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ESPOL - FCNM – DCQA LABORATORIO DE FISICOQUIMICA PAO 2 2020 VAN DER WAALS

Fecha: 29 / 11 / 2020

Paralelo: Informe # 5

Nombre: Fuentes María del Pilar, Hernández Marcos, Morán Víctor, Verdezoto Saulo. Profesor: Ing. María de los Ángeles Alvarado

1.

Objetivo General •

2.

Calificación:

Obtener las constantes de Van der Waals mediante isotermas P-V usadas en el análisis de gases reales estableciendo una relación entre estos datos y el punto crítico del hexafluoruro de azufre.

Objetivos Específicos •

•

•

Calcular las constantes de Van der Waals del gas propuesto en la práctica a través del estudio y la explicación de las isotermas creadas con los datos que se dan en la tabla1, desarrollando un proceso claro y sencillo que permita la aplicación de los conceptos teóricos. Analizar el proceso mostrado en el vídeo, tratando de explicar el motivo tras los pasos que se detallan en el mismo, aplicando pasos metódicos que faciliten el desarrollo de la práctica. Comprender la información que brindan las isotermas que se producen, es decir el punto crítico a partir de las mediciones de presión y temperatura, de manera que se emita un juicio basado en el análisis de las mismas, el cual mejore la comprensión del proceso realizado y el alcance de éste.

3. Datos recopilados

10°C

20°C

4

9.6

10.1

Isoterma SF6 30°C p 10^5 Pa 10.3

3.8

10.1

10.5

3.6 3.4 3.2 3 2.8 2.6 2.4

10.5 10.9 11.5 12.1 12.8 13.6 14.4

10.9 11.5 12.1 12.8 13.6 14.4 15.3

V cm3

40°C

50°C

10.6

11.1

10.8

11.1

11.6

11.3 11.9 12.5 13.2 14 14.9 15.9

11.7 12.3 13 13.7 14.6 15.5 16.5

12.2 12.9 13.6 14.4 15.3 16.2 17.3

1

2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.35 0.3 0.25 0.21...0.28

15.3 16.3 16.7 16.8 16.8 16.9 17 17 17.1 17.2 17.5 17.5 18 50

16.3 16.9 17.4 18.1 18.6 19.4 20.1 21.1 21.6 23 21.6 25.1 21.7 27 21.7 27 21.9 27.1 22 27.1 23 28.1 23 29 23.5 45 50 50 Tabla 1. Presiones de SF6

17.6 18.9 20.6 22.5 24.6 27.2 29.7 32.4 34 34 35 35.2 – 50

18.6 20 21.8 23.9 26.3 29.1 32.3 36.3 39.7 42.2 42.6 47.3 – 50

Observaciones •

Es necesario tomar en cuenta las presiones a las que trabaja el sistema, se debe tener especial cuidado que este valor no sobrepase los 6 MPa. • Se debe realizar la medición de presión cada cierto tramo, lo recomendable es hacerlo cada 0,1 ml de diferencia de volumen, se debe llevar al tope inferior. • En esta práctica se evidencian como fundamentos teóricos ecuación de estado y la ley de Boyle. Práctica de los globos • El globo que contenía aire se contraía casi por completo. • El globo lleno de helio no era tan fácil de contraer, incluso cuando se le colocó helio sobre él.

4. Algoritmo de resolución

Objetivo principal: Obtener las constantes de Van der Waals mediante isotermas P-V usadas en el análisis de gases reales estableciendo una relación entre estos datos y el punto crítico del hexafluoruro de azufre.

Ver el video explicativo https://www.youtube.com/watch ?v=4v6MNp-vwKs

Escoger una sustancia gaseosa en condiciones normales, encerrarla en un volumen variable y registrar la variacion de precion y temperatura con el volumen respectivo

Montar el sistema del experimento de manera adeciada

Poner las mangeras en el sistema de circulacion de agua entre el baño de temperatura controlada y la camisa de control del aparato de punto critico y asegurarlas

Ajustar con una llave el tubo del dispositivo a la manguera inferior de tal manera que que pueda entrar tanta agua como pueda salir por el tubo de conexion

Medir las p-V isotermas del SFn a T=10,20,30,40,50 °C

Durante la medicion de la isoterma, realizar una medida de presion cada 0.1 ml de Δv

Ordenar los datos tomados en una tabla

Trazar un diagrama y calcular el punto critico de precion y temperatura 𝜕𝑃 =0 𝜕𝑣 𝑇=𝑇 𝑐

Interpolación lineal 𝑋−𝑋𝑜

𝑦𝑥 = 𝑦𝑜 + 𝑥

1 −𝑥𝑜

(𝑦1 − 𝑦𝑜 )

Obtenga Vcr y las constates de Van de Waals a y b para SF6 3 𝑅𝑇 𝑉𝑐𝑟 = 8 𝑃𝑐𝑟 9 𝑅 𝑇𝑐𝑟 𝑉𝑐𝑟 8 1 𝑏 = 𝑉𝑐𝑟 3

𝑎=

Calcular el porcentaje de error 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 − 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 %𝐸 = 𝑥100 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜

Conclusiones: Como se evidenció anteriormente, se obtuvieron los valores a y b que representas las constantes de Van der Walls Las constantes de Van de Waals son útiles pues muchos gases en diversas situaciones no se comportan como un gas ideal. Estos valores a y b sirven para calcular valores de la ecuación tomando en cuenta un número de moléculas y de las fuerzas atractivas entre las mismas. Las isotermas dan a concer diferentes variables como la presión crítica, el volumen crítico y la temperatura crítica. Aparte su estudio revela información acerca de donde coexisten las distintas fase como por ejemplo la licuefacción..

Coordenadas del punto critico Tcr

319 K 𝟑𝟖. 𝟓 ∗ 𝟏𝟎𝟓 𝑷𝒂

Pcr

0.25832786 𝒄𝒎𝟑

Vcr 5. Resultados obtenidos

Tabla 1. Datos obtenidos de la gráfica pV SF6 Constante

Exp

Teórico

a

770,769405 𝐾𝑝𝑎 𝑚𝑜𝑙

b

0,08610929 𝑚𝑜𝑙

𝐿2

%E 𝐿2

1,90

785,7 𝐾𝑝𝑎 𝑚𝑜𝑙

𝐿

𝐿

2,04

0,0879 𝑚𝑜𝑙

Tabla 2. Resultados de las variables de Van der Waals

pV isotermas SF6 60

50

P 10 ^5 (Pa)

40 10°C 20°C

30

30°C 40°C

20

46 °C 50°C

10

0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

cm^3

Grafica 1. Isotermas pV del SF6

4

4.5

6. Análisis de resultados Es importante recordar que no todos los gases se los pueden tratar como ideales es por ello que se presentó la necesidad de algún modelo matemático para describir el comportamiento de los gases no ideales y entre ellas está la ecuación de Van der Waals ya que para un gas ideal se desprecia por ejemplo la interacción entre moléculas o se consideran presiones bajas o volúmenes molares altos pero la ley de gases ideales no puede explicar las fases de condensación que existen en los gases reales, por ello se necesita de una gráfica con las diferentes isotermas que permitan entender lo que ocurre (Atkins & de Paula, 2006) . En la práctica desarrollada se logró determinar los valores de las constantes a y b dando para a un 𝐿2

𝐿

valor de 770,769405 𝐾𝑝𝑎 𝑚𝑜𝑙 y para b 0,08610929 𝑚𝑜𝑙 y con ello un % de error de las constantes de la ecuación de Van der Waals, según la tabla 2, para a el valor de 1.90% y para b 2.04% esto nos indica que la experimentación fue desarrollada de manera correcta ya que el porcentaje error es muy bajo y además de que se usó la herramienta matemática de interpolación previo a encontrar estos valores de las constantes, con lo que hace del proceso un tanto más fiable. Alguna fuente de error pudo provenir del hecho del uso del equipo para obtener los valores de presión y volumen, tal vez no está calibrado del todo o por el factor tiempo ya que son muchos datos que recolectar. Previo a la obtención de estos valores fue necesario hallar la isoterma crítica a través de las demás isotermas del hexafloruro de azufre (SF6), la isoterma critica contiene varios elementos importantes de interés de este informe los cuales son la temperatura critica, punto crítico y la campana de coexistencia de las fases. La temperatura de la isoterma critica es de 46 ℃ donde las coordenadas del punto crítico vienen a ser la presión crítica y volumen crítico con lo que para este ensayo fueron, de acuerdo con la tabla 1, Pcr 38.5 ∗ 105 𝑃𝑎 y Vcr 0.25832786 𝑐𝑚3 estos dos valores permitieron hallar las constantes a y b. Con respecto a la grafica 1 se puede observar las diferentes isotermas del SF6, donde antes de llegar a la isoterma critica de 46 ℃, las que están por debajo de ella toman en cierto punto valores de presión constante, es decir que las isotermas de 10,20,30 y 40 ℃ en un intervalo de volumen poseen presión constante esto nos indica la coexistencia de gas y liquido o la zona donde se licua el gas, cabe recalcar que en esta zona predomina la fuerza atracción y la presión no se modifica debido a que el gas responde al aumento de condensación lo que produce la fase liquida, ahora se llega un punto de inflexión que se puede ver en la gráfica este punto de inflexión, donde la curva cambia su monotonía en este caso de decreciente a creciente, es llamado temperatura critica el cual marca el final de esa coexistencia de líquido y gas a partir de ahí el gas no se puede condensar a un líquido por medio de una reducción de volumen y es donde predomina las fuerzas de repulsión ya que la presión es muy elevada (Levine, 2004). Existe una curva en forma de parábola de color negro representada en la gráfica 1 esta se conoce como campana critica la cual separa la fase líquida que está a la izquierda y la gaseosa a la derecha de esta, y según la teoría mientras las isotermas más se acercan a la campana de coexistencia la aproximación de las isotermas al gas ideal dejan de ser válidas.

7. Conclusiones •

Como se evidenció anteriormente, se obtuvieron los valores a y b que representas las constantes de Van der Waals. El valor de a fue de 770,77 y b fue de 0,086 con 1,90% y 2,04%, porcentajes de errores respectivamente. Es por esto, que los valores obtenidos no muestran una inexactitud tan grande, porque lo que pueden ser utilizados e indican que la práctica difiere en muy poco de los valores teóricos. • Las constantes de Van de Waals son útiles pues muchos gases en diversas situaciones no se comportan como un gas ideal. Estos valores a y b sirven para calcular valores de la ecuación tomando en cuenta un número de moléculas y de las fuerzas atractivas entre las mismas. Para esto es necesario tener los valores de presión, el volumen y la temperatura, todos en los puntos críticos. • Las constantes de Van de Waals son útiles pues muchos gases en diversas situaciones no se comportan como un gas ideal. Estos valores a y b sirven para calcular valores de la ecuación tomando en cuenta un número de moléculas y de las fuerzas atractivas entre las mismas. Para esto es necesario tener los valores de presión, el volumen y la temperatura, todos en los puntos críticos. Asimismo, se pudo determinar el área donde puede darse el licuado del gas debido a las fuerzas de atracción sin modificar la temperatura. Además, el punto de inflexión donde se encuentran el lugar donde se encuentran tantos el estado líquido como gaseoso donde se marca la finalización de la mutua existencia de los estados mencionados previamente.

8. Recomendaciones •

•

•

El hexafluoruro de azufre es una sustancia de extrema peligrosidad que puede ocasionar accidentes en el laboratorio si no se trata con extrema precaución. Su uso indiscriminado podría generar sensación de asfixia en caso de inhalar un poco, por ello es indispensable realizar experimentos con él en lugares bien ventilados. La exposición a una atmósfera con deficiencia de oxígeno puede causar los siguientes síntomas: vértigo, salivación, náusea, Vómitos, pérdida de movilidad / consciencia que pueden desembocar en situaciones más peligrosas. Es importante ejercer un análisis correcto y detallado de las isotermas que se producen con los datos iniciales, ya que de ellas dependerá en gran medida los resultados que se vayan a obtener al finalizar la práctica. Además, la apreciación detallada de éstas permite ejercitar habilidades de observación y análisis necesarias dentro de un laboratorio. La construcción del sistema planteado en la práctica debe ser minuciosa y cuidadosa, de ese modo se evitará problemas que afecten el desarrollo normal del experimento; como, por ejemplo, pequeñas fugas debidas a malas conexiones de sus componentes o mala calibración del sistema en general.

9. Bibliografía consultada

Atkins, P., & de Paula, J. (2006). Atkins Química Física . Madrid: Editorial Médica Panamericana. Thomas , E., & Philip, R. (2006). Química Física. Madrid: PEARSON EDUCACIÓN S.A. Smith, J., Van Ness, H., & Abbott , M. (1997). Introducción a la Termodinámica en la Ingeniería Quimica. México D.F.: McGRAW-HILL. Inc., P. T. (Mayo de 2009). Obtenido de https://www.linde.com.mx//media/corporate/praxair-mexico/documents/safety-data-sheets/hexafluorurode-azufre-hds-p4657e-2009.pdf?rev=b33a4f3816c4474c8d178afea931cfa7 S.A., I. (04 de Febrero de 2016). Obtenido de http://www.indura.com.ec/Descargar/Hexafluoruro%20de%20Azufre?path=%2Fc ontent%2Fstorage%2Fcl%2Fbiblioteca%2Fa799d19aa2b34c59ad60d1335f835d89. pdf Levine, I. (2004). Fisicoquímica. Madrid: McGraw-Hill/Interamericana de España.

10. Peligros (Según el SGA)

Reactivo

Hexafluoruro de Azufre (SF6)

Pictograma (s) Indicaciones de peligro:

Clase(s) de peligro con categoría Palabra de advertencia

H280 - Contiene gas a presión; peligro de explosión en caso de calentamiento. Peligro

Prevención

H280 - Contiene gas a presión; peligro de explosión en caso de calentamiento.

Respuesta

P410+P403: Proteger de la luz del sol. Almacenar en un lugar bien ventilado.

Consejos de prudencia

Controles de exposición

EPP

En caso de inhalación salir al aire libre. Si la respiración es dificultosa o se detiene, proporcione respiración asistida. Si se detiene el corazón, el personal capacitado debe comenzar de inmediato la resucitación cardiopulmonar. En caso de dificultad respiratoria, dar oxígeno Para respirar en atmósfera deficiente de oxígeno debe usarse un equipo de respiración autónomo o una línea de aire con presión positiva y máscara. Los

respiradores purificadores del aire no dan protección. Los usuarios de los equipos de respiración autónomos deben ser entrenados. Usar guantes de trabajo al manejar envases de gases. Al manipular productos químicos y si una evaluación de riesgos así lo indica, se deberán llevar puestos en todo momento guantes impermeables resistentes a productos químicos homologados. Se aconseja el uso de gafas de protección durante la manipulación de cilindros. Durante la manipulación de cilindros se aconseja el uso de zapatos de protección.

Propiedades Físicas y químicas

Estabilidad y reactividad (Posibilidad de reacciones peligrosas y condiciones que deben evitarse)

Gas, incoloro, genera sensación de asfixia, Tc= -50.8 °C D= 1.4 g/cm³ [20°C] Pv= 2308 kPa [21.1°C]

Reactividad Se debe evitar condiciones que impliquen: Álcalis y metales alcalinos térreos – Aluminio en polvo, zinc, etc. Estabilidad química. Estable en condiciones normales. La descomposición térmica genera productos tóxicos los cuales pueden ser corrosivos en presencia de humedad.