Manipulación de gases (Recolección de gases)

Gina A. Quintero .C -William A. Huertas D117002718 - 117002716

Facultad de Ciencias Agropecuarias y Recursos Naturales.Universidad de los Llanos, Villavicencio – Colombia

Resumen

Este artículo muestra los resultados de la práctica elaborada con una tableta de Alka-Seltzer para determinar el contenido en porcentaje de NaHCO3 en la tableta por medio reacciones químicas en donde se empleo el método por pérdida de masa y el método de recolección de gases. Se demostró la cantidad en porcentaje de bicarbonato de sodio presente en la tableta y se realizo una comparación con los porcentajes arrojados por el fabricante del producto.

Palabras clave: Alka-Seltzer, ley de los gases ideales, ley de Boyle, Ley de Charles, ley de Avogadro, ley de Dalton, solubilidad de los gases.

Introducción

El estudio del comportamiento de los gases ha dado origen a numerosas teorías químicas y físicas.De muchas maneras, el estado gaseoso es el que se puede investigar con mayor facilidad. (1)

Leyes de los gases

Ley de Boyle

Robert Boyle en el siglo XVII estudio cuantitativamente el comportamiento de los gases .Boyle analizo la relación que hay entre la presión y el

volumen en una muestra de gas, por medio de un aparato (manómetro), la presión ejercida sobre el gas por el mercurio que se agrega al tubo es igual a la presión atmosférica. Relación entre la presión y el volumen de un gas cuando la temperatura es constante. Al aumentar el volumen, las partículas del gas tardan más en llegar a las paredes del recipiente y por tanto chocan tantas veces por unidad de tiempo contra ellas. Esto quiere decir que la presión será menor ya que esta representa la frecuencia de choques del gas contra las paredes.

T= cte ; PV cte ; V= cte ; P1V1 = P2V2

P

Una aplicación de la ley de boyle es predecir con base a la ecuación en que forma se efectuara el volumen de un gas por un cambio de presión, o como impactara la presión ejercida por un gas mediante el cambio de volumen. (2)

Ley de Charles y de Gay Lussac

Gracias a los estudios de Jacques Charles y Joseph Gay-Lussac demostraron que a una presión constante, el volumen de una muestra de gas se expande cuando se calienta y se contrae al enfriarse. Las relaciones cuantitativas expresadas en estos cambios de temperatura y volumen del gas resultan notablemente congruentes. Cuando se estudia la relación entre temperatura y volumen a varias presiones. A cualquier presión dada, el grafico de volumen contra la temperatura es una línea recta.

A presión constante el volumen de una determinada masa de gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta (273.15 K).

P=cte V=cte V1 = V2

T1 T2

Donde V1 y V2 son los volúmenes de los gases a las temperaturas T1 Y T2

(ambas en Kelvin) respectivamente. (2)

Gay- Lussac V= cte ⇒ P cte T P/T =cte; P1 = P2

T1 T2

Ecuación de estado

En las expresiones anteriores una magnitud permanece constante, cuando varían todas es conveniente recurrir a esta ley: Para una determinada masa de gas el producto de la presión por el volumen es directamente proporcional a la temperatura absoluta.

PV =cte T PV = cte T P1V1=P2V2

T T

Para aplicar esta ley, los volúmenes y presiones deben estar en las mismas unidades en ambos miembros y la temperatura necesariamente en la escala absoluta o Kelvin. (2)

Ley de Avogadro

Amadeo Avogadro publico en 1811 público una hipótesis en donde estableció que a la misma presión y temperatura, volúmenes iguales de diferentes gases contienen el mismo número de moléculas. Por lo tanto el volumen es directamente proporcional al número de moléculas presentes.

V= nk

Donde n representa el número de moles y k es la constante de proporcionalidad k =RT/P entonces podemos obtener la expresión matemática de la ley de Avogadro, la cual establece que a presión y temperatura constantes, el volumen de un gas es directamente proporcional al numero de moles del gas presente.Según la ley de Avogadro cuando dos gases reaccionan entre si, los volúmenes que reaccionan de cada uno de los gases tienen una relación sencilla entre sí. (2)

Ecuación de los gases idealesDe acuerdo con las ecuaciones de la ley de Boyle, Charles y Avogadro, el volumen de un gas depende de la presión, temperatura y numero de moles:

(con T y n constantes) (ley de Boyle)(con P y n constantes) (ley de Charles)(con T y P constantes)

(ley de Avogadro)

Por lo tanto, V debe ser proporcional al producto de estos tres términos, es decir:

O

Donde R, una constante de proporcionalidad, es la constante del gas. A la ecuación se le llama ecuación de los gases ideales. La ecuación de los gases ideales es un ejemplo de una ecuación de estado, que proporciona las relaciones matematicas entre propiedades que definen el estado de un sistema, como P, T y V. (1)

Ley de Dalton de presiones parcialesHasta el momento hemos analizado el comportamiento presión-volumen-temperatura de un gas puro; sin embargo, con frecuencia trabajamos con mezclas de gases. En el caso de un sistema que contenga dos o más gases diferentes, la presión total es la suma de las presiones individuales que cada gas ejercería si estuviera solo y ocupara el mismo volumen. Por lo tanto:

Donde P1 , P2… son las presiones individuales o parciales de los componentes 1, 2 … y ∑ es el signo de sumatoria. A esta ecuación se le conoce como Ley de Dalton de las presiones parciales. (1)

Solubilidad de los gases

Los gases son pocos solubles en agua y en otros líquidos corrientes. Estas disoluciones son de gran

importancia: sin la presencia de oxígeno en el agua de mares y ríos no sería posible la vida acuática; los refrescos y bebidas gaseosas representan parte apreciable de la industria de alimentos.

La relación cuantitativa entre la solubilidad de los gases y la presión esta dada por la ley de Henry, que establece que la solubilidad de un gas en un líquido es proporcional a la presión del gas sobre la disolución

Influencia de la presión.

La presencia del gas sobre la disolución debe ser tenida encuenta en las disoluciones gaseosas, puesto que, al variar aquella, varia la solubilidad delgas disuelto que está en equilibrio con el gas sin disolver. La influencia de la presión sobre la solubilidad de un gas se expresa mediante la ley de Henry, la cual establece que en una disolución muy diluida, a temperatura constante, la concentración del gas disuelto es proporcional a la presión parcial del gas que se encuentra sobre la disolución, una vez alcanzado el equilibrio. La presión parcial del gas se obtiene restando la presion de vapor del disolvente de la presión total que existe sobre la disolucion. Si C2 es la concentración del gas disuelto, en gramos/litro de disolvente, y p la presion parcial, en mm de Hg, delgas no disuelto, que permanece sobre la disolucion, la ley de Henry puede expresarse asi:

C2=kp [2]

Siendo k una constante de proporcionalidad característica de la disolución que se esta considerando. Aqui, la concentración se expresa, más adecuadamente, mediante la fracción molar, pero, cuando las disoluciones son muy diluidas, puede emplearse la molaridad. La importancia de la ley de Henry para el farmacéutico se basa, en parte, en el hecho de que la solubilidad de un gas aumenta directamente con la presión del gas existente sobre la disolución y que, por el contrario, la solubilidad del gas disminuye, de modo que algunas veces el gas escapa con violencia, cuando cesa la presion del gas sobre la disolución. Este fenomeno se advierte con frecuencia en las disoluciones efervescentes cuando se quita el tapan del envase que las contiene

Influencia de la temperatura.

La temperatura ejerce también una influencia notable sobre la solubilidad de un gas en un líquido, pues cuando aumenta la temperatura disminuye la solubilidad de la mayoría de los gases, debido a la mayor tendencia que tiene el gas a expandirse. Esta propiedad de expansión, junto con el fenomeno de la presion, hacen que el farmacéutico tome precauciones al abrir los envases de disoluciones gaseosas en climas cálidos, o bajo condiciones de temperatura elevadas. Así, un recipiente que

contenga una disolucion gaseosa o un líquido con una elevada presion de vapor, por ejemplo, el nitrato de etilo, antes de abrirlo debe sumergirse en hielo o en agua fría, durante algún tiempo, para reducir la temperatura y la presion del gas.

Influencia de las reacciones químicas

La ley de Henry se cumple correctamente en los gases que solo son ligeramente solubles y que no reaccionan, de modo alguno, con el disolvente. Pero con gases como el cloruro de hidrogeno, el amoniaco y el anhídrido carbónico, existen desviaciones de esta ley, como: consecuencia de la reacción química que tiene lugar entre el gas y el disolvente, la cual origina, por. Regla general, un aumento de la solubilidad. Por esto, el cloruro de hidrogeno' es aproximadamente 10000 veces más soluble en agua que el oxígeno. (2)

Materiales y métodos

Se determino la cantidad de bicarbonato de sodio en una tableta de Alka-Seltzer empleando el método por perdida de masa donde utilizo 30 mL de vinagre que reacciono junto con la tableta de Alka-Seltzer durante 10 minutos hasta que se completo la reacción. Se tomo el peso antes y después de la reacción para de esta forma poder determinar el porcentaje de bicarbonato de sodio por medio

del peso perdido durante la reacción, esto debido a la liberación de gas (CO2). Como resultante de la determinación de la cantidad de bicarbonato de sodio, igualmente se logra hallar la cantidad de gas liberado durante la reacción.

Para el método por recolección de gases se utilizo el montaje adecuado de recolección de gases sobre agua, donde añadimos cerca de 0,4 g de Alka-Seltzer a 35 mL de vinagre en un tubo con desprendimiento lateral que se conectaba a una probeta por medio de una manguera, esto debidamente ubicado en un recipiente lleno de agua, al igual q la probeta. Al iniciar la reacción se procura evitar errores de cantidad de volumen y perdida de gas en el montaje para de esta forma al finalizar la reacción se logre determinar una cantidad de volumen de gas acumulado en la probeta invertida y así hallar la cantidad de bicarbonato de sodio en la fracción de la tableta de Alka-Seltzer utilizado.

Resultados

Determinación del porcentaje de NaHCO3 en una pastilla de alka–seltzer

Tabla 1.perdida de peso

VARIABLE DATOMasa del vaso con vinagre 102.0241 gMasa del alka-seltzer con el sobre 3.8787 gMasa de la pastilla de alka-seltzer 3.2708 gMasa del vaso con vinagre + pastilla 105.2948 gMasa del vaso luego de la reacción 104.2409 gMasa de CO2 perdida 1.0539 gCalculo de la masa de NaHCO3 que reacciono

2.0078 g

Calculo del % de masa de NaHCO3 en la tableta

61.383 %

FUENTE. Propia

Tabla 2.Recolección de gases

Variable Dato (Exper 1) Dato (Exper 2)Masa del alka-seltzer 0.4655 g 0.4309 gVolumen en ml de CO2 43 ml 42 mlAltura en mm de la columna de H2O 102 mm 103 mmMasa de CO2 perdida 0.0714 g 0.0697 gTemperatura de baño de agua 21 ºC 21 ºCCalculo de las moles de CO2 1.6231 x10-3 moles 1.5852 x10-3 molesCalculo de la masa de NaHCO3 que reacciono

0.1363 g 0.1331 g

Calculo del % de masa de NaHCO3

en la tableta 29.280 % 30.888 %

FUENTE. Propia

Discusión

Método por pérdida de masa

En la Rx1 podemos observar que el bicarbonato de sodio reacciona con el acido acético para producir dióxido de carbono, agua y acetato de sodio. Al disolver la pastilla de Alka-Seltzer en vinagre obtuvimos CO2 el cual se

difundió fácilmente ya que entre sus moléculas no existe atracción, por lo tanto se produce la efervescencia. Este gas se adapto fácilmente al volumen del recipiente debido al movimiento molecular que presenta este.

Mediante este método se pudo hallar la cantidad de masa CO2 perdida durante la reacción y el porcentaje de NaHCO3 en la tableta, el cual es del 61,38% experimentalmente, donde fue comparado con el porcentaje indicado por el fabricante del producto que corresponde a 59,87%. Se obtuvo un margen de error de 2,46% en los porcentajes de NaHCO3

obtenidos en el laboratorio, esto nos lleva a comprobar que efectivamente la cantidad de compuestos indicados en el envoltorio de la tableta de Alka-Seltzer esta bien indicado en cuanto a masa ya que las cifras halladas experimentalmente son muy cercanas a la indicadas por el proveedor del producto.

Método de recolección de gases

La recolección de gases en agua es una técnica muy importante en el análisis cuantitativo de sustancias gaseosas ya que se logro determinar la cantidad de moles de gas recolectado y posteriormente su masa.

En este caso se ve reflejado la relación cuantitativa de los gases y la presión la cual esta dada por la ley de

Henry, que establece que la solubilidad de un gas en un liquido es directamente proporcional a la presión del gas sobre la disolución (1)

C∞ P

C =kP

Donde c es la concentración molar del gas disuelto, P es la presión total en (atmosferas) del gas sobre la disolución y k es un constante que solo depende de la temperatura.

La cantidad de gas que se disolvió viene asociado a la frecuencia de colisión de las moléculas del gas con la superficie del líquido y que queden atrapadas en la fase condensada.(3) En este caso se tomo una pequeña porción de Alka-Seltzer la cual estaba en equilibrio con una disolución, por lo tanto se puede decir que el número de moles que entran a la disolución es igual al número de moléculas disueltas que pasan a la fase gaseosa. Cuando la presión parcial del gas es mayor se disuelven mas moléculas ya que están chocando con la superficie del liquido. Este proceso continua hasta que haya un equilibrio de moléculas.

Para poder obtener la cantidad de masa de CO2 perdida, se hallo la presión parcial del gas para luego aplicar la ley de Avogadro teniendo en cuenta las condiciones de T y Volumen tomados en la práctica, de esta forma se obtuvo 1.6231 x10-3

moles de CO2 recolectado que es igual al número de moles de

bicarbonato de sodio que reaccionaron con el ácido acético esto equivale a una masa de 0.1363 g de NaHCO3.

Bibliografía

1. Raymond Chang – Fisicoquimica para las ciencias químicas y biológicas – Tercera edición 2008

2. Gilbert W. Castellán – Fisicoquimica- Segunda edición 1974, 1987

3. Raymond Chang – Quimica general – Septima edición 2002

Anexo 1

Reacción que se lleva a cabo entre el ácido acético y el Bicarbonato de sodio.

NaHCO3 (s) +CH3COOH (ac) CO2 (g) +H2O (l) + CH3COONa

Bicarbonato de Na + Acido acético Dióxido de Carbono + Agua +acetato de sodio.

Si toda la pastilla reacciona en la recolección de gases, determine el volumen de CO2 que se recolectaría a las condiciones de laboratorio.

1.0539 g de CO2 * (1mol deCO244.01 g

) = 0.0239 moles de CO2

V co 2=0,0239mol×0,0821

atmLmol k

x294K

0,946atm=¿0.609 Lt

Si reaccionara toda la pastilla se recolectarían 0.609 litros de CO2.

¿Por qué el producto final se puede arrojar por la cañería sin problema?

El producto final de la reacción entre el bicarbonato de sodio con el acido acético es la sal respectiva sal de acetato en disolución acuosa con una concentración baja que no representa un riesgo biológico al desecharlo en el agua.

Anexo 2

CALCULOS

Método por pérdida de masa

Masa del vaso con vinagre +pastilla - masa del vaso luego de la reacción

105.2948 g - 104.2409 g = 1.0539 g de CO2

MOLES DE CO2 = MOLES DE NAHCO3

1.0539 g de CO2 * (1mol deCO244.01 g

) = 0.0239 moles de CO2

0.0239 moles *( 84.008 g

1molde NaHCO 3) =2.0078 g de NAHCO3

% de masa de NaHCO3 en la tableta

2.0078 g NaHCO3 * 100 % = 61.383 % 3.27089 g

% Error = 59.87 – 61.383 *100 = 2.464 % 61.383

Método de recolección de gases

P = Presión de CO2 dentro del sistema

T = Temperatura del agua

V = Volumen colectado de CO2

R = Constante de gases (0,0821L.atm/mol.K)

Primera prueba

Patm = PCO2 + PcolumnaH2O + PvapordeH2O

PCO2 = Patm - PcolumnaH2O - PvapordeH2O

Presión atmosférica = 719 mm Hg

719 mm Hg *¿) = 0.946 atm

Presión de vapor de H2O a 21ºC

18.663mm Hg*¿) = 0.0245 atm

Presión de la columna de H2O

102mm13.6

= 7.5 mm Hg ( 1atm

760mmHg) = 9.868 x10-3 atm

PCO2 = 0.946 atm - 9.868 x10-3 atm - 0.0245 atm

PCO2 = 0.911632 atm

Ley de Avogadro

nco2=PVRT

nco2=0.9116 atm∗0.043< ¿

0,0821¿ . atmmol . K

∗294 .15K¿

nco2 =1.6231 x10-3 moles de CO2

1.6231 x10-3 moles de CO2 *(44.01 g

1mol deCO2)

=0.0714 g de CO2

Moles NaHCO3 = Moles CO2

Masa de NaHCO3

1.6236 x10-3 moles* ( 84.008g1mol

) = 0.1363 g NaHCO3

% de masa de NAHCO3 en la tableta

0.1363 g NaHCO3 * 100 % = 29.280 % 0.4655 g

Segunda prueba

PCO2 = Patm - PcolumnaH2O - PvapordeH2O

Presión de la columna de H2O

103mm13.6

= 7.57 mm Hg ( 1atm

760mmHg) = 9.965 x10-3 atm

PCO2 = 0.946 atm - 9.965 x10-3 atm - 0.0245 atm

PCO2 =0.91153 atm

Ley de Avogadro

nco2=PVRT

nco2=0.91153 atm∗0.042< ¿

0,0821¿ . atmmol . K

∗294.15K¿

nco2 =1.5852 x10-3 moles de CO2

1.5852 x10-3 moles de CO2 *(44.01 g

1mol deCO2)

=0.0697 g de CO2

Masa de NaHCO3

1.5852 x10-3 moles * ( 84.008g1mol

) = 0.1331 g NaHCO3

% de masa de NAHCO3 en la tableta

0.1331 g NaHCO3 * 100 % = 30.888% 0.4309g

Promedio experimental

29.280+30.8882

=30.084 %

% reportado de NAHCO3 = 1.977 g deNAHCO3 * 100 = 59.87 % 3.300 g pastilla

% Error = 59.87 - 30.084 *100 = 49.75 % 59.87