LEY DE BOYLE
PRÁCTICA DE LABORATORIO NÚMERO 1 FISICOQUIMICA I
SERGIO ANAYA TOLEDO DAVID ARNEDO ESPITIA JHONATAN PARDO SANABRIA ANDERSON PEINADO ÁLVAREZ
DOCENTE: ING. DAIRO PEREZ SOTELO ASISTENTE DE LABORATORIO: M.Sc. ANDREA ESPITIA
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA MONTERIA 2014
INTRODUCCIÓN Hacia el año 1662, Robert Boyle adelantaba diferentes observaciones relacionadas con los gases y sus interacciones con la biología y su comportamiento desde un punto de vista mecánico. Hasta la fecha, de los gases se conocía muy poco, debido a la falta de herramientas y/o de interés de la comunidad científica en general. Las observaciones hechas por Boyle no se limitaron a descripciones cualitativas –o intuitivas- sino que además, a través de rigurosos experimentos, logró demostrar de manera cuantitativa, la relación inversa existente entre la presión que es ejercida sobre un gas y su volumen a una temperatura y una cantidad de gas constantes. Como resultado de este trabajo Boyle en 1662 postuló la famosa ley de los gases que lleva su nombre, la cual afirma que: a temperatura constante, el volumen de una masa fija de gas es inversamente proporcional a la presión que este ejerce; y cuya interpretación y expresión matemática trataremos detalladamente más adelante. Independientemente de Boyle, el físico francés Edme Mariotte en 1676, realizó observaciones de la relación entre presión y volumen de un gas y formuló la misma relación matemática que hoy, por tal motivo, suele llamarse: ley de BoyleMariotte.
En el presente informe de laboratorio, se analizarán experimentos llevados a cabo en la práctica de laboratorio de “la ley de Boyle” y se desarrollarán observaciones acerca de la demostración experimental de la relación inversa entre volumen y presión de un gas. Cabe anotar, por lo interesante que puede ser, que en ésta práctica, recurriremos a uno de los experimentos más utilizados por Boyle para deducir su ley: el tubo en J – o U en este caso- con mercurio. Nos valdremos de observaciones y adecuados métodos analíticos y gráficos para comprobar la validez de dicha ley.
1. OBJETIVOS OBJETIVO GÉNERAL:
Estudiar experimentalmente la ley de Boyle: relación inversa entre volumen y presión a temperatura y cantidad de gas constantes.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Observar y analizar las las variaciones variaciones de presión y volumen a temperatura constante de cierta masa de aire confinada en uno de los extremos cerrado de un tubo U; a través de las mediciones de las alturas de las columnas de mercurio y de gas en el tubo.
Demostrar a través de la construcción de una gráfica presión V.S volumen (entre otras) la relación matemática inversa entre estas dos magnitudes, a partir de los datos recolectados en la experiencia.
2. MARCO TEÓRICO LEY DE BOYLE Para una cantidad determinada de gas, se encuentra experimentalmente que, a una buena aproximación, el volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión absoluta que se le aplica cuando la temperatura se mantiene constante.
Esto es
,
[T c o n s t a n t e]
Donde P es la presión absoluta ( no presión manométrica). Por ejemplo si la presión en un gas se duplica, el volumen se reduce a la mitad de su volumen original. Esta relación se conoce como la ley de Boyle, en honor a Robert Boyle (1627-1691), quien la estableció por primera vez, sobre la base de sus propios experimentos en la figura 1 se muestra una gráfica de P contra V a una temperatura fija. La ley de Boyle también se escribe.
[T c o n s t a n t e]
Esto es, si se permite que la presión o el volumen del gas varíen, la otra también también cambia de modo que el producto PV Figura 1 permanece constante. Como dicho producto permanece constante se puede plantear que:
3. MATERIALES Y REACTIVOS 1 Tablero milimétrico (el cual debe ser elaborado por el estudiante si no existe) 1 Tubo en forma de U (el cual debe ser elaborado por el estudiante si no existe) 1 Capsula de porcelana 1 Jeringa 1 Termómetro de -10 a 100°C 1 Regla graduada
REACTIVOS Mercurio (Hg)
3.1.
MSDS de reactivos
HOJA DE SEGURIDAD DEL MERCURIO 1 1. Identificación del producto
1
Tomado de la página web de DQI: Distribuidora de Químicos Industriales S.A. url: http://69.167.133.98/~dqisaco/pdf/MERCURIO%20_METALICO.pdf
Nombre químico: Formula molecular : Peso molecular :
Mercurio Hg 200.59 g/mol
2. Descripción Elemento metálico de número atómico 80. Líquido brillante, plateado, lustroso, extremadamente pesado. Insoluble en ácido clorhídrico; soluble en ácido sulfúrico con ebullición. Completamente soluble en ácido nítrico. Insoluble en agua, alcohol y éter. 3. Especificaciones del producto
Concentración: 99.999% min 4. Propiedades
Aspecto Color Olor Punto de fusión Punto de ebullición Densidad Solubilidad Viscosidad
Liquido Metálico Inodoro -39°C 357.3°C
13.55 g/mol 25°C -- 0.02 mg/l 20°C – 1.55 cP
5. Efectos sobre la salud
Efectos potenciales sobre la salud Peligroso en caso de ingestión y contacto con los ojos (irritante), la inhalación también puede causar irritación. Efectos sobre exposición Ojos Piel
Ingestión Inhalación
Puede causar irritación Puede causar leve irritación temporal
Puede causar daño al sistema digestivo Puede causar dolor de cabeza, náuseas, vómito
6. Pictogramas de seguridad
Peligro ambiental
tóxico
4. PROCEDIMIENTO 4.1.
Montaje experimental
toxicidad específica
4.2.
Como se puede apreciar este es un montaje experimental correspondiente a un tubo en U en el cual se ha sellado uno de sus extremos con un corcho, para mantener confinada una masa constante de gas entre este y la columna de mercurio. También se ha dispuesto un embudo en el otro extremo del tubo en U para facilitar la adición de mercurio. La jeringa es utilizada en esta experiencia para medir los volúmenes de mercurio precisos, también aprovechando la forma de esta se pueden agregar dichas cantidades de mercurio de manera que no se presenten pérdidas. La hoja milimetrada que se encuentra de detrás del tubo es para medir con mucha precisión la altura de la columna de mercurio. Procedimiento: pasos Corcho Embudo
Hoja milimetrada
Base
4.2.1. Ubicar el montaje experimental en sitio con buena iluminación para facilitar las lecturas milimétricas.
un
Durante la adición de mercurio al tubo, el otro brazo debe permanecer cerrado Adición de mercurio desde la jeringa al embudo Corcho
Capsula de porcelana con mercurio
Brazo opuesto del tubo en U
4.2.2. Introduzca mercurio por el extremo abierto del encerrado un volumen de aire en el otro brazo.
Regla
tubo dejando
Columna De gas
Mercurio Brazo Brazo o uesto uesto del del tubo tubo en U
4.2.3. Mida la longitud de la columna de aire, la cual es proporcional al volumen de éste encerrado y la diferencia de altura de la columna de mercurio (en ambos brazos), mida el diámetro del tubo.
Agregar mercurio.
Medir la longitud de las columnas de gas y de mercurio.
Calcular la diferencia entre éstas.
4.2.4. Agregue más mercurio por el extremo abierto y encuentre nuevamente la diferencia entre las dos columnas de Hg. 4.2.5. Repita el procedimiento hasta que tenga (10) diez lecturas, más o menos. 5. DATOS Y RESULTADOS 5.1.
Tabla de datos
N° de lectura
Longitud de la Diferencia de nivel de columna de aire en la columna de Cm mercurio en Cm 30 2 13 5 9 7 6.5 10 4.8 12
1ª 2ª 3ª 4ª 5ª
5.2.
Gráfica de la tabla de datos
Δh
) 15 m C ( g 10 H e d 5 s a n m 0 u l o c h
columna Hg vs Altura columna gas
0
Δ
10
20
30
40
Altura de columna de gas (Cm)
5.2.3. Observaciones Durante la práctica de laboratorio se realizaron observaciones de las cuales, como es lógico, surgieron cuestiones que son de mucho interés en este informe y que serán resueltas en la parte del análisis de resultados; algunas de estas observaciones son: -
La utilización de mercurio (Hg) en lugar de otro líquido. ¿por qué? El otro extremo del tubo en U permaneció sellado sellado durante todo el experimento. ¿con que objeto? El volumen encerrado del gas gas en el tubo se reducía a medida que aumentaba el volumen de mercurio adicionado. La columna de mercurio del brazo cerrado siempre fue más corta que que la columna del brazo abierto. ¿por qué?
-
La diferencia entre las columnas de mercurio afecta el volumen del gas encerrado ya que determinan la presión que se ejerce sobre este.
6. CUESTIONARIO 6.1.
Realizando una gráfica de la presión (p) Vs 1/V o 1/A x H. Hallar el valor de la presión atmosférica “B” . En primera instancia se deben realizar los respectivos cálculos para determinar a partir de los valores de la “tabla “ tabla de datos” datos ”, la presión y el volumen respectivo para cada valor.
6.1.1. Cálculo de la presión La presión sobre el gas encerrado es debido a una columna de mercurio de altura Δh, cuyo valor ( Δ Δh) es la diferencia entre las alturas de las columnas de mercurio en el tubo en U. para hallar el valor de la presión ejercida por dicha columna de mercurio utilizaremos la fórmula:
Donde: PHg = presión de la columna de mercurio, en Pa (N/m 2) Hg = densidad del mercurio, en kg/m 3 columna de mercurio), en metros Δh= diferencia de alturas (altura de la columna 2 g = gravedad, 9.81 m/s . Todas en el sistema internacional de unidades SI; no obstante, procederemos a convertir la presión a atmosferas (atm) por lo familiar que es dicha unidad en este curso. -
Cálculos. Para hallar presión total: P total = P Hg + P atm, total = Hg + atm, para la ciudad de Montería P atm atm 3 es 1009.04 Pa. Para todas las medidas, Hg = 13579.04Kg/m y para la 5 conversión de la presión: Pa= atm/1.02x10 Pa.
-
Medida 1. h= 2 Cm = 0.02m 3 2 P Hg Hg = (13579.04Kg/m )*(0.02m)*(9.81m/s ) = 2664.208 Pa = 0.026 atm P total total = 2664.208 Pa + 100904 Pa = 103568.208 Pa = 1.022 atm
-
Medida 2. h= 5 Cm = 0.05m 3 2 P Hg Hg = (13579.04Kg/m )*(0.05m)*(9.81m/s ) = 6660.512 Pa= 0.066 atm P total total = 6660.512 Pa + 100904 Pa = 107564.512 Pa = 1.062 atm
-
Medida 3. h= 7 Cm = 0.07m 3 2 P Hg Hg = (13579.04Kg/m )*(0.07m)*(9.81m/s ) = 9324.72 Pa = 0.092 atm P total 1102 28.72 Pa = 1.088 atm total = 9324.72Pa + 100904 Pa = 110228.72
-
Medida 4. h= 10 Cm = 0.10m 3 2 P Hg Hg = (13579.04Kg/m )*(0.10m)*(9.81m/s ) = 13321.03 Pa = 0.131 atm P total total = 13321.03 Pa + 100904 Pa = 114225.03 Pa = 1.127 atm
-
Medida 5. h= 12 Cm = 0.12m 3 2 P Hg Hg = (13579.04Kg/m )*(0.12m)*(9.81m/s ) = 15985.24 Pa = 0.158 atm P total total = 15985.24 Pa + 100904 Pa = 116889.24 Pa = 1.154 atm
6.1.2. Cálculo del volumen volumen (columna de gas). Para calcular el volumen de gas en la columna de cerrada del tubo en U, se debe recurrir a la fórmula del volumen del cilindro, ya que es esta la forma del tubo, además en este caso tenemos las medidas de la altura y el diámetro del éste.
;
Volumen de un cilindro
Dónde: = radio del tubo; igual a d/2; en metros r = h = altura de la columna de gas, en metros Tal como en los cálculos de la presión, también se utilizaran todas las unidades en el SI. Sin embargo se convertirá posteriormente el volumen, en este caso, de m 3 a litros (l). -
Cálculos
El diámetro del tubo es 0.7 cm, por tanto su radio es 0.35 y en metros, 0.0035m. Además m 3 = L/ 1000 m 3, para la conversión de volumen. -
Medida 1. 30 cm = 0.3m V = * (0.0035m)2 * (0.3m) = 1,155×10 -5 m³ = 0.012 L
-
Medida 2. 13 cm = 0.13m V = * (0.0035m)2 * (0.13m) = 5,003×10 -6 m³ = 0.005 L
-
Medida 3. 9 cm = 0.09m 2 V = * (0.0035m) * (0.09m) = 3,464×10 -6 m³ = 0,0035 L
-
Medida 4. 6.5 cm = 0.065m V = * (0.0035m)2 * (0.065m) = 2,5015×10 -6 m³ = 0,0025 L
-
Medida 5. 4.8cm = 0.048m V = * (0.0035m)2 * (0.048m) -6 = 1,8473 ×10 m³ = 0,0018 L
6.1.3. Tabla de datos N° de Medida 1ª 2ª 3 4ª 5ª 6.1.4. Gráfica
Presión (atm) 1.022 1.062 1.088 1.127 1.154
Volumen (l) 0.012 0.005 0.0035 0.0025 0.0018
1/V L8.33 200 285.71 400 555.55
presion vs 1/v 1.18
1.154
1.16 1.127
1.14
) 1.12 m t a ( 1.1 n o i 1.08 s e r 1.06 p
1.088 1.066
1.04 1.022 1.02 1 0
100
200
300
1/v
400
500
600
(L-1)
6.1.5. presión atmosférica Según la ecuación de la recta: P = KX – B, siendo P la la presión absoluta y el inverso del volumen, cuando X sea 0 entonces la presión total será X el igual a la presión atmosférica. Como vemos en la gráfica el intercepto intercepto en el eje de las presiones se da aproximadamente en 1.0 atm que es la presión atmosférica B.
6.2.
Halle la presión absoluta para cada punto y evalúe su producto PV. P total total = P Hg Hg + P atm atm La presión total o absoluta es la suma de la presión que ejerce la columna de mercurio más la presión atmosférica, que para Montería es, 0.996 atm. Y el producto PV es el producto entre la presión absoluta y el volumen de cada medida. N° Presión Presion Volumen de cada Producto medida mercurio absoluta medida (m3) PV (pa*m3) (atm) (pa) 103568.208 1,155×10 1ª 0.026 0.6 107564.512 5,003×10 2ª 0.066 0.55 110228.72 3,464×10 3ª 0.092 0.43 114225.03 2,5015×10 4ª 0.131 0.4 116889.24 1,8473 ×10 5ª 0.158 0.3
6.3.
Tómese el promedio de PV y halle el % de desviación de los valore individuales de PV y su promedio.
Promedio producto PV
Desviación estándar de los valores individuales de PV Des.
√ ())(())(( ))(())() = 0.107
% desviación =
0.6 0.55 Producto PV % de desviación 31.5% 20.6%
0.43 5.9%
0.4 12.72%
% desviación promedio = 21.234%
6.4.
Haga una gráfica de p. Vs V.
6.4.1. Gráfica P vs V presion vs volumen 1.18 1.16 1.14 1.12 1.1 1.08 1.06 1.04 1.02 1 0
6.5.
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
¿Cuál sería la forma de un curva p Vs V para datos formados? a. A altas temperaturas b. A bajas temperaturas Comparar con la curva obtenida en el experimento.
0.3 35.45%
6.5.1. Grafica PV a altas altas y bajas temperaturas temperaturas2
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS Los resultados obtenidos en la experiencia de laboratorio y expuestos en el presente informe son, en virtud de la manera como se procedió y los materiales utilizados, los determinados por la teoría y por consiguiente precisos en gran parte; no obstante, a juzgar por los datos estadísticos calculados en la parte del cuestionario, la práctica no alcanzó la presión máxima o esperada (21.234% error promedio y 0.107 variación estándar). Esto significa que si bien se cumplió con cada uno de los objetivos de la práctica, no fue de una manera asertiva y precisa. Por otra parte, si se evalúan los resultados de manera general, se puede decir que siguieron lo estipulado por el marco teórico. Esto es, a cada que se adicionaba cierta cantidad de mercurio al tubo, casi esa misma cantidad, se restaba, en altura (Cm) al tubo de gas encerrado y la variación de estas alturas –altura de la columna de mercurio y altura de columna de gas- fue aproximadamente proporcional, tal como lo muestra la gráfica “Δh columna Hg vs Altura columna gas ”. Asimismo, al relacionar la presión y el volumen (en
gráficas y tablas) asociado a cada medida, la proporcionalidad inversa se mantuvo, incluso al analizar la gráfica a altas altas y bajas temperaturas temperaturas también se mantiene la relación inversa – y proporcional- entre volumen y presión. 2
Tomado de la página web de textos científico.com. url: http://www.textoscientificos.com/fisica/termodinamica/sustancias-puras
Por último, queda por analizar ciertas observaciones realizas durante la ejecución del procedimiento. Primero, La utilización de mercurio Hg en la práctica es debido a su gran densidad, esto evita que se den hechos desfavorables para la experiencia, como la formación de burbujas dentro del líquido, que afectaría la medida de la altura; el mercurio por tener mayor tensión superficial, no se adhiere en el interior del tubo y su menisco convexo facilita la lectura de las alturas. Segundo, el extremo sellado del tubo en U siempre se mantuvo así con el objetivo de mantener constante la masa de gas encerrada. Y por último, la columna de mercurio del extremo sellado no se elevaba tanto como la otra porque el gas encerrado ejercía cierta presión que era superior a la presión atmosférica a la que estaba sometida la columna de mercurio del brazo abierto.
8. CONCLUSIONES 8.1.
Gracias a las medidas en el producto PV, se demostró que a una temperatura determinada y constante, el volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión que se ejerce. PV= cte.
8.2.
El volumen del gas encerrado siempre será, para este tipo de experimentos, proporcional a la altura h de la columna donde este se encuentra.
8.3.
La presión que se ejerce sobre el gas es la presión de la columna de mercurio cuya altura es h de las columnas de mercurio. Con lo que además concluimos que siempre existirá una presión sobre el gas encerrado: la presión atmosférica. Lo anterior puede aplicarse para cualquier gas.
8.4.
Con respecto al punto donde se igualan las alturas de las columnas de mercurio, es decir donde presión atmosférica y presión del gas encerrado sean igual dependerá de la cantidad de gas encerrado. Lo cual significa que variará también con la temperatura según la primera ley de Charles.
8.5.
presión y volumen serán siempre inversamente proporcional, siempre y cuando el proceso sea isotérmico lo cual hace que dicha proporcionalidad se mantenga para altas y bajas temperaturas.
Bibliografía Giancoli, C. D. (2006). Fisica, principios con aplicaciones. sexta edicion . En C . D. Giancoli, Fisica, principios con aplicaciones. sexta edicion (págs. 362-363). Mexico: person educación. Gomez, L. Y. (2010). Gases. En L. Y. Gomez, Hipertexto Quimica (págs. 160-161). bogotá: Santillana S.A. Jones, A. (2006). Principios de Quimica, Los caminos del descubrimiento. En A. Jones, Principios de Quimica, Los caminos del descubrimiento descubrimiento (págs. 131-132). Madrid: editorial médica panamericana.
Referencias web DQI- Distribuidora de Quimicos Industriales S.A. (13 de agosto de 2014). Distribuidora de Quimicos Industriales S.A. Obtenido de Distribuidora de Quimicos Industriales S.A: http://69.167.133.98/~dqisaco/pdf/MERCURIO%20_METALICO.pdf Textoscientificos.com. (05 de mayo de 2009). textos cientificos. Recuperado el 18 de agosto de 2014, de fisica-termodinámica: http://www.textoscientificos.com/fisica/termodinamica/sustancias-puras