Gases labo de fisicoquimica 1

LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA I

Gases

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú decana de América)

FACULTAD DE QUIMICA E INGENIERIA QUIMICA LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA I

TEMA ALUMNO

: :

GASES PARIAMACHI PARIAMACHI ORTIZ, GINO

FECHA DE REALIZACIÓN: 23-0-!" FECHA DE ENTREGA: 30-0-!" CIUDAD UNIVERSITARIA, SETIEMBRE DE 20!"

INDICE 1


I. II. II. III. III. IV. IV. V. VI. VII. VII. VIII.

I(.

Gases

Resumen Princ rincip ipiios Teó eóri rico coss Proc oced edim imie ient nto o exper xperim imen enta tall Tabulac abulación ión de dato datoss y resu resulta ltados dos exper experime imenta ntales les Cálc Cá lcul ulos os y ejem ejempl plos os de cá cálc lcul ulos os Disc scus usiión de res esul ulta tado doss Conc Co nclu lussione ioness y Rec Recom omen enda daci cion ones es Apéndice . !oj !oja a de de repo reporte rte ". Cues Cuesti tion onar ario io #. $ra% $ra%ca cass &. 'tros )iblio*ra+,a

RESUMEN El objetivo principal del experimento es reconocer y observar en la práctica las propiedades de los gases tales como la densidad a través del método de Víctor Meyer y la capacidad calorífica a través tr avés del método de Clement y Desormes. El experim experiment ento o se desarr desarroll ollado ado en un ambien ambiente te adecua adecuado do con insumo insumos s y materiales ue !an sido estudiados con anterioridad para esta aplicaci"n# en este caso la acetona $ C3H6O% es nuestra sustancia a anali&ar y las condiciones de labora laborator torio io son' son' (resi" (resi"n n )*+,mm-g# mm-g# emper mperat atur ura a ) /01C y -umedad -umedad relativa)2*3 El método de Víctor Meyer nos permite !allar el volumen experimental de un gas a temper temperatu atura ra de ebullic ebullici"n i"n## El método método de Clemen Clementt y Desorm Desormes4 es4 nos permite !allar el coeficiente de dilataci"n adiabática ue es la ra&"n entre la capaci capacidad dad calorí calorífic fica a a presi" presi"n n consta constante nte $Cp% $Cp% y la capaci capacidad dad calorí calorífic fica a a volumen constante $Cv%. De esta experiencia se tiene ue la relaci"n de la capacidad calorífica a presi"n consta constante nte y la capaci capacidad dad calorí calorífic fica a a volum volumen en consta constante nte ante ante peue5 peue5as as variaciones de presi"n está en funci"n a las alturas. El primer experimento a tratar es la determinaci"n de la densidad de gases por el método de Víctor Meyer en el cual utili&amos como insumo la acetona $C3H6O% # el valor te"rico de su densidad densidad es de 6.66+, g7m8mientras ue la densidad experimental es de 6.*00 g7 ml $a 9+ :C% y su 3E es igual a 2,.;9 3 en el segundo experimento de la relaci"n de capacidades caloríficas utili&ando al aire como gas tenemos un resultado te"rico de /#;6 a una temperatura de

2

LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA I 9<1C mientras el resultado experimental es para !/)/+cm es

!/)96cm es

Gases # para

y para !/)<6cm es

(odemos concluir ue la densidad de la acetona encontrada en el laboratorio es mayor a la densidad del aire ue es de /.9mg7m8 esto comprueba experimentalmente ue la densidad de la acetona en estado gaseoso es más pesada a comparaci"n del aire. El método de Clement y Desormes es muy certero y apropiado para esta experiencia $capacidades caloríficas% puesto ue en los cálculos reali&ados se reporto un peue5o porcentaje de error acercándonos al valor te"rico# esto demuestra la efectividad del método.Es recomendable sumergir la ampolla de vidrio al instante en el liuido volátil $acetona% después de ser calentada en el mec!ero# puesto ue el tiempo ue la ampolla se encuentre fuera del liuido tendera a succionar el aire ue existe a su alrededor y eso reduce el volumen de liuido volátil ue entrara o será succionada por la ampolla# esto afecta a ue exista una buena pesada del liuido ingresado motivo por el cual existirá un mínimo error en la pesada.

INTRODUCCIÓN =e denomina gas a auel estado de la materia ue se encuentra por encima de su temperatura crítica y cuyo volumen es variable y se expande !asta llenar totalmente el recipiente ue lo contiene. 8a finalidad de conocer sus propiedades más características es# para tener un conocimiento más preciso de la sustancia ue se va a emplear# y predecir su comportamiento# de pendiendo de su grado de pure&a# densidad y capacidad calorífica# etc. =i mencionamos la utilidad de los gases en la industria# ésta es muy diversa y tiene un sinn>mero de aplicaciones como producto principal o simplemente como un aditivo en el proceso para la fabricaci"n de otro producto. (or ejemplo# en la fabricaci"n de combustibles gaseosos# éstos combustibles son inodoros en estado puro# por lo ue se les adiciona a&ufre para identificarlo en una posible fuga# entre éstos tenemos gases como' el gas de hulla# ue se genera de la destilaci"n destructiva del carb"n# antiguamente se usaba un derivado del coue# como el gas de alumbrado# ue !oy apenas tiene importancia4 el gas de productor es un tipo de gas de agua $gas obtenido mediante procesos de vapor de agua# toxico debido a su contenido de C?# @9#C-;#C?9.%# se produce uemando combustible de baja calidad $como lignito o carb"n bituminoso% resultando un gas ue contiene alrededor de un +63 de nitr"geno4 el gas natural, ue se extrae generalmente de los yacimientos de petr"leo# ya ue siempre ue !ay éste !ay gas natural

3


Gases

asociado# pero también !ay po&os ue proporcionan solamente gas natural# antes de su uso comercial se le deben extraer los !idrocarburos más pesados# como el butano y el propano# dejando s"lo el gas seco# compuesto por los !idrocarburos más ligeros# metano y etano# el ue también se emplea para fabricar plásticos# fármacos y tintes4 el gas embotellado# se produce a partir de los !idrocarburos pesados ya mencionados# incluido el pentano# o me&clas de esos gases# los ue se lic>an para almacenarse en tanues metálicos# ue pueden utili&arse cocinas o estufas en localidades carentes de suministro centrali&ado de gas $como en nuestra capital%.

I.

PRINCIPIOS TEORICOS

GAS

-e denomina as, a la materia /ue posee la propiedad de llenar completamente el recipiente /ue lo contiene con una densidad uni+orme por ello no posee +orma ni 0olumen de%nido. 1as +uer2as de repulsión son más intensas /ue las de co3esión. 4stas moléculas *aseosas están dotadas de un mo0imiento incesante y caótico c3ocando entre s, y con las paredes del recipiente /ue lo contiene. $eneralmente se comportan de dos +ormas5 

Gas Ideal

6n *as ideal 0iene a ser un *as 3ipotético +ormado por part,culas puntuales sin atracción ni repulsión entre ellas y cuyos c3o/ues son per+ectamente elásticos 7conser0ación de momento y ener*,a cinética8. 1os *ases reales /ue más se aproximan al comportamiento del *as ideal son los *ases monoatómicos en

4


Gases

condiciones de baja presión y alta temperatura. -e ajustan a la 1ey de $ases Ideales y a la ecuación de estado5

Ley de los gases ideales 4mp,ricamente se obser0an una serie de relaciones entre la temperatura la presión y el 0olumen /ue dan lu*ar a la ley de los *ases ideales deducida por primera 0e2 por 9mile Clapeyron en :#&. 1a ecuación /ue describe normalmente la relación entre la presión el 0olumen la temperatura y la cantidad 7en moles8 de un *as ideal es5

Donde5 • • • • •



; Presión ; Volumen ;
Gases reales

-i se /uiere a%nar más o si se /uiere medir el comportamiento de al*=n *as /ue escapa al comportamiento ideal 3abrá /ue recurrir a las ecuaciones de los *ases reales /ue son 0ariadas y más complicadas cuanto más precisas. 1os *ases reales no se expanden in%nitamente sino /ue lle*ar,a un momento en el /ue no ocupar,an más 0olumen. 4sto se debe a /ue entre sus part,culas ya seas átomos como en los *ases nobles o moléculas como en el 7' "8 y la mayor,a de los *ases se establecen unas +uer2as bastante pe/ue>as debido a los cambios aleatorios de sus car*as electrostáticas a las /ue se llama +uer2as de Van der ?aals. 4l comportamiento de un *as suele concordar más con el comportamiento ideal cuanto más sencilla sea su +órmula /u,mica y cuanto menor sea su reacti0idad 7tendencia a +ormar enlaces8. As, por ejemplo los *ases nobles al ser moléculas monoatómicas y tener muy baja reacti0idad sobre todo el 3elio tendrán un comportamiento bastante cercano al ideal. 1es se*uirán los *ases diatómicos en particular el más li0iano 3idró*eno.
5


Gases

de carbono@ el caso del 0apor de a*ua a=n es peor ya /ue la molécula al ser polar tiende a establecer puentes de 3idró*eno lo /ue a=n reduce más la idealidad. Dentro de los *ases or*ánicos el /ue tendrá un comportamiento más ideal será el metano perdiendo idealidad a medida /ue se en*rosa la cadena de carbono. As, el butano es de esperar /ue ten*a un comportamiento ya bastante alejado de la idealidad. 4sto es por/ue cuanto más *rande es la part,cula constituyente del *as mayor es la probabilidad de colisión e interacción entre ellas +actor /ue 3ace disminuir la idealidad. Al*unos de estos *ases se pueden aproximar bastante bien mediante las ecuaciones ideales mientras /ue en otros casos 3ará +alta recurrir a ecuaciones reales muc3as 0eces deducidas emp,ricamente a partir del ajuste de parámetros.

También se pierde la idealidad en condiciones extremas como altas presiones o bajas temperaturas. Por otra parte la concordancia con la idealidad puede aumentar si trabajamos a bajas presiones o altas temperaturas. También por su estabilidad /u,mica.

PV =

P V T < m R R Pc TC

5 5 5 5 5 5

m M

TR

 9 T C P 1 +  128 P C T

  T C  2  1 - 6 T      

Presión Volumen y Temperatura del *as Peso
Densidad de Gases

1a densidad 7 8 es una ma*nitud re+erida a la cantidad de masa contenida en un determinado 0olumen y puede utili2arse en términos absolutos o relati0os. 4n términos sencillos un objeto pe/ue>o y pesado como una piedra o un tro2o de plomo es más denso /ue un objeto *rande y li0iano como un corc3o o un poco de espuma.

6


Gases

Densidad Absoluta

Relación entre la masa por unidad de 0olumen. Densidad Relativa

Relación de la densidad de una sustancia con respecto a la de un *as de re+erencia. 1a densidad 7 8 de un *as se puede obtener a partir de la relación5

ρ

=

m V

=

P M R T 

Relación de capacidades calorífcas de los gases

Capacidad Calor,%ca de los *ases 4s la cantidad de calor necesaria para ele0ar la temperatura de una sustancia en un *rado. !ay dos tipos de capacidad calor,%ca5

Con volumen constante cuando el 0olumen se mantiene constante mientras se ele0a la temperatura lo /ue da ori*en a /ue aumente la presión del *as. 4l calentamiento se reali2a en recipiente cerrado. Con presión constante cuando la presión se mantiene constante mientras se ele0a la temperatura lo /ue da ori*en a /ue aumente el 0olumen del *as. 4l calentamiento se reali2a en recipiente abierto. 1a relación de ambas conocida como γ depende si el *as es mono di o poliatómico y puede ser determinada experimentalmente mediante el método de Climent y Desormes reali2ando en el sistema primero una expansión adiabática y lue*o un calentamiento a 0olumen constante@ para un sistema de éste tipo se cumple5

Cp Cv

=

"# P 1 − "# P ! "# P 1 − "# P 2

7


Gases

Cp B Cv ; R ; .: calEmolBF

y si el cambio de presión es pe/ue>o sabiendo /ue P; *35 γ =

Expansión Adiabática

Cp Cv

=

h1 h1

− h2

6n proceso es adiabático cuando no 3ay ni *anancia ni perdida de calor esto es /ue el sistema en estudio se a,sla térmicamente de sus alrededores de modo /ue /;G. 4n una expansión adiabática el trabajo externo se a+ecta a expensas de la ener*,a interna del *as y la temperatura desciende.

II.

PROCEDIIENTO E!PERIENT"L Determinación de la Densidad de #ases por el $todo de %&ctor eyer. a. Instale el e/uipo como se muestra en la Hi*. ". b. Colo/ue en un 0aso a*ua de ca>o 3asta sus "E# de su 0olumen 7A8 y dentro de este el tubo de 0apori2ación 7)8manteniendo cerrada la lla0e de la bureta H y abierto el tapón 4. 1le0e el a a*ua a ebullición durante unos Gmin. a porción de li/uido 0olátil en+r,e y repita la operación 3asta introducir G. y G." *. de muestra pese

8


Gases

y si 3a lo*rado el peso adecuado selle el capilar deje en+riar y pese nue0amente. c. Abra la lla0e de la bureta ni0ele el a*ua 3asta la marca inicial con la pera. d. Colo/ue el tapón 4 i*uale los ni0eles lea la bureta y anote. Retire el tapón 4 y 3a*a /ue el ni0el lle*ue nue0amente al ni0el inicial. e. Repita d8 3asta /ue el 0olumen desalojado de a*ua no uctué en más de G." m1. Respecto a la lectura anterior. +. Rompa el extremo de la ampolla introd=2cala rápidamente en el tubo de 0apori2ación y colo/ue inmediatamente el tapón 4. a medida /ue baje el ni0el del a*ua en la bureta i*ual al de la pera 3asta /ue el ni0el del a*ua deje de bajar. *. Cierre rápidamente la lla0e H@ espere unos G min. J tome la temperatura del a*ua en la pera  lea el ni0el del a*ua en la bureta tomando como re+erencia la lectura reali2ada en 7d8.

Relación de Capacidad Calor&'ca por el $todo de Cl$ment y Desormes. a. Armamos el e/uipo a usar para este método tal como se muestra en la %*ura . Tener en cuenta /ue las uniones deben estar 3erméticamente cerradas. b.
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Gases

c. 1ue*o abrir ) y ciérrela rápidamente en el momento en /ue ambos meniscos se e/uilibren o crucen por primera 0e2. d. Dejamos /ue se estabilice el li/uido manométrico y lea la nue0a di+erencia de alturas /ue tomar,a nuestro 0alor de K3" K . e. Repetimos el experimento con di+erencia de alturas iniciales de aproximadamente 3 ; L "G y "L cm.

III.

T"()L"CI*N DE E!PERIENT"LES

D"TOS

+

RES)LT"DOS

Ta,la - Condiciones de La,oratorio P (mmHg)

T (ºC)

HR

*+,

/0

2*3

Ta,la / Datos Teóricos /.- Para la Determinación de la Densidad de #ases

1!


Gases

DN!"D#D D$ G#! Masa molecular de la acetona

+0#60 g7mol

emperatura crítica de la acetona (resi"n crítica del cloroformo

9<+.6+ :C <+9+*.+ mm de -g

(resi"n de vapor de agua a 9<1C

9/.6,0 mm-g

Datos teóricos del gas a C.N. TemperaturaC.N

PresiónC.N

F(presión de vapor de agua)

9*<./+A

*,6mm-g

9/.6,0mm-g

/./ Para la Relación de Capacidades Calor&'cas Gas

Cv

Cp

Monoatómico Diatómico triatómico

< + *

+ * 2

T

+7<)/.,, *7+)/.;6 27*)/.90

Ta,la 0 Datos E1perimentales

Para la Determinación de la Densidad de #ases

DN!"D#D D G#!! (eso ampolla

6.;*60 g

(eso ampolla B cloroformo

6.,9/; g

(eso del cloroformo

6#/+6, g

11


Gases

Volumen de agua despla&ado

/;.*+ m8

emperatura del agua en la pera

<69./+ A

Para la Relación de Capacidades Calor&'cas % % % % %

%&'&cm <.; ;.* <.+ +.+ ;.9*+

%&'*cm ,.; ,.0 +.* +.< ,.6+

%&'+*cm //.9 /6.< /6.6 2.2 /6.<+

Ta,la 2 Resultados y Porcenta3e de error en la e1periencia 2.- Para la Determinación de la Densidad de #ases Resu,tados (resi"n arométrica corregida (b

*++./+* mm-g

Volumen corregido

/<.9;2 m8

Densidad e"rica del gas a C.@.

6.66+, g7m8

Densidad experimental del gas a C.@.

6.6// g7 m8

Error de la Densidad

2,.;9 3

2./ Para la Relación de Capacidades Calor&'cas -#$R! D#T! %&'&cm %'*cm %+'+*cm

-a,or teórico /.;6 /.;6 /.;6

-a,or e/perimenta, /.<2 /.;< /.+9

0 de error 6.*/;3 9./;93 0.+*/3

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Gases

C4LC)LOS Determinación de la densidad de gases por el m$todo de %&ctor eyer a. Corri3a la presión ,arom$trica usando

 = Pb −

*1!! − h) F 1!!

Datos5 PbM 5 Presión barométrica corre*ida Pb 5 Presión barométrica 3 5 !umedad relati0a del aire 7N8 H 5 Presión de 0apor de a*ua a "#OC F$ 22%395 &&'(

Reempla2ando5

,. Corri3a el volumen del aire despla5ado a condiciones normales 6CN78 9:C y - atm.

CN !allando V cloroformo Por la ley de )oyle

b V desplazado T pera

=

P V T CN

13


5%157 mmH )*14%75mL) 3!2%15 K

Gases

mm

=



clorof

273%15 K

= 13%249mL

c. Determina la densidad teórica del gas a C.N. 8 usando la ecuación de (ert;elot.

Por la ecuación de )ert3elot

P V ; n RM T

2   9 T C P  T C      V = TR 1 + 1 - 6   M  128 P C T   T   2 T C   9 T C P      = R 1 + 1 - 6    128 P C T   T   Reempla2ando5

m

= 62%3636

%mmH mol K %

9

*536%2! K )*76!mmH )

1 +  128 *41192mmH )*273%15 K )

2  1 - 6 536%2! K          273%15 K    

!allando la densidad teórica

14


Gases

d. Determine la densidad e1perimental del gas a C.N. dividiendo la masa entre el volumen corregido.

,

=

cloroformo CN o ormo

=

!%15!6  13%249mL

= !%!11  + mL

-. Determine la Relación de Capacidades Calor&'cas a. Determine la relación de capacidades calor&'cas para cada altura inicial.

!allando la relación de capacidades calor,%cas para di+erentes 35 •

Para 3;Lcm

•

Para 3;"Gcm

•

Para 3;#Gcm

/. Calcule el porcenta3e de error para cada e1perimento. a. Para la densidad

15


Gases

,. Para las Capacidades calor&'cas !allando el porcentaje de error5

•

Para

•

Para

•

Para #

"

16


Gases

CALCULOS !# DENSIDAD DE LOS GASES $# D%&%'()*$+)* % .$ /'%)* 1$'(&')+$ +''%4)$5 F./&0"a a 0sa/%  $   *1!!  ') , F 1!! D#e    /es.# a/&:;/a-/ e a(0a a ;e&-e/a;0/a a&e#;e H / *21C) $ 18%65&&H(  $ 756&& H(% Ree&-"aa# a;s e# "a ./&0"a  $ 756  *1!!  78) *18%65) 1!! 

$

755%627&& H(%

17


Gases

) C'')6$ %. 7.8(%* %. $)'% %/.$9$ $ +*)+)*% *'($.% CN#, 0;C < ! $&(5 *La/a;/) $ *C%) 1%1 T1

$

2%2

T2

*755%627) *18%2) $ *76!) 2 294 273 2 $ 16%8! &L%

<) D%&%'()*% .$ %*)$ %=/%')(%*&$. %. 7$/' $ CN, )7))%* .$ ($$ %*&'% %. 7.8(%* +''%4) % e,- $

!%!769 ( $ 3 16%8! 1! L

4%58 (+L

) D%&%'()*% .$ %*)$ &%')+$ %. 7$/' $ CN, 8$* .$ %+8$+)* % B%'&>%.&5 Sea "a e<0a<.# R $ R J1 K 9T< *1  6T<2 )  128

R $ 58%86 L%&&H( &"%

;e/
< e#<#;/a e# e" Ha#P  C'e&s;/= a# '=s R% Le -a(% 652

*2)

T< e#<#;/a e# e" Ha#P  C'e&s;/= a# '=s R% Le -a(% 652 18


Gases

a% Ca"<0" e" e///% e/// $ *Te/  e,-) , 1!!  Te/ e/// $ 18%93 

2 R%.$+)* % C$/$+)$% C$.'?@)+$5 /&e/ 'a"" "a a";0/a -/&e e
PARA !+(: H! 

!"5  !5!  !"5  !"5 "

H2 

35  35  "5!  "52 "

 !"5

 350

PARA 20+(: H! 

205! 2052  !5  !5 "

H2 

"5  5"  5!  "5 "

 !5  50!

PARA 2+(: H! 

252  252  252  25! "

H2 

5  5  52  52 "

 25!

 5"0

PARA 30+(: H! 

305!  305!  25  25 "

 25

19


H2 

52  5  52  , "

Gases

 502

a% De;e/&#e "a /e"a<.# e
>! +(# 14%9 19%97 25%18 29%97

>2 +(# 3%9! 5%!1 7%4! 8%!2

>!>!  >2#  1%35 1%33 1%42 1%36

 (romedio

1%36

% De;e/&#e  -/&e e" (as%  -/&e $ 1%36 <% Ca"<0" e C> = C- e,-e/&e#;a"&e#;e C- $ %%%%%%%%%%%%%%%%%%% *1) C> C-  C> $ R%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*2) D#e R $ 1%987
C- $ 1%36 C> C-  C> $ 1%987  C> $ 1%987 $ 1%987
2!


Gases

C> $ 5%5194  e/// $ *C>Te/  C>e,-) , 1!!  C>Te/ e/// $ 48%!8 E -a/a e" C-  e/// $ *C-Te/  C-e,-) , 1!!  $ 18%93 C-Te/

TABLA DE RESULTADOS TABLA ! Y TABLA 2:  a& -""a >a< *(/)  a&-""a <# CHC" 3  <"//& *(/) /es.# a/&:;/
!%4641 ( !%541! ( !%!769 ( 76! &&H( 755%627&& H(% 16%8!&" 5%65(/ + L% 4%58!(/L 18%93% 18%2 &L

TABLA 3 >! +(# 14%9 19%97 25%18 29%97

>2 +(# 3%9! 5%!1 7%4! 8%!2

>!>!  >2#  1%35 1%33 1%42 1%36

 (romedio

1%36

∆H1 

De/e#<a e #>e"es e#;/e "as /a&as e" &a#.&e;/ e a(0a a" #=e<;a/se IRE% ∆H2  De/e#<a e #>e"es "0e( e a// = e%

21


Gases

Tabla N° 4 Capacidades ca,or12icas

+
1%98!3 1%36

γ C e,-e/&e#;a" C- e,-e/&e#;a"

5%5194
DISCUSIÓN DE RESULTADOS 

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Gases

CONCLUSIONES 

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Gases

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BIBLIOGRAFÍA !# K)' ENCICLOPEDIA DE TECNOLOGÍA QUÍMICA 1] E<.# e# es-aX" U#.# T-(/V
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Gases

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Gases labo de fisicoquimica 1

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