UNMSM Escuela de Ingeniera de Minas Informe de Laboratorio de Fisicoqumica

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

Universidad del Per, Decana de Amrica

FACULTAD DE INGENIERIA GEOLGICA, MINERA, METALRGICA, GEOGRFICA Y CIVIL.

E.A.P. INGENIERA DE MINAS

Ao de la Promocin de la Industria Responsable y del Compromiso ClimticoINFORME:

DIFUSION DE GASES Y LIQUIDOS

DOCENTE:

Ing. Gudelia Canchari Silverio

ASIGNATURA:

Fisicoqumica

ALUMNOS Y CODIGO :

Apaza Quispe Omar 03160056 Jhosep Elio Cirineo Mateo 12160045 Miguel Angel Delgado Rojas 11160140

1er INFORME DE FISICOQUMICA DIFUSIN DE GASES Y LQUIDOS

1. OBJETIVOS:

Demostrar la ley de difusin de gases (ley de Graham). Comparar la difusin de gases con la de los lquidos. Comparar los datos experimentales con los datos tericos.

2. DATOS TERICOS:

DIFUSIN DE GASES:La difusin gaseosa es la dispersin gradual de un gas en el seno de otro. De este modo las molculas de una sustancia se esparcen por la regin ocupada por otras molculas, colisionando y movindose aleatoriamente. Este es un proceso muy rpido, y no es necesario un cuerpo por el que difundirse, ya que se difunde tambin por el vaco. La efusin es la fuga de un gas hacia el vaco por medio de un pequeo orificio o de una membrana porosa, debido a que las molculas del gas colisionan con ms frecuencia con el poro donde la presin es ms alta. De este modo, hay ms molculas que pasan de la zona de alta presin a la de baja que al contrario. En 1860, Thomas Graham, un qumico escocs demostr que la velocidad de efusin y difusin de los gases es inversamente proporcional a la raz cuadrada de su masa molar

de esta ley se deduce que si la velocidad de efusin o difusin es inversamente proporcional al tiempo que tarda en escapar una determinada cantidad de gas, implica necesariamente que el tiempo de efusin necesario para la efusin de un cierto nmero de moles de molculas es directamente proporcional a la raz cuadrada de la masa molar

Ley de GrahamLa Ley de Graham, formulada en 1829 por Thomas Graham, establece que las velocidades de efusin de los gases son inversamente proporcionales a las races cuadradas de sus respectivas densidades.

Siendo v las velocidades, las densidades y las masas moleculares, respectivamente. Efusin es el flujo de partculas de gas atravs de orificios estrechos o poros. Se hace uso de este principio en el mtodo de efusin de separacin de istopos. Los diferentes procesos que se realizan en las plantas, como lo son: la efusin, la smosis y la imbibicin vegetal. Se encuentran ntimamente ligados con el transporte de agua y de soluciones desde el punto de origen hasta el medio donde sta es activada. Cada sustancia se difunde libremente de otras hasta que se difunden todas equitativamente. En la planta la velocidad de efusin depende del gradiente lo cual est determinado por la diferencia entre las concentraciones de las sustancias en las dos regiones y por la distancia que las separa. El fenmeno de efusin est relacionado con la energa cintica de las molculas. Gracias a su movimiento constante, las partculas de una sustancia, se distribuyen uniformemente en el espacio libre. Si hay una concentracin mayor de partculas en un punto habr ms choques entre s, por lo que har que se muevan hacia las regiones de menor nmero: las sustancias se funden de una regin de mayor concentracin a una regin de menorconcentracin.

Velocidad de difusin de los gases

De los 4 estados de la materia, los gases presentan la mayor facilidad de efusin de sus respectivas molculas, como ocurre en el aire, ya que sus molculas tienen velocidades superiores. Las molculas de diferentes clases tienen velocidades diferentes, a temperatura constante, dependiendo nicamente de la densidadLey de difusin de GrahamLa difusin es el proceso por el cual una sustancia se esparce durante un proceso que se realiza uniformemente en el espacio que encierra el medio en que se encuentra. Porejemplo: si se conectan dos tanques conteniendo el mismo gas a diferentes presiones, encorto tiempo la presin es igual en ambos tanques. Tambin si se introduce una pequea cantidad de gas A en un extremo de un tanque cerrado que contiene otro gas B, rpidamente el gas A se distribuir uniformemente por todo el tanque.

La difusin es una consecuencia del movimiento continuo y elstico de las molculas gaseosas. Gases diferentes tienen distintas velocidades de difusin. Para obtenerinformacin cuantitativa sobre las velocidades de difusin se han hecho muchas determinaciones. En una tcnica el gas se deja pasar por orificios pequeos a un espacio totalmente vaco; la distribucin en estas condiciones se llama efusin y la velocidad delas molculas es igual que en la difusin. Los resultados son expresados por la ley de Graham. "La velocidad de difusin de un gas es inversamente proporcional a la raz cuadrada de su densidad. "En donde v1 y v2 son las velocidades de difusin de los gases que se comparan y d1 y d2son las densidades. Las densidades se pueden relacionar con la masa y el volumen porque ( ); cuando M sea igual a la masa (peso) v molecular y v al volumen molecular, podemos establecer la siguiente relacin entre las velocidades de difusin de dos gases y su peso molecular: Y como los volmenes moleculares de los gases en condiciones iguales de temperatura y presin son idnticos, es decir V1 = V2, en la ecuacin anterior sus races cuadradas se cancelan, quedando: Es decir: la velocidad de difusin de un gas es inversamente proporcional a la raz cuadrada de su peso molecular. DIFUSIN DE LQUIDOSPROPIEDADES DE LOS LQUIDOSUn lquido est formado por molculas que estn en movimiento constante y desordenado, y cada una de ellas choca miles de millones de veces en un segundo. Sin embargo, las intensas fuerzas de atraccin de tipo dipolo-dipolo, enlaces de hidrogeno o de London evitan que se muevan tan libremente y estn tan separadas como se encuentran en un gas. Por otra parte, las molculas de un lquido no estn tan juntas o estructuradas como lo estn en un slido. Por estas razones, los lquidos presentan caractersticas que los colocan entre el estado gaseoso completamente catico y desordenado y bien ordenado estado slido.FORMA Y VOLUMENEn un lquido, las fuerzas de atraccin son aun suficientemente intensa para limitar a las molculas en su movimiento dentro de un volumen definido, pero no son tan poderosas como para hacer que las molculas guarden una posicin precisa dentro del lquido. De hecho las molculas, dentro de los lmites del volumen del lquido estn en libertad de moverse unas alrededor de otras, y de esa manera permite que fluyan los lquidos. Por lo tanto, los lquidos conservan un volumen definido, pero, debido a su capacidad para fluir, su forma depende del contorno del recipiente que los contiene.COMPRESIN Y EXPANSINLas fuerzas de atraccin en un lquido causan que las molculas permanezcan juntas, y el aumento de la presin casi no produce efectos sobre el volumen, debido a que hay poco espacio libre dentro del cual se puedan aglomerar las molculas. Por tanto, los lquidos son prcticamente incompresibles. De manera semejante, los cambios en la temperatura solo ocasionan pequeos cambios en el volumen. El aumento del movimiento molecular va acompaado de una elevacin de la temperatura y tiende a aumentar la distancia intermolecular, pero a esto se opone las poderosas fuerzas de atraccin.

DIFUSINCuando se mezclan dos lquidos, las molculas de uno de ellos se difunde en todas las molculas del otro liquido de a mucho menor velocidad que cuando se mezclan dos gases. La difusin de dos lquidos se puede observarse dejando caer una pequea cantidad de tinta en un poco de agua. Sin embargo, como las molculas en ambos lquidos estn tan cercas, cada molcula sufre miles de millones de choques antes de alejarse. La distancia promedio entre los choques se le llama trayectoria libre media y es mucho ms corta en los lquidos que en los gases, donde las molculas estn bastantemente separadas. Debido a las constantes interrupciones en sus trayectorias moleculares, los lquidos se difunden mucho ms lentamente que los gases.VISCOSIDAD

Algunos lquidos, literalmente fluyen al igual que la maleza, mientras que otros fluyen con facilidad, la resistencia a fluir se conoce con el nombre de viscosidad. Entre mayor es la viscosidad, el lquido fluye ms lentamente. Los lquidos como la maleza o el aceite de los motores son relativamente viscosos; el agua y los lquidos orgnicos como el tetracloruro de carbono no lo son. La viscosidad puede medirse tomando en cuenta el tiempo que transcurre cuando cierta cantidad de un lquido fluye a travs de un delgado tubo, bajo la fuerza de la gravedad.

En otro mtodo, se utilizan esferas de acero que caen a travs de un lquido y se mide la velocidad de cada. Las esferas ms lentamente en los lquidos ms viscosos. La frmula para determinar la viscosidad con respecto al tiempo es:dV r4 (P1 - P2)dt 8 LDnde:dV/dt = Velocidad de flujo del lquido a lo largo de un tubo.r = Radio del tubo.L = Longitud(P1 - P2) = Diferencia de presinLa viscosidad se relaciona con la facilidad con la cual las molculas individuales del lquido se mueven en relacin con las otras. Esto depende de la fuerza de atraccin entre las molculas y tambin del hecho de que existan caractersticas estructrales que provoquen que las molculas se enreden entre s. La viscosidad disminuye a medida que aumenta la temperatura, debido a que a altas temperaturas la energa cintica promedio es mayor y hace que las molculas superen con facilidad las fuerzas de atraccin entre ellas.DIFUSIN DE SOLIDOSEn los slidos las molculas se encuentran ms unidas que en los lquidos; el movimiento molecular tiene mayores restricciones. En muchos slidos, las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las molculas en una distribucin fija que se conoce como red cristalina. En los slidos porosos, que tienen canales o espacios vacos interconectados, la difusin si se ve afectada.En el movimiento molecular en el estado slido la transferencia de masa se divide dos campos:

La difusin de gases o lquidos en los poros del slido: se puede llevar mediante tres mecanismos:

Difusin de Fick: si los poros son grandes y el gas relativamente denso, la transferencia de masa se llevar a cabo por medio de la difusin de Fick.

Difusin Knudsen: Ocurre cuando el tamao de los poros es del orden de la trayectoria media libre de la molcula en difusin; es decir si el radio del poro es muy pequeo, las colisiones ocurrirn principalmente entre las molculas del gas y las paredes del poro y no entre las propias molculas. La difusividad Knudsen depende de la velocidad molecular y delradio del poro.Difusin superficial: Esta tiene lugar cuando las molculas que se han absorbido son transportadas a lo largo de la superficie como resultado de un gradiente bidimensional de concentracin superficial. Las molculas una vez absorbidas pueden transportarse por desorcin en el espacio poroso o pormigracin a un punto adyacente en la superficie.

La autodifusin de los constituyentes de los slidos por medio del movimiento atmico: Hay varios mecanismos de autodifusin por los cuales se difunden los tomos:

Difusin por vacantes: que implica la sustitucin de tomos, un tomo deja su lugar en la red para ocupar una vacante cercana (creando un nuevo sitio vaco en su posicin originalen la red). Se presenta un reflujo de tomos y vacantes.

Difusin intersticial: Un tomo se mueve de un intersticio a otro. Este mecanismo no requiere de vacantes para llevarse acabo. En ocasiones un tomo sustitucional deja su lugar en la red normal y se traslada a un intersticio muy reducido.

Difusin intersticial desajustada: Es poco comn, debido aque el tomo no se ajusta o acomoda fcilmente en el intersticio, que es ms pequeo.

Intercambio simple: Puede darse el intercambio simple entre tomos o por medio del mecanismo cclico (desplazamiento circular).

PARTE EXPERIMENTAL

I .- DIFUSION DE GASES

MATERIALES: Dos tubos de ensayo. Un tubo de vidrio doblado en ngulo recto. Dos tapones e caucho. Un tubo de vidrio de 60 cm. Regla graduada. Cronometro. Dos jeringas de 1ml descartable.

REACTIVOS: Solucin CC. de NH4OH Solucin CC. de HCl Agua destilada. Indicador de fenolftalena.

3. PROCEDIMIENTO EN DIFUSION DE GASES:

Se arm el equipo como se ve en la primera imagen.

Se puso 3 ml de hidrxido de amonio en un extremo del tubo simultneamente se puso otras 3 ml de HCl en el otro extremo del tubo, se procedi a tapar el tubo hermticamente.

Se puso el cronometro en cero y se procedi a tomar el tiempo hasta q se form el anillo de cloruro de amonio.Se midi las distancias recorridas por los dos gases hasta el anillo.

4. PROCEDIMIENTO EN DIFUSION DE LIQUIDOS:

Se puso en un tubo de ensayo 5ml de agua destilada y 2 ml de amoniaco concentrado respectivamente.Al tubo que contiene agua se aadi dos gotas de fenolftalena y se puso en contacto los dos tubos por medio de una varilla de vidrio doblada en ngulo recto conteniendo en cada extremo un tapn de caucho perforado, estos tapones deben ser hermticos.Se apreci las reacciones, se anot el tiempo.

Tard 5 minutos 15 segundos en aparecer el aura que confirma la reaccin notndose a la vez la aparicin de cierta coloracin del lquido del lado de uno de los tubo.

III.- DIFUSION DE SOLIDOS EN LIQUIDOS

1.- Poner en un frasco o matraz 50 ml de agua destilada, tomar la temperatura.

2.- aadir 1g de permanganato de potasio solido

3.- medir el tiempo en que se difundir completamente (disolver)

4.- Realizar los mismos pasos pero a 50C y a 80C.

5.- Observe las reacciones que ocurren, anote el tiempo en que ocurren los cambios y explique los resultados

Se observa que el permanganato de potasio reaccin diluyndose en el agua de acuerdo a la temperatura a la que esta se encuentra. En agua caliente a una velocidad mucho mayor debido a que las molculas de H2O se encuentran en un estado de mayor actividad lo que conduce a una rpida disolucin.

agua heladaagua destiladaagua caliente

Temperatura -inicial15 C26 C50 C

Temperatura-final23 C25 C48 C

tiempo de disolucin08:5305:5300:30

TABLA DE RESULTADOS:

EXPERIMENTO 1EXPERIMENTO 2EXPERIMENTO 3

HClNH4OHHClNH4OHHClNH4OH

Longitud del tubo en cm505050

Distancia recorrida en cm22,5 y 27,5 cm20 y 30 cm20 y 30 cm

Tiempo inicial en s000

Tiempo final en s120 s128 s125 s

Tiempo empleado120 s128 s125 s

Velocidad de difusin (cm/s)0.1875 y 0.22910.1562 y 0.23430.16 y 0.24

Promedio de la distancia recorrida por el HCl en cm20.83 cm

Promedio de la distancia recorrida por el NH4OH en cm29.16 cm

Promedio del tiempo empleado por el HCl en s124.3 s

Promedio del tiempo empleado por el NH4OH en s124.3 s

Promedio de velocidad de difusin HCl en (cm/s)0.1679 cm/s

Promedio de velocidad de difusin NH4OH en (cm/s)0.2345 cm/s

5. CUESTIONARIO:

1.Por qu el tubo de vidrio debe estar completamente limpio y seco?

Porqu al no estar seco y limpio puede reaccionar con el agua o con otros elementos presentes y as no se llegara a obtener un buen experimento.

2.Describa las propiedades ms importantes de los gases utilizados

El amonaco, a temperatura ambiente, es un gas incoloro de olor muy penetrante y nauseabundo. Se produce naturalmente por descomposicin de la materia orgnica y tambin se fabrica industrialmente. Es fcilmente soluble y se evapora rpidamente. Es un gas incoloro de olor picante, corrosivo, fumante al aire a consecuencia de su avidez por el agua y formacin de un hidrato. Su disolucin saturada a 0C tiene una concentracin de 37% y una densidad es de 1,19 g/cm3. Por el calor y las chispas elctricas se disocia. Es muy soluble en el agua y al disolverse desprende gran cantidad de calor. El cido clorhdrico posee las propiedades qumicas caractersticas del cido. Estas propiedades se deben a la presencia de los tomos de hidrgeno en la molcula del cido.

3. Escriba la reaccin qumica que ocurre cuando se ponen en contacto los dos gases

HCl + NH4OH ---> NH4Clcido clorhdrico + Amoniaco ---> Cloruro de amonio

4. Los resultados estn de acuerdo con la teora? Por qu?Por Ley de Graham:1: HCl2:NH4 OHv1/v2= (M2/M1)1/2v2/v1= (36.5/35) v2/v1= (1.0428) 1/2v2/v1= 1.021Por lo experimental: 0.2345 /0.1679= v2/ v1V2/ v1= 1.4265Los resultados no estn de acuerdo con la teora porque hubo muchos factores que impidieron la precisin de este experimento como por ejemplo la simultaneidad al colocar los tapones y la fuerza con la que se presiona la jeringa.

5. Qu gas difunde ms rpido? Por qu?

Se difunde ms rpido el NH4OH (amoniaco) debido a que el peso molecular del amoniaco es menor (17) que el del HCl (36) lo que comparativamente resulta ms ligero de una mayor velocidad de difusin

6.- Dos globos del mismo material y tamao estn llenos con hidrogeno y oxgeno a la misma temperatura y presin, el oxgeno escapa a 65 mL/h Con que rapidez escapara el hidrogeno? Por Ley de GrahamV1*M1 = V2 *M2 V1 * 2 = 65ml/h * 32 V1= 260ml/h El hidrogeno escapara a 260 ml/h6. Cul de los gases de las temperaturas se difundir con mayor rapidez, si se encuentran todos ellos a 20C y 4 atm, a travs de iguales orificios?a) C12 (M=144)b) C3H8 (M= 44)c) NO2 (M= 33)d) CH4 (M= 16)

De la expresin matemtica se concluye que el gas ms liviano (menor M) se difundir o efusionar con mayor rapidez que el gas ms pesado. Por lo tanto:

Entonces el orden con respecto a cul se difundir ms rpido es el siguiente; CH4