleculares e o volume das moléculas interferem bem pouco no volume ocupado quando comparado ao gás ideal.
Em seguida, determinamos o valor da energia coesiva molar da água. Esse valor é utilizado como parâmetro de solubilidade de substâncias, sendo possível, dessa forma, prever os solventes capazes de dissolver um determinado soluto. Obtemos essa energia através da seguinte equação:
Para os menores valores de pressão e temperatura, temos:
Para os maiores valores de pressão e temperatura, temos:
Os seguintes valores se referem ao valor teórico (literatura) da energia coesiva nas mesmas condições de pressão e temperatura acima:
Calculando um valor médio para as medidas experimentais e um para os valores teóricos, obtemos:
	
	Teórico(kJ)
	Experimental(kJ)
	Média
	-37,854
	-39,544
Tabea 4: Média da energia coesiva molar da água para os valores experimentais e teóricos
Obtemos, dessa forma, o seguinte desvio para o valor médio da força coesiva molar da água em relação ao valor teórico esperado:
Novamente encontramos um baixo valor para o desvio (<5%), o que mostra que o experimento foi realizado de maneira correta e que poucos erros interferiram na sua realização.
	Experimentos envolvem erros e incertezas associadas, mas comumente os erros são agravados por medições malfeitas. É impossível realizar uma análise que seja totalmente livre de erros. Entretanto, podemos minimizá-los e estimar grandezas com uma exatidão aceitável. No experimento, a determinação do calor molar de vaporização da água foi feito através de uma análise gráfica. Dessa forma, as principais fontes de erro estão justamente na determinação dos pontos pertencentes ao gráfico: 
Erros de leitura do operador tais como: medição da temperatura pelo termômetro e da pressão de vapor;
Não foi realizado o procedimento de correção da pressão atmosférica. Embora Salvador seja situada no nível do mar, o valor da pressão ambiente não é necessariamente 1atm. A utilização desse valor traz erros agregados ao experimento;
Não foi realizado o experimento de correção da temperatura. Uma medida exata da temperatura necessitaria que todo o corpo do termômetro estivesse à mesma temperatura que o bulbo. Como isso não acontece, existe um erro na medição da temperatura, que poderia ser corrigido;
Variações na corrente elétrica podem interferir na potência e na estabilidade da bomba a vácuo. Verificou-se no início do experimento que um valor de pressão determinado pela bomba não permanecia estável.
5. CONCLUSÃO
1)
Pela Regra das Fases de Gibbs, o grau de liberdade (N) do sistema é dado por:
N = C – P + 2
onde C é o número de componentes e P o número de fases.
Como no sistema em questão havia apenas um componente (água) e duas fases (líquido e vapor), tem-se que o graus de liberdade do sistema é 1.
2) As moléculas de um líquido tendem a escapar da superfície, tornando-se gasosas, mesmo a temperaturas inferiores ao ponto de ebulição. Quando o líquido é colocado em um recipiente fechado, a pressão exercida pelas moléculas na fase gasosa sobe até atingir o equilíbrio, a uma determinada temperatura. Esta pressão de equilíbrio é conhecida como pressão de vapor.
A pressão de vapor está relacionada com a força que a molécula faz ao colidir com um obstáculo. É fácil intuir que, quanto maior for a velocidade da molécula, maior será o choque, maior a força, maior a pressão. O que faz uma molécula "andar" mais rápido ou mais devagar é a energia cinética que ela tem, podendo ser traduzida diretamente pela temperatura: quanto mais quente, mais rápida a molécula, maior a força de impacto, maior a pressão de vapor.
Chama-se ponto de ebulição a temperatura na qual a pressão do vapor se iguala à pressão atmosférica. O ponto de ebulição é uma das propriedades físicas dos líquidos e é extremamente variável com a pressão atmosférica. Se a pressão aplicada abaixar, a pressão de vapor também abaixará e o líquido irá entrar em ebulição a uma temperatura mais baixa; uma menor pressão aplicada facilitará o desprendimento das moléculas da fase líquida para a fase gasosa.
 
3) Quando um líquido é aquecido, a formação de bolhas de vapor é facilitada pela presença de ar dissolvido no líquido ou ar que tenha aderido ao vidro devido a irregularidades, existentes na sua superfície. As bolhas de ar servem de núcleo para a formação de bolhas maiores de vapor, e, no ponto de ebulição, o liquido cederá vapor em quantidades relativamente grandes às bolhas de ar, fazendo-as aumentar de tamanho, até que finalmente são expelidas. Se houver uma fonte de bolhas de ar ou outros núcleos, no líquido, a ebulição se processará regularmente. Se, no entanto, o liquido não tiver praticamente ar dissolvido e/ou paredes do balão estiverem limpas e muito lisas, as bolhas de vapor se formarão com maior dificuldade e a temperatura do líquido poderá elevar-se apreciavelmente acima do ponto de ebulição (líquido sobreaquecido).
Quando nestas condições se forma uma bolha de vapor, esta aumenta rapidamente de volume e liberta-se violentamente porque a tensão de vapor é muito superior à soma da pressão externa com a pressão hidrostática. O líquido não "ferve" regularmente, e diz-se que a ebulição é tumultuosa. Para reduzir a ebulição tumultuosa num líquido, adicionam-se fragmentos de porcelana porosa (chamados regularizadores de ebulição), que libertam pequenas quantidades de ar promovendo uma ebulição regular e maior distribuição de calor no sistema.
 
4) A posição do termômetro foi adequada, já que durante o processo de mudança de fase uma substância não muda sua temperatura, assim, o termômetro em contato com a água no equilíbrio líquido vapor favorece a leitura de uma temperatura estável e confiável.
 
6) É necessária a correção da pressão barométrica porque a pressão lida no aparelho de Boyle é dada como h' = H (altura maior) – h (altura menor) em cm/Hg. O valor deve, portanto, ser transformado para mmHg. Neste experimento, contudo, isso não pôde ser feito. 	É necessária também a correção da temperatura; a medida precisa da temperatura exigiria que todo o corpo do termômetro estivesse na temperatura que se encontra o bulbo. Como normalmente parte do corpo do termômetro encontra-se a uma temperatura diferente da do bulbo, é introduzido um erro na medição devido às diferentes temperaturas a que estão sujeitos o vidro e o mercúrio da parte do corpo exposta ao ar e ao vapor (bulbo).
Do ponto de vista econômico-ambiental, temos que a bomba não precisaria ficar ligada o tempo todo, uma vez que isso representa gasto de combustívele poluição ambiental. Uma solução para esse problema é colocar uma torneira no tubo de conexão entre a bomba e o sistema. Inicialmente deixar-se-ia a torneira aberta, ligava-se a bomba reduzindo a pressão do sistema até que ela seja a mínima possível. Em seguida fechar-se-ia a torneira e desligava-se a bomba. Novos valores de pressão mais altos poderiam ser obtidos apenas regulando-se (abertura e fechamento) da torneira.
Um outro problema é o desperdício da água de resfriamento do condensador. A água utilizada durante todo o procedimento é jogada fora. Considerando uma vazão extremamente lenta utilizada pelo processo (0,5 L/min) e estipulando a duração da aula para 100 min, tem-se que o volume de água desperdiçado foi de 50 L. Essa água poderia ser encaminhada para descargas (6,8 L), o que daria uma média de 50 / 6,8 ≈ 7 descargas, ou, por sua temperatura já estar um pouco elevada, destilada. Utilizando um sistema simples de aquecimento solar de baixo custo de produção e baixo impacto ambiental, 1m3 de água poderia ser produzido a R$ 14,00. Para os 50 L utilizados, o custo seria de 70 centavos apenas. Se uma vazão rápida fosse considerada (3 L/min), isso representaria 44 descargas ou um gasto de apenas R$ 4,24 na produção de água destilada.
6. REFERÊNCIAS
BIOSFERA TV. Destilação de Água Econômica e Correta. Disponível em: <http://www.biosferatv.com.br/noticias/destilacao-de-agua-ecologica-e-economica/>. Acesso em 25 jun. 2010, 11:14:43.
DOCOL METAIS SANITÁRIOS. Banheiros Sustentáveis. Disponível em: <http://www.docol.com.br/imprensa_releases/banheiro-sustentavel-ja-e-realidade-23>. Acesso em 25 jun. 2010, 10:54:24.
MARTIM, Emerson. Gases e Vapores. Disponível em:
<http://www.las.pucpr.br/emerson/fundamentos%20de%20processos/cap%C3%ADtulo%204%20-20gases%20e%20vapores.pdf>. Acesso em 25 jun. 2010, 10:29:59.
PERRY, R. H.; CHILTON, C. H. Manual de Engenharia Química. 5.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1980.
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