practica nro4

ESTADO GASEOSO

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS FACULTAD DE INGENIERÍA QMC 100 - L CURSO BASICO SEM 2/2011 LABORATORIO QUIMICA GENERAL

PRÁCTICA Nº 4

ESTADO GASEOSO

1 OBJETIVO GENERAL Comprobar experimentalmente las leyes que rigen el estado gaseoso

1.1 OBJETIVOS ESPECIFICOS Realizar mediciones de presión utilizando manómetros en U. Estudiar el comportamiento de un gas y comprobar en forma practica el

cumplimiento de las leyes empíricas desarrolladas por Boyle, Charles y Gay Lussac

Generar un gas en condiciones controladas y recogerlo sobre agua, utilizando para ello en eudiómetro.

Realizar medidas de magnitudes comunes en forma correcta y confiable. Calcular experimentalmente el valor de la constante R y comparar el valor hallado

con el valor bibliográfico. Realizar el tratamiento de datos con énfasis en promedios aritméticos y errores

absoluto y relativo

2 FUNDAMENTO TEORICO

2.1 Gas

Sustancia en uno de los tres estados diferentes de la materia ordinaria, que son el sólido, el líquido y el gaseoso. Los sólidos tienen una forma bien definida y son difíciles de comprimir. Los líquidos fluyen libremente y están limitados por superficies que forman por sí solos. Los gases se expanden libremente hasta llenar el recipiente que los contiene, y su densidad es mucho menor que la de los líquidos y sólidos.

La teoría atómica de la materia define los estados, o fases, de acuerdo al orden que implican. Las moléculas tienen una cierta libertad de movimientos en el espacio. Estos grados de libertad microscópicos están asociados con el concepto de orden macroscópico. Las moléculas de un sólido están colocadas en una red, y su libertad está restringida a pequeñas vibraciones en torno a los puntos de esa red. En cambio, un gas no tiene un orden espacial macroscópico. Sus moléculas se mueven aleatoriamente, y sólo están limitadas por las paredes del recipiente que lo contiene.

Se han desarrollado leyes empíricas que relacionan las variables macroscópicas. 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

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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 cuyo descubrimiento fue una piedra angular de la ciencia moderna.

2.2 Ley de Boyle-Mariotte

En física, ley que afirma que el volumen de un gas a temperatura constante es inversamente proporcional a su presión.

La ley de Boyle también se puede enunciar de la siguiente manera:“En un sistema aislado para cualquier masa de gas en un proceso isotérmico (temperatura constante), el producto de la presión por el volumen es constante”.

2.3 Ley de Charles

Ley que afirma que el volumen de un gas ideal a presión constante es proporcional a su temperatura absoluta.

2.4 Ley de Gay-Lussac

Se puede expresar de la siguiente manera:“En todo proceso isocórico (volumen constante), manteniendo el número de moles constante, la presión de cualquier gas es directamente proporcional a su temperatura constante”.

2.5 Condiciones normales

Se conoce como condiciones normales de la materia gaseosa, a ciertos valores arbitrarios (acordados universalmente), de presión y temperatura, los que son:

T = 273 K ó t = 0 °C

P = 1 atm = 760 mmHg


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En estas condiciones el volumen ocupado por un mol de cualquier gas es de 22.4 litros (valor igual a V0 en la ley de Charles). Al volumen ocupado por un mol de sustancia se denomina volumen molar.

2.6 Vapor

Sustancia en estado gaseoso. Los términos de vapor y gas son intercambiables, aunque en la práctica se emplea la palabra vapor para referirse al de una sustancia que normalmente se encuentra en estado líquido o sólido, como por ejemplo agua, benceno o yodo. Se ha propuesto restringir el uso del término a las sustancias gaseosas que se encuentren por debajo de su punto crítico (la máxima temperatura a la que se puede licuar aplicando una presión suficiente) y hablar de gas por encima de la temperatura crítica, cuando es imposible que la sustancia exista en estado líquido o sólido. Esencialmente, el uso de los términos es arbitrario, porque todas las sustancias gaseosas tienen un comportamiento similar por debajo y por encima del punto crítico.

Cuando se confina el vapor emitido por una sustancia a cualquier temperatura, ejerce una presión conocida como presión de vapor. Al aumentar la temperatura de la sustancia, la presión de vapor se eleva, como resultado de una mayor evaporación. Cuando se calienta un líquido hasta la temperatura en la que la presión de vapor se hace igual a la presión total que existe sobre el líquido, se produce la ebullición. En el punto de ebullición, al que corresponde una única presión para cada temperatura, el vapor en equilibrio con el líquido se conoce como vapor saturado; es el caso, por ejemplo, del vapor de agua a 100 °C y a una presión de 1 atmósfera. El vapor a una temperatura superior al punto de ebullición se denomina vapor sobrecalentado, y se condensa parcialmente si se disminuye la temperatura a presión constante. A temperaturas y presiones normales, la presión de vapor de los sólidos es pequeña y suele ser despreciable. Sin embargo, la presencia de vapor de agua sobre el hielo demuestra su existencia. Incluso en los metales, la presión de vapor puede ser importante a temperatura elevada y presión reducida. Por ejemplo, la rotura del filamento de wolframio de una bombilla (foco) incandescente se debe fundamentalmente a la evaporación, que implica un aumento de la presión de vapor. Cuando se calienta una solución de dos sustancias volátiles, como agua y alcohol, el vapor resultante contiene ambas sustancias, aunque generalmente en proporciones distintas de las de la solución original. Normalmente se evapora primero un porcentaje mayor de la sustancia más volátil; este es el principio de la destilación.

2.7 Gas Húmedo

Se entiende por gas húmedo a la mezcla homogénea de gas seco y el vapor de un líquido. Los gases húmedos tienen las siguientes características:

- Se recogen generalmente sobre un líquido no volátil.- Tiene una aplicación de la ley de Dalton de las presiones parciales.- Se obtiene este gas burbujeando a través de un líquido.- Las moléculas arrastradas en forma de vapor son recolectadas como moléculas de

gas y de líquido vaporizado.


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2.8 Humedad absoluta

Humedad absoluta es la relación entre la masa de vapor y la masa del gas seco, contenidos en una masa de gas húmedo.

2.9 Humedad relativa

La humedad relativa es la relación entre la presión de vapor que contiene una masa de aire y la que contendría si estuviese saturado a la misma temperatura.

3 MATERIALES Y REACTIVOS

3.1 Materiales

ITEM MATERIAL CARACTERÍSTICA

CANTIDAD

ITEM

MATERIAL CARACTERÍSTICA

CANTIDAD1 Manómetro en U 4 9 Aparato

CENCO para gases

1

2 Termómetro de mercurio

0-100 ºC 1 10 Tubo generador de gases

1

3 Aparato para Leyes de Charles y Gay Lussac

1 11 Jarro metálico 1

4 Eudiómetro 50 cm3 1 12 Vaso de precipitados de

1000 cm3 1

5 Regla 50 cm 1 13 Tapón de goma con una perforación

1

6 Soporte universal 1 14 Tubo de vidrio en forma de U

1

7 Pinza porta bureta 1 15 Hornilla 1

8 Vernier 1 16

3.2 Reactivos


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ITEM REACTIVO CARACTERÍSTICA

1 Ácido clorhídrico p.a.

2 Magnesio en cinta

p.a

3 Zinc p.a

4 Procedimiento

4.1 Medidas de presión

Ejercer presión en el tubo de entrada de gas Medir la presión manométrica en cada manómetro (agua, aceite, Hg) Registrar los datos

4.2 Ley de Boyle

Realice las medidas a temperatura constante ambiente del laboratorio. Registre el diámetro del tubo que contiene el gas Registre la altura del gas. Registre la presión manométrica del gas Cambie la presión con ayuda de la varilla de vidrio y repita todas las mediciones

anteriores. Repita el procedimiento 5 veces para tener 5 datos de Presión vs. Volumen.

4.3 Ley de Charles

Realice las medidas a presión constante (se sugiere la presión atmosférica que corresponde a alturas iguales del liquido manométrico en ambos brazos del manómetro).

Llene de agua caliente la camisa calefactora que rodea al tubo que contiene al gas Con un termómetro registre las variaciones de temperatura a medida que el agua

enfría. Para cada variación de temperatura registre el volumen del gas. Repita el proceso por lo menos 7 veces

4.4 Ley de Gay Lussac

Realice las medidas a volumen constante. Llene de agua caliente la camisa calefactora que rodea al tubo que contiene al gas Con un termómetro registre las variaciones de temperatura a medida que el agua

enfría. Para cada variación de temperatura registre la presión manométrica del gas. Repita el proceso por lo menos 7 veces.


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4.5 Determinación de la constante R

Arme el sistema para recoger gas hidrogeno (generado por la reacción de HCl y Mg) sobre agua con ayuda del eudiómetro, el tubo generador de gases, el vaso de precipitados y el soporte universal.

Pese y registre una masa de magnesio adecuada (pregunte al docente la cantidad)

Introduzca el Mg al tubo generador y espere reaccione completamente. Registre en el sistema del eudiómetro la temperatura del agua ( se supone que

esta temperatura es la del gas ya que el gas burbujea a través del agua) Mida y registre la presión manométrica del gas húmedo. Mida y registre el volumen del gas. Repita el procedimiento para otras dos muestras de Mg de diferente masa.

5 Datos Experimentales

5.1 Medidas de Presión

Presión manométrica (mm) Alumno 1 Alumno 2 Alumno 3 Alumno 4

Liquido manométrico agua

Liquido manométrico aceite

Liquido manométrico mercurio

5.2 Ley de Boyle

Diámetro del tubo: …………. [mm]

Alumno 1 Alumno 2 Alumno 3 Alumno 4 Alumno 5

Temperatura

ambiente[ºC]

Presión manométrica

Δh [mmHg]

Altura del gas h [mm]

5.3 Ley de Charles


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Alumno 1

Alumno 2

Alumno 3

Alumno 4

Alumno 5

Alumno 6

Alumno 7

Presión

constante

[mmHg]

Temperatura

[ºC]

Volumen[cm3]


Alumno 1

Alumno 2

Alumno 3

Alumno 4

Alumno 5

Alumno 6

Alumno 7

Volumen constante [cm3]

Temperatura [ºC]

Presión manométrica

[mm Hg]

5.5 Determinación de la constante R

Experiencia 1 Experiencia 2 Experiencia 3Masa de Mg [mg]Volumen de H2 [cm3]Presión manométrica [mm agua]Temperatura [ºC]

6 Cálculos

En todos los casos se debe realizar el tratamiento estadístico de datos que incluye: Calculo del valor promedio como el más representativo Calculo del intervalo de confianza en base a:


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Donde t es el valor de t de Student con un grado de confianza determinado, S es la desviación estándar del conjunto de datos y n es el número de mediciones

Calculo del error absoluto y relativo respecto del valor bibliográfico o de referencia cuando corresponda

6.1 Medidas de presión

Calcular la presión absoluta expresada en altura de agua, aceite y mercurio. Comprobar la formula:

para el par agua – Hg Con la anterior fórmula calcular la densidad del aceite

6.2 Ley de Boyle

Calcular la presión absoluta para cada presión manométrica Calcular el volumen del gas con la ayuda de la fórmula del volumen de un cilindro Con los datos de presión absoluta y volumen, calcular la constante de Boyle KB

Realizar un gráfico Presión vs. Volumen Realizar un gráfico Presión vs. 1/V Del anterior gráfico calcular gráficamente la constante de Boyle KB como la

pendiente de la recta

6.3 Ley de Charles

Calcular la temperatura absoluta para cada juego de datos Con los datos de temperatura absoluta y volumen calcular la constante de Charles

KCH. Realizar un gráfico Volumen vs. Temperatura relativa (ºC). En este grafico

prolongar la recta hasta volumen 0 para encontrar el valor de cero absoluto de temperatura.

Realizar un gráfico de Volumen vs. Temperatura absoluta (ºK). Del anterior gráfico calcular gráficamente la constante de Charles KCH como la



Calcular la temperatura absoluta para cada juego de datos Con los datos de temperatura absoluta y presión calcular la constante de Gay

Lussac KG. Realizar un gráfico Presión vs. Temperatura relativa (ºC). En este grafico prolongar

la recta hasta presión 0 para encontrar el valor de cero absoluto de temperatura. Realizar un gráfico de Presión vs. Temperatura absoluta (ºK). Del anterior gráfico calcular gráficamente la constante de Gay Lussac KG como la



ESTADO GASEOSO

6.5 Determinación de la Constante R

Calcular el número de moles de H2 producidos a partir de la masa de Mg, considerando que 1 mol de H2 se obtiene a partir de 1 at-g de Mg.

Calcular la presión del H2 seco. Considerar que el gas obtenido es húmedo y que se debe restar la Pv

* a la temperatura del sistema de la presión del gas húmedo para obtener la presión del gas seco.

Calcular con ayuda de la ecuación de estado la constante R experimental.

Calcular el error absoluto y relativo en cada caso tomando como referencia los valores bibliográficos.

7 Cuestionario

1. Dibuja dos isóbaras en un diagrama V vs. T y dos isóbaras en un diagrama P vs V. Indica cual de las dos tiene mayor volumen.

2. Cuál es la presión manométrica si la presión absoluta es de 500 mm Hg. en Santa Cruz?

3. Si la presión manométrica de un recipiente en La Paz es 550 mm Hg. ¿Cual será la presión manométrica en Santa Cruz?

4. Expresa la constante R en todas las unidades que conozcas5. Si un gas se calienta al doble de su temperatura inicial y su volumen se duplica.

Cuál será la P final?6. Dibuja dos isócoras en un diagrama P vs T y dos isócoras en un diagrama P vs V.

Indica cual de las dos tiene mayor volumen.7. Si la presión manométrica de un recipiente en Sta Cruz es 850 mm Hg. ¿Cual será

la presión manométrica en La Paz?8. Un gas húmedo tiene una presión de 560 mm Hg Si la Pv a la temperatura del gas

es de 20 mm Hg. ¿Cual es la presión del gas seco?9. Dibuja dos isotermas en un grafico P vs V. Indica cual tiene temperatura menor.10. Si un gas se calienta al doble de su temperatura inicial y su volumen se triplica.

¿Cuál será la P final?11. ¿Qué masa de hidrógeno se producirá a partir de 0.02 g de Mg cuando reacciona

con HCl?12. ¿Cuál es la presión absoluta en La Paz si la presión absoluta es de 1500 mm Hg en

Santa Cruz?13. Un recipiente de 3 litros con una presión de 870 mm Hg se une a otro recipiente de 2

litros con una presión de 1400 mm Hg. ¿Cual es la presión del sistema unido?14. Un sistema gaseoso se comprime a la mitad del volumen inicial y se enfría a un

tercio de su temperatura original. ¿Cual es la presión final?15. Enuncie la ley de Boyle literal y matemáticamente16. Enuncie la ley de Charles literal y matemáticamente17. Enuncie la ley de Gay Lussac literal y matemáticamente18.¿Cuáles son las características de un gas ideal?


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19. Una muestra de aire está saturada en un 50% con vapor de agua a 30 °C y se halla a una presión de 700 mmHg. ¿Cuál será la presión parcial del vapor de agua si la presión del gas se reduce a 100 mmHg? La presión de vapor del agua a 30 °C es 31.8 mmHg.

20. Una muestra de 500 litros de aire seco a 25 °C y 750 mmHg de presión se hace burbujear lentamente a través de agua a 25 °C y se recoge en un gasómetro cerrado con agua. La presión del gas recogido es de 750 mmHg. ¿Cuál es el volumen del gas húmedo? La presión de vapor del agua a 25 °C es 23.8 mmHg.

21. En un edificio con acondicionamiento de aire se absorben desde el exterior 1000 litros de aire, a la temperatura de 11 °C, presión de 780 mmHg y humedad relativa de un 20%. Dicho aire pasa a través de los aparatos adecuados, donde la temperatura aumenta a 20 °C y la humedad relativa a un 40%. ¿Cuál será el volumen ocupado por dicha masa de aire, si la presión en el edificio es de 765 mmHg? Las presiones de vapor del agua a 11 °C y 20 °C son respectivamente, 9.8 mmHg y 17.5 mmHg.

22. 1 litro de aire satura de vapor de benceno a 20 °C y a la presión total de 750 mmHg se expande a dicha temperatura, en contacto con benceno líquido, hasta un volumen de 3 litros. La presión de vapor de benceno a 20 °C es 74.7 mmHg. Hallar la presión final del aire satura de vapor de benceno.

23. Aire saturado en un 60% de alcohol etílico, a 40 °C y 760 mmHg, se comprime dentro de un tanque de 100 litros de capacidad a 10.0 atm y 30 °C. Calcular el volumen del aire en las condiciones iniciales. Las presiones de vapor del alcohol etílico a 30 °C y 40 °C son, respectivamente, 78.8 y 135.3 mmHg. Suponer nulo el volumen del alcohol etílico condensado.

8 Bibliografía

BABOR, JOSE &IBARZ, JOSE Química General Moderna. 8va Ed Editorial Marin S.A. (1977)

GRAY, HARRY & HAIGHT, GILBERT Principios Básicos de Química Editorial Reverte (1969)

MONTECINOS, EDGAR & MONTECINOS, JOSE Química General. Prácticas de Laboratorio. La Paz (1989)


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