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• Rosmery Gonzales

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Estudios Generales – UNALM. Guía De Práctica De Laboratorio Química General. Modalidad Virtual.

PRÁCTICA 2 PROPIEDADES DE LOS GASES IDEALES 1. INTRODUCCIÓN En nuestro planeta existe una capa gaseosa que se conoce como “atmósfera terrestre”. Está constituida por una mezcla de varios gases que denominamos “aire” cuya composición varía de acuerdo con la altura en relación con el nivel del mar. En una parte de la atmósfera se encuentra la capa de ozono (O3(g)) que protege la vida de Tierra absorbiendo gran parte de la radiación UV proveniente del sol. En zonas más cercanas a la superficie terrestre, los principales componentes del aire son el nitrógeno (N2(g)) y el oxígeno (O2(g)). Este último es indispensable para mantener muchas formas de vida en el planeta, incluyendo la de los seres humanos. Gran parte de este oxígeno se genera por el proceso de fotosíntesis que realizan las plantas en el que el dióxido de carbono (CO2(g)) es convertido a O2(g) y liberado a la atmósfera. Estos son solo algunos ejemplos de gases que cumplen con un papel muy importante en el mantenimiento de la vida en nuestro planeta. Los gases tienen tiene propiedades características que lo diferencian de los otros estados de la materia. Por ejemplo, un gas ocupa todo el volumen del recipiente que lo contiene y toma su forma. Además, los gases pueden comprimirse, difundirse y expandirse fácilmente. El comportamiento de los gases ha sido estudiado a través de las variables de estado: volumen, presión y temperatura; estas determinan la cantidad de partículas gaseosas (expresada como número de moles). Estas variables se relacionan bajo condiciones específicas mediante expresiones conocidas como las leyes de los gases. Dentro de las leyes de los gases ideales tenemos a la ley de Boyle, ley de Gay-Lussac, ley de Charles y la ley de Avogadro. A partir de estas leyes se puede deducir la ley combinada de los gases y la ecuación general de los gases ideales, de allí la importancia de las cuatro primeras leyes.

2. OBJETIVOS Los estudiantes, al término de la sesión de laboratorio serán capaces de: • Relacionar las variables que rigen el comportamiento de los gases aplicando las leyes de Boyle, Charles, Gay-Lussac y Avogadro. • Identificar la relación entre presión, volumen, temperatura y el número de moléculas de gas. • Elaborar un informe escrito de la experiencia, siguiendo el formato establecido, en el que señalará, el procedimiento seguido, las observaciones, los resultados obtenidos, la discusión de los resultados y las conclusiones finales.

Villegas Silva, Elvito; Arias Durand, Amelia D.; Dioses Morales, Jacqueline J.; Rengifo Maravi, Joel C.

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3. PRINCIPIOS TEÓRICOS Gas ideal: Un gas ideal es un gas teórico compuesto de un conjunto de partículas (átomos o moléculas) que se consideran puntuales, esto significa que el volumen total de partículas es despreciable frente al volumen total del recipiente que contiene al gas; además se considera que en el gas ideal el desplazamiento es aleatorio y las partículas no interactúan entre sí, esto significa que las fuerzas de atracción y repulsión intermolecular son despreciables. Ecuación de Estado: Cualquier muestra de gas puede describirse en términos de su presión, P, temperatura absoluta, T, volumen, V y número de moles presentes, n. En el modelo de gas ideal se considera que el volumen varía en forma directamente proporcional a la temperatura y al número de moles e inversamente proporcional a la presión; esta relación podemos expresarla de la siguiente manera: V α Tn/P Para transformar esta proporcionalidad en una igualdad se introduce una constante, que en este caso es la llamada constante universal de los gases; R; entonces la igualdad que resulta es: PV = RTn Donde P se expresa en Pascales en el Sistema Internacional, SI; V se expresa en m 3 (aunque suele usarse los litros); T en Kelvin; n en moles de gas y la constante R varía de acuerdo a las unidades de P, V y T. Algunos valores de R son: 8,3 kPa.L.mol-1.K-1 ; 0,082 atm.L.mol-1.K-1 ; 62,4 mmHg.L.mol-1.K-1 Ley de Boyle Establece que: el volumen de una determinada cantidad de gas, que se mantiene a temperatura constante, es inversamente proporcional a la presión que ejerce, lo que se resume en la siguiente expresión: PV=Kcte           Y se pueden representar gráficamente como:

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La ley de Charles El volumen de una determinada cantidad de gas que se mantiene a presión constante, es directamente proporcional a su temperatura absoluta, que se expresa como: 

Y gráficamente se representa como:

Debemos tener presente que la temperatura se DEBE expresar en grados Kelvin, K. Para determinar los valores entre dos puntos cualesquiera de la recta podemos usar:  

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Ley de Gay Lussac La presión de una determinada cantidad de gas que se mantiene a volumen constante, es directamente proporcional a su temperatura absoluta, que se expresa como:   

  Para determinar los valores entre dos estados podemos usar:

 

Ley de Avogadro Una de las hipótesis más importantes en el desarrollo de la teoría atómica fue hecha por Amedeo Avogadro en 1811. Propuso que volúmenes iguales de todos los gases, a una presión y temperatura determinadas, contienen el mismo número de moléculas.

V1/n1=V2/n2

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4. PROCEDIMIENTO: Utilizar el simulador de propiedad de gases de PHET Interactive Simulations de la Universidad de Colorado Boulder. Contenidos ● ● ● ●

Ley Boyle Ley de Gay-Lussac Ley de Charles Ley de Avogadro

Visite el enlace https://phet.colorado.edu/sims/html/gas-properties/latest/gas-properties_en.html Usted verá en su pantalla la siguiente figura:

Hacer clic en el recuadro amarillo y saldrá la siguiente imagen, en la cual se trabajará:

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Descripción General En este simulador cuando se adicionan las moléculas de un gas a la caja, se puede modificar distintos parámetros como el volumen, presión, temperatura y número de moléculas, A fin de observar el comportamiento de los otros parámetros.

4.1 Ley de Boyle: La Ley de Boyle indica que la presión de una cantidad fija de un gas a temperatura constante es inversamente proporcional al volumen del gas. Para el desarrollo de la ley de Boyle, deberá ir a partículas y seleccionar las partículas pesadas con las flechas direccionales que aparecen allí. Se debe mantener la temperatura constante, en el lado derecho del simulador en el cuadro que dice “Hold Constant”, seleccione la opción “temperature”.

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El número de partículas pesadas con las que se trabajará en la Ley de Boyle, Gay-Lussac y Charles será el siguiente: Grupo 1: Trabajará con NP = 100 Grupo 2: Trabajará con NP = 200 Grupo 3: Trabajará con NP = 350 Grupo 4: Trabajará con NP = 400 Grupo 5: Trabajará con NP = 500 Grupo 6: Trabajará con NP = 600 La temperatura constante a utilizar será de 300 K Todos los grupos medirán la presión a los siguientes anchos de caja: 5 nm, 7 nm, 9 nm, 11 nm, 13 nm y 15 nm Calcular los volúmenes de los diferentes anchos. Para el cálculo del volumen, el área transversal de la caja en el simulador es de 3,5x10-17m2 Finalmente, grafique los resultados de presión vs volumen. 4.2 Ley de Gay-Lussac: La Ley de Gay-Lussac indica que el volumen es constante para esto fija una cantidad de gas, siendo la temperatura directamente proporcional a la presión. Se debe mantener el volumen constante, en el lado derecho del simulador en el cuadro que dice “Hold Constant”, seleccione la opción “Volumen (V)”.

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El número de partículas pesadas con las que se trabajará será las mismas que les corresponde a cada grupo en la corrida de la Ley de Boyle . Luego determine la presión en el simulador a diferentes temperatura; 100K, 150K, 200K, 250K, 300K y grafique los resultados de presión versus temperatura. 4.3 Ley de Charles: La Ley de Charles indica que la presión es constante para esto se fija una cantidad de gas, siendo la temperatura directamente proporcional al volumen. Se debe mantener el volumen constante, en el lado derecho del simulador en el cuadro que dice “Hold Constant”, seleccione la opción “Pressure↕V”, tal como se indica en el cuadro de abajo. El número de partículas pesadas con las que se trabajará será indicado por el profesor. Luego determine el volumen en el simulador a diferentes temperatura; 100K, 150K, 200K, 250K, y 300K Y grafique los resultados de volumen versus temperatura.

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4.4 Ley de Avogadro La ley de Avogadro indica que a presión y temperatura constante la cantidad de gas es directamente proporcional al volumen. Se debe mantener el volumen constante, en el lado derecho del simulador en el cuadro que dice “Hold Constant”, seleccione la opción “Pressure ↕T”.

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Cada grupo debe fijar el valor del ancho inicial de la caja con que parte y será de la siguiente manera: Grupo 1: Trabajará con X = 5nm Grupo 2: Trabajará con X = 5,5nm Grupo 3: Trabajará con X = 6,0nm Grupo 4: Trabajará con X = 6,5nm Grupo 5: Trabajará con X = 7,0nm Grupo 6: Trabajará con X = 7,5nm Este ancho se fija estando solo el volumen (V) activo, marcan el ancho que le corresponde al grupo y luego proceder a fijar las partículas pesadas con 50 y seguidamente activar todas las variables de Hold constant menos Presión ↨V. Después de estos pasos continuar con las lecturas de los anchos cambiando la cantidad de partículas pesadas Luego calcular el volumen a partir de los valores del ancho de la caja para las diferentes cantidades de partículas pesadas agregadas: 50, 60, 70, 80, 90. Observe que los valores de presión y temperatura permanecen constante. Y grafique los resultados de volumen versus número de partículas. Después se determina el número de Avogadro experimental para cada uno de las condiciones, y número de Avogadro promedio experimental.

5. RESULTADOS Villegas Silva, Elvito; Arias Durand, Amelia D.; Dioses Morales, Jacqueline J.; Rengifo Maravi, Joel C.

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Tabla 1. Ley de Boyle Temperatura (K) Número de partículas Número de moles Ancho (nm)

Presión (atm)

Volumen (L)

5 7 9 11 13 15

Tabla 2. Ley de Gay-Lussac Volumen (L) Número de partículas Número de moles Temperatura (K)

Presión (atm)

100 150 200 250 300

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Tabla 3. Ley de Charles Presión (atm) Número de partículas (NP) Número de moles = (NP/N Avogadro) Temperatura (K)

Ancho (nm)

Volumen (L)

100 150 200 250 300

Tabla 4. Ley de Avogadro Temperatura (K) Presión (atm) Ancho inicial (nm) Número de partículas

Ancho (nm)

Volumen (L)

Número de Avogadro

50 60 70 80 90 Número de Avogadro promedio

6. CUESTIONARIO PARA EL INFORME DE PRÁCTICAS

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1. Calcule la temperatura (en °C) de un gas cuando se expande hasta 5,25 L a presión constante. El volumen inicial del gas es 3,45 L y se encontraba a 282 K. 2. La temperatura de un gas aumenta desde 125 ⁰C hasta 182 ⁰C en un recipiente rígido. Si la presión inicial del gas era de 1,22 atm, ¿cuál será la presión del gas luego de la variación de la temperatura? 3. El volumen inicial de un gas en un recipiente es 3,24 L, a una presión estándar de 1,00 atm. ¿Cuál sería el volumen del gas si la presión aumenta hasta 1,20 atm? Considere que la temperatura no cambia. 4. Un recipiente de vidrio de 200 mL contiene dióxido de carbono gaseoso a 27 oC de temperatura y 2,2 atm de presión. Determine la masa (en gramos) de CO 2 contenido en dicho recipiente. Dato de masa molar: CO2 = 44g 5. De acuerdo con la reacción: Na2CO3(s) + 2 HCl(ac) → 2 NaCl(ac) + CO2(g) + H2O(l) Si se obtiene 3,2 gramos de CO2, calcule cuántos gramos de carbonato de sodio reaccionó. Datos de masa molar: CO2 = 44g; Na2CO3 = 106g

7. REFERENCIAS 1. Palma, J., Sánchez, V., Villegas, E., Jorge, P., Suárez, D. (2015). Guía de Práctica de Laboratorio Química General. Lima, Perú; Fondo editorial de la UNALM. 2. Pontificia Universidad Católica del Perú. (2020). Leyes de los gases ideales. Recuperado el 19 de mayo de http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/521-leyes-de-los-gasesideales.html 3. Chang, R., y Goldsby, K. (2013). Química. Ciudad de México, México: Mc Graw Hill. Undécima Edición.

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