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LN – 14h – F.Q.I – E - F UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

FACULTAD DE QUÍMICA E INGENIERÍA QUÍMICA E.A.P. INGENIERÍA QUÍMICA – 07.2 LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA I

PRACTICA № 01:

GASES

INTEGRANTES: RIVERA NUÑEZ JHAMER CLINTON LEON MANCILLA JAIRO ALBERTO

17070123 17070039

PROFESOR: FRANCISCO TORRES DIAZ FECHA DE REALIZACION: 03/09/18 FECHA DE ENTREGA: 10/09/18

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INDICE

RESUMEN…………………………………………………………………………………………………………………………………3 INTRODUCCION………………………………………………………………………………………………………………………..4 PRINCIPIOS TEORICOS………………………………………………………………………………………………………………5 MATERIALES Y REACTIVOS……………………………………………………………………………………………………….7 PROCEDIMIENTO……………………………………………………………………………………………………………………..8 TABLA DE DATOS…………………………………………………………………………………………………………………….11 CÁLCULO Y RESULTADOS………………………………………………………………………………………………………..14 CONCLUSIONES………………………………………………………………………………………………………………………19 RECOMENDACIONES………………………………………………………………………………………………………………19 CUESTIONARIO……………………………………………………………………………………………………………………….20 BIBLIOGRAFIA…………………………………………………………………………………………………………………………22

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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 20˚C, humedad relativa 95.8 %.Para determinar la densidad de la acetona 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 acetona

3.617 g/L con un

error 30.10% y un Yexp.de 1.235 donde el error es de 12.50% 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. Gases 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 de Berthelot: 𝑃𝑉 = 𝑛𝑅"𝑇 𝑚 9𝑇𝐶 𝑃𝐶 6𝑇𝐶 2 𝑃𝑉 = ( ) 𝑇𝑅 (1 + (1 − 2 )) 𝑀 128𝑃𝑃𝐶 𝑇 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: Es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una sustancia en un grado. 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 lnp1−lnp0

=

𝑪𝒗 lnp1−lnp2

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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.  Equipo para relación de capacidades caloríficas por el método de Clement y Desormes.  Regla, bulbos pequeños.. Reactivos  Líquido orgánico volátil.

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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).

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Fig .1 Método de Víctor Meyer

Relación de Capacidades Caloríficas por el Método de Clément y 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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TABLAS DE DATOS:

Condiciones ambientales:

T=298

H=96%

P=756mmHg

Experimento: Densidad de gases

P vapor H2O (mmHg) a 20˚c

17.535

Tc C3H6O(K) a 20˚c

508.2

Pc C3H6O (atm) a 20˚c

46.391

Datos experimentales obtenidos

Vmuestra+gas(ml)

27.1

Vgas(ml)

2.1

Vmuestra(ml)

25

Mmuestra=0.0837g

11

Resultados obtenidos P’ (P barométrica corregida)

755.12

R’ (Constante corregida)

0.7736

Densidad teórica del C3H6O (CN)

5.650g/L

Densidad Experimental del C3H6O(CN)

3.617g/L

Error Experimental Error %

33.10%

Experimento: Capacidad Calorífica Capacidad calorífica H1

H2

18cm

3.6cm

14.6cm

2.4cm

19.4cm

3.9cm

10.6cm

2.0cm

Datos teóricos Y aire

1.4

Cp Aire

6.93

Cv Aire

4.95

12

Resultados obtenidos Y promedio Cp

8.51

Cv

10.51

Error Experimental

Error % Cp

33.3 %

Error % Cv

41.2 %

Error% y

12.09%

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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 = 756𝑚𝑚𝐻𝑔 −

(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: 𝑃1 𝑉1 𝑃2 𝑉2 = = 𝑐𝑡𝑒 𝑇1 𝑇2 14

𝑃1= 𝑃´𝑏= 755.12 𝑚𝑚𝐻𝑔 𝑉1 = 25 𝑚𝑙 𝑇1 = 20°𝐶 = 293.15 𝐾

𝑃1 𝑉1 𝑇1

=

𝑃𝐶𝑁= 1 𝑎𝑡𝑚 = 760 𝑚𝑚𝐻𝑔 𝑉𝐶𝑁 = ¿ ? 𝑇𝐶𝑁 = 0°𝐶 = 273.15 𝐾

𝑃𝐶𝑁 𝑉𝐶𝑁

(755.12𝑚𝑚𝐻𝑔) (25𝑚𝑙)

𝑇𝐶𝑁

293.15 𝐾

=

(760 𝑚𝑚𝐻𝑔) 𝑉𝐶𝑁 273.15 𝐾

VCN = 23.14ml 3. Determine la densidad teórica del vapor a CN, usando la ecuación de Berthelot. 𝜌=

𝑃𝑀 𝑅´𝑇

9 𝑇𝑐 𝑃 6𝑇𝑐 2 𝑅 = 𝑅 [1 + (1 − 2 )] 128 𝑃𝑐 𝑇 𝑇 ´

Donde: Tc (C3H6O) a condiciones normales=508.2K Pc (C3H6O) a condiciones normales= 46.391 atm PCN= 1atm TCN= 273.15 K

Reemplazando tenemos que: 𝑅 ´ = (0.082

𝑎𝑡𝑚 𝑥 𝐿 9 𝑥 536.15 𝐾 𝑥 1 𝑎𝑡𝑚 6(536.15 𝐾)2 ) [1 + (1 − )] (273.15 𝐾)2 𝑚𝑜𝑙 𝑥 𝐾 128 𝑥 54 𝑎𝑡𝑚 𝑥 273 𝐾 𝑹´ = 0.07736

𝒂𝒕𝒎 𝒙 𝑳 𝒎𝒐𝒍 𝒙 𝑲

𝐶𝑁 Ahora calculando 𝜌𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 :

𝐶𝑁 𝜌𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 =

Donde: 𝑀𝐶3𝐻6𝑂 = 58.2

𝑃𝑀 𝑅´𝑇

𝑔 𝑚𝑜𝑙

15

𝐶𝑁 𝜌𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 =

𝑔 ) 𝑚𝑜𝑙

(1 𝑎𝑡𝑚)(58.2 (0.07736

𝒈

𝑎𝑡𝑚 𝑥 𝐿 )x (273.15 K) 𝑚𝑜𝑙 𝑥 𝐾

𝝆𝑪𝑵 𝒕𝒆ó𝒓𝒊𝒄𝒂 = 𝟐. 𝟕𝟓 𝑳

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

𝐶𝑁 𝜌𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑎𝑙 =𝑉

𝐶𝑁

Masa del cloroformo: 0.0837 g. VCN= 23.14mL

𝝆𝑪𝑵 𝒆𝒙𝒑𝒆𝒓𝒊𝒎𝒆𝒏𝒂𝒍 =

0.0837𝑔 𝒈 = 𝟑. 𝟔𝟏𝟕 23.14 𝑚𝐿 𝑳

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RELACION DE CAPACIDADES CALORIFICAS a) Determine la relación de capacidades caloríficas para cada altura inicial.

H1

H2

Y EXPERIMENTAL

18

3.6

1.25

14.6

2.4

1.20

19.4

3.9

1.25

10.6

2.0

1.23

ℎ1

= ℎ1−ℎ2

-Determine

promedio para el gas.

𝛾̅ =1.235 A partir del valor promedio de

, calcule los CP Y Cv experimentales. 𝐶𝑃

De:

𝐶𝑉

=

𝐶𝑃−𝐶𝑉=𝑅 𝑐𝑎𝑙

-Usando 𝛾̅ =1.235 y R=2 𝑚𝑜𝑙𝑥𝐾 𝐶𝑃 𝐶𝑉

=1.23

𝐶𝑃 − 𝐶𝑉 = 2

𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙𝑥𝐾

𝑐𝑎𝑙

1.23𝐶𝑉 − 𝐶𝑉 =2 𝑚𝑜𝑙𝑥𝐾 𝑐𝑎𝑙

0.23𝐶𝑉 =2 𝑚𝑜𝑙𝑥𝐾 𝒄𝒂𝒍

𝑪𝑽 (𝒆𝒙𝒑𝒆𝒓𝒊𝒎𝒆𝒏𝒕𝒂𝒍)=8.51 𝒎𝒐𝒍𝒙𝑲 𝒄𝒂𝒍

𝑪𝑷(𝒆𝒙𝒑𝒆𝒓𝒊𝒎𝒆𝒏𝒕𝒂𝒍) = 𝟏𝟎. 𝟓𝟏 𝒎𝒐𝒍𝒙𝑲 17

PORCENTAJE DE ERROR PARA CADA EXPERIMENTO

𝟑. 𝟔𝟏𝟕

1.23

2.750 TABLA 2

30.10

1.4 12.08 TABLA 3

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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.

RECOMENDACIONES Esperar a que el fluido dentro del medidor de alturas deje de oscilar hasta el ultimo momento

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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CUESTIONARIO

1)En que consiste el método de Regnault para la determinación de los pesos moleculares de las sustancias gaseosas. Este método se usa para determinar los pesos moleculares de las sustancias gaseosas a la temperatura ambiente y se realiza así: Un matraz de vidrio de unos 300 a 500 c.c. de capacidad, provisto de llave, se evacúa y pesa, llenándolo a continuación con el gas cuyo peso molecular se busca a una temperatura y presión, procediendo a pesarlo de nuevo. La diferencia de pesos representa el del gas W en el matraz cuyo volumen se determina llenándolo y pesándolo con agua o mercurio, cuyas densidades se conocen. En un trabajo preciso se usa un bulbo más grande para llenarlo y otro decontra peso, y se corrigen las mediciones reduciéndolas al vacío.

2)Describa por lo menos dos métodos experimentales para la determinación de pesos moleculares de gases.

-Método de Dumas: Jean Baptiste André Dumas demostró que el peso molecular de algunos compuestos orgánicos era directamente proporcional a la densidad de vapor del compuesto, y, usando este principio, creó un metodo para determinar los pesos atómicos, especialmente de gases y líquidos con bajos puntos de ebullición y cuyos vapores cumplen la ley de gas ideal: PV=nRT

Este método se basa en la determinación de la densidad del vapor de la muestra. Se determina el volumen ocupado por un vapor a una temperatura superior a su punto de ebullición y se determina la masa de ese vapor por pesada

se tiene la siguiente ecuación:

𝑃𝑀 =

𝑚𝑇𝑅 𝑉𝑃

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-Metodo de Victor Meyer: Se volatiliza una masa conocido de una muestra líquida y medir el Volumen de aire que es desplazado por el vapor de dicha muestra a condiciones de Presión y Temperatura conocidas, y considerando que la mezcla gaseosa se comporta idealmente Este punto es el fundamento del método a utilizar en la práctica. El método de Victor Meyer se utiliza para sustancias liquidas o solidas que puedan vaporizarse. Se pesa una masa m de la sustancia y se coloca en el aparato de Victor Meyer, cuya construcción permite que la sustancia se vaporice, desplazando una cantidad equivalente (en moles) de aire hacia un receptáculo externo, en el cual se mide el volumen V de aire desplazado que es igual al número de moles de la sustancia desconocida contenidos en la masa m. Si, mediante un análisis elemental cuantitativo se determina la composición centesimal de la sustancia y la fórmula mínima, el peso molecular determinado por el método de Victor Meyer puede usarse para calcular la fórmula molecular

3)Indique las características principales de una isoterma para gases reales: Se denomina proceso isotérmico o proceso isotermo al cambio reversible en un sistema termodinámico, siendo dicho cambio a temperatura constante en todo el sistema. La compresión o expansión de un gas ideal puede llevarse a cabo colocando el gas en contacto térmico con otro sistema de capacidad calorífica muy grande y a la misma temperatura que el gas. Este otro sistema se conoce como foco calórico. De esta manera, el calor se transfiere muy lentamente, permitiendo que el gas se expanda realizando trabajo. Como la energía interna de un gas ideal sólo depende de la temperatura y ésta permanece constante en la expansión isoterma, el calor tomado del foco es igual al trabajo realizado por el gas: Q = W.

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BIBLIOGRAFÍA

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



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



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



Guía de prácticas de laboratorio de fisicoquímica I.(2014).Gases,4,5,6,7,8.

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