Facultad de Ingeniería de Petróleo, Gas Natural y Petroquímica Escuela Profesional de Ingeniería In geniería Petroquímica LABORATORIO N°1 CURSO: FISICOQUÍMICA I (PQ-221-A)
Profesor
:
Jhordy Manrique
Tema
:
Gases Ideales – Ley de Boyle y Cálculo de “R”
Ciclo Académico
:
2017-1
Día y hora
:
03 de abril del 2017 14:00 - 16:00
EXPERIENCIA Nº1: LEY DE BOYLE El objetivo primario de este experimento es determinar la relación que existe entre la presión y el volumen de un gas confinado. El gas que usaremos será el aire y estará confinado en una jeringa conectada al sensor senso r de Presión de Gas (ver Figura 1). Cuando cambia el volumen de la jeringa al mover el pistón, ocurre un cambio en la presión ejercida por el gas confinado. Este cambio en la presión será monitoreado con un sensor de presión de Gas. Se asume que la temperatura se mantendrá constante a lo largo del experimento. Se medirán y registrarán los pares de datos de presión y volumen durante el experimento y luego se analizarán. A partir de los datos y el gráfico, usted determinará el tipo de re lación matemática que existe entre la presión y el volumen del gas confinado. Se conoce históricamente que esta relación fue establecida por primera vez por Robert Boyle en 1662 y desde entonces se conoce como la Ley de Boyle.
OBJETIVOS En este experimento
Usará un sensor de presión de Gas y una jeringa para medir la presión de una muestra de aire a diferentes volúmenes. Determinará la relación entre la presión y el volumen del gas. Describirá la relación entre la presión y el volumen volumen mediante mediante una expresión matemática. Usar los resultados para predecir la presión a otros volúmenes.
Figura 1
MATERIALES FIP-P2
Facultad de Ingeniería de Petróleo, Gas Natural y Petroquímica Escuela Profesional de Ingeniería Petroquímica Computador Sensor de presión de Gas Vernier Interfaz Vernier para computador 20 mL de gas (aire) en una jeringa Software Logger Pro
PROCEDIMIENTO 1. Preparar el sensor de presión de gas y la muestra de aire para la toma de datos. a) Conecte el sensor de presión de Gas en el canal 1 de la interface del computador. b) Con la jeringa de 20 mL desconectada del sensor de presión de Gas, mueva el pistón de la jeringa hasta que el borde frontal del anillo negro interior (indicado por la flecha en la Figura 2) esté ubicado en la marca 5.0 mL. c) Una la jeringa de 20 mL a la válvula del sensor de presión de Gas. 2. Prepare el computador para la adquisición de datos abriendo el archivo “06 Ley Boyle” en la carpeta Química con Vernier del Logger Pro. 3. Para obtener los mejores datos posibles, necesitará corregir las lecturas de volumen de la jeringa. Mire la jeringa; su escala informa de su propio volumen interno. Sin embargo, ese volumen no es el volumen total del aire confinado en su sistema ya que hay un pequeño espacio no considerado al interior del sensor de presión. Para tener en cuenta el volumen extra en el sistema, necesitará añadir 0.8 mL a las lecturas de su jeringa. Por ejemplo, con una indicación de 5.0 mL del volumen de la jeringa, el volumen total debería ser 5.8 mL. Este es el volumen total que necesitará para el análisis. 4. Haga clic en para iniciar la toma de datos. 5. Recolecte los datos presión vs. volumen. Lo mejor es que una persona se ocupe del gas en la jeringa y que la otra opere el computador. a) Mueva el pistón hasta que el borde frontal del anillo negro interior (ver Figura 2) esté en la línea 5.0 mL de la jeringa. Sostenga firmemente el pistón en esta posición hasta que el valor de la presión se estabilice.
Figura 2 b) Cuando la lectura de la presión se ha estabilizado, haga clic en . (La persona que sostiene la jeringa se puede relajar después de presionar .) Escriba el volumen total del gas (en este caso, 5.8 mL) en la caja de edición. Recuerde, que está agregando 0.8 mL volumen de la jeringa para obtener el volumen total. Presione la tecla ENTER para mantener este par de valores. Nota: Puede rehacer un punto presionando la tecla ESC (después de hacer clic en pero antes de introducir un valor). c) Mueva el pistón a la línea 7.0 mL. Cuando la lectura de presión está estable, haga clic en y escriba el volumen total, 7.8 mL. d) Continúe este procedimiento para los volúmenes de la jeringa de 9.0, 11.0, 13.0, 15.0, 17.0 y 19.0 mL. FIP-P2
Facultad de Ingeniería de Petróleo, Gas Natural y Petroquímica Escuela Profesional de Ingeniería Petroquímica e) Haga clic en
cuando haya terminado de tomar los datos.
6. En su tabla de datos, registre los pares de datos presión y volumen que aparecen en la tabla de la pantalla (o, si lo pide su instructor, imprima una copia de la tabla). 7. Examine el gráfico de presión vs. Volumen. Basado en este gráfico, decida qué tipo de relación matemática cree usted que existe entre estas dos variables, directa o invers a. Para ver si hizo la elección correcta: a) Haga clic en el botón Ajuste de Curva, . b) Escoja Potencia Variable (y = Ax^n) de la lista en la parte inferior izquierda. Introduzca el valor de la potencia, n, en la caja de edición Potencia que representa la relación mostrada en el gráfico (por ejemplo, escriba “1” si es directa, “–1” si es inversa). Haga
clic en . c) La curva de mejor ajuste se verá en el gráfico. Si usted hizo la elección correcta, la curva se ajustará bien a los puntos. Si la curva no se ajusta bien, pruebe con un exponente diferente y haga clic en otra vez. Cuando la curva tiene un buen ajuste con los puntos de datos experimentales, haga clic en . 8. Una vez que haya confirmado que el gráfico representa una relación directa o inversa, imprima una copia del gráfico que incluya el gráfico presión vs. Volumen y la curva de mejor ajuste. 9. Con la curva de mejor ajuste aún visualizada, pase directamente a la sección Procesamiento de Datos.
DATOS Y CALCULOS Volumen (mL) )
Presión (kPa) ) (incertidumbre +/- 0.01)
Constante, k (P V ) (incertidumbre +/- 0.01) •
5.8 7.8 9.8 11.8 13.8 15.8 17.8
19.8
EXPERIENCIA Nº2: CÁLCULO DE “R” – LA CONSTANTE UNIVERSAL DE LOS GASES FIP-P2
Facultad de Ingeniería de Petróleo, Gas Natural y Petroquímica Escuela Profesional de Ingeniería Petroquímica Además de Boyle, otros científicos hicieron sus aportes al estudio de los gases; tales son los casos de Charles, Gay y Lussac y Avogadro. Todos ellos demostraron experimentalmente relaciones matemáticas sencillas entre las llamadas variables intensivas (Presión y Temperatura) y variables extensivas (volumen y cantidad de sustancia). Por tanto, las cuatro variables (presión, volumen, temperatura y cantidad de sustancia) están relacionadas entre sí y dicha relación puede ser expresada en una ecuación sencilla de entender y de aplicar usando métodos de proporcionalidad, la llamada “ecuación de gases ideales ”. =
El objetivo de esta experiencia es el cálculo experimental del valor de R. Para lograr este fin se tendrá que medir las otras cuatro variables de la ecuación y despejar R de la misma: =
OBJETIVO
Calcular experimental el valor de R Comparar resultados con el valor aceptado internacionalmente
MATERIALES Y REACTIVOS Granallas de Magnesio (pesar aprox 0.5g) Ácido Clorhídrico 1M (20mL) Bureta 2 Mangueras medianas
Embudo Tubo de Ensayo con tapón Jeringa y Aguja Soportes Universales
PROCEDIMIENTO 1. Se necesita armar un equipo similar al de la figura Nº3, utilizando mangueras para conectar el tubo de ensayo con la bureta y otra para conectar la bureta co n el embudo. Todo el sistema debe estar sostenido con los soportes universales.
Figura Nº3.- Sistema a emplear para el cálculo de R, se utilizarán mangueras para conectar el tubo de ensayo y la bureta y el embudo y la bureta.
2. Se debe pesar aproximadamente 0.5g de Mg en granallas, que debe ser colocado en un tubo de ensayo con tapón y con salida en la parte superior, como se puede apreciar en la figura Nº3. FIP-P2
Facultad de Ingeniería de Petróleo, Gas Natural y Petroquímica Escuela Profesional de Ingeniería Petroquímica 3. En la jeringa se debe llenar 10mL de ácido clorhídrico 1M y este debe ser introducido en el tubo en 5 porciones de 2mL cada una. La reacción del Mg y del HCl produce hidrógeno H 2 que poco a poco desplazará el agua contenida en la bureta. 4. Antes de conectar la bureta al tubo de ensayo, esta debe ser unida por una manguera al embudo de manera invertida, de tal manera que al llenar con agua el sistema el nivel del agua en la bureta esté en la zona marcada para su medición. 5. Luego de que la bureta esté con agua, conectarla al tubo de ensayo por otra manguera. Todo el sistema debe ser soportado usando los soportes universales. 6. Para el cálculo de R se necesitarán los valores de: Presión, volumen, temperatura y número de moles; los cuales serán calculados de la siguiente manera:
La temperatura a utilizar será la temperatura ambiente del laboratorio, transformada al sistema Kelvin. Debido a que el sistema tiene agua, luego de un pequeño tiempo todo estará saturado con vapor de agua. La presión que el hidrógeno formado ejerce en la columna de agua será igual a la presión atmosférica menos la presión de vapor del agua a la temperatura de trabajo. El volumen será medido con el desplazamiento del agua en la bureta, haciendo la diferencia entre el nivel de inicio y el nivel final del agua en la bureta luego de cada adición de HCl. El número de moles de H2 formado será calculado con el HCl gastado para la reacción. Cada mililitro de HCl 1M contiene 0.001 mol de HCl y produce 0.0005 mol de H2 según la reacción:
Proceder a llenar la siguiente tabla y hallar el valor de R
Volumen de HCl adicionado
Temperatura
Presión
Número de Moles de H2 formado
Volumen de agua desplazado en la bureta
R
0.2mL
Elaborado por: Jhordy Manrique Olortegui (revisión Nº1) Nota.- La experiencia Nº1 fue tomada de “ciencias con lo mejor de Vernier”, la experiencia Nº2 fue adaptada a los materiales y reactivos del laboratorio por el profesor en mención.
FIP-P2
