TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ECATEPEC DIVISIÓN DE INGENIERÍA QUÍMICA Y BIOQUIMICA ASIGNATURA: ASIGNATURA: LABORATORIO LABORATORIO INTEGRAL II
CARRERA:
INGENIERÌA QUIMICA
TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ECATEPEC
DIVISIÓN DE INGENIERÍA QUÍMICA Y BIOQUÍMICA
LABORATORIO INTEGRAL II
ECATEPEC, EDO. DE MÉXICO
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INGENIERÌA QUIMICA
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INGENIERÌA QUIMICA
PRACTICA PRACTICA No. No. 12
TÍTULO DE LA L A PRÁCTICA:
“CAPACIDAD CALORIFICA” TÍTULO DE LA PRÁCTICA:
“PRESIÒN “PRESIÒ N DE VAPOR” VAPOR”
Presiòn de vapor, Sustancia pura, Procesos de cambio de fase de sustancias puras, Lìquido saturado, vapor saturado, tablas de vapor
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PRÁCTICA No. 1 “CAPACIDAD CALORIFICA” Problema 1.- Determinar experimentalmente la capacidad calorífica de un calorímetro simple.
I.- RELACIÓN DE CONOCIMIENTOS: Conocimientos requeridos
Conocimientos por adquirir
Interacciones, energía y trabajo Concepto de calor Concepto de entalpía Calores específicos y su relación con la energía interna y entalpía Equilibrio térmico Temperatura Ley cero de la termodinámica Sistemas cerrados y abiertos Concepto de calorímetro
Constante calorimétrica Primera ley de la termodinámica Relación de temperatura-calor Sistemas adiabáticos Capacidades caloríficas de líquidos y sólidos
II.- OBJETIVOS: Determinar la capacidad calorífica de un calorímetro ca lorímetro simple y poder utilizarla para obtener la capacidad calorífica de otras sustancias.
III.- HIPÓTESIS: Será planteada por el alumno V.- INTRODUCCIÓN: Consideraciones teóricas:
Se defi define ne capac capacid idad ad calo calorí rífifica ca mola molarr (C) (C) como como la cant cantid idad ad de calo calorr en calorí calorías as nece necesa sari ria a para para aume aument ntar ar 1 °C la temp temper erat atur ura a de una una mol mol de sust sustan anci cia; a; si la masa masa consi conside derad rada a es un gramo gramo,, la capa capaci cida dad d calo calorí rífifica ca se deno denomi mina na calor calor específi específico co . Las unidades respectivas usuales son: caloría/mol K y caloría/g K. La ecuación general que define a la capacidad calorífica es: C =
dq dT
La capacidad calorífica y el calor específico de las sustancias pueden determinarse si el proc proces eso o se efec efecttúa a volu volume men n o a pres presió ión n cons consttant ante, desi design gnán ándo dose se Cv y Cp respectivamente; sus valores varían en función de la temperatura.
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En el caso de los gases el valor de Cp es mucho mayor que Cv (Cp=Cv+R, (Cp=Cv+R, en donde R=1.987 cal/mol K), mientras que en los líquidos y sólidos esta diferencia es mucho menor. Para las medidas experimentales de la capacidad calorífica, es necesario recordar que el calor ganado debe de ser igual al calor perdido: Qg=Qp (mCpΔT)g =(mCpΔT)p Por esta razón se debe conocer la capacidad calorífica del recipiente donde se efectúa la medida puesto que también consume calor. ca lor. El calor ganado o el calor perdido en un determinado proceso que se lleva a una presión constante, como nuestro caso, a la presión ambiente se le denomina; entalpía. La función entalpía es particularmente útil como una medida de la energía que acompaña tanto a las reacciones químicas como a los procesos en general, a presión constante. No obstante, es deseable disponer de una función que describa la dependencia de la entalpía entalpía con la temperatura temperatura a presión constante. constante. Esta función es la capacidad capacidad térmica. Por otra parte, las sustancias sustancias difiere entre si en la cantidad de energía que se necesita para producir, a una masa dada, un determinado aumento en su temperatura. La cantidad de energía térmica,
VI.- EXPERIMENTO: REACTIVOS: No 1
Características Agua corriente
Cantidad La necesaria
MATERIAL DE LABORATORIO: No 1 2 3 4
Material Vaso de poli estireno o un termo Soporte universal completo Probeta de 100 ml Termómetro de precisión
Cantidad 2 1 1 2 HOJA __5____ DE _38____
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5
Vaso de p.p de 500 ml
1
6 7
Agitador de vidrio Mechero de bunsen
1 1
VII.
PROCEDIMIENTO
7.1 Con la ayuda del material enlistado construya un calorímetro como el de la figura figura 4.1 7.2 Destape Destape el calorímet calorímetro ro y vierta 150 ml de agua (V1) aproximadamente. Tápelo y agite hasta obtener una lectura constante de temperatura (T 1 ) Anote los datos
7.3 En una probeta graduada coloque 50 ml de agua (V 2 ) a 40 °C aprox. aprox. Agregue Agregue el agua rápi rápida dame ment nte e al calo calorí ríme metr tro o y mida mida su temp temper erat atur ura a (T2) justo usto ant antes de la adic adició ión. n. __________________________________________________________________________ 7.4 Tape el calorímetro, agite cuidadosamente, espere a que llegue el equilibrio térmico y registre la temperatura final del equilibrio (T 3 ). 7.5 Para calcular la la capacidad calorífica del calorímetro (que será una constante), a partir de los datos medidos anteriormente, investigue en la bibliografía o el marco teórico arriba indicado la expresión u ecuación correspondiente, y escríbala:
7.6 Anote el resultado obtenido con sus respectivas unidades.
7.7 Identifique las fuentes de error en su determinación:
7.8 7.8 Prop Propon onga ga un apoy apoyo o est estadís adísti tico co para para mini minimi miza zarr los erro errore res, s, apl aplíque íquelo lo a la experimentación. Anote y discuta de nuevo el resultado. resultado.
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7.9 Para determinar el calor específico de otra sustancia, investigue en la bibliografía de que manera me sirve ó puede ser utilizada la constante del calorímetro calculada en esta actividad experimental.
Fig. 4.1 Calorímetro para determinación de calor específico
VIII.- CONCLUSIONES: En función del punto anterior, elabore las conclusiones que permitan el logro del objetivo planteado de manera inicial.
IX.- CUESTIONARIO: 1. ¿Qué es calor? ¿Cuál es la diferencia entre calor y energía energía térmica? ¿En qué condiciones se transfiere el calor de un sistema a otro? 2. Define con tus palabras palabras capacidad calorífica e indica cuál es la diferencia con el calor específico. ¿Cuál es la propiedad extensiva extensiv a y cuál intensiva? 3. ¿Cómo es la capacidad calorífica de los sólidos, líquidos y los gases en general?
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4. ¿Qué importancia importancia representa conocer la capacidad calorífica específica de una sustancia? 5. ¿Por qué se dice que la capacidad calorífica del agua es grande comparada con la de los metales? 6. Defina calorimetría y describa dos calorímetros de uso común. 7. Una muestra de 466 g de agua se calienta desde 8.5ª hasta 74.6 0C. Calcule la cantidad de calor absorbido por el agua.
X.- BIBLIOGRAFÍA No.
Autor / Año
Título
Editorial / Edición
1
Kart C. Rolle
TERMODINÁMICA
6ª Edición, Pearson Prentice Hall.
2
Russel y Adebiyi
TERMODINÁMICA CLASICA
Addison Wesley Iberoamericana.
3
Castellan, G: W.
FISICOQUÍMICA
2ª Edición, Addison Wesley Longman
4
Chang Raymond
QUIMICA
Mc Graw Hill, 6ª ed.
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PRACTICA No. 2
TÍTULO DE LA L A PRÁCTICA:
“PRESIÒN “PRESI ÒN DE VAPOR” VAPOR”
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PRÁCTICA No. 2 PRESION DE VAPOR Problema 1.- Determinar experimentalmente la presión de vapor de diferentes sustancias puras a una misma temperatura. Problema 2.- Determinar experimentalmente la curva temperatura-presión de vapor de una sustancia pura (agua).
I.- RELACIÓN DE CONOCIMIENTOS: Conocimientos requeridos Presión Presión absoluta Presión de vapor Diagrama P-T del agua Presión manométrica Líquidos manométricos Tipo de errores
Conocimientos por adquirir Presión de vapor, Sustancia pura, Procesos de cambio de fase de sustancias puras, Líquido saturado, vapor saturado, tablas de vapor
II.- OBJETIVOS: -Reconocer experimentalmente que una sustancia pura liquida es susceptible de evaporarse y que la presión que ejerce su vapor se denomina presión de vapor, y que es diferente para varias sustancias a una determinada temperatura. temperatura. -Medir la presión de vapor de una sustancia pura (agua) en un intervalo de temperaturas en un sistema vapor-liquido para trazar el diagrama de P – T correspondiente
III.- HIPÓTESIS: Será planteada por el alumno V.- INTRODUCCIÓN: La presión de vapor saturada de una sustancia es la presión adicional ejercida por las moléculas moléculas de vapor sobre la sustancia sustancia y sus alrededores alrededores en condiciones condiciones de saturación. saturación. Un líqu líquid ido o se evap evapor ora a cuan cuando do las las molé molécu cula lass logr logran an esca escapa pars rse e de su supe superf rfic icie ie;; en su movimiento movimiento por encima del líquido chocando con las demás moléculas moléculas difundiéndose difundiéndose en un HOJA __10____ DE _38____
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sistema abierto o interactuando con las paredes del recipiente en un sistema cerrado, en este caso algunas chocan con la superficie del líquido y se unen a él.
Cuando la velocidad de evaporación es igual a la velocidad de condensación el sistema se encuentra en equilibrio. La presión de vapor de un líquido es esa fuerza con la cual las moléculas del líquido se mueven y aumenta a medida que lo hace la temperatura. La evap evapor orac ació ión n de los los líqu líquid idos os y el fenó fenóme meno no de la pres presió ión n de vapo vaporr pued pueden en explicarse mediante la teoría cinética molecular. La evaporación tiene lugar cuando las moléculas de alta energía situadas en la superficie del líquido se separan de las moléculas vecinas y escapan a la fase gaseosa. Un líquido volátil es aquel en el que existe una atracción muy pequeña entre las moléculas. Debido a esta es ta débil atracción intermolecular, una gran parte de ellas poseen energía suficiente para escapar del líquido, con lo que puede tener lugar la evaporación a temperatura ambiente. Esta presión es conocida como presión saturada de vapor del líquido correspondiente. En tanto se mantiene esta, el líquido no exhibe más tendencia a evaporarse, pero a una presión menor hay una nueva trasformación hacia la fase de gas, y otra mas elevada se verifica una condensación, hasta restablecer la presión de equilibrio. Para un liquido cualquiera la vaporización va acompañada de absorción de calor y la cantidad de este, para una temperatura y presión dadas, requeridas para calentar cierto peso de liquido se conoce con el nombre de calor de vaporización y es la diferencia de entalpía de vapor y liquido, esto es, ∆Hv = Hr - Hl, donde ∆Hv es el calor de vaporización y H r y Hl las entalpías de vapor y de liquido. En una evaporización ∆Hv es positiva siempre, mientras mientras que en una condensación condensación es negativa y numéricamente igual al calor absorbido en la vaporización. Como cabe esperar la definición de ∆H; ∆Hv es la diferencia entre la energía interna del vapor y del liquido ∆Ev = Ev -El y el trabajo de expansión en el cambio de fase; es decir
Hv =
Ev + P Vv
donde P es la presión de vapor y ∆Vv = Vv - V l Hay varios procedimientos de medir la presión de vapor de un líquido que se clasifican en estáticos y dinámicos. En los primeros se deja que el líquido establezca su presión de vapor sin que haya ningún disturbio, mientras que en los dinámicos el líquido hierve o se hace pasar una corriente inerte de gas a través del mismo. La línea nea de sepa separa raci ción ón ent entre esos esos mét métodos odos no es muy muy clar clara a siemp iempre re,, y un procedimiento particular es a veces, una combinación de los dos. HOJA __11____ DE _38____
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La presión ejercida por las moléculas de vapor en equilibrio con el líquido a una determinada temperatura se llama presión de vapor del líquido. La presión de vapor depende de la temperatura y de la clase del liquido, puesto que depende de la naturaleza de las interacciones entre las moléculas de la sustancia; un compuesto como el agua tiene una presión de vapor mas baja que el éter porque las moléculas de agua tienen fuerzas de atracción intermolecular mayores que las moléculas del éter.
VARIACION DE LA PRESION DE VAPOR CON LA TEMPERATURA La presión de vapor de un líquido, es constante a una temperatura dada, pero aumenta si lo hace la temperatura hasta el punto crítico del líquido. Es fácil de comprender el aumento de la presión de vapor teniendo en cuenta la teoría cinética. Al aumentar la temperatura es mayor la porción de moléculas que adquieren la energía suficiente para escapar de la fase liquida, y en consecuencia se precisa mayor presión para establecer un equilibrio entre el vapor y el liquido. Por encima de la temperatura critica la tendencia de escape de las moléculas es tan elevada que ninguna presión aplicada es suficiente para mantenerlas unidas en el estado liquido, y toda la masa persistente como gas. Los líquidos formados por moléculas polares son menos volátiles y solamente una pequeña parte posee energía suficiente para librarse de esta fuerte atracción mutua.
VI.- EXPERIMENTO: REACTIVOS: No 1 2 3 4 5 6
Características Me Mercurio Éter etílico Alcohol etílico Acetona Tetracloruro de carbono Agua corriente, hielos
Cantidad 50 ml 10 ml 10 ml 10 ml 10 ml La necesaria, 1 bolsa
MATERIAL DE LABORATORIO: No 1
Material Soporte universal completo y varilla metálica
Cantidad 2 HOJA __12____ DE _38____
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2 3 4 5
Probeta graduada de 10 ml Pinz Pinza a de nuez nuez,, pinz pinza a para para term termóm ómet etro ro Pinza para bureta Termómetro de -10 a 110 °C
1 1 de cada cada una una 2 1
6
Tubo de vidrio de 7 mm de diámetro
70 cm aprox
7 8
Tubo capilar o un tubo de plástico doblado en U Vaso aso de p.p p.p de 2 lit litros ros y de 50 ml
8 cm 1 de cada cada uno uno
9
Hojas milimétricas
2
10 11 12 13 14
Agitador de vidrio Mechero de bunsen Jeringa de 5 ml con aguja Silicón para sellar, masking tape Vernier
1 1 1 El necesario 1
PROCEDIMIENTO DEL PROBLEMA 1
1. Mediante Mediante calentamient calentamiento o selle un extremo extremo del tubo de vidrio vidrio de 7 mm, dejando dejando abierto abierto el otro extremo. 2. Coloque Coloque el mercurio mercurio proporcio proporcionado nado dentro dentro del vaso de p.p. de de 50 ml 3. Medi Median ante te la jeri jering nga a colo coloque que mercu mercuri rio o dent dentro ro del del tubo tubo sell sellado ado,, casi casi a su tota totalilida dad, d, ¡tenga mucho cuidado con el manejo del mercurio porque es venenoso, use guantes de cirujano! 4. Deje el mercurio mercurio restant restante e en el el vaso de p.p. p.p. de 50 ml 5. Tape con el dedo índice índice (use guantes) guantes) el extremo extremo abierto e invierta invierta el tubo y sumérjalo sumérjalo ligeramente dentro del vaso de p.p. que contiene el mercurio restante, tal como se muestra en la figura 3.1 “barómetro” (sujete bien el tubo de vidrio por medio de un soporte universal). 6. Introd Introduzca uzca una o dos gotas gotas de éter dentro dentro del barómetr barómetro, o, haciend haciendo o uso para ello de una jeringa y del tubo en U, ello permitirá que suba éste hacia la parte superior de la columna de mercurio evaporándose. El espacio situado por encima del mercurio se satura rápidamente, es decir, se establece rápidamente un equilibrio entre la fase líquida y la fase gaseosa de la muestra, y la presión ejercida por el vapor es la que hace bajar la columna de mercurio. El descenso de la columna de mercurio indica directamente la presión de vapor de la muestra. 7. Mida la distanc distancia ia que que desciende desciende el mercurio mercurio en el tubo y anótelo. anótelo. d= __________ __________ mm 8. Efectué Efectué nuevamente nuevamente todo este este procedimien procedimiento to partiendo partiendo del punto punto 2, de forma forma similar similar para los demás solventes. HOJA __13____ DE _38____
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9. Organice Organice los datos datos obtenidos obtenidos para cada cada solvente solvente mediante mediante una una tabla. tabla. 10. Con los datos anteriores efectúe cálculos para la determinación de la presión de vapor de cada solvente, transformando los valores de mmHg a atm y Pa. PROCEDIMIENTO DEL PROBLEMA 2
Una muestra de aire está contenida en una probeta graduada invertida, sumergida en un vaso de precipitado de 2 L. El agua es calentada calentada hasta unos 80 ºC y el gas contenido se satura de vapor de agua rápidamente a esta temperatura. La temperatura del baño de agua y el volumen de gas de la probeta deben anotarse. Se deja enfriar el baño de agua y se va leyendo la temperatura y el volumen de gas a intervalos de 2 ºC. El número de moles de aire está siempre constante, constante, pero el número de moles de agua presente presente en la fase gaseosa va a variar con la temperatura. Sabiendo el número de moles de aire ( naire) en la muestra gaseosa, la presión parcial de aire ( P aire aire) puede ser calculada a cada temperatura y la presión de vapor de agua ( P agua agua) puede ser obtenida por la diferencia entre la presión barométrica ( P atm atm) y la del aire. El número de moles de aire en la mezcla se conoce de las medidas de volumen, temperatura y presión a temperaturas cercanas a 0 ºC, donde el contenido de vapor de agua es menor del 1 % y por lo tanto podemos considerarlo despreciable. A continuación se enumeran paso a paso lo expresado en este párrafo. 1. Llenar Llenar con agua destilad destilada a una probeta probeta graduada graduada de 10 ml dejando dejando un volume volumen n libre de aproximadamente 2 ml, medido desde el borde. Cubrir el extremo con un dedo e invertir rápidamente introduciéndola en el vaso de precipitado de 2 L, que ha sido llenado previamente con agua, tal como se muestra en la figura 3.2. 2. Agregar más agua agua al vaso de 2 L si fuera necesario necesario para para que el gas dentro de la probeta probeta quede totalmente cubierto de líquido. Luego calentar con un mechero de laboratorio hasta apro aproxi xima mada dame ment nte e 80 ºC ºC.. Nota Nota:: agit agitar ar (con (con cuid cuidad ado) o) el agua agua del del baño baño para para evit evitar ar gradientes de temperatura. 3. Leer el volumen volumen de aire con una aproxim aproximació ación n de 0,1 ml y la tempera temperatur tura a del baño con una apreciación de 0,1 ºC. 4. Una vez que llegó aproxim aproximada adament mente e a 80 ºC, retirar retirar el fuego fuego para permitir permitir que el agua agua comience a enfriarse. A medida que el agua se va enfriando se deben ir tomando medidas de volumen y de temperatura a intervalos de 2 ºC, hasta alcanzar 60 ºC. 5. Al lleg llegar ar a la temp tempera eratu tura ra de 60 ºC ºC,, enfri enfriar ar rápi rápida damen mente te el sist sistem ema a quit quitand ando o el agua agua caliente y agregando hielo hasta que cubra toda la probeta. Medir a una temperatura de aproximadamente 3 ºC, el volumen correspondiente. 6. Tener la informac información ión de la presión presión atmosféri atmosférica ca en el laborat laboratorio orio HOJA __14____ DE _38____
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Figura 3.1 Barómetro para la determinación de la presión de un líquido.
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Figura 3.2 Dispositivo para determinación de presión de vapor a diferentes temperaturas.
Cálculos
1.El
uso uso de una una prob probet eta a grad gradua uada da inve invert rtid ida a de 10 ml, ml, invo involu lucr cra a un pequ pequeñ eño o erro error r sistemático debido a que el menisco de la interfase vapor de agua-líquido está invertido. Se ha estimado que la introducción de volúmenes conocidos de aire en un cilindro lleno de agua, involucra un error de 0,2 ml si el cilindro está graduado hasta 10 ml, por lo tanto, en este este caso caso todo todoss los los volú volúme mene ness deben deben ser ser corr corregi egidos dos restá restánd ndol oles es 0,2 0,2 ml para para compensar el error del menisco invertido.
2. Usan Usando do los los valo valore ress medi medido doss de volu volume men n y temp temper erat atur ura a del del punt punto o 5 y la pres presió ión n atmosférica, calcular el número de moles de aire. Suponga que la presión de vapor de agua es despreciable comparada con la presión atmosférica a estas bajas temperaturas. naire =
P atmV RT
3. Para cada temperatu temperatura, ra, calcule calcule la presión presión parcial del del aire en la mezcla mezcla de gases. P aire =
naire RT V
4. Calcule Calcule la presión de vapor de agua a cada temperatura temperatura y grafique grafique en papel milimétrico milimétrico P agua = P atm − P aire
5.-Si no obtuvo en la grafica una línea recta, linealícela mediante algún método. ¡Asesórese con su profesor! 6.-Encuentre el valor de la presión de vapor de agua a 67ºC usando el gráfico. 7.-Analice e interprete la gráfica 8.- Mediante discusión grupal analice su problema seleccionado.
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VIII.- CONCLUSIONES: En función del punto anterior, elabore las conclusiones que permitan el logro del objetivo planteado de manera inicial.
IX.- CUESTIONARIO: 1. Defina presión de vapor 2. Explique por que es importante especificar la temperatura a la que se mide la presión de vapor de un líquido. 3. Explique porqué el agua acaba evaporándose en un recipiente abierto, a temperatura ambiente de -20 °C aún cuando normalmente hierve a 100 °C 5. Explique Explique porqué la tela tela mojada mojada se siente fría fría al ponerla ponerla sobre la frente. frente. 6. Expliqu Explique e que quiere quiere decir que el líquido líquido y el vapor están están en equili equilibri brio o en un recipie recipiente nte cerrado. 7. Propong Proponga a un razonamie razonamiento nto que expliqu explique e porque porque la nieve se evapora evapora directam directament ente e sin licuarse en un día muy seco. 8. Porque los alimento alimentoss se cocinan más más rápido en olla olla de presión que que en olla abierta. abierta. 9. Expliqu Explique e porque un “huevo de 3 minuto minutos” s” cocido cocido en un campamen campamento to en las alturas alturas del himalaya no sabe tan bien como cuando se cocina en un campamento al nivel del mar. 10.¿Qué presión hay que alcanzar para que el agua hierva a 20 °C?
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X.- BIBLIOGRAFÍA No.
Autor / Año
Título
Editorial / Edición
1
Kart C. Rolle
TERMODINÁMICA
6ª Edición, Pearson Prentice Hall.
2
Russel y Adebiyi
TERMODINÁMICA CLASICA
Addison Wesley Iberoamericana.
3
Castellan, G: W.
FISICOQUÍMICA
2ª Edición, Addison Wesley Longman
4
Chang Raymond
QUIMICA
Mc Graw Hill, 6ª ed.
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PRÁCTICA No. ___3_____ PUNTO TRIPLE DE UNA SUSTANCIA PURA I.- RELACIÓN DE CONOCIMIENTOS: Conocimientos requeridos
Conocimientos por adquirir Determinación las condiciones experimentales en las cuales existe el punto triple del benceno.
II.- OBJETIVO: Determinar las condiciones experimentales en las cuales existe el punto triple del benceno.
III.- HIPÓTESIS: V.- INTRODUCCIÓN: La regla de las fases de Gibbs es una relación fenomenológica que es muy util para determinar el estado termodinámico del sistema; es decir que establece cuantas variables independientes e intensivas deben medirse con la finalidad de poder conocer las restantes.
a) Conce Concept ptos os básic básicos os b) Impor Importa tanc ncia ia del del tem tema a c) Utilidad dad
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VI.- EXPERIMENTO: MATERIAL DE LABORATORIO: No
Material
Cantidad
Frasco Dewar Matraz de bola de ebullición Perlas de ebullición Micro mechero Soporte universal con nuez
REACTIVOS: No
Características Hielo de agua
Cantidad 100 gr.
EQUIPO DE LABORATORIO: No
Características
Cantidad
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Metodología: De acuerdo con la regla de fases de Gibbs, el estado termodinámico en el cual coexisten las fases sólidas, liquida y vapor es único. Si se parte de un liquido subenfriado, y mediante etapas de cuasi equilibrio se quiere llegar al punto triple, entonces será necesario disminuir paulatinamente la temperatura y posteriormente la presión en el sistema.
PROCEDIMIENTO. 1) Monte el el dispositivo dispositivo experimental experimental según según se muestra a continuació continuación. n. 2) Regist Registre re el valor de la presión presión y la tempera temperatur tura a del sistema sistema (matra (matrazz de bola), bola), en las condiciones iniciales de presión atmosférica y temperatura ambiente. 3) Sumerja Sumerja el fondo fondo del matraz en el hielo picado picado y espere la la aparición aparición de la fase fase sólida. sólida. 4) Disminuya Disminuya lentament lentamente e la presión del del sistema sistema y simultáneamen simultáneamente te raspe las paredes paredes del matraz para evitar la posibilidad de estados meta estable. 5) En el estado estado de equilibrio equilibrio estable estable deberá poder poder observar liquido liquido,, cristales cristales y burbujas 6) Anot Anote e los los valo valore ress de tempe empera rattura ura y pres presió ión n mano manomé méttrica rica obse observ rvad ados os en las las condiciones del punto 5. 7) Lea el valor de de la presión atmosférica atmosférica en el barómetro. barómetro.
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VII.- ANÁLISIS DE RESULTADOS: (1) Reporte los valores de temperatura y presión absoluta encontrados T = ____________ ºC;
Patm = ______________ mmHg.
(2) (2) En el diag diagra ram ma de fases ases de pres presiión cont contra ra temp temper erat atur ura a local ocalic ice e el esta estado do termodinámico inicial. (3) Dibuje Dibuje la sucesión sucesión de estados estados cuasiequil cuasiequilibrio ibrio para consegui conseguirr el punto triple. triple. (4) Compare Compare los los valores valores registr registrado adoss de temperat temperatura ura y presión presión del punto punto triple triple contra contra los reportados en la literatura técnica.
VIII.- CONCLUSIONES: IX.- CUESTIONARIO: 1) ¿Qué ¿Qué es es una una fase fase? ? 2) ¿Qué ¿Qué es una variab variable le indepe independi ndient ente? e? 3) ¿Qué ¿Qué es una variabl variable e inten intensiva siva? ? 4) ¿Qué ¿Qué signif significa ica grado gradoss de libert libertad? ad? 5) ¿Qué ¿Qué es un diag diagrama rama de fases? fases? 6) ¿a que se denomina denomina punto triple triple de una sustancia? sustancia? 7) ¿Qué significa significa estado estado de cuasiequilib cuasiequilibrio? rio? 8) ¿Cuá ¿Cuáll es la dife diferen renci cia a entr entre e esta estado do de equi equililibri brio o esta establ ble e y esta estado do de equi equililibr brio io metaestable? 9) ¿Cuá ¿Cuánt ntos os grado gradoss de libe libert rtad ad tien tiene e el sistem sistema a de un compone component nte e puro puro en el punt punto o triple? 10) ¿Que significa que el estado termodinámico de un sistema sea invariante? 11) ¿Una misma sustancia pura puede presentar más de un punto triple? Explique su respuesta. 12) ¿Qué significa líquido subefriado o comprimido? HOJA __22____ DE _38____
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CARRERA:
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X.- BIBLIOGRAFÍA N o.
Autor / Año
Título
Smith J.M., Van Ness H.C. y Abbot M.M.
Introducción a la termodinámica en ingeniería Química Zemansky Zemans ky M.W., M.W., Abbot y Van Van Basic Engineering Ness H.C. Thermodynamics Tablas de vapor,
Editorial / Edición McGraw-Hill, México, 1997 McGraw- Hill, E.E.U.U, 1972, pp. 291-300
Representaciones y servicios de ingeniería
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PRACTICA No. 4
TÍTULO DE LA PRÁCTICA:
“DETERMINACION DE LA L A CALIDAD DE VAPOR”
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PRÁCTICA No. ___4_____ DETERMINACION DE LA L A CALIDAD DE VAPOR I.- RELACIÓN DE CONOCIMIENTOS: Conocimientos requeridos
-Matemáticas 1 -química general Física 1
Conocimientos por adquirir Determinación de la fracción masica o molar correspondiente al vapor Xv, conocida como calidad de vapor.
II.- OBJETIVO: Determinar la calidad de vapor húmedo generado a presión atmosférica.
III.- HIPÓTESIS: V.- INTRODUCCIÓN: Si un sistema consiste de líquido saturado y vapor saturado, es decir un equilibrio de fases líquido y vapor, entonces el valor total de la entalpía del sistema H, es la suma de la entalpía correspondiente a cada fase: H = m H = m l Hl + mv Hv (1)
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Donde H es la entalpía especifica del sistema y m es la masa total del sistema. m = ml + mv
(2)
Los superíndices L y V identifican identifican la propiedad correspondiente del liquido saturado y vapor saturado respectivamente. Si la ecuación (1) se divide entre la masa total del sistema, se obtiene. H = Xl Hl + Xv Hv (3) Donde Xl y Xv representan las fracciones masicas del líquido saturado y vapor saturado respectivamente. Puesto que Xl =1 – Xv, mediante su sustitución en la ecuación anterior, finalmente se llega a: H = (1-Xv) Hl + Xv Hv (4) La fracción masica o molar correspondiente al vapor X V, se conoce como calidad de vapor. d) Conce Concept ptos os básic básicos os e) Impor Importa tanc ncia ia del del tem tema a f) Utilidad
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VI.- EXPERIMENTO: MATERIAL DE LABORATORIO: No
Material Frasco Dewar Matraz de bola de ebullición Perlas de ebullición Micro mechero Soporte universal con nuez
Cantidad 1 1 5 1 1
REACTIVOS: No
Características agua
Cantidad 100 gr.
EQUIPO DE LABORATORIO: No
Características
Cantidad
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METODOLOGÍA: Se considera un sistema cerrado de paredes adiabáticas, en el cual se identifican dos regiones: la primera se asocia con el barril que contiene agua en condiciones de T, V, H, m y P. la segunda correspondiente a la línea del vapor, la cual transporta vapor húmedo; las propiedades intensivas T, V, H, m, y P. permanecen constantes. El balance de energía para procesos con flujo en estado estable, aplicado al sistema de cómo resultado: ΔΣ / R (mH) = ΣQ + ΣW + ΔΣ / R (mPV) (5) El uso de la ecuación anterior anterior requiere de la selección de las regiones del sistema sistema sobre las que se realizan las sumas Σ / R; estas son, obviamente, el barril y la línea de vapor. Si se supone que estos últimos están bien aislados, entonces se ignora la transferencia de calor, y ΣQ=0. La suposición de reversibilidad mecánica dentro del barril, al aumentar el volumen total debido a la masa transferida desde la línea de vapor, y en la línea de del vapor para desplazar la masa de vapor húmedo que se transfiere al barril, permite hacer la evaluación de los términos de trabajo, como sigue. ΣW = wbarril + wlinea (6). En el barril, la presión contra la que se hace trabajo es la presión atmosférica, que es constante, entonces:
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Con estas consideraciones, la ecuación de balance de energía se rescribe como: m2H2 –(m –(m1H1 + m*H*) = -m2PatmV2 + m1PatmV1 + m*P*V* + m2P2V2 – (m1P1V1 + m*P*V*) (10) Pero P1 = P2 = Patm. Finalmente: m2 H2 – (m1 H1 + m* H*)= 0 (11) Mediante un balance de masa se conoce la masa de vapor húmedo transferido al barril. m* = m2 – m1.
(12)
Por consiguiente, la entalpía del vapor en e n la línea es: H* = m2 H2 – m1 H1 / m2 – m1 (13) Y debe corresponder a la entalpía estimada mediante la ecuación (4).
PROCEDIMIENTO. 8) dispon disponga ga del materi material al como se muestr muestra a a contin continuac uación ión.. Teni Teniend endo o la precauci precaución ón de colocar el burbujeo de vapor hasta el fondo del Dewar. 9) Verificar erificar que la línea línea de vapor vapor y el frasco frasco Dewar Dewar están bien bien aislados. aislados. 10)Vierta el agua en el Dejar, hasta el 90% de su capacidad. Anotando la masa depositada m1 y su temperatura T 1. 11) Colo Coloqu que e 100 100 g de agua agua en el matr matraz az bola bola de ebul ebullilici ción ón y agre agregue gue cuerpo cuerposs de ebullición. 12)Caliente el agua contenida en el matraz con micro mechero. Registre la temperatura de ebullición del agua T *. 13)Deje en ebullición durante aproximadamente 30 minutos; posteriormente apague el mechero y destape el matraz. De no hacer oportunamente esta ultima actividad, se corre el riesgo de que el agua del Dewar se transfiera al matraz bola, con lo cual se echa a perder el experimento. 14)Agite vigorosamente el Dewar, mida la temperatura final T 2. 15)Finalmente, pese el agua contenida en el Dewar m 2.
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VII.- ANÁLISIS DE RESULTADOS: 1) llene llene la tabla tabla siguie siguiente nte::
m1
T1
m2
T*
2) Determine Determine la masa masa de agua transfe transferida rida del matraz matraz hacia hacia el Dewar Dewar m*. 3) Lea los valores valores de las las siguientes siguientes entalpí entalpías as de las tablas tablas de vapor vapor..
H1
H2
HL
HV
4) Calcule Calcule la entalpía entalpía del vapor húmedo húmedo en la línea línea de vapor usando usando la ecuación ecuación (13). 5) Finalmente, Finalmente, estime estime la la cantidad cantidad de vapor vapor mediante mediante la ecuación ecuación (4).
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VIII.- CONCLUSIONES:
IX.- CUESTIONARIO: 5) ¿Qué ¿Qué es es un vapor vapor húm húmed edo? o? 6) ¿Qué ¿Qué es la cali calidad dad de vapo vapor? r? 7) ¿la calidad calidad de vapor vapor es una una propiedad propiedad termodinámica termodinámica? ? 8) ¿Cuá ¿Cuánt ntas as vari variab able less inte intens nsiv ivas as inde indepe pend ndie ient ntes es hay hay que que espe especi cififica carr para para pode poder r determinar el estado termodinámico del agua contenida en el Dewar? a) al inic inicio io del del experim experiment ento: o: b) en las condic condicion iones es finales finales 9) ¿Cuále ¿Cuáless son estas estas y cuales cuales son son sus valores valores? ? 10)¿Cuánt 10)¿Cuántas as variabl variables es intensi intensivas vas indepe independi ndient entes es se deben deben especif especifica icarr para poder poder determinar el estado termodinámico del vapor de la línea? ¿cuales son sus valores? 11)¿Por qué se puede hacer la consideración de que la entalpía del agua como liquido comp compri rimi mido do,, es igua iguall a la corr corres espo pond ndie ient nte e del del líqu líquid ido o satu satura rado do a la mism misma a temperatura?
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X.- BIBLIOGRAFÍA N o.
Autor / Año
Título
Smith J.M., Van Ness H.C. y Abbot M.M.
Introducción a la termodinámica en ingeniería Química Zemansky Zemans ky M.W., M.W., Abbot y Van Van Basic Engineering Ness H.C. Thermodynamics Tablas de vapor,
Editorial / Edición McGraw-Hill, México, 1997 McGraw- Hill, E.E.U.U, 1972, pp. 291-300
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PRACTICA No. 5
TÍTULO DE LA L A PRÁCTICA: PRÁCTICA:
“RECUBRIMIENTOS ELECTROLITICOS”
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Práctica Recubrimiento de cobre alcalino Objetivo Realizar un recubrimiento electrolítico de cobre por el método alcalino. Teoría Los recubrimientos electrolíticos de cobre son s on relativamente sencillos de obtener, y son empleados con mucha frecuencia como una etapa preliminar antes de recubrir con cualquier otro metal al sustrato. El cobre permite la adherencia de los recubrimientos recubr imientos de metales más valiosos tales como níquel, plata, cromo y algunos otros, por lo que se emplea extensamente como paso intermedio en procesos de electroplateado más complejos. Al salir del baño galvánico, los depósitos de cobre son brillantes y de color rojo. Fácilmente se opacan al contacto con el aire, por lo que se recomienda secar las piezas en cuanto salen del baño y pulirlas con algún producto que deje una capa protectora que impida la oxidación del recubrimiento. Se conoce un gran número de fórmulas para preparar soluciones de cobrizado electrolítico; se acostumbra nombrarlas por grupos, tales como los baños de cobre ácido (como el que se empleó en la práctica de distribución de corriente y potencial), de cobre alcalino, de cianuro, de fluoborato, de pirofosfato y otros. Cada uno de ellos puede encontrarse descrito a fondo en la bibliografía sobre el tema. Aparatos necesarios Un rectificador por medio del cual pueda controlarse la corriente y el voltaje, caimanes, termómetro, parrilla eléctrica y un recipiente re cipiente que servirá de celda electrolítica. Reactivos Lámina de cobre (ánodo). Lámina de latón (cátodo). Solución de cobrizado en medio alcalino: Cu(CN)2 11.25 g KCN 21.25 g KOH 5 g Sal de Rochelle16 11.25 g Las cantidades son para preparar 250 ml de solución. 16 Tartrato Tartrato doble de sodio so dio y potasio, llamado también sal de Seignette. Procedimiento Limpie la superficie de acuerdo con las instrucciones generales que se mencionan al principio de esta sección de prácticas y proceda al electrorrecubrimiento, teniendo cuidado de no tocar el metal con los dedos (utilizar pinzas).
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OBTENCION DEL RECUBRIMIENTO DE COBRE Monte una celda electrolítica de tamaño apropiado para contener aproximadamente 250 ml de solución. Coloque como ánodo una placa de cobre previamente preparada como se indicó, y como cátodo una placa de latón. Las condiciones recomendadas para el recubrimiento son: pH 8-10 j, A/dm2 1-3, mejor el valor inferior Agitación favorable, con aire Temperatura, °C 45-60 Tiempo, min _ 3 Saque las placas del baño galvánico, enjuáguelas con agua, séquelas con una toalla de franela suave y si lo desea púlalas.
Reporte e investigación Investigue que sustancias químicas se emplean como aditivos para mejorar la apariencia de los depósitos de cobre (abrillantadores, agentes tensoactivos, etc.). Si es posible, someta alguno a prueba y obtenga sus propias conclusiones sobre su efectividad. Consulte la bibliografía apropiada y reporte las fórmulas de por lo menos tres baños de cobrizado electrolíticos distintos al que utilizó en su práctica. Si es posible, incluya también las condiciones de operación para cada baño.
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Práctica Recubrimiento de níquel Objetivo Realizar un recubrimiento electrolítico de níquel utilizando una modificación de la solución de Watts clásica. Teoría El níquel es un metal de brillo argentino, duro, resistente al desgaste y a la corrosión. Sus características de dureza y duración hacen que se utilice mucho para acuñar monedas, en la fabricación de acero inoxidable y para construír equipo empleado en la industria química. Los diferentes baños de electrorrecubrimiento con níquel proporcionan distintos acabados del depósito. Por ejemplo, existen fórmulas para depositar “níquel negro”, una forma ennegrecida del metal que tiene aplicación en superficies absorbentes de luz, acabado de armas de fuego, partes de máquinas de escribir, joyería y ornamentos. Normalmente los depósitos de níquel brillante se emplean como recubrimientos decorativos y de protección contra la corrosión, así como en electroformado de piezas mecánicas donde la dureza es importante. También También puede usarse como una capa previa antes de aplicar un recubrimiento de plata. Aparatos necesarios Un rectificador por medio del cual pueda controlarse la corriente y el voltaje, caimanes, termómetro, parrilla eléctrica y un recipiente re cipiente que servirá de celda electrolítica. Reactivos Lámina de níquel electrolítico o carbón laminado (ánodo). Lámina de latón (cátodo). Solución de niquelado: NiSO4 —6 H2O 85 g NiCl2—6 H2O 28.3 g H3BO3 12.7 g Las cantidades son para preparar 250 ml de solución. La solución es más fácil de preparar en caliente (50 °C). Procedimiento Limpie la superficie de acuerdo con las instrucciones generales que se mencionan al principio de esta sección de prácticas y proceda al electrorrecubrimiento. La limpieza de la superficie es crítica para la obtención de un buen niquelado.
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OBTENCION DEL RECUBRIMIENTO DE NIQUEL Monte una celda electrolítica de tamaño apropiado para contener aproximadamente 250 ml de solución. Coloque como ánodo una placa de níquel purificado electrolíticamente, o bien un trozo de carbón laminado (grafito). El cátodo será la placa de latón. Las condiciones recomendadas para el recubrimiento son: pH 2-5 j, A/dm2 1-10, mejor el valor inferior Agitación favorable, con aire Temperatura, °C 50-65 Tiempo, min _ 2 El depósito se hace más brillante a valores bajos de pH; A valores valores altos de pH es conveniente disminuir la densidad de corriente. Es muy importante evitar la contaminación de la solución con iones cuprosos, ferrosos, de zinc o cromo hexavalente, por lo que deben usarse ánodos inertes o de la mayor pureza posible.
Reporte e investigación Investigue que sustancias químicas se emplean como aditivos para mejorar la apariencia de los depósitos de níquel. níque l. Si es posible, someta alguno a prueba y obtenga sus propias conclusiones sobre su efectividad. Averigüe Averigüe otros usos de los depósitos de níquel e investigue fórmulas y condiciones para otros baños de níquel que no se mencionan aquí (fluoborato, de cloruros, de sulfamato, etc.
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Práctica Recubrimiento de cromo Objetivo Realizar un cromado electrolítico con solución de ácido crómico sobre un metal previamente niquelado. Teoría El cromo, un metal fundamental en la técnica moderna , fue descubierto en 1797 por Vauquelin. Es un metal pesado, duro, de brillo argentino, cuyos compuestos generalmente muestran coloraciones intensas y son empleados como pigmentos. Se extrae del mineral cromita y se utiliza u tiliza extensamente en la fabricación de aleaciones de hierro (aceros inoxidables), para construir resistencias eléctricas de precisión y como recubrimiento. Los recubrimientos de cromo se emplean con fines decorativos sobre cobre y níquel, pues estos últimos pueden aplicarse sobre cualquier metal base. Algunas herramientas de hierro y acero se recubren con capas de cromo con el fin de darles dureza, por ejemplo en dados, calibradores y tarrajas; como capa protectora en electrotipos, placas de grabado y otros objetos, y para mejorar la lubricación y disminuir el desgaste en pistones y cilindros de los motores de combustión. La solución para cromar tiene una baja eficiencia, y el éxito de la operación dependerá a menudo de la manera en que se coloquen suspendidos los artículos en el baño. En algunos casos puede ser necesario disponer de varios ánodos a fin de asegurar una distribución de corriente más uniforme y con ello un depósito más satisfactorio. Aparatos necesarios Un rectificador por medio del cual pueda controlarse la corriente y el voltaje, caimanes, termómetro, parrilla eléctrica y un recipiente re cipiente que servirá de celda electrolítica. Reactivos Aleaciones de Pb-Sn, Pb-Sb, Pb o Sn puro (ánodo). Una lámina de latón previamente niquelada (cátodo). Solución de cromado: CrO3 47 g H2SO4 concentrado (densidad _1.84 g/cm 3) 0.21 ml Las cantidades son para preparar 250 ml de solución. La solución se prepara disolviendo el trióxido de cromo ("ácido crómico") en agua destilada caliente a 60 °C. Una vez terminada la disolución se agrega el ácido sulfúrico. Procedimiento El cromado se realiza sobre una placa de latón previamente niquelada de acuerdo con el procedimiento de la práctica anterior, pues no se obtienen buenos resultados directamente sobre el latón. Si se quiere aumentar la adherencia del depósito de cromo, anodice la placa a j=10 A/dm2 en el baño de cromado durante 15-30 segundos y después invierta la corriente para obtener el recubrimiento. HOJA __38____ DE _38____
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CARRERA:
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OBTENCION DEL RECUBRIMIENTO DE CROMO Monte una celda electrolítica de tamaño apropiado para contener aproximadamente 250 ml de solución. Coloque como ánodo una placa de plomo, estaño o una aleación de estos metales. El cátodo será la placa de latón previamente niquelada. Las condiciones recomendadas para el recubrimiento son: pH ácido, determinado por el H2SO4 j, A/dm2 6-10 Agitación no indispensable Temperatura, °C 45-50 Tiempo, seg _ 15 La razón entre los gramos de CrO3 y los gramos de H2SO4 debe mantenerse cercana a 100, agregando trióxido de cromo cuando sea necesario. Los iones hierro, cobre y el exceso de Cr III perturban la reacción. La eficiencia es baja (menor al 15 %) y se requieren densidades de corriente altas, reportando la literatura valores entre 13 y 80 A/dm2.
Reporte e investigación Investigue otras fórmulas que se empleen con éxito en la obtención de recubrimientos de cromo ¿ Es alta PRACTICA su eficiencia ? No. 4 La relación CrO3 / H2SO4 es un parámetro p arámetro importante para el control de la calidad de los depósitos de cromo. Obtenga el valor de dicha relación para las fórmulas que reportó en el apartado anterior y compárelo con el valor “optimo” de 100 que se sugiere en esta práctica. Los ánodos que se emplean en el cromado, como ya se mencionó, están formados TÍTULO DE LA L A PRÁCTICA: fundamentalmente de plomo y otro metal, que suele ser antimonio o estaño. Consulte la bibliografía y averigüe en qué proporción se encuentran los metales en la aleación anódica. Si le es posible, someta a prueba algún aditivo y observe su efecto en el recubrimiento. Haga una evaluación de la calidad del recubrimiento: reporte brillo, uniformidad, color y cualquier otra característica que considere relevante. “DETERMINACION DE LA L A CALIDAD DE VAPOR”
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