Ebullición y evaporación

Objetivos

Comprobar experimentalmente las siguientes hipótesis:

• El punto de ebullición del agua destilada (la más pura que podemos adquirir) NO es 100ºC ya que la presión atmosférica en el laboratorio, no es exactamente 760 mmHg (1 atm)
• La temperatura de ebullición del agua del grifo no es el mismo que el del agua pura.
• El punto de ebullición del agua del grifo no es contante.
• Elaborar conclusiones utilizando nuestras medidas (tablas y gráficos).

Investiga y aprende

Evaporación y ebullición
1. Cuando un líquido está en un recipiente cerrado, sin calentar, existe equilibrio entre la evaporación y la condensación. 

• Esto quiere decir que el mismo nº de moléculas pasan de L a G (vaporizan) que del estado G al L (condensan).
•  En este momento la presión que ejerce el gas se llama presión de vapor (Pv). En este instante, decimos que la evaporación se ha saturado. 
• El valor de la Pv depende del líquido que sea (más o menos volátil) y de la temperatura.

2. Al abrir el recipiente el equilibrio, sin calentar, se rompe y se favorece la vaporización sobre la condensación. Ello se debe a que el G se expande por el orificio (o la boca del recipiente), y nunca alcanza la Pv. La presión que ejerce el gas sobre el líquido es P<Pv.

3. Si ahora calentamos hasta la ebullición...

• Las moléculas tienen mucha energía.... tanta que la Pv alcanza el valor de la presión atmosférica. 
• Justo a la temperatura a la que Pv=Patmosférica comienza la ebullición. A esa temperatura la llamamos p.e. (punto de ebullición o temperatura de ebullición).
• La temperatura de ebullición es una propiedad física específica, es decir, permite identificar sustancias puras, es decir cada sustancia pura tiene su punto de ebullición.

Observa que ahora todo el líquido tiene energía suficiente para vaporizarse. En el caso de la evaporación, sólo algunas moléculas de la superficie lo conseguían.

Punto de ebullición y presión atmosférica
El punto de ebullición es la temperatura a la que una sustancia pura realiza el cambio de estado de líquido a gas. Es una temperatura específica de cada sustancia.
En el caso del agua, la temperatura de ebullición  es de 100ºC siempre que la presión atmosférica sea de 760 mmHg, es decir, 1 atmósfera.

Evidentemente, si la presión atmosférica (por altura o por clima) es menor de 760 mmHg, la ebullición tendrá lugar a temperaturas menores de 100ºC

Presión atmosférica y altura.

Al aumentar la altura, la presión atmosférica disminuye... ¿pero cómo disminuye? Para ofrecer una respuesta suponemos que el aire se comporta como un gas ideal. Los factores de corrección se muestran en la gráfica siguiente:

Tarea 1: Teniendo en cuenta los datos de altura de donde vives, y los datos de la gráfica.... ¿qué presión atmosférica deberías tener en el IES? 

Tarea 2: Para tener datos exactos y actuales, otra opción es consultar los datos actuales de presión atmosférica en Ciudad Real. Estos datos tendrás que convertirlos a otras unidades.

Tarea 3: Y ahora te toca medir la presión atmosférica con el barómetro aneroide y con el barómetro de mercurio o de Torricelli.
¿Coinciden las tres medidas? ¿Cuál te parece más fiable? ¿Por qué?


¿Cómo afecta la presión atmosférica al valor de la temperatura de ebullición de un líquido? Factor "teórico" de corrección
En relación a la altura, a medida que un sitio se encuentra más elevado sobre el nivel del mar, la temperatura de ebullición se hace menor. 

Por ejemplo a una altura de 1500 m o 0,84 atm (Medellín, por ejemplo), el agua hierve o ebulle a 95 °C mientras que al nivel del mar el agua hierve a 100 °C.

Con el propósito de realizar comparaciones con los valores que ofrece la literatura, se hace necesario corregir la temperatura normal de ebullición en un factor proporcional a la diferencia de presiones. Los factores de corrección se muestran en la tabla. Como se puede ver, dependen de la polaridad del líquido. 

Como el agua es un líquido polar que tiene como punto de ebullición 100ºC, elegimos como factor de corrección Fc= 0.370 °C/10 mm Hg de variación de la presión atmosférica (debido a la altura)

Ejemplo: La temperatura normal de ebullición del agua es de 100 °C. ¿Cuál será el punto de ebullición del agua en Medellín (p atm = 640 torr) y Bogotá (p atm = 560 torr)? Recuerda que 1 torr = 1 mmHg

Tarea 4: Con la ayuda de la tabla anterior, y de los dos ejemplos, establece cuál debería ser la temperatura de ebullición del agua pura en el IES.
Ten en cuenta las lecturas y datos siguientes:
a) Con la presión del barómetro aneroide.
b) Con la presión del barómetro de mercurio
c) Con la predicción de presión atmosférica de la gráfica tendiendo en cuenta la altura de tu ciudad.

Determinación experimental de la temperatura de ebullición.
En el vaso con aceite introduciremos un tubo de ensayo pequeño con unos 2 mL de líquido problema (en nuestro caso agua destilada). El aceite lo agitaremos con una varilla de vidrio.
En el tubo de ensayo se introduce el termómetro (en nuestro caso usaremos una sonda termométrica mucho más precisa y de menor inercia térmica). 
En la parte de abajo del vaso colocaremos una rejilla de porcelana que ayudará a homogeneizar el calor transmitido al aceite ya al agua del tubo de ensayo.

Se calienta gradualmente (2-3 °C/min) hasta que de tubo de ensayo se desprenda un rosario continuo de burbujas. Las primeras burbujas pueden ser de aire disuelto en agua, pero el resto son de agua en estado vapor que ha alcanzado la presión atmosférica.  Se lee la temperatura de ebullición y se suspende el calentamiento. 

Uno de vosotros, sólo empleará agua destilada y el resto agua del grifo.

Tarea 5: Prepárate para la toma los datos siguiendo las instrucciones de la hoja de cálculo. Recuerda que debes tomar los datos en papel, y después introducirlos en la hoja de cálculo (en el laboratorio o en casa). 

¿Cómo será el punto de ebullición del agua del grifo?
El agua del grifo es potable, es decir apta para el consumo humano. El agua potable del grifo NO es agua pura, ya que es una DISOLUCIÓN, es decir una mezcla homogénea de composición variable dependiendo de la proporción entre los solutos disueltos y el agua pura que será el disolvente.

Tarea 7:  Si el agua del grifo es una disolución...¿cómo será su punto de ebullición? ¿Dibuja cómo será la curva de calentamiento del agua potable?

Tarea 8: Investiga los solutos disueltos en el agua potable de Ciudad Real y Miguelturra, así como su concentración. Puedes usar esta información enlazada o la que tu encuentres.

Conclusiones

Y llegó el momento final de extraer conclusiones y de elaborar nuevas hipótesis basándonos en las conclusiones a las que hayamos llegado.

Tarea 9 final. Contesta a las preguntas siguientes:

1. A la vista de los gráficos que has obtenido en la determinación del p.e., redacta al menos TRES frases que se puedan concluir de los mismos.
2. ¿Coincide la temperatura de ebullición del agua destilada con la previsión realizada en base a los datos de la presión atmosférica de Ciudad Real? ¿A qué factores se debe que "coincidan" o que "no coincidan" ambas?
3. ¿Coinciden la  la temperatura de ebullición del agua pura con la del agua del grifo? ¿A que es debido?
4.  Mientras el líquido está en ebullición, ¿permanece constante la temperatura para el agua destilada? ¿y en caso del agua del grifo? ¿A qué se deben estos dos comportamientos?