PRÁCTICA 1 DE LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA UNMSM

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

FACULTAD DE QUÍMICA E INGENIERÍA QUÍMICA

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE FISICOQUÍMICA

LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA I

PRÁCTICA N° 1

GASES

Fecha de realización de la práctica: jueves 11 de setiembre 2014

Fecha de entrega del informe: jueves 18 de setiembre 2014

Lima-Perú

2014- II

JUE11FQI-A

Universidad Nacional Mayor de San Marcos

Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA

Resumen

El objetivo fue estudiar las principales propiedades de los gases, tales como

densidad y capacidad calorífica. La experiencia se desarrolló a condiciones

ambientales con Presión de 756 mmHg, Temperatura 19.5˚C, humedad relativa

95 %.Para determinar la densidad del cloroformo en su forma de vapor se

utilizó el método de Meyer que nos permite conocer el volumen de aire que

desplaza el líquido orgánico volátil cuando a vaporizado y también su masa

para a partir de ellos y haciendo la corrección en el volumen a condiciones

normales (CN) determinar la densidad experimental del vapor. También se

halló la densidad teórica del vapor a CN haciendo uso de la ecuación de

Berthelot. Para determinar la relación de las capacidades caloríficas del aire se

utilizó el método de Clément y Desormes, este método consiste en bombear el

gas dentro de un recipiente de gran volumen hasta que su presión sea

ligeramente mayor que la atmosférica, esto se lleva a cabo permitiendo que el

gas alcance el equilibrio térmico con su entorno. Cuando se ha alcanzado este

estado de equilibrio, se deja que parte del gas abandone libremente el

recipiente hasta que la presión dentro del recipiente se iguale a la presión

atmosférica. Luego de ocurrida esta expansión, se tapa rápidamente el orificio

de salida del gas impidiendo que siga ocurriendo el intercambio gaseoso con el

medio. En este estado se vuelve a dejar que el gas alcance el equilibrio térmico

con el entorno. La determinación del valor de se realiza a través de las

diferencias de alturas producidas por el gas antes de la expansión adiabática y

luego de alcanzado el equilibrio térmico por segunda vez. En la experiencia se

obtuvo para la densidad del cloroformo 6.125 g/L con un error de -7.76% y un

de 1.6 donde el error es de -14.29%. Con esto concluimos que es posible

la determinación de manera sencilla en laboratorio de la densidad y coeficiente

adiabático de gases además de que también es una relación en el

incremento de presiones en el proceso adiabático.

Laboratorio de Fisicoquímica IPágina 2



Introducción

Los gases son ampliamente utilizados a nivel industrial .Principalmente son

empleados en procesos como fabricación de acero, aplicaciones médicas,

fertilizantes, semiconductores, etc. Los gases de, más amplio uso y producción

son el Oxígeno, Nitrógeno, Hidrógeno y los gases inertes tales como el Argón.

Estos gases desempeñan roles tales como reactivos para procesos, forman

parte de ambientes que favorecen reacciones químicas , sirven como materia

prima para obtener otros productos, algunos de ellos como el Oxígeno

necesitan controlarse sus concentraciones en los equipos ya que un exceso

puede causar corrosión en los mismos.

El proceso adiabático se utiliza en la industria para aprovechar el consumo de

calor y reducir el consumo eléctrico buscando optimizar costos, así como

también es utilizado cuando se requiere una baja en la temperatura.

Viendo las múltiples aplicaciones de los gases en la industria vemos la

importancia de como futuros ingenieros químicos conocer sus propiedades

entre ellas la densidad y la capacidad calorífica que son objetivos de la

práctica.




PRINCIPIOS TEÓRICOS

A. GAS

Se denomina así aquel fluido que no tiene forma ni volumen definido. Se

clasifican como:

a) Gases ideales.- Son aquellos en los cuales el volumen ocupado por las

moléculas, es insignificante respecto al volumen total y siguen la ley de

los gases ideales:

(1)

b) Gases reales.-Presentan fuertes atracciones intermoleculares, siendo el

volumen de las moléculas significativo respecto al total. Estos gases no

siguen la ecuación (1).

Existen una serie de ecuaciones llamadas ecuaciones de estado, que

corrigen las desviaciones de la idealidad, entre ellas tenemos la

deBerthelot:

PV=nR

PV=( mM )TR(1+

9 TC PC

128 P PC(1−

6 T C 2

T 2 ))En las ecuaciones (2) y (3)

M=Masa molecular de la muestra.

m=Masa de la muestra.

R=Constante de los gases ideales.

R”=Corrección para la desviación de la idealidad.

P,V,T=Presión , volumen y temperatura del gas.

PC,Tc=Presión y Temperatura crítica del gas.

Los vapores de sustancias que no son gases a temperaturas ordinarias

suelen encontrarse en este tipo.




B. DENSIDAD DE GASES

a) Densidad Absoluta.- Relación entre la masa por unidad de volumen,

Su unidad en el Sistema Internacional es el kilogramo por metro

cúbico (kg/m3), aunque frecuentemente se expresa en g/cm3. La

densidad es una magnitud intensiva .

b) Densidad Relativa.- La densidad relativa de una sustancia es la

relación existente entre su densidad y la de otra sustancia de

referencia; en consecuencia, es una magnitud adimensional (sin

unidades).

c) La densidad (p) de un gas se puede obtener a partir de la relación:

p = m/V = P M/R’T

C. RELACIÓN DE CAPACIDADES CALORÍFICAS DE LOS GASES

Capacidad Calorífica de Gases

La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de

energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y

el cambio de temperatura que experimenta. En una forma menos formal es la

energía necesaria para aumentar una unidad de temperatura de una

determinada sustancia, (usando el SI).Indica la mayor o menor dificultad que

presenta dicho cuerpo para experimentar cambios de temperatura bajo el

suministro de calor.


http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_Internacional_de_Unidades

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Magnitud_intensiva



Puede interpretarse como una medida de inercia térmica. Es una propiedad

extensiva, ya que su magnitud depende, no solo de la sustancia, sino también

de la cantidad de materia del cuerpo o sistema; por ello, es característica de un

cuerpo o sistema particular.

Hay 2 tipos de capacidad calorífica: a presión constante y a volumen constante.

La relación entre ambas, conocida como γ depende de si el gas es mono, di o

poliatómico y puede ser determinada experimentalmente mediante el método

de Clement y Desormes. Mediante este método, en un sistema a presión

superior a la atmosférica, se realiza una expansión adiabática, y luego un

calentamiento a volumen constante: para un sistema de este tipo se cumple:

Cp /Cv = lnP1–lnP0/ lnP1-lnP2

Y si el cambio de presión es pequeño, sabiendo que p = pgh:

γ= Cp /Cv = h1 / h1–h2

MATERIALES Y REACTIVOS

Materiales

Equipo de Víctor Meyer para densidad de vapor.


http://es.wikipedia.org/wiki/Propiedad_extensiva

http://es.wikipedia.org/wiki/Propiedad_extensiva

http://es.wikipedia.org/wiki/Inercia



Equipo para relación de capacidades caloríficas por el método de

Clement y Desormes.

Regla, bulbos pequeños.

Vasos de 50,200, 600 ml, pipetas.

Reactivos

Líquido orgánico volátil.

PROCEDIMIENTO

Determinación de la Densidad de Gases por el Método de Víctor

Meyer

a) Ínstale el equipo como se muestra en la Fig. (1)

b) Coloque en un vaso agua de caño, hasta 2/3 de su volumen (A), y

dentro de éste el tubo de vaporización (B). Manteniendo cerrada la llave

de la bureta F y abierto el tapón E. Lleve al agua a ebullición durante 10

min.

Mientras se esté calentando el agua, pese una ampolla de vidrio hasta las

10 milésimas de g. Caliente la ampolla, retire e introduzca el capilar en un

vaso que contenga una pequeña porción de líquido orgánico volátil, enfríe y

repita la operación hasta introducir de 0.1 a 0,2 g de muestra, pese y si ha

logrado el peso adecuado al pesar, selle el capilar, déjelo enfriar y péselo

nuevamente con exactitud.

c) Abra la llave de la bureta, nivele el agua hasta la marca inicial con la

pera.

d) Coloque el tapón E, iguale los niveles, lea la bureta y anote. Retire el

tapón E y haga que el nivel llegue nuevamente al nivel inicial.

e) Repita d) hasta que todo el volumen desalojado de agua no fluctúe en

más de 0.2 mL respecto a la lectura anterior.




f) Rompa el extremo de la ampolla, introdúzcala rápidamente en el tubo de

vaporización y coloque inmediatamente el tapón E. A medida que baja el

nivel del agua en la bureta iguale el de la pera, hasta que el nivel del

agua deje de bajar.

g) Cierre rápidamente la llave F. espere 10 minutos y tome la temperatura

del agua en la pera, lea el nivel del agua en la bureta, tomando como

referencia la lectura realizada en (d).




Fig .1 Método de Víctor Meyer

Relación de Capacidades Caloríficas por el Método de Clément v

Desormes.

a) Arme el equipo mostrado en la Fig. (2) de forma que todas las uniones

queden herméticamente cerradas.

b) Manteniendo cerrado B, abra A permitiendo el paso de gas por el balón

hasta tener un desnivel aproximadamente de 10 cm en el manómetro de

agua, cierre B y lea la diferencia de altura exacta (h1).

c) Abra rápidamente B y ciérrela en el momento en el que ambas ramas

del manómetro se crucen.

d) Deje que se estabilice el líquido manométrico y lea la nueva diferencia

de alturas (h2).

e) Repita con diferencias de alturas iníciales de aproximadamente 15, 20 y

25 cm.




CÁLCULOS Y RESULTADOS

DENSIDAD DE GASES

1. Corrija la presión barométrica usando:

P ´b=Pb−(100−h ) F

100


Donde:

Pb , P´b : presión barométrica y presión barométrica corregida.F: presión de vapor del agua a temperatura ambiente.h: % de humedad del aire.



Tenemos como datos que:

h = 95% Pb =756mmHg F(20°) = 17.535 mmHg

Entonces la presión corregida será:

P ´b=756 mmHg−(100−95 )(17.535 mmHg)

100 P ´b=755.12 mmHg

P ´b=755.12

2. Corrija el volumen del aire desplazado a condiciones normales (CN), 0°C y 1 atm.

Se debe cumplir que:P1V 1

T 1

=P2V 2

T 2

=cte

P1V 1

T 1

=PCN V CN

T CN

(755.12mmHg ) (9.5 ml )293.15 K

=(760mmHg )V CN

273.15 K

VCN = 8.80ml


P1=¿ P´b=¿ 755.12mmHg ¿¿

V 1=9.5 ml T 1=20 °C=293.15 K

PCN=¿1 atm=760mmHg ¿

V CN=¿? T CN=0 °C=273.15 K



3. Determine la densidad teórica del vapor a CN, usando la ecuación de Berthelot.

ρ= PM

R´ T

R´=R [1+9 T c P

128 Pc T (1−6 T c2

T 2 )]Donde: Tc (CHCl3) a condiciones normales= 536.15 K Pc (CHCl3) a condiciones normales= 54 atm PCN= 1atm TCN= 273.15 K

Reemplazando tenemos que:

R´=(0.082atm x Lmol x K ) [1+ 9 x 536.15 K x1atm

128 x54 atm x 273 K (1−6 (536.15 K )2

(273.15 K )2 )]

R´=¿ 0.07736 atm x Lmol x K

Ahora calculando ρteóricaCN :

ρteóricaCN = PM

R ´ T

Donde: M CHCl3=119.4

gmol

ρteóricaCN =

(1 atm )(119.4g

mol )(0.07736

atm x Lmol x K )x (273.15 K )

ρteóricaCN =5.650

gL




4. Determine la densidad experimental del vapor a CN, dividiendo la masa entre el volumen corregido.

ρexperimenalCN = m

V CN

Masa del cloroformo: 0.0539 g. VCN= 8.74mL

ρexperimenalCN =0.0539 g

8.80 mL=6.13

gL

RELACION DE CAPACIDADES CALORIFICAS

a) Determine la relación de capacidades caloríficas para cada altura inicial.




= h1

h 1−h 2

Diferencias de alturas iniciales

aproximadas

h1 h2

experimental

10cm

10.35 4.5 1.89.5 3.3 1.513 4.8 1.614 5.7 1.7

15cm

14.2 3.7 1.415.7 5.2 1.510.7 3.4 1.511 4.5 1.7

20cm

20.4 7.3 1.620.2 7.7 1.622.5 10.6 1.920.9 9.3 1.8

25cm

25.1 11.3 1.824.3 9.4 1.626 10.3 1.7

22.7 9 1.7 TABLA1

Gráfica 1: experimentales




Teórico: 2.4

GRÁFICO 1

b) Determine promedio para el gas.

γ=1.6

c) A partir del valor promedio de , calcule los CP Y Cv experimentales.

De: CP

CV

=¿

CP−CV =R

Usando γ =1.6 y R=2cal

molxK

CP

CV

=¿1.6

CP−CV =2cal

molxK

1.6CV−CV=2cal

molxK


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 160

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Series1



0.60CV=2cal

molxK

CV (experimental)=3.3 cal

molxK

CP (experimental)=5.3cal

molxK

PORCENTAJE DE ERROR PARA CADA EXPERIMENTO

6.125 5.650 -7.76 TABLA 2

1.6 1.4 -14.29 TABLA 3

ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS

En la tabla 2 se muestran los valores de la densidad a condiciones normales

teórica y experimental obteniéndose un error de -7.76%, en la tabla 3 se

muestra el y obteniéndose un error de -14.29 %.En la gráfica 1 se

muestra los valores de hallados en las 16 mediciones realizadas y su

desviación respecto al valor teórico.

Los errores obtenidos en la experiencia pueden pueden ser de tipo aleatorios y

los sistemáticos, en el método de Meyer pudieron cometerse en una lectura

inadecuada de volúmenes desplazados, fugas de aire en el quipo, la hora de

pesar la ampolla con el líquido, en el sellado de la ampolla y en el proceso de

ponerlo en el tubo de vaporización se pudo haber perdido masa debido a su

volatilidad.




En el método de Clément y Desormes tenemos un mayor porcentaje de error

que pueden deberse a que para la lectura del desnivel de alturas se utilizó

usar la precisión de nuestras manos para cerrar el paso del aire a través de la

manguera. También los errores pueden deberse a una mala toma de alturas.

CONCLUSIONES

Se logró determinar de manera experimental el valor de la densidad del

cloroformo en su forma de vapor así como también la relación entre CP Y CV en

un proceso adiabático el cual corresponde al , observando también que es

una relación en el incremento de presiones en el proceso.




ANEXOS

TABLA N°1 : Condiciones de laboratorio

PRESION TEMPERATURA HUMEDAD RELATIVA

756 mmHg 20°C 95%

Densidad de gases

TABLA N°2 : Datos experimentales


W ampolla 0.5426 g

W ampolla + muestra 0.5965 g

W cloroformo 0.0539 g

pPresión barométrica : 756 mmHgVolumen del tapón : 1.1 mLVolumen desplazado por el tapón + cloroformo : 10.6 mLVolumen neto : 9.5 mLTemperatura de la pera pasado 10 min. : 23 °C



Datos Teóricos

Presión de vapor a 20

17.535

©CRC, “Handbook of Chemistry and Physics”, 82 nd edition, Editorial CRC Press LLC, 2002. Pág.: D-180

Temperatura y Presión críticas de cloroformo

263

54

©CRC, “Handbook of Chemistry and Physics”, 82 nd edition, Editorial CRC Press LLC, 2002. Pág.: F-89

Condiciones normales(CN)

273

54

Capacidad calorífica a presión constante del a

6.979

©CRC, “Handbook of Chemistry and Physics”, 82 nd edition, Editorial CRC Press LLC, 2002. Pág.: F-80




Capacidad calorífica a presión constante del a

6.979

©John A. Dean, “Lange’s Handbook of Chemistry”, 15 th edition, Editorial McGraw-hill,

INC, 2002. Pág.: 858




BIBLIOGRAFÍA

John A. Dean, “Lange’s Handbook of Chemistry”, 15 ava edición, Editorial

McGraw-Hill.

Ing. Huapaya Barrientos, J.(1985)“Fisicoquímica.Lima.Editorial:Universo

Pons Muzzo, G. (1969).Lima.”Fisicoquímica”.(1969) Editorial:Universo.

Guía de prácticas de laboratorio de fisicoquímica I.

(2014).Gases,4,5,6,7,8.


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