Universidad el Atlántico Facultad De Ingeniería
Informe Laboratorio: Peso Molecular de un líquido vaporizable
Presentado A: Profesor Adolfo Cortes
Presentado Por: Abimelec Abiantun, Camilo Amell.
Barranquilla Mayo de 2009
En esta experiencia trataremos de determinar la masa molecular de un liquido no identificado midiendo la densidad de vapor, a una temperatura y presión dadas y utilizando la ecuación de estado; la ecuación de estado dice que: En química, la ecuación de estado es una ecuación constitutiva para sistemas hidrostáticos que describe el estado de agregación de la materia como una relación funcional entre la temperatura, la presión, el volumen, la densidad, la energía interna y posiblemente otras funciones de estado asociadas con la materia. nalizando el comportamiento de los gases que se puede observar en los diagramas PνT o Pν, se han propuesto muchos modelos matemáticos distintos que se aproximan a dicho comportamiento. Sin embargo, estos modelos no pueden predecir el comportamiento real de los gases para todo el amplio espectro de presiones y temperaturas, sino que sirven para distintos rangos y distintas sustancias. Es por eso que, según las condiciones con las cuales se esté trabajando, conviene usar uno u otro modelo matemático. En las siguientes ecuaciones las variables están definidas como aparece a continuación; se puede usar cualquier sistema de unidades aunque se prefieren las unidades del Sistema Internacional de Unidades: P = Presión (atmósferas) V = Volumen n = Número de moles ν = V/n = Volumen molar, el volumen de un gmol de gas o líquido T = Temperatura (K) R = constante de los gases (8,314472 J/mol·K) o (0,0821 atm·L/gmol·K) Con la ayuda de los siguientes elementos desarrollamos el laboratorio y alcanzamos los objetivos propuestos; mecheros de Bunsen, balon de fondo
plano, papel aluminio, bandita de caucho, beaker de 1000ml, termometro, pinza metalica para balon, nuez, malla de asbesto, liquido vaporizable, pipeta de 5 ml, alfiler, cerillas, balariza, probetas de 500 ml, carborundos, barometro Con los anteriores elementos, realizamos las actividades propuestas en este laboratorio: Calcular la presión del vapor Calcular la masa correcta del vapor Calcular la densidad del gas Calcula la masa molecular del compuesto
Las diferentes actividades que se realizaron en el laboratorio serán detalladas más adelante en la parte referente a la discusión de resultados.
INTRODUCCIÓN Masa molecular La masa molecular relativa es un número que indica cuántas veces mayor es la masa de una molécula de una sustancia con respecto a la unidad de masa atómica. Se determina sumando las masas atómicas relativas de los elementos cuyos átomos constituyen una molécula de dicha sustancia. La formula para calcular es: % elemento X= [(núm. átomos de X)·Ar (X)/Mr ]·100% La masa molecular se calcula sumando las masas atómicas de los elementos que componen la molécula En el caso de la molécula de agua, H 2O, su masa molecular sería:
(masa atómica del H: 1,0079, masa atómica del O: 15,99994) (Se multiplica por 2, ya que ésa es la cantidad de veces que el elemento H está presente en la molécula.) Ej: Hierro:4d La masa molar de una sustancia coincide numéricamente con la masa molecular, aunque son cosas distintas. A pesar de que se sigue diciendo popularmente peso molecular , el término correcto es masa molecular . Si se necesita la masa molecular de varios componentes, se multiplican por separado los átomos de cada componentes y se multiplican por la masa atómica. Luego se suman los dos. Vamos a determinar, por ejemplo, la masa molecular del componente C3H8: Elemento = Átomos * Peso atómico
C= 3 * 12 = 36 + H= 8 * 1 = 8
Presión de vapor
Gráfico de la presión del vapor de agua.
La presión de vapor o más comúnmente presión de saturación es la presión, para una temperatura dada, en la que la fase líquida y el vapor se encuentran en equilibrio dinámico; su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas. Este fenómeno también lo presentan los sólidos; cuando un sólido pasa al estado gaseoso sin pasar por el estado liquido (proceso denominado sublimación o el proceso inverso llamado deposicitación o sublimación inversa) también se produce una presión de vapor. En la situación de equilibrio, las fases reciben la denominación de líquido saturado y vapor saturado . Esta propiedad posee una relación inversamente proporcional con las fuerzas de atracción intermoleculares, debido a que cuanto mayor sea el módulo de las mismas, mayor deberá ser la cantidad de energía entregada (ya sea en forma de calor u otra manifestación) para vencerlas y producir el cambio de estado.
Ecuación de estado La ecuación de estado de los fluidos relaciona las condiciones de equilibrio en términos de la presión, la temperatura y la densidad. La ecuación de estado es característica de cada sustancia y para los líquidos no se dispone de una expresión en términos generales que describa esa relación.
Para el caso particular del agua se conoce que su densidad en estado líquido crece desde 0 oC hasta 4 oC y desde allí disminuye hasta 100 oC: Para los gases la ecuación de estado sólo está establecida para los gases ideales. Se considera gas perfecto aquel donde: Las atracciones intermoleculares son nulas. Las colisiones intermoleculares son elásticas. Se aproximan a estas condiciones la mayoría de los gases en su estado natural ambiental. Se apartan de estas condiciones los gases en situación próxima a la condensación ( amoníaco, vapor de agua, freón ) y algunos a muy altas presiones ( oxígeno, helio ). Si el gas se puede considerar perfecto y además: No está acelerado respecto a un sistema inercial. No está sometido a transferencia de calor. La presión tiene carácter termodinámico.
La ecuación de estado para gases reales
Valores de R
La ecuación que describe normalmente la relación entre la presión, el volumen, la temperatura y la cantidad (en moles) de un gas ideal es:
Donde: • • • •
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= Presión. = Volumen. = Moles de gas. = Constante universal de los gases ideales . = Temperatura en Kelvin. Haciendo una corrección a la ecuación de estado de un gas ideal, es decir, tomando en cuenta las fuerzas intermoleculares y volúmenes
intermoleculares finitos, se obtiene la ecuación para gases reales, también llamada ecuación de Van der Waals:
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La energía cinética media de la translación de una molécula es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas.
Ecuación general de los gases ideales Donde: • • • •
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= Presión del gas ideal = Volumen del gas ideal = Moles de gas. = Constante universal de los gases ideales = Temperatura. y son constantes determinadas por la naturaleza del gas con el fin de que haya la mayor congruencia posible entre la ecuación de los gases reales y el comportamiento observado experimentalmente.
Teoría cinética molecular Esta teoría fue desarrollada por Ludwig Boltzmann y Maxwell. Nos indica las propiedades de un gas ideal a nivel molecular. •
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Todo gas ideal está formado por pequeñas partículas puntuales (átomos o moléculas). Las moléculas gaseosas se mueven a altas velocidades, en forma recta y desordenada. Un gas ideal ejerce una presión continua sobre las paredes del recipiente que lo contiene, debido a los choques de las partículas con las paredes de éste. Los choques moleculares son perfectamente elásticos. No hay pérdida de energía cinética. No se tienen en cuenta las interacciones de atracción y repulsión molecular.
Para una misma masa gaseosa (por tanto, el número de moles (n) es constante; n=cte), podemos afirmar que existe una constante directamente proporcional a la presión y volumen del gas, e inversamente proporcional a su temperatura.
Procesos gaseosos particulares Procesos realizados manteniendo constante un par de sus cuatro variables (n, P , V, T), de forma que queden dos; una libre y otra dependiente. De este modo, la fórmula arriba expuesta para los estados 1 y 2, puede ser operada simplificando 2 o más parámetros constantes.
PARTE EXPERIMENTAL DEL LABORATORIO. Para la realización de este laboratorio utilizamos los siguientes materiales y reactivos: Mecheros de Bunsen Balon de fondo plano Papel aluminio Bandita de caucho Beaker de 1000ml Termometro Pinza metalica para balon Nuez Malla de asbesto Liquido vaporizable Pipeta de 5 ml Alfiler Cerillas Balariza Probetas de 500 ml Barometro Carborundos: El carburo de silicio , también llamado carborundo, (SiC) es un carburo covalente de estequiomería 1:1 y que tiene una estructura de diamante, a pesar del diferente tamaño del C y Si, que podría impedir la misma. Es casi tan duro como el diamante. Es un compuesto que se puede denominar aleación sólida, y que se basa en que sobre la estructura anfitrión (C en forma de diamante) se cambian átomos de éste por átomos de Si, siempre y cuando el hueco que se deje sea similar al tamaño del átomo que lo va a ocupar. El Carburo de Silicio se trata de un material semiconductor (~ 2,4V) y refractario que presenta muchas ventajas para ser utilizado en dispositivos que impliquen trabajar en condiciones extremas de temperatura, voltaje y frecuencia, el Carburo de Silicio puede soportar un gradiente de voltaje o de campo eléctrico hasta ocho
veces mayor que el silicio o el arseniuro de galio sin que sobrevenga la ruptura , este elevado valor de campo eléctrico de ruptura le hace ser de utilidad en la fabricación de componentes que operan a elevado voltaje y alta energía como por ejemplo: diodos, transistores, supresores..., e incluso dispositivos para microondas de alta energía. A esto se suma la ventaja de poder colocar una elevada densidad de empaquetamiento en los circuitos integrados. Gracias a la elevada velocidad de saturación de portadores de carga (2,0x107 cm −1) es posible emplear SiC para dispositivos que trabajen a altas frecuencias, ya sean Radiofrecuencias o Microondas. Por último una dureza de ~9 en la escala de Mohs le proporciona resistencia mecánica que junto a sus propiedades eléctricas hacen que dispositivos basados en SiC ofrezcan numerosos beneficios frente a otros semiconductores. Obtención El carburo de silicio se obtiene de arenas o cuarzo de alta pureza y coke de petróleo fusionados en horno eléctrico a más de 2000 ºC con la siguiente composición: SiO2 + 3 C → SiC + 2 CO Selección, molienda, lavado, secado, separación magnética, absorción del polvo, cribado, mezclado y envasado. También utilizamos los siguientes elementos de prevención y de aseo: • • • •
Bata Gafas de seguridad Guantes Limpiones
Al llegar al laboratorio y ubicarnos en nuestro puesto de trabajo, se procedió de la siguiente forma: Se tomo papel aluminio y se realizo una tapa para el matraz se verifico que este estuviera limpio y seco para taparlo, se coloco la tapa de papel
aluminio la cual fue asegurada con una liga, a la tapa se le realizo un agujero con un arete posteriormente el matraz fue pesado registrando una masa de 29.4gr. El balón fue destapado y en este se agrego el liquido que se evaporizaría en un volumen de 3ml este se volvió a tapar y fue dispuesto en el montaje realizado sobre el soporte universal para ser calentado en un baño. Para esto el balón fue introducido en un Beaker con gran cantidad de agua tratando de sumergir dos terceras parte del matraz. Se agrego en el Beaker pedacitos de un termómetro. En esta etapa se tuvo problemas ya que el liquido debía ser llevado a su temperatura de ebullición pero debido que la altura del trípode se desperdiciaba la zona efectiva de la llama, por eso nos vimos en la necesidad de subir el mechero sobre cuadernos para aprovechar toda la llama. Después de largo tiempo por fin liquido alcanzo la temperatura de ebullición a los 78ºC el liquido comenzó su evaporación subió a los 82ºC mantuvo este temperatura hasta el final. El balón se dejo enfriar para ser pesado nuevamente dando una masa de 34.1gr. Después el balón se lleno de agua hasta arriba esta agua se vació en una probeta para medir el volumen el cual fue de 77ml.
DISCUSION DE RESULTADOS EN EL LABORATORIO.
En el laboratorio obtuvimos estos datos: Temperatura de ebullición Volumen del balón Presión atmosférica Peso del balón con el residuo Peso del balón limpio y seco
78ºC 77ml. 0.99 atm. 34.1gr 29.4gr
d=61.9182 gr/l d=0.06199 gr/cm3
CUESTIONARIO-CALCULOS
4. calcule la masa molecular del compuesto.
1.
calcular la presion del vapor con la siguiente ecuación: LogPs= 4.81 (1 - Tb/T) Ps = presión del vapor del compuesto Tb = temperatura de ebullición normal del compuesto T = temperatura a la que se desea la presión del vapor LogPs= 4.81 (1 – 80ºC/100ºC) LogPs= 4.81 (1 – 0.8) LogPs= 4.81 (0.2) LogPs= 0.96 Ps= 0.96Logln
2.
calcular la masa correcta del vapor por la siguiente ecuacin: m2 – m1 = mv – ( MaV/RT) Ps
m1 29.4gr m2 34.1gr mv ? Ma 28,8503 g/mol V 0.077 l R 0.082 atm.l/mol.K T 351ºK Ps 0.96 mv= m2 – m1 + MaV Ps RT mv= 34.1gr – 29.4gr + 28,8503 g/mol(0.077 l) (0.96) 0.082 atm.l/mol.K (351ºK) mv= 4.7gr + 0.077 (0.96) = 4.7gr + 0.0739 = 4.7739gr 3. calcular la densidad del gas d=mv/V d=4.7739gr/0.0771 l
M = (RT/P)d M = (0.082 atm.l/mol.K x 351ºK/0.99 atm) 61.9182 gr/l M =1800.129 gr/mol ¿Qué otros procedimientos existen para determinar peso molecular? Jean Baptiste André Dumas demostró que el peso molecular de algunos compuestos orgánicos era directamente proporcional a la densidad de vapor del compuesto, y, usando este principio, creó un metodo para determinar los pesos atómicos, especialmente de gases y líquidos con bajos puntos de ebullición y cuyos vapores cumplen la ley de gas ideal: PV=nRT. 1. Pesa un erlenmeyer de 250 ml seco tapado con un capuchón de papel de aluminio. 2. Añade unos 5 ml del líquido problema con un punto de ebullición menor de 100ºC. 3. Con una aguja haz un agujero en el tapón de papel de aluminio. 4. Calienta el matraz en un baño de agua hirviente hasta que el líquido se evapore totalmente, este vapor desplaza totalmente al aire contenido en el matraz. 5. Calienta durante unos 2-4 minutos más para asegurar que el gas se encuentra a la misma temperatura que el baño de agua. De este modo, midiendo la temperatura del agua, conocerás la del gas. 6. Enfría rápidamente el matraz condensado el vapor y pesa el matraz de nuevo, todo rápidamente. La temperatura no debe bajar de la temperatura de condensación del agua,
para que no condense en el interior del matraz. 7. Para averiguar el volumen del matraz, llénalo de agua, mide su temperatura y pésalo. Posteriormente, y usando el valor de la densidad de agua a la temperatura a la que se realiza la pesada, se puede obtener el valor del volumen del matraz. El peso molecular lo puedes calcular usando la siguiente fórmula: PM=[m(g)*T(K)*R]/[V(l)*P(atm)] El método clásico es el Método de Cannizaro: Método de Cannizzaro La determinación del peso molecular de los compuestos de un elemento dado permite hallar fácilmente su peso atómico. Puesto que los átomos son indivisibles, en una molécula hay, necesariamente, un número entero de átomos de cada clase y, casi siempre, un número entero sencillo. Si se determina el peso molar de los compuestos de. un elemento y, por análisis, se averigua la cantidad de elemento que existe en dichos pesos molares, las cantidades halladas son múltiplos sencillos del peso atómico gramo correspondiente (peso atómico expresado en gramos) y, por consiguiente, este peso atómico será, muy probablemente, el máximo común divisor de todas aquellas cantidades. El método se debe a CANNIZZARO por ser este químico el primero que reconoció la significación del Principio de Avogadro y su aplicación a la determinación de pesos moleculares y atómicos. También se conoce como método del máximo común divisor Actualmente se usa la espectroscopía de masas. El espectrógrafo de masas separa las partículas cargadas eléctricamente en función de su masa. Esto permite separar y cuantificar la masa, no solo de los elementos, sino también de sus isótopos. Espero haberte servido de ayuda y sientete libre de pedir cualquier aclaración.
BIBLIOGRAFIA 1. Química general: / J GARZÓN 2. Poveda Vargas, Julio Cesar. Enciclopedia Educativa Educar “química”. Séptima edición.
Educar Editores. Bogotá .1991.
3. Carlos Omar Briceño B. Lila Rodríguez de Cáceres QUIMICA segunda edición Editorial educativa.1999 4. Poveda Vargas, Julio Cesar. Enciclopedia Educativa Educar “química”. Séptima edición.
Educar Editores. Bogotá .1991.
