Química General · Liquids, solids and solutions
Líquidos y presión de vapor
Una lección resuelta gratis y 40 problemas de práctica en los que dibujas tú mismo cada flecha curva.
¿Atascado con líquidos y presión de vapor? Escanea el problema.
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Lo que aprenderás
- Describe vapor pressure as a dynamic equilibrium that depends only on the liquid and the temperature, and relate it to intermolecular forces.
- Define the boiling point and the normal boiling point, and predict how boiling changes with external pressure.
- Use the two-point Clausius–Clapeyron equation to find ΔHvap, a vapor pressure or a boiling point, and read ΔHvap from the slope of ln P against 1/T.
- Explain surface tension, viscosity and capillary action in terms of cohesive and adhesive forces.
- Calculate the heat for each segment of a heating or cooling curve with q = mcΔT and q = nΔH, and combine phase-change enthalpies.
Lección gratis
El texto de la lección resuelta. En Arrow Lab, cada paso incluye sus estructuras y sus flechas dibujadas.
Leer la lección gratis (6 partes)
La presión de vapor es un equilibrio dinámico
En un recipiente cerrado, las moléculas de la superficie de un líquido que tienen suficiente energía cinética escapan a la fase gaseosa, y las moléculas de vapor que chocan contra la superficie vuelven al líquido. Cuando ambas velocidades se igualan, la presión del vapor deja de cambiar: esa presión es la presión de vapor. Depende únicamente de la identidad del líquido y de la temperatura, no del volumen del recipiente, de la cantidad de líquido ni del área superficial, siempre que quede algo de líquido. Si se agranda el recipiente, se evapora más líquido hasta que se restablece la misma presión. Fuerzas intermoleculares más débiles implican que más moléculas pueden escapar, así que la presión de vapor es mayor: a 25 °C el dietil éter (fuerzas de dispersión y dipolo–dipolo débiles) tiene una presión de vapor de unos 537 torr, mientras que el agua (con una extensa red de puentes de hidrógeno) tiene 23.8 torr. La presión de vapor aumenta pronunciadamente con la temperatura porque la fracción de moléculas en la cola de alta energía de la distribución de energía cinética crece rápidamente al subir la temperatura.
Ebullición y punto de ebullición normal
Un líquido hierve cuando su presión de vapor iguala la presión externa: entonces pueden formarse y crecer burbujas de vapor en todo el líquido, no solo en su superficie. El punto de ebullición normal es el punto de ebullición a exactamente 1 atm (760 torr); para el agua es 100 °C y para el etanol, 78.4 °C. A menor presión externa el punto de ebullición es más bajo: la presión de vapor del agua es 233.7 torr a 70 °C y 355.1 torr a 80 °C, así que donde la presión del aire es 250 torr el agua hierve entre 70 y 80 °C. Una olla a presión a unas 2 atm eleva el punto de ebullición del agua a unos 120 °C, y la destilación al vacío permite que un compuesto que se descompondría en su punto de ebullición normal destile a menor temperatura. Mientras un líquido puro hierve a presión constante, su temperatura se mantiene fija; añadir calor más rápido solo lo hace hervir más rápido.
La ecuación de Clausius–Clapeyron
La presión de vapor P de un líquido cumple ln P = −ΔHvap/(RT) + C, de modo que una gráfica de ln P frente a 1/T (T en kelvin) es una recta de pendiente −ΔHvap/R. Una recta más pronunciada implica una mayor entalpía de vaporización y fuerzas intermoleculares más fuertes. Para dos puntos, ln(P₂/P₁) = −(ΔHvap/R)(1/T₂ − 1/T₁), con R = 8.314 J mol⁻¹ K⁻¹, ΔHvap en J/mol y ambas temperaturas en kelvin; las presiones pueden estar en cualquier unidad, porque solo aparece su cociente. La ecuación supone que ΔHvap es constante en el intervalo, que el vapor es ideal y que el volumen del líquido es despreciable. Ejemplo resuelto: el etanol (dibujado) tiene una presión de vapor de 400 torr a 63.5 °C (336.65 K) y de 760 torr a 78.4 °C (351.55 K). ln(760/400) = 0.6419 y 1/336.65 − 1/351.55 = 1.259 × 10⁻⁴ K⁻¹, así que ΔHvap = 8.314 × 0.6419 / (1.259 × 10⁻⁴) = 4.24 × 10⁴ J/mol = 42.4 kJ/mol. Para hallar un punto de ebullición, iguala P₂ a la presión externa y despeja 1/T₂.
Tensión superficial, viscosidad y acción capilar
Una molécula en el interior de un líquido es atraída por igual en todas direcciones por sus vecinas; una molécula en la superficie solo tiene vecinas a los lados y por debajo, así que siente una atracción neta hacia el interior. Agrandar la superficie cuesta energía, y la energía por unidad de área es la tensión superficial. La tensión superficial del agua (72.8 mN/m a 20 °C) es alta debido a los puentes de hidrógeno; es lo bastante alta como para sostener un clip colocado con cuidado, y los detergentes la disminuyen. La viscosidad es la resistencia a fluir: aumenta con fuerzas intermoleculares más fuertes y con moléculas más largas que se enredan, así que el glicerol, con tres grupos O–H, es más de mil veces más viscoso que el agua, y la viscosidad disminuye al aumentar la temperatura. La acción capilar es el ascenso de un líquido en un tubo estrecho cuando la adhesión entre el líquido y la pared es más fuerte que la cohesión dentro del líquido. El agua moja el vidrio, forma un menisco cóncavo y asciende; el mercurio, cuyo enlace metálico cohesivo es mucho más fuerte que su atracción por el vidrio, forma un menisco convexo y desciende. La altura de ascenso es h = 2γ cos θ/(ρgr), así que es inversamente proporcional al radio del tubo.
Curvas de calentamiento y enfriamiento
En una curva de calentamiento, los segmentos inclinados calientan una sola fase, q = mcΔT, y los segmentos planos son cambios de fase a temperatura constante, q = nΔH. Durante un segmento plano, la energía añadida separa las moléculas venciendo sus atracciones mientras su energía cinética promedio se mantiene constante. Convención de signos: q es positivo para el calor absorbido por la muestra y negativo para el calor liberado. La fusión, la vaporización y la sublimación absorben calor; la congelación, la condensación y la deposición liberan las mismas cantidades. Datos del agua: c(hielo) 2.09 J/(g·°C), c(líquido) 4.184 J/(g·°C), c(vapor) 2.01 J/(g·°C), ΔHfus 6.01 kJ/mol a 0 °C, ΔHvap 40.7 kJ/mol a 100 °C, M = 18.02 g/mol. ΔHvap es mucho mayor que ΔHfus porque la vaporización separa por completo las moléculas, mientras que la fusión solo afloja la red de puentes de hidrógeno. Ejemplo resuelto: calentar 10.0 g de hielo desde −10.0 °C hasta agua líquida a 25.0 °C requiere 10.0 × 2.09 × 10.0 = 209 J, luego (10.0/18.02) × 6010 = 3335 J para fundir y luego 10.0 × 4.184 × 25.0 = 1046 J, un total de 4590 J = 4.59 kJ. Como la entalpía es una función de estado, ΔHsub = ΔHfus + ΔHvap cuando ambas se toman a la misma temperatura.
Lo que conviene recordar
La presión de vapor está determinada solo por el líquido y la temperatura; fuerzas intermoleculares más débiles dan mayor presión de vapor, puntos de ebullición más bajos, menor tensión superficial y menor viscosidad. Un líquido hierve cuando su presión de vapor iguala la presión externa. Usa ln(P₂/P₁) = −(ΔHvap/R)(1/T₂ − 1/T₁) con temperaturas en kelvin y ΔHvap en J/mol. En las curvas de calentamiento y enfriamiento, suma mcΔT para cada segmento inclinado y nΔH para cada segmento plano, conservando el signo de q según el calor absorbido o liberado.
Problemas de práctica (40)
Practicar es gratis con una cuenta.
Predice el producto 2
Tensión superficial, viscosidad y capilaridad
- Una gota de detergente cerca de una aguja que flotaPredecir el efecto de un tensoactivo sobre un objeto sostenido por la tensión superficial.
Presión de vapor y ebullición
- Duplicar el espacio sobre un líquidoPredice que la presión de vapor vuelve a su valor de equilibrio cuando cambia el volumen sobre un líquido mientras queda líquido presente.
Clasificar 4
Curvas de calentamiento y calor de cambio de fase
- ¿Qué cambio de fase libera calor?Clasificar los cambios de fase como endotérmicos o exotérmicos según si se forman o se rompen atracciones intermoleculares.
Tensión superficial, viscosidad y capilaridad
- ¿Qué líquido es empujado hacia abajo en un tubo de vidrio?Clasifica un líquido como mojante o no mojante respecto al vidrio a partir del balance entre fuerzas cohesivas y adhesivas.
Presión de vapor y ebullición
- ¿Qué hace especiales los 61 °C para el cloroformo?Identifica el punto de ebullición normal como la temperatura a la que la presión de vapor es igual a 1 atm.
Ecuación de Clausius–Clapeyron
- ¿Qué gráfica es una recta?Identificar ln P frente a 1/T como la forma lineal de la ecuación de Clausius–Clapeyron.
Comparar 5
Presión de vapor y ebullición
- Dos alcoholes de masa casi igualCompara las presiones de vapor de un diol y un alcohol de masa molar parecida contando los grupos que forman enlaces de hidrógeno.
- Ordenar las presiones de vapor a 25 °COrdenar las presiones de vapor de varios líquidos a una misma temperatura a partir de sus puntos de ebullición normales y sus fuerzas intermoleculares.
Ecuación de Clausius–Clapeyron
- Mismo punto de ebullición, distinta ΔHvapCompara las presiones de vapor por debajo del punto de ebullición de dos líquidos que comparten punto de ebullición normal pero difieren en ΔHvap.
Tensión superficial, viscosidad y capilaridad
- Ordena los líquidos por viscosidadOrdena líquidos según su viscosidad a partir del número de grupos que forman enlaces de hidrógeno y del tamaño de las moléculas.
- Por qué la tensión superficial del agua supera a la del etanolCompara la tensión superficial de dos líquidos que forman enlaces de hidrógeno a partir de los enlaces de hidrógeno por molécula y los grupos expuestos en la superficie.
Calcular 13
Ecuación de Clausius–Clapeyron
- Punto de ebullición normal del benceno a partir de dos presiones de vaporHalla ΔHvap a partir de dos presiones de vapor y úsalo para extrapolar el punto de ebullición normal.
- Hervir agua en un pueblo de montañaCalcula el punto de ebullición de un líquido a una presión externa reducida con la ecuación de Clausius–Clapeyron.
- ΔHvap del etanol a partir de dos presiones de vaporCalcular una entalpía de vaporización a partir de presiones de vapor medidas a dos temperaturas.
- ¿Cuánto aumenta la presión de vapor al subir 10 °C?Calcular la relación de presiones de vapor a dos temperaturas a partir de ΔHvap sin conocer ninguna de las dos presiones.
- Presión de vapor del agua a 70 °CEstima una presión de vapor a una temperatura nueva a partir del punto de ebullición normal y ΔHvap.
Tensión superficial, viscosidad y capilaridad
- ¿Hasta qué altura sube el agua por un capilar?Calcular la ascensión capilar del agua a partir de su tensión superficial, su densidad y el radio del tubo.
Presión de vapor y ebullición
- Enfriar un matraz que contiene aire y aguaCombinar la ley de Dalton con la presión de vapor del agua para hallar la presión total en un matraz cerrado después de enfriarlo.
- ¿Cuánta agua queda líquida?Usar la presión de vapor y la ley de los gases ideales para hallar cuánto líquido se evapora en un matraz cerrado y evacuado.
Curvas de calentamiento y calor de cambio de fase
- Hacer hielo en un congeladorCalcula el calor total extraído a lo largo de una curva de enfriamiento que incluye la congelación.
- De hielo a −15 °C a vapor a 120 °CCalcula el calor total de una curva de calentamiento de cinco tramos, del sólido al vapor recalentado.
- ¿Cuánto tarda la tetera en hervir hasta secarse?Combina el calor sensible y el calor de vaporización con la potencia del calentador para hallar el tiempo que tarda en evaporarse un líquido.
- Entalpía de sublimación del hieloCombinar las entalpías de fusión y de vaporización medidas a la misma temperatura para obtener una entalpía de sublimación.
- Calor para evaporar etanolCalcula el calor necesario para vaporizar una masa de líquido en su punto de ebullición a partir de la entalpía molar de vaporización.
Encuentra el error 2
Ecuación de Clausius–Clapeyron
- Un ΔHvap sospechosamente pequeñoDiagnosticar una entalpía de vaporización incorrecta causada por usar temperaturas en grados Celsius en la ecuación de Clausius–Clapeyron.
Presión de vapor y ebullición
- Subir la llama bajo agua hirviendoDiagnostica el error de esperar que una llama más fuerte suba la temperatura de un líquido que hierve.
Interpreta la evidencia 7
Tensión superficial, viscosidad y capilaridad
- Viscosidad y tensión superficial a lo largo de una serie de alcanosInterpreta datos de viscosidad y tensión superficial de una serie homóloga en términos de fuerzas de dispersión y enredo de cadenas.
Curvas de calentamiento y calor de cambio de fase
- ¿A dónde va el calor en un tramo plano?Interpreta un tramo plano de una curva de calentamiento como la energía absorbida por un cambio de fase a temperatura constante.
- ΔHvap a partir de la longitud de una mesetaInterpreta la duración de una meseta de la curva de calentamiento a potencia de calentamiento constante para obtener una entalpía molar de vaporización.
- Una caída por debajo del punto de congelaciónInterpretar la caída y la recuperación en una curva de enfriamiento como sobreenfriamiento seguido de una congelación exotérmica.
Presión de vapor y ebullición
- Agua hirviendo en una cumbre altaLee una tabla de presión de vapor para hallar el punto de ebullición del agua a una presión externa reducida.
Ecuación de Clausius–Clapeyron
- Obtener ΔHvap a partir de una pendienteInterpreta la pendiente de una gráfica de ln P frente a 1/T para obtener la entalpía de vaporización.
- Dos rectas en una gráfica de Clausius–ClapeyronInterpretar las pendientes relativas de las rectas de ln P frente a 1/T como entalpías de vaporización relativas.
Trabaja hacia atrás 1
- ¿Qué tan frío estaba el hielo?Trabaja hacia atrás a lo largo de una curva de calentamiento, desde el calor total absorbido hasta la temperatura inicial de un sólido.
Planea una síntesis 1
- Destilar un líquido sensible al calorPlanificar una destilación que mantenga un líquido sensible al calor por debajo de su temperatura de descomposición reduciendo la presión externa.
Explica por qué 5
Curvas de calentamiento y calor de cambio de fase
- Por qué hervir cuesta mucho más que fundirExplicar por qué la entalpía de vaporización de una sustancia es mucho mayor que su entalpía de fusión.
Tensión superficial, viscosidad y capilaridad
- Por qué un tubo más estrecho eleva más el aguaExplica la dependencia inversa del ascenso capilar con el radio del tubo igualando la fuerza superficial al peso de la columna.
- Un clip que reposa sobre el aguaExplicar cómo la tensión superficial puede sostener un objeto denso sobre la superficie del agua.
- Por qué el jarabe caliente fluye más rápidoExplica cómo disminuye la viscosidad de un líquido al subir la temperatura.
Presión de vapor y ebullición
- Por qué la presión de vapor sube tan rápidoExplica el marcado aumento de la presión de vapor con la temperatura a partir de la distribución de energías cinéticas moleculares.
¿Atascado con líquidos y presión de vapor? Escanea el problema.
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