Revista Tendencias en Docencia e Año 7 Investigación en Química 2021 Número 7 Presión de vapor y entalpia de vaporización del agua. Experimento de bajo costo en condiciones PEER Tello Solís Salvador Ramón* Universidad Auto noma Metropolitana, Departamento de Quím ica. Av. San Rafael Atlixco No. 186, Iztapalapa, Ciudad de Me xico, C.P. 09340. Me xico. *Autor para correspondencia: srts@xanum.uam.mx Recibido: 31/mayo/2021 RESUMEN Ante la emergencia sanitaria por COVID-19 la Universidad Autónoma Metropolitana instrumentó el Programa Emergente de Enseñanza Remota (PEER), para poder Aceptado: continuar con las actividades de docencia a distancia. Un reto grande fue para los 09/noviembre/2021 cursos experimentales. En este trabajo se diseñó un sistema experimental de bajo costo, construido con materiales caseros para determinar la presión de vapor y el cambio de entalpia de vapor del agua (∆Hvap). Se utilizan conceptos de Ley de gas ideal, Ley de presiones parciales de Dalton, equilibrio de fases y ecuación de Clausius- Clapeyron. Con las mediciones y cálculos realizados se construyó un gráfico de Palabras clave: Clausius-Clapeyron, también se construyó un gráfico con datos de la literatura, Experimento, concluyendo que los valores obtenidos para el ∆Hvap, son del mismo orden. Esta asincro nico, actividad experimental se puede realizar en casa de manera asincrónica y es PEER apropiada para un curso de química general o fisicoquímica. Keywords: Experimental, asynchronous, ABSTRACT PEER Due to the COVID-19 emergency, the Universidad Autónoma Metropolitana implemented an emerging remote teaching program (PEER) in order to continue with distance teaching activities. In this work, a low-cost experimental system was designed, built with easily accessible materials at home to determine the vapor pressure and the change in enthalpy of water vapor (∆Hvap). Concepts of ideal gas law, Dalton's law of partial pressures, phase equilibrium and the Clausius-Clapeyron equation are used. With the measurements and calculations performed, a Clausius- Clapeyron graph was constructed, a graph was also constructed with data from the literature, concluding that the values obtained for the ∆Hvap are of the same order. This experimental activity can be done at home asynchronously and is appropriate for a general chemistry or physicochemical course. Universidad Autónoma Metropolitana Revista tediq 7(7) 94, 2021 Revista Tendencias en Docencia e Año 7 Investigación en Química 2021 Número 7 Introducción Una muestra de aire se atrapa en una jeringa sellada de 10 mL, la cual se sumerge en un vaso o frasco de vidrio Ante la emergencia sanitaria por COVID-19, el Colegio con agua. El agua se calienta aproximadamente a 80°C y Académico, máximo órgano colegiado de la Universidad el aire atrapado comienza a saturarse rápidamente con Autónoma Metropolitana (UAM), en su sesión 474 del 17 vapor de agua a esa temperatura. La temperatura del de abril de 2020, aprobó el Programa Emergente de baño de agua y el volumen de los gases se anotan. El baño Enseñanza Remota (PEER) (Semanario UAM, 2020) con se enfría y se toman lecturas de temperatura y volumen el objetivo de apoyar a profesores y alumnos durante la de los gases. El número de moles de vapor de agua contingencia originada por el virus SARS-CoV-2 cambia con la temperatura, pero la cantidad de aire es (Boletines UAM No 236, 2020). constante (Tello-Solís y Valle-Guadarrama, 1995). El objetivo principal del PEER (PEER, 2020), es que, Conociendo el número de moles de aire en la muestra de mediante el apoyo de herramientas tecnológicas de gases, la presión parcial del aire puede calcularse a cada comunicación, tales como, correo electrónico, redes temperatura, así como, la presión de vapor del agua sociales, videoconferencias, etc., los alumnos podrán puede obtenerse por diferencia de la presión desempeñar sus actividades de enseñanza-aprendizaje. barométrica. El número de moles de aire en la mezcla de Las actividades académicas de los alumnos las podrán gases se puede encontrar a partir de las medidas de realizar de manera sincrónica y asincrónica. presión y volumen a una temperatura cercana a 0°C, donde el contenido de vapor de agua en la mezcla de El gran reto en la modalidad PEER es la conducción de gases es menor del 1% y se puede despreciar. unidades de enseñanza-aprendizaje experimentales, donde se debe de procurar realizar experimentos en casa El cambio de la entalpia de vaporización del agua se que sean sencillos e ilustrativos, así como seguros, con calcula a partir de un gráfico del ln P en función del materiales y reactivos accesibles y de bajo costo. inverso de la temperatura absoluta, usando la ecuación de Clausius-Clapeyron (1). En este trabajo se presenta una actividad experimental de bajo costo realizable en casa, para la unidad de enseñanza-aprendizaje (uea) de Laboratorio de Química Metodología II, uea del sexto trimestre de la Licenciatura en Química de la UAM-Iztapalapa. El objetivo principal es la Material obtención de la curva de presión de vapor del agua en 1 frasco o vaso de vidrio alto, por ejemplo, un frasco de función de la temperatura y el cálculo del cambio de mayonesa o mostaza. entalpia de vaporización del agua (∆Hvap), utilizando un frasco de vidrio, una jeringa sellada y un termómetro. 1 mezclador de bebidas para usar como agitador El concepto de presión de vapor de líquidos es discutido 1 jeringa de 10 mL (sellada por el extremo de la aguja en muchos cursos de química general o de fisicoquímica. para evitar fugas) La ecuación de Clausius-Clapeyron (1) (Klotz y Rosenber, 1977; Ferguson y Jones, 1977), deducida a partir del 1 termómetro segundo principio de la termodinámica, se aplica a transiciones entre la fase vapor y una fase condensada, 1 parrilla o resistencia para calentar agua o estufa como un medio de describir la variación de la presión de 1 olla vapor con respecto a la temperatura absoluta y para determinar el cambio de entalpia de vaporización 1 refractario (∆Hvap). 1 popote metálico ∆𝐇𝐯𝐚𝐩 𝐥𝐧 𝐏 = − + 𝐂 (𝟏) 1 pinza para ropa 𝐑𝐓 2 trozos de alambre donde: ∆H Reactivos vap cambio de entalpia P presión de vapor Agua líquida R constante universal de los gases Agua sólida (hielo) T temperatura absoluta Aire C constante de integración Universidad Autónoma Metropolitana Revista tediq 7(7) 95, 2021 Revista Tendencias en Docencia e Año 7 Investigación en Química 2021 Número 7 Sistema experimental 1.- Se sella perfectamente el extremo menor (del lado de la aguja), de una jeringa de 10 mL. Se puede hacer con calor, quitando la aguja y quemando la salida. 2.- Se llena el frasco con agua. 3.- Se llena la jeringa hasta la marca de 6 mL con agua. Se tapa con un dedo el extremo abierto, se invierte rápidamente e introduce en el frasco que se ha llenado con agua. Una muestra de 3 a 4 mL de aire quedará atrapada dentro de la jeringa. 4.- Se adiciona más agua al frasco, de ser necesario, para asegurarse que el aire atrapado en la jeringa esté rodeado completamente por agua (Figura 1). A B Figura 2. Sistema experimental en baño maría. 6.- Cuando la mezcla de aire alcance aproximadamente los 80 °C, se retira el calentamiento, y se saca el sistema C del baño maría (nuevamente el sistema se coloca como en la Figura 1) y se deja enfriar. ¡Cuidado! NO se debe dejar que se salga el agua atrapada en la jeringa. 7.- Cuando comience a contraerse la fase gaseosa, se anotan el volumen y la temperatura. Se toman medidas adicionales de volumen y temperatura cada división en la D escala de la jeringa (cada 0.2 mL). Si es necesario se puede añadir hielo y agitar el agua líquida con cuidado, para acelerar el enfriamiento. E 8.- Después de que la temperatura ha llegado a 45°C se enfría rápidamente el sistema a una temperatura alrededor de los 3°C (se puede usar un baño maría frío). El volumen y la temperatura son registrados. F 9.- Se anota la presión atmosférica. En casa no se tendrá barómetro, por lo que se busca la presión atmosférica Figura 1. Sistema experimental sumergido en agua. (A) Popote promedio de la ciudad donde se realiza el experimento. metálico reciclable, (B) termómetro digital de cocina, (C) pinza para ropa, (D) frasco de vidrio de mayonesa, (E) jeringa de 10 Informe mL y (F) refractario invertido. Se construye una tabla con las lecturas efectuadas (Tabla 1). 5.- El sistema armado (Figura 1) se sumerge en un baño Ciudad donde se realiza el experimento: _______________ maría (Figura 2) y calienta a 80 °C. Se agita el agua de la Altura sobre el nivel medio del mar:___________________ olla manualmente para que el calentamiento sea homogéneo. La fase gaseosa se expanderá. Presión atmosférica (atm):________________________ Universidad Autónoma Metropolitana Revista tediq 7(7) 96, 2021 Revista Tendencias en Docencia e Año 7 Investigación en Química 2021 Número 7 Cálculos Utilizando la ecuación de estado del gas ideal, se calculó el naire atrapado en la jeringa. 10.- Se usan los valores de volumen y temperatura que se anotaron en el punto 8, y el valor de la presión El volumen de la mezcla total a 1.3 °C fue de 3.2 mL, por atmosférica para calcular el número de moles de aire lo que el naire = 1.1 x 10-4 mol. Después se calculó la atrapado. Aquí es donde se considera que la presión de presión parcial de aire a cada temperatura, Paire y vapor de agua es despreciable respecto a la presión utilizando la ley de las presiones parciales de Dalton se atmosférica a bajas temperaturas y que por lo tanto en la calculó la presión de vapor de agua a cada temperatura: fase gaseosa solamente hay aire. Pvapor agua = Patmosférica - Paire Número de moles de aire: ______________. En la Tabla 2 se presentan los valores calculados de Pvapor 11.- Para cada temperatura, se calcula la presión parcial agua en función de la temperatura. de aire en la mezcla de gases (Paire). Hay que considerar que el aire y el vapor de agua obedecen las propiedades Tabla 2. Resultados de los valores calculados de Pvapor agua en de los gases ideales. Se tabulan los datos calculados. función de la temperatura absoluta. T Pvapor agua 1/T Ln Pvapor agua Paire = naire RT/V (K) (atm) x 105 (para cada temperatura y volumen estudiado) (1/K) 339.25 0.39 295 -0.95 Patm = Paire + P vapor agua 337.25 0.38 297 -0.97 P 336.15 0.36 297 -1.02 vapor agua = Patm -Paire 334.65 0.35 299 -1.05 (para cada temperatura estudiada) 334.25 0.34 299 -1.08 333.65 0.33 300 -1.12 Se tabulan los datos calculados (Tabla 2) 332.95 0.30 300 -1.20 331.95 0.29 301 -1.25 12.- Se realiza la gráfica de presión de vapor del agua en 331.05 0.27 302 -1.30 función de la temperatura. 329.65 0.26 303 -1.36 327.85 0.24 305 -1.42 13.- Se utiliza la ecuación de Clausius-Clapeyron (1) y se 326.25 0.23 307 -1.49 realiza la gráfica de ln Pvapor agua en función de 1/T. 325.05 0.21 308 -1.58 322.65 0.19 310 -1.67 14.- A partir del valor de la pendiente del gráfico de 320.45 0.17 312 -1.78 Clausius-Clapeyron, se calcula el cambio de entalpia de 317.25 0.15 315 -1.91 vaporización del agua. 314.55 0.13 318 -2.08 En la Figura 3 se presenta la curva de presión de vapor 15.- Por medio del gráfico y de la ecuación de la curva de del agua en el intervalo de temperaturas, medidas en este Clausius-Clapeyron, se puede solicitar a los alumnos experimento, de 41 a 66 °C, se puede observar que la calcular presiones de vapor a una determinada forma de la curva de la presión de vapor del agua, es del temperatura, por ejemplo, a 36°C y a 70°C. tipo a la reportada en la literatura. Resultados y discusión 0.40 En la tabla 1 se presentan los resultados típicos de los datos medidos en la ciudad de México, en la Alcaldía 0.35 Benito Juárez, P atmosférica 0.77 atm (medida con barómetro de mercurio). 0.30 Tabla 1. Valores experimentales de temperatura y volumen 0.25 total de la mezcla aire + vapor de agua. 0.20 T (°C) V T (°C) V T (°C) V T (°C) V (mL) (mL) (mL) (mL) 0.15 66.1 8.0 61.1 7.0 57.9 6.0 51.9 5.2 64.1 7.8 60.5 6.8 56.5 5.8 49.5 5.0 0.10 63.0 7.4 59.8 6.4 54.7 5.6 47.3 4.8 315 318 321 324 327 330 333 336 339 342 61.5 7.2 58.8 6.2 53.1 5.4 44.1 4.6 Temperatura (K) Continua continua continua 44.1 4.4 Figura 3. Curva de presión de vapor del agua en el intervalo de temperaturas de 41 a 66 °C (314.15 a 339.15 K). Universidad Autónoma Metropolitana Revista tediq 7(7) 97, 2021 P (atm) vapor agua Revista Tendencias en Docencia e Año 7 Investigación en Química 2021 Número 7 En la Figura 4, se presenta el gráfico de Clausius- A partir de la pendiente se calculó el valor del cambio de Clapeyron (ecuación 1). Se observó un comportamiento entalpia de vaporización del agua usando los datos lineal, los datos fueron ajustados mediante regresión reportados en tablas (CRC, 1982): lineal usando el programa Origin (versión 7.0, 2002). ∆Hvaporización agua = -mR -0.8 ∆Hvaporización agua = 43.2 x 103 J/mol -1.0 Analizando los resultados obtenidos podemos establecer -1.2 que el experimento de determinación de la presión de vapor y cambio de entalpia de vaporización del agua es -1.4 una excelente actividad experimental para realizar en modo PEER. El ∆Hvaporización agua obtenido en este trabajo a -1.6 una presión barométrica de 0.77 atm es del mismo orden del calculado a partir de datos de tablas de la literatura -1.8 reportados a una presión barométrica de 1 atm. -2.0 Conclusiones -2.2 294 297 300 303 306 309 312 315 318 En este trabajo se diseñó y construyó un sistema 5 1/T x 10 (1/K) experimental para el trabajo asincrónico en casa en modalidad PEER. Figura 4. Gráfico de Clausius-Clapeyron. Los datos fueron ajustados mediante regresión lineal usando el programa Origin. Con las mediciones y cálculos realizados se construyó un m = - 5.1 x 103 K b = 14.1 R2 = 0.99657. gráfico de Clausius-Clapeyron y se obtuvo el valor del A partir de la pendiente se calculó el valor del cambio de ∆Hvaporización agua = 42.4 kJ/mol a una presión barométrica entalpia de vaporización del agua: de 0.77 atm, también se construyó un gráfico de Clausius- Clapeyron con datos de la literatura, concluyendo que los ∆Hvaporización agua = -mR. valores obtenidos son del mismo orden. ∆Hvaporización agua = 42.4 x 103 J/mol Durante la realización de este experimento se discute con los estudiantes temas tales como: ecuación de estado En la Figura 5 se muestra gráfico de Clausius-Clapeyron del gas ideal, ley de las presiones parciales de Dalton, (ecuación 1) con datos de presión de vapor de agua de Presión barométrica, funciones de estado, variable tablas de la literatura (CRC,1982). extensiva, entalpia (como función de estado que depende de la temperatura absoluta y la presión) en un cambio de fase, equilibrio de fases, potencial químico, presión de -1.0 vapor de un líquido y ecuación de Clausius-Clapeyron. Esta actividad experimental es apropiada para un curso de química general o fisicoquímica. -1.5 Agradecimiento -2.0 A Beatriz Duarte Lara por el suministro del material. -2.5 A Jesús Alejandro López Gaona por asesoría y discusión del tema de cifras significativas. -3.0 Referencias 285 290 295 300 305 310 315 320 325 330 5 1/T x 10 (K) Boletines UAM No. 236 http://www.uam.mx/ss/s2/comunicacionsocial/boleti nesuam/236-20.html Figura 5. Gráfico de Clausius-Clapeyron. Con datos de tablas, Recuperado 15-mayo-2021. los cuales también fueron ajustados mediante regresión lineal usando el programa Origin. m = - 5.2 x 103 K b = 13.1 R2 = CRC Handbook of Chemistry (1982). 63ed. CRC Press p. 0.9994. D-196- D-198. Universidad Autónoma Metropolitana Revista tediq 7(7) 98, 2021 ln P vapor agua tablas Ln Pvapor agua Revista Tendencias en Docencia e Año 7 Investigación en Química 2021 Número 7 Ferguson F. D. y Jones T. K. (1977). La regla de las fases. Semanario de la UAM año 1 No. 31(2020). 1ª Ed. 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