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Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Zaragoza Informe: Peso molecular de un líquido volátil (etanol CH3-CH2-OH) Autor: Hinojosa Romero Zeltzin Nadia Asesora: Dra. María del Carmen García Rodríguez 5 de Abril del 2013

Resumen Haciendo uso del método Dumas se determinó el peso molecular del etanol, previamente se cubrió el matraz Erlenmeyer de 50ml con un cuadrado de aluminio y se aseguró con una liga (utilizando guantes de látex), para posteriormente pesar en la balanza analítica, se anotó el peso y se agregó por medio de una jeringa 1 mL de etanol al matraz. Se sometió el matraz a un baño maría hasta llegar a una temperatura no mayor a los 80 °C, se mantuvo la temperatura y mediante un vidrio de reloj se observó la gasificación del etanol, al momento que dejo de salir etanol se utilizó una cinta para tapar el orificio por donde se introdujo el etanol al matraz, mediante una piceta con etanol se dio un baño al matraz para que el líquido dentro de este se condensara, una vez frio el matraz se volvió a pesar en la balanza analítica, se hicieron los cálculos correspondientes para posteriormente sustituir en la ecuación de los gases ideales y así calcular el peso molecular del etanol. El experimento se llevó acabo en dos días consecutivos, en donde en uno de ellos se determinó masa y temperatura, al día siguiente masa, temperatura y volumen, el tercer día consecutivo se montó un barómetro de Torricelli para medir la presión atmosférica. Un tercer experimento se realizó ya que los dos resultados anteriores no fueron reproducibles.

Introducción Peso molecular. Masa en unidades de masa atómica de una molécula de una sustancia no iónica (molecular). Es numéricamente igual a la masa en gramos de una mol de dicha

sustancia. Este número se obtiene sumando los pesos atómicos de los átomos que parecen en la formula. Volatilidad. Facilidad con la que un líquido pasa a la fase gaseosa. Liquido volátil. Líquido que a presión normal se evapora fácilmente o hierve a baja temperatura. Se gasifica fácilmente por tener una presión de vapor alta a temperatura ambiente, presión de vapor es la presión que ejerce un vapor en equilibrio con su líquido en una presión interna. Dicho de otro modo la presión de vapor es la tendencia “escapista” que tienen las moléculas de pasar de líquido a gas y esta aumenta con la temperatura, este “escape” de moléculas del estado líquido a gaseoso se llama gasificación pues se produce por debajo del punto de ebullición, así que sus características son; alta presión de vapor, bajo punto de ebullición (equilibrio entre presión de vapor y presión atmosférica). Presión atmosférica. Debido a su masa la atmosfera ejerce una presión denominada presión atmosférica, esta presión se mide mediante el barómetro, esta varia con la altura a medida que se asciende a nivel del mar la presión va siendo menor, varia también con la temperatura, el aire caliente es menos denso, menos pesado que el aire frio. Los cambios de densidad que sufre el aire hacen que varié la presión atmosférica. A nivel del mar la presión atmosférica equivale a una columna de mercurio de 760mm de altura. Valor de la presión atmosférica a nivel del mar: 76cm de Hg = 760mmHg = 1 atm = 1033 g/cm3 Presión = densidad x altura Presión de un gas. La teoría cinética demuestra que las moléculas se mueven en todas direcciones y en línea recta, chocando entre sí y con las paredes del recipiente que los contiene, cada choque determina un minúsculo impulso por segundo sobre cada centímetro y a esto se le llama presión. Presión es l fuerza por unidad de área, esta se debe al bombardeo molecular de la superficie y se ejerce en todas direcciones.

Volumen de un gas. Varía con la temperatura, la presión y la concentración. Debido a que los gases se pueden comprimir, lo que hace disminuir los espacios intermoleculares, se reduce también el volumen ocupado por las moléculas. El volumen se puede disminuir y medir hasta llegar a obtener el volumen real que es sumamente pequeño. Así se licua un litro de aire, se obtiene solamente un mililitro de aire líquido. Temperatura. Es la medida de la energía cinética de las moléculas. Sirve para determinar la dirección en la cual la energía calorífica fluye cuando dos cuerpos se ponen en contacto; es la forma de expresar la intensidad calorífica de los cuerpos. Densidad. La densidad se define como masa por unidad de volumen, en sólidos y líquidos esta suele expresarse en g/mL pero en los gases es más conveniente en g/L. Propiedades comunes de los gases. Los gases se comprimen con facilidad a volúmenes pequeños esto es su densidad puede acrecentarse por un aumento de presión. Los gases ejercen presión sobre sus alrededores y a su vez debe ejercerse presión para confinarlos. Se expanden sin límite alguno, de suerte que las muestras gaseosas ocupan por completo y de manera uniforme el volumen de cualquier recipiente. Los gases se difunden entre sí, de modo tal que cuando se colocan muestras de gases en el mismo recipiente se mezclan por completo, por el contrario, los diferentes gases de una mezcla no se separan en reposo. La cantidad y propiedades de los gases se describen en términos de la temperatura, presión, volumen ocupado y numero de moléculas presente, por ejemplo una muestra de gas ocupa mayor volumen cuando se calienta que cuando se enfría a la misma presión, sin embargo, el número de moléculas no cambia. Entre las moléculas de un gas ideal no existen fuerzas atractivas ni repulsivas. Teoría cinético-molecular.

El número de moléculas es grande y la separación media entre ellas es grande comparada con sus dimensiones. Por lo tanto ocupan un volumen despreciable en comparación con el volumen del envase y se consideran masas puntuales. Las moléculas obedecen las leyes de Newton, pero individualmente se mueven en forma aleatoria, con diferentes velocidades cada una, pero con una velocidad promedio que no cambia con el tiempo. Las moléculas realizan choques elásticos entre sí, por lo tanto se conserva tanto el momento lineal como la energía cinética de las moléculas. Las fuerzas entre moléculas son despreciables, excepto durante el choque. Se considera que las fuerzas eléctricas o nucleares entre las moléculas son de corto alcance, por lo tanto solo se consideran las fuerzas impulsivas que surgen durante el choque. El gas es considerado puro, es decir todas las moléculas son idénticas. El gas se encuentra en equilibrio térmico con las paredes del envase. Energía cinética. Es la energía del movimiento. La energía cinética de un objeto es la energía que posee a consecuencia de su movimiento, está dada por: EC=1/2mv2 La energía cinética es una expresión del hecho de que un objeto en movimiento, puede realizar un trabajo sobre cualquier cosa que golpee; cuantifica la cantidad de trabajo que el objeto podría realizar como resultado de su movimiento. La energía mecánica total de un objeto es la suma de su energía cinética y su energía potencial. La energía cinética molecular de los gases aumenta con el incremento de temperatura y disminuye cuando lo hace la temperatura. Ley de Boyle: relación volumen-presión. La ley de Boyle establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante. Al aumentar el volumen, las partículas (átomos o moléculas) del gas tardan más en llegar a las paredes del recipiente y por lo tanto chocan menos veces por

unidad de tiempo contra ellas. Esto significa que la presión será menor ya que ésta representa la frecuencia de choques del gas contra las paredes. Cuando disminuye el volumen la distancia que tienen que recorrer las partículas es menor y por tanto se producen más choques en cada unidad de tiempo: aumenta la presión. Lo que Boyle descubrió es que si la cantidad de gas y la temperatura permanecen constantes, el producto de la presión por el volumen siempre tiene el mismo valor. PV=K (el producto de la presión por el volumen es constante) Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V 1 que se encuentra a una presión P1 al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V2, entonces la presión cambiará a P2, y se cumplirá: P1V1=P2V2 Ley de Charles: relación volumen-temperatura. En 1787, Jack Charles estudió por primera vez la relación entre el volumen y la temperatura de una muestra de gas a presión constante y observó que cuando se aumentaba la temperatura el volumen del gas también aumentaba y que al enfriar el volumen disminuía. Cuando aumentamos la temperatura del gas las moléculas se mueven con más rapidez y tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente. Esto quiere decir que el número de choques por unidad de tiempo será mayor. Es decir se producirá un aumento (por un instante) de la presión en el interior del recipiente y aumentará el volumen (el émbolo se desplazará hacia arriba hasta que la presión se iguale con la exterior). Lo que Charles descubrió es que si la cantidad de gas y la presión permanecen constantes, el cociente entre el volumen y la temperatura siempre tiene el mismo valor.

V/T=K (el cociente entre el volumen y la temperatura es constante) Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V 1 que se encuentra a una temperatura T1 al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V2, entonces la temperatura cambiará a T 2, y se cumplirá: V1/T1=V2/T2 Ley de Avogadro y volumen molar normal. El científico italiano Amadeo Avogadro propuso en 1811 que volúmenes iguales de gases diferentes en iguales condiciones de presión y temperatura contienen el mismo número de moléculas. Desde Avogadro hasta nuestros días, la palabra partícula se emplea para designar tanto átomos como moléculas. Este enunciado, de gran importancia en el campo científico, se conoce con el nombre de principio de Avogadro. Casi simultáneamente llegó a iguales conclusiones el científico francés Ampere, por lo que el principio también se conoce con el nombre de principio de Avogadro y Ampere. Si volúmenes iguales de gases contienen igual número de moléculas, los volúmenes de los gases que reaccionan y los que resultan estarán en relaciones sencillas. El volumen de los gases puede variar fácilmente cuando cambian la temperatura y la presión. De aquí que sea necesario especificar condiciones de temperatura y presión tijas para medir el volumen de los gases. La temperatura elegida es 0°C y la presión de 760 mm (1 atmósfera) y reciben el nombre de temperatura y presión normales (TPN), o sencillamente, condiciones normales. Se ha demostrado experimentalmente que el mol de cualquier gas en condiciones normales ocupa siempre un volumen de 22.4 L, Este volumen de 22.4 L se conoce con el nombre de volumen molar. Esa constancia en el volumen molar de un gas, se explica por el hecho de que los tamaños de las moléculas gaseosas sean despreciables cuando son comparados con el espacio vacío que hay entre ellas Relación entre volúmenes y moles: V1/n1=V2/n2 a temperatura y presión constantes). Ley de Dalton de las presiones parciales. Muchas muestras gaseosas, incluyendo nuestra atmosfera son mezclas que se componen de varios gases, las moles totales de una mezcla gaseosa es igual a:

n

total= nA+nB+nC…

Donde nA, nB y así sucesivamente representan las moles de cada gas presente, se pueden sustituir ntotal en la ecuación de los gases ideales. Ecuación de los gases ideales. Toda muestra gaseosa puede describirse en términos de su presión, temperatura (kelvins) volumen y moles presentes. Tres de estas variables determinan la cuarta, mediante las leyes de los gases. Un gas ideal es aquel que sigue con exactitud estas leyes de los gases, y muchos gases exhiben desviaciones mínimas que se apartan de la idealidad, pero a temperaturas y presiones comunes las desviaciones son tan pequeñas que pueden ignorarse. El comportamiento de los gases ideales puede resumirse como: Ley de Boyle V∝ 1/P (T y n constantes) Ley de Charles V ∝ T (P y n constantes) Ley de Avogadro V ∝ n (T y P constantes) En resumen V ∝ nT/P Una proporcionalidad puede escribirse como igualdad si se introduce una constante de proporcionalidad, para la cual se usa el símbolo R. V = R (nT/P) reordenando PV = nRT Esta ecuación recibe el nombre de la ley de los gases ideales. El valor numérico de R, la constante universal de los gases depende de las unidades de P, V, y T que se seleccionen. Una mol de un gas ocupa 22.414L a 1 atm y 273.15 K (TPN). Despejando R de la ecuación de los gases ideales se obtiene: R = PV/nT = (1 atm)(22.414l)/ (1 mol)(273.15) = 0. 082057 L∙atm/mol∙K Peso molecular de un compuesto volátil. El peso molecular de un compuesto volátil puede ser determinado usando la ley de los gases ideales. Una de las determinantes más simples y directas de peso molecular consiste en la determinación de la densidad del vapor por el método atribuido a J.R. Dumas. Dumas demostró que el peso molecular de algunos compuestos orgánicos era directamente proporcional a la densidad del vapor del compuesto, y usando este

principio creo un método para determinar los pesos atómicos, especialmente de gases y líquidos con bajos puntos de ebullición y cuyos vapores cumplen la ley del gas ideal. Para obtener el peso molecular de un gas necesitamos la temperatura y la presión a la cual un peso de gas ocupa el volumen, luego si se expresa lo anterior en la ecuación de la densidad se obtiene ρ = PM/RT Barómetro de mercurio Fue inventado por Torricelli en 1643. Un barómetro de mercurio está formado por un tubo de vidrio de unos 850 mm de altura, cerrado por el extremo superior y abierto por el inferior. El tubo se llena de mercurio, se invierte y se coloca el extremo abierto en un recipiente lleno del mismo líquido. Si entonces se destapa se verá que el mercurio del tubo desciende unos centímetros, dejando en la parte superior un espacio vacío (cámara barométrica o vacío de Torricelli). Así, el barómetro de mercurio indica la presión atmosférica directamente por la altura de la columna de mercurio.

Hipótesis Si en un líquido volátil la tendencia de pasar de líquido a gas aumenta con la temperatura y el método Dumas permite calcular el peso molecular de un líquido volátil mediante el volumen de vapor de este líquido, tomando en cuenta la temperatura, presión atmosférica y volumen, y la ecuación de los gases ideales establece una relación entre estos factores ( P, V, T, m), que permite calcular una variable si las otras tres restantes se conocen, entonces el peso molecular del etanol puede ser determinado al volatizar dicho liquido considerando las mediciones correspondientes respecto a masa, temperatura, volumen y presión, utilizando la constante universal de los gases y sustituyendo los valores obtenidos en la ecuación de los gases ideales.

Objetivo Verificar que al volatizar etanol resulta un método viable para obtener el peso molecular de este líquido aplicando el método Dumas donde se someterá al líquido en cuestión a un baño maría a una temperatura mayor a la de su punto de ebullición, en un matraz Erlenmeyer cubierto con papel aluminio (sujetado por una liga) donde se realizara un agujero con una jeringa para introducir etanol, después del baño maría se enfriara el matraz para proceder a pesar. Durante el experimento se debe tomar lectura de la presión atmosférica, temperatura en que deja de salir el gas y determinar el volumen del matraz utilizado en el baño maría, para así sustituir en la ecuación.

Método Durante todo el experimento se usaron guantes de látex para evitar la contaminación del matraz Erlenmeyer que se utilizó.

Se tomó el matraz Erlenmeyer de 50 mL y se cubrió con un cuadrado de aluminio, se aseguró el capuchón de aluminio con una liga, se tomó un pedazo de cinta y se adhirió al matraz para después pesar en la balanza analítica. Se registró dicho peso. Una vez que se pesó el matraz por medio de una jeringa se tomó 1 mL de etanol y se agregó al interior del matraz. Se armó el dispositivo para realizar el baño maría; por medio de un soporte universal y unas pinzas de tres dedos se sujetó el matraz y se introdujo al vaso de precipitados para posteriormente completar con agua, se tuvo cuidado de que el agua no tocara el aluminio ya que puede influir en el peso del matraz. Con otro soporte universal y unas pinzas para bureta se sujetó el termómetro de inmersión parcial y se colocó dentro del vaso de precipitados para registrar la temperatura. Una vez que se colocó el dispositivo se prendió la parrilla de calentamiento al máximo hasta que la temperatura del agua alcanzó los 70°C, después se colocó al mínimo para mantener la temperatura, durante este proceso se estuvo al pendiente del matraz y con un vidrio de reloj se observó el vapor de etanol que salía por medio del orificio del matraz, se registró la temperatura a la que el vapor dejo de salir e inmediatamente después se tapo el orificio del matraz con el pedazo de cinta.

Una vez que se tapó el matraz se retiró del baño maría y por medio de una piceta con etanol se le dio un baño para que el gas dentro del matraz se condensara. Una vez frio, y limpio el matraz se pesó y se registró dicho peso. Para determinar el volumen del matraz se utilizó una bureta de 50mL. Se llenó la bureta con agua, se abrió la llave para eliminar la burbuja que se forma en la punta y el paralaje se dio a la altura del líquido para determinar que se encontrara en cero, una vez lista se determinó el volumen del matraz, este procedimiento se llevó acabo dos veces. Se armó un termómetro de Torricelli para calculas la presión atmosférica, se utilizó un tubo de vidrio sellado por un extremo, el sellado se hizo utilizando un mechero y estirando el vidrio. Una vez sellado el tubo se introdujo el mercurio por medio de una jeringa, se tuvo el cuidado de que no se formaran burbujas dentro del tubo de vidrio, una vez lleno se tapó el extremo abierto con un dedo, se invirtió y se introdujo a la cuña que contenía mercurio, se observó el vació que se formó dentro del tubo y se midió la columna de mercurio para determinar la presión atmosférica.

Una vez obtenidos los datos se sustituyeron en la siguiente formula:

Dónde: m = diferencia entre los dos pesos del matraz R = constante de proporcionalidad T = temperatura en que dejo de salir el gas V = volumen del matraz P = presión atmosférica.

Resultados Variables Valor obtenido Peso del matraz 1 con Primer experimento: capucho de aluminio y 38.5563 g liga Segundo experimento: 38.7113 g Tercer experimento: 42.4257 g Peso matraz 2, vapor Primer experimento: condensado 38.5880 g Segundo experimento: 38.8154 g Tercer experimento: 42.5310 g

Conversión de unidades Primer experimento: 38.5563 g Segundo experimento: 38.7113 g Tercer experimento: 42.4257 g Primer experimento: 38.5880 g Segundo experimento: 38.8154 g Tercer experimento: 42.5310 g

Diferencia de pesos 1 y 2

Primer experimento: 0.0310 g Segundo experimento: 0.1041 g Tercer experimento: 0.1053 g Primer experimento: 0.0595 L Segundo experimento: 0.0595 L Tercer experimento: 0.0595 L Primer experimento: 353.15 K Segundo experimento: 353.15 K Tercer experimento: 353.15 K Teórica 0.7697 atm Experimental 0.7763 atm

Primer experimento: 0.0310 g Segundo experimento: 0.1041 g Tercer experimento: 0.1053 g Volumen del matraz Primer experimento: 59.5 mL Segundo experimento: 59.5 mL Tercer experimento: 59.5 mL Temperatura en que dejo Primer experimento: de salir etanol 80°C Segundo experimento: 80°C Tercer experimento: 80 °C Presión atmosférica Teórica 585mmHg Experimental 590mmHg

Primer día (Experimento 1) Presión Teórica: 585mmHg ≈ 0.7697 atm Peso: 0.0317g

Presión Experimental: 590mmHg ≈ 0.7763 atm Peso: 0.0317g

Segundo día (Experimento 2) Presión Teórica: 585mmHg ≈ 0.7697 atm Peso: 0.1041g

Presión experimental: 590mmHg ≈ 0.7763 atm Peso: 0.1041g

Experimento 3 Presión Teórica: 585mmHg ≈ 0.7697 atm Peso: 0.1053 g

Presión Experimental: 590mmHg ≈ 0.7763 atm Peso: 0.1053 g

Discusión De acuerdo a los resultados obtenidos el peso molecular obtenido varia con el peso teórico del etanol (46.07 g/mol) esto se debe a que se cometieron errores durante el método Dumas; se asumió que la presión atmosférica fue la presión dentro del sistema, también se dio por hecho que la temperatura dentro del matraz era la misma que la del baño maría, otro error y equivocación fue que el tubo de vidrio que se utilizó para formar el barómetro de mercurio estaba jalado, esto se presta para que dentro de esta punta entre mercurio y afecte nuestra medición, además de que se formó una burbuja dentro del tubo, lo que aumento los mmHg.

Burbuja de aire

En el primer experimento los resultados fueron (19.99 g/mol, 19.95 g/mol) respectivamente, en estos resultados se observa que la variable m (masa) fue baja, esta variable es directamente proporcional al PM por lo tanto el PM disminuye, lo que nos indica que durante el experimento no se tapó el matraz inmediatamente cuando dejo de salir etanol. En el segundo y tercer experimento los resultados obtenidos fueron de (65.67 g/mol, 64.12 g/mol) y (66.42 g/mol, 65.99 g/mol), una variación considerable a los primeros resultados, pero medianamente aproximado al peso teórico del etanol, aunque por los errores antes mencionados no sería posible obtener experimentalmente el verdadero peso molecular.

Conclusiones La hipótesis fue comprobada, y es posible determinar el peso molecular de un líquido volátil utilizando el método Dumas, sustituyendo los valores obtenidos en la ecuación de los gases ideales. El experimento al ser realizado por tercera vez nos arrojó resultados aceptables para concluir que el experimento fue satisfactoriamente reproducible.

Referencias bibliográficas Kenneth W., Raymond D., Larry P., George S., Química 8a edición. s.l.: 399-430. Perry W.D., Experiments in general chemistry. 3a edición. Contemporary Publishing Company. s.l.: 77-82.

Referencias electrónicas Hoja de seguridad XXI Mercurio y sales de mercurio. (WWW) Disponible en el URL < http://www.quimica.unam.mx./IMG/pdf/21HG.pdf > Hoja se seguridad XII Etanol. (WWW) Disponible

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