RESUMEN:
La finalidad de esta práctica es calcular experimentalmente la capacidad calorífica y densidad de los gases, en este caso del cloroformo. Esta práctica se realizó a las condiciones de 756 mmHg de presión, presión, una temperatura de temperatura de ! "# y con un porcenta$e de %umedad relati&a de '5(. )a$o esta )a$o estass cond condic icio ione nes, s, en el caso caso de cálcul cálculo o de densid densidad ad,, *rim *rimero ero determinamos la corrección para la des&iación de la idealidad +- mediante la ecua ecuaci ción ón de )ert )ert%e %elo lott y o/tu o/tu&i &imo moss un &alo &alorr de R 0.0774 , con con esto esto o/tu o/tu&i &imo moss la dens densid idad ad teór teóric icaa del del cloro clorofo form rmo. o. Lueg Luego o calc calcul ulam amos os la pres presió ión n /arom0trica corregida igual a 754.8812 mmHg y el &olumen del gas a condiciones condiciones normales igual a 0.0122 L con esto di&idiendo masa entre &olumen pudimos %allar g / L , o/teniendo un porcenta$e de la densidad experimental del cloroformo 4.7377 g / error igual a 16.1499 % . En el caso aso del cal calcul culo de capa apacida cidade dess calor aloríífica ficas, s, con los dato datoss experimentales determinamos el 1 +experimental promedio, conociendo la relación entr entree #p, #& y 1. o/tu& o/tu&im imos os # & y #p expe experi rime ment ntal al igual igual a 4.4572 y '
atm
=
×
L.
K × mol
cal.
K × mol
respecti&amente y comparando con los &alore teóricos, o/tenidos en ta/l ta/la, a, dete determ rmin inam amos os un porc porcen enta ta$e $e de erro errorr para para el caso caso del del #& igua iguall a 19.2448 % y para el caso del #p igual a 14.1506 % 6.4442
cal.
K × mol
2e esto se concluimos 3ue para poder aplicar la ecuación general de los gases para un gas ideal +cloroformo se de/e realizar una corrección en dic%a ecuación. #on #on la expe experi rien enci ciaa de esta esta prác prácti tica ca se recom recomie iend ndaa ser ser cuid cuidad ados oso o al momento de realizarla, es muy importante instalar /ien los e3uipos, tanto el de 4íctor eyer como el de #lement y 2esormes.
INTRODUCCIÓN
1
un3ue &i&imos inmersos en un gas, el aire 3ue forma la atmósfera, pocas &eces reparamos en 0l. tro tanto ocurre con la mayoría de los gases 3ue se nos presentan diariamente8 el &apor de agua al cocinar, el dióxido de car/ono 3ue se forma en la com/ustión o el /utano 3ue sale de la cocina8 normalmente no se &en y si uno se fi$a en ellos, al final se mezclan con el aire y parece 3ue desaparecen. El primer científico 3ue se fi$ó en los gases, e incluso in&entó la pala/ra gas fue el filósofo /elga Van Helmont 9na &ez 3ue se reconocieron los gases como sustancias materiales, se comenzó su estudio sistemático. Las densidades de los gases tienen muc%as aplicaciones en la &ida diaria, desde el cocinado de rosetas de maíz %asta el pronóstico del tiempo. Las rosetas de maíz estallan por3ue la densidad del &apor de agua, como la de todos los gases, es del orden de :.::; g
moles de productos gaseosos8 #?H5+@?+l → A?#+g B #+g B !H+g B 6@+g B H#+g calentamiento o choque mecánico
Ce produce el calor suficiente como para ele&ar la temperatura %asta unos 5::: "#. El resultado es un aumento casi instantáneo de &olumen en .! x ;: ! &eces. @o es de extraDar 3ue las cosas &uelen en pedazos. 9n conocimiento amplio de las densidades de tales gases podría sal&ar &idas en caso de accidentes, como cuando se &uelca un camión 3ue transporta cloro o amoniaco lí3uido, pro&ocando la salida del gas. Ci la densidad del gas es mayor 3ue la del aire, como en el caso del cloro, el gas tenderá a asentarse en todos los puntos /a$os, y uno de/e tratar de llegar al lugar más alto posi/le +correr cuesta arri/a o trepar a un ár/ol. Ci la densidad del gas es menor 3ue la del aire, como en el caso del amoniaco gaseoso, el gas su/irá, y uno de/e meterse en, la zan$a más cercana, o correr cuesta a/a$o. El 3ue sea más denso 3ue el aire es una propiedad 3ue se aplica en los extinguidores de /ióxido de car/ono. am/i0n es no inflama/le, y forma una capa protectora so/re un incendio, manteni0ndolo ale$ado del aire. El &apor de agua es menos denso 3ue el aire. *or consiguiente, el aire %Fmedo es un poco menos denso 3ue el aire seco. La presión /arom0trica es /a$a cuando el aire es %Fmedo, de modo 3ue cuando la presión desciende se pronostica llu&ia. Los glo/os de aire caliente flotan por el cielo por3ue la densidad del aire caliente es menor 3ue la del aire frió. Los dirigi/les y los glo/os meteorológicos se llenan con %elio, 3ue es muc%o menos denso 3ue el aire.
PRINCIPIOS TEORICOS GASES:
2
Ce denomina gas al estado de agregación de la materia 3ue no tiene forma ni &olumen propio. Gas. Los gases se expanden li/remente %asta llenar el recipiente 3ue los contiene, y su densidad es muc%o menor 3ue la de los lí3uidos y sólidos, con respecto a los gases las fuerzas gra&itatorias y de atracción entre partículas resultan insignificantes. I) GASES IDEALES: Con gases %ipot0ticos cuya composición son mol0culas donde no existen fuerzas de atracción ni de repulsión y cuyos c%o3ues son perfectamente elásticos +conser&ación de momento y energía cin0tica, %aciendo 3ue no tengan &olumen y forma definida, pro&ocando 3ue este se expanda para ocupar todo el &olumen del recipiente 3ue la contiene. El &olumen de cada mol0cula es insignificante respecto al &olumen total y se a$ustan a las Leyes de los Gases deales. Los gases reales 3ue más se aproximan al comportamiento del gas ideal son los gases monoatómicos en condiciones de /a$a presión y alta temperatura. 1!Le" gene#al $e los gases %$eales
2onde8 I *resión. I 4olumen. I oles de gas. I #onstante uni&ersal de los gases ideales . I emperatura en Jel&in. El &alor de depende de las unidades 3ue se est0n utilizando8 I :,:> atmAlAJK;AmolK; si se tra/a$a con atmósferas y litros I >,?;!5; AJK;AmolK; si se tra/a$a en Cistema nternacional de 9nidades I ;,'>7 calAJ K;AmolK; I >,?;!5; ;:K;: erg AJK;AmolK; 2e esta ley se deduce 3ue un mol de gas ideal ocupa siempre un &olumen igual a &&'( l%t#os a *C " 1 atm+s,e#a. am/i0n se le llama la ecuación de estado de los gases, ya 3ue solo depende del estado actual en 3ue se encuentre el gas. &! P#o-esos gaseosos .a#t%-/la#es *rocesos realizados manteniendo constante un par de sus cuatro &aria/les +n, * , 4, , de forma 3ue 3ueden dosM una li/re y otra dependiente. CegFn cada caso, reci/en los nom/res8 a) Le" $e 0o"le ! Ma#%otte #uando el &olumen y la presión de una cierta cantidad de gas es mantenida a temperatura constante, el &olumen será in&ersamente proporcional a la presión8 *4IJ +2onde J es constante si la temperatura y la masa del gas permanecen constantes.
) Le" $e A2oga$#o Es a3uella en el 3ue las constantes son presión y temperatura, siendo el 4olumen directamente proporcional al @Fmero de moles +n
3
-) Le" $e C3a#les una presión dada, el &olumen ocupado por un gas es directamente proporcional a su temperatura. atemáticamente la expresión8
$) Le" $e Ga"!L/ssaLa presión del gas, 3ue se mantiene a &olumen constante, es directamente proporcional a la temperatura8
Es por esto 3ue para poder en&asar gas, como gas licuado, primero se %a de enfriar el &olumen de gas deseado, %asta una temperatura característica de cada gas, a fin de poder someterlo a la presión re3uerida para licuarlo sin 3ue se so/recaliente, y, e&entualmente, explote. E-/a-%+n gene#al $e los gases %$eales *ara una misma masa gaseosa +por tanto, el nFmero de moles +n es constanteM n4-te, podemos afirmar 3ue existe una constante directamente proporcional a la presión y &olumen del gas, e in&ersamente proporcional a su temperatura.
II) GASES REALES Los gases reales no se expanden infinitamente, sino 3ue llegaría un momento en el 3ue no ocuparían más &olumen. Esto se de/e a 3ue entre sus átomos
4
donde a es una constante, n es el nFmero de moles y V el &olFmen del gas8 •
#on respecto al &olumen ocupado por las mol0culas del gas, cada mol0cula ocupa un ni&el intrínseco finito, aun3ue pe3ueDo, de manera 3ue 8
2onde n es el nFmero de moles del gas / es una constante. omando en cuenta las correcciones de presión y &olumen, se &uel&e a escri/ir la ecuación del gas ideal en la forma siguiente8
2onde8 I *resión del gas ideal I 4olumen del gas ideal I oles de gas. I #onstante uni&ersal de los gases ideales I emperatura. y son constantes determinadas por la naturaleza del gas . &! E-/a-%+n $e 0e#t3elot Esta ecuación corrige las des&iaciones de la idealidad, es &álidad para presiones cercanas a ; atm8
7! L%-/a-%+n $e gases Es el proceso mediante el cual un gas cam/ia su estado al de lí3uido. Los gases se pueden licuar por la aplicación de suficiente enfriamiento y compresión. Otem.e#at/#a -#8t%-a: Es la máxima temperatura a la cual es posi/le licuar un gas sometido a cual3uier cantidad de presión. O .#es%+n -#%t%-a8 Es la presión re3uerida para licuar un gas estando en su temperatura crítica. O 2ol/men -#%t%-o: Es el &olumen ocupado por una mol de gas estando en la temperatura y presión críticas
7! Dens%$a$ " .eso mole-/la# $e los gases a 2ensidad a/soluta.
5
asa 3ue tiene una unidad de &olumen de la sustancia.
/2ensisdad relati&a . elación entre la densidad a/soluta del gas y la densidad del aire (! Ca.a-%$a$ -alo#8,%-a $e los gases La capacidad calorífica de un cuerpo es razón de la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo en un proceso cual3uiera por su cam/io de temperatura correspondiente. En una forma menos formal es la energía necesaria para aumentar un grado su temperatura.
La capacidad calorífica no de/e ser confundida con la capacidad calorífica específica o calor específico, el cual es la propiedad intensi&a 3ue se refiere a la capacidad de un cuerpo para almacenar calor, y es la razón de la capacidad calorífica entre la masa del o/$eto. Calo# es.e-8,%-o $e los gases En el caso de los gases, %a de distinguirse entre calor específico a &olumen constante +c& y a presión constante +c p. *or el .#%me# .#%n-%.%o $e la te#mo$%n9m%-a, y dado 3ue el calentamiento de un gas a &olumen constante no produce tra/a$o, se tiene 3ue8 En el caso particular de gases específico a presión y a #ela-%+n $e R Ma"e# +;>;!P;>7>8
diluidos, la &inculación entre el calor &olumen constante sigue la llamada
siendo @m el nFmero de moles por unidad de masa y la constante uni&ersal de los gases perfectos. La relación entre am/as , conocida como ; depende de si el gas es mono, di o poliatómico y puede determinarse experimentalmente mediante el m0todo de #l0ment y 2esormes, realizando en el sistema, primero una expansión adiá/atica, y luego un calentamiento a &olumen constanteM para un sistema de este tipo se cumple8
y si el cam/io de presión e pe3ueDo, sa/iendo 3ue * I Qg% 8
6
PROCEDIMIENTO E
Mate#%ales8 E3uipo de 4íctor ayer para densidad de &apor. E3uipo para relación de capacidades caloríficas por el m0todo de #l0ment y 2esormes. )ul/os pe3ueDos, &aso de ;:: mL, pipetas. Rea-t%2os 8lí3uido orgánico &olátil +cloroformo. 1! Dete#m%na-%+n $e la Dens%$a$ $e Gases .o# el m=to$o $e V8-to# Me"e# •
•
•
•
•
nstale el e3uipo de 4íctor eyer
#olo3ue agua en el &aso de ;:: mL %asta
7
•
cierre rápidamente lalla&e R, espere ;: minutos y tome la temperatura del agua en la pera, lea el ni&el de agua en la /ureta, tomando como referencia la lectura realizada anteriormente.
&! Rela-%+n $e Ca.a-%$a$es Calo#8,%-as .o# el m=to$o $e Cl=ment " Deso#mes •
•
rme el e3uipo mostrado, de forma 3ue todas las uniones 3ueden %erm0ticamente cerradas.
anteniendo cerrado ), a/ra permitiendo el paso de gas por /alón %asta tener un desni&el aproximadamente de ;: cm en el manómetro de agua, cierre ) y lea la diferencia de altura exacta +% ;
8
•
•
•
/ra rápidamente ) y ci0rrela en el momento en el 3ue am/as ramas del manómetro se crucen. 2e$e 3ue se esta/ilice el lí3uido manómetrico y lea la nue&a diferencia de altura %. epita con diferencias distintas de alturas iniciales ! &eces mas
TA0ULACION DE DATOS CONDICIONES DE LA0ORATORIO *resión emperatura Humedad elati&a
756 mmHg 6S# '5(
DATOS E
2E@C22 2E GCEC8
asa de la ampolla asa de la ampolla más cloroformo 4olumen desplazado en la /ureta emperatura de la pera
•
;.;>!: g. ;.!;> g. ;?.5 ml !S#
EL#@ 2E #*#22EC #LTR#C8
%; %
; ;6 !.>
.5 6.?
? 5.5 >.'
! !.? 7.?
9
DATOS TEÓRICOS:
+=;emperatura critica +# I 5?6. SJ +=*resión critica +* # I 5!.: +=?*resión de &apor de agua a !S# I .?77 mmHg
C p I ;.?6 C v
+=!elación de capacidades caloríficas
RESULTADOS: 2E@C22 2E GCEC CN
ρ CHCl
=
3
4.7377 g / L.
ex erimental
EL#@ 2E #*#22EC #LTR#C
C v
=
4.4572
ex erimental
C p
=
6.4442
ex erimental
cal mol " K ! cal mol "k !
ERRORES: 2E@C22 2E GCEC8 % error
=
16.1499 %
EL#@ 2E #*#22EC EC*E#TR#C
*ara #&8 % error = 19.2448 %
*ara #p8 % error = 14.1506 %
+=;+=
Ceparata dada en clase de fisico3uímica 10
%ttp8<
+=?
+ !
C>LCULOS
Dens%$a$ $e gases8 ra/a$ando a condiciones normales8 *I ;atm o 76: mm%g I ?7SJ
M CHCl
N CHCl 3 orico
R
'
R
'
R
'
3
=
'
R T
CN
................. Hallando -
2 9T C P T C 1 6 = R1 + − T 128 P C T
2 9 × 536.2 × 1 536.2 eemplazando + = 0.0821 + 1 − 6 en +;8 273 128 × 54.20 × 273
atm × L.
= 0.0774 CN
ρ CHCl
3
K × mol
=
teorico
CN
ρ CHCl
3
................." 2!
1 × 119 .390
0.0774 × 273
= 5.6502 g / L.
teorico
CN ρ CHCl 3 ex erimental
PV T
mcloroformo =
CN
V
.......... ......."3!
'
=
Pb V bureta
Hallando
T pera
................."4!
'
P b
11
"100 − h! F
p b'
= pb −
pb'
= 756 −
pb'
= 754.8812 mmHg ................."5!
100 "100 − 95! × 22.377 100
eemplazando +5 en +!8 760 × V CN 273 V CN
=
754.8812 × 0.0135 299
0.0122 L.......... ........." 6!
=
eemplazando +6 en +?8
=
CN
ρ CHCl
3
ex erimental
= 4.7377 g / L.
CN
ρ CHCl
3
0.0578 0.0122
ex erimental
Hallamos el porcenta$e de error8
% error =
% error =
Valor teorico
− Valor ex erimental
Valor teorico 5.6502 − 4.7377 5.6502
× 100
× 100
% error = 16.1499 %
Rela-%+n $e -a.a-%$a$es -alo#8,%-as:
12
Hallando #p y #& teóricos8 2e8 C p
= 1.36
C v
# $ #&
= 7.5064
cal mol"K!
= 5.5194
cal mol"K!
C p teorico
C v teorico
γ
h1
=
h1
= 1.987
cal mol"K!
.......... .......... ."7!
− h2
#on los datos experimentales8
1
γ 1
=
16 − 4.8
= 1.428
γ ex erimental
γ
C p
=
C v
=
.
2
=
2
= 1.3889
22.5 − 6.3
=
3
=
. 25.5 − 8.9 .5361
4
γ 4
=
. 24.3 − 7.3
= 1.4294
1.4458 .......... .......... ."8!
....................."9!
1.987 C p
3
− C v = R 8.314
cal mol"K
mol"K
9tilizamos8 C p C p
− C v = 1.987
cal
mol"K! = 1 .987 + C v ....................."10!
13
eemplazando +;: en +' 1.987 + C v
γ ex erimental
=
1.4458
=
C v 1.987
C v
+
C v
C v
=
4.4572
ex erimental
cal mol"K!
....................."11!
+eemla,an*o "11! en "10! )
# p
=
6.4442
ex erimental
cal mol"K!
Hallamos el porcenta$e de error8 Pa#a C2
% error =
% error =
− Valor ex erimental
Valor teorico
Valor teorico 5.5194 $ 4.4572 5.5194
× 100
× 100
% error = 19.2448 %
Pa#a C. % error =
% error =
Valor teorico
− Valor ex erimental
Valor teorico 7.5064 $ 6.4442 7.5064
× 100
× 100
% error = 14.1506 %
ANALISIS ? DISCUSION DE RESULTADOS 2e los resultados de esta práctica comparados con los datos teóricos o/tu&imos pe3ueDos porcenta$es de error y esto puede de/erse a no %a/er instalado /ien los e3uipos de tra/a$o tanto el de 4íctor eyer como el de #lement y 2esormes.
14
CONCLUSIONES ? RECOMENDACIONES
#uando la presión no está muy separada de las condiciones en 3ue se conoce la capacidad calorífica, las correcciones necesarias pueden ser despreciadas, ya 3ue son de muy pe3ueDa magnitud. presiones altas, la densidad del gas aumenta, las mol0culas están más cerca entre si y las fuerzas de atracción son considera/les, en este caso %ay mayor des&iación al comportamiento ideal. El %ec%o de 3ue las capacidades caloríficas, a presión y a &olumen constante, sea solo función de la temperatura no es aplica/le completamente a los gases reales. Cin em/argo, como todos los gases reales a /a$as presiones y temperatura am/iente o superior a ella cumplen la ecuación de estado del gas ideal, es Ftil presentar los datos de capacidades caloríficas en ese estado y realizar las correcciones necesarias para no idealidad mediante los m0todos termodinámicos apropiados. Los gases reales cumplen con las leyes de los gases en determinadas condiciones. *ara predecir el comportamiento de los gases reales en condiciones poco apropiadas para suponer comportamiento ideal, se de/e realizar una corrección en la ecuación general de los gases
15
0I0LIOGRA@A
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%ttp8<
%ttp8<
APBNDICE CUESTIONARIO:
16
1 En /e -ons%ste el m=to$o $e Regna/lt .a#a la $ete#m%na-%+n $e los .esos mole-/la#es $e las s/stan-%as gaseosas Este m0todo se usa para determinarlos pesos moleculares de las sustancias gaseosas a la temperatura am/iente, y se realiza así8 una matraz de &idrio de unos ?:: a 5:: c.c. de capacidad, pro&isto de lla&e, se e&acua y pesa, llenándolo a continuación con el gas cuyo peso molecular se /usca a una temperatura y presión, procediendo a pesarlo de nue&o. La diferencia de pesos representa N en el matraz cuyo &olumen se determina llenándolo y pesándolo con agua o mercurio, cuyas densidades se conocen. #on los datos así o/tenidos, se deduce el peso molecular /uscado mediante la ecuación8 M =
WRT PV
En un tra/a$o preciso se usa un /ul/o más grande para llenarlo y otro de contrapeso, y se corrigen las mediciones reduci0ndose al &acío.
& EF.l%-a# las $%,e#en-%as " semeanas /e eF%sten ent#e las %sote#mas $e /n gas #eal " $e /n gas %$eal Isote#mas $e gases #eales
•
•
Ce o/ser&a 3ue a presiones más altas %ay mayor des&iación respecto al comportamiento ideal. Ce o/ser&a 3ue a ele&ada temperatura +;:::J se acerca más al comportamiento ideal y a /a$a temperatura +::W se des&ía más del comportamiento ideal. presión /a$a y temperatura ele&ada, tiende me$or al comportamiento ideal.
17
•
*ara este tipo de gases se o/ser&an des&iaciones mayores a medida 3ue la presión aumenta. Isote#mas $e gases %$eales
•
Ce o/ser&a 3ue la presión &aría en forma in&ersamente proporcional a su &olumen
7 EF.l%-a# el e,e-to $e la alt/#a en /n -am.o g#a2%tato#%o so#e la .#es%+n $e los gases -xite /elacin *e la altu/a con /eecto al camo /aitacional o/e la /ein como ien e ae a una ma%o/ altu/a exite meno /ae*a* % eto inlu%e *i/ectamente.
18
a/ti/ *e /elacione *itinta otenemo que a/a una me,cla *e ae en un camo /aitacional ue*e *emot/a/e que a ca*a uno *e lo ae oe*ece la le% *e *it/iucin in*een*ientemente *e lo ot/o a/a ca*a a
P i = P io e Migz / RT
on*e i e la /ein *el i$eimo a *e la me,cla a la atu/a , i 0 e la /ein a/cial *el a a niel *el uelo % i e la maa mola/ *el a. La conecuencia inte/eante *e eta le% e que la /eione a/ciale *e ae mu% lie/o *iminu%en meno /ái*amente con la altu/a que la *e lo ae ma ea*o. en la atme/a te//et/e el o/centa:e *e comoicin a altu/a mu% /an*e e comletamente *ie/ente que a niel *el uelo. una altu/a *e 100 ;m lo ae lie/o tale como el helio % el nen o/man un ma%o/ o/centa:e *e la atme/a que a niel *el uelo.
19
