ESCUELA ESCUELA SUPERIOR SUPERIOR POLITÉCNICA POLITÉCNICA DEL LITORAL DEPARTAMENTO DE CIENCIAS QUÍMICAS Y AMBIENTALES Laboratorio de Fisicoquímica Informe de la Práctica #4 1. RESPONSABLES RESPONSABLES DEL TRABAJ O Espinoza Vásquez Alexander Paúl López Santos María de los Ángeles Miranda Vasconez Hugo Johan
2. TEMA DETERMINACIÓN DEL PESO MOLECULAR DE UN GAS: MÉTODO MEJORADO DE DUMAS. 3. OBJETIVOS a. General Conocer el método para determinar la masa molecular de un gas. b. Específicos
Manipular correctamente los equipos del laboratorio laboratorio para oobtener btener datos físicos físicos y químicos de una sustancia. Determinar por medio medio de este método método el peso peso molecular molecular en fase de vapor vapor de líquidos volátiles. Calcular la masa molar molar utilizando utilizando la ley de los gases ideales. ideales.
4. INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN Y MARCO TEÓRICO Podemos hallar el peso molecular valiéndonos de diversos métodos tal y como comprobaremos comprobaremos en esta práctica al utilizar el Mejorado de Dumas. MARCO TEÓRICO Gas ideal Un gas ideal es aquel compuesto de partículas de masa fintita. En estas partículas no existen fuerzas intermoleculares y al estar en continuo movimiento sus choques son elásticos. Un gas se puede comportar como ideal a elevadas temperaturas y bajas presiones [4]. [1]La teoría de la cinética de los gases ideales establece los siguientes enunciados: enunciados:
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No existe atracción atracción molecular molecular entre las partículas partículas que conforman conforman gas, gas, debido a
que sus moléculas son independientes entre sí. La presión de gas es el resultado del movimiento desordenado desordenado continuo continuo de las las
moléculas de un gas. Estas moléculas pueden chocar entre sí o con las paredes del recipiente que las contenga. Los choques de las partículas partículas son perfectamente perfectamente elásticos, elásticos, es decir, decir, no existe existe la
transferencia de energía en el choque entre moléculas. La energía cinética es directamente directamen te proporcional proporcional a la temperatura tempera tura absoluta que
tenga el gas. Un gas ideal se puede describir mediante la ecuación de los gases ideales. La ecuación de los gases ideales establece que las moléculas no tienen fuerzas atractivas entre sí y el volumen de sus moléculas es insignificante insignificante comparando con el volumen v olumen del recipiente que los contiene [4].
ó : : ó 0,082 °
Donde:
(L)
La ecuación de los gases también se la puede utilizar para hallar la densidad, la masa o el peso molecular de dicho gas que se esté trabajando.
Reemplazando la ecuación del número de moles en la ecuación de los gases ideales, permitirá permitirá obtener los datos anteriormente mencionados con un simple despeje.
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Densidad Se
sabe
que
entonces:
Masa
∗ ∗
Peso molecular
el peso , Despejando M, se obtiene: Despejando molecular, se obtiene:
Tabla:1 Análisis de los diferentes usos de la ecuación de los gases ideales. Método de Dumas. El método de Dumas es el método más general para determinar el peso molecular de un líquido volátil (Facilidad con la que un líquido tiende a evaporarse) en fase de vapor, aunque obtener una alta precisión es difícil. El método consiste en calentar un líquido en el bulbo de Dumas hasta que se logre su evaporización. Con ayuda de la presión atmosférica (1,01 atm), la temperatura en que se evaporizo el líquido y el volumen real se procede a calcula la masa molar utilizando la ecuación de los gases ideales [2]. Para este método se establece que la presión es de 1,01 atm y la temperatura es la del baño cuando suceda la evaporación del líquido. El líquido que está en exceso se evapora, ocupando el volumen del bulbo. Finamente el vapor del líquido se condesará y se determinará su masa pesándola en la balanza analítica [2]. Para sacar el peso molecular del líquido volátil es necesario realizar los siguientes pasos:
+ De la obtención de la masa de agua se saca el volumen usado a partir de la densidad del agua.
= Donde: Espinoza Alex- López María- Miranda Hugo- Paralelo#1- Ing. María Verónica Ordoñez P.-15 de Noviembre del 2016.
í 27° → 0.996 / = Una vez sacado el volumen del agua se establece que es igual al volumen del vapor del líquido. Y se procede a sacar la masa del gas.
+ Finalmente, se usa la ecuación de los gases ideales utilizando la masa del gas, el volumen, la temperatura del baño y la presión atmosférica.
Gas real La molécula de un gas real tiene un volumen y fuerzas de atracción entre sí. También hay que destacar que al ejercer una mayor presión la desviación del gas será mayor a la del gas ideal [1]. Ecuación de Van der Waals Los investigadores para trabajar con gases alta presión establecieron la ecuación de Waals. Van der Waals tomo en cuenta del volumen finito que ocupan las moléculas y las fuerzas de atracción entre sí.
Van de Waals introdujo dos constantes propias de cada gas. Donde la constate “a”
refleja la fuerza de atracción de las moléculas entre si y se expresa en unidades
,
mientras que la constante “b” es el volumen real que ocupa una mol de la molécula del
gas y se mide en L/mol [3]. Ecuación de Berthelot Esta ecuación toma en consideración que la atracción intermolecular depende tanto de la temperatura como del volumen [3].
Donde:
ṼB Ṽ
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27 64Pc /8 5. EQUIPOS, MATERIALES Y REACTIVOS a. Equipos 1. Plancha de calentamiento Marca: Cole-Parmer Stable Temp Modelo: SP-131325 Ver Imagen1. 2. Balanza Analítica Marca: aeADAM Modelo: PW124 Max: 120g. Tamaño plato: 90mm diámetro. Ver Imagen2. 3. Sorbona Marca: Quimis Ver Imagen3. b. Materiales 1. Matraz Erlenmeyer Marca: PYREX MEXICO Capacidad: 25ml Número: 4980 Ver Imagen4. 2. Vaso de precipitación mediano Marca: GLASSCO. Capacidad: 250ml. Tipo de Vidrio: Boro 3.3 Espinoza Alex- López María- Miranda Hugo- Paralelo#1- Ing. María Verónica Ordoñez P.-15 de Noviembre del 2016.
Ver Imagen5. 3. Ligas de caucho Utilidad: Sujetar el trozo de aluminio en la boca del matraz Erlenmeyer. Ver Imagen6. 4. Alfiler Ver Imagen7. 5. Termómetro Marca: SPER SCIENTIFIC Made in Taiwan Inscripción: 76 mm IMM Ver Imagen8. 6. Pipeta Marca: GLASSCO. Incertidumbre: ±0.01ml. Calibración: ISO: 835. Ver Imagen9. 7. Trozo de papel de Aluminio Utilidad: Tapar el Matraz Erlenmeyer. Ver Imagen10. 8. Franela Utilidad: Colocar los materiales y sujetar cosas calientes. Ver Imagen11. 9. Pinza de madera Utilidad: Sujetar el Matraz Erlenmeyer. Ver Imagen12. 10. Probeta Marca: LMS Germany. Capacidad: 25ml en ½. Incertidumbre: ±0.25ml. Clase: A. Ver Imagen13. 11. Pera para succionar Marca: MARIEN FELD Modern Germany Espinoza Alex- López María- Miranda Hugo- Paralelo#1- Ing. María Verónica Ordoñez P.-15 de Noviembre del 2016.
Ver Imagen14. c. Reactivos 1. Agua destilada Fórmula: H2O (d) 2. Cloroformo Fórmula: CHCl3 6. PROCEDIMIENTO 1.- Tapar la boca de un matraz Erlenmeyer con ayuda de un trozo de papel aluminio y una banda de caucho para sujetar el mismo. Ver Imagen15. 2.- Se pesa en la balanza analítica lo descrito en el punto 1. Ver Imagen16. 3.- Introducir 3-5 ml de un líquido cuyo punto de ebullición sea menor al del agua, (por ello nos valdremos del uso del cloroformo), en el matraz Erlenmeyer y volver a taparlo con el aluminio y la banda. Ver Imagen17. 4.- Con la ayuda de la plancha de calentamiento colocamos un vaso de precipitación lleno de agua el cual se calentará hasta que llega a su punto de ebullición en este caso a los 100°C. Ver Imagen18. 5.- Una vez conseguida esa temperatura sumergimos el matraz Erlenmeyer utilizando una pinza de madera, procurar que este inclinado al momento de sumergirlo y con un alfiler le hacemos una pequeña perforación al aluminio. Ver Imagen19. 6.- Esperar a que el líquido en el interior se vaporice y como le hicimos un orificio al papel aluminio los vapores saldrán por ahí, recordar de que debemos asegurarnos de que en la boca del matraz no se condense el líquido. 7.- Una vez que se consumió todo el líquido inmediatamente se procede a medir la temperatura del agua con ayuda del termómetro. Ver Imagen20. 8.- Apagar la plancha de calentamiento y retirar el matraz erlenmeyer para que se enfríe y seque, luego el vapor encerrado en el matraz erlenmeyer se condensará y formará un líquido. 9.- Asegurarnos de que esté a temperatura ambiente ya que se deberá pesar el matraz con el líquido dentro en la balanza. Ver Imagen21. 10.- Se debe determinar el peso del líquido condensado ya que corresponderá al peso del vapor encerrado en el matraz con la temperatura de ebullición. 11.- Medir el volumen total del matraz Erlenmeyer. Ver Imagen22. 12.- Realizar los cálculos debidos. 7. RESULTADOS Espinoza Alex- López María- Miranda Hugo- Paralelo#1- Ing. María Verónica Ordoñez P.-15 de Noviembre del 2016.
8. MEDICIONES DIRECTAS Masa 1: Contenedor vacío (matraz, tapón de aluminio, ligas) Masa 2: Masa del contenedor con el gas
20,7802 g
Temperatura agua caliente (tras vaporización total) Volumen del contenedor
371° K
Temperatura del agua fría
27 ° C
20,9177
33 mL
MEDICIONES INDIRECTAS Masa de la muestra de prueba
0,1375g
VALORES CONSTANTES Presión atmosférica en ESPOL
1,01 atm
Constante de los gases ideales
0,0821 atm-L/mol-K
Tabla 2: Datos obtenidos experimentalmente
9. ANÁLISIS DE RESULTADOS Obteniendo los datos de la masa 1 y la masa 2 se procede a sacar su respectiva diferencia. Este cálculo permite encontrar la masa que se trabajó en el sistema. Donde:
20,7802 20,9177 20,917720,7802 0.1375
Masa de la muestra de prueba
0.1375 g
Tabla 3: Obtención de la diferencia de masa entre m1 y m2. Una vez obtenida la diferencia de masa, se procede a utilizar la fórmula de los gases ideales. La ecuación de los gases ideales se la puede utilizar debido a que se está trabajando a temperaturas altas, permitiendo disminuir la desviación de dicho gas y además se asume que la presión es de 1.01 atm.
ó : ó
Donde:
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2∶ (L)
Sabiendo que:
Reemplazando la ecuación 2 en la ecuación de los gases ideales, se obtiene:
Despejando el peso molecular, debido a que es el valor experimental que se quiere corroborar en la práctica.
Nota: Observa que el resultado debe quedar en gramos/mol, porque son las unidades del peso molecular. Volumen:
33 ml
Presión:
1.01 atm
Constante de los gases id eales
0.0821 atm*l/mol*°K
Temperatura:
371 °k
Masa:
0.1375 g
Tabla 4: Datos para calcular el peso molecular del cloroformo Utilizando los valores de la tabla 3 se calcula el peso molecular del cloroformo a través del método de Dumas.
0. 1 3750. 0 821 °371° 1.01 33∗1000 1 0. 1 3750. 0 821 1.01 0.033°371° 0. 1 3750. 0 821 °371° 1.01 33∗1000 1
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125.65
A continuación, se calcula el peso molecular teórico del cloroformo para comparar con valor obtenido.
ó : ó 12,00 ó ó1,00 ó 35.45 (12 )1(1 )135.45 3 119.35 ó %| ó |∗100 3 5 ∗100 %125.6119.5119. 35 %5.27%
Donde:
Porcentaje de error:
Ecuación de Van der Waals Se saca las moles obtenidas mediante la ecuación de los gases ideales, porque más adelante se la necesitará para compararla con las moles que se obtendrá en la ecuación de Van der Waals.
1 1. 0 1 33∗ 1000 0.0821 °371° 1, 0 94∗10−
Usando la ecuación de Waals se procede a sacar el número de moles:
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0 0 Sabiendo que:
15,34 molbarL ∗ 0.9186 15,56/ 0,1019 moll
Reemplazando los datos en la ecuación:
0,10190,15,03356 0,033 15,50,6 0, 033 0,1019 1,01 033 371°0,0821,010,0330 48,05 471,51 0,10330,420,0330 48,05 471,51 30,520,0330 9,877 0,0632 1,099∗10− Se escoge la tercera respuesta porque es la más cercana a las moles obtenidas con la ecuación de gases ideales. Y con esa respuesta se saca el peso molecular del cloroformo.
0,1375− 1,099∗10 125,11 / Espinoza Alex- López María- Miranda Hugo- Paralelo#1- Ing. María Verónica Ordoñez P.-15 de Noviembre del 2016.
Ecuación de Berthelot Se calcula el volumen molar obtenido con la ecuación de los gases ideales, porque este valor será necesario para compararlo con el resultado de la ecuación de Berthelot.
Ṽ Ṽ Ṽ 0. 0 821 Ṽ 1,01°371° Ṽ30,15 Se procede a sacar las constantes “a” y “b”:
Donde:
Reemplazando:
263,4°273536,4° 53,79 27 64Pc 536, 270, 0 82 4 ° 6453,79 8139, 0 9 /8
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0, 0 82 4 ° 853,79536, 0,1022 ṼB Ṽ
Se procede a sacar el volumen molar:
ṼB Ṽ Ṽ ṼB ṼBṼ ṼBṼ Ṽ ṼB Ṽ BṼ Ṽ ṼaB 1,01371Ṽ 0,1022371Ṽ 0.0821 °371Ṽ 8139,09 Ṽ 8139,09 0,1022 0 374,71Ṽ 37,92Ṽ 11300,32Ṽ 8139,09Ṽ831,810 374,71Ṽ 11338,24Ṽ 8139,09Ṽ831,810 29,52 / 0,123/ 0,601/ Se escoge el volumen 1 porque es el que se aproxima más al volumen molar obtenido en la ecuación del gas ideal. Finalmente se procede a calcular el peso molecular.
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Ṽ NV Ṽ PmMV Ṽ VPmM Pm ṼMV 29, 5 2 Pm 0,033L0,1375 29, 5 2 0, 1 375 Pm 0,033L Pm=123g/mol En la obtención de datos se estableció que para la utilización de la ecuación de los gases ideales es necesario la disminución de la presión, porque un gas real tiende a parecerse a un gas ideal. También se trabajó con temperaturas mayores al punto de ebullición. El peso molecular de la práctica es de 125,35 g/mol que comparándola con el peso molecular teórico del cloroformo (119.35 g/mol), resulto un porcentaje de 5.27%. Esto permite afirmar que el valor experimental no es tan alejado del teórico. Debido a que el método de Dumas acepta un error entorno al 5%. Se sacó también el peso molecular a través de dos formas diferentes (M. Wan de Waals y M. Berthelot). Mediante estos dos métodos se apreció que los pesos moleculares encontrados se aproximaban más al teórico, esto puede ser posible debido a que las diferentes ecuaciones toman en consideración las fuerzas intermoleculares y la presión del gas que está trabajando. 10. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES El método de Dumas es una técnica usada para encontrar el peso molecular en líquidos volátiles. Pero hay que tomar en cuenta ciertas consideraciones para este método, por ejemplo: la presión se la considera de 1,01 atm para poder trabajar con la ecuación de Espinoza Alex- López María- Miranda Hugo- Paralelo#1- Ing. María Verónica Ordoñez P.-15 de Noviembre del 2016.
los gases ideales. Es posible trabajar con la ecuación de los gases ideales debido a que se asume una presión baja y se calienta el líquido a altas temperaturas hasta que se evaporice. Pero el método de Dumas tiene ciertas limitaciones, debido a que no se consideran las fuerzas intermoleculares del gas y la presión real. Aunque el error hallado con el método de Dumas es aceptable porque fue del 5,27%, pero si se hubiera trabajado con las ecuaciones de Wan der Waals y Bertholet se hubiera conseguido un menor porcentaje de error. Este porcentaje de error hubiera disminuido debido a que los valores del peso molecular obtenido en ambas ecuaciones se aproximaban más al teórico, a diferencia del valor hallado mediante la ecuación de los gases ideales. Al haber obtenido un error del 5,27% podemos afirmar que el peso molecular obtenido (125,65g/mol) está dentro de un rango viable debido a que el peso molecular teórico del cloroformo (
119.35 es de
.
RECOMENDACIONES
Recordar que al medir el volumen del gas contenido en el matraz se deberá llenarlo y depositarlo en una probeta, ya que la rotulación del matraz no es tan exacta y provocaría errores en la medición del volumen.
Asegurarse que el líquido contenido en el matraz Erlenmeyer se evapore totalmente para poder registrar la temperatura. Es importante verificar que la temperatura de la evaporización del cloroformo no sobrepase la temperatura de ebullición del agua.
Tener cuidado al hacer el orificio al papel aluminio que recubre la boca del matraz Erlenmeyer con el alfiler. Este orificio es importante para que los vapores sean expulsados y posteriormente se condense.
11. BIBLIOGRAFÍA
[1]Brown, Lemay. (2004).
Quimica. Mexico:
Pearson. Pág. 386--400
[2]Peña, A. B. (2007). FISICO QUIMICA. Colombia: Universidad de Medellin. Pág. 1315 [3]RAUL REYES CRUZ. (2005). ANALISIS DEL CALCULO DE LAS PROPIEDADES . UNIVERSIDAD VERACRUZANA. Pág. 34-50 Espinoza Alex- López María- Miranda Hugo- Paralelo#1- Ing. María Verónica Ordoñez P.-15 de Noviembre del 2016.
[4]Raymond Chang. (2010). Quimica. Mexico: mcGRaW-HiLL/iNTERamERicaNa EDiTORES, S. Pág. 183-193
12. ANEXOS
Imagen 1. Plancha de calentamiento
Imagen 2. Balanza Analítica
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Imagen3. Sorbona
Imagen4. Matraz Erelenmeyer de 25ml
Imagen5. Vaso de precipitación
Imagen6. Ligas de caucho Espinoza Alex- López María- Miranda Hugo- Paralelo#1- Ing. María Verónica Ordoñez P.-15 de Noviembre del 2016.
Imagen7. Alfileres
Imagen8. Termómetro
Imagen9. Pipeta.
Imagen10. Trozo de aluminio. Espinoza Alex- López María- Miranda Hugo- Paralelo#1- Ing. María Verónica Ordoñez P.-15 de Noviembre del 2016.
Imagen11. Franela
Imagen12. Pinza de madera
Imagen13. Probeta de 25ml
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Imagen14. Pera para succionar
Imagen15. Tapar el Matraz Erlenmeyer con ayuda de un trozo de aluminio y una liga de caucho.
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Imagen16. Pesar el Matraz Erlenmeyer ya sellado.
Imagen17. Introducir 3-5ml de Cloroformo en el Matraz Erlenmeyer.
Imagen18. Calentar hasta llegar a los 100°C.
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Imagen19. Colocar el Matraz sosteniéndolo con una pinza de madera.
Imagen20. Medir la temperatura al evaporarse el líquido contenido en el matraz.
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Imagen21. Pesar el matraz ya cuando se haya condensado y formado el líquido.
Imagen22. Obtener el volumen del matraz.
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