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LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA TEMA: GASES

Profesor: Ing. Agerico Pantoja Cadillo

Integrantes:

Código:

Flores Alvarez Ivan Adrian

13170065

Pimentel Ramos Lino David

12170044

Flores Marques Maricielo Escarleth

13170217

Fecha de realización: 08 de septiembre de 2015 Fecha de entrega: 15 de septiembre de 2015 Turno: Martes de 10:00-12:00 horas.

Ciudad universitaria 2015

I.

RESUMEN:........................................................................................ 3

II.

OBJETIVO:........................................................................................ 6

III.

FUNDAMENTO TEÓRICO:...............................................................6 Gases ideales....................................................................................... 6 Gases reales........................................................................................ 7

IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.......................................................9 IV.1 Materiales...................................................................................... 9 IV.2 Reactivos....................................................................................... 9 IV. 3 Procedimiento técnico.....................................................................9 IV.3.1 Determinación de la densidad de gases por el método de Víctor Meyer:............................................................................................... 9 IV.3.2 Relación de las capacidades caloríficas por el método de Clément y Desormes:....................................................................................... 10 V. CALCULOS Y RESULTADOS................................................................12 V.1 Tablas de datos experimentales.......................................................12 V.3 Cálculos....................................................................................... 13 V.3.1 Densidad de Gases por el método de Víctor Meyer:....................13 V.3.2 Relación de las capacidades caloríficas por el método de Clément y Desormes........................................................................................ 16 V.4 Tablas de resultados y % de errores.................................................21 VI. CONCLUSION:.................................................................................. 24 VII. DISCUSION:..................................................................................... 25 VIII. BIBLIOGRAFÍA................................................................................ 25

1

I.

RESUMEN:

El objetivo principal de la práctica es el de determinar las principales propiedades de los gases (CHCL 3), como por ejemplo la de capacidad calorífica, mediante el método de Clément y Desormes; o también la propiedad de densidad, mediante el método de Víctor Meyer. Según el método de Víctor Meyer: Para determinar la densidad de gases, mediante el método de Víctor Meyer, primero tenemos que corregir la presión barométrica, mediante la siguiente fórmula: (100−h) F 100 P ´ b =P¿

b−¿

Remplazando los valores, hallamos: P´b=758.73mmH También tenemos que corregir el volumen del aire desplazado a condiciones normales: PCN x V CN PCL V CL = T CN T CL V CN =0.0179 L Luego determinamos la densidad teórica del vapor a condiciones normales, según la ecuación de Berthelot:

[

9 TC P 6 T C2 R ´=R 1 + 1− 2 128 P c T T

(

)]

L atm mol K

Luego de reemplazar los valores, de la ecuación de Berthelot, obtenemos:

R=58.87

L mmHg mol K

Luego determinamos la densidad del vapor a condiciones normales. ρCN Experimental =

m … V CN

ρCN Experimental =8. 0 459 ρCN Teórico=

g L

´ PM R´T

ρCN Teórico=5.18

g L

Para poder determinar el porcentaje de error, utilizaremos la siguiente fórmula:

|

%E=

|

V t−V e x 100 Vt

%E=55

Para poder hallar la relación de capacidades caloríficas, necesitaremos la siguiente fórmula: γ=

CP h = 1 CV h 1−h2

γ exp=1.263 C v =9.4752

1 cal mol K

C p =11.4612

1 cal mol K

Luego hallaremos el porcentaje de error:

|

%E=

|

V t−V e x 100 Vt

Error γ =9. 784 aire

Error C =86.078 v

Error C =61.9225 p

II.

OBJETIVO:

Estudiar las principales propiedades de gases en este caso del cloroformo CHCL3 y del aire, tales como densidad y capacidad calorífica respectivamente.

III.

FUNDAMENTO TEÓRICO:

Un gas constituye el estado físico más simple de la materia, cuya característica principal es que la sustancia llena completamente el recipiente que la contiene. Por ello se dice que los gases son fluidos que no tienen forma ni volumen definido. Los gases se comportan de dos formas:  

Los gases ideales. Los gases reales.

Gases ideales “Las moléculas de una gas ideal son puntuales, es decir son de forma esférica y de dimensión (volumen) despreciable”1. “Un gas real tiende a un comportamiento ideal a presiones bajas y temperaturas altas, porque a dichas condiciones las fuerzas intermoleculares tienden a cero.” 2

Ecuación universal de los Gases Ideales

1 Instituto de Ciencias y Humanidades, QUÍMICA Análisis de principios y aplicaciones, LUMBRERAS editores, Tomo I, Lima, pp- 572, 2008. 2 Instituto de Ciencias y Humanidades, QUÍMICA Análisis de principios y aplicaciones, LUMBRERAS editores, Tomo I, Lima, pp- 574, 2008.

Es denominada también ecuación de estado de los gases ideales, porque nos permite establecer una relación de funciones de estado, que definen un estado particular de una cierta cantidad de gas (n). PV =nRT …( 1)

n=

Donde:

W ´ M

R→ constante universal de gases V

→

volumen del gas, debe medirse siempre en litros (L)

T

→

temperatura del gas, debe medirse en escala Kelvin (K)

P

→

presión absoluta del gas

Otras formas de expresar la ecuación universal: PV =

W RT …(2) M

Donde W es la masa en gramos del gas y M la masa molar del gas, expresado en g/mol. En

función

PM =

a

la

densidad

( D=

W ) V

del

gas

tenemos:

W RT → PM =DRT …(3) V

Gases reales Presentan fuertes atracciones intermoleculares, siendo el volumen significativo respecto al total. Estos gases no siguen la ecuación (1) y en la (2) y (3) se reemplaza R por un R´. Existen ecuaciones llamadas ecuaciones de estado, que corrigen las desviaciones de la idealidad, entre ellas tenemos la de Berthelot.

[

R ´=R 1 +

(

9 TC P 6T 1− 2C 128 P c T T

2

)]

L atm …( 4) mol K

Capacidades caloríficas de los Gases La capacidad calorífica de una sustancia es el calor necesario para elevar, en una unidad termométrica. Hay dos tipos de capacidad calorífica: a presión constante y a volumen constante. La relación entre ambas puede ser determinada experimentalmente mediante el método de Clément y Desormes. Mediante este método, en un sistema a presión superior a la atmosférica, se realiza una expansión diabática, y luego un calentamiento a volumen constante; para un sistema de este tipo se cumple: C P ln P1−ln P0 = …(5) C V ln P1−ln P0 Y si el cambio de presión es pequeño, sabiendo que γ=

CP h = 1 … (6) CV h 1−h2

p=ρgh :

IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL IV.1 Materiales     

1 Vaso de 600 mL. 1 Vaso de 250 mL. 1 Vaso de 50 mL. 1 Luna de reloj. Ampolla de vidrio, pinza y termómetro.

IV.2 Reactivos Cloroformo (CHCl3) IV. 3 Procedimiento técnico IV.3.1 Determinación de la densidad de gases por el método de Víctor Meyer: a) Instalamos el equipo como muestra la siguiente figura:

b) Colocamos agua en el vaso precipitado y manteniendo abierto el tapón del tubo de vaporización y la llave de la bureta cerrada, dejamos que el agua contenida en el vaso ya mencionado hierva durante 10 minutos. c) Mientras esto ocurría, taramos la balanza con una ampolla sin muestra, para luego pesarla cloroformo.

pero cuando ésta ya contenía un chorrito de

d) Abrimos la llave de la bureta igualamos los niveles de agua de ésta con la pera. Colocamos el tapón al tubo de vaporización y observamos en cuantos milímetros se desnivelaba el agua, tomamos nota y quitamos el tapón. e) Abrimos la ampolla y la colocamos en el tubo de

vaporización,

inmediatamente cerramos este tubo con el tapón. A continuación, una vez que el agua deja de descender igualamos los niveles. f) Cerramos la llave de la bureta y esperamos 10 minutos, a continuación tomamos la temperatura del agua contenida en la pera. IV.3.2 Relación de las capacidades caloríficas por el método de Clément y Desormes: a) Armamos el equipo así como lo muestra la siguiente figura:

b) Tapamos B con el dedo y con ayuda del balón otorgamos gas al sistema. Bombeamos hasta que el desnivel de agua en el manómetro sea de 10 centímetros. c) Destapamos B y la tapamos inmediatamente en el momento en el que ambas ramas del manómetro se cruzan por primera vez. d) Esperamos que se estabilice el líquido manométrico y leemos la nueva diferencia de alturas. e) Realizamos el mismo procedimiento con las siguientes diferencias de alturas iniciales: 15, 20 y 25 cm.

V. CALCULOS Y RESULTADOS V.1 Tablas de datos experimentales Tabla Nº1: Condiciones experimentales de laboratorio P(mmHg) 756

T(ºC) 24

%HR 94

Tabla Nº2: Determinación de la densidad de gases por el método de Víctor Meyer M CHCL3 (g) V del agua desplazado (mL) T H2O en la pera (K)

0.1641 19.4 24

Tabla Nº3: Relación de las capacidades caloríficas por el método de Clément y Desormes

h1 (cm)

10 15 20

h2 (cm)

h´1

(cm)

10

h´2 (cm)

1.9

h´1

(cm)

15

h´2 (cm)

3.2

h´1

(cm) 20 h1 (cm)

h´2 (cm) 4.1 h2 (cm)

25

h´1

(cm)

25

h´2 (cm)

5.6

V.2 Tablas de datos teóricos Tabla Nº4: Datos del cloroformo3 Temperatura crítica (K) Presión crítica (mmHg) Peso molecular (g/mol)

536.15 41192 119.38

Tabla Nº5: Datos del agua4 Temperatura crítica (K) Presión crítica (mmHg) Densidad (g/mL)

647.130 165984 0.323

Tabla Nº6: Datos del aire5 Temperatura crítica (K) Presión crítica (mmHg) Densidad (g/mL)

132.45 28272 0.35

V.3 Cálculos V.3.1 Densidad de Gases por el método de Víctor Meyer: a) Corrección de la presión barométrica de la fórmula: b−¿

(100−h) F …(7) 100 P ´ b=P¿

Siendo:

3 PERRY R, Manual del Ingeniero Químico, Mc Graw Hill, Tomo 3, pp135 4 PERRY R, Manual del Ingeniero Químico, Mc Graw Hill, Tomo 3, pp135 5 PERRY R, Manual del Ingeniero Químico, Mc Graw Hill, Tomo 3, pp135

P´b, Pb:

presión barométrica corregida y presión barométrica,

respectivamente. F

: presión de vapor de agua a temperatura ambiente.

h

: %de humedad en el aire

Datos: Pb=756mmHg h =94% F =21.07 mmHg6 Reemplazando en (7): 21.07 ( 100−94 100 )

P´ b=756−

P´b=758.73mmHg…(8) b) Corrección del volumen de aire desplazado a condiciones normales (CN) ,273.15K, 760mmHg. De la fórmula: PCN x V CN PCL V CL = …( 9) T CN T CL Siendo: CN: condiciones normales CL: condiciones de laboratorio Datos: PCN = 760 mmHg TCN = 273.15 K 6 PERRY R, Manual del Ingeniero Químico, Mc Graw Hill, Tomo 3, pp57

VCN = ? PCL = P´b=758.73mmHg TCL

= 297 K

VCL = 19.4 mL 760 mmHg ×V CN 758.73mmHg ×19.4 mL = 273.15 K 297 K V CN =1.783 mL ×

1L =0.0178 L 103 mL

c) Determinar la densidad teórica del gas a CN, usando la ecuación de Berthelot: De la ecuación (3) ρCN Teórico=

´ PM R´T

Ecuación de Berthelot: ec (4)

[

(

9 TC P 6T R ´=R 1 + 1− 2C 128 P c T T

2

)]

L atm mol K

Siendo: R´

= constante corregida

R

= Constante de los gases ideales

TC, PC =

Temperatura y presión crítica del gas

T y P= Temperatura y presión del gas Reemplazando datos en (4) R ´=62.32

[

( (

9(536.15 K ×21.028 mmHg) L mmHg 536.15 K 1+ 1−6 mol K 128( 41.192mmHg ×296.15) 296.15 K

) )] 2

R ´=58.87

LmmHg mol K

Reemplazando R´en (3)

CN

760 mmHg× 119.38

ρTeórico=

62.2452

CN

ρTeórico=5.18

g mol

L mmHg ×273.15 mol K

g L

d) Determinamos la densidad experimental del gas a CN, dividiendo la masa entre el volumen corregido. ρCN Experimental =

m …( 6 ) V CN

ρCN Experimental =

0.1641 g 19.4 L

ρCN Experimental =8.045

g L

V.3.2 Relación de las capacidades caloríficas por el método de Clément y Desormes a) Determinamos la relación de capacidades caloríficas por el método de Clement y Desormes. *Para una altura teórica de h=10cm

1 2

h1(cm) 10 15

→Hallamos el promedio para ambas alturas 12.1+13.9+13.0+14.2 h´1= =12.5 cm 4

h2(cm) 1.9 3.2

0.4+ 1.4+1.6+2.6 h´2= =2.05 cm 4 σ n−1

→ Sabiendo el promedio, hallamos σ

n−1 h1

√

(13.3−12.1)2 +(13.3−13.9)2 = 2−1

σ n−1 h =0.9847 1

σ

n−1 h2

√

(1.4−0.4 )2+(1.4−1.4)2 = 2−1

σ n−1 h =0.7483 2

→ Ahora hallamos

∆ h=

∆ h1 =

0.9487 =0.4743 √4

∆ h2 =

0.7483 =0.3742 √4

→ Ahora hallamos

γ 10=

σ

n−1

…(10)

√n

h1 …(11) h1−h2

γ 10=γ´10 ± ∆ γ 10 γ´ 10=

∆ γ=

h´1 ´h1−h´ 2

√

=

13.3 =1.1176 13.3−1.4

∆ h 1 2 ∆ h2 2 ∆ h1 + + ´h1 h´ 1 h´ 2

2

( )( )( ) n

∆ γ 10=

√

(

0.4743 13.3

2

)(

…(12)

0.3742 1.4 4

2

)(

0.4743 13.3

2

)

∆ γ 10=49.14 γ 10=1.1176 ± 0.4914 *Para una altura de h=15cm h1(cm) 1 2

h2(cm) 3.2 1.6

15 15.0

→Promedio de las alturas h´1=14.525 cm

h´2=2.35 cm →Sabiendo el promedio, hallamos

∆h

con la ecuación (10)

∆ h1 =0.1797 ∆ h2 =0.6198 → Ahora hallamos

γ 15 con la ecuación (11)

γ´ 15=1.1930 Con la ecuación (12) hallamos

∆ γ 15=0.1322

γ 15=1.1930 ±0. 1322 *Para una altura de h=20cm

1 2

→Promedio de las alturas h´1=19.725 cm

h1(cm) 20 20

h2(cm) 4.1 4.15

h´2=2.60 cm

→Sabiendo el promedio, hallamos

∆h

con la ecuación (10)

∆ h1 =0.4498 ∆ h2 =0.8718 → Ahora hallamos

γ 20 con la ecuación (11)

γ´ 20=1.1518 Con la ecuación (12) hallamos

∆ γ 20=0.1684

γ 20=1.1518 ±0. 1684 *Para una altura de h=25cm

h1(cm) 25 25

1 2

h2(cm) 5.6 5.8

→Promedio de las alturas h´1=2 5 cm h´2=5 .6 cm

→Sabiendo el promedio, hallamos

∆h

con la ecuación (10)

∆ h1 =0.6382 ∆ h2 =1.6181 → Ahora hallamos

γ 25 con la ecuación (11)

γ´ 25=0.1077 Con la ecuación (12) hallamos

∆ γ 25=0.1322

γ 15=1.3758 ±0. 1077 *Hallamos Cp y Cv teóricos: Sabiendo que: Cp =γ =1.4 …(13) C v aire C p −C v =R … ( 14 ) Cp=1.4Cv 1.4Cv-Cv=0.082 0.39 C v =0.082

L atm 1cal × mol K 4.129 ×10−2 atm L

C v =5.0922

cal mol K

C p =7.0782

cal mol K

*Ahora hallamos Cp y Cv experimental tenemos: γ exp=1.263 Cp γ exp= =1.263 Cv C p −C v =0.082

L atm 1 cal × mol K 4.129 ×10−2 atm L

1.2096 C v −C v =1.986 0.2096 C v =1.986 C v =9.4752

1 cal mol K

1 cal mol K

C p =11.4612

1 cal mol K

1 cal mol K

V.4 Tablas de resultados y % de errores Determinación de la densidad de gases por el método de Víctor Meyer 0 45 |5.18−8. |×100 5.18

%E=

%E=55

Relación de las capacidades caloríficas por el método de Clément y Desormes Tabla Nº7 h1 (cm) h´ ∆h γ´ 10 ∆γ γ´ 10 ± ∆ γ

h2 (cm) 13.3 0.4743

1.4 0.3742 1.1176 0.4914 1.1176±0.4914

Tabla Nº8 h1 (cm) h´ ∆h γ´ 15 ∆γ γ´ 15 ± ∆ γ

h2 (cm) 14.525 0.1797

2.35 0.6198 1.1930 0.1322 1.1930±0.1327

Tabla Nº9 h1 (cm) h´ ∆h γ´ 20 ∆γ γ´ 20 ± ∆ γ

h2 (cm) 19.725 0.4498

2.6 0.8718 1.1518 0.1684 1.1518±0.1684

Tabla Nº10 h1 (cm) h´

h2 (cm) 27.825

7.6

∆h γ´ 25 ∆γ γ´ 25 ± ∆ γ

0.6382

V T −¿V VT ¿ ¿ %E=¿ E

× 100 |1.4−1.26 1.4 |

Error γ = aire

|5.0922−9.4752 |×100 5.0922

Error C = v

|7.0782−11.4612 |× 100 7.0782

Error C = p

Error γ =9 . 784 aire

Error C =86.0728 v

Error C =61.9225 p

1.6181 1.3758 0.1077 1.3758±0.1077

VI. CONCLUSION:



En el siguiente laboratorio, hallamos el volumen corregido saliéndonos el valor teórico de 17.83 ml y nuestro valor experimental, medido por el desplazamiento del agua de la bureta, 19.4 ml, por lo cual nuestro porcentaje de error -8.09%, un error en exceso.



En este laboratorio también hallamos la densidad teórica del cloroformo saliéndonos 5.8 g/L y nuestro valor experimental 8.045 g/L, siendo nuestro porcentaje de error de 55%, porcentaje en defecto, por motivos como el mal pesaje de la masa del cloroformo, como también la del volumen desplazado.



En este laboratorio hallamos el coeficiente adiabático que por método experimental obtuvimos 1.263 y por un dato teórico sabemos que es 1.4, por lo cual nuestro porcentaje de error es de 9.78%, un porcentaje de error en defecto.

RECOMENDACIONES  Instalar bien los equipos con los que se va a trabajar, en este caso el de Victor Meyer y el de Clement y Desormes.  Verificar en ambos equipos que las conexiones, deben de estar herméticamente cerradas.  Estar atentos en el experimento de Victor Meyer, al momento de destapar la ampolla para que no se escape el gas.  En el experimento de Clement y Desormes, tener bien presionada la manguerilla para que no escape gas, y cerrar rápidamente el tubo de la tapa, ni bien crucen los líquidos, para evitar márgenes de error, para ello nuestra velocidad de reacción debe ser pronta.

VII. DISCUSION:



El porcentaje de error obtenido en el primer experimento fue debido a que no se tuvo la rapidez necesaria al colocar la ampolla con el cloroformo dentro del tuvo de ensayo sumergido en agua caliente.



En el caso del experimento de la relaciones de las capacidades caloríficas no se tuvo el cuidado ni rapidez al momento de cerrar la entrada de aire y luego al observar el cruce de los meniscos.

VIII. BIBLIOGRAFÍA 1. Instituto de Ciencias y Humanidades, QUÍMICA Análisis de principios y aplicaciones, LUMBRERAS editores, Tomo I, Lima, pp- 572, 2008. 2. Instituto de Ciencias y Humanidades, QUÍMICA Análisis de principios y aplicaciones, LUMBRERAS editores, Tomo I, Lima, pp- 574, 2008. 3. PERRY R, Manual del Ingeniero Químico, Mc Graw Hill, Tomo 3, pp135 4. PERRY R, Manual del Ingeniero Químico, Mc Graw Hill, Tomo 3, pp135 5. PERRY R, Manual del Ingeniero Químico, Mc Graw Hill, Tomo 3, pp135 6. PERRY R, Manual del Ingeniero Químico, Mc Graw Hill, Tomo 3, pp57