LABORATORIO N 4

LABORATORIO N 4ESTADO GASEOSOSEMESTRE I/2011

ESTADO GASEOSO1. OBJETIVO. General: Comprobar experimentalmente las leyes que rigen el estado gaseoso. Particulares: Realizar mediciones de presin utilizando manmetros en U. Estudiar el comportamiento de un gas y comprobar en forma practica el cumplimiento de las leyes empricas desarrolladas por Boyle, Charles y Gay Lussac. Generar un gas en condiciones controladas y recogerlo sobre agua, utilizando para ello un eudimetro. Realizar mediciones de magnitudes comunes en forma correcta y confiable. Calcular experimentalmente el valor de la constante R y comparar el valor hallado con el valor bibliogrfico. Realizar el tratamiento de datos con nfasis en promedios aritmticos y errores absoluto y relativo.2. FUNDAMENTO TEORICO.Sustancia en uno de los tres estados diferentes de la materia ordinaria, que son el slido, el lquido y el gaseoso. Los slidos tienen una forma bien definida y son difciles de comprimir. Los lquidos fluyen libremente y estn limitados por superficies que forman por s solos. Los gases se expanden libremente hasta llenar el recipiente que los contiene, y su densidad es mucho menor que la de los lquidos y slidos.La teora atmica de la materia define los estados, o fases, de acuerdo al orden que implican. Las molculas tienen una cierta libertad de movimientos en el espacio. Estos grados de libertad microscpicos estn asociados con el concepto de orden macroscpico. Las molculas de un slido estn colocadas en una red, y su libertad est restringida a pequeas vibraciones en torno a los puntos de esa red. En cambio, un gas no tiene un orden espacial macroscpico. Sus molculas se mueven aleatoriamente, y slo estn limitadas por las paredes del recipiente que lo contiene.

Se han desarrollado leyes empricas que relacionan las variables macroscpicas. En los gases ideales, estas variables incluyen la presin (p), el volumen (V) y la temperatura (T). La ley de Boyle-Mariotte afirma que el volumen de un gas a temperatura constante es inversamente proporcional a la presin. La ley de Charles y Gay-Lussac afirma que el volumen de un gas a presin constante es directamente proporcional a la temperatura absoluta. La combinacin de estas dos leyes proporciona la ley de los gases ideales pV=nRT (n es el nmero de moles), tambin llamada ecuacin de estado del gas ideal. La constante de la derecha, R, es una constante universal cuyo descubrimiento fue una piedra angular de la ciencia moderna.Caractersticas de los gases ideales:Un gas real se comporta como un gas ideal cuando: Esta a bajas presiones, menores a 5 atmosferas. A altas temperaturas, mayores a 0 C. El volumen de las molculas de los gases ideales es cero, ya que son considerados como puntos. El choque entre molculas de gas no existe, y el choque de molculas es completamente elstico. La trayectoria seguida por las molculas antes y despus del choque es rectilnea.Leyes de los gases ideales:Ley de Boyle Mariotte. (Proceso Isotrmico = Temperatura constante)A temperatura constante y nmero de moles constante, la presin absoluta de un gas es inversamente proporcional a su volumen.

Grafica 1.Representacin grafica de la ley de Boyle.Ley de Charles. (Proceso isobrico = Presin Constante)A presin y nmero de moles constante, el volumen de un gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas.

Grafica 2.Representacin grafica de la ley de Charles.

Ley de Gay Lussac. (Proceso Isocrico = Volumen Constante)A volumen y nmero de moles constante, la presin de un gas es directamente proporcional a la temperatura del gas.

Grafica 3.Representacin grafica de la ley de Charles.

Condiciones Normales o Condiciones Estndar (C.N.)Se conoce como condiciones normales de la materia gaseosa, a ciertos valores arbitrarios (acordados universalmente), de presin y temperatura, los que son:Temperatura t = 0C T = 273 KPresin P = 1 atm = 760 mmHgVolumen molar: Se denomina volumen molar al volumen ocupado por un mol de cualquier gas en determinadas condiciones de presin y temperatura, en condiciones normales se tiene el volumen molar 22.4 litros /mol.Vapor.Sustancia en estado gaseoso. Los trminos de vapor y gas son intercambiables, aunque en la prctica se emplea la palabra vapor para referirse al de una sustancia que normalmente se encuentra en estado lquido o slido, como por ejemplo agua, benceno o yodo. Se ha propuesto restringir el uso del trmino a las sustancias gaseosas que se encuentren por debajo de su punto crtico (la mxima temperatura a la que se puede licuar aplicando una presin suficiente) y hablar de gas por encima de la temperatura crtica, cuando es imposible que la sustancia exista en estado lquido o slido. Esencialmente, el uso de los trminos es arbitrario, porque todas las sustancias gaseosas tienen un comportamiento similar por debajo y por encima del punto crtico.

Cuando se confina el vapor emitido por una sustancia a cualquier temperatura, ejerce una presin conocida como presin de vapor. Al aumentar la temperatura de la sustancia, la presin de vapor se eleva, como resultado de una mayor evaporacin. Cuando se calienta un lquido hasta la temperatura en la que la presin de vapor se hace igual a la presin total que existe sobre el lquido, se produce la ebullicin. En el punto de ebullicin, al que corresponde una nica presin para cada temperatura, el vapor en equilibrio con el lquido se conoce como vapor saturado; es el caso, por ejemplo, del vapor de agua a 100 C y a una presin de 1 atmsfera. El vapor a una temperatura superior al punto de ebullicin se denomina vapor sobrecalentado, y se condensa parcialmente si se disminuye la temperatura a presin constante. A temperaturas y presiones normales, la presin de vapor de los slidos es pequea y suele ser despreciable. Sin embargo, la presencia de vapor de agua sobre el hielo demuestra su existencia. Incluso en los metales, la presin de vapor puede ser importante a temperatura elevada y presin reducida. Por ejemplo, la rotura del filamento de wolframio de una bombilla (foco) incandescente se debe fundamentalmente a la evaporacin, que implica un aumento de la presin de vapor. Cuando se calienta una solucin de dos sustancias voltiles, como agua y alcohol, el vapor resultante contiene ambas sustancias, aunque generalmente en proporciones distintas de las de la solucin original. Normalmente se evapora primero un porcentaje mayor de la sustancia ms voltil; este es el principio de la destilacin.Gas hmedo.Se entiende por gas hmedo a la mezcla homognea de gas seco y el vapor de un lquido. Los gases hmedos tienen las siguientes caractersticas: Se recogen generalmente sobre un lquido no voltil. Tiene una aplicacin de la ley de Dalton de las presiones parciales. Se obtiene este gas burbujeando a travs de un lquido. Las molculas arrastradas en forma de vapor son recolectadas como molculas de gas y de lquido vaporizado. Humedad Absoluta.Humedad absoluta es la relacin entre la masa de vapor y la masa del gas seco, contenidos en una masa de gas hmedo.

Humedad relativa.La humedad relativa es la relacin entre la presin de vapor que contiene una masa de aire y la que contendra si estuviese saturado a la misma temperatura.

3. PROCEDIMIENTO.El experimento consta de 5 partes de las cuales se realizo primeramente la medida de presiones, para ello se hizo uso de un blader el cual mantena constante la presin a las entradas de los diferentes lquidos, al variar la presin las diferentes alturas de los manmetros tambin variaban, se tomo 4 diferentes alturas. El segundo procedimiento fue la ley de Boyle, para la cual se trabajo con una temperatura constante de 17 C, se midi el dimetro interno del tubo, se vario la presin al introducir una varilla de vidrio al tubo, y segn a lo que se introdujo variaron las alturas.En la tercera y cuarta parte se trabajo con el mismo material, en la ley de charles se trabajo con una presin constante de 495 mmHg, segn reduca la temperatura el volumen tenda a reducir. Y en la ley de Gay Lussac se trabajo con un volumen constante de 6 cc.Y para la ltima parte, en la determinacin de la constante R se trabajo con reactivos, haciendo reaccionar HCl y Mg, y esta se hizo burbujear sobre agua, se registraron las masas de Mg la altura que el H suba, la temperatura del agua era de 14 C. 4. MATERIALES Y REACTIVOS.Los materiales que usamos para el presente Laboratorio son los siguientes:MATERIALCARACTERISTICASCANTIDAD

Manmetro en U4

Termmetro de Hg0 100 C2

Aparato para ley de Charles y Gay Lussac 1

Eudimetro50 cc1

Regla50 cm1

Soporte Universal1

Pinza porta bureta1

Vernier1

Aparato CENCO para gases1

Tubo Generador de gases1

Jarro Metlico1

Vaso de precipitados 1000 cc1

Tapn de goma con una perforacin 1

Tubo de vidrio1

Hornilla

Y los reactivos que utilizamos son:

REACTIVOCARACTERISTICACANTIDAD

Acido Clorhdricop. a.

Magnesio en Zincp. a.

5. DATOS RECOLECTADOS.Los datos que se recolectaron son los siguientes:1. Medidas de presin:Presin manomtrica (mm)Dato 1Dato 2Dato 3Dato 4

Liquido manomtrico agua959286102

Liquido manomtrico aceite121.9117.8110.4130.9

Liquido manomtrico mercurio76.86.47.4

Tabla 1.2. Ley de BoyleDimetro del tubo: 0.38 cmDato 1Dato 2Dato 3Dato 4Dato 5

Temperatura ambiente [C]1717171717

Presin manomtrica h [mmHg]54103749379

Altura del gas h [mm]282246261253255

Tabla 2.3. Ley de CharlesDato 1Dato 2Dato 3Dato 4Dato 5Dato 6

Presin constante [mmHg]495495495495495495

Temperatura [C]177861534641

Volumen [cc]66.626.616.425.915.60

Tabla 3.

4. Ley de Gay LussacDato 1Dato 2Dato 3Dato 4Dato 5

Volumen Constante [cc]66666

Temperatura [C]7460514640

Presin manomtrica [mmHg]435123-930

Tabla 4.

5. Determinacin de la constante R.Experiencia 1Experiencia 2

Masa de Mg [g]0.1560.150

Volumen de H2 [cc]17.651.9

Presin manomtrica [mmH2O]41.5150

Temperatura [C]1414

Tabla 5.

6. CALCULOS Y RESULTADOS OBTENIDOS.1. Medidas de presin

Primeramente se sacaran los promedios de las presiones de la tabla 1.Primeramente para el agua:N

1951.251.5625

292-1.753.0625

386-7.7560.063

41028.2568.063

=132.75

Tabla 6.

De la misma manera para el aceite y mercurio y tenemos:

Con los promedios ya hallados se calculara la presin absoluta del gas con la siguiente frmula:

Pero para usar esta frmula se necesita la presin atmosfrica en mm de agua y aceite, se usara la siguiente relacin:

Con los siguientes datos se calculara la presin atmosfrica:=495 mmHg=13.57 g/cc=1 g/cc

Entonces la presin absoluta del gas expresada en mm de mercurio y mm de agua ser:

Para hallar la presin absoluta en mm de aceite se necesita la densidad de este aceite, para ello se hallar con la formula ya usada de la relacin de alturas con densidades, empleado con una de las alturas de la tabla 1.=95 mmH2o=1 g/cc=121.9 mm de aceite

Entonces con la densidad ya encontrada se hallara la presin atmosfrica en mm de aceite:=495 mmHg=13.57 g/cc=0.78 g/cc

Ahora la presin absoluta ser:

Ahora validaremos la formula:

Primeramente con el agua y el aceite, tomando como primera altura la presin absoluta medida en mm de agua, y como segunda altura mm de mercurio:

Como se puede ver solo difiere un poco, entonces podemos tomar como vlida la frmula utilizada.2. Ley de BoylePara el anlisis de la ley de Boyle se trabajara con la tabla 2:Primero se calcular la presin absoluta para cada presin manomtrica, la cual se tabulara en otra tabla:Presin absoluta [mmHg]

495+54=549

495+103=598

495+74=569

495+93=588

495+79=574

Tabla 7. Ahora se calculara el volumen con la frmula del cilindro, y las alturas de la tabla 2:

Volumen [mm3]

2789.9

2869.3

2892.0

2960.0

3084.8

Tabla 8.

Ahora tabulando las dos tablas tenemos:NPresin absoluta [mmHg]Volumen [mm3]P*V1/V

15982789.91668360.20.00036855

25882869.31687148.40.00034852

35742892.01660008.00.00034578

45692960.01684240.00.00033784

55493084.81693116.00.00032425

=1.6786e6

Tabla 9. De la tabla 9 se observa la constante de Boyle, el cual es:

La grafica de la tabla 9 de presin versus volumen ser:

Grafica 4.Como se puede ver en la grafica, en el eje y tenemos la presin, medida en milmetros de mercurio. En el eje x tenemos al volumen expresado en milmetros cbicos.La grafica de presin versus el inverso del volumen ser:

Grafica 5.Como se puede ver en la grafica, en el eje y tenemos la presin, medida en milmetros de mercurio. En el eje x tenemos el volumen inverso, y se puede ver como los datos se ajustan a la recta con variaciones.Ahora se calcular la pendiente de la recta de la grfica 5, mediante una regresin lineal:

Acomodando la ecuacin a una ecuacin lineal tenemos:

La ecuacin linealizada ser:

Donde la pendiente (que es la constante de Boyle) es:

3. Ley de CharlesPara esta parte trabajar con la tabla 3. Primeramente modificaremos la tabla 3, calculando las temperaturas absolutas

T [C]T[K]Volumen [cc]V/ T

1729060.02069

783516.620.01886

613346.510.01949

533266.420.01969

463196.310.01978

413146.250.01990

=0.01974

Tabla 10.

Como se puede ver en la tabla 10 la constante de de Charles es:

Ahora se har un anlisis de la siguiente ecuacin, para determinar la constante de Charles:

Ajustando a una ecuacin lineal se tiene:

Con ayuda de la tabla 10, tenemos los datos para hacer una ecuacin lineal y tenemos:

Donde la pendiente que es la constante de charles es:

Y la grafica ser:

Grafica 5.Como se puede ver en la grafica, en el eje y tenemos el volumen, medida en centmetros cbicos. En el eje x tenemos la temperatura absoluta expresada en Kelvin, y se puede ver como los datos se ajustan a la recta.

4. Ley de Gay Lussac

Para esta parte se trabajar con la tabla 4, de la cual se modificar la temperatura:

T [C]T[K]Presin [mmHg]P/T

74347430.12392

60333310.09309

51324260.08025

46319210.06583

40313180.05751

=0.08412

Tabla 10.

Como se puede ver en la tabla 11 la constante de de Gay Lussac es:

Ahora se har un anlisis de la siguiente ecuacin, para determinar la constante de Charles:

Ajustando a una ecuacin lineal se tiene:

Con ayuda de la tabla 11, tenemos los datos para hacer una ecuacin lineal y tenemos:

Donde la pendiente que es la constante de charles es:

Y la grafica ser:

Grafica 6.Como se puede ver en la grafica, en el eje y tenemos a la presion, medida en milmetros de mercurio. En el eje x tenemos la temperatura absoluta expresada en Kelvin, y se puede ver como los datos se ajustan a la recta.

5. Determinacin de la Constante RPara la determinacin de la constante R trabajaremos con la tabla 5Experiencia 1Experiencia 2

Masa de Mg [g]0.1560.150

Volumen de H2 [cc]17.651.9

Presin manomtrica [mmH2O]41.5150

Temperatura [C]1414

Como se puede ver hay dos reacciones, de la cual se har la primera experiencia y tenemos:La reaccin que ocurre es la siguiente:

Tenemos que encontrar el nmero de moles de H2 que se producen a partir de la masa de Mg, y tenemos:

Ahora tenemos que calcular la presin de gas seco (H2) el cual es:

La presin de vapor de agua que utilizaremos a 14C es La presin de gas hmedo que tenemos es de cm de agua, debemos convertirlo a mmHg.

El volumen a utilizar ser:17.6cc 0.0176 litrosCon todos estos datos se proseguir a determinar la constante R:

De la misma manera para la experiencia 2, y tenemos:

Tenemos que encontrar el nmero de moles de H2 que se producen a partir de la masa de Mg, y tenemos:

Ahora tenemos que calcular la presin de gas seco (H2) el cual es:

La presin de vapor de agua que utilizaremos a 14C es La presin de gas hmedo que tenemos es de cm de agua, debemos convertirlo a mmHg.

El volumen a utilizar ser:51.9cc 0.0519 litrosCon todos estos datos se proseguir a determinar la constante R:

7. ANLISIS DE RESULTADOS.Primeramente analizaremos los resultados de la parte 1, la cual es medidas de presin. Se comprob la formula:

De la cual, para pasar de una altura de mercurio a agua o a otro liquido, solo se necesita dicha altura y la densidad del liquido, ya que con esta frmula tambin se calculo la densidad del aceite que nos dio como resultado 0.78 g/cc, y efectivamente es esta, ya que este es menos denso que el agua por eso es que flota.Para la parte de los anlisis de las leyes de Boyle, Charles y Gay Lussac se tuvieron los siguientes resultados tanto tericos como prcticos:

Para la constante de Boyle tenemos un error de:

Para la constante de Charles tenemos un error de:

Para la constante de Gay Lussac tenemos un error de:

Ahora para la constante R tenemos para la primera experiencia de:

Ahora para la constante R tenemos para la segunda experiencia de:

Como se pueden ver los dos resultados estn muy lejos de los valores bibliogrficos.8. CONCLUSION.Podemos decir que los objetivos de la prctica se cumplieron en su mayora, se realizo medidas de presin en manmetros en U, se estudio el comportamiento de las diferentes leyes, en esta parte se comprob como si en la ley de Boyle la presin es inversamente proporcional al volumen, en la parte de la ley de Charles se confirmo que el volumen el directamente proporcional a la temperatura, y por ltimo la ley de Gay Lussac que la presin es directamente proporcional a la temperatura. 9. BIBLIOGRAFIA.Apunte de curso pre facultativo Estado Gaseoso semestre I/2005; auxiliar Univ. Csar Usnayo Laura.Gua de laboratorio qumica general semestre I/2011

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