VI11LFQI B
UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSFACULTAD DE QUIMICA E ING. QUIMICADEPARTAMENTO ACADEMICO DE FISICOQUIMICA
LABORATORIO DE FISICOQUIMICA ITEMAGASES
PROFESORYARANGO ROJAS, Alejandro
ALUMNAYAGUA FARFAN, Emily Lucero
FECHA DE REALIZADO12/09/2014
FECHA DE ENTREGA25/09/2014
CIUDAD UNIVERSITARIATABLA DE CONTENIDO
RESUMEN....3
INTRODUCCIN4
PRINCIPIOS TERICOS.5
TABLA DE DATOS.9
EJEMPLOS DE CLCULOS..13
ANLISIS Y DISCUSIN DE RESULTADOS..17
CONCLUSIONES..18
RECOMENDACIONES..18
BIBLIOGRAFA.19
APNDICE20
RESUMENEn esa prctica se exponen dos mtodos tiles y sencillos para la determinacin de la densidad de gases y la relacin de capacidades calorficas, las cuales corresponden al objetivo de estudiar estas propiedades de los gases y a la observacin del comportamiento fisicoqumico de los mismos.Las condiciones de laboratorio fueron ptimas con una presin de 756mmHg, temperatura de 21C y una humedad relativa al 93%.La muestra de lquido orgnico voltil utilizado en la primera parte de la prctica fue el cloroformo. La densidad del cloroformo se determin por medio del mtodo de Vctor Meyer. Primero se calcula la masa del cloroformo con una sencilla diferencia de masas de la ampolla vaca y de la ampolla ms el cloroformo contenido en ella. Luego de estabilizar el equipo se procede a romper la ampolla y meterla rpidamente en el tubo de vaporizacin. El objetivo es calcular el volumen de vapor de cloroformo medido por el desplazamiento de agua dentro de la bureta, para finalmente tomar la temperatura del agua en la pera. Con estos datos se corregir el volumen de aire desplazado a CN. Se utilizar la ecuacin de Berthelot para determinar la densidad del vapor a CN y finalmente la densidad experimental dividiendo la masa del cloroformo entre el volumen calculado anteriormente. El valor de la densidad terica calcula fue de 5.676 g/mL y el valor de la densidad experimental fue de 6.07 g/mL, dando un error de 6.49%. En la segunda parte de la prctica se determin la relacin de capacidades calorficas usando el mtodo de Clment y Desormes. Se utiliz un manmetro, un pequeo inflador y el aire como gas de muestra. Para la determinacin de promedio, se tuvo que realizar 3 pruebas con diferencias de alturas de 10, 15, 20 y 25 cm cada una. Debido a que el aire no es un gas diatmico se explic durante la prueba que los valores de estaran en un rango de 1.3 a 1.5 . El promedio fue de 1.36 y los valores de Cp y Cv experimentales fueron 7.505 y 5.519 respectivamente. Los % de error fueron 8.469% en el Cp y 11.902% en el Cv.Se puede concluir de esta experiencia que el comportamiento de los gases trabajados en la prctica obedecen las leyes de los gases reales.Se recomienda la mxima concentracin durante la manipulacin de los instrumentos de laboratorio para lograr satisfactoriamente los objetivos de la prctica y evitar excesivos porcentajes de error.INTRODUCCIONLa densidad de un vapor se determina con mayor facilidad que la densidad de un gas, debido a que la substancia puede pesarse con exactitud condensndola en un lquido a la temperatura ambiente.El mtodo de Vctor Meyer es el ms sencillo de los empleados con mayor frecuencia. Se basa en medir cuidadosamente el volumen de aire desplazado por la vaporizacin de un peso conocido de lquido.Es muy importante la determinacin de la densidad de un gas para las industrias porque el medidor de densidad ha mostrado grandes ventajas e insuperables cualidades, cuando se trata de procesos, que por su complejidad necesita del monitoreo de la densidad con altos ndices de precisin; ya que al hacerlo en lnea se evita el uso de un laboratorio y toda la cantidad de muestras que se deban tomar, que aunque se tomaran a intervalos muy cortos, siempre tendramos un desfasamiento entre la medicin efectuada y la densidad real (actual) a travs de la tubera, adems que el detector enva una seal de control. Este tipo de medidores tienen gran demanda en la industria de la refinacin de gasolinas y derivados del petrleo, por lo crtico de sus procesos y lo peligroso de las reas donde se requieren, el procedimiento anterior se emplea en procesos complejos.
PRINCIPIOS TEORICOSGASEs un estado de agregacin de la materia que no posee forma ni volumen definido. Los lquidos y slidos son denominados fluidos. Los gases se clasifican como:a) Gases Ideales:En los gases ideales, el volumen ocupado por las propias molculas es insignificante en comparacin con el volumen total, y esto es vlido para todas las presiones y temperaturas; adems la atraccin intermolecular es nfima bajo cualquier condicin.b) Gases Reales:Para los gases reales, los factores antes mencionados y la magnitud de ellos depende de la naturaleza, temperatura y presin gaseosa.Resulta claro que un gas ideal es hipottico, ya que cualquier gas debe contener molculas que ocupan un volumen definido y ejercen atracciones entre s. Sin embargo, con frecuencia la influencia de estos factores es insignificante y el gas puede considerarse ideal. Estas ltimas condiciones se obtendrn a presiones bajas y a temperatura relativamente elevadas, condiciones bajo las cuales el espacio libre dentro de un gas es grande y pequea la fuerza de atraccin entre las molculas.DETERMINACION EXACTA DE LOS PESOS MOLECULARESLos pesos moleculares calculados mediante la ley de los gases ideales son aproximados incluso cuando los datos son precisos, y la razn es que an a la presin atmosfrica dicha ley no representa con exactitud la conducta de los vapores. Por este motivo, si deseamos un valor exacto del peso molecular, debe efectuarse un tratamiento especial de la ley de los gases ideales o usar una ecuacin de los gases ms precisa. Cuando se conocen los valores a y b, el uso de la ecuacin de Van der Waals nos dar una concordancia mayor entre los valores calculados y los observados. Para nuestro propsito en el laboratorio es conveniente usar la ecuacin de Berthelot pero slo puede usarse cuando la temperatura y presin crtica de la sustancia estn disponibles.
LA ECUACIN DE BERTHELOTLa expresin de esta ecuacin para presiones elevadas es difcil de manipular. A presiones bajas se reduce a:
Donde:
DEFINICION DE DENSIDAD1. Densidad absoluta:Relacin entre la masa por unidad de volumen.2. Densidad relativa:Relacin de la densidad de una sustancia con respecto a la de un gas de referencia.
MEDICIONES DE LAS DENSIDADES DE VAPORLa determinacin de las densidades de vapor de gran nmero de sustancias nos ensea que el peso molecular de las mismas en su fase de vapor, en un intervalo de temperatura establecido, es la que se podra esperar de su frmula simple. As acontece con el amoniaco, dixido de carbono, monxido de carbono, hidrgeno, cloruro de metilo, fluoruro de metilo, ter etlico, tetracloruro de carbono, cloroformo, disulfuro de carbono y acetona. Estas pueden dividirse en dos grupos: el constituido por aquellas sustancias con densidad de vapor ms elevada de la que era de esperar de sus frmulas simples, y los de una densidad menor. Todas estas anormalidades son mayores de las que podra obtenerse por la incertidumbre experimental o por la desviacin de la idealidad.Las sustancias que presentan densidades anormalmente elevadas, se considera que presentan asociacin en la fase de vapor, es decir, son molculas compuestas de ms de una unidad estructural simple. Concuerda con este punto de vista el hecho de que el peso molecular calculado es un nmero entero mltiplo de la frmula simple. As se observa que el cloruro de aluminio en estado de vapor es (AlCl3)2 o Al2Cl6, el cloruro frrico es Fe2Cl6, el cloruro de berilio es Be2Cl4, y el galio: Ga2Cl6.Por definicin: A partir de la ecuacin de Berthelot:
CAPACIDAD CALORIFICA DE LOS GASESSe define as a la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de la unidad de masa de una sustancia 1 grado. As el calor especfico es el nmero de caloras requerido para elevar 1 grado centgrado la temperatura de 1 gramo de sustancia. Lo clculos qumicos se hacen ms frecuentemente en base al nmero de moles, y por esa razn, es ms conveniente tratar con la capacidad calorfica molar que es la cantidad de calor preciso para aumentar la temperatura de una mol de sustancia1 grado. Forzosamente resulta igual al calor especfico gramo multiplicado por el peso molecular de la sustancia en cuestin.Hay dos tipos de capacidad calorfica, esto es, segn se calienta la sustancia a presin constante o a volumen constante. En este ltimo caso toda la energa proporcionada va a incrementar la interna de la sustancia y a esa capacidad la designamos por Cp. Por otra parte, al calentar una sustancia a presin constante, la energa suministrada no solo incrementa la interna sino que hace posible la expansin de la sustancia venciendo la accin que ejerce la presin atmosfrica, por eso esta capacidad que designamos por Cp, debe ser mayor que la anterior. En los lquidos y slidos, donde la variacin de volumen por calentamiento es pequeo, la diferencia entre Cp y Cv es ordinariamente ligera. Sin embargo, en los gases donde aquellos cambios son grandes, la diferencia Cp Cv es significativa siempre y no debe despreciarseEs posible realizar alguna deduccin importante sobre la conducta de los gases relativa a los calores especficos, a partir de la teora cintica.Segn la siguiente, la energa cintica de traslacin de un gas ideal por mol es
Si sta es la nica forma de energa que el gas posee (monoatmico), la diferencia correspondiente a dos temperaturas distintas T2 y T1 valdr:
Cuando , E es la energa necesaria para aumentar la de traslacin de una mol de gas, un grado, sin realizar un trabajo externo, o en otras palabras, la capacidad calorfica por mol a volumen constante Cv, de aqu que:
Donde w es trabajo realizado contra la presin de confinamiento P, cuando una mol dde gas se expande desde un volumen V1 a T1 al de V2 a T2 = T1 + 1. El valor de w puede obtenerse por la relacin
Cuando sta se reduce a w=R por mol, y de aqu que para un gas ideal
La ecuacin es vlida para todos los gases, y se permite la conversin de Cp a Cv o viceversa. Al insertar el valor de Cv en la ecuacin (*) tomando en cuenta el de R, vemos que para un gas ideal que posee energa de traslacin nicamente, Cp debe ser igual a
En consecuencia, Cp resulta constante e independiente de la temperatura en todos los casos, lo mismo que Cv, y la relacin Cp/Cv comnmente designada por , debe ser constante e igual a:
TABLA DE DATOS I. DATOS EXPERIMENTALES
TABLA 1: Condiciones ExperimentalesTemperatura(C)Presin atmosfrica(mmHg)%Humedad relativa
21C75693
TABLA 2: Densidad de gases. Determinacin experimental de la masa del cloroformom1 = masa de la ampolla0.5437 g
m2 = masa de la ampolla + cloroformo0.65 g
m2 - m1= masa del cloroformo0.1063 g
Tf = Temperatura final de la pera23C
TABLA 3: Densidad de gases. Medidas del volumen desplazado de agua en la buretaVolumen inicial de agua = V122.8 mL
Volumen final de agua = V23.7 mL
Volumen desplazado = V1 V219.1mL
TABLA 4: Densidad de gases. Resultados de densidades calculadas terica5.676 g/mL
exp.6.07 g/mL
TABLA 5: Relacin de capacidades calorficas. Medidas de las diferencias de alturas H aprox.H exp.10 cm15 cm20cm25 cm
h1=h2=9.92.415.44.319.15.124.94.4
h1=h2=10.42.415.04.921.05.925.27.0
h1=h2=10.22.915.13.819.84.825.57.7
TABLA 6: Clculo de H aprox. 10 cm15 cm20cm25 cm
1=1.321.391.361.21
2=1.31.491.391.39
3=1.41.341.321.43
prom1.341.411.361.34
prom1.36
TABLA 7: Capacidades calorficas experimentales 5.519
7.505
II. DATOS TEORICOS
TABLA 8: Datos tericos del cloroformo *=119.38 g/mol
Pc =5.472 MPa =54.004 atm=41043.366 mmHg
Tc =536.4 K
TABLA 9: Datos Tericos del aire *Cp =0.2896 x 105 J/(Kmol.K)
Cp=6.9186 cal/(mol.K)
TABLA 10: Constante de gases ideales y presin de vapor de agua a 21C *R=0.082 atm-L/(mol K) =1.987 cal/(mol K )=8.314 J/(mol K) =62.361 mmHg-L/(mol K)
Pv (a 21C)=0.0024882 MPa =0.025 atm=18.663 mmHg
(*)Fuente: Perrys Chemical Engineers Handbook, 8th EditionIII. RESULTADOS CON % DE ERROR
TABLA 11: % de Error de la densidad del cloroformo calculadaDensidad del cloroformo gaseoso% Error
terica5.676 g/mL6.49
exp.6.07 g/mL
TABLA 12: % de Error de capacidades calorficas calculadas
Capacidades calorficasTericoExperimental% Error
Cp6.9197.5058.469
Cv4.9325.51911.902
EJEMPLO DE CALCULOS1. Determinacin de la densidad del cloroformo en estado gaseosoi. Correccin de la presin baromtrica
Donde:
F: Presin de vapor a temperatura ambiente (21C)H: % de humedad del aire
ii. Clculo del volumen desplazado a condiciones normales
iii. Determinacin de la densidad terica del vapor a condiciones normalesUsando la ecuacin de Berthelot
Donde:
A partir de la ecuacin de Berthelot calculamos el valor de la densidad terica a CN:
iv. Determinacin de la densidad experimental del vapor a condiciones normales.
v. Clculo del % de error
2. Determinacin de los Cp y Cv del aire
i. Relacin de capacidades calorficas
ii. Determinacin de promedio
iii. Clculo de los Cp y Cv experimentalesSabemos que:
Resolviendo:
iv. Clculo del % de Error
ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOSA partir de los datos de condiciones ambientales de laboratorio se corrigi la presin baromtrica. Esta presin ms la temperatura final del agua en la pera fueron necesarios para calcular el volumen de agua desplazado por el vapor de cloroformo a condiciones normales.En un primer momento, al calentar la ampolla y sumergirla en el vaso con cloroformo se not el ascenso del lquido por el capilar lentamente, hasta el momento en que se toma la ampolla y por la propia temperatura del cuerpo hace que el lquido ascienda rpidamente.Para realizar un buen trabajo es preciso una ptima manipulacin del equipo de Meyer debido a que el agua en la bureta no debe fluctuar en ms de 2 mL de la lectura anterior en el proceso de estabilizar el equipo.Para calcular la masa del cloroformo se realiz una diferencia entre la ampolla vaca y la ampolla ms el lquido dentro de ella, teniendo cuidado de que se encuentre bien sellada. Se utiliz la ecuacin de Berthelot para calcular la densidad terica porque se trabaj a presin menor de una atmsfera y tambin se contaba con los datos de Pc y Tc del cloroformo.Para determinar la densidad experimental solo se dividi la masa obtenida anteriormente entre el volumen que se calcul por desplazamiento de agua en la bureta.Se obtuvo un error de 6.49% y se debe a algunos motivos: debido a que la ampolla se llen completamente y es posible que al momento de romperla se haya escapado un mnimo volumen de gas, tambin a que se tuvo por mucho tiempo la ebullicin del agua y la temperatura de trabajo haya aumentado.En la determinacin de la relacin de capacidades calorficas se obtuvieron valores de entre 1.21 y 1.49 , pero se obtuvo un promedio de 1.36. Esto es debido a que el aire no es un gas diatmico con un de 1.4 . Finalmente se tom el promedio para determinar los valores experimentales de Cp Y Cv y fueron 7.505 y 5.519 respectivamente.
CONCLUSIONES El objetivo de calentar la ampolla fue crear un vaco dentro de ella para que el lquido pueda ingresar, gracias a su tensin superficial y a la diferencia de presiones que se genera (ingresa de mayor presin a menor presin). En la experiencia de relacin de capacidades calorficas, ocurre una expansin adiabtica, donde ocurre un pequeo descenso de la temperatura y trabajo. Finalmente el comportamiento de los gases reales a presiones menores de 2 atmsferas es relativamente igual al comportamiento de los gases ideales.
RECOMENDACIONES Se recomienda tener mucho cuidado con el sellado de la ampolla debido a que el capilar puede derretirse rpidamente y romperse, lo que ocasiona un retraso en la experiencia. Tener en cuenta que se est manipulando un lquido voltil en el laboratorio y es preciso usar la luna de reloj para cubrir el vaso. Durante el paso del lquido a la ampolla es preciso esperar un breve momento para que el lquido ascienda y luego hacer presin con los dedos para que gracias a la diferencia de presiones ascienda ms rpido. Es preciso romper la ampolla y meter ambos pedazo rpidamente al tubo de vaporizacin ya que puede quedar lquido dentro del capilar. Hay que mirar siempre que los niveles de agua se encuentren a la misma altura porque de eso dependen los resultados de la experiencia. Durante la manipulacin del inflador es importante de que no se deje escapar el aire y tener mucha precisin en la medida de las alturas.
BIBLIOGRAFIA Don W. Green, Robert H. Perry, Perry's Chemical Engineer's Handbook, 8va edicin, Ed. McGraw-Hill,Madrid 2008, pginas: 1-17, 2-33, 2-48, 2-139, 2-176. Samuel H. Maron, Carl F. Prutton, Fundamentos de Fisicoqumica, 1era edicin, Ed. Limusa, Mxico, 2008, pg. (45-55). Gastn Pons Muzzo, Fisicoqumica, Curso bsico para las profesiones cientficas, 6ta edicin, Ed. Universo S.A. , Lima-Per, 1986, pginas: 25-27, 70-77. http://es.wikipedia.org/wiki/Punto_crtico_(termodinmica)
APENDICECUESTIONARIO1. En qu consiste el mtodo de Regnault para la determinacin de los pesos moleculares de las sustancias gaseosas.El mtodo de Regnault se usa para determinar los pesos moleculares de las sustancias gaseosas a la temperatura ambiente, y se realiza as:Un matraz de vidrio de unos 300 a 500 c.c. de capacidad, provisto de llave, se evaca y pesa, llenndolo a continuacin con el gas cuyo peso molecular se busca a una temperatura y presin, procediendo a pesarlo de nuevo. La diferencia de pesos representa el del gas W en el matraz cuyo volumen se determina llenndolo y pesndolo con agua o mercurio, cuyas densidades se conocen. Con los datos as obtenidos, se deduce el peso molecular buscado mediante la ecuacin:
En un trabajo preciso se usa un bulbo ms grande para llenarlo y otro con contrapeso, y se corrigen las mediciones reducindolas al vaco.
2. Explique que es la temperatura de Boyle.La ley de Boyle es exacta solo para gases ideales. Los gases reales siguen la Ley de Boyle a presiones hasta de 2 atmsferas con un error de unos 1.5%, cosa que es despreciable. Si para un gas ideal trazamos un sistema de ejes coordenados, en donde la ordenada representa el producto (PV) y la abscisa las presiones, se obtendrn isotermas.Para la mayora de gases reales, a temperaturas constantes, el producto (PV) primero disminuye conforme aumenta la presin, pasa despus por un mnimo y finalmente empieza a aumentar con el aumento de la presin. Para otros gases como el hidrgeno y el helio, el producto (PV) aumenta continuamente con el aumento de la presin sin pasar por un mnimo.No obstante para cada gas real hay una temperatura caracterstica de este, a la cul (PV) permanece prcticamente igual cuando se aumenta su presin hasta valores de presiones moderadamente altas. Entonces se denomina Temperatura Boyle, porque el gas real obedece con gran exactitud la Ley de Boyle, dentro de un sistema de variacin de la presin.3. Defina el punto crtico(Pc, Vc, Tc)Entermodinmicay enfisicoqumica, unpunto crticoes aquel lmite para el cual el volumende unlquidoes igual al de unamasaigual devaporo, dicho de otro modo, en el cual lasdensidadesdel lquido y del vapor son iguales. Si se miden las densidades del lquido y del vapor en funcin de latemperaturay se representan los resultados, puede determinarse latemperatura crticaa partir del punto de interseccin de ambas curvas. Temperatura y presin por encima de la cual no se puede condensar un gas.Cerca del punto crtico hay cambios espectaculares en las propiedades fsicas del sistema: Las fluctuaciones en la densidad, causadas por la agregacin de grupos de molculas al azar, se amplifican y dan lugar a la dispersin de la luz incidente. Fluidos por lo general transparentes, como el xenn o el agua, quedan con apariencia lechosa. El fluido se hace extremadamente suave y se comprime bajo la influencia de su propio peso. Por ejemplo la minscula presin de 4 mmHg provoca una compresin de 10% en el xenn. En contrapartida es necesaria una altura de 1 Km para obtener una variacin semejante en la densidad atmosfrica. El fluido se hace extremadamente lento desde el punto de vista trmico el transporte de calor a lo largo de 1 cm de xenn cerca del punto crtico puede demorar das, mientras que para el aire ambiente demora apenas 1s.
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Punto_crtico_(termodinmica)Prctica N1 - GASES8
