UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y TEXTIL

AREA ACADEMICA DE INGENIERIA QUIMICA

INFORME N° 01 LABORATORIO DE FISICOQUIMICA I

QU 426 B

TITULO: DENSIDAD Y PESO MOLECULAR APARENTE DEL AIRE

ALUMNOS:

PROFESORES: Ing. Olga Bullón Camarena

PERIODO ACADEMICO: 2015-1 NOTA

REALIZACION DE PRACTICA: 27/03/15

ENTREGA DE PRACTICA: 10/04/15

INDICE

Objetivos 2

Fundamento teórico 2

Datos y resultados 4

Cálculos químicos 6

Discusión de resultados 10

Observaciones 11

Conclusiones 11

Bibliografía 12

Apéndice 12

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PRACTICA DE LABORATORIO N° 1

DENSIDAD Y PESO MOLECULAR APARENTE DEL AIRE

Objetivo

Determinar la densidad y el peso molecular del aire, mediante la medición de masas diferentes de aire, contenidos en un recipiente, a presión constante.

Fundamento Teórico

De los tres estados de la materia, el estado gaseoso presenta una descripción cuantitativa relativamente sencilla.

Para poder definir las propiedades que rige el comportamiento de un gas es necesario conocer tan solo cuatro propiedades: masa, volumen, presión y temperatura.

La ecuación de estado del sistema es la relación matemática que existe entre estas cuatro propiedades.

Ley de Boyle:

da una relación entre la presión de un gas y el volumen que ocupa a temperatura constante. Dicha ley establece que el producto de la presión por el volumen a temperatura constante es constante:

Ley de Charles:

Establece que a presión constante el cociente entre el volumen que ocupa un gas y su temperatura expresada en kelvin es constante:

2

Ley de Gay-Lussac:

Establece que la presión de un volumen fijo de un gas es directamente proporcional a su temperatura:

Los resultados de las leyes de Boyle y Charles se pueden combinar para que den una expresión que represente la relación triple entre el volumen, la temperatura y la presión de un gas, esto se conoce como una ecuación de estado, que se indicaría por:

Para un mol de gas, la constante que aparece en el segundo miembro de la ecuación anterior es la constante universal de los gases ideales R, por lo que la ecuación de estado de un gas ideal es:

Donde n es el número de moles.

El valor de R en el Sistema Internacional es:

Ecuación de Estado de Van der Waals

La ley de gas ideal trata a las moléculas de un gas, como partículas puntuales con colisiones perfectamente elásticas. Esto funciona bien en muchas circunstancias experimentales, con gases diluidos. Pero las moléculas de gas no son masas puntuales, y hay circunstancias donde las propiedades de las moléculas, tienen un efecto medible experimentalmente. Johannes D. van der Waals en 1873 propuso una modificación de la ley de gas ideal, para tener en cuenta el

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tamaño molecular y las fuerzas de interacción moleculares. Se la refiere normalmente como la ecuación de estado de van der Waals.

Las constantes a y b tiene valores positivos y son características del gas individual. La ecuación de estado de van der Waals, se aproxima a la ley de gas ideal PV=nRT a medida que el valor de estas constantes se acercan a cero. La constante a proveer una corrección para las fuerzas intermoleculares. La constante b es una corrección para el tamaño molecular finito y su valor es el volumen de una mol de átomos o moléculas.

Temperatura T(°C) 40°C 50°C 60°C 70°C 80°C

Masa del sistema:msis. (g)

113.7370g 113.7172g 113.7145g 113.7103g 113.7001g

DATOS Y RESULTADOS:

P=760mmHg T= 28°C

Se tiene la masa total del sistema:

msis.= m(recipente/tapón) + maire……….(1)

Para poder hallar la masa del aire y así calcular la masa molar de este, se tiene que extraer la pendiente de la ecuación lineal de msis. vs 1/T. Por ello se realizaran algunos ajustes a la expresión (1).

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Mediante la ecuación de estado se obtiene:

maire = (P.V.Maire)/R.T

Reemplazando en (1):

msis.= m(recipente/tapón) + [(P.V.Maire)/R.](1/T)

Y = a + b .X

Ajuste de mínimos cuadrados para la recta Y = a + bX :

Y X XY X2m sis. 1/T (1/T)(msis.) (1/T)2

113.7370 3.1933x10-3 363.196x10-3 1.0197x10-5

113.7172 3.0945x10-3 351.897x10-3 0.9575x10-5

113.7145 3.0016x10-3 341.325x10-3 0.9009x10-5

113.7103 2.9141x10-3 331.363x10-3 0.8491x10-5

113.700 2.8316x10-3 321.952x10-3 0.8017x10-5

∑Y ∑ X ∑ XY ∑ x2

568.579 15.0351x10-3 1709.733x10-3 4.5292x10-5

∑Y = an + b∑ X

∑ XY=a∑ X + b ∑ x2

Remplazando los datos de la tabla:

568.579 = a5 + b(15.0351 10-3) a = 113.6974

1709.733 10-3= a(15.0351 10-3) + b(4.5292 10-5) b = 56.380

Se obtiene la ecuación lineal:

5

Y= 113.6974 + 56.3806X

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5113.68

113.69

113.7

113.71

113.72

113.73

113.74

f(x) = 0.00808999999999855 x + 113.69153R² = 0.892904308439501

Gráfi co de msis. vs 1/T

1/T(10-3)(K-1)

m s

is.(9

)

CÁLCULOS FISICOS Y QUÍMICOS:

m1(recip./agua) =258.001g m(recip./agua)= (m1(recip./agua) + m2(recip./agua))/2

m2(recip./agua) = 258.3801g m(recip./agua)= 258.4401g

i) mH2O = m(recip./agua) – m(recip./tapón) ii) VH2O= mH2O/ρH2O

mH2O = 258.4401 – 113.7562 VH2O= (144.6839g)/(0.99626g/mL)

mH2O = 144.6839 g VH2O= 145.2267mL

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iii) maire = (P.V.Maire)/R.

56.380 g .K=(760mmHg)(145.226 x10−3 L)Maire

62.36mmhg .Lmol

.K

Hallando el error(%) respecto a lo teórico:

Error(%)=|Mteór .−Mexp.Mteór . |x100%

Error(%)=|28.98g /mol−31.8548g /mol28.98g /mol |x100%

Calculo de la densidad del aire a temperaturas realizadas experimentalmente:

ρaire = (P.Maire/R)x(1/T)

1.- 40°C: ρaire = [(760mmHg)(31.8548gx1mol)/(62.36mmHg.L/mol.K)]/(1/313.15K)

ρaire = 1.239g/L

2.- 50°C: ρaire = [(760mmHg)(31.8548gx1mol)/(62.36mmHg.L/mol.K)]/(1/323.15K)

ρaire = 1.201g/L

3.- 60°C: ρaire = [(760mmHg)(31.8548gx1mol)/(62.36mmHg.L/mol.K)]/(1/333.15K)

ρaire = 1.165g/L

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M aire = 31.8548 g/mol.

Error(%)= 9.92%

4.- 70°C: ρaire = [(760mmHg)(31.8548gx1mol)/(62.36mmHg.L/mol.K)]/(1/343.15K)

ρaire = 1.131g/L

5.- 80°C: ρaire = [(760mmHg)(31.8548gx1mol)/(62.36mmHg.L/mol.K)]/(1/353.15K)

ρaire = 1.099g/L

Para determinar la densidad del aire a 100°C, se usarán las ecuaciones de Van Der Waals y Redlich y Kwong ya que son los q tienen mayor precisión.

i) Ecuación de Van Der Waals:

nRT=(P+ an2

V 2 )(V−nb) a= 3PcV2c , b= Vc/3

ii) Ecuación de Redlich y Kwong:

nRT=(P+ an2

(V +nb)VT0.5)(V−nb) a=0.4278R

2Tc2.5

Pc b=0.0867

RTcPc

1ro) Hallando la densidad con la ecuación de Van Der Waals

De los datos

n= 1 mol

Pc=28652 mmHg P = 760 mmHg

Tc=132,5 K T = 100ºC = 373 K

Vc = 0,0883 L/mol R = 62.36mmHg.L/mol.K

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Para la ecuación de van der Waals

a= 3Pc.Vc2 a= 670,18947

b= Vc/3 b=0,02943

De la ecuación de van der Waals a 100ºC

(P+ an2

V 2)(V−nb)=nRT

Operando en la ecuación para obtener la ecuación en función del volumen

[V3 ] – [(b + RT)/P] [ V2 ] + (a/P) [V] – ab/P = 0

Resolviendo esta ecuación de 3er grado obtenemos el volumen (única raíz real de la ecuación, que posee además 2 raíces imaginarias)

V= 31,7278 L

La densidad del aire a 100ºC esta dado por:

ρaire = Maire/V

ρaire = 1,004 g/L

2do) Hallando la densidad con la ecuación de Redlich y Kwong

De los datos :

n= 1 mol

Pc=28652 mmHg P = 760 mmHg

Tc=132,5 K T = 100ºC = 373 K

Vc = 0,0883 L/mol R = 62.36mmHg.L/mol.K

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Para la ecuación de Redlich y Kwong

a=0.4278R2Tc2.5

Pc a = 11733.77474

b=0.0867RTcPc

b = 0.025

De la ecuación de Redlich y Kwong

nRT=(P+ an2

(V +nb)VT0.5)(V−nb)

De manera similar a la ecuacion anterior, esta se opera dejando una ecuación en función del volumen y se obtiene su valor.

Donde

V =32.27436677 L

Y la densidad del aire a 100ºC esta dado por:

ρaire = Maire/V

ρaire = 0.98705 g/L

DISCUSION DE RESULTADOS:

Comparando los datos obtenidos con valores ya establecidos, nos indican que hubo un porcentaje de error pequeño, esto se debió al enfriamiento de la muestra al sacarlo del baño termostático; nuestra recomendación es que la balanza se encuentre lo más cerca posible a los

termostatos.

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OBSERVACIONES:

A medida que se somete a mayor temperatura el Erlenmeyer dentro del baño termostatizado, se observa una ligera disminución de la masa del Erlenmeyer/aire..

Al extraer el Erlenmeyer del baño termostatizado, fue a 1°C menos de lo establecido. Inicialmente la temperatura de ambiente es 28°C, finalizado el experimento la

temperatura ascendió 1°C. La temperatura desciende rápidamente cuando se lleva a pesar el Erlenmeyer/tapón

CONCLUSIONES:

La densidad del aire varia con la temperatura: a mayor temperatura, menos denso será el gas (en este caso el aire)

El uso de las ecuaciones de Van Der Waals y de Redlich y kwong nos dan resultados más precisos ya que estas ecuaciones toman en cuenta otras propiedades como las fuerzas de interacción molecular

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BIBLIOGRAFÍA:

PONS, G. Fisicoquímica curso básico para las profesiones científicas. Perú, Universo SA,

1985. 567p.

BROWN, T., LeMay, H., Bursten, B., Murphy, C. Química la ciencia central. México,

Pearson, 2009. 1116p.

CASTELLAN, G. Fisicoquímica. E.U.A., Pearson, 1964, 1057p.

APÉNDICE:

Normalmente, en el aire existen otras sustancias, con vapor de agua en cantidad variable y dióxido de carbono (0,03% en volumen) y en las zonas industriales, hidrocarburos, alquitranes, cenizas, polvo y SO2.

También las descargas eléctricas modifican la composición de la atmósfera al disociar moléculas de hidrogeno, nitrógeno, oxígeno y dióxido de carbono para formar C2H2, H202, 03, NO3H, NH3, NO3NH4. Así, la lluvia abona a los suelos con 10 Kg. N/Ha. Por año en forma de NO3NH4, NH4OH.

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Por su distinta solubilidad en agua, el aire desorbitado de esta tiene 34,5% de O2, 63,5% de N2, 2% de CO2.

Posibilidades de aprovechamiento químico-industrial del aire

Caben dos grandes líneas de beneficios del aire; una separar sus componentes, otra combinarlos. El primer camino lleva a la fabricación de N2, O2, gases nobles, por separación física o química; el segundo, o la síntesis del NO y de aquí al ácido nítrico y/o nitratos.

Tecnología de destilación del aire

En el momento actual, la rectificación del aire cubre la demanda de estos productos:

Nitrógeno de alta pureza (gas, para crear NH3O, CN2Ca) Oxigeno de alta pureza (gas o líquido, para soldaduras y corte de metales). Oxigeno de mediana pureza (gas para fines químicos-industriales) Aire enriquecido (oxigeno de baja concentración como comburente Gases nobles (subproductos de algunas de las producciones anteriores, para

aplicaciones varias).

En todos los casos cualquiera que sea el grado de separación que se pretenda de los componentes del aire, por destilación, se necesita la previa licuaron parcial del mismo. Este enfriamiento presupone, a su vez, como se verá, una compresión y un aprovechamiento del frío a través de un cambio de calor. La etapa, pues, de la separación es: compresión, cambio de calor, expansión (producción del frío y rectificación).

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