1

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE MXICO

FACULTAD DE QUMICA LABORATORIO DE TERMODINMICA

PRCTICA 4: Determinacin de la

constante universal de los gases R

Prian Zama Mara del Mar

27/09/2015

2

Contenido Prctica 4: Determinacin de la constante universal de los gases ..................................... 3

Objetivo: ......................................................................................................................... 3

Hiptesis: ....................................................................................................................... 3

Introduccin.................................................................................................................... 3

Cuestionario Previo ........................................................................................................ 4

Determinacin de la constante universal de los gases R ................................................... 5

Problema ........................................................................................................................ 5

Material, Equipo y reactivos ........................................................................................... 5

Aplicacin de lenguaje termodinmico ........................................................................... 5

Procedimiento experimental ........................................................................................... 6

Diagrama de flujo ........................................................................................................... 6

Resultados ..................................................................................................................... 7

Clculos ......................................................................................................................... 7

Discusin y Anlisis de resultados ................................................................................. 8

Aplicaciones en la industria ............................................................................................ 9

Conclusiones .................................................................................................................. 9

Bibliografa ......................................................................................................................... 9

3

Prctica 4: Determinacin de la constante universal de los gases

Objetivo:

Determinar experimentalmente la constante universal de los gases R y el volumen molar

del hidrgeno.

Hiptesis:

Siempre que el Mg entre en contacto con el HCl se liberar 2, provocando un aumento de

presin; sta ser en todos los casos mayor a la presin atmosfrica.

Introduccin

En un gas las molculas individuales estn tan distantes entre s, que las fuerzas de

cohesin que existen entre ellas son generalmente pequeas. Si bien es cierto que la

estructura molecular de diferentes gases puede variar en forma considerable, su

comportamiento casi no se ve afectado por el tamao de las molculas individuales [..] Una

de las ms tiles generalizaciones respecto a los gases es el concepto de gas ideal, cuyo

comportamiento no se ve afectado en lo absoluto por fuerzas de cohesin o volmenes

moleculares. (Tippens, 2001)

La constante universal de los gases, relaciona varias funciones de estado, entre ellas la

energa, la temperatura y la cantidad de moles de un gas. Esta constante, es utilizada en la

ecuacin de los gases ideales, que combina las leyes de Avogadro, Gay Lussac, Charles y

Boyle.

Ley de Avogadro: Volmenes iguales de distintas sustancias gaseosas, medidos en las

mismas condiciones de presin y temperatura, contienen el mismo nmero de molculas.

El nmero de Avogadro es aproximadamente 6.022 x 1023 y es tambin en nmero de

tomos que contiene un mol; de ah se dice que la ley de Avogadro establece que:

"Un mol de diferentes sustancias contiene el mismo nmero de molculas"

Ley de Gay-Lussac: La presin de un volumen fijo de un gas, es directamente proporcional

a su temperatura. 11

=22

Ley de Charles: Mientras la masa y la presin de un gas se mantengan constantes, el

volumen de dicho es directamente proporcional a su temperatura absoluta. 11

=22

Ley de Boyle: Siempre que la masa y la temperatura de una muestra de gas se mantengan

constantes, el volumen de dicho gas es inversamente proporcional a su presin absoluta. 11 = 22

4

Cuestionario Previo

1. Por qu la constante universal de los gases es representada por la letra R?

Aunque no se sabe con certeza, histricamente se cree que es en honor al qumico

Regnault, quien re-evalo la constante de los gases utilizando los datos que Benoit

Clapeyron obtuvieron para los ciclos de Carnot.

Sin embargo, la UIPAC acepta el uso de la letra R para denominar a la constante

universal de los gases.

2. Por qu R es llamada la constante universal de los gases?

R es una constante, pues en un anlisis dimensional, para relacionar la

proporcionalidad entre varias variables, se necesita de una constante para que las

unidades sean siempre equivalentes.

Este valor constante es utilizado en la ecuacin de estado de los gases ideales, que

combina las leyes de Avogadro, de Gay Lussac y la ley de Charles. De la combinacin

de estas leyes, surge la ecuacin general de los gases: PV=nRT

En el modelo de gas ideal, el volumen de la molcula del gas es despreciable, y las

partculas no interactan entre s. En la mayor parte de los gases, el valor de R se

aproxima al descrito en dos cifras significativas, siempre y cuando las condiciones de

presin y temperatura estn alejadas de los puntos de licuefaccin o sublimacin para

dicho gas.

3. Escribe la reaccin balanceada entre el Mg y HCl. (productos)

() + 2 2() + 2()

4. Investiga los diferentes valores de la constante R en diferentes unidades.

Valores de R Unidades Valores de R Unidades

0.082057

83.144621

8.3144621

10.73158

3

8.205736 x 105 3

0.73024

3

62.36368

5. Investiga la reactividad y toxicidad de los reactivos a utilizar.

Mg: Posible explosin del polvo o de los grnulos al mezclarse con el aire. En seco se

puede cargar electrostticamente al ser removido, transportado, vertido.

HCl: Iritante y corrosivo para cualquier tejido con el que tenga contacto. La exposicin

breve a bajos niveles produce irritacin de la garganta.

5

Determinacin de la constante universal de los gases R

Problema

Manteniendo constantes, Cantidad de materia (n), Presin (P) y Temperatura (T), obtener

experimentalmente la constante universal de los gases R y el volumen molar a condiciones

ambientales, a partir de la reaccin de Mg y HCl para producir hidrgeno.

Material, Equipo y reactivos

1 Tubo de desprendimiento.

1 Jeringa de 3 mL con aguja

1 Tapn de #0

2 Mangueras de ltex (aprox. 50

cm)

1 Bureta de 50 mL sin llave

1 Termmetro (0.1 C)

1 Embudo de vidrio

2 Pinzas para bureta

1 Pinza de tres dedos

3 soportes universales

1 Pipeta Pasteur

1 Tapn de #000

1 Vaso de pp de 250 mL

1 Vidrio de reloj

Balanza digital

cido Clorhdrico 3 M (5 mL)

Magnesio en tiras (3 aprox. 4 cm

c/u)

Acetona o etano

Aplicacin de lenguaje termodinmico

1. Inicialmente el sistema, que se encuentra en equilibrio con el ambiente, por lo que

la presin registrada en el manmetro es igual a la presin atmosfrica. El sistema

tiene las siguientes caractersticas:

a. Abierto permite el intercambio de materia y energa con el exterior.

b. Homogneo tiene solo una fase

c. Componentes cuenta tan solo con un componente (agua con colorante)

d. Las paredes del sistema son impermeables, rgidas y diatrmicas no

permiten el intercambio de materia, pero s de energa.

2. Posteriormente el sistema sufre un cambio al introducir el tapn y la jeringa:

a. Cerrado no permite el intercambio de materia el exterior, ms si de

energa.

b. Heterogneo Durante la reaccin podemos observar la barra de

magnesio reaccionando con el cido clorhdrico.

c. Componentes 3 (agua, Mg, HCl)

d. Las paredes del sistema son impermeables, rgidas y diatrmicas no

permiten el intercambio de materia, pero s de energa. Esto es necesario

ya que la reaccin del Mg + HCl es exotrmica.

6

Procedimiento experimental

1. Armar el equipo que se muestra en la Figura 1,

verificando que no existan fugas.

2. Llenar completamente la bureta hasta que el agua

inunde el vstago del embudo.

3. Asegurar que no existan burbujas de aire en la bureta

y mangueras.

4. Medir la temperatura ambiente (Tamb) y presin

baromtrica (Patm).

5. Doblarla en 4 partes una tira de Magnesio y pesarla

para obtener la masa inicial (m1).

6. Llenar la jeringa con HCl 3M (este nos servir para

los tres experimentos) e insertar la aguja en el tapn

del tubo.

7. Colocar el magnesio en el tubo y el tapn con la

jeringa.

8. Medir el volumen inicial en la bureta (V1).

9. Inyectar aproximadamente 0.5 mL de HCl.

10. Esperar 15 minutos a que la reaccin finalice y que

el gas obtenido alcance el equilibrio con la

temperatura ambiente (Tamb).

11. Mover el embudo para igualar el nivel del agua con

el nivel de la bureta, como se muestra en la figura 2.

Diagrama de flujo

Llenar completamente la bureta has que el agua inunde el vstago del

embudo.

Tomar una pequea cantidad de Mg y pesarlo

Llenar la jeringa con HCl e insertar la aguja en el tapn

del tubo.

Colocar el magnesio en el tubo y el tapn con la

jeringa

Inyectar HCl y esperar a que la reaccin finalice y

que el gas obtenido alcance el equilibrio con la

temperatura ambiente.

Mover el embudo para igualar el nivel del agua con

el nivel de la bureta.

Medir el volumen final del gas en la bureta y restar

con el inicial.

Repetir el experimento 2 veces ms.

7

Resultados

Tabla 1: Registro de volumen

Temperatura ambiente: 24C 297.15K

Presin atmosfrica: 0.77atm

1 2 3

Masa de Mg inicial 0.020g 0.023g 0.0147g

Masa de Mg final - - -

Volumen inicial 20.4mL 20.0mL 20.2mL

Volumen final 48.4mL 50.5mL 36.9mL

mL 28.0mL 30.5mL 16.7mL

Clculos

2 =28.0

1000= .

nMg = 0.02g (1mol

24.31g2) (

121

) = .

n2 = 8.23x104 (

121

) = .

2 =22.4

760= .

2 = 0.77 0.02947 = .

=

=

0.74053 0.028

8.33104 297.15= .

2 =0.028

8.23104= .

111

=22

2 1 =

22121

1 =34.02 0.77 273

297.15 1= . /

% =0.084 0.082

0.082= . %

% =24.07 22.40

22.40= . %

8

Tabla 2: Clculos

1 2 3

Volumen H2 despendido

0.028L 0.0305L 0.0167L

Masa de Mg que reaccion

0.020g 0.023g 0.0147g

Mol de Mg que reaccion

8.23 104 9.46 104 6.05 104

Mol de H2 que se form

8.23 104 9.46 104 6.05 104

Presin del vapor de agua

22.4mmHg 22.4mmHg 22.4mmHg

Presin del vapor de agua

0.2947atm 0.2947atm 0.2947atm

Presin parcial del H2

0.74053atm 0.74053atm 0.74053atm

R experimental 0.084 0.080 0.072

Volumen molar del H2

24.07L/mol 22.81L/mol 19.53L/mol

% error R 2.43% 2.43% 12.19%

% error V molar 7.45% 1.83% 12.81%

El valor de R promedio obtenido fue de: 0.078

El promedio del volumen molar de H2 fue de: 22.13L/mol

Dados estos valores promedio podemos calcular los porcentajes de error generales de la

prctica: % = . % % = . %

Discusin y Anlisis de resultados

Durante la realizacin de la prctica, se observaron algunas variaciones en la toma de

resultados, especialmente en la tercera repeticin del experimento. Las variaciones

observadas las atribuyo a que el sistema pareca tener una pequea fuga que nunca

logramos detectar con precisin para poder corregirla y sellar por completo el sistema. A

pesar de esto el margen de error del experimento fue muy bajo (4.87%), por lo que puede

afirmarse que los resultados obtenidos son correctos y confiables. El experimento fue

realizado bajo condiciones de repetibilidad, con un nmero de mediciones suficiente, esto

ayud a reducir la incertidumbre generada por los instrumentos utilizados dando como

resultado un valor promedio de R y del volumen molar de H2 cercano al valor terico.

9

La hiptesis ha sido aceptada ya que la presin ejercida por el H2 producido durante la

reaccin del Mg con el HCl fue, en todos los casos, mayor a la presin atmosfrica. Este

acierto se debi en gran medida a que sabiendo que en un sistema abierto la presin del

mismo ser igual a la presin atmosfrica, al cerrarlo e iniciar la reaccin del Mg donde se

libera un gas, es lgico asumir que el volumen que ocupar dicho gas aumentar la presin

del sistema, el cual al ser un sistema cerrado no podr alcanzar el equilibrio con la presin

atmosfrica.

Aplicaciones en la industria

Las leyes de los gases se utilizan en distintas industrias, por ejemplo en los

electrodomsticos. Los refrigeradores utilizan gases para disminuir la temperatura del

ambiente al pasar de un estado gaseoso a un estado lquido. En este caso la presin del

gas es importante pues el gas se transporta en tubos metlicos y la presin del mismo

dentro de los tubos debe ser regulada.

La constante universal de los gases, as como las distintas leyes de los gases tambin son

utilizadas en los procesos de purificacin del agua, ya sea de aguas residuales o de agua

de mar cuya concentracin salina quiere disminuirse para consumo humano. Para llevar a

cabo la purificacin del agua, es necesario realizar un proceso de smosis inversa; esto se

logra presurizando el agua con menor concentracin de sal a un valor superior a la presin

osmtica, como consecuencia de esto el agua con salmuera se concentrar ms.

Conclusiones

Una vez concluida la prctica, puede afirmarse que el procedimiento experimental y los

instrumentos elegidos fueron los adecuados. A pesar de esto, considero que el porcentaje

de error siempre puede ser reducido un poco ms; durante la realizacin de la prctica nos

percatamos de que exista una fuga (casi imperceptible) en el sistema, esto es importante

ya que seguramente es un factor determinante en el porcentaje de error.

En cuanto al procedimiento se refiere, me parece importante asegurarse que toda la barra

de magnesio reaccione (como fue sugerido) y asi procurar disminuir el porcentaje de error,

al no tener que pesar la barra de Mg cuando probablemente an puede existir una reaccin.

Para lograr esto, simplemente debemos tomar una cantidad suficientemente pequea de

Mg y aadir HCl en exceso, as como esperar a que la reaccin haya concluido para tomar

las mediciones pertinentes.

Bibliografa Tippens, P. E. (2001). Fisica Conceptos y aplicaciones. Mexico: Mc Graw Hill.

Apuntes Fsica 1: laboratorio de fsica. Profesor Filiberto Rivera, 2012

Roberto Gleason Villagrn, propuesta de prcticas para el Laboratorio de Fsica, Facultad

de qumica.