Coeficiente de Fugacidad del Dióxido de Carbono (CO2)

Coeficiente de Fugacidad del Dióxido de Carbono (CO2)
Crimeo, Juan Carlos; Estévez, Mónica

Laboratorio de Química Física I – Facultad de Ciencias Exactas y Naturales - Ciudad Universitaria – Buenos Aires.


Objetivos
Determinar el Coeficiente de Fugacidad del CO2 en función de la presión y la temperatura.

Introducción
El potencial químico para un gas ideal puede expresarse mediante lasiguiente ecuación:
(1)
donde μθ es una constante de integración que depende de la temperatura.
Para un sistema que es no ideal, se reemplaza la presión p por una presión efectiva, denominada fugacidad, f, por lo que la ecuación (1) se transforma en:
(2)
La dependencia del potencial químico (μ) con la presión de un gas real es tal que cuando dicha presión tiende a cero,μ coincide con el valor correspondiente al gas ideal. Cuando dominan fuerzas atractivas, el potencial químico es menor que el de un gas ideal y las moléculas tienen menos “tendencia a escapar” o fugacidad. A presiones elevadas, condiciones en las que dominan las fuerzas repulsivas, el potencial químico de un gas real es mayor que el de un gas ideal. Ahora se ve incrementada la “tendencia aescapar”.
Podemos escribir la fugacidad como:
(3)
donde p es la presión y φ es un factor de corrección adimensional denominado coeficiente de fugacidad, que en general, depende de la naturaleza del gas, de la presión y de la temperatura.
No existen expresiones exactas para la fugacidad ni para el coeficiente de fugacidad, debido a que ambas cantidades llevanimplícito la no idealidad del sistema. Solo podemos decir, que en el límite de baja presión, en condiciones tales que el gas se comporte como ideal, el valor de dicho coeficiente debe tender a la unidad.
Para obtener φ a partir de medidas experimentales se utiliza un método termodinámico a partir del cual se deduce que el coeficiente de fugacidad de un gas viene dado por la siguiente expresión:(4)

(5)
donde V es el volumen molar del gas, T la temperatura de trabajo, R la constante de los gases y ∆V es la diferencia entre el Volumen molar si el gas fuera ideal y el Volumen molar real del gas.

Desarrollo Experimental
La práctica consiste en medir la presión P de un sistema compuesto por CO2 gaseoso, a diferentes volúmenes molares(densidades), a lo largo de una isoterma dada.
El dispositivo experimental (Figura 1) consta de un tubo de CO2, un loop de HPLC de 10ml que se encuentra termostatizado por inmersión, una botella de 1000ml, también termostatizada, una serie de válvulas y dos transductores calibrados, uno de alta presión (Tr.1), para medir la presión en el loop, y otro de baja presión (Tr.2), para la medida en labotella.
Figura 1: Dispositivo experimental empleado
El recipiente en donde se realiza la medida es un loop de HPLC de volumen V1 =10ml que se encuentra termostatizado por inmersión a la temperatura TR. El procedimiento consiste de 2 etapas:
a) Presurizar CO2 en el loop hasta alcanzar una presión p,
b) determinar el número de moles de gas n, para obtener el valor del volumen molar del gas en el loop.Para ello se descarga el contenido del loop en la botella de volumen V2=1000ml y se registra la presión p2 en la botella. La relación de volúmenes V2/V1100 impide que la presión en la botella se incremente por encima de 0.5 bar. Esta presión es lo suficientemente baja como para que el número de moles de CO2 en la botella pueda calcularse empleando la ecuación (5) de gases ideales:
(5)
Paraasegurarse que el loop no contenga CO2 líquido, es necesario que la presión en este sea menor que la presión en el tubo del gas, y que la temperatura del sistema sea mayor a la temperatura ambiente.
El loop es el recipiente donde se realiza la medida. Conociendo el número de moles de gas dentro del loop es posible determinar el volumen molar de dicho gas (CO2=Vloop/nCO2). Luego podemos calcular el...