LÍQUIDOS (Clase 2) 4 UNIDAD Elaborado por: Lic. Yolving Malavé

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1 LÍQUIDOS (Clase 2) 4 UNIDAD Elaborado por: Lic. Yolving Malavé
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE QUÍMICA Puerto Ordaz UNIDAD 4 LÍQUIDOS (Clase 2) Elaborado por: Lic. Yolving Malavé Puerto Ordaz, Noviembre 2013

2 4 INDICE UNIDAD MATERIALES INTRODUCCIÓN COMPETENCIAS PRE-REQUISITOS
CONTENIDO ECUACIONES CLAVES REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Puerto Ordaz UNIDAD 4 Lic. Yolving Malavé (2013)

3 4 LÍQUIDOS Clase 2 TEMAS: UNIDAD
Puerto Ordaz TEMAS: UNIDAD 4 1. CURVAS DE CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO. 2. CALORES ASOCIADOS A LOS CAMBIOS FÍSICOS. 3. ECUACIÓN DE CLAUSIUS-CLAPEYRON. 4. DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE FASES. Lic. Yolving Malavé (2013)

4 QUÍMICA UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) INTRODUCCIÓN El estudio químico de la materia no solo atiende a las propiedades de las sustancias, sino también a los cambios físicos que esta experimentan. Estos cambios pueden representarse en diagramas de equilibrio, son representaciones gráficas de las fases que están presentes en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones. Dichas temperaturas, van desde la temperatura por encima de la cual un material está en fase líquida hasta la temperatura ambiente y en que generalmente los materiales están en estado sólido. INDICE Lic. Yolving Malavé (2013)

5 QUÍMICA UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) INTRODUCCIÓN Para esta clase es necesario conocer ciertos conceptos básicos: SISTEMA: es cualquier porción del universo aislada en un recipiente inerte para estudiar las variables sobre el contenido del sistema. De acuerdo a las relaciones entre un sistema y sus alrededores los sistemas se pueden clasificar en: Sistema Abierto Sistema Cerrado Sistema aislado Lic. Yolving Malavé (2013)

6 Dos componente: agua y aceite
QUÍMICA UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) INTRODUCCIÓN Elementos de un sistema: Componentes, fases y entorno. Dos componente: agua y aceite COMPONENTES: En un sistema puede estar presente uno o más componentes. Los componentes pueden encontrarse en estado gaseoso, líquido o sólido. Un componente: agua Una fase (sistema homogéneo) FASE: son porciones homogéneas de un sistema que pueden diferenciarse físicamente y separarse mecánicamente. Dos fase (sistema hoterogéneo) Lic. Yolving Malavé (2013)

7 INTRODUCCIÓN Temperatura Aire Presión
QUÍMICA UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) INTRODUCCIÓN ENTORNO: se refiere a todo aquello que rodea al sistema y que tiene influencia sobre el comportamiento de sus componentes. Por ejemplo Temperatura Aire Presión Lic. Yolving Malavé (2013)

8 QUÍMICA UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) INTRODUCCIÓN Transición de una fase: es la conversión de una fase a otra. GAS Cuando una sustancia pasa de una fase de vapor a una líquida se llama Cuando una sustancia pasa de una fase líquida a una gaseosa se llama CONDENSACIÓN VAPORIZACIÓN SUBLIMACIÓN LÍQUIDO DEPOSICIÓN Cuando una sustancia pasa de una fase líquida a una sólida se llama Cuando una sustancia pasa de una fase sólida a una líquida se llama SOLIDIFICACIÓN FUSIÓN SÓLIDO Cuando una sustancia pasa de una fase sólida a una geseosa Cuando una sustancia pasa de una fase gaseosa a una sólida Lic. Yolving Malavé (2013)

9 QUÍMICA UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) INTRODUCCIÓN Estos conceptos te permitirá interpretar las curvas de enfriamiento y calentamiento, así como los diagrama de fases que te permitirá conocer y predecir el comportamiento de un sistema en equilibrio, representar procesos y realizar balances de materia, en función de los cambios de temperatura, presión o composición, y como se relaciona estos conocimientos con el medio que te rodea. Te invito a conocer las competencias que adquirirás al terminar la clase. Lic. Yolving Malavé (2013)

10 QUÍMICA UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) QUÍMICA COMPETENCIAS Analiza las curvas de calentamiento y enfriamiento para entender el comportamientos de la materia y su relación con el medio que te rodea. Interpreta los diagramas de fases para entender y predecir el comportamiento físico de los materiales y su aplicación en diversos procesos industriales. Relaciona los calores de cambios de fase de diferentes sustancias que te permitirá explicar las curvas y diagramas de los cambios físicos que experimenta la materia. . Lic. Yolving Malavé (2013)

11 Pero antes de empezar, debes tener noción de los siguientes temas
QUÍMICA UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) COMPETENCIAS Utiliza la ecuación de Clausius-Clapeyron para determinar la entalpia de vaporización, presión o temperaturas de una sustancia. Determina el calor total extraído durante el proceso de calentamiento o enfriamiento de una sustancia. . Pero antes de empezar, debes tener noción de los siguientes temas Lic. Yolving Malavé (2013)

12 PRE- REQUISITOS Define y conoce las características de los líquidos.
QUÍMICA UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) PRE- REQUISITOS Define y conoce las características de los líquidos. Interpreta e ilustra las propiedades física de los líquidos. Describe y evalúa los factores que afectan las propiedades de los líquidos Conoce y describe los elementos en el plano cartesiano. Lic. Yolving Malavé (2013)

13 MATERIALES Lápiz y papel. Guías entregadas por el profesor.
QUÍMICA UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 2 ) QUÍMICA MATERIALES Lápiz y papel. Guías entregadas por el profesor. Apuntes personales. Textos sobre el tema a tratar. Lic. Yolving Malavé (2013)

14 CONTENIDO 1. CURVAS DE CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO.
QUÍMICA UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) CONTENIDO 1. CURVAS DE CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO. 2. CALORES ASOCIADOS A LOS CAMBIOS FÍSICOS. 3. ECUACIÓN DE CLAUSIUS-CLAPEYRON. 4. DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE FASES Si quieres repasar algún tema en particular haz CLIP en algunas de las opciones Lic. Yolving Malavé (2013)

15 a) Curva de calentamiento:
QUÍMICA UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) TEMA 1 : CURVAS DE CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO. Puerto Ordaz a) Curva de calentamiento: Cuando un cuerpo aumenta su temperatura, se produce un cambio de estado. Hay una temperatura constante en la que pueden coexistir dos estados: Sólido-líquido Líquido-gas. Lic. Yolving Malavé (2013)

16 a) Curva de calentamiento:
UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) QUÍMICA a) Curva de calentamiento: Supongamos que calentamos una muestra de hielo que inicialmente esta a -25ºC y 1 atm de presión. A partir de este momento, todo el calor adicional se emplea para vencer las atracciones entre las moléculas del líquido. Cuando esta fuerza de atracción se debilita finalmente empieza el liquido a convertirse en gas, y el agua se encuentra en dos fases líquida y gaseosa a temperatura constante. Este proceso descrito es lo que se conoce como CURVA DE CALENTAMIENTO. Una vez completada la transformación, el calor suministrado al gas vuelve a aumentar la energía cinética de las partículas y se produce una elevación de la temperatura, y todo el líquido se ha convertido en vapor de agua. Puesto que la fusión es un proceso endotérmico, el calor que agregamos a 0 ºC se utilizara para convertir hielo en agua, y la temperatura permanecerá constante hasta que todo el hielo se haya fundido. Una vez que hayamos llegado a ese punto, la adición continuada de calor hará que la temperatura del agua líquida aumente hasta alcanzar su punto de ebullición Cuando la temperatura llegue a 0ºC, el hielo comenzara a fundirse, debido a que aumenta la energía cinética de las moléculas, y rompen las fuerzas intermoleculares que las mantiene juntas, en este instante decimos que la sustancia alcanza su punto de fusión La adición de calor hace que la temperatura del hielo aumente, en tanto la temperatura este por debajo de 0ºC, la muestra permanece congelada Esta curva de calentamiento representa un proceso endotérmico, es decir, se absorbe calor para que ocurran los tres cambios de fases. Lic. Yolving Malavé

17 a) Curva de enfriamiento:
UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) QUÍMICA a) Curva de enfriamiento: Una curva de enfriamiento es un tipo de gráfico utilizado en química, física, ingeniería y otras disciplinas para medir el progreso de una sustancia en enfriamiento. Un eje de la gráfica, usualmente el eje x, es el valor del tiempo, mientras que la temperatura se representa en el eje Y. Esta es todo lo contrario a la curva de calentamiento. La grafica de enfriamiento resulta de sustraer calor de una sustancia gaseosa, lo que produce una disminución de la temperatura. Esto se debe a que la energía cinética de las moléculas comienza a disminuir hasta que la agitación de las moléculas se hace tan lenta que las fuerzas atractivas resultan predominantes. . Lic. Yolving Malavé

18 a) Curva de enfriamiento:
UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) QUÍMICA a) Curva de enfriamiento: Luego la temperatura nuevamente permanece constante, mientras que el liquido pasa a sólido (línea DF). En la curva de calentamiento, una partícula necesita energía para pasar de la fase líquida a la gaseosa, es claro que el proceso inverso deberá liberar energía al sistema. La energía potencial disminuye al producirse la condensación lo cual desprende una cantidad de calor que compensa el que se ha sustraído, y por tanto, no disminuye el grado de agitación molecular, y la temperatura permanece constante, lo que da como resultado que el gas y el líquido se hallan a la misma temperatura. Supongamos una sustancia gaseosa que se encuentra a cierta temperatura T0 al disminuir la temperatura decrece la energía cinética de las moléculas, es decir se mueven con más lentitud lo que favorece al aumento de las fuerzas atractivas, produciendo así el proceso de licuefacción (línea AB) A medida que desciende la temperatura nuevamente, continua disminuyendo la energía cinética de las moléculas que se encuentran totalmente en estado liquido, esta disminución continua hasta T2 en que el líquido comienza a convertirse en sólido (proceso de cristalización). En la cristalización, las partículas se disponen según un modelo de simetría definida, y a medida que van pasando del estado líquido al sólido, disminuye su libertad de movimientos. Este proceso descrito es lo que se conoce como CURVA DE ENFRIAMIENTO T0 T1 T2 Calor agregado con respecto al tiempo Alcanza la Temperatura de condensación o licuefacción A Equilibrio Gas- líquido Una vez que todas las partículas han entrado ya a formar parte del cristal, cualquier nueva sustracción de calor hace descender la temperatura, como se observa en la línea FG. B C Equilibrio líquido-sólido Esta curva representa un proceso exotérmico, es decir, se libera calor al entorno para que una sustancia gaseosa cambie a a la fase sólida. Temperatura D F La licuefacción es cuando las moléculas o partículas abandonan el estado gaseoso para formar parte del estado líquido. G Lic. Yolving Malavé

19 ΔE: la variación de la energía interna de la sustancia (Ef - Ei).
QUÍMICA UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) Podemos representar el contenido calorífico de una sustancia como ΔH, también llamada entalpia, en un proceso es el cambio o incremento que experimenta una sustancia: ΔH = ΔE + PΔV DONDE: Δ: es el símbolo representa el cambio experimentado por cierta magnitud, es decir, el valor del estado final menos el valor del estado inicial (Hf - Hi). ΔE: la variación de la energía interna de la sustancia (Ef - Ei). P: es la presión atmosférica (constante) ΔV: la variación del volumen (Vf - Vi). Lic. Yolving Malavé

20 El trabajo realizado se puede expresar como: W = P ΔV, Ec (2)
UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) QUÍMICA La variación de la energía interna de la sustancia no es más que la diferencia entre la cantidad de calor absorbido o liberado (q) y el trabajo realizado en un proceso (W). ΔH = ΔE + PΔV ΔE = Qsistema W El calor absorbido o liberado se encuentra determinado por la siguiente expresión a presión constante : Q = mCΔT, Ec (1) El trabajo realizado se puede expresar como: W = P ΔV, Ec (2) Sustituyendo estas dos ecuaciones en la expresión de ΔE, nos queda: ΔE = mCΔT - P ΔV, Ec (3) Lic. Yolving Malavé

21 Se cancelan por diferencia de signo
UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 2 ) QUÍMICA Si la ecuación 3, la sustituimos en la expresión de ΔH, resulta lo siguiente: Se cancelan por diferencia de signo ΔH = mCΔT - P ΔV + PΔV Nos queda ΔH = mCΔT = Qsist Esta relación es muy útil en termodinámica, permite calcular los cambios de calor asociados a variaciones de entalpía a presión constante. DONDE: m: masa (en gramos) de la sustancia C: capacidad calorífica de la sustancia (cal/g °C) ΔT: variación de temperatura (Tf - Ti). A presión constante la capacidad calorífica de la sustancia se denota Cp Lic. Yolving Malavé

22 QUÍMICA UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) En forma general: Aumenta la energía cinética Proceso endotérmico, absorbe calor, cambios físicos presentes: Fusión Ebullición Sublimación Equilibrio Equilibrio En el recorrido A-B, ocurre un calentamiento del hielo, el calor especifico en este instante la podemos calcular: ΔH1 = Q1 = mCpΔT En el recorrido C-D, ocurre un calentamiento del agua, el calor especifico es igual a: ΔH3 = Q3 = mCpΔT En el recorrido D-E, ocurre la vaporización del agua, por lo tanto: ΔH4 = Q4 = m ΔHvap En el recorrido E-F, ocurre un calentamiento del vapor, el calor especifico es: ΔH5 = Q5 = mCp ΔT En el recorrido B-C, ocurre la fusión del hielo, entonces : ΔH2 = Q2 = m ΔHfus El calor total aplicado durante el proceso de calentamiento es la suma de todos los calores o sea: QT = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 Lic. Yolving Malavé (2013)

23 Proceso exotérmico, libera calor, cambios físicos presentes:
QUÍMICA UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) En la curva de enfriamiento ocurre todo lo contrario, a la curva de calentamiento: Ec decrece Ec constante Ep decrece Ec = 0 Proceso exotérmico, libera calor, cambios físicos presentes: Condensación Congelación Deposición Equilibrio Equilibrio En el recorrido C-D, ocurre un enfriamiento del líquido, el calor especifico es igual a: ΔH3 = Q3 = mCpΔT En el recorrido D-E, ocurre la condensación del líquido, por lo tanto: ΔHcond= Q2= m (- ΔHvap) En el recorrido E-F, ocurre un enfriamiento del vapor, el calor especifico es: ΔH1 = Q1 = mCp ΔT En el recorrido A-B, ocurre el proceso de cristalización o solidificación del líquido: ΔH5= Q5 = mCpΔT En el recorrido B-C, ocurre la congelación del líquido, entonces : ΔHcong = Q4 = m(- ΔHfus) El calor total extraído durante el proceso de enfriamiento es la suma de todos los calores o sea: QT = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 Lic. Yolving Malavé (2013)

24 PROBLEMA PROCEDIMIENTO CONCEPTUAL
Calcule la cantidad de energía (Kilojoules) necesaria para calentar 346 g de agua líquida desde 0°C a 182°C. Supóngase que el calor especifico del agua es 4,184J/g.°C en todo intervalo líquido y que el calor específico del vapor es 1,99 J/g.°C. META: CALCULAR LA CANTIDAD DE ENERGÍ (QT) EN UN INTERVALO DE TEMPERATURA ENTRE 0°C A 182°C PROCEDIMIENTO Dividiremos los cálculos en tres etapas: Paso 1. Calentamiento del agua desde 0°C a 100°C CONCEPTUAL Curva de calentamiento Calor especifico. Cantidad de energía. Presión Temperatura. Calor molar de vaporización. Masa. EVENTOS: Masa de agua (m): 346 g Temperatura inicial (T1): 0 °C Temperatura final(T2): 182 °C Calor especifico del agua (Cp(agua) ): 4,184J/g.°C Calor especifico del vapor (Cp(vap) ): 1,99 J/g.°C 𝑸 𝟏 =𝒎. 𝑪 𝒑((𝒂𝒈𝒖𝒂) .Δ𝑻 𝑸 𝟏 =(346𝑔).(4,184J/g.°C).(100°C−0°C) 𝑸 𝟏 =𝟏,𝟒𝟓𝒙 𝟏𝟎 𝟓 J 𝑸 𝟏 =𝟏𝟒𝟓 KJ Lic. Yolving Malavé (2013)

25 PROBLEMA PROCEDIMIENTO CONCEPTUAL
Calcule la cantidad de energía (Kilojoules) necesaria para calentar 346 g de agua líquida desde 0°C a 182°C. Supóngase que el calor especifico del agua es 4,184J/g.°C en todo intervalo líquido y que el calor específico del vapor es 1,99 J/g.°C. (Δ 𝑯 𝒗𝒂𝒑 = 40,79 KJ/mol ) META: CALCULAR LA CANTIDAD DE ENERGÍA (QT) EN UN INTERVALO DE TEMPERATURA ENTRE 0°C A 182°C PROCEDIMIENTO Paso 2. Evaporación de 346 g de agua 100°C. CONCEPTUAL Curva de calentamiento Calor especifico. Cantidad de energía. Presión Temperatura. Calor molar de vaporización. Masa. EVENTOS: Masa de agua (m): 346 g Temperatura inicial (T1): 0 °C Temperatura final(T2): 182 °C Calor especifico del agua (Cp(agua) ): 4,184J/g.°C Calor especifico del vapor (Cp(vap) ): 1,99 J/g.°C En este instante ocurre un cambio de fases. 𝑸 𝟐 = Δ 𝑯 𝒗𝒂𝒑 del agua Calor molar de vaporización (Δ 𝑯 𝒗𝒂𝒑 ) es la energía necesaria para evaporar un mol de un líquido. 1mol → 40,79 KJ/mol Necesitamos la energía necesaria para evaporar 346 g de agua. Lic. Yolving Malavé (2013)

26 𝑸 𝟐 =𝟑𝟒𝟔 𝒈𝑯𝟐𝑶. 𝟏𝒎𝒐𝒍 𝑯𝟐𝑶 𝟏𝟖,𝟎𝟐 𝒈 𝑯𝟐𝑶 . 𝟒𝟎,𝟕𝟗𝑲𝑱 𝟏𝒎𝒐𝒍 𝑯𝟐𝑶
PROBLEMA Calcule la cantidad de energía (Kilojoules) necesaria para calentar 346 g de agua líquida desde 0°C a 182°C. Supóngase que el calor especifico del agua es 4,184J/g.°C en todo intervalo líquido y que el calor específico del vapor es 1,99 J/g.°C. (Δ 𝑯 𝒗𝒂𝒑 = 40,79 KJ/mol ) META: CALCULAR LA CANTIDAD DE ENERGÍA (QT) EN UN INTERVALO DE TEMPERATURA ENTRE 0°C A 182°C PROCEDIMIENTO CONCEPTUAL Curva de calentamiento Calor especifico. Cantidad de energía. Presión Temperatura. Calor molar de vaporización. Masa. EVENTOS: Masa de agua (m): 346 g Temperatura inicial (T1): 0 °C Temperatura final(T2): 182 °C Calor especifico del agua (Cp(agua) ): 4,184J/g.°C Calor especifico del vapor (Cp(vap) ): 1,99 J/g.°C Determinamos los moles con la masa molar y con esta el Δ 𝑯 𝒗𝒂𝒑 = Q2 : 𝑸 𝟐 =𝟑𝟒𝟔 𝒈𝑯𝟐𝑶. 𝟏𝒎𝒐𝒍 𝑯𝟐𝑶 𝟏𝟖,𝟎𝟐 𝒈 𝑯𝟐𝑶 . 𝟒𝟎,𝟕𝟗𝑲𝑱 𝟏𝒎𝒐𝒍 𝑯𝟐𝑶 𝑸 𝟐 =𝟕𝟖𝟑 𝑲𝑱 Paso 3. Calentamiento del vapor desde 100°C hasta 182°C. 𝑸 𝟑 =𝒎. 𝑪 𝒑((𝒗𝒂𝒑𝒐𝒓) .Δ𝑻 𝑸 𝟑 =(346𝑔).(1,99J/g.°C).(182°C−100°C) 𝑸 𝟑 =𝟓,𝟔𝟓𝒙 𝟏𝟎 𝟒 J 𝑸 𝟑 =𝟓𝟔,𝟓 KJ Lic. Yolving Malavé (2013)

27 PROBLEMA PROCEDIMIENTO CONCEPTUAL Curva de calentamiento EVENTOS:
Calcule la cantidad de energía (Kilojoules) necesaria para calentar 346 g de agua líquida desde 0°C a 182°C. Supóngase que el calor especifico del agua es 4,184J/g.°C en todo intervalo líquido y que el calor específico del vapor es 1,99 J/g.°C. (Δ 𝑯 𝒗𝒂𝒑 = 40,79 KJ/mol ) META: CALCULAR LA CANTIDAD DE ENERGÍA (QT) EN UN INTERVALO DE TEMPERATURA ENTRE 0°C A 182°C PROCEDIMIENTO CONCEPTUAL Curva de calentamiento Calor especifico. Cantidad de energía. Presión Temperatura. Calor molar de vaporización. Masa. EVENTOS: Masa de agua (m): 346 g Temperatura inicial (T1): 0 °C Temperatura final(T2): 182 °C Calor especifico del agua (Cp(agua) ): 4,184J/g.°C Calor especifico del vapor (Cp(vap) ): 1,99 J/g.°C La energía necesaria para todo el proceso esta dada por: 𝑸 𝑻 = 𝑸 𝟏 + 𝑸 𝟐 + 𝑸 𝟑 𝑸 𝑻 =𝟏𝟒𝟓 KJ+𝟕𝟖𝟑 𝑲𝑱+ 𝟓𝟔,𝟓 KJ 𝑸 𝑻 =𝟗𝟖𝟓 𝑲𝑱 La cantidad de energía necesaria para calentar 346 g de agua desde 0°C hasta 182°C en todo el proceso es 985KJ. Se necesita más energía para que el hielo se funda y pase al estado líquido. Lic. Yolving Malavé (2013)

28 Calor molar de vaporización (ΔH vap)
QUÍMICA UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) TEMA 2 : CALORES ASOCIADOS A LOS CAMBIOS FISICOS Puerto Ordaz Calor molar de vaporización (ΔH vap) Se define como la energía necesaria para evaporar un mol de un líquido. Es una medida que esta relacionada con la magnitud de las fuerzas intermoleculares que hay en un líquido, por lo general los ΔH se expresan en kilojoules (KJ). Si la atracción intermolecular es fuerte, se necesita mucha energía para liberar las moleculas de la fase líquida. Por consecuencia, el líquido tiene una presión de vapor relativamente baja y un elevado calor molar de vaporización. Lic. Yolving Malavé (2013)

29 Calor molar de fusión (ΔHfus)
QUÍMICA UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) Calor molar de fusión (ΔHfus) Es la cantidad de energía necesaria para hacer que un mol de un elemento que se encuentre en su punto de fusión pase del estado sólido al líquido, a presión constante. Puerto Ordaz La entalpía de fusión es un calor latente ya que durante el proceso de cambio de estado no se da un cambio apreciable de temperatura. El calor es completamente invertido en modificar la estructura del material para dar movilidad a sus unidades moleculares. Se expresa KJ, sin embargo cuando se quiere hacer referencia a la unidad absorbida por mol de sustancia en cambio de estado se emplea la entalpía de fusión en KJ/mol. Lic. Yolving Malavé (2013)

30 Calor molar de sublimación (ΔHsub)
QUÍMICA UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 2 ) Calor molar de sublimación (ΔHsub) Es la energía necesaria para sublimar un mol de un sólido, se expresa en kilojoules. Puerto Ordaz RECUERDA: La sublimación o volatilización es el proceso que consiste en el cambio del estado sólido al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. El calor se sublimación es igual a la suma de los calores molares de fusión y vaporización: ΔHsub = ΔHvap + ΔHfus Lic. Yolving Malavé (2013)

31 Calor molar de algunas sustancias
QUÍMICA UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) Calor molar de algunas sustancias SUSTANCIAS ENTALPIA DE FUSIÓN KJ/mol ENTALPIA DE VAPORIZACIÓN KJ/mol ENTALPIA DE SUBLIMACIÓN ΔHsub = ΔHvap + ΔHfus KJ/mol Agua 6,01 40,65 46,66 Metano 0,94 8,19 9,13 Propano 3,52 15,7 19,22 Metanol 3,18 36,1 39,28 Etanol 4,8 38,6 43,4 El valor de la entalpias, dependerá de las propiedades físicas y químicas de las sustancias, y de la fuerza de atracción de sus moleculas que permita que están pasen a otra fase. Lic. Yolving Malavé (2013)

32 TEMA 3 : ECUACIÓN DE CLAUSIUS-CLAPEYRON
QUÍMICA UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 2 ) TEMA 3 : ECUACIÓN DE CLAUSIUS-CLAPEYRON Puerto Ordaz La presión de vapor de las sustancias líquidas depende de la temperatura, a mayor presión incrementa el calor de una sustancia líquida. La relación que existe entre la presión de vapor de un líquido y su temperatura está dada por una ecuación, denominada ecuación de Clausius-Clapeyron: 𝑳𝒏𝑷 = − 𝜟𝑯𝒗𝒂𝒑 𝑹𝑻 + 𝑪 DONDE, T= temperatura absoluta (K). R= Constante de los gases (8,314J/mol.K) ΔHvap= Entalpia de vaporización por mol de sustancia (J). C = Es una constante. Lic. Yolving Malavé (2013)

33 Ecuación de Clausius-Clapeyron
QUÍMICA UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) Ecuación de Clausius-Clapeyron La ecuación de Clausius-Clapeyron tiene la forma de la ecuación de la recta: y = mx + b Puerto Ordaz 𝑳𝒏𝑷 = − ∆𝑯 𝒗𝒂𝒑 𝑹 𝟏 𝑻 + 𝑪 𝒚= 𝒎 𝒙 + 𝒃 Con esta ecuación, podemos determinar los calores de vaporización de los líquidos a distintas temperaturas, calculando la pendiente de la recta, que es igual a –ΔHvap / R. Para ello es necesario graficar el LnP contra 1/T. Lic. Yolving Malavé (2013)

34 Ecuación de Clausius-Clapeyron
QUÍMICA UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15) Ecuación de Clausius-Clapeyron De acuerdo con esta ecuación si graficamos LnP vs 1/T, la gráfica debe representar una línea recta con pendiente negativa: Puerto Ordaz A T1 y T2 las presiones de vapor son P1 y P2, a partir de la ecuación de Clausius-Clapeyron podemos decir: Al restar estas dos ecuaciones se obtiene: 1/T (K-1) Ln P LnP1 1/T1 LnP2 1/T2 (T1 , P1) (T2 , P2) 𝑳𝒏𝑷𝟏−𝑳𝒏𝑷𝟐 = − ∆𝑯 𝒗𝒂𝒑 𝑹𝑻𝟐 − − ∆𝑯 𝒗𝒂𝒑 𝑹𝑻𝟏 𝑳𝒏𝑷𝟏 = − 𝜟𝑯𝒗𝒂𝒑 𝑹𝑻𝟏 + 𝑪 𝑳𝒏 𝑷 𝟏 𝑷 𝟐 = ∆𝑯 𝒗𝒂𝒑 𝑹 𝟏 𝑻𝟐 − 𝟏 𝑻𝟏 𝑳𝒏𝑷𝟐 = − 𝜟𝑯𝒗𝒂𝒑 𝑹𝑻𝟐 + 𝑪 Lic. Yolving Malavé (2013)

35 META: ¿CUÁL ES LA PRESIÓN DE VAPOR A 32°C (P2)?
PROBLEMA El éter dietílico es un líquido orgánico muy inflamable que se utiliza como disolvente. La presión de vapor de éter dietílico es 401 mm de Hg a 18 °C. calcule la presión de vapor a 32 °C. (ΔHvap = 26 KJ/mol = J/mol). META: ¿CUÁL ES LA PRESIÓN DE VAPOR A 32°C (P2)? PROCEDIMIENTO De acuerdo con la ecuación de Clausius-Clapeyron: CONCEPTUAL Presión de vapor Temperatura Calor molar de vaporización EVENTOS: Presión de vapor inicial (P1): 401 mmHg Temperatura inicial (T1): 18 °C Temperatura final (T2): 32 °C Calor molar de vaporización (ΔHvap ): 26 KJ/mol = J/mol 𝑳𝒏 𝑷 𝟏 𝑷 𝟐 = ∆𝑯 𝒗𝒂𝒑 𝑹 𝟏 𝑻𝟐 − 𝟏 𝑻𝟏 Antes de sustituir los valores en esta ecuación debemos transformar los grados Celsius a Kelvin: 𝑻𝟏=𝟏𝟖+𝟐𝟕𝟑 = 291K 𝑻𝟐=𝟑𝟐+𝟐𝟕𝟑 = 305K Lic. Yolving Malavé (2013)

36 PROBLEMA El éter dietílico es un líquido orgánico muy inflamable que se utiliza como disolvente. La presión de vapor de éter dietílico es 401 mm de Hg a 18 °C. calcule la presión de vapor a 32 °C. (ΔHvap = 26 KJ/mol = J/mol). META: ¿CUÁL ES LA PRESIÓN DE VAPOR A 32°C (P2)? PROCEDIMIENTO Ahora si podemos sustituir los valores y reordenando obtenemos que: CONCEPTUAL Presión de vapor Temperatura Calor molar de vaporización EVENTOS: Presión de vapor inicial (P1): 401 mmHg Temperatura inicial (T1): 18 °C Temperatura final (T2): 32 °C Calor molar de vaporización (ΔHvap ): 26 KJ/mol = J/mol 𝑳𝒏 𝟒𝟎𝟏 𝑷 𝟐 = 𝟐𝟔𝟎𝟎𝟎𝑱/𝒎𝒐𝒍 𝟖,𝟑𝟏𝟒 𝑱 𝑲 .𝒎𝒐𝒍 𝟏 𝟑𝟎𝟓𝑲 − 𝟏 𝟐𝟗𝟏𝑲 𝑳𝒏 𝟒𝟎𝟏 𝑷 𝟐 = 𝟐𝟔𝟎𝟎𝟎𝑱/𝒎𝒐𝒍 𝟖,𝟑𝟏𝟒 𝑱 𝑲 .𝒎𝒐𝒍 𝟐𝟗𝟏𝑲−𝟑𝟎𝟓𝒌 𝟑𝟎𝟓𝑲.𝟐𝟗𝟏𝒌 R es la contante de los gases que tiene un valor de: 8, 314 J/K.mol 𝑳𝒏 𝟒𝟎𝟏 𝑷 𝟐 =−𝟎,𝟒𝟗𝟒𝟏 Tomando el antilogaritmo en ambos lados se llega a: 𝒆 𝑳𝒏 𝟒𝟎𝟏 𝑷 𝟐 = 𝒆 −,𝟒𝟗𝟒𝟏 Lic. Yolving Malavé (2013)

37 PROBLEMA El éter dietílico es un líquido orgánico muy inflamable que se utiliza como disolvente. La presión de vapor de éter dietílico es 401 mm de Hg a 18 °C. calcule la presión de vapor a 32 °C. (ΔHvap = 26 KJ/mol = J/mol). META: ¿CUÁL ES LA PRESIÓN DE VAPOR A 32°C (P2)? PROCEDIMIENTO CONCEPTUAL Presión de vapor Temperatura Calor molar de vaporización EVENTOS: Presión de vapor inicial (P1): 401 mmHg Temperatura inicial (T1): 18 °C Temperatura final (T2): 32 °C Calor molar de vaporización (ΔHvap ): 26 KJ/mol = J/mol Sacando el valor de la exponencial y despejando P2 obtenemos: 𝟒𝟎𝟏 𝑷 𝟐 = 𝒆 −𝟎,𝟒𝟗𝟒𝟏 𝟒𝟎𝟏 𝑷 𝟐 =𝟎,𝟔𝟏𝟎𝟔 R es la contante de los gases que tiene un valor de: 8, 314 J/K.mol 𝑷𝟐=𝟔𝟓𝟕𝐦𝐦𝐇𝐠 Se espera que la presión aumente con la temperatura lo que la respuesta es razonable . Lic. Yolving Malavé (2013)

38 Resuelve el siguiente problema La respuesta correcta es:
QUÍMICA UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) Resuelve el siguiente problema La presión de vapor del etanol es 100 mmHg a 34,9°C. ¿Cuál es su presión de vapor a 63,5°C?. (ΔHvap del etanol es 39, 3 KJ/mol). Puerto Ordaz La respuesta correcta es: a)180,55mmHg b)124,15mmHg c)200,00mmHg La respuesta correcta es la opción b): 124,15mmHg Recuerda la ecuación de Clausius-Clapeyron: 𝑳𝒏 𝑷 𝟏 𝑷 𝟐 = ∆𝑯 𝒗𝒂𝒑 𝑹 𝟏 𝑻𝟐 − 𝟏 𝑻𝟏 Si tu elección fue incorrecta no te desanimes; y revisa los cálculos matemáticos que realizaste para que tengas conocimiento en donde cometiste el error. Puedes practicar en el aula virtual, encontraras algunos ejercicios y cuestionarios que te ayudaran a reforzar estos conocimientos. Lic. Yolving Malavé (2013)

39 TEMA 4 : DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE FASES
QUÍMICA UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) TEMA 4 : DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE FASES Puerto Ordaz Un diagrama de fases resume las condiciones en las cuales una sustancia existe como sólido, líquido o gas. Existen diferentes diagramas de equilibrio según los materiales. Los diagramas de fase más sencillos son los de presión- temperatura de una sustancia pura, como puede ser el del agua. En el eje de ordenadas se coloca la presión y en el de abscisas la temperatura. Lic. Yolving Malavé (2013)

40 Diagramas de fases para una sustancia pura
UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 2 ) QUÍMICA Diagramas de fases para una sustancia pura Generalmente, para una presión y temperatura dadas, el cuerpo presenta una única fase. Excepto en las siguientes zonas: El punto crítico separa las fases vapor - líquido. Más allá de este punto, la materia se presenta como un fluido supercrítico que tiene propiedades tanto de los líquidos como de los gases. Modificando la presión y temperatura en valores alrededor del punto crítico se producen reacciones que pueden tener interés industrial, como por ejemplo las utilizadas para obtener café descafeinado. En el punto triple coexisten los tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Fase sólida Fluido supercrítico Estos puntos tienen cierto interés, ya que representan un invariante y por lo tanto se pueden utilizar para calibrar termómetros. Pcrit Fase líquida Punto crítico Punto triple Ptrip Fase gaseosa Tcrit Ttrip Lic. Yolving Malavé

41 UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 )
QUÍMICA Toda sustancia tiene una temperatura crítica (Tc), por arriba de la cual la fase gaseosa no se puede licuar, independientemente de la magnitud de la presión que se aplique, es decir, no existe distinción fundamental entre un líquido y un gas: simplemente se tiene un fluido. La presión crítica (Pc) es la mínima presión que se debe aplicar para llevar a cabo la licuefacción a la temperatura crítica. A temperaturas menores que Tc, la atracción intermolecular es suficiente para mantener unidas a las moléculas (con una presión apropiada) en un líquido. Mientras, que por arriba de la Tc, el movimiento molecular se vuelve tan energético que las moleculas son capaces de liberarse de esta atracción. Lic. Yolving Malavé

42 UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 )
QUÍMICA En forma general: El diagrama contiene tres curvas importantes, cada una de las cuales representan las condiciones de temperatura y presión en que las distintas fases pueden coexistir en equilibrio. Representa el cambio del punto de fusión del sólido al aumentar la presión. Posee una pequeña pendiente. La curva AB, representa la presión de vapor del líquido; existe un equilibrio entre las fases liquida y gaseosa. Por debajo de este punto, que coincida con la curva AB existe un equilibrio entre la fase líquida y la gaseosa. Por encima no hay distinción de estas dos fases y se tiene un fluido. Punto triple, en este instante la temperatura y presión de las tres fases están en equilibrio. Fuera de ese punto solo hay dos fases. Representa la variación de la presión de vapor del sólido al sublimarse a diferentes temperaturas. Lic. Yolving Malavé

43 Diagrama de fase del agua (H2O)
UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15) QUÍMICA Diagrama de fase del agua (H2O) El gráfico se divide en tres regiones y cada una representa una fase pura del agua: hielo, líquido y vapor de agua. Esta es la única sustancia cuya línea de fusión tiene pendiente negativa, lo cual se debe a que la densidad del sólido es menor que la del líquido. La línea que separa cualesquiera dos regiones indica las condiciones en la que estas dos fases pueden estar en equilibrio A una 1 atm de presión el agua tiene un punto de ebullición de 100°C (≈373,15K) Para el agua, el punto triple esta a 0,01°C y 0,006 atm Lic. Yolving Malavé

44 Diagrama de fase del dióxido de carbono (CO2):
UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) QUÍMICA Diagrama de fase del dióxido de carbono (CO2): El diagrama de fases del dióxido de carbono tiene mucha semejanza con el del agua, con una excepción importante: la pendiente de la curva entre las fases sólida y líquida es positiva. El punto triple del dióxido de carbono está a   -56,4°C y 5,11 atm. Toda la fase líquida está muy por encima de la presión atmosférica; por consiguiente, es imposible que el dióxido de carbono sólido se funda a la presión de 1 atm, es por eso que a temperatura ambiente lo encontramos en forma sólida. En cambio, cuando el dióxido de carbono sólido se calienta a -78°C se sublima. Es por esto que se lo conoce como hielo seco y se lo utiliza como refrigerante. Lic. Yolving Malavé

45 Utilidad e importancia de los diagramas de fases
UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) QUÍMICA Utilidad e importancia de los diagramas de fases Los diagramas de fases son útiles no solamente para determinar el estado físico en el que se encuentra una sustancia a un a presión y temperatura dadas, sino también para predecir los cambios que tienen lugar cuando cambian de condiciones. Su utilidad radica en la posibilidad de la predicción de la transformación y de la microestructura resultante, que pueden estar o no en equilibrio. Son de gran importancia en la ingeniera de materiales, pues apoyan, entre otros, estudios de solidificación, microestructura, metalurgia física y diseño de nuevos materiales. Lic. Yolving Malavé

46 Utilidad e importancia de los diagramas de fases
UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) QUÍMICA Utilidad e importancia de los diagramas de fases También lo son en la practica general de ingeniería relacionada de algún modo con la manipulación y el procesamiento de materiales, donde permiten relacionar los procesos de obtención mediante la estructura y ésta a su vez con las propiedades de diseño, con la finalidad de concebir y optimizar dichos procesos para obtener el producto deseado. Lic. Yolving Malavé

47 UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 )
QUÍMICA EJERCICIOS Se muestra el diagrama de fases. De acuerdo a los puntos marcados, cual es el comportamiento del estado físico de esa sustancia. Respuesta A B C D En el punto A, la sustancia se encuentra en la fase líquida. En el punto B, se encuentra en su punto triple, lo que indica que se encuentra en las tres fases: líquido, sólido y gas. En el punto C, la sustancia se encuentra en forma de vapor. En el punto D, ya alcanzo su punto crítico, existe un equilibrio entre la fase líquida y la fase gaseosa. Lic. Yolving Malavé

48 UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15)
QUÍMICA EJERCICIOS De acuerdo al diagrama de fase del agua, que ocurre cuando el H2O a -25°C y 1 Torr (0,0013 atm) se calienta hasta +25°C y a continuación se comprime hasta 2 atm. Respuesta El punto correspondiente a P= 0,0013 atm y T= -25°C se encuentra en la región del sólido, porque en esas condiciones de temperatura está en forma de hielo. Si desde ese punto se aumenta la temperatura hasta 25°C, se traspasa la línea sólido -vapor y el sólido se sublima. 25°C En el punto P= 0,0013 atm y T= +25°C se encuentra en la zona del vapor. Cuando desde ese punto se aumenta la presión hasta 2 atm, se pasa a la zona líquida; el vapor se condensa una vez que se ha sobrepasado la presión de 0,006 atm a 25°C. Lic. Yolving Malavé

49 ECUACIONES CLAVES Calor absorbido o liberado (Q) 𝑸=𝒎𝑪𝒆𝒔∆𝑻
UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) QUÍMICA ECUACIONES CLAVES Calor absorbido o liberado (Q) 𝑸=𝒎𝑪𝒆𝒔∆𝑻 Ecuación para calcular ΔHvap , presión de vapor o punto de ebullición de un líquido 𝑳𝒏 𝑷 𝟏 𝑷 𝟐 = ∆𝑯 𝒗𝒂𝒑 𝑹 𝑻 𝟏 − 𝑻 𝟐 𝑻 𝟏 . 𝑻 𝟐 Aplicación de la Ley de Hess ∆ 𝑯 𝒔𝒖𝒃 =∆ 𝑯 𝒇𝒖𝒔 + ∆ 𝑯 𝒗𝒂𝒑 Ecuación de Clausius-Clapeyron para calcular el ΔHvap de un líquido. 𝑳𝒏𝑷= ∆𝑯 𝒗𝒂𝒑 𝑹𝑻 +𝑪 Lic. Yolving Malavé

50 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 ) QUÍMICA REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Chang, R. (2001 ). Química. Editorial McGraw Hill. Sexta Edición. México. Brown, L. (1998). Química la Ciencia Central. Editorial Pearson. México. Whitten, K.( ). Química General. Editorial Mc Graw Hill. Domínguez, M. (2008) Química la Ciencia Básica. Editorial Copyright. Segunda edición. España. Lic. Yolving Malavé

51 UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 15 )
QUÍMICA ACTIVIDADES Para verificar los conocimientos adquiridos realiza la actividad virtual sugerida para el reforzamiento de esta clase. Lic. Yolving Malavé

52 UNIDAD 4: LÍQUIDOS. (CLASE 1 5)
QUÍMICA La inteligencia consiste no sólo en el conocimiento, sino también en la destreza de aplicar los conocimientos en la práctica. Aristóteles FIN DE LA CLASE 2 Lic. Yolving Malavé