UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

GUÍA DE LABORATORIO DE FISICO QUÍMICA I

DETERMINACIÓN DE LA MASA MOLECULAR DE COMPUESTOS QUE

TIENEN PUNTOS DE EBULLICIÓN BAJOS POR EL MÉTODO DUMAS

I.-INTRODUCCIÓN TEÓRICA:

En esta práctica emplearemos un método aproximado para la determinación de

la masa mollar y la densidad de vapor de una sustancia. Este procedimiento se

encuentra entre los llamados “métodos de densidad de vapor” debido a que se

requieren medidas del peso y el volumen del vapor; entre ellos tenemos el

método de J. A. Dumas, el método de A. W. Hoffman (1868), el de V. Meyer

(1878), el método de volumen constante entre otros 1.

En la actualidad estos métodos no se utilizan y tienen un carácter histórico pero

tienen in gran poder formativo para el estudiante ya que ilustra claramente la

forma de realizar el análisis de errores de medición en el laboratorio.

La densidad de vapor se determina por el cociente de su masa en gramos y el

volumen en litros que ocupa a una T y p dadas:

 

V

m

 

Para la determinación de la masa molar podemos utilizar la ecuación de estado

del gas ideal así como alguna otra ecuación de estado apropiada y cuyos

correspondientes parámetros conozcamos.

Asumiendo comportamiento ideal:

 

p

RT

V

mM

RTM

mpV

nRTpV

 

Con el objetivo de modificar la ecuación de los gases ideales de forma que

represente el comportamiento de los gases reales se deben efectuar las

correcciones necesaria para las fuerzas intramoleculares. Uno de los primeros

intentos satisfactorios fue el de J. D. van der Walls (1873) siguiendo trabajos

anteriores de G. A. Hirn (1867). Si consideramos una molécula en el seno de

un gas, estará rodeada por sus iguales distribuida por igual en todas

direcciones y por consiguiente no habrá una fuerza atractiva resultante sobre

dicha partícula (Fig. 1 (1)). Según nos vayamos acercando a las paredes del

recipiente la distribución media de las demás moléculas cambiara pasando a

una en que las demás moléculas

estarán solo aun lado (Fig. 1 (2))

ejerciendo así una fuerza que tendera

a impulsar la molécula hacia el interior

(un razonamiento similar conduce a la

existencia de la tensión interfacial en

el caso de los líquidos). Llegamos

entonces a la conclusión de que

cuando la molécula va a chocar con la

pared del recipiente contribuyendo así

a la presión total, las otras moléculas

de la masa gaseosa ejercen una fuerza que tiene el efecto de alejar a la

molécula de la pared. La presión medida p será pues menos que la ideal

postulada por la teoría cinética simple y se le deberá agregar por tanto un

término de corrección pa. La fuerza de atracción ejercida sobre una molécula a

punto de chocar con la pared será proporcional al numero de moléculas

existentes en la masa de gas y por tanto a su densidad, además el numero de

moléculas que percuten en la pared en un instante dado será también

Fig. 1 moléculas de un gas 1, en el seno de este 2, cerca de la pared del recipiente

proporcional a la densidad del gas, así la fuerza atractiva relacionada con la

corrección pa será proporcional a 2

22 1 Vpa

Entonces:

2V

appp a

 

donde a es una constante de proporcionalidad. El término 2v

aes una medida

de la fuerza atractiva de las moléculas y se denomina: “presión de cohesión” o

“presión interna”. La cantidad dV

V

E

T

es igual al cambio de energía interna

resultante de un incremento de volumen a T constante y se puede considerar

como una medida del trabajo ejecutado para variar la presión interna. De lo

anterior se puede considerar 0

TV

E

 como una definición de gas ideal (por

que?).

Como en el modelo del gas ideal las partículas de consideran puntuales, al

tratar con gases reales debemos hacer una corrección al volumen que tenga en

cuenta el volumen ocupado por las partículas. Se deberá restar entonces al

volumen medido un término de corrección b, conocido como “covolumen”

relacionado con las dimensiones de la partícula. Se podría pensar en una

primera consideración que b sea igual al volumen de las partículas pero:

considerando las partículas esféricas, el volumen Vm de una de ellas será

323

4 donde  es el diámetro de colisión molecular, no obstante como los

centros de las  moléculas no se pueden aproximar mas que un diámetro

molecular se puede tomar como radio efectivo de una molécula su diámetro y

así su volumen efectivo será

3

3

4 que es 8 Vm. Supongamos que se llena un

espacio V con n moléculas agregadas una a una; el volumen del que dispone la

primera molécula es V, la segunda V-8Vm la tercera V-2*8Vm y así la número n

de         V-(n-1)*8Vm. el espacio útil medio para cada molécula se puede

obtener determinando la media geométrica de estos volúmenes, esto es

multiplicando los n términos y extrayendo raíz enésima.

 

m

nm

nn

nmm

nVV

nVVV

VnVVmVVVVmoleculalaporutilizableespacio

4

1...218

1...8281

1

1

si las moléculas careciesen de volumen, entonces el espacio del que

dispondrían seria V. Es evidente por tanto que 4nVm es igual a la b de la

ecuación de van der Walls, resulta así posible conociendo el valor de b,

calcular el diámetro molecular.

 

Según ecuación de van der Waals:

nRTnbVV

np )(

2

2

Sustituyendo n por Mm

 se llega fácilmente a:

 

02

3223

V

abmM

V

amnMRTbppVM

 

Se obtiene entonces una ecuación de tercer grado en M, la cual podrá ser

resuelta usando el software “Dumas”.

 

Correcciones:

En este laboratorio es imprescindible hacer algunas correcciones, la reducción

de la pesada al vacío, la corrección de la temperatura debido al diferente grado

de dilatación del vidrio y el mercurio, la corrección para la densidad del aire y la

corrección de la presión barométrica cuando se usa el barómetro de Fortin. 

Estas correcciones se encuentran explicadas detalladamente en el Manual de

Laboratorio 3.

 

II.-PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1. Pesar erlenmeyer de 250ml, seco, con un tapón de papel de aluminio

2. Añadir 5 ml de un líquido volátil desconocido con el punto de ebullición por

debajo de 100oC

3. Hacer un agujero con un alfiler en la lámina de la tapa de aluminio

4. Calentar el matraz y el líquido en un baño de agua hirviendo hasta que el

líquido se evapore completamente. Continuar calentando durante 2-4 minutos

adicionales.

5. Luego se saca el erlenmeyer de 250ml con su tapón de aluminio se enfriar

inmediatamente en agua corriente del caño y el vapor se condensa.

6. Pesar erlenmeyer de 250ml con su tapón de aluminio y el vapor condensado

7. Repita los pasos 1-6 hasta que obtenga resultados reproducibles

8. Pesar el erlenmeyer de 250ml, vacío

9. Llenar el frasco con agua y pesar de nuevo. Tomar la temperatura del agua

utilizada.

La lámina de aluminio con tapa agujero de alfiler.

Anillo de seguridad impide la caída de baño

Matraz inclinado de modo que el líquido desconocido esté a un lado.

Desconocido

Hervir el agua para mantener una temperatura en alrededor de 100oC

III.-ESTRUCTURA DEL EXPERIMENTO

Que se muestra es el aparato para este experimento. Es rustico pero funciona.

¿Qué sucede después de que el frasco se pone en el agua hirviendo?

1. El líquido desconocido se calienta hasta su punto de ebullición y comienza a

hervir y a evaporarse y se apaga.

2. Los vapores del líquido desconocido, al ser más densa, desplazar el aire

menos denso.

3. El vapor en el matraz es de aproximadamente el punto de ebullición de lo

desconocido.

4. cuando todo es líquido desconocido fuera finalmente evaporado, se sigue

calentando hasta el punto de ebullición del agua

¿Qué sucede si, después de unos minutos, usted toma el frasco fuera del

frasco fuera del agua hirviendo y poner el nuevo?

1. Cuando se saca fuera del baño de agua hirviendo, el erlenmeyer de 250ml,

el aire será extraído de nuevo al frasco.

2. Cuando el erlenmeyer de 250ml se recalientan en el baño de agua hirviente,

no todo el aire puede ser removido, especialmente si hay poco o ningún líquido

izquierda.

3. Después de calentar de nuevo y, por último, la refrigeración, los vapores

condensados contienen muy poco líquido porque el frasco no está

completamente lleno de vapor.

Recordar

No en repetidas ocasiones tomar el frasco dentro y fuera del agua hirviendo!

En el baño de agua hirviendo, los vapores de gases desconocidos deben

cubrir todo el frasco.

Una vez que el vapor se ha condensado Pesar RÁPIDAMENTE La incógnita

es volátil

Tras la refrigeración, los vapores de lo desconocido se condensan de nuevo a

líquido.

Este es el vapor condensado que pesan para medir la masa de vapor

Esto es lo que está gas estudio

En el baño de agua hirviendo, los vapores de gases desconocidos deben cubrir todo el frasco.

¿Por qué es importante HUMEDAD RELATIVA?

Usted cuando enfría el matraz para condensar el vapor. Si enfriar el matraz por debajo del punto de rocío, además de la condensación de vapor, un poco de agua se condensará también en el interior.

Esto incrementa la masa aparente del gas condensado.

Esto puede ser un problema en verano, pero raramente es un problema en invierno.

REL. HUMEDAD-PUNTO DE ROCÍO aire 25oC

70% 19.2Oc 50% 13.8oC 30% 6.2oC 20% 0.4oC

Condensados de vapor

Condensación de agua (rocío)

El volumen contenido de su frasco

Recuerde que este es el volumen ocupado por el vapor caliente y se utiliza en PV = RTN

Una vez más, usará el método clásico para determinar el volumen.

1. Para averiguar el volumen del matraz, llénalo de agua, mide su temperatura y pésalo.

2. Usted que va a convertir en masa a volumen con la densidad del agua.

IV.-VARIABLES Y COSTANTES QUE TOMAN EN CUENTA

Utilice la ley del gas ideal

PV = RTN

P = presión de gas en atmósferas 760mmhg/atm

V = volumen de gas en litros

n = número de moles de gas

R = constante de gas ideal 0.0821 atm / molK

T = temperatura del gas en grados Kelvin

PV = NRT

V.-LOS DATOS QUE SE TOMAN EN EXPERIMENTO

P = experimento se ejecuta a presión atmosférica. La presión del gas se

obtiene con un barómetro.

V = volumen de gas obtenido a partir del peso de agua necesaria para llenar el

frasco y su densidad.

n = moles = (masa de gas) / (peso molecular del gas)

R = constante de gas ideal 0.0821 atm / molK

T = temperatura a lo desconocido como un gas

VI.-PRECAUSIONES QUE SE DEBEN TOMAR PARA REALIZAR ESTE

EXPERIMENTO

El baño de agua hirviendo puede ser un peligro. Utilice un anillo extra

para mantener que se pueda caer.

Agua hirviendo escaldadura puede usted

El desconocido puede ser inflamable

Se inicia un incendio, no se preocupe! Llame a un TA. Hay muy poco

desconocido y que pronto se quema en sí.

Hervir el agua que usted puede quemaduras

VII.-REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

http://www.fq.uh.cu/dpto/qf/docencia/pregrado/termodinamica/

laboratorio/dumas/dumas.htm

http://genchem.rutgers.edu/dumas.html