UNVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE HUMANIDADES Y CIENCIAS Y TECNOLOGIA LABORATORIO DE FISICOQUIMICA
PRACTICA #1 DETERMINACION DE PESO MOLECULAR
Docente:
Ing. Jenny Rojas Céspedes
Auxiliar:
Marcelo Revollo Z.
Estudiantes: Camacho Z. Gabriel
Encinas Elmer Gonzáles O. Gabriel Antonio Maldonado N. Paul Tarquino Adrián Fecha:
26 de marzo de 2007
Cochabamba - Bolivia
DETERMINACION DE PESOS MOLECULARES A PARTIR DE LA DENSIDAD DE UNA SUSTANCIA EN ESTADO DE VAPOR Objetivo general
Verificar si se cumpla la ecuación de estado PV=nRT para los gases reales que trabajan como ideales, es decir a temperaturas moderadas y presiones bajas.
Objetivos específicos
•
Determinar experimentalmente por el método de dumas el peso molecular de un compuesto volátil (cloroformo)
•
Determinar experimentalmente por el método victor meyer el peso molecular de un compuesto volátil (cloroformo)
•
Aprender a sellar el capilar de dumas con un mechero a gas.
Fundamento teórico
En los gases ideales, estas variables incluyen la presión ( p), el volumen (V ) y la temperatura (T ). La ley de Boyle-Mariotte afirma que el volumen de un gas a temperatura constante es inversamente proporcional a la presión. La ley de Charles y Gay-Lussac afirma que el volumen de un gas a presión constante es directamente proporcional a la temperatura absoluta. La combinación de estas dos leyes proporciona la ley de los gases ideales pV = nRT (n es el número de moles), también llamada ecuación de estado del gas ideal. La constante de la derecha, R, es una constante universal.
La ecuación de estado del gas ideal no es del todo correcta: los gases reales no se comportan exactamente así. En algunos casos, la desviación puede ser muy grande. Por ejemplo, un gas ideal nunca podría convertirse en líquido o sólido por mucho que se enfriara o comprimiera. Por eso se han propuesto modificaciones de la ley de los gases ideales, pV = nRT. Una de ellas, muy conocida y particularmente útil, es la ecuación de 2
estado de van der Waals ( p + a/v )(v - b) = RT, donde v = V/n, y a y b son parámetros ajustables determinados a partir de medidas experimentales en gases reales. Son
parámetros de la sustancia y no constantes universales, puesto que sus valores varían de un gas a otro.
La presion manométrica miden la diferencia entre la presión del fluido y la presión atmosférica local, hay que sumar la presion atmosférica local al valor indicado por el manómetro para hallar la presión absoluta. Una lectura negativa del manómetro corresponde a un vacío parcial.
Bibliografía:
•
Castellan, Gilbert. Fisicoquímica. Bogotá: Fondo Educativo Interamericano, 1974.
•
Chang, Raymond. Química. México: Editorial McGraw-Hill, 6ª ed., 1998
Materiales
• • • • • • • • • • • • •
Balon de dumas (tapón, capilar) Vaso de precipitación Lamina de amianto Termómetro Microtubo Mechero Estufa Pinzas Manómetro Cámara de vaporización Balanza analítica de Mettler Pipeta Propipeta
Reactivos
• • •
Cloroformo Agua destilada Etanol
Desarrollo experimental (dumas) • •
Pesamos el balon de dumas lo cual nos dará la masa 1 del experimento. Pipeteamos con la propipeta aproximadamente 0,5 ml de una muestra de cloroformo y lo introducimos dentro del balon de dumas.
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• •
Durante la ebullición del agua a una temperatura de 92,5 ºC introducimos el balon de dumas a baño maria con la ayuda de una pinza hasta evaporar la muestra de cloroformo. Inmediatamente sellamos el capilar del balon con la ayuda de un mechero y una pinza metálica. Pesamos el balon de dumas con el gas dentro lo cual será la masa 2, posteriormente rompemos la punta del capilar sin hacer perder los fragmentos de vidrio Llenar con agua el balon de dumas y evitar que halla burbujas de aire dentro, posteriormente pesar el balon de dumas con agua destilada, con esto podremos calcular la masa de agua que existe dentro, y con simples simplificaciones calcular el volumen de agua (V H2O=Vaire=Vcloroformo gas ) Con los datos de ASAANA, presión atmosférica, temperatura ambiente y humedad relativa del aire; hallamos la presión barométrica corregida, buscando los datos en tablas y diagramas Con los datos obtenidos calculamos la masa de aire, podremos calcular la masa de vapor de cloroformo. Con todos los datos obtenidos podremos encontrar experimentalmente el peso molecular del cloroformo.
Desarrollo experimental (victor meyer) • • •
• • • • • •
• • •
Montar el equipo victor meyer Pesamos el microtubo de ensayo con su tapón en la balanza analítica y asi obtenemos la masa 1. Con la propipeta llenamos cloroformo a 2 3 del volumen del microtubo; posteriormente pesamos en la balanza analítica y esta será la masa1 con cloroformo. Con los datos obtenidos anteriormente calculamos la masa de cloroformo dentro del microtubo Tener el cuidado de que el agua destilada dentro de el manómetro tenga los niveles de agua iguales Hacemos que el agua dentro de la cámara de vaporización llegue al punto de ebullición Colocamos dentro de la cámara de vaporización el microtubo sin su tapa y tapamos inmediatamente el manómetro. Esperamos a que el cloroformo se evapore; posteriormente medimos la diferencia de altura que forma el agua destilada dentro del manómetro Calculamos el volumen de gas de cloroformo que aumenta dentro del manómetro, mediante la diferencia de alturas entre el punto de equilibrio y el punto mas bajo de agua. Calculamos la densidad de cloroformo con los datos ya obtenidos de masa y volumen. Con la ayuda de un termómetro leemos la temperatura que tiene el gas de cloroformo dentro el manómetro. Con todos los datos obtenidos anteriormente podremos encontrar experimentalmente el peso molecular del cloroformo.
Cálculos y resultados DATOS (Dumas)
m1 = mbalon + maire
m1 = 76,7305[ g ]
m2 = mbalon + mcloroformo
m2 = 77,1561[ g ]
m3 = mbalon + m H 2 O
m3 = 200,9179[ g ] t aire = 24[º C ] = 297,15[ K ]
⎡ g ⎤ = 0 , 9975 ∫ H O ⎢⎣ ml ⎥⎦ ⎡ kg H O ⎤ % HR = 31% ⎢ ⎥ ⎣ Kg aire ⎦
Reemplazando los datos en las ecuaciones:
23º C 2
2
76,7305 = mbalon + maire
(1)
77 ,1561 = mbalon + mcloroformo
( 2)
200 ,9179 = mbalon + m H 2 O
(3)
De la ecuación (3) y (1) 200,9179 − 76,7305 = m H 2 O − maire maire ≅ 0
⇒ 124 ,1874 [ g ] = m H O 2
De la tabla I encontrar f 1 con una temperatura de 24 ºC ⎡ g ⎤ ⇒ f 1 = 1,2885⎢ ⎥ ⎣ ml ⎦
Si:
∫ H O = 2
V H 2O =
m H 2O V H 2O
⇒ V H O =
124,1874 0,9975
2
m H 2O
∫ H O 2
= 124,4986[ml ]
⇒ V H O = V balon = V aire 2
Una ves encontrado los factores f 1 y f 2 se puede hallar la densidad del aire a una presión de 558,0063 mmHg , una temperatura de 24ºC y una %HR =31% ⇒ ∫ aire = f 1 f 2
∫ aire = (1,2885)(0,73421) ∫ aire
⎡ g ⎤ ⎡ g ⎤ = 0,9460⎢ ⎥ = 9,46 E − 4⎢ ⎥ ⎣ l ⎦ ⎣ ml ⎦
Una vez ya obtenida la densidad del aire se halla la masa de aire
⇒ maire = ∫ aire V aire maire = (9,46 E − 4 )(124,4986 ) maire = 0,1178[ g ]
De la grafica I encontrar la temperatura de rocio a 24ºC y 31% HR ⇒ t rocio = 13,8º C
De la tabla II con la temperatura de rocio encontrar la presión para así corregir la presión de 750Hpa
750hpa *
100 Pa 1hPa
*
1atm 101325 Pa
*
760mmhg 1atm
= 562,5463mmHg
⇒ P corregida = 562,5463 − 4,54 = 558,0063mmHg
De la tabla III encontrar f 2 con una presión de 558,0063 mmHg.
⇒ f 2 = 0,73421
Una vez encontrado la m aire reemplazando en la ecuación (1) y (2) se encuentra la mcloroformo 76,7305 = mbalon + maire
(1)
77 ,1561 = mbalon + mcloroformo
( 2)
Con la m cloroformo y el V H2O encontramos la
∫ cloroformo ⇒ ∫ cloroformo = ∫ cloroformo =
77 ,1561 − 76,7305 + 0,1178 = mcloroformo
mcloroformo V H 2 O
⎡ g ⎤ = 4,3647 ⎢ ⎥ 124,4986 ⎣ l ⎦ 0,5434
0,5434 [ g ] = mcloroformo
Despejando los datos encontrados en la formula siguiente encontrar el peso molecular experimental: 2 ⎛ T crit ⎞ ⎞⎤ 9 P corr T crit ⎛ ∫ x RT ebull ⎡ ⎜1 − 6⎜ 2 ⎟ ⎟⎥ M x = * ⎢1 + ⎜ T ⎟ ⎟ ⎜ P corr ⎝ ebull ⎠ ⎠⎦⎥ ⎣⎢ 128 P crit T ebull ⎝
M x
(4,3647 )(62,4 = g l
l *mmHg K − mol
)(365,5 K ) * ⎡⎢1 +
(558,0063mmHg )
⎢⎣
2 ⎛ ⎞ ⎞⎤ 9(558,0063mmHg )(536 K ) ⎛ ⎜1 − 6⎜ (536 K ) 2 ⎟ ⎟⎥ ⎜ (365,5 K ) ⎟ ⎟ 128(54 * 760mmHg )(365,5 K ) ⎜⎝ ⎝ ⎠ ⎠⎥
⎦
⎡ g ⎤ ⎣ mol ⎥⎦
M x = 175,4197 ⎢
% E = % E =
E exp − E real E real
*100
175,4197 − 119 119
* 100 = 47,41%error
⎡ g ⎤ ⎣ mol ⎥⎦
E absoluto = E exp − E real = 175,4197 − 119 = 56,41⎢
DATOS (victor meyer)
mt 1 = 0,3769[ g ] mt 1cloroformo = 0,4080[ g ] t 1 gas − cloroformo = 24[º C ] = 297,15[ K ]
mcloroformo = mt 1cloroformo − mt 1
∫ Hg h Hg g = ∫ H O h H O g 2
(1) ( 2)
2
H 2 O = 22,4[mmHg ] P vap
Δ H 1 = 43[cm] = 430[mmH 2O ] Conociendo la masas del microtubo encontramos la masa del cloroformo con la ecuación (1) mcloroformo = 0,4080 − 0,3769 mcloroformo = 0,0311[ g ] Encontrar el volumen de gas cloroformo ⇒ V cilindro = V cloroformo = π D 2 h V cloroformo =
(0,7 )2 (14 )
π
4
[ ]
V cloroformo = 5,3878 cm3
Teniendo el volumen y la masa del cloroformo calculamos la densidad
⇒ ∫ cloroformo = ∫ cloroformo
mcloroformo V cloroformo
⎡ g ⎤ = = 5,7723⎢ ⎥ 5,3878 ⎣ l ⎦ 0,0311
Hallar los mmHg que se forman por la presión ejercida por el cloroformo
∫ Hg h Hg g = ∫ H O h H O g 2
h Hg =
2
∫ H O h H O ∫ Hg 2
2
(0,9976)(430) (13,5) h Hg = 31,7754[mmHg ] h Hg =
La presión neta del cloroformo viene a ser dada por la formula: ∫ H O h H 2O H 2 O P cloroformo = P atm + 2 − P vap
∫ Hg
(0,9976)(430) − 22,4 (13,5) = 571,9254[mmHg ]
P cloroformo = 562,55 + P cloroformo
Despejando los datos encontrados en la formula siguiente encontrar el peso molecular experimental: 2 ⎞ ⎞ ⎤ ⎛ T crit ∫ x RT ⎡ 9 P corr T crit ⎛ ⎜ ⎜ ⎟ ⎟⎥ M x = * ⎢1 + 1− 6 2 ⎟ ⎜ ⎜ ⎟ P corr ⎢ 128 P crit T ⎝ T ⎠ ⎠⎥⎦ ⎝ ⎣ g l * mmHg ⎛ (536 K )2 ⎞ ⎞⎤ ( 5,7723 l )(62,4 K − mol )(297 K ) ⎡ 9(571,9254mmHg )(536 K ) ⎛ ⎜ ⎟⎟ * ⎢1 + 1 − 6⎜ M x = 2 ⎟ ⎟⎥ ⎜ ⎜ (571,9254mmHg ) ⎢⎣ 128(54 * 760mmHg )(297 K ) ⎝ ⎝ (297 K ) ⎠ ⎠⎥⎦ ⎡ g ⎤ M x = 180,9138⎢ ⎣ mol ⎥⎦
% E = % E =
E exp − E real E real
*100
180,9138 − 119 119
*100 = 52,02%error
⎡ g ⎤ ⎣ mol ⎥⎦
E absoluto = E exp − E real = 180,9138 − 119 = 61,91⎢ Figuras y tablas
Grafica 1. carta psicrométrica para 1 atm (Unidades SI)
Observaciones En el método de dumas: el capilar del balon de dumas al ser sellado y posteriormente
fraccionado se perdió una cantidad significante de masa que posteriormente fue pesada. Al medir la presión del manómetro hubo error al calcular la presión neta del cloroformo ya que anteriormente ya existía restos cloroformo gaseoso de los grupos anteriores dentro el tubo para cuando nosotros calculamos la presión.
Discusiones y conclusiones
Dumas:
Según el experimento obtuvimos un peso de 175,4197
g mol
el cual difiere un poco del
peso experimental teórico para el cloroformo que es de 119
g mol
, por lo cual concluimos
que hubo errores en desarrollo experimental como las siguientes:
•
Hubo retraso en el sellado de la punta del capilar con el mechero por lo tanto escapo el gas de cloroformo.
•
Aunque se cumple la relación de los gases ideales PV=nRT de la siguiente forma a presiones bajas y temperaturas altas se encuentra una masa muy parecida a la calculada:
PV = nRT
V H 2 O = 124,4986[ml ]
PV
P cloroformo = 558,0063[mmHg ]
⎡ l * mmHg ⎤ ⎣ K − mol ⎥⎦
=n RT (558,0063 )(0,1245 )
(62,4)(365,5) n = 3,33 E − 3[mol ]
R = 62,4 ⎢
T = 365,5[ K ]
⎡ g ⎤ ⎣ mol ⎥⎦
M cloroformo = 180,9138⎢
⇒n=
=n
mcloroformo M exp erimental
n * M exp erimental = mcloroformo
(3,33 E − 3)(175,4197 ) = mcloroformo 0,5321[ g ] = mcloroformo
Victor Meyer:
Según el experimento obtuvimos un peso de 180,9138
g mol
el cual difiere un poco del
peso experimental teórico para el cloroformo que es de 119
g mol
, por lo cual concluimos
que hubo errores en desarrollo experimental como las siguientes:
•
Al medir la presión del manómetro hubo error al calcular la presión neta del cloroformo ya que anteriormente ya existía restos cloroformo gaseoso de los grupos anteriores dentro el tubo para cuando nosotros calculamos la presión.
Cuestionario 1.- En un experimento de determinación de pesos moleculares se utilizo un bulbo de dumas que peso abierto al aire 21.473 g el bulbo se lleno con el vapor de un liquido orgánico y se sello a la presión barométrica de 585 mmHg a una temperatura de 92.5 ºC a temperatura ambiente el bulbo peso 22.5430 g el bulbo se abrió y se lleno con agua destilada a la temperatura ambiente, después de lo cual peso 238 g toda las pesadas se hicieron a temperatura ambiente de 25 ºC determine el peso molecular del vapor orgánico tomando en cuenta que la densidad del aire a 25 ºC y a la presión atmosférica es de 1.2935 g/l y la densidad del agua es 0.99707 g/ml.
m1 = 21.473g
m2 = 22.5430g
m3 = 238g
m1 = m balon + maire m2 = m balon + mvapor de liquido m3 = m balon + mH2O mH2O = m3 - m1 mH2O = 238g - 21.473g vH2O = mH2O = 216.527g ρH2O
= 217.1633 ml
0.99707g/ml
vH2O = vaire = vvapor liquido maire = vaire*ρaire = 217.1633ml ( 1.2935g . 1l ) = 0.2809g l 1000ml mvapor de liquido = m2 - m balon = m2 - m1 + maire = 22.5430g - 21.473g + 0.2809g = 1.3509g -3
= 6.2207.10 g/ml ρ vapor de liquido = mvapor de liquido = 1.3509 g vvapor de liquido 217.1633ml M = ρ vapor de liquido P
*
R * T = 6.2207 g/l * 62.32 mmHg*l /mol*K * 365.5 K 585 mmHg
M = 242.2134 g/mol
2.- Determine la altura en metros del liquido manométrico “Yogurt ILVA” si a 20 ºC 30 ml de este liquido pesa 31.65 g para que ejerza una presión de 0.89 atmósferas
P = ρgh ρ = m = 31.65g = 1.055 g/ml v 30ml 1.055 g . 1.106 cm3 ml 1m3
.
1Kg 1000g
= 1055 Kg m3
0.89atm . 1.013.105 Pa = 90157 Pa 1atm h= P ρg h = 90157 Kg*m/m2*s2 1055 Kg/m3 * 9.8 m/s2
=
8.72 m
3.- Indique y explique brevemente que otros métodos experimentales existen para la determinación de pesos moleculares en laboratorio Otros métodos experimentales que existen para la determinación de pesos moleculares en laboratorio son: Determinación del peso molecular a partir del descenso de la presión de vapor . Puesto que n1 = w1/M1, y n2 = w2/M2, siendo w1 y w2 los pesos del disolvente y del soluto, y M1 y M2 los pesos moleculares de los dos constituyentes, la ecuación
Puede expresarse del modo siguiente:
Hoy se usa, con frecuencia, el método isopiéstico, para la determinación precisa de presiones de vapor. En este método, la disolución cuya presión de vapor queremos determinar y una disolución que contenga un soluto patrón, por ejemplo, cloruro potásico, se colocan en vasijas separadas y en un recipiente cerrado, como se muestra en la figura 1. Se hace el vacío y se coloca el recipiente en un termostato cuya temperatura se regula a ± 0,001 ºC. El vapor de la disolución que posee la presión de vapor más alta pasa a la que la tiene más baja, hasta que las presiones de vapor de las dos disoluciones son iguales, es decir, hasta que dichas soluciones son isopiésticas (del griego igual presión). Las muestras se pesan periódicamente y cuando se establece el equilibrio, o sea, cuando ya no hay variación de peso, se analizan las disoluciones y se determinan sus concentraciones. Como las presiones de vapor de las disoluciones de cloruro potásico a diferentes concentraciones han sido medidas con precisión y en la
bibliografía se encuentran tablas con estos valores, la presión de vapor de la disolución a ensayar, que es isopiéstica con la de cloruro potásico, se deduce con facilidad. Conociendo la presión de vapor del agua a esta temperatura, es muy sencillo el cálculo del descenso de la presión de vapor de la disolución.
FIG. 1. Dispositivo para el método isopiéstico. En disoluciones muy diluidas, en las que w 2/M2 es despreciable a w 1/M1, puede suprimirse el segundo término del denominador y la ecuación toma la forma:
El peso molecular del soluto M2 se obtiene despejando en la ecuación:
La determinación del peso molecular por el método isopiéstico ha sido descrita por 6. MASON y GARDNER Determinación del peso molecular a partir de datos crioscópicos. El peso molecular de un soluto no volátil M 2 puede determinarse por el método del punto de congelación, (Método de equilibrio ) Este método constituye el procedimiento más exacto para determinar puntos de congelación. Para el disolvente puro, el punto de solidificación se determina, de forma precisa, mezclando íntimamente disolvente en estado sólido y líquido (hielo y agua) en un tubo crioscópico o en un vaso Dewar, y cuando se alcanza el equilibrio se lee la temperatura de la mezcla con un termómetro Beckmann o con un par termoeléctrico múltiple y un potenciómetro. Según BALLARD y GOYAN, puede emplearse un termistor en lugar del par termoeléctrico. Después se coloca en el vaso la disolución mezclada con el disolvente puro congelado y cuando se alcanza de nuevo el equilibrio se anota la temperatura. En el momento de esta lectura se extrae una muestra de la fase líquida y se analiza, para así determinar con exactitud la concentración de la disolución. La exactitud del método se puede mejorar si se colocan simultáneamente los dos extremos del par termoeléctrico en dos vasos Dewar, uno de los cuales contiene el líquido puro y el otro la disolución, ambos en equilibrio con el disolvente sólido. De
esta forma puede determinarse la diferencia de los puntos de congelación de los dos sistemas con la precisión de ± 0,00002 ºC. Y posteriormente empleando la ecuación:
En la que w2 son los gramos de soluto disueltos en w1 gramos de disolvente, Se determina el peso molecular de un soluto no volátil M 2 También es importante mencionar que otros métodos también importantes son el de “Regnault” y el de “densidad al límite” 4.- La concentración de monóxido de carbono en el aire del 35 % en volumen produce la muerte en un breve espacio de tiempo el motor desajustado de un coche viejo con un desplazamiento de 4.85 L puede producir fácilmente hasta 0.6 moles de monóxido de carbono por minuto como uno de los componentes de los gases de combustión si un garaje a 27 ºC si las medidas del cuarto son 6 metros de ancho 10 metros de largo y 2.5 metros de altura cuanto tiempo transcurrirá antes que el garaje cerrado alcance la concentración mortal de CO (Supóngase que la presión total se mantiene constante a 1 atm y que no hay CO inicial)
vgaraje = ancho * largo * alto =6m*10m*2.5m = 150m V1 = 150 m
3 aire
3
3
3
. 35m CO = 52.5 m CO 3 100 m aire
v = 0.6 moles CO min PV = nRT V = nRT = 0.6 mol 0.082atm*l/mol*K 300 K = 12.3 L P 1atm 3
12.3 l . 1000ml . 1m = 0.0123m 3 1l 1.106 cm 3 v = 0.0123m CO min
3
v = V1 t 3 t= 52.5m CO = 4268.293 min 3 0.0123 m CO /min 5.- Se tiene un tubo simple en forma U que tiene abiertos los dos extremos se llena parcialmente con agua como muestra la figura en estas condiciones se agrega por uno de los lados de los brazos del tubo queroseno de densidad 0.82 g/ml formando una columna de 6 cm de altura ¿cual es la diferencia h entre las alturas de los dos líquidos? ¿Cual será la presión que ejerce la columna de queroseno expresado en mm de mercurio y en atmósferas?
6
3
0.82 g . 1.10 cm . 1Kg = 820 Kg 3 3 ml 1m 1000g m 3
2
P1 = ρqgh1 = 820 Kg/m * 9.8 m/s * 0.06m = 482.16 Pa P2 =ρH2Ogh2 P2 = P1 h2 =
P2
=
ρH2O g
482.16 Pa = 0.0492 m 3 2 1.10 Kg/m *9.8 m/s 3
h = h1- h2 h = 0.06m - 0.0492m = 0.0108 m ρq g hq = ρHg g hHg
hHg = ρq hq = 0.82g/ml*60mm = 3.6176 mmHg ρHg 13.6g/ml 3.6176 mmHg .
-3
1atm = 4.7601.10 atm 760mmHg
Bibliografía
•
Castellan, Gilbert. 1974 Fisicoquímica. Fondo Educativo Interamericano Bogotá.
•
Chang, Raymond. 1998 Química. Editorial McGraw-Hill, 6ª ed. México.
•
David R. Lide. 2005 CRC Handbook of Chemistry and Physics, Editor-in-Chief, New York
•
Robert H. Perry. 1999 PERRY’S CHEMICAL ENGINEERS’ HANDBOOK. Editorial McGraw-Hill, 7ª ed. New york.
