Calcular la presión de vapor - Consejos

Video: PIA FISICOQUÍMICA - Entalpía de vaporización del agua

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Pasos
Consejo

¿Alguna vez ha dejado una botella de agua al sol durante unas horas, luego abrió la tapa y escuchó un pequeño "pop"? Este sonido es debido presión de vapor en la botella de la causa. En química, la presión de vapor es la presión que actúa sobre la pared de un recipiente cerrado cuando el líquido en el recipiente se evapora (se convierte en gas). Para encontrar la presión de vapor a una temperatura conocida, use la ecuación de Clausius-Clapeyron: ln (P1 / P2) = (ΔH_vap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1)).

Pasos

Método 1 de 3: usa la ecuación de Clausius-Clapeyron

Escribe la ecuación de Clausius-Clapeyron. Al considerar el cambio de la presión de vapor a lo largo del tiempo, la fórmula para calcular la presión de vapor es la ecuación de Clausius-Clapeyron (llamada así por los físicos Rudolf Clausius y Benoît Paul Émile Clapeyron). Esta es una fórmula de uso común para resolver problemas comunes de presión de vapor en física y química. La fórmula se escribe de la siguiente manera: ln (P1 / P2) = (ΔH_vap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1)). En esta fórmula, las variables representan:
- ΔH_vap: Entalpía de evaporación de líquidos. Este valor se puede encontrar en la tabla al final de un libro de texto de química.
- R: Constante de gas ideal e igual a 8,314 J / (K × Mol).
- T1: La temperatura a la que se conoce la presión de vapor (temperatura inicial).
- T2: La temperatura a la que se requiere la presión de vapor (temperatura final).
- P1 y P2: La presión de vapor correspondiente a las temperaturas T1 y T2.
Sustituye variables por valores conocidos. La ecuación de Clausius-Clapeyron parece bastante complicada porque hay muchas variables diferentes, pero no es demasiado difícil si el problema proporciona suficiente información. Los problemas de presión de vapor más básicos le darán dos valores de temperatura y un valor de presión o dos valores de presión y un valor de temperatura; una vez que tenga estos datos, será fácil de resolver.
- Por ejemplo, suponga que el problema es para un recipiente de líquido a 295 K y con una presión de vapor de 1 atmósfera (atm). La pregunta es: ¿Cuál es la presión del vapor a una temperatura de 393 K? Tenemos dos valores para la temperatura y uno para la presión, por lo que es posible resolver la presión restante usando la ecuación de Clausius-Clapeyron. Poniendo valores en variables, tenemos ln (1 / P2) = (ΔH_vap/ R) ((1/393) - (1/295)).
- Para la ecuación de Clausius-Clapeyron, siempre debemos usar un valor de temperatura Kelvin. Puede usar cualquier valor de presión, siempre que esté en las mismas unidades para P1 y P2.
Reemplaza las constantes. La ecuación de Clausius-Clapeyron tiene dos constantes: R y ΔH_vap. R siempre es igual a 8,314 J / (K × Mol). Sin embargo, ΔH_vap (entalpía volátil) depende del tipo de líquido vaporizante dado por el problema. Dicho esto, puede buscar valores de ΔH_vap de una variedad de sustancias al final de un libro de texto de química o física, o búsquelo en línea (por ejemplo, aquí).
- En el ejemplo anterior, suponga que el líquido es agua pura. Si busca en la tabla el valor H_vap, tenemos ΔH_vap de agua purificada es de aproximadamente 40,65 kJ / mol. Dado que el valor H usa unidades joul, tenemos que convertirlo a 40.650 J / mol.
- Poniendo constantes en la ecuación, tenemos ln (1 / P2) = (40,650 / 8,314) ((1/393) - (1/295)).
Resuelve la ecuación. Después de haber insertado todos los valores en las variables de la ecuación, excepto la variable que estamos calculando, continúe resolviendo la ecuación de acuerdo con el principio algebraico habitual.
- El punto más difícil al resolver la ecuación (ln (1 / P2) = (40,650 / 8,314) ((1/393) - (1/295))) es el procesamiento de la función logarítmica natural (ln). Para eliminar la función logarítmica natural, use ambos lados de la ecuación como exponente de la constante matemática mi. En otras palabras, ln (x) = 2 → e = e → x = e.
- Ahora resolvamos la ecuación del ejemplo:
- ln (1 / P2) = (40,650 / 8,314) ((1/393) - (1/295))
- ln (1 / P2) = (4.889,34) (- 0.00084)
- (1 / P2) = e
- 1 / P2 = 0,0165
- P2 = 0.0165 = 60,76 atmósferas. Este valor es razonable: en un recipiente cerrado, cuando la temperatura aumenta en casi 100 grados (a una temperatura de aproximadamente 20 grados por encima del punto de ebullición del agua), se genera mucho vapor, por lo que la presión aumentará. mucho.
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Método 2 de 3: Encuentre la presión de vapor de la solución disuelta

Escribe la ley de Raoult. De hecho, rara vez trabajamos con líquidos puros, a menudo tenemos que trabajar con mezclas de muchas sustancias diferentes. Algunas mezclas comunes se crean disolviendo una pequeña cantidad de un químico llamado sustancia disoluta en una gran cantidad de otras sustancias químicas llamadas Solvente formar solución. En este caso, necesitamos conocer la ecuación de la Ley de Raoult (que lleva el nombre del físico François-Marie Raoult), que se ve así: PAGS_solución= P_SolventeX_Solvente. En esta fórmula, las variables representan:
- PAGS_solución: Presión de vapor de toda la solución (todos los componentes de la solución)
- PAGS_Solvente: Presión de vapor de disolvente
- X_Solvente: Fracción molar del solvente.
- No se preocupe si aún no conoce el término "parte molar"; lo explicaremos en los siguientes pasos.
Distinguir disolventes y disolventes en solución. Antes de calcular la presión de vapor de una solución, debe identificar las sustancias dadas por el problema. Tenga en cuenta que se forma una solución cuando un solvente se disuelve en un solvente: el químico que se disuelve es siempre un soluto y el químico que hace el trabajo es el solvente.
- En esta sección tomaremos un ejemplo simple para ilustrar los conceptos anteriores. Suponga que queremos encontrar la presión de vapor de la solución de jarabe. Por lo general, el jarabe se prepara a partir de una parte de azúcar disuelta en una parte de agua, por eso decimos el azúcar es soluto y el agua es solvente.
- Nota: la fórmula química de la sacarosa (azúcar granulada) es C₁₂H₂₂O₁₁. Encontrarás esta información muy importante.
Calcula la temperatura de la solución. Como vemos en la sección de Clausius Clapeyron antes mencionada, la temperatura del líquido afectará su presión de vapor. En general, cuanto mayor es la temperatura, mayor es la presión de vapor; a medida que aumenta la temperatura, más líquido se evapora y aumenta la presión en el recipiente.
- En este ejemplo, suponga que la temperatura actual del jarabe es 298 K (alrededor de 25 C).
Encuentre la presión de vapor del solvente. Las referencias químicas suelen dar valores de presión de vapor para muchas sustancias y mezclas comunes, pero generalmente solo valores de presión a 25 ° C / 298 K o a la temperatura del punto de ebullición. Si su solución tiene esta temperatura, puede usar un valor de referencia; de lo contrario, debe encontrar la presión de vapor a la temperatura inicial de la solución.
- La ecuación de Clausius-Clapeyron puede ayudar aquí, usando presión y temperatura 298 K (25 C) para P1 y T1.
- En este ejemplo, la mezcla tiene una temperatura de 25 ° C, por lo que podemos usar una tabla de búsqueda. Vemos agua a 25 ° C con una presión de vapor de 23,8 mmHg
Encuentra la fracción molar del solvente. Lo último que debe hacer antes de resolver los resultados es encontrar la fracción molar del solvente. Esto es bastante fácil: simplemente convierta los ingredientes en moles, luego encuentre el porcentaje de cada uno de los moles totales de la mezcla. En otras palabras, la porción molar de cada componente es igual (número de moles de la mezcla) / (moles totales de la mezcla).
- Suponga que la receta del jarabe es 1 litro (L) de agua y 1 litro de sacarosa (azúcar). Luego, necesitamos encontrar el número de moles de cada ingrediente. Para hacer esto, encontraremos las masas de cada componente, luego usaremos la masa molar de esos componentes para calcular los lunares.
- Peso (1 L de agua): 1.000 gramos (g)
- Peso (1 L de azúcar en bruto): Aproximadamente 1.056,7 g
- Número de moles (agua): 1.000 gramos × 1 mol / 18.015 g = 55,51 mol
- Moles (azúcar): 1,056.7 gramos × 1 mol / 342.2965 g = 3.08 mol (Tenga en cuenta que puede encontrar la masa molar del azúcar a partir de su fórmula química, C₁₂H₂₂O₁₁.)
- Total de lunares: 55,51 + 3,08 = 58,59 lunares
- Fracción molar de agua: 55,51 / 58,59 = 0,947
Resuelve resultados. Finalmente, tenemos suficientes datos para resolver la ecuación de Raoult. Esto es muy fácil: conecte los valores a las variables de la ecuación del teorema de Raoult mencionada al principio de esta sección (PAGS_solución = P_SolventeX_Solvente).
- Sustituyendo los valores, tenemos:
- PAGS_solución = (23,8 mmHg) (0,947)
- PAGS_solución = 22,54 mmHg. Este resultado es razonable: en términos molares, solo un poco de azúcar se disuelve en mucha agua (aunque estos dos son de hecho el mismo volumen), por lo que la presión de vapor solo caerá un poco.
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Método 3 de 3: encuentre la presión del vapor en casos especiales

Identifique las condiciones estándar de presión y temperatura. Los científicos suelen utilizar un par de valores de presión y temperatura como condiciones "predeterminadas". Estos valores se conocen como presión y temperatura estándar (en conjunto, condición estándar o DKTC). Los problemas de presión de vapor a menudo se refieren al CI, por lo que debe memorizar estos valores por conveniencia. DKTC se define como:
- Temperatura: 273,15 K / 0 C / 32 F
- Presión: 760 mmHg / 1 atm / 101,325 kilopascales
Cambie a la ecuación de Clausius-Clapeyron para encontrar otras variables. En el ejemplo de la Parte 1, vemos que la ecuación de Clausius-Clapeyron es muy eficaz cuando se trata de calcular la presión de vapor de sustancias puras. Sin embargo, no todos los problemas requieren encontrar P1 o P2, pero muchas veces incluso piden encontrar la temperatura o incluso el valor de ΔH._vap. En este caso, para encontrar la respuesta, solo necesita cambiar la ecuación de modo que la variable deseada esté en un lado de la ecuación y todas las demás variables estén en el otro lado.
- Por ejemplo, suponga que hay un líquido desconocido con una presión de vapor de 25 torr a 273 K y 150 torr a 325 K, y queremos encontrar la entalpía volátil de este líquido (ΔH_vap). Podemos resolver lo siguiente:
- ln (P1 / P2) = (ΔH_vap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1))
- (ln (P1 / P2)) / ((1 / T2) - (1 / T1)) = (ΔH_vap/ R)
- R × (ln (P1 / P2)) / ((1 / T2) - (1 / T1)) = ΔH_vap. Ahora reemplacemos los valores:
- 8,314 J / (K × Mol) × (-1,79) / (- 0,00059) = ΔH_vap
- 8.314 J / (K × Mol) × 3.033,90 = ΔH_vap = 25.223,83 J / mol
Tenga en cuenta la presión de vapor del soluto a medida que se evapora. En el ejemplo anterior de la ley de Raoult, nuestro soluto es el azúcar, por lo que no se evapora por sí solo a temperatura ambiente (¿cree que alguna vez ha visto evaporarse un tazón de azúcar?). Sin embargo, cuando la sustancia se disuelve De Verdad Si se evapora, afectará la presión de vapor general de la solución. Calculamos esta presión usando la ecuación variable de la ley de Raoult: PAGS_solución = Σ (P_ingredienteX_ingrediente). El símbolo (Σ) significa que tenemos que sumar todas las presiones de vapor de los diferentes componentes para encontrar una respuesta.
- Por ejemplo, digamos que tenemos una solución compuesta por dos productos químicos: benceno y tolueno. El volumen total de la solución es de 120 mL; 60 mL de benceno y 60 mL de tolueno. La temperatura de la solución es de 25 ° C y la presión de vapor de cada componente químico a 25 ° C es de 95,1 mmHg para el benceno y 28,4 mmHg para el tolueno. Para los valores dados, encuentre la presión de vapor de la solución. Podemos resolver el problema utilizando la densidad, la masa molar y la presión de vapor de los dos químicos:
- Volumen (benceno): 60 mL = 0.06 L × 876.50 kg / 1,000 L = 0.053 kg = 53 g
- Peso (tolueno): 0.06 L × 866.90 kg / 1,000 L = 0.052 kg = 52 g
- Número de moles (benceno): 53 g × 1 mol / 78,11 g = 0,679 mol
- Número de moles (tolueno): 52 g × 1 mol / 92,14 g = 0,564 mol
- Total de lunares: 0,679 + 0,564 = 1,243
- Fracción molar (benceno): 0,679 / 1,243 = 0,546
- Fracción molar (tolueno): 0,564 / 1,243 = 0,454
- Resolver resultados: P_solución = P_bencenoX_benceno + P_toluenX_toluen
- PAGS_solución = (95,1 mmHg) (0,546) + (28,4 mmHg) (0,454)
- PAGS_solución = 51,92 mmHg + 12,89 mmHg = 64,81 mmHg
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Consejo

Para usar la ecuación de Clausius Clapeyron anterior, debe convertir la temperatura a unidades Kevin (indicadas por K). Si tiene la temperatura en grados Celsius, cámbiela con la siguiente fórmula: T_k = 273 + T_C
Puede aplicar los métodos anteriores porque la energía corresponde a la cantidad de calor suministrada. La temperatura del líquido es el único factor ambiental que afecta la presión de vapor.