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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS Universidad del Perú, Decana de América

FACULTAD DE INGENIERIA GEOLÓGICA, MINERA, METALÚRGICA, GEOGRÁFICA Y CIVIL. E.A.P. INGENIERÍA DE MINAS

Año de la Promoción de la Industria Responsable y del Compromiso Climático

INFORME: DIFUSION DE GASES Y LIQUIDOS  DOCENTE:

 Ing. Gudelia Canchari Silverio  ASIGNATURA:  Fisicoquímica  ALUMNOS Y CODIGO :  Apaza Quispe Omar  Jhosep Elio Cirineo Mateo

03160056 12160045

UNMSM Escuela de Ingeniería de Minas Laboratorio de Fisicoquímica

 Miguel Angel Delgado Rojas

Informe de

11160140

1er INFORME DE FISICOQUÍMICA DIFUSIÓN DE GASES Y LÍQUIDOS

1. OBJETIVOS: o Demostrar la ley de difusión de gases (ley de Graham). o Comparar la difusión de gases con la de los líquidos. o Comparar los datos experimentales con los datos teóricos. 2. DATOS TEÓRICOS:

DIFUSIÓN DE GASES: La difusión gaseosa es la dispersión gradual de un gas en el seno de otro. De este modo las moléculas de una sustancia se esparcen por la región ocupada por otras moléculas, colisionando y moviéndose aleatoriamente. Este es un proceso muy rápido, y no es necesario un cuerpo por el que difundirse, ya que se difunde también por el vacío. La efusión es la fuga de un gas hacia el vacío por medio de un pequeño orificio o de una membrana porosa, debido a que las moléculas del gas colisionan con más frecuencia con el poro donde la presión es más alta. De este modo, hay más moléculas que pasan de la zona de alta presión a la de baja que al contrario. En 1860, Thomas Graham, un químico escocés demostró que la velocidad de efusión y difusión de los gases es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su masa molar

de esta ley se deduce que si la velocidad de efusión o difusión es inversamente proporcional al tiempo que tarda en escapar una determinada cantidad de gas, implica necesariamente que el tiempo de efusión necesario para la efusión de un cierto número de moles de moléculas es directamente proporcional a la raíz cuadrada de la masa molar

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Ley de Graham La Ley de Graham, formulada en 1829 por Thomas Graham, establece que las velocidades de efusión de los gases son inversamente proporcionales a las raíces cuadradas de sus respectivas densidades.

Siendo v las velocidades, ᵟ las densidades y π las masas moleculares, respectivamente. Efusión es el flujo de partículas de gas a través de orificios estrechos o poros. Se hace uso de este principio en el método de efusión de separación de isótopos. Los diferentes procesos que se realizan en las plantas, como lo son: la efusión, la ósmosis y la imbibición vegetal. Se encuentran íntimamente ligados con el transporte de agua y de soluciones desde el punto de origen hasta el medio donde ésta es activada. Cada sustancia se difunde libremente de otras hasta que se difunden todas equitativamente. En la planta la velocidad de efusión depende del gradiente lo cual está determinado por la diferencia entre las concentraciones de las sustancias en las dos regiones y por la distancia que las separa. El fenómeno de efusión está relacionado con la energía cinética de las moléculas. Gracias a su movimiento constante, las partículas de una sustancia, se distribuyen uniformemente en el espacio libre. Si hay una concentración mayor de partículas en un punto habrá más choques entre sí, por lo que hará que se muevan hacia las regiones de menor número: las sustancias se funden de una región de mayor concentración a una región de menor concentración. Velocidad de difusión de los gases De los 4 estados de la materia, los gases presentan la mayor facilidad de efusión de sus respectivas moléculas, como ocurre en el aire, ya que sus moléculas tienen velocidades superiores. Las moléculas de diferentes clases tienen velocidades diferentes, a temperatura constante, dependiendo únicamente de la densidad Ley de difusión de Graham La difusión es el proceso por el cual una sustancia se esparce durante un proceso que se realiza uniformemente en el espacio que encierra el medio en que se encuentra. Por ejemplo: si se conectan dos tanques conteniendo el mismo gas a diferentes presiones, encorto tiempo la presión es igual en ambos tanques. También si se introduce una pequeña cantidad de gas A en un extremo de un tanque cerrado que contiene otro gas B, rápidamente el gas A se distribuirá uniformemente por todo el tanque.

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La difusión es una consecuencia del movimiento continuo y elástico de las moléculas gaseosas. Gases diferentes tienen distintas velocidades de difusión. Para obtener información cuantitativa sobre las velocidades de difusión se han hecho muchas determinaciones. En una técnica el gas se deja pasar por orificios pequeños a un espacio totalmente vacío; la distribución en estas condiciones se llama efusión y la velocidad delas moléculas es igual que en la difusión. Los resultados son expresados por la ley de Graham. "La velocidad de difusión de un gas es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su densidad. "En donde v1 y v2 son las velocidades de difusión de los gases que se comparan y d1 y d2son las densidades. Las densidades se pueden relacionar con la masa y el volumen porque ( ); cuando M sea igual a la masa (peso) v molecular y v al volumen molecular, podemos establecer la siguiente relación entre las velocidades de difusión de dos gases y su peso molecular: Y como los volúmenes moleculares de los gases en condiciones iguales de temperatura y presión son idénticos, es decir V1 = V2, en la ecuación anterior sus raíces cuadradas se cancelan, quedando: Es decir: la velocidad de difusión de un gas es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su peso molecular. DIFUSIÓN DE LÍQUIDOS PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS Un líquido está formado por moléculas que están en movimiento constante y desordenado, y cada una de ellas choca miles de millones de veces en un segundo. Sin embargo, las intensas fuerzas de atracción de tipo dipolo-dipolo, enlaces de hidrogeno o de London evitan que se muevan tan libremente y estén tan separadas como se encuentran en un gas. Por otra parte, las moléculas de un líquido no están tan juntas o estructuradas como lo están en un sólido. Por estas razones, los líquidos presentan características que los colocan entre el estado gaseoso completamente caótico y desordenado y bien ordenado estado sólido. FORMA Y VOLUMEN En un líquido, las fuerzas de atracción son aun suficientemente intensa para limitar a las moléculas en su movimiento dentro de un volumen definido, pero no son tan poderosas como para hacer que las moléculas guarden una posición precisa dentro del líquido. De hecho las moléculas, dentro de los límites del volumen del líquido están en libertad de moverse unas alrededor de otras, y de esa manera permite que fluyan los líquidos. Por lo tanto, los líquidos conservan un volumen definido, pero, debido a su capacidad para fluir, su forma depende del contorno del recipiente que los contiene.

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COMPRESIÓN Y EXPANSIÓN Las fuerzas de atracción en un líquido causan que las moléculas permanezcan juntas, y el aumento de la presión casi no produce efectos sobre el volumen, debido a que hay poco espacio libre dentro del cual se puedan aglomerar las moléculas. Por tanto, los líquidos son prácticamente incompresibles. De manera semejante, los cambios en la temperatura solo ocasionan pequeños cambios en el volumen. El aumento del movimiento molecular va acompañado de una elevación de la temperatura y tiende a aumentar la distancia intermolecular, pero a esto se opone las poderosas fuerzas de atracción.

DIFUSIÓN Cuando se mezclan dos líquidos, las moléculas de uno de ellos se difunde en todas las moléculas del otro liquido de a mucho menor velocidad que cuando se mezclan dos gases. La difusión de dos líquidos se puede observarse dejando caer una pequeña cantidad de tinta en un poco de agua. Sin embargo, como las moléculas en ambos líquidos están tan cercas, cada molécula sufre miles de millones de choques antes de alejarse. La distancia promedio entre los choques se le llama trayectoria libre media y es mucho más corta en los líquidos que en los gases, donde las moléculas están bastantemente separadas. Debido a las constantes interrupciones en sus trayectorias moleculares, los líquidos se difunden mucho más lentamente que los gases. VISCOSIDAD

Algunos líquidos, literalmente fluyen al igual que la maleza, mientras que otros fluyen con facilidad, la resistencia a fluir se conoce con el nombre de viscosidad. Entre mayor es la viscosidad, el líquido fluye más lentamente. Los líquidos como la maleza o el aceite de los motores son relativamente viscosos; el agua y los líquidos orgánicos como el tetracloruro de carbono no lo son. La viscosidad puede medirse tomando en cuenta el tiempo que transcurre cuando cierta cantidad de un líquido fluye a través de un delgado tubo, bajo la fuerza de la gravedad.

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En otro método, se utilizan esferas de acero que caen a través de un líquido y se mide la velocidad de caída. Las esferas más lentamente en los líquidos más viscosos. La fórmula para determinar la viscosidad con respecto al tiempo es: dV r4 (P1 - P2) dt 8 L Dónde: dV/dt = Velocidad de flujo del líquido a lo largo de un tubo. r = Radio del tubo. L = Longitud (P1 - P2) = Diferencia de presión La viscosidad se relaciona con la facilidad con la cual las moléculas individuales del líquido se mueven en relación con las otras. Esto depende de la fuerza de atracción entre las moléculas y también del hecho de que existan características estructúrales que provoquen que las moléculas se enreden entre sí. La viscosidad disminuye a medida que aumenta la temperatura, debido a que a altas temperaturas la energía cinética promedio es mayor y hace que las moléculas superen con facilidad las fuerzas de atracción entre ellas. DIFUSIÓN DE SOLIDOS En los sólidos las moléculas se encuentran más unidas que en los líquidos; el movimiento molecular tiene mayores restricciones. En muchos sólidos, las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moléculas en una distribución fija que se conoce como red cristalina. En los sólidos porosos, que tienen canales o espacios vacíos interconectados, la difusión si se ve afectada.En el movimiento molecular en el estado sólido la transferencia de masa se divide dos campos: La difusión de gases o líquidos en los poros del sólido: se puede llevar mediante tres mecanismos: Difusión de Fick: si los poros son grandes y el gas relativamente denso, la transferencia de masa se llevará a cabo por medio de la difusión de Fick. Difusión Knudsen: Ocurre cuando el tamaño de los poros es del orden de la trayectoria media libre de la molécula en difusión; es decir si el radio del poro es muy pequeño, las colisiones ocurrirán principalmente entre las moléculas del gas y las paredes del poro y no entre las propias moléculas. La difusividad Knudsen depende de la velocidad molecular y delradio del poro.

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Difusión superficial: Esta tiene lugar cuando las moléculas que se han absorbido son transportadas a lo largo de la superficie como resultado de un gradiente bidimensional de concentración superficial. Las moléculas una vez absorbidas pueden transportarse por desorción en el espacio poroso o por migración a un punto adyacente en la superficie.  La autodifusión de los constituyentes de los sólidos por medio del movimiento atómico: Hay varios mecanismos de autodifusión por los cuales se difunden los átomos: Difusión por vacantes: que implica la sustitución de átomos, un átomo deja su lugar en la red para ocupar una vacante cercana (creando un nuevo sitio vacío en su posición originalen la red). Se presenta un reflujo de átomos y vacantes. Difusión intersticial: Un átomo se mueve de un intersticio a otro. Este mecanismo no requiere de vacantes para llevarse acabo. En ocasiones un átomo sustitucional deja su lugar en la red normal y se traslada a un intersticio muy reducido. Difusión intersticial desajustada: Es poco común, debido aque el átomo no se ajusta o acomoda fácilmente en el intersticio, que es más pequeño. Intercambio simple: Puede darse el intercambio simple entre átomos o por medio del mecanismo cíclico (desplazamiento circular). PARTE EXPERIMENTAL I .- DIFUSION DE GASES MATERIALES:       

Dos tubos de ensayo. Un tubo de vidrio doblado en ángulo recto. Dos tapones e caucho. Un tubo de vidrio de 60 cm. Regla graduada. Cronometro. Dos jeringas de 1ml descartable.

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REACTIVOS:    

Solución CC. de NH4OH Solución CC. de HCl Agua destilada. Indicador de fenolftaleína.

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3. PROCEDIMIENTO EN DIFUSION DE GASES: Se armó el equipo como se ve en la primera imagen.

Se puso 3 ml de hidróxido de amonio en un extremo del tubo simultáneamente se puso otras 3 ml de HCl en el otro extremo del tubo, se procedió a tapar el tubo herméticamente.

Se puso el cronometro en cero y se procedió a tomar el tiempo hasta q se formó el anillo de cloruro de amonio. Se midió las distancias recorridas por los dos gases hasta el anillo.

4. PROCEDIMIENTO EN DIFUSION DE LIQUIDOS: Se puso en un tubo de ensayo 5ml de agua destilada y concentrado respectivamente.

2 ml de amoniaco

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Al tubo que contiene agua se añadió dos gotas de fenolftaleína y se puso en contacto los dos tubos por medio de una varilla de vidrio doblada en ángulo recto conteniendo en cada extremo un tapón de caucho perforado, estos tapones deben ser herméticos. Se apreció las reacciones, se anotó el tiempo.

Tardó 5 minutos 15 segundos en aparecer el aura que confirma la reacción notándose a la vez la aparición de cierta coloración del líquido del lado de uno de los tubo.

III.- DIFUSION DE SOLIDOS EN LIQUIDOS 1.- Poner en un frasco o matraz 50 ml de agua destilada, tomar la temperatura. 2.- añadir 1g de permanganato de potasio solido

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3.- medir el tiempo en que se difundirá completamente (disolverá) 4.- Realizar los mismos pasos pero a 50°C y a 80°C. 5.- Observe las reacciones que ocurren, anote el tiempo en que ocurren los cambios y explique los resultados

Se observa que el permanganato de potasio reacción diluyéndose en el agua de acuerdo a la temperatura a la que esta se encuentra. En agua caliente a una velocidad mucho mayor debido a que las moléculas de H 2O se encuentran en un estado de mayor actividad lo que conduce a una rápida disolución.

agua helada Temperatura -inicial Temperaturafinal tiempo de disolución

agua destilada

agua caliente

15 C°

26 C°

50 C°

23 C°

25 C°

48 C°

08:53

05:53

00:30

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TABLA DE RESULTADOS:

EXPERIMENTO 1 HCl NH4OH

EXPERIMENTO 2 HCl NH4OH

EXPERIMENTO 3 HCl NH4OH

50

50

50

22,5 y 27,5 cm

20 y 30 cm

20 y 30 cm

0

0

0

Tiempo final en s

120 s

128 s

125 s

Tiempo empleado

120 s

128 s

125 s

0.1875 y 0.2291

0.1562 y 0.2343

0.16 y 0.24

Longitud del tubo en cm Distancia recorrida en cm Tiempo inicial en s

Velocidad de difusión (cm/s) Promedio de la distancia recorrida por el HCl en cm Promedio de la distancia recorrida por el NH4OH en cm Promedio del tiempo empleado por el HCl en s Promedio del tiempo empleado por el NH4OH en s Promedio de velocidad de difusión HCl en (cm/s) Promedio de velocidad de difusión NH4OH en (cm/s)

5. CUESTIONARIO:

20.83 cm 29.16 cm 124.3 s 124.3 s 0.1679 cm/s 0.2345 cm/s

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1.¿Por qué el tubo de vidrio debe estar completamente limpio y seco?

Porqué al no estar seco y limpio puede reaccionar con el agua o con otros elementos presentes y así no se llegaría a obtener un buen experimento.

2.Describa las propiedades más importantes de los gases utilizados

El amoníaco, a temperatura ambiente, es un gas incoloro de olor muy penetrante y nauseabundo. Se produce naturalmente por descomposición de la materia orgánica y también se fabrica industrialmente. Es fácilmente soluble y se evapora rápidamente. Es un gas incoloro de olor picante, corrosivo, fumante al aire a consecuencia de su avidez por el agua y formación de un hidrato. Su disolución saturada a 0ºC tiene una concentración de 37% y una densidad es de 1,19 g/cm3. Por el calor y las chispas eléctricas se disocia. Es muy soluble en el agua y al disolverse desprende gran cantidad de calor. El ácido clorhídrico posee las propiedades químicas características del ácido. Estas propiedades se deben a la presencia de los átomos de hidrógeno en la molécula del ácido.

3. Escriba la reacción química que ocurre cuando se ponen en contacto los dos gases

HCl

+

NH4OH

---> NH4Cl

Ácido clorhídrico + Amoniaco ---> Cloruro de amonio

4. ¿Los resultados están de acuerdo con la teoría? ¿Por qué?

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Por Ley de Graham: 1: HCl 2:NH4 OH v1/v2= (M2/M1)1/2 v2/v1= (36.5/35) ½ v2/v1= (1.0428) 1/2 v2/v1= 1.021 Por lo experimental: 0.2345 /0.1679= v2/ v1 V2/ v1= 1.4265 Los resultados no están de acuerdo con la teoría porque hubo muchos factores que impidieron la precisión de este experimento como por ejemplo la simultaneidad al colocar los tapones y la fuerza con la que se presiona la jeringa.

5. ¿Qué gas difunde más rápido? ¿Por qué? Se difunde más rápido el NH 4OH (amoniaco) debido a que el peso molecular del amoniaco es menor (17) que el del HCl (36) lo que comparativamente resulta más ligero de una mayor velocidad de difusión

6.- Dos globos del mismo material y tamaño están llenos con hidrogeno y oxígeno a la misma temperatura y presión, el oxígeno escapa a 65 mL/h ¿Con que rapidez escapara el hidrogeno? Por Ley de Graham V1*√M1 = V2 *√M2

V1 * √2 = 65ml/h * √32 V1= 260ml/h

El hidrogeno escapara a 260 ml/h 6. ¿Cuál de los gases de las temperaturas se difundirá con mayor rapidez, si se encuentran todos ellos a 20°C y 4 atm, a través de iguales orificios?

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a) C12 (M=144) b) C3H8 (M= 44) c) NO2 (M= 33) d) CH4 (M= 16) De la expresión matemática se concluye que el gas más liviano (menor M) se difundirá o efusionará con mayor rapidez que el gas más pesado. Por lo tanto: Entonces el orden con respecto a cuál se difundirá más rápido es el siguiente; CH4