Determinação da Entalpia e Entropia de Vaporização de um Líquido

Determinação da Entalpia e Entropia de Vaporização de um Líquido

(Parte 1 de 2)

14

Objetivos

Determinação da entalpia e entropia de vaporização através de medidas de pressão de vapor á várias temperaturas.

Introdução

Uma substância simples pode existir em diferentes fases, isto é, em diferentes formas físicas. As fases de uma substância incluem as formas sólida, líquida, e gasosa e as diferentes formas de sólidos, como as fases diamante e grafite, do carbono. Em um único caso o Hélio existe em duas formas liquidas da mesma substância.

A conversão de uma substância de uma fase em outra, como fusão do gelo, a vaporização da água ou a conversão da grafite em diamante, é chamada de transição de fase. As transições de fase ocorrem em temperaturas e pressões determinadas, o que dependem da pureza da substância. A água do mar, por exemplo, congela em temperatura mais baixa do que a água pura.

Pressão de vapor

Um experimento simples mostra que, em recipiente fechado, as fases líquido e vapor entram equilíbrio.

Teremos como demonstração o barômetro de mercúrio: o mercúrio dentro do tubo cai de uma altura proporcional a pressão atmosférica externa, ficando em torno de 76 mmHg, ao nível do mar. O espaço acima do mercúrio é quase um vácuo. Imagine, agora, que ligamos um bulbo que contem uma pequena gota de água ao espaço acima do mercúrio. A água adicionada evapora imediatamente e enche o espaço com vapor de água. Esse vapor exerce pressão e empurra a superfície do mercúrio alguns milímetros para baixo.

A pressão exercida pelo vapor, medida pela mudança da altura do mercúrio, depende, neste caso, da quantidade de liquido na superfície do mercúrio no tubo.

Nesta situação, a pressão exercida é dividida a adição de água. Imagine agora que, que colocaremos tanta água que resta uma pequena quantidade de liquido na superfície do mercúrio no tubo. Nessa situação a pressão de vapor permanece constante, independente da quantidade de água liquida presente.

Podemos concluir que, em uma temperatura fixa, o vapor exerce uma pressão característica que é independente da quantidade de água liquida presente. Por exemplo, em 20⁰C, o mercúrio cai 18 mm, logo a pressão exercida pelo vapor é de 18 torr. A pressão do vapor de água é a mesma se houver 0,1 ml ou 0,1 ml de água liquida presente. Essa pressão característica é a “Pressão de Vapor” do liquido na temperatura do experimento.

Quando um líquido e seu vapor estão em equilíbrio dinâmico dentro de um recipiente fechado, a velocidade em que as moléculas deixam o líquido é igual á velocidade em que elas retornam.

Um líquido cuja pressão é alta em temperaturas ordinárias é chamado de volátil. O metanol é muito volátil, o mercúrio não. Os sólidos também exercem pressão de vapor, mas a pressão de vapor dos sólidos é, normalmente, muito mais baixa do que líquidos, porque as moléculas dos sólidos estão presas mais firmemente do que as do liquido.

O fato de que em uma determinada temperatura, uma fase condensada dá origem a uma pressão característica e é um sinal de que a fase condensada e o vapor estão em equilíbrio. Para construir um modelo desse equilíbrio em nível molecular temos de imaginar que o liquido foi colocado em um recipiente fechado. O vapor se forma à medida que as moléculas deixam a superfície do liquido. O processo de evaporação ocorre essencialmente na superfície do liquido porque as moléculas estão ligadas menos fortemente e podem escapar com mais facilidade do que as do corpo do liquido. Quando o número de moléculas na fase de vapor aumenta, um número maior delas pode se chocar com a superfície do liquido adere-se a ela e voltam a fazer parte do liquido. Eventualmente, o numero de moléculas que voltam ao liquido em cada segundo torna-se igual ao numero que escapa. Nessas condições o vapor condensa com a mesma velocidade com que o liquido vaporiza e o equilíbrio é dinâmico:

Velocidade de Evaporação= Velocidade de Conservação

O equilíbrio dinâmico entre a água e seu vapor é representado por

H2O(l) H2O(g)

A pressão de vapor de uma substância é a pressão exercida pelo vapor que está em equilíbrio dinâmico com a fase condensada.

Procedimento experimental

a) Materiais utilizados

- 1 Proveta de 10,0 ml

- 1 béquer de 500 ml

- 1 termômetro

- Haste universal

- Anel

- Tela de amianto

- Garras

- Bico de Bunsen

- Cuba de vidro

- Gelo

- Água destilada desaerada

b) Procedimento

- Tomou-se um béquer de 500 ml com cerca de 400 ml de água desaerada e montou-se sobre uma tela de amianto, com bico de bunsen embaixo.

- Encheu-se a proveta de água com 2/3 do volume. Cobriu-se o topo da mesma com o dedo, inverteu-a lentamente procurando não deixar gotas de água nas paredes internas em contato com o ar e colocou-a no béquer com água desaerada.

- Colocou-se mais água de modo que esta submergiu a proveta.

- Aqueceu-se o sistema até 80⁰C.

- Deixou-se esfriar o sistema e mediu-se a temperatura a cada 5⁰C até 50⁰C.

- Quando atingiu a temperatura de 50⁰C resfriou o béquer com, gelo até 10⁰C e mediu-se o volume.

Resultados e Discussão

Os volumes de ar observados no interior da proveta e relacionados às diferentes temperaturas durante o experimento foram os seguintes:

Temperatura (ºC)

Volume (ml)

80

6,4

75

5,5

70

5,0

65

4,5

60

4,2

55

4,0

50

3,9

45

3,7

40

não foi possível observar

35

não foi possível observar

30

3,5

25

3,3

20

3,2

15

3,1

Tabela A - resultados obtidos de forma direta durante o experimento.

Nas temperaturas de 40ºC e 35ºC não foi possível observar o volume, pois à temperatura de 45ºC, o béquer foi transferido à cuba de gelo, causando uma rápida queda de temperatura.

Considerando-se que na menor temperatura, de 15ºC, tem-se a menor quantidade de água em forma de vapor no interior da proveta, pode-se considerar que este volume corresponde apenas ao volume de ar. Desta forma, à esta temperatura, é possível desprezar a pressão de vapor da água e considerar que a pressão no interior da proveta é igual à temperatura atmosférica (fornecida pelo professor, sendo seu valor igual a 633,9 mmHg), já que o líquido está em equilíbrio neste sistema. Também é preciso compensar o volume de ar observado nesta temperatura, subtraindo 2ml do volume medido, devido à posição invertida do menisco. Assim, o número de mols de ar contidos na proveta pode ser calculado por:

Assim, o número de mols de ar contidos na proveta é de aproximadamente:

Sabendo-se o número de mols de ar contidos na proveta, e considerando-se que em qualquer temperatura, a pressão no interior da proveta pode ser igualada à pressão atmosférica (é possível desconsiderar o desnível entre a água do béquer e a água contida na proveta, que, apesar de ser uma fonte de erros, causa erros muito pequenos). Assim, utilizando a lei dos gases ideais (PV = nRT), pode-se calcular, para cada temperatura, a pressão exercida pelo ar seco, e descobrir, pela diferença entre a pressão atmosférica e a temperatura exercida pelo ar seco, a pressão de vapor da água na proveta.

Os cálculos realizados foram realizados da seguinte forma, desprezando-se a menor temperatura, visto que esta foi utilizada como referência considerando-se de forma arbitrária que neste caso, a pressão de vapor seria nula e a pressão total exercida seria decorrente do ar seco contido no interior da proveta:

  • Para 20ºC (293K):

  • Para 25ºC (298K):

  • Para 30ºC (303K):

  • Para 45ºC (318K):

(Parte 1 de 2)

Comentários