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• Alvaro Marcelo Gonzales Rodriguez

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Laboratorio de Fisicoquímica 1, Masa molar de sustancias volátiles

L-QMC-1206

MASA MOLAR DE SUSTANCIAS VOLATILES

I. INTRODUCCION Una propiedad de los líquidos es su estructura molecular, cuyas moléculas están unidas por fuerzas de Van Der Waals (fuerzas de atracción). Las fuerzas de atracción molecular se pueden debilitar o romper agregando pequeñas cantidades de energía calorífica que permita transferir las moléculas del estado líquidos al estado gaseoso, estas moléculas en su fase vapor , gaseoso, en condiciones ordinarias tienen el mismo comportamiento que las moléculas en estado gaseoso de un gas ideal. II. OBJETIVOS  Determinar la masa molar de líquidos volátiles por los métodos: Víctor Meyer y Dumas para calcular las condiciones críticas de un líquido volátil.  Calcular la masa molar de los líquidos estudiados haciendo uso de la ecuación de Berthelot para comparar con valores teóricos. III. FUNDAMENTO TEORICO Estado Líquido. El líquido es un estado de agregación de la materia en forma de fluido altamente incompresible. Estos se encuentran juntos gracias a las fuerzas de atracción molecular, fuerzas de Van Der Waals. Cuando hay un incremento de temperatura, estas fuerzas se rompen.

Presión de Vapor. Es la presión de un vapor en equilibrio con su forma líquida, la llamada presión de vapor, sólo depende de la temperatura; su valor a una temperatura dada es una propiedad característica de cada líquido.

Figura 1. Esquema molecular de la presión de vapor de un líquido

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El peso molecular de un vapor, producto de la evaporación de un líquido, se determina con mayor facilidad que el de un gas, debido a que la sustancia puede pesarse con exactitud condensándola en líquido a la temperatura ambiente. Existen varios métodos para determinar las magnitudes de presión volumen y peso: por estas variantes el estudio puede efectuarse por:   

Método Dumas Método Víctor Meyer Método de Densidades límites.

Por cualquier método, el peso molecular de una fase vapor o de gases se calcula mediante la ecuación de estado de los gases ideales, esto es:

Esta ecuación, es válida para sustancias cuyos pesos moleculares son desconocidos. Se obtienen mejores resultados haciendo uso de la ecuación de Van der Waals o la de Berthelot, siendo esta última. *

(

)(

)+

Esta ecuación no es evidente de utilidad en el caso de un compuesto desconocido, puesto que la temperatura y presión críticas no son conocidas en este caso. Sin embargo, ha sido empleada para comprobar la veracidad de métodos para sustancias volátiles conocidas. Método Dumas. Este método averigua que volumen puede ocupar una masa evapora completamente a una determinada temperatura y presión definida.

, de líquido que se

En un pequeño matraz de vidrio de paredes delgadas y terminadas en un largo tubo capilar (bulbo de Dumas) se introduce una pequeña cantidad del líquido cuyo peso molecular quiere determinarse. El matraz se coloca en un baño de agua, a la temperatura próxima de ebullición del agua, de manera que éste hierva rápidamente y su vapor expulse el aire contenido en el matraz. En el momento en que todo en que todo el líquido se ha vaporizado se cierra el capilar y se saca el matraz para luego pesar después de frío.

Figura 2. Método de Dumas: Evaporación de un líquido volátil a temperatura de ebullición del agua

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Método de Víctor Meyer. Este método averigua que masa de líquido se puede llenar un sistema de volumen constante a temperatura y presión constante. Este método utiliza un aparato como el que se presenta, consiste en un tubo de vidrio largo, dentro de ella se tiene otro tubo, donde aparece una masa de líquido de masa conocida, se debe evaporar todo el líquido a la temperatura un tanto superior a la de ebullición del líquido, cuyo peso molecular se desea determinar. El volumen de aire recogido a la presión parcial que le corresponda y a temperatura ambiente equivale al volumen que tendría el vapor de la sustancia si pudiese estar en forma gaseosa en aquellas condiciones. El cálculo del peso molecular de la sustancia se determina con la ecuación.

El método de Víctor Meyer para la medición de la densidad de vapor da mayor precisión que el método de Dumas, pero requiere un aparato más elaborado. Consiste en volatilizar una muestra pesada del líquido y medir con una bureta de gases el volumen de aire, a temperatura y presión conocidas, que es desplazado por el vapor. Gas

Balanza

Presión atmosférica

Figura 3. Método de Víctor Meyer IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Instrumentos Balón de 250 ml Mechero Bunsen Baño María Tubo de vidrio acodado Tapón de goma perforado Lave de paso Balanza electrónica Termómetro de a Probeta graduada

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Reactivos Alcohol etílico Benceno

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1. Para determinar en varias pruebas las masas del gas a T, V constantes primero se debe averiguar cuál es la masa del aire contenido en el sistema que luego permita averiguar la masa del sistema sin aire, para ello pesamos la masa del sistema con aire , , y considerando la masa molar del aire, determinamos la masa del matraz vacio. 2. En otro matraz de succión agregamos un poco de acido clorhídrico y luego agregamos carbonato de calcio y producimos CO2 que conectamos mediante una manguera de goma hacia el sistema y abrimos la llave de entrada y dejamos llenar el matraz con el gas Figura 1,a. Una vez llenado el matraz con el gas cerrar la llave de paso y luego pesar, . 3. Conectar con una manguera de goma el matraz conteniendo gas con el manómetro y medir la altura de elevación del líquido manométrico, . Figura 1,b. 4. Repetimos el paso 2 y 3 varias veces. 5. Succionamos gas del sistema y pesar la masa del sistema con el gas, m2, luego registrarla altura en el manómetro, h2. 6. Medimos el volumen del matraz para ello llenamos el matraz con agua y luego vaciamos en una probeta graduada. 7. Registrar la temperatura a la cual se realizo el experimento. V. DATOS Y RESULTADOS DATOS Tabla 1. Datos del Método de Dumas (Benceno) Masa del sistema vacio, g Masa del sistema con benceno inicial, g Masa del sistema con benceno final, g Volumen del bulbo, ml Temperatura ambiental Temperatura de baño maría

Tabla 2. Datos del Método de Víctor Meyer (Etanol) Masa del sistema vacio, g Masa del sistema con benceno inicial, g Masa del sistema con benceno final, g Volumen del vapor, ml Temperatura ambiental Temperatura de baño maría RESULTADOS Método de Dumas

Sin embargo, Peso molecular real del Benceno (C6H6) es:

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(

)

(

)

Luego el porcentaje de error

Método de Método de Víctor Meyer Sin embargo, Peso molecular real del Etanol (C2H5OH) es: (

)

(

)

Luego el porcentaje de error

VI. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES El cálculo del peso molecular por el método Dumas, se debe evaporar todo el liquido volátil del bulbo en baño maría, y luego sellar calentando el capilar con un mechero bunsen (ya que un mechero simple no calienta lo suficiente para dilatar el capilar) y con una pinza presionar el extremo. Por este método se tiene un volumen constante y se requiere determinar la masa del gas del líquido a temperatura y presión constante. En el método de Víctor Meyer, se tiene una masa conocida del liquido volátil y se requiere conocer el volumen de su vapor en un sistema cerrado, para ello se cerró el sistema (tubo de ensayo, llave de paso) y también se tiene la presión y temperatura exterior final constantes. La medición del volumen del gas se realizo con una Se determino la masa molar del benceno, 0.64 atm y una temperatura de

, mediante el método de Dumas a una presión de

, con un error del 12% respecto al valor teorico.

Se determino la masa molar del etanol, mediante el método de Víctor Meyer, a una presión de 0.64 atm y una temperatura de , se obtuvo un error del 17% respecto al valor teórico VII. BIBLIOGRAFIA Ing. Mario Huanca Ibáñez Guía de laboratorio en prácticas de Fisicoquímica Edit. FNI. Oruro-Bolivia-2006

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VIII. APENDICE 8.1 CALCULOS Método de Dumas Para el aire, en condiciones ambientales,

(

, se tiene:

)(

)(

)

)(

(

)

Calculo de la masa del sistema vacio: Restamos a la masa del sistema, medida en la balanza, la masa del aire calculado mediante la ecuación de gas ideal.

Calculo de la masa de Benceno a . La presión del benceno, luego de haber evaporado es la presión atmosférica en Oruro, ya que el extremo del capilar esta a la presión del medio exterior. Se considera que el Benceno expulsa todo el aire del bulbo quedando solo los vapores de Benceno. Sellado el bulbo, queda atrapado el vapor del benceno a la misma presión exterior. Luego de haber enfriado, se tiene:

Calculo de la masa molar del benceno, relación:

reemplazando en la

(

)(

)(

(

)(

) )

Sin embargo, Peso molecular real del Benceno (C6H6) es: (

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)

(

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Luego el porcentaje de error

Método de Método de Víctor Meyer Calculo de la masa del Etanol (gas): Restamos a la masa del sistema con etanol menos la masa del sistema, En la primera pesada, antes de evaporar el liquido.

Calculo de la masa molar del Etanol a . La presión del etanol, es la presión atmosférica en Oruro y la temperatura es la temperatura del cuando alcanza el máximo volumen, es decir reemplazando en la relación:

(

)(

)(

(

)(

) )

Sin embargo, Peso molecular real del Etanol (C2H5OH) es: (

)

(

)

Luego el porcentaje de error

8.2. CUESTIONARIO 1. Un bulbo de densidades gaseosas pesaba 29.3215 gramos cuando estaba vacío. Llenado con gas CO 2 a 40°C y 1 atm de presión pesó 30.0079 gramos. Llenado con una mezcla de gas CO y CO2 en condiciones idénticas pesó 29.9330 gramos. Calcular el por ciento molar a volumen del gas CO en la mezcla gaseosa última.

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Bulbo llenado con CO2

Luego:

Calculo de Volumen del bulbo ( )

(

)(

)

Bulbo llenado con CO y CO2

Luego:

Calculo de los moles total:

( )(

Se tiene:

)

(

)(

, reemplazamos en la masa (

)

(

)

:

)

Resolviendo el sistema

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Calculamos los porcentajes

2. En el método Víctor Meyer es necesario expulsar la masa de líquido volátil prefijada? Si no es así qué se debe considerar? El experimento por el método de Víctor Meyer consiste en volatilizar la masa, ya que para determinar la masa molar del gas en el sistema se debe evaporar todo el líquido a la temperatura un tanto superior a la de ebullición del líquido, cuyo peso molecular se desea determinar.

3. Los datos indicados a continuación se refieren a la densidad a O°C del gas acetileno, (C 2H2) en [g/L] a las presiones en atm, indicadas: Presión [atm] Densidad [g/L]

0.250 0.29123

0.500 0.58410

0.750 0.87855

1.000 1.17470

Usando el método de las densidades límites, calcular el peso molecular del acetileno y el peso atómico del carbono, adoptando el peso atómico del hidrógeno el valor de 1.008 [urna]. ( 0.250 0.500 0.750 1.000

)

(

)

0.29123 0.58410 0.87855 1.17470

(

)

1.16492 1.1682 1.1714 1.1747

Realizamos la grafica:

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1.176 1.174

y = 0.013x + 1.1617 R² = 1

ρ/P [glatm.l]

1.172 1.17 1.168

DATOS

1.166

R.L.

1.164 1.162 1.16 0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

1.200

P [atm] El ajuste por regresión lineal corta la recta en el punto ( límites, la masa molar es:

). Por la teoría de densidades *

+

Entonces la masa molar del C2H2 es: (

)( *

Calculo de la masa molar del Carbono,

(

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)

)

+, se tiene:

*

+

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