LABORATORIO DE QUÍMICA APLICADA
OBJETIVO:
Determinar el peso molecular de un gas con datos experimentales a partir de la ecuación general del estado gaseoso y la de Berthelot. MARCOTEORICO:
Ley de los gases ideales La ley de los gases ideales es la ecuación de estado del gas ideal, un gas hipotético formado por partículas puntuales, sin atracción ni repulsión entre ellas y cuyos choques son perfectamente elásticos (conservación de momento y energía cinética). Los gases reales que más se aproximan al comportamiento del gas ideal son los gases monoatómicos en condiciones de baja presión y alta temperatura. Empíricamente, se observan una serie de relaciones entre la temperatura, la presión y el volumen que dan lugar a la ley de los gases ideales, deducida por primera vez por Émile Clapeyron en 1834. ECUACIONES DE ESTADO
Una ecuación de estado es la relación que existe entre dos o más propiedades termodinámica. En sistemas de un componente y de una fase, la ecuación de estado incluirá tres propiedades la presión, volumen y temperatura. Dado que la presión, temperatura y volumen pueden ser medidos directamente, los datos necesarios para evaluar las constantes en tales ecuaciones pueden ser obtenidos experimentalmente. La elección de la ecuación a usar en una aplicación dada depende principalmente de la exactitud deseada y de la capacidad del usuario. Como los coeficientes de casi todas las ecuaciones de estado deben ser evaluados ajustando o adaptando las ecuaciones a diversos datos experimentales de presión, volumen y temperatura, estas ecuaciones nunca pueden representar exactamente los datos experimentales; más aun, muchas veces estas ecuaciones no representan los datos, limitando la exactitud. Esto es particularmente cierto cuando las ecuaciones más sencillas son aplicadas en la vecindad del punto crítico. ECUACION DE BERTHELOT
La ecuación de estado de Berthelot es ligeramente más compleja que la ecuación de Van der Waals. Esta ecuación incluye un término de atracción intermolecular que depende tanto de la temperatura como del volumen. La ecuación tiene la siguiente forma:
Teniendo en cuenta el peso:
] [
Teniendo en cuenta la densidad:
] [
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Esta ecuación al igual que la de Van der Waals predice un valor para Zc igual a 0,375, por lo que no es aconsejable utilizar cerca del punto crítico. Para esta ecuación el factor de compresibilidad crítico tiene un valor de 0,28, el cual se acerca bastante al valor promedio experimental de Zc para la gran mayoría de los gases no polares. Esta ecuación incluye un término de atracción intermolecular que depende tanto de la temperatura como del volumen. La ecuación tiene la siguiente forma: P = presión del gas v = volumen del gas por mol T = temperatura del gas R (cte.) = 0.082/mol*K Método de Víctor Meyer
Este método consiste en volatilizar una muestra dada del compuesto problema y medir el volumen de aire por el desplazado a presión y temperatura ambientales, lo cual conduce a la densidad de vapor del compuesto: = W/V Haciendo uso de la ecuación general de los gases, tenemos:
Donde: PM= Peso molecular,
= densidad
R= constante = 0.082 lt*atm/mol ᵒK PUNTO TRIPLE DE UNA SUSTANCIA.
El punto triple es aquel en el cual coexisten en equilibrio el estado sólido, el estado líquido y el estado gaseoso de una sustancia. Se define con una temperatura y una presión de vapor. Sabemos que las moléculas de las sustancias vibran. En el estado sólido, lo hacen sin moverse de su lugar. En el líquido, se mueven libremente chocando unas con otras. Y en el estado gaseoso también se mueven libremente, pero con más violencia, es por eso que las colisiones hacen que estén más separadas y los gases ocupen tanto volumen, a diferencia de los líquidos y sólidos. PUNTO TRIPLE DEL AGUA.
La única combinación de presión y temperatura a la que el agua, hielo y vapor de agua pueden coexistir en un equilibrio estable se produce exactamente a una temperatura de 273.1598 ᵒK (0.0098°C) y a una presión parcial de vapor de agua de 611.73 pascales (6.1173 milibares, 0.0060373057 atm=4.6 torr). En ese momento, es posible cambiar el estado de toda la sustancia a hielo, agua o vapor arbitrariamente haciendo pequeños cambios en la presión y la temperatura. El agua tiene un inusual y complejo diagrama de fase (aunque esto no afecta a las consideraciones generales expuestas sobre el punto triple). A altas temperaturas, incrementando la presión, primero se obtiene agua líquida y, a continuación, agua sólida. Por encima de 109 Pa aproximadamente se obtiene una forma cristalina de hielo que es más denso que el agua líquida. A temperaturas más
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bajas en virtud de la compresión, el estado líquido deja de aparecer, y el agua pasa directamente de sólido a gas. A presiones constantes por encima del punto triple, calentar hielo hace que se pase de sólido a líquido y de éste a gas, o vapor. A presiones por debajo del punto triple, como las encontradas en el espacio exterior, donde la presión es cercana a cero, el agua líquida no puede existir. En un proceso conocido como sublimación, el hielo salta la fase líquida y se convierte directamente en vapor cuando se calienta. En la figura se muestra un diagrama de 3 fases que muestra al punto triple de color verde, cualquier otro punto entre las 3 curvas representa el equilibrio entre 2 fases ; y los puntos que están fuera de las curvas representan condiciones de temperatura y presión bajo las cuales solo está presente una fase. Más allá del punto crítico, no se puede distinguir al líquido del gas y la sustancia es un fluido supercrítico.
MATERIAL: • 1 matraz balón de fondo plano de 500 cc con tapón de hule bihoradado. • 1 tubo de vidrio de 20 a 35 cm de longitud, cerrado en un extremo. • Un codo de vidrio de 90° • Dos pipetas graduadas de 0 a 10 cc. • 1 mechero, anillo, tela de c/asbestos • 1 pinza doble para bureta • 1 termómetro • Una microbotella • 1 balanza digital • Tubería de hule • Algodón
REACTIVOS:
Cloroformo l . Tetracloruro de carbono
.
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PROCEDIMIENTO
1 Monte el aparato como se indica en la figura 1, introduzca un pedazo de algodón en el fondo del tubo Apara evitar que se rompa al dejar caer la micro-botella que contiene la muestra.
2 Calentar a ebullición el agua contenida en el matraz (el nivel tocara ligeramente el tubo A) cuyo tapón deberá tener una salida de vapor. Estando en ebullición, ponga el nivel del agua contenida en las pipetas de manera que el punto C indique cero. Esto se puede lograr subiendo o bajando una u otra pipeta.
3 Introduzca la microbotella abierta que contiene la muestra (de una a dos gotas, previamente pesadas) en el tubo A y conecte el tubo B inmediatamente, presionando para evitar fugas. Procure la operación lo más rápido posible
4 Anote el máximo de volumen desplazado en la pipeta C. Esto será cuando todo el líquido en la microbotella haya pasado al estado gaseoso
5 Quite la mangueraque una a B con C y tome la temperatura de espacio libre en la pipeta C.
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CALCULOS:
Peso. Capsula sin la muestra: 2.025gr Capsula con la muestra: 2.75gr
=154gr/mol PM l=119gr/mol PM
Máximo de volumen desplazado= .4ml CUESTIONARIO:
1. Anote sus resultados experimentales obtenidos: Muestra
.725gr
T
300 K
Volumen desplazado
.4ml
ᵒ
2. Considerando el comportamiento ideal, calcule el peso molecular de la sustancia problema:
(⁄)
P=585mmHg-P (vapor del agua) P vapor del agua(mmHg) 26.8 28.3 30.1 31.8 33.7 35.7 37.7 39.9
T(ᵒC) 27 28 29 30 31 32 33 34
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3. A partir de los pesos atómicos determine el peso molecular de la sustancia del problema.
4. Calcule el peso molecular con la ecuación de Berthelot
: Tc=532.6ᵒK
Pc=39.48 atm.
PM=542gr/mol
l : Tc=536.3ᵒK
Pc=53.39 atm.
PM=40.699gr/mol
5. En su cálculo, hizo una corrección a la presión. ¿por qué se hace esta corrección? Se debe a la incompleta comprensión de las interacciones moleculares sobre todo en los estados líquidos y sólidos los coeficientes de todas las ecuaciones de estado deben de ajustarse de acuerdo a los distintos resultados experimentales previstos.
6. Entre el peso molecular obtenido considerando el comportamiento ideal y con la ecuación de Berthelot, ¿Cuál fue el más próximo al calculado por los pesos atómicos? El que considera el comportamiento ideal. OBSERVACIONES:
El desarrollo de esta práctica se dificulto debido a que al calentar al calentar el agua del matraz la tapa de este ultimo tenia fugas las cuales dejaban escapar el vapor; y por lo cual la evaporación del tetracloruro de carbono no se efectúa según lo previsto, y por lo cual la muestra se tuvo que cambiar por cloroformo y en mayor cantidad a 2 gotas. Después de sellar las fugas en el tapón del matraz se pudo observar perfectamente como descendía el nivel del agua en la pipeta .4ml, y también se observo la evaporación del cloroformo que se encontraba contenido en la capsula. También se pudo ver que era necesario que el tubo que conectaba las pipetas con el matraz estuviera en la posición correcta para que su doblez no impidiera que el gas circulara por este medio.
CONCLUSIONES:
Esta ecuación es muy importante debido a que tiene usos muy prácticos en la industria, que trata con sustancias químicas y de las cuales es necesario determinar mediante cálculos el tipo de cuestiones de sus propiedades como su densidad, peso molecular, volumen, peso, temperatura critica y presión critica. Una de las aplicaciones de la ecuación de Berthelot es que se puede ocupar en las empresas para las determinar cuál es la sustancia contenida en cierto recipiente si se conocen su peso molecular. Se puede comprobar que la ecuación de Berthelot mejora el resultado de la ecuación e los gases ideales aportando elementos para que estos puedan considerarse reales, así mismo también hay que tener en cuenta que esta ecuación es la más exacta de las ecuaciones de estado para determinar el peso molecular de una sustancia.
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A pesar de todas estas utilidades de la ecuación de Berthelot, es más cómodo y practico usar el método de Víctor Meyer para encontrar el peso molecular de una sustancia. En este experimento; sin embargo se puede ver algo de inexactitud en el resultado, esto se debe a las variables propias que afectan al experimento tales como: el desgaste de los instrumentos que se usan para desarrollar el experimento, el no percatarse de las fugas del tapón del matraz, y cuestiones propias que generan inexactitud de las prácticas.
BIBLIOGRAFIA:
Química general; Whitten, Gailey; ed. Mc Graw Hill. Química la ciencia central; Brown, Lemay, Bursten; ed. Pearson.
