UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE QUÍMICA LABORATORIO DE TERMODINÁMICA
Prian Zama María del Mar
27/09/2015
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Contenido Práctica 4: Determinación de la constante universal de los gases ..................................... 3 Objetivo:......................................................................................................................... 3 Hipótesis: ....................................................................................................................... 3 Introducción.................................................................................................................... 3 Cuestionario Previo ........................................................................................................ 4 Determinación de la constante universal de los gases R ................................................... 5 Problema........................................................................................................................ 5 Material, Equipo y reactivos ........................................................................................... 5 Aplicación de lenguaje termodinámico ........................................................................... 5 Procedimiento experimental ........................................................................................... 6 Diagrama de flujo ........................................................................................................... 6 Resultados ..................................................................................................................... 7 Cálculos ......................................................................................................................... 7 Discusión y Análisis de resultados ................................................................................. 8 Aplicaciones en la industria ............................................................................................ 9 Conclusiones.................................................................................................................. 9 Bibliografía ......................................................................................................................... 9
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Práctica 4: Determinación de la constante universal de los gases Objetivo: Determinar experimentalmente la constante universal de los gases R y el volumen molar del hidrógeno. Hipótesis: Siempre que el Mg entre en contacto con el HCl se liberará , provocando un aumento de presión; ésta será en todos los casos mayor a la presión atmosférica.
Introducción “En un gas las moléculas individuales están tan distantes entre sí, que las fuerzas de cohesión que existen entre ellas son generalmente pequeñas. Si bien es cierto que la estructura molecular de diferentes gases puede variar en forma considerable, su comportamiento casi no se ve afectado por el tamaño de las moléculas individuales [..] Una de las más útiles generalizaciones respecto a los gases es el concepto de gas ideal, cuyo comportamiento no se ve afectado en lo absoluto por fuerzas de cohesión o volúmenes moleculares.” (Tippens, 2001)
La constante universal de los gases, relaciona varias funciones de estado, entre ellas la energía, la temperatura y la cantidad de moles de un gas. Esta constante, es utilizada en la ecuación de los gases ideales, que combina las leyes de Avogadro, Gay Lussac, Charles y Boyle. Ley de Avogadro: Volúmenes iguales de distintas sustancias gaseosas, medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura, contienen el mismo número de moléculas.
y es también en número de El número de Avogadro es aproximadamente átomos que contiene un mol; de ahí se dice que la ley de Avogadro establece que:
6.022 x 10
"Un mol de diferentes sustancias contiene el mismo número de moléculas" Ley de Gay-Lussac: La presión de un volumen fijo de un gas, es directamente proporcional a su temperatura.
=
Ley de Charles: Mientras la masa y la presión de un gas se mantengan constantes, el volumen de dicho es directamente proporcional a su temperatura absoluta.
=
Ley de Boyle: Siempre que la masa y la temperatura de una muestra de gas se mantengan constantes, el volumen de dicho gas es inversamente proporcional a su presión absoluta.
=
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Cuestionario Previo 1. ¿Por qué la constante universal de los gases es representada por la letra R? Aunque no se sabe con certeza, históricamente se cree que es en honor al químico Regnault, quien re-evalúo la constante de los gases utilizando los datos que Benoit – Clapeyron obtuvieron para los ciclos de Carnot. Sin embargo, la UIPAC acepta el uso de la letra R para denominar a la constante universal de los gases.
2. ¿Por qué R es llamada la constante universal de los gases? R es una constante, pues en un análisis dimensional, para relacionar la proporcionalidad entre varias variables, se necesita de una constante para que las unidades sean siempre equivalentes. Este valor constante es utilizado en la ecuación de estado de los gases ideales, que combina las leyes de Avogadro, de Gay Lussac y la ley de Charles. De la combinación de estas leyes, surge la ecuación general de los gases: PV=nRT En el modelo de gas ideal, el volumen de la molécula del gas es despreciable, y las partículas no interactúan entre sí. En la mayor parte de los gases, el valor de R se aproxima al descrito en dos cifras significativas, siempre y cuando las condiciones de presión y temperatura estén alejadas de los puntos de licuefacción o sublimación para dicho gas.
3. Escribe la reacción balanceada entre el Mg y HCl. (productos)
+ 2 → +
4. Investiga los diferentes valores de la constante R en diferentes unidades. Valores de R 0.082057 8.3144621 8.205736 x
10−
62.36368
Unidades
∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗
Valores de R 83.144621 10.73158 0.73024
Unidades
∗ ∗ ∗ ° ∗ ∗ ° ∗
5. Investiga la reactividad y toxicidad de los reactivos a utilizar. Mg : Posible explosión del polvo o de los gránulos al mezclarse con el aire. En seco se puede cargar electrostáticamente al ser removido, transportado, vertido. HCl: I ritante y corrosivo para cualquier tejido con el que tenga contacto. La exposición breve a bajos niveles produce irritación de la garganta.
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Determinación de la constante universal de los gases R Problema Manteniendo constantes, Cantidad de materia (n), Presión (P) y Temperatura (T), obtener experimentalmente la constante universal de los gases R y el volumen molar a condiciones ambientales, a partir de la reacción de Mg y HCl para producir hidrógeno. Material, Equipo y reactivos 1 Tubo de desprendimiento. 1 Jeringa de 3 mL con aguja 1 Tapón de #0 2 Mangueras de látex (aprox. 50 cm) 1 Bureta de 50 mL sin llave 1 Termómetro (0.1 °C) 1 Embudo de vidrio 2 Pinzas para bureta 1 Pinza de tres dedos
3 soportes universales 1 Pipeta Pasteur 1 Tapón de #000 1 Vaso de pp de 250 mL 1 Vidrio de reloj Balanza digital Ácido Clorhídrico 3 M (5 mL) Magnesio en tiras (3 aprox. 4 cm c/u) Acetona o etano
Aplicación de lenguaje termodinámico 1. Inicialmente el sistema, que se encuentra en equilibrio con el ambiente, por lo que la presión registrada en el manómetro es igual a la presión atmosférica. El sistema tiene las siguientes características: a. Abierto permite el intercambio de materia y energía con el exterior. b. Homogéneo tiene solo una fase c. Componentes cuenta tan solo con un componente (agua con colorante) d. Las paredes del sistema son impermeables, rígidas y diatérmicas no permiten el intercambio de materia, pero sí de energía.
2. Posteriormente el sistema sufre un cambio al introducir el tapón y la jeringa: a. Cerrado no permite el intercambio de materia el exterior, más si de energía. b. Heterogéneo Durante la reacción podemos observar la barra de magnesio reaccionando con el ácido clorhídrico. c. Componentes 3 (agua, Mg, HCl) d. Las paredes del sistema son impermeables, rígidas y diatérmicas no permiten el intercambio de materia, pero sí de energía. Esto es necesario ya que la reacción del Mg + HCl es exotérmica.
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Procedimiento experimental 1. Armar el equipo que se muestra en la Figura 1, verificando que no existan fugas. 2. Llenar completamente la bureta hasta que el agua inunde el vástago del embudo. 3. Asegurar que no existan burbujas de aire en la bureta y mangueras. 4. Medir la temperatura ambiente (Tamb) y presión barométrica (Patm). 5. Doblarla en 4 partes una tira de Magnesio y pesarla para obtener la masa inicial (m1). 6. Llenar la jeringa con HCl 3M (este nos servirá para los tres experimentos) e insertar la aguja en el tapón del tubo. 7. Colocar el magnesio en el tubo y el tapón con la jeringa. 8. Medir el volumen inicial en la bureta (V1). 9. Inyectar aproximadamente 0.5 mL de HCl. 10. Esperar 15 minutos a que la reacción finalice y que el gas obtenido alcance el equilibrio con la temperatura ambiente (Tamb). 11. Mover el embudo para igualar el nivel del agua con el nivel de la bureta, como se muestra en la figura 2. Diagrama de flujo Llenar completamente la bureta has que el agua inunde el vástago del embudo.
Tomar una pequeña cantidad de Mg y pesarlo
Llenar la jeringa con HCl e insertar la aguja en el tapón del tubo.
Mover el embudo para igualar el nivel del agua con el nivel de la bureta.
Inyectar HCl y esperar a que la reacción finalice y que el gas obtenido alcance el equilibrio con la temperatura ambiente.
Colocar el magnesio en el tubo y el tapón con la jeringa
Medir el volumen final del gas en la bureta y restar con el inicial.
Repetir el experimento 2 veces más.
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Resultados Tabla 1: Registro de vo lum en
Temperatura ambiente: 24°C
297.15K
Presión atmosférica: 0.77atm
Masa de Mg inicial Masa de Mg final Volumen inicial Volumen final ΔmL
Cálculos
1
2
3
0.020g 20.4mL 48.4mL 28.0mL
0.023g 20.0mL 50.5mL 30.5mL
0.0147g 20.2mL 36.9mL 16.7mL
= 28.0 1000 = . 1mol )( 1 ) = .− nMg = 0.02g(24.31g 1 1 ) = .− n = 8.23x10−(1 = 22.4 760 = . = 0.77 0.02947 = . 0.74053∗0.028 = . = = 8.3310− ∗ 297.15 0.028 = . = 8.2310 − = = ̅ = 34.02∗0.77∗273 297.15 ∗ 1 = ./ 0.082 = .% % = 0.084 0.082 7 22.40 = .% % ̅ = 24.022.40
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Tabl a 2: Cálc ul os
1
2
3
0.028L
0.0305L
0.0167L
0.020g
0.023g
0.0147g
8.23 10− 8.23 10−
9.46 10− 9.46 10−
6.05 10− 6.05 10−
22.4mmHg
22.4mmHg
22.4mmHg
0.2947atm
0.2947atm
0.2947atm
0.74053atm
0.74053atm
0.74053atm
R experimental
0.084
0.080
0.072
Volumen molar del H2
24.07L/mol
22.81L/mol
19.53L/mol
% error R
2.43% 7.45%
2.43% 1.83%
12.19% 12.81%
Volumen H2 despendido Masa de Mg que reaccionó Mol de Mg que reaccionó Mol de H2 que se formó Presión del vapor de agua Presión del vapor de agua Presión parcial del H2
% error V molar
El valor de R promedio obtenido fue de: 0.078 El promedio del volumen molar de H 2 fue de: 22.13L/mol Dados estos valores promedio podemos calcular los porcentajes de error generales de la práctica:
% = .%
% = .%
Discusión y Análisis de resultados Durante la realización de la práctica, se observaron algunas variaciones en la toma de resultados, especialmente en la tercera repetición del experimento. Las variaciones observadas las atribuyo a que el sistema parecía tener una pequeña fuga que nunca logramos detectar con precisión para poder corregirla y sellar por completo el sistema. A pesar de esto el margen de error del experimento fue muy bajo (4.87%), por lo que puede afirmarse que los resultados obtenidos son correctos y confiables. El experimento fue realizado bajo condiciones de repetibilidad, con un número de mediciones suficiente, esto ayudó a reducir la incertidumbre generada por los instrumentos utilizados dando como resultado un valor promedio de R y del volumen molar de H 2 cercano al valor teórico.
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La hipótesis ha sido aceptada ya que la presión ejercida por el H 2 producido durante la reacción del Mg con el HCl fue, en todos los casos, mayor a la presión atmosférica. Este acierto se debió en gran medida a que sabiendo que en un sistema abierto la presión del mismo será igual a la presión atmosférica, al cerrarlo e iniciar la reacción del Mg donde se libera un gas, es lógico asumir que el volumen que ocupará dicho gas aumentará la presión del sistema, el cual al ser un sistema cerrado no podrá alcanzar el equilibrio con la presión atmosférica. Aplicaciones en la industria Las leyes de los gases se utilizan en distintas industrias, por ejemplo en los electrodomésticos. Los refrigeradores utilizan gases para disminuir la temperatura del ambiente al pasar de un estado gaseoso a un estado líquido. En este caso la presión del gas es importante pues el gas se transporta en tubos metálicos y la presión del mismo dentro de los tubos debe ser regulada.
La constante universal de los gases, así como las distintas leyes de los gases también son utilizadas en los procesos de purificación del agua, ya sea de aguas residuales o de agua de mar cuya concentración salina quiere disminuirse para consumo humano. Para llevar a cabo la purificación del agua, es necesario realizar un proceso de ósmosis inversa; esto se logra presurizando el agua con menor concentración de sal a un valor superior a la presión osmótica, como consecuencia de esto el agua con salmuera se concentrará más. Conclusiones Una vez concluida la práctica, puede afirmarse que el procedimiento experimental y los instrumentos elegidos fueron los adecuados. A pesar de esto, considero que el porcentaje de error siempre puede ser reducido un poco más; durante la realización de la práctica nos percatamos de que existía una fuga (casi imperceptible) en el sistema, esto es importante ya que seguramente es un factor determinante en el porcentaje de error.
En cuanto al procedimiento se refiere, me parece importante asegurarse que toda la barra de magnesio reaccione (como fue sugerido) y asi procurar disminuir el porcentaje de error, al no tener que pesar la barra de Mg cuando probablemente aún puede existir una reacción. Para lograr esto, simplemente debemos tomar una cantidad suficientemente pequeña de Mg y añadir HCl en exceso, así como esperar a que la reacción haya concluido para tomar las mediciones pertinentes.
Bibliografía Tippens, P. E. (2001). Fisica Conceptos y aplicaciones. Mexico: Mc Graw Hill. Apuntes Física 1: laboratorio de física. Profesor Filiberto Rivera, 2012 Roberto Gleason Villagrán, propuesta de prácticas para el Laboratorio de Física, Facultad de química.
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