INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TUXTLA GUTIÉRREZ
TERMODINÁMICA
INGENIERIA BIOQUÍMICA
3er.SEMESTRE
PRÁCTICA No. 5 “MEZCLA DE GASES”
CATEDRÁTICO: CATEDRÁTICO: ING. RICARDO SUÁREZ CASTILLEJOS
EQUIPO 8: 8:
COUTIÑO MORENO DAVID LÓPEZ AGUILAR DARI RIVERA MORENO ELVIS ALEJANDRA RUIZ RAMÍREZ LUIS ALBERTO SILVESTRE DE LEÓN JESÚS
FECHA DE REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA: PRÁCTICA: 03 – OCTUBRE – 2011 FECHA DE TÉRMINO DE LA PRÁCTICA: 03 – OCTUBRE – 2011 FECHA DE ENTREGA DE LA PRÁCTICA: 10 – OCTUBRE – 2011
TUXTLA GUTIÉRREZ, CHIAPAS
OBJETIVO: A partir de los datos de presión, volumen y temperatura, inicial y final, obtenidos, en la realización de la práctica; calcular la información que se pide en e l cuestionario. INTRODUCCIÓN: Una simple sustancia pura es aquella cuya composición química es uniforme y constante, una mezcla homogénea de gases podría parecer, desde el punto de vista termodinámico o macroscópico, una sustancia pura, y sus propiedades podrían formularse en la misma forma que para un simple gas. Un ejemplo importante para este tipo de sustancia pura es el aire seco. La mezcla de deja de ser pura cuando, por razones de un cambio de fase o reacciones químicas, la composición química de la mezcla deja de ser constante y uniforme. Por ejemplo el aire húmedo no es una sustancia pura en cualquier proceso en la cual la condensación o vaporización de la humedad ocurre. Para ciertas mezclas de gran importancia (aire seco, aire húmedo, ciertos productos de la combustión) los datos termodinámicos están disponibles, pero para muchas mezclas con la cual el ingeniero tiene trato, es necesario comprobar las propiedades de la mezcla a partir de la composición de la mezcla y las propiedades de los componentes. HIPÓTESIS: La mezcla de los gases ideales, dará un aumento en las propiedades de presión, temperatura y volumen parcial. MARCO TEÓRICO: Mezcla de gases: La mayoría de los gases que encontramos en química –y en la vida diaria- son mezclas. La atmosfera, por ejemplo, es una mezcla de nitrógeno, oxigeno, argón, dióxido de carbono y muchos otros gases. El aire que inhalamos es una mezcla, el aire que exhalamos es otra mezcla. A bajas temperaturas todos los gases responden del mismo modo al cambio de presión, volumen y temperatura. Por consiguiente para los cálculos de este tipo, no importa si todas las moléculas en una muestra son las mismas. Una mezcla de gases que no reaccionan unos con otros, se comporta como un único gas puro. Por ejemplo, podemos considerar el aire como un solo gas cuando queremos usar la ley de los gases ideales para predecir sus propiedades. John Dalton fue el primero que estudió como calcular la presión de una mezcla de gases. Dalton describió el comportamiento de la mezcla de los gases por su ley de las presiones parciales. “La presión total de una mezcla de gases es la suma de las presiones parciales de sus componentes”.
Si denominamos la presión parcial de los gases A, B,…como P A, PB,… y la presión total de la
mezcla como P, podemos escribir la ley de Dalton como sigue: P= PA + PB+….
La ley de Dalton es compatible con el modelo de gas y agrega un poco más de información. La presión total de un gas se eleva, como hemos visto, por el choque de las moléculas en las paredes del recipiente. Este choque se debe a todas las moléculas de una mezcla. Las moléculas del gas A ejercen una presión, las moléculas del gas B lo hacen también y la presión total es la suma de las contribuciones individuales. La información adicional que podemos usar para ampliar el modelo es que, para que la presión total sea la suma de las presiones individuales, las moléculas de A deben ser diferentes a la presencia de las moléculas de B. Esto significa que no hay interacciones –ni atracciones ni repulsiones- entre las dos clases de moléculas. La ausencia absoluta de cualquier interacción, es un rasgo característico del gas ideal. La presión parcial de un gas es la presión que ejercería si estuviera solo en el recipiente; la presión total de una mezcla de gases es la suma de las presiones parciales de los componentes; la presion parcial de un gas está relacionada con la presion total por la fracción molar.
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA: 1. Poner una pizca de KMnO 4 dentro del matraz kitazzato. 2. Colocar el termómetro en el tapón monohoradado. 3. Con mucho cuidado atravesar la aguja de la jeringa en el tapón. 4. Colocar el tapón en el matraz apretándolo. 5. Sujetar el matraz con la pinzas y colocarlo en el soporte. 6. Conectar el manómetro al matraz. 7. Introducir 3 ml de aire al matraz con la jeringa y comprobar que no hay fuga. 8. Una vez comprobado lo anterior; medir la temperatura, la presión manométrica y la presión barométrica. 9. Introducir 3 ml de peróxido de hidrógeno al matraz. 10. Medir el volumen interior del matraz. 11. Anotar la temperatura y presión manométrica máximas observadas.
DIAGRAMA DE FLUJO: MATERIAL Y EQUIPO: Un soporte universal. Una pinzas de tres dedos. Un termómetro. Un matraz kitazzato de 500 ml. Un manómetro con mercurio. Una espátula. Un tapón monohoradado. Una jeringa de 5 ml con aguja. REACTIVOS: Peróxido de hidrógeno de 11 volúmenes, H2O2. Permanganato de potasio, KMnO4. RESULTADOS: Datos iníciales: Temperatura inicial Presión barométrica Presión manométrica Volumen del matraz
27°C 688 mm de Hg 130 mm de Hg 600 ml
Resultados obtenidos: Temperatura final Presión manométrica final
29°C 147 mm de Hg
CONCLUSIONES: El aire en este experimento se encuentra a alta temperatura y baja presión respecto a los valores del punto critico de los gases individuales. En este caso, el aire y sus componentes pueden tratarse como gases ideales con un error despreciable. En el experimento al hacer reaccionar al H 2O2 con KMnO4, se da la producción de de O2, (considerado un gas ideal). En el experimento al tener el aire y el KMnO4 en un sistema aislado (matraz kitazzato), y luego al agregar el H 2O2 al sistema se da la reacción entre el H 2O2 y el KMnO4 que produce O2. Esto trae como consecuencia una mezcla de gases ideales entre el aire y el O 2. Aquí se produce un aumento en la cantidad de oxigeno debido a que el aire esta compuesto en un 79 % de Nitrógeno y en un 21 % de Oxigeno, y a la producción de oxigeno por la reacción anterior. Lo anterior trae como resultado el aumento en la presión en el sistema (resultante de la suma de las presiones que cada gas ejercería solo a la temperatura y volumen de la muestra) que se observo en el manómetro de 13 a 14.7 cm de Hg Por lo tanto al haber una relación entre la temperatura y la presión, un aumento en la presión significa también que habrá un aumento en la temperatura registrado en el termómetro de 27 ºC a 29 ºC. CUESTIONARIO: 1. Define los siguientes términos: presión, presión manométrica, presión barométrica, presión absoluta. Presión. A la fuerza normal por unidad de área se llama presión. Simbólicamente, la presión P está dada por:
Donde A es el área donde se aplica la fuerza perpendicular F. La unidad de presión resulta de la relación entre cualquier unidad de fuerza entre la unidad de área. Por ejemplo, newton por metro cuadrado o libras por pulgada cuadrada. En el sistema SI de unidades N/m2 se le llama pascal (Pa). El kilopascal (kPa) es la unidad de medida más apropiada para la presión de fluidos. 1kPa=1000N/m2=0.145 lb/in2 Presión manométrica. Se llama presión manométrica a la diferencia entre la presión absoluta o real y la presión atmosférica. Se aplica tan solo en aquellos casos en los que la presión es superior a la presión atmosférica, pues cuando esta cantidad es negativa se llama presión de vacío. Presión barométrica. Es el peso que se ejerce una columna de aire con una sección o diámetro de una pulgada cuadrada desde el barómetro hacia el espacio.
Presión absoluta. Es la presión real a que se halla sometido un liquido (queda incluida por tanto la presión barométrica y la presión manométrica). Presión absoluta= Presión manométrica + presión barométrica
2. Escribe los siguientes datos obtenidos en la realización de la práctica: Presiones manométricas y temperaturas iniciales y finales, y el volumen medido del matraz. Temperatura inicial Temperatura final Presión barométrica Presión manométrica inicial Presión manométrica final Volumen del matraz
27°C 29°C 688 mm de Hg 130 mm de Hg 147 mm de Hg 600 ml
3. Calcula la presión absoluta inicial y la final del sistema. Presión absoluta= Presión manométrica + presión barométrica Presión absoluta inicial= 680 mm de Hg + 130 mm de Hg = 810 mm de Hg Presión absoluta final= 680 mm de Hg + 147 mm de Hg = 827 mm de Hg 4. Con los datos del estado inicial, calcula la cantidad de aire encerrado en el sistema (matraz), el volumen específico y el volumen específico molar. Datos: V matraz= 600 ml =0.0006 m3 Presión absoluta inicial= 810 mm de Hg =107.973 kPa Temperatura inicial= 27°C = 300.15 K R= 0.287
Volumen especifico= ¿? Volumen especifico molar= ¿? m= ¿? Fórmula:
Soluciones:
( )
̅ 5. Con los datos del estado final, calcula la cantidad de mezcla (aire y oxígeno liberado por el peróxido) encerrado en el sistema (matraz), el volumen específico molar, la cantidad en gramos de oxígeno desprendido, la composición molar y la composición másica de la mezcla, así como el peso molecular medio de la mezcla. Datos: V matraz= 600 ml =0.0006 m3 Presión absoluta final= 827 mm de Hg = 110.2391 kPa Temperatura final= 29°C = 302.15 K R= 0.287
Volumen especifico= ¿? Volumen especifico molar= ¿? m= ¿? Fórmula:
Soluciones:
( ) ̅
6. En el estado final calcula la presión parcial del oxígeno y del nitrógeno y el volumen parcial ocupado para cada uno de ellos. Numero de moles de aire= 0.0007524 Kg
Kmol = 0 .000025959 Kmol de aire 28.97 Kg
Nº de moles de N 2= (0 .000025959Kmol) (.79)= 0.000020507 Kmol de N2 Nº de moles de O 2= (0 .000025959Kmol) (.21)= 0.000005451 Kmol de O 2 Exceso de O2 = (0.0007627-0.00075204) = 0.00001066 Kg de O2
Exceso de moles de O 2= 0.00001066 Kg de O2 1Kmol 32 Kg
= 0.000000333 Kmol de O2
Moles totales en el sistema final= (0.000025959 Kmol de aire + 0.000000333 Kmol de O 2) = 0.00002629 Kmol Fracción molar de N 2 = 0.000020507 Kmol de N2 = 0.78 0.00002629 Kmol Fracción molar del O 2 = 1-.78 = 0.22 Presión parcial del N 2= (0.78) (110.2391 kPa)= 85.9865 KPa Presión parcial del O2= (0.22)(110.2391 KPa) =24.2526 KPa Volumen parcial del N 2= (0.78) (0.0006m3) = 0.000468 m3 Volumen Parcial del O2= (0.22) (0.0006 m3)= 0.000132 m3 7. Define que es un gas ideal y qué un gas real. Un gas ideal es un conjunto de átomos o moléculas que se mueven al azar, no ejercen fuerzas de largo alcance entre si y ocupan una parte insignificante del volumen del recipiente. Un gas real se define como un gas con un comportamiento termodinámico que no sigue la ecuación de estado de los gases ideales. 8. Explica si la mezcla aire oxígeno, es un gas real o ideal. Es un gas ideal ya que obedece a la relación PV=RT, además el conjunto de moléculas que se mueven al azar, no ejercen fuerzas de largo alcance entre si y ocupan una cierta parte del recipiente. 9. Qué leyes aplicaste en los cálculos que se te solicitaron. Ley del gas ideal. Ley de Dalton. Ley de Avogadro. 10. Escribe tus observaciones y conclusiones. El aire en este experimento se encuentra a alta temperatura y baja presión respecto a los valores del punto critico de los gases individuales. En este caso, el aire y sus componentes pueden tratarse como gases ideales con un error despreciable.
En el experimento al hacer reaccionar al H 2O2 con KMnO4, se da la producción de de O2, (considerado un gas ideal).
En el experimento al tener el aire y el KMnO4 en un sistema aislado (matraz kitazzato), y luego al agregar el H 2O2 al sistema se da la reacción entre el H 2O2 y el KMnO4 que produce O 2. Esto trae como consecuencia una mezcla de gases ideales entre el aire y el O2. Aquí se produce un aumento en la cantidad de oxigeno debido a que el aire esta compuesto en un 79 % de Nitrógeno y en un 21 % de Oxigeno, y a la producción de oxigeno por la reacción anterior. Lo anterior trae como resultado el aumento en la presión en el sistema (resultante de la suma de las presiones que cada gas ejercería solo a la temperatura y volumen de la muestra) que se observo en el manómetro de 13 a 14.7 cm de Hg Por lo tanto al haber una relación entre la temperatura y la presión, un aumento en la presión significa también que habrá un aumento en la temperatura registrado en el termómetro de 27 ₀ C a 29 ₀C.
