PRÁCTICA 1 DE LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA UNMSM
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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CÁLCULOS Y RESULTADOS
DENSIDAD DE GASES
1. Corrija la presión barométrica usando:
P ´b=Pb−(100−h ) F
100
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Donde:
Pb , P´b : presión barométrica y presión barométrica corregida.F: presión de vapor del agua a temperatura ambiente.h: % de humedad del aire.
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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
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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
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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
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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.
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= 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
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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
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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
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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.
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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.
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ANEXOS
TABLA N°1 : Condiciones de laboratorio
PRESION TEMPERATURA HUMEDAD RELATIVA
756 mmHg 20°C 95%
Densidad de gases
TABLA N°2 : Datos experimentales
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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
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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
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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
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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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