LABORATORIO N° 3

1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS:

Realizaremos en los siguientes experimentos y calcularemos como determinar una composición porcentual de una muestra dada:

A) LEY DE DIFUSIÓN DE GRAHAM:

La difusión es el proceso por el cual una substancia se distribuye uniformemente en el espacio que la encierra o en el medio en que se encuentra. Por ejemplo: si se conectan dos tanques conteniendo el mismo gas a diferentes presiones, en corto tiempo la pre-sión es igual en ambos tanques. También si se introduce una pequeña cantidad de gas A en un extremo de un tanque cerrado que contiene otro gas B, rápidamente el gas A se distribuirá uniformemente por todo el tanque. La difusión es una consecuencia del movimiento continuo y elástico de las moléculas gaseosas. Gases diferentes tienen dis-tintas velocidades de difusión. Para obtener información cuantitativa sobre las veloci-dades de difusión se han hecho muchas determinaciones. En una técnica el gas se deja pasar por orificios pequeños a un espacio totalmente vacío; la distribución en estas condiciones se llama efusión y la velocidad de las moléculas es igual que en la difusión. Los resultados son expresados por la ley de Graham. "La velocidad de difu-sión de un gas es inversamente proporcional a laraíz cuadrada de su densidad."

en donde v1 y v2 son las velocidades de difusión de los gases que se comparan y d1 y d2 son las densidades. Las densidades se pueden re-

lacionar con la masa y el volumen porque (  ); cuando M sea igual a la masa (peso) v molecular y v al volumen molecular, podemos establecer la siguiente relación entre las velocidades de difusión de dos gases y su peso molecular:

y como los volúmenes moleculares de los gases en condiciones iguales de temperatura y presión son idénticos, es decir V1 = V2, en la ecuación anterior sus raíces cuadradas se cancelan, quedando:

B) LEY DE BOYLE:

Robert Boyle (1627-1691) realizo estudios precisos sobre los cambios de volumen de muestras gaseosas causados por variaciones de presión. En 1662 reportó los resultados de sus experimentos llegando a la conclusión de que “el volumen de una cantidad fija de un gas a temperatura constante, es inversamente proporcional a la presión del gas”. Este enunciado se conoce actualmente como la ley de Boyle y puede expresarse matemáticamente como:

donde, V y P son respectivamente, el volumen y la presión del gas; tal que, para cambiar el signo de proporcionalidad (α) por uno de igualdad (=), se debe de introducir una constante de proporcionalidad k, con lo cual la expresión queda de la forma siguiente:

reacomodando los términos, se obtiene la expresión de la ley de Boyle:

Esta expresión implica que siempre que se tenga una cantidad fija de un gas a temperatura constante, el producto de la presión por el volumen siempre será igual a una constante k.

2. DESCRIPCION DE LOS EXPERIMENTOS:

Experimento N°1: Volumen Molar de un Gas

Materiales:• Recipiente Tubular.• Vaso Precipitado de 400ml.• Bureta.• Probeta.• Disco de Papel• Cinta de Magnesio.• Pipeta y Perita de Succion.

Procederemos primeramente a llenar el recipiente tubular con agua de cano hasta el ras, para luego introducirla en un vaso de precipitado de 400ml.Determinaremos separadamente el volumen muerto de la bureta a utilizar para luego medir 10ml de HCl 6M en una pipeta y verter dicho contenido en la bureta de forma inclinada y llenar el volumen restante con agua de cano hasta el ras; doblaremos la cinta de magnesio en forma de U para colocarla encima del pico de la bureta y cubriendo con el pequeño disco de papel ya teniendo la bureta preparada con HCl y el agua,luego haremos un giro de 180grados rápidamente de tal manera que el pico de la bureta se encuentre boca abajo y lo introduciremos en el recipiente tubular que en la primera parte ya lo habíamos preparado con agua del cano hasta el ras dentro del vaso de 400ml, para presenciar después de un lapso de tiempo la formación de hidrogeno gaseoso(humedo), finalmente mediremos el volumen del hidrogeno generado, habiéndose consumido totalmente la cinta de magnesio teniendo en cuenta el volumen muerto de la bureta.

figura 1.a. Preparacion del recipiente tubular figura 1.b .Generacion del hidrogeno

con el agua del cano al ras. Gaseoso húmedo.

Experimento N°2: Difusión de Gases

Materiales:• Tubo Neumatico.• Soporte con pinzas tipo nueces.• Tampones.• Algodón Hidrofilo o Waipe.

• Goteros con Vulvo de 25ml.• Regla de 60cm.

Previamente instalaremos el tubo neumático colocándolo en el soporte con las pinzas tipo nueces.Luego introduciremos una porción de algodón en cada tapon para luego ser llevada a la campana extractora en donde le añadiremos 6 gotas a cada tapon con la ayuda de un gotero primero de HCl y el segundo de NH3; rápidamente transladaremos los 2 tapones para luego colocarlos al mismo tiempo en los 2 orificios del tubo ya instalado en la primera parte. Tomando el tiempo hasta observar la formación del cloruro de amonio(NH4Cl) el cual lo notaremos en forma de un anillo blanquisco, realizaremos la toma de datos del tiempo hasta la formación del anillo, y procederemos a tomar la distancia desde la formación del anillo hacia sus respectivos extremos de cada compuesto que se introdujo.

figura 2.a. Preparacion del sistema figura 2.b

Formacion del de soporte. anillo.

Experimento N°3: Comprobacion de la Ley de Boyle-Mariotte.

Materiales:• Pera de Decantacion.• Manguera de Jebe.• Regla de 50cm.• Bureta.

Armaremos el sistema con la ayuda de otra persona, de modo que podamos interconectar la pera de decantación y la bureta mediante la manguera posteriormente llenaremos de agua de cano la pera de decantación hasta un cierto nivel para luego proceder a tomar datos del volumen en la bureta al ponerlos en el mismo nivel del agua en la pera y la bureta. Luego se procederá a realizar la toma de

datos de un nivel de 50cm. Por encima del nivel de la pera y la segunda toma de datos será de 50cm. Por debajo del nivel de la pera.

Llenar hasta el ras de la probeta con agua del caño.

Introducir la probeta en el vaso.

DIAGRAMA DE FLUJO DEL EXPERIMENTO 2

Colocar la cinta de magnesio(U) y cubrirlo con el disco de papel.

Invertir la bureta rápidamente. Visualizando la formacion de H

Instalación del soporte.

Introducción del algodón en los tapones.

Hechar 6 gotas de cada compuesto.

Sellar los orificios del tubo con los tapones.

DIAGRAMA DE FLUJO DEL EXPERIMENTO 3

Formacion del anillo blanquisco.

Interconectar la pera y la bureta mediante la

Hechar el agua en la pera de decantacion

DIAGRAMA DE FLUJO DEL EXPERIMENTO 4

3. CALCULOS Y RESULTADOS:

Experimento N°1: Volumen Molar de un Gas

Se procedió a toma medida del volumen muerto de la bureta que fue de 3ml

Peso del Magnesio 0.0159g

Luego procederemos a mezclar HCl(10ml) con agua de caño para asi poder medir el volumen de H2(g) generado por la reacción del HCl y el Mg:

VH2 (Humedo) = 4.9 + 3 = 7.9ml

Ec.1 ………………………. Mg(s) + 2HCl(ac) MgCl2(ac) + H2(g)

24.3g 1mol 0.0159g xmol

nH2 (g) = X = 0 .0159(1)

24 .3 = 0.6543x10-3 mol

- El volumen molar de H2(g)(Húmedo) es :

V1 = VH 2(humedo)

nH 2 = 7.9 x10−3L

0.6543 x0.001mol

Para la presión parcial

P1 = Pbarom – Pvapor 20c

P1 = 752torr – 17.5torr P1 = 734.5torr

Hallando el Volumen molar a C.N. (V2):

Ec(2)……………….

Nivelar el nivel del agua

Volumen muerto

V1 = 12.0739 L/mol

P1 XV 1T 1

= P2 XV 2T 2

¿¿ = 760torr (V 2)

273K

Húmedo Seco

%Error H2(g) = (Vexp−Vteorico)

Vteoricox 100

(10.8722−22.38)22.38

x 100

Experimento N°2: Difusión de Gases

Se realizo la difusión de HCl t NH3 en el tubo con los tapones habiendo añadido previamente 6 gotas en cada porcion de algodón.

X L - X

Pudiendo visualizar el anillo de NH4Cl en un tiempo de 2.52 minutos y se midió las distancias de cada compuesto obteniendo:

d HCl : X = 16.6 cm. d NH3: L-X = 23.4 cm.

a) Hallando las distancias teoricas:

d teorica HCl : x '

L−x '=¿ √ 17

36.5=16,225cm d teorica NH3 : L−x '=23,775cm

b) Hallando el porcentaje de error:

%Error HCl = (xpractico−x ' teorico)

x ' teoricox 100

(16.6−16.225)16.225

x100

%Error H2 (g) = 51.42%

V2 experimental = 10.8792 L/molV teórico= 22.38L/mol

HCl NH3

NH4Cl

%Error HCl = 2.311%

c) Velocidades de difusión de NH3 y HCl en el vacío:

V NH3 ¿√ 3 RTM (Kg)

=√ 3 (8.31)(293)17(10−3)

=655.49ms

V HCl ¿√ 3 RTM (Kg)

=√ 3 (8.31)(293)36.5(10−3)

=447.35ms

d) Velocidades de difusión de NH3 y HCl en el aire:

V NH3 = L−Xtiempo

=0.234172

ms=13.604 10−4 m

s

V HCl = X

tiempo=0.166

172ms=9.65110−4m

s

*El NH3 y el HCl tiene fuerzas intermoleculares que lo desvían de un comportamiento de un gas ideal.

Ecuación de Vanderwaals

Para 1 mol de NH3 20°C = 293K y un volumen de 2L tendremos despejando solo presión en atmosferas.

- a, b: Son constantes que se hallan experimentalmente la relación de atracción entre las partículas del gas.

(P+(1 )2(4.281)

(2)2 )¿P=11.1696 atm.

Experimento N°3:

a = 4.281 L2·atm/mol2

b = 0.03707  L/mol

(P+ n2aV 2 ) (V−nb )=nRT

Con la ayuda de una pera de decantación y una bureta tenemos:

T=20°C

PO = Pbarométrica – P20°Cvapor PO = 734.46 torrPO = 752 – 17.54 torr VO = 9.6 mlPO = 734.46 torr

Para una distancia de 50 cm por encima del nivel del agua de la pera.

Po=50cmH 20 x(760 torr)

1033cmH 2O+P1

734.46 torr=36.786 torr+P1

P1=697.674 torr V1 = 10.1 ml

Para una distancia de 50 cm por debajo del nivel del agua de la pera.

Po+50cm H 20x(760 torr )

1033cm H 2O=P2

734.46 torr+36.786 torr=P2

P2=771.246 torr V2 = 9.1 ml

∆V=(10.1−9.6)ml= (9.6−9.1 )ml=0.5ml

4. CONCLUSIONES:

Experimento N°1:

Nos dimos cuenta que para poder hallar el volumen máximo de H2 húmedo generado

Medimos a P0 el V0 en el mismo nivel los dos.

Las variaciones de volumen será la misma en ambos casos.

por la reacción del HCl y del Mg necesitamos que se consuma la totalidad de la masa del Mg y así poder recoger todo el H2 para los cálculos.

Experimento N°2:

Gracias a la ley de difusión de los gases de Graham se puede concluir que los gases poseen un movimiento molecular aleatorio o caótico y además que la velocidad del gas más liviano será más veloz.

Experimento N°3:

Se pudo concluir que para una diferencia de altura, ya sea por debajo o por encima del nivel establecido obtendremos la misma variación de volúmenes pero sus presiones a esas alturas serán diferentes por la ley de Boyle-Mariotte.

5. OBSERVACIONES:

1. En el experimento de difusión de gases se procedió a realizarlo con 4 gotas de cada compuesto colocándolo en los tapones de los extremos del tubo de la cual no se llegó a visualizar ningún anillo en un lapso de tiempo de 5 minutos debido a ello tuvimos que realizarlo nuevamente, pero esta vez con 20 gotas de cada compuesto, formándose ahora si el anillo.

2. En el experimento Nº1 para poder determinar con exactitud y precisión el volumen del hidrogeno se debe tener cuidado de que el Mg se encuentre dentro de la bureta con el fin de que se pueda consumir su masa totalmente y recoger todo el H2 generado posible.

6. CUESTIONARIO:

1 DETERMINAR EL NUMERO DE MOLES DE ACIDO USADO PARA UN DETERMINADO PESO DE Mg CONOCIDO.

Mg (s) + 2HCl (ac) MgCl2(ac) + H2(g)

n HCl=Wg (2mol)

23.4 g

Wg (masa)

23.4g

nHCl

2 mol

2 ¿CUÁNTO ES EL VOLUMEN DE HIDROGEENO OBTENIDO MEDIDO EN CONDICIONES NORMALES?

T = 293K T = 273KP = 734.46torr P = 760torrV = 7.9 ml V = ? ml

Tenemos:

P1 xV 1T 1

= P2 xV 2T 2

¿¿ = 760torr (Vml)

273K

V = 7.113 ml

3 ¿QUÉ PESO DE HIDROGENO SE HA RECOGIDO?

Se recogió un volumen de 7.9ml H2(g) (húmedo) a 20°C

PV=nRT 0.996atm (7.9 10¿¿−3)ml=masa(g)M

.(0.082)(293)¿

m = 6.549 10−4g

4 CALCULAR LA DENSIDAD DEL HIDROGENO (TEORICA) Y LA DENSIDAD EXPERIMENTAL Y DETERMINE EL PORCENTAJE DE ERROR.

Dexp= PMRT

=734.5 (2)62.4 (293)

=0.08034 g/ l

Dteorica= PMRT

=760 (2)

62.4 (273)=0.08092g / l

%Error H2 = (Dpractico−Dteorico)

Dteoricox100 = 9.952%

5 ¿CUANTOS MOLES DE Mg REACCIONAN EN EL EXPERIMENTO?

nMg = 0 .0159(g)24 .3mol

=6 .5432 x10−4

6 ¿PODRIA USTED DETERMINAR EL NUMERO DE MOLECULAS DE HIDROGENO RECOGIDAS EN EL EXPERIMENTO?

¿moleculasNA °

=nH 2¿moleculas6.022 1023

=3.173 x10−4

¿moleculas=1.911 x1020

7 ¿CUANTOS LITROS DE HIDROGENO A TPN PUEDEN PRODUCIRSE EN LA REACCION DE 6.54 g DE Zn CON HCl?

Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g)

65.4g 1mol 6.54g xmol

X = 0.1mol

VH2 = 22.38L/mol (0.1) mol = 2.238 L

8 EXPLIQUE USTED, PORQUE SE USA EL NH4OH Y EL HCl PARA REALIZAR EL EXPERIMENTO DE LA LEY DE GRAHAM

Es una reacción llamativa, ya que sorprende tanto que de la “nada” se forme algo –ya que el cloruro de hidrógeno y el amoniaco son gases incoloros- como que se produzca no inmediatamente sino al cabo de un cierto tiempo, que es el que tardan ambos gases en encontrarse.

9 EL METANO SE DIFUNDE A TRAVES DE UNA ABRERTURA MUY PEQUEÑA A LA VELOCIDAD DE 2 135 ml/s , CONTRA LA MISMA ABERTURA, A QUE VELOCIDAD SE DIFUNDIRA EL Ar BAJO LAS MISMAS CONDICIONES DE P Y T.

VCH 4VAr

=2 135ml /sVAr

=√ M ArMCH 4

=√ 4016

VAr=1350.2925ml /s

10 UN RECIPIENTE PRIOR SE LLENO CON CANTIDADES IGUALES DE O2 Y UN GAS DE MASA MOLECULAR DESCONOCIDAD. EL OXIGENO ESCAPO CON UNA VELOCIDAD 1.77 VECES MAYOR QUE EL GAS, DESCONOCIDO ¿CUÁNTO SERIA LA MASA MOLECULAR DEL GAS DESCONOCIDO?

V 02Vx

=2.77VxVx

=√ M xMo2

=√ M x32

Mx=245.5328g /mol

11 ¿QUÉ SIGNIFICA DESVIACION POSITIVA Y DESVIACION NEGATIVA EN EL COMPORTAMIENTO DE LOS GASES?

La desviación positiva con respecto al comportamiento de los gases ideales, se debe a la molécula de hidrógeno y algunos gases raros; mientras las desviaciones negativas se deben a moléculas mayores, más aun, los gases reales en general a presiones mo-deradas presentan desviaciones negativas.Explique estas desviaciones positivas y negativas empleando la ecuación de Van der WaalsLa ecuación de Van der Waals es:

El término a corrige el hecho de que las moléculas ejercen fuerzas de atracción una con respecto a la otra. Cuando a es grande, indica que hay grandes fuerzas de atrac-ción. El factor b corrige el volumen, teniendo en cuenta el que ocupan las propias mo-léculas; las moléculas más grandes tienen valores mayores de b. Cuando tanto b como a son iguales a cero la ecuación de Van der Waals se reduce la ecuación de los gases ideales.

12 ¿CUÁLES SON LOS PRINCIPALES FUENTES DE ERROR EN ESTE EXPERIMENTO? ¿COMO OBTENDRIA VALORES MÁS PRECISOS?

Existen varias como la falta de limpieza del tubo, el error al calcular los tiempos, etc, pero la mayor seria la falta de precisión al echar las gotas porque debemos tener en cuenta que en los experimentos debemos echar la misma cantidad de gotas de los reactivos, y para obtener mejores resultados se tendría que tener más cuidado al manejar los instrumentos, secando bien el tubo y tapando bien los agujeros por donde se echa los reactivos para evitar el paso de otros gases.

13 AL COMPRIMIRSE UN GAS QUE SE CALIENTA ESPONTANEAMENTE, Y AL EXPANSIONARSE SE ENFRIA. ¿PODRIA ESTE FENOMENO INTRODUCIR ALGUNAS FUENTES DE ERROR EN EL EXPERIMENTO. POR NO PERMANECER LA TEMPERATURA CONSTANTE?

Si, debido que al comprimir o expandir el gas su entropía varia y en consecuencia aumentara o disminuirá su energía cinética promedio de las moléculas y a la vez temperatura.

14 ¿COMO SE EXPLICA LA TEORIA CINETICA DE LOS GASES LA LEY DE BOYLE?

La teoría cinética de los gases explica las características y propiedades de la materia en general, y establece que el calor y el movimiento están relacionados, que las partículas de toda materia están en movimiento hasta cierto punto y que el calor es una señal de este movimiento.

La teoría cinética de los gases considera que los gases están compuestos por las moléculas, partículas discretas, individuales y separadas. La distancia que existe entre estas partículas es muy grande comparada con su propio tamaño, y el volumen total ocupado por tales corpúsculos es sólo una fracción pequeña del volumen ocupado por todo el gas. por tanto, al considerar el volumen de un gas debe tenerse en cuenta en

primer lugar un espacio vacío en ese volumen.

7. BIBLIOGRAFIA:

- http://www.quiminet.com/articulos/cual-es-la-funcion-principal-de-una-mufla- 2587039.htm

- Brown, Lemay , Brusten(Pearson)- Wikipedia