DETERMINACION DEL PESO MOLECULAR DE UN LIQUIDO VOLATIL Alaniz Hernandez Ana Delia Leon Narciso Luis Carlos Pena Alvarado Isai INTRODUCCION: -Sustancia Volatil Las sustancias con presion de vapor elevada (como la gasolina) se evaporan mas rapidamente QUE aquellas con presion de vapor baja (como el aceite para motor). Cuando un liquido se evapora facilmente, decimos que es volatil. La presion de vapor es la presion, para una temperatura dada, en la que la fase liquida y el vapor se encuentran en equilibrio dinamico; su valor es independiente de las cantidades de liquido y vapor presentes mientras existan ambas. La volatilidad es la capacidad de una sustancia de evaporarse a una temperatura determinada y con una presion determinada. Cuando menor sea la temperatura de evaporacion de la sustancia se dice que es mas volatil. -Metodos de determinacion del peso molecular Para determinar el peso molecular se han desarrollado desde hace mucho tiempo gran cantidad de metodos: los mas usados son: Metodo de Victor Meyer Este metodo consiste en volatilizar una muestra dada del compuesto problema y medir el volumen de aire por el desplazado a presion y temperatura ambientales, lo cual conduce a la densidad de vapor del compuesto: ρ = M/V Haciendo uso de la ecuacion general de los gases, tenemos:
PM = ρ RT/P donde: PM: Peso molecular ρ: densidad R: constante = 0.082 Latm/molK T: temperatura ambiente K P: presion atmosferica (atm) Metodo de Dumas Este metodo se basa en la determinacion de la densidad del vapor del compuesto en cuestion. A diferencia del anterior, determina el volumen ocupado por un vapor a una temperatura superior a su punto de ebullicion y determina la masa de ese vapor por pesada, restandole el peso del recipiente que lo contiene. La densidad asi determinada sera la del vapor a la temperatura que se cerro el matraz; para hallar el peso molecular basta con aplicar la formula: PM = ρ RT/P donde: PM: Peso molecular ρ: densidad g/L R: constante = 0.082 Latm/molK T: temperatura superior a la cual se cerro el matraz (K) P: presion atmosferica (atm) -Ley de las Presiones Parciales de Dalton La ley de las presiones parciales (conocida tambien como ley de Dalton) fue formulada en el ano 1803 por el fisico, quimico y matematico britanico John
Dalton. La ley de las presiones parciales de Dalton nos dice que cada uno de los gases presentes en una mezcla gaseosa ejerce la misma presion que ejerceria si ocupara solo el volumen total, estando a la misma temperatura de la mezcla. La ley de Dalton es muy util cuando deseamos determinar la relacion que existe entre las presiones parciales y la presion total de una mezcla de gases. Ptotal = P1 + P2 +… + Pn La ley de las presiones parciales de Dalton se expresa basicamente como que la presión total de una mezcla y esta es igual a la suma de las presiones parciales de los componentes de esta mezcla. Relacion con Gases Ideales Las presiones parciales se calculan aplicando la ley de los gases ideales a cada componente. Asi la presion parcial (Pc) para un componente consiste en nc moles a la temperatura T en el volumen V, siendo R la constante universal de los gases ideales, esta dada por la expresion: Pc= ncRT/V Se puede calcular la presion parcial de cada componente, si se conoce el numero de moles de cada uno de los gases que se encuentran en la mezcla encerrada en un volumen determinado y a una temperatura dada. Debido a que las particulas de cada gas componente se conducen de una forma diferente, la mezcla total que ejerza la mezcla sera el resultado de todas las particulas. Establece que la presion total de una mezcla de gases es igual a la suma de as presiones parciales de los gases individuales. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: Armamos el equipo conforme al esquema, se metio la ampolleta y checamos
que no hubiera fugas. Una vez verificado esto se calento el sistema a bano maria hasta alcanzar una temperatura igual a 70° C con la llave de paso abierta, posteriormente cerramos la llave de paso y sacamos el matraz una vez alcanzada dicha temperatura para proceder a romper la ampolleta agitandolo, volvimos a calentar el matraz para alcanzar nuevamente la temperatura establecida y registrar la presion parcial del liquido volatil por medio del manometro. Por ultimo se midio el peso y el volumen de agua dentro del matraz para determinar el volumen del sistema, y hacer los calculos correspondientes. RESULTADOS: Tabla 1. Informacion experimental Masa ampolleta sin liquido (g) 0.451g Masa ampolleta con liquido (g) 0.555g Presion barometrica local (cmHg) 58.6 cmHg Temperatura al cerrar el sistema (°C ) 340.35 K Presion manometrica inicial (mmHg) 0cmHg Presion manometrica final (mmHg) 2cmHg Masa del matraz vacio (g) 266.5g Masa del matraz con agua (g) 1362.5g Masa del agua en el matraz (g) 1096g Tabla 2. Datos Constante universal de los gases R= 0.082 L atm mol-1 K-1 Densidad del agua a la temperatura ambiente ρ= 1g/cm3
ANALISIS DE RESULTADOS: a) Masa de la muestra: 0.555-0.451g= 0.104g b) Presion parcial del vapor del liquido volatil (atm) 2cmHg c) Volumen del sistema (aire y vapor del liquido volatil) (L) 1.096 L d) Masa molar de la sustancia problema (g/mol) PV=nRT Pdel liquido= 2cm Hg . 1atm/76cmHg = 0.02631atm MM=(0.082atmL/molK)(340.35K)(0.104g)/((0.026atm)(1.096L)) = 101.856g/mol CONCLUSIONES: Podemos determinar la masa molar de cualquier liquido volatil a partir de la ecuacion de gas ideal, siempre y cuando nos encontremos a las condiciones adecuadas (altas temperaturas y presiones bajas), y tomando en cuenta la ecuacion de Dalton (las presiones parciales) ya que nos va a servir para determinar la presion que ejerce nuestro liquido volatil a nuestro sistema (de lo contrario no podriamos hacer los calculos). BIBLIOGRAFIA: Fontana, S. Quimica general universitaria. Ed. Fondo Educativo Interamericano. Mexico 1985. Levine, I. N. (1990). Fisicoquimica. 3a. Ed. McGraw Hill
MÉTODO DE VÍCTOR MEYER Debido a su sencillez y flexibilidad este método es de los más utilizados para determinar la densidad deí vapor y ei peso molecular de sustancias en estado líquido y muy volátiles. Para el cálculo del peso molecular se emplea la ecuación de los gases ideales al igual que en los casos anteriores. Los métodos descritos sólo son válidos cuando el vapor o gas se comporta idealmente. Cuando esto no sucede puede emplearse el método de las densidades límites, que consiste en determinar la densidad del gas a una temperatura dada y a la presión atmosférica y otras menores, con lo cual el gas se acercará a la idealidad.
Resolución al problema propuesto (anexar hoja de cálculos) 1. De acuerdo con el valor de masa molar obtenido y a los criterios investigados en la ficha técnica, dar respuesta al problema. 2. ¿Cuál es el porcentaje de error con respecto a la masa molar de la sustancia propuesta? Manejo de residuos Bibliografía Maron, S. H. y Lando, J. B. (1976). Fisicoquímica fundamental. Ed. Limusa (cap. I) Maron, S. H. y Prutton, C. F. (1971). Fundamentos de Fisicoquímica. México. Ed. Limusa (cap. I) Moore, W. J. (1986). Fisicoquímica Básica. Editorial Prentice-Hall Internacional (cap. 2) Sienko, M. J. y Plane, R. A. (1986). Química Principios y Aplicaciones. Mc Graw Hill (cap. 6) ***Tomado de Colección de problemas de Termodinámica Enseñanza Práctica publicado por: M. en C. Natalia E. de la Torre Aceves; IQ Ramiro E. Domínguez Danache; Q. Guillermina Sánchez Salinas. ACTIVIDADES SUGERIDAS PARA COMPLEMENTAR EL TEMA DE MASA MOLAR Reflexionar y responder
1. De acuerdo con el Manual de Física y Química CRC la composición en volumen de la atmósfera es la siguiente: 78.084% de N2, 20.946% de O2, 0.934% de Ar y 0.033% de CO2. Calcular las presiones parciales del nitrógeno y el oxígeno suponiendo que su comportamiento es ideal. 2. Resolver los siguientes problemas: a) Se determina la masa molar de la nicotina mediante el método de Dumas. El matraz usado tiene una capacidad de 248 mL y la masa de la sustancia problema fue 0.904g. Al cerrar el matraz se registró una temperatura de 246 oC y una presión de 72.8 cmHg. ¿Cuál es el valor de la masa molar de la nicotina en g/mol?*** b) En un aparato de Víctor Meyer al evaporarse 0.110 g de un hidrocarburo puro se desplazaron 27 mL de aire medidos en una bureta de mercurio a 26.1 oC y 0.9776 atm de presión. ¿Cuál es la masa molar del hidrocarburo?*** Aplicación del lenguaje termodinámico 1. En el experimento que se realizó, ¿cuál es el sistema antes y después de inyectar el liquido? 2. Antes de inyectar el líquido, ¿cuántos componentes tiene el sistema?, ¿cuáles son?, ¿qué componente se encuentra en mayor proporción? 3. Dibujar el instrumento de trabajo y señalar dónde se encuentra el sistema. 4. Después de inyectar el líquido, ¿cuántas fases presenta el sistema? 5. ¿Qué tipo de paredes limitan el sistema? 6. ¿Cómo se clasifica el sistema antes y después de inyectar el liquido? 7. ¿Cuáles son las variables termodinámicas que se modifican durante el experimento? 8. ¿Cuáles son las variables termodinámicas que permanecen constantes?
9. La masa molar se clasifica como una propiedad ___
eterminación de pesos moleculares La determinación del peso molecular de un gas precisa cuatro datos: la masa de sustancia contenida en el volumen gaseoso, el volumen, la presión y la temperatura. Como la presión y la temperatura son fácilmente medibles, basta con determinar la masa de sustancia contenida en un volumen conocido (método de Dumas) o el volumen de gas producido por un peso dado de sustancia (método de Víctor Meyer). El método de Dumas consiste en introducir una pequeña cantidad de líquido en un matraz terminado en un tubo capilar. Se lleva el líquido a ebullición y la diferencia de pesos entre el matraz lleno de agua y lleno de aire permite determinar el peso del vapor y su volumen. El peso molecular se calcula de modo inmediato una vez determinados la masa de la sustancia y su volumen como vapor a la presión y temperatura dadas. El método de Víctor Meyer emplea un tubo de vidrio largo con dos tubuladuras laterales en la parte superior, una para recoger el aire desplazado en una campana de gases y otra provista de una varilla de vidrio. Este dispositivo se halla colocado en el interior de un tubo mayor en el que se hace hervir un líquido adecuado por encima del punto de ebullición del líquido cuyo peso molecular interesa determinar. A continuación se extrae el aire contenido en el tubo exterior por calentamiento, y posteriormente se deja caer una pequeña cantidad de líquido en una pequeña botellita provista de tapón en el tubo interior, en la parte inferior de la cual se ha colocado previamente un poco de lana de vidrio para evitar su rotura. Al calentar, el líquido contenido en la botellita se vaporiza desalojando un volumen igual de aire, que se recoge en la campana de gases. Conocido este volumen y efectuadas las correcciones
correspondientes, resulta inmediato calcular el peso molecular de la sustancia.
