Practica_Nro4 - departamento de curso basico

ESTADO GASEOSO
UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS
FACULTAD DE INGENIERÍA
CURSO BASICO
LABORATORIO QUIMICA GENERAL
QMC 100 - L
SEM II/2010
PRÁCTICA Nº 2
ESTADO GASEOSO
1 OBJETIVO GENERAL

Comprobar experimentalmente las leyes que rigen el estado gaseoso
1.1 OBJETIVOS ESPECIFICOS






Realizar mediciones de presión utilizando manómetros en U.
Estudiar el comportamiento de un gas y comprobar en forma practica el
cumplimiento de las leyes empíricas desarrolladas por Boyle, Charles y Gay
Lussac
Generar un gas en condiciones controladas y recogerlo sobre agua, utilizando
para ello en eudiómetro.
Realizar medidas de magnitudes comunes en forma correcta y confiable.
Calcular experimentalmente el valor de la constante R y comparar el valor hallado
con el valor bibliográfico.
Realizar el tratamiento de datos con énfasis en promedios aritméticos y errores
absoluto y relativo
2 FUNDAMENTO TEORICO
2.1
Gas
Sustancia en uno de los tres estados diferentes de la materia ordinaria, que son el sólido,
el líquido y el gaseoso. Los sólidos tienen una forma bien definida y son difíciles de
comprimir. Los líquidos fluyen libremente y están limitados por superficies que forman por
sí solos. Los gases se expanden libremente hasta llenar el recipiente que los contiene, y
su densidad es mucho menor que la de los líquidos y sólidos.
La teoría atómica de la materia define los estados, o fases, de acuerdo al orden que
implican. Las moléculas tienen una cierta libertad de movimientos en el espacio. Estos
grados de libertad microscópicos están asociados con el concepto de orden
macroscópico. Las moléculas de un sólido están colocadas en una red, y su libertad está
restringida a pequeñas vibraciones en torno a los puntos de esa red. En cambio, un gas
no tiene un orden espacial macroscópico. Sus moléculas se mueven aleatoriamente, y
sólo están limitadas por las paredes del recipiente que lo contiene.
Se han desarrollado leyes empíricas que relacionan las variables macroscópicas. En los
gases ideales, estas variables incluyen la presión (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 presión. La ley de Charles y Gay-Lussac afirma que el
volumen de un gas a presión constante es directamente proporcional a la temperatura
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absoluta. La combinación de estas dos leyes proporciona la ley de los gases ideales
pV = nRT (n es el número de moles), también llamada ecuación 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.
2.2
Ley de Boyle-Mariotte
En física, ley que afirma que el volumen de un gas a temperatura constante es
inversamente proporcional a su presión.
P
k n,T 
V
La ley de Boyle también se puede enunciar de la siguiente manera:
“En un sistema aislado para cualquier masa de gas en un proceso isotérmico
(temperatura constante), el producto de la presión por el volumen es constante”.
2.3
Ley de Charles
Ley que afirma que el volumen de un gas ideal a presión constante es proporcional a su
temperatura absoluta.
V
 k n , P 
T
2.4
V  T k n , P 
Ley de Gay-Lussac
Se puede expresar de la siguiente manera:
“En todo proceso isocórico (volumen constante), manteniendo el número de moles
constante, la presión de cualquier gas es directamente proporcional a su temperatura
constante”.
P
 k  n ,V 
T
P  T k  n ,V 
2.5 Condiciones normales
Se conoce como condiciones normales de la materia gaseosa, a ciertos valores arbitrarios
(acordados universalmente), de presión y temperatura, los que son:
T = 273 K
ó
t = 0 °C
P = 1 atm = 760 mmHg
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ESTADO GASEOSO
En estas condiciones el volumen ocupado por un mol de cualquier gas es de 22.4 litros
(valor igual a V0 en la ley de Charles). Al volumen ocupado por un mol de sustancia se
denomina volumen molar.
2.6 Vapor
Sustancia en estado gaseoso. Los términos de vapor y gas son intercambiables, aunque
en la práctica se emplea la palabra vapor para referirse al de una sustancia que
normalmente se encuentra en estado líquido o sólido, como por ejemplo agua, benceno o
yodo. Se ha propuesto restringir el uso del término a las sustancias gaseosas que se
encuentren por debajo de su punto crítico (la máxima temperatura a la que se puede
licuar aplicando una presión suficiente) y hablar de gas por encima de la temperatura
crítica, cuando es imposible que la sustancia exista en estado líquido o sólido.
Esencialmente, el uso de los términos es arbitrario, porque todas las sustancias gaseosas
tienen un comportamiento similar por debajo y por encima del punto crítico.
Cuando se confina el vapor emitido por una sustancia a cualquier temperatura, ejerce
una presión conocida como presión de vapor. Al aumentar la temperatura de la sustancia,
la presión de vapor se eleva, como resultado de una mayor evaporación. Cuando se
calienta un líquido hasta la temperatura en la que la presión de vapor se hace igual a la
presión total que existe sobre el líquido, se produce la ebullición. En el punto de ebullición,
al que corresponde una única presión para cada temperatura, el vapor en equilibrio con el
líquido se conoce como vapor saturado; es el caso, por ejemplo, del vapor de agua a 100
°C y a una presión de 1 atmósfera. El vapor a una temperatura superior al punto de
ebullición se denomina vapor sobrecalentado, y se condensa parcialmente si se
disminuye la temperatura a presión constante.
A temperaturas y presiones normales, la presión de vapor de los sólidos es pequeña y
suele ser despreciable. Sin embargo, la presencia de vapor de agua sobre el hielo
demuestra su existencia. Incluso en los metales, la presión de vapor puede ser importante
a temperatura elevada y presión reducida. Por ejemplo, la rotura del filamento de
wolframio de una bombilla (foco) incandescente se debe fundamentalmente a la
evaporación, que implica un aumento de la presión de vapor. Cuando se calienta una
solución de dos sustancias volátiles, como agua y alcohol, el vapor resultante contiene
ambas sustancias, aunque generalmente en proporciones distintas de las de la solución
original. Normalmente se evapora primero un porcentaje mayor de la sustancia más
volátil; este es el principio de la destilación.
2.7
Gas Húmedo
Se entiende por gas húmedo a la mezcla homogénea de gas seco y el vapor de un
líquido. Los gases húmedos tienen las siguientes características:
-
Se recogen generalmente sobre un líquido no volátil.
Tiene una aplicación de la ley de Dalton de las presiones parciales.
Se obtiene este gas burbujeando a través de un líquido.
Las moléculas arrastradas en forma de vapor son recolectadas como moléculas de
gas y de líquido vaporizado.
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2.8
Humedad absoluta
Humedad absoluta es la relación entre la masa de vapor y la masa del gas seco,
contenidos en una masa de gas húmedo.

2.9
m( vapor )
m( gas sec o )
Humedad relativa
La humedad relativa es la relación entre la presión de vapor que contiene una masa de
aire y la que contendría si estuviese saturado a la misma temperatura.

Pv
100
Pv*
3 MATERIALES Y REACTIVOS
3.1 Materiales
ITEM
MATERIAL
1 Manómetro en U
CARACTERÍSTI CANTIDA
CA
D
4
2
Termómetro
mercurio
de 0-100 ºC
3
1
4
Aparato
para
Leyes de Charles
y Gay Lussac
Eudiómetro
50 cm3
5
Regla
6
7
8
Soporte universal
Pinza porta bureta
Vernier
50 cm
1
ITE
MATERIAL CARACTERÍST CANTIDA
M
ICA
D
1
9 Aparato
CENCO para
gases
1
10 Tubo
generador de
gases
1
11 Jarro metálico
1
1
de 1000 cm3
12 Vaso
precipitados de
1000 cm
de3 goma
13 Tapón
con
una
perforación
1
1
1
14 Tubo de vidrio
forma de U
Hornilla
15 en
16
1
1
1
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1
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3.2 Reactivos
ITEM
1
2
3
REACTIVO
Ácido clorhídrico
Magnesio
en
cinta
Zinc
CARACTERÍSTICA
p.a.
p.a
p.a
4 Procedimiento
4.1 Medidas de presión



Ejercer presión en el tubo de entrada de gas
Medir la presión manométrica en cada manómetro (agua, aceite, Hg)
Registrar los datos
4.2 Ley de Boyle






Realice las medidas a temperatura constante ambiente del laboratorio.
Registre el diámetro del tubo que contiene el gas
Registre la altura del gas.
Registre la presión manométrica del gas
Cambie la presión con ayuda de la varilla de vidrio y repita todas las mediciones
anteriores.
Repita el procedimiento 5 veces para tener 5 datos de Presión vs. Volumen.
4.3 Ley de Charles





Realice las medidas a presión constante (se sugiere la presión atmosférica que
corresponde a alturas iguales del liquido manométrico en ambos brazos del
manómetro).
Llene de agua caliente la camisa calefactora que rodea al tubo que contiene al gas
Con un termómetro registre las variaciones de temperatura a medida que el agua
enfría.
Para cada variación de temperatura registre el volumen del gas.
Repita el proceso por lo menos 7 veces
4.4 Ley de Gay Lussac





Realice las medidas a volumen constante.
Llene de agua caliente la camisa calefactora que rodea al tubo que contiene al gas
Con un termómetro registre las variaciones de temperatura a medida que el agua
enfría.
Para cada variación de temperatura registre la presión manométrica del gas.
Repita el proceso por lo menos 7 veces.
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4.5 Determinación de la constante R
Arme el sistema para recoger gas hidrogeno (generado por la reacción de HCl y Mg)
sobre agua con ayuda del eudiómetro, el tubo generador de gases, el vaso de
precipitados y el soporte universal.






Pese y registre una masa de magnesio adecuada (pregunte al docente la
cantidad)
Introduzca el Mg al tubo generador y espere reaccione completamente.
Registre en el sistema del eudiómetro la temperatura del agua ( se supone que
esta temperatura es la del gas ya que el gas burbujea a través del agua)
Mida y registre la presión manométrica del gas húmedo.
Mida y registre el volumen del gas.
Repita el procedimiento para otras dos muestras de Mg de diferente masa.
5 Datos Experimentales
5.1 Medidas de Presión
Presión manométrica (mm)
Alumno 1
Alumno 2
Alumno 3
Alumno 4
Liquido manométrico agua
Liquido manométrico aceite
Liquido manométrico mercurio
5.2 Ley de Boyle
Diámetro del tubo: …………. [mm]
Alumno 1
Alumno 2
Alumno 3
Temperatura
ambiente[ºC]
Presión
manométrica
Δh [mmHg]
Altura del gas h [mm]
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Alumno 4
Alumno 5
ESTADO GASEOSO
5.3 Ley de Charles
Alumno Alumno
1
2
Alumno
3
Alumno Alumno Alumno Alumno
4
6
7
5
Presión
constante
[mmHg]
Temperatura
[ºC]
Volumen[cm3]
5.4 Ley de Gay Lussac
Alumno Alumno Alumno Alumno Alumno Alumno Alumno
1
2
3
4
6
7
5
Volumen constante [cm3]
Temperatura [ºC]
Presión
manométrica
[mm Hg]
5.5 Determinación de la constante R
Experiencia 1
Experiencia 2
Experiencia 3
Masa de Mg [mg]
Volumen de H2 [cm3]
Presión manométrica
[mm agua]
Temperatura [ºC]
6 Cálculos
En todos los casos se debe realizar el tratamiento estadístico de datos que incluye:
 Calculo del valor promedio como el más representativo
 Calculo del intervalo de confianza en base a:
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ESTADO GASEOSO
𝑋 = 𝑋(𝑝𝑟𝑜𝑚) ±

𝑡𝑆
√𝑛
Donde t es el valor de t de Student con un grado de confianza determinado, S es la
desviación estándar del conjunto de datos y n es el número de mediciones
Calculo del error absoluto y relativo respecto del valor bibliográfico o de referencia
cuando corresponda
6.1 Medidas de presión



Calcular la presión absoluta expresada en altura de agua, aceite y mercurio.
Comprobar la formula:
ℎ1 𝜌1 = ℎ2 𝜌2
para el par agua – Hg
Con la anterior fórmula calcular la densidad del aceite
6.2 Ley de Boyle






Calcular la presión absoluta para cada presión manométrica
Calcular el volumen del gas con la ayuda de la fórmula del volumen de un cilindro
Con los datos de presión absoluta y volumen, calcular la constante de Boyle KB
Realizar un gráfico Presión vs. Volumen
Realizar un gráfico Presión vs. 1/V
Del anterior gráfico calcular gráficamente la constante de Boyle KB como la
pendiente de la recta
6.3 Ley de Charles





Calcular la temperatura absoluta para cada juego de datos
Con los datos de temperatura absoluta y volumen calcular la constante de Charles
KCH.
Realizar un gráfico Volumen vs. Temperatura relativa (ºC). En este grafico
prolongar la recta hasta volumen 0 para encontrar el valor de cero absoluto de
temperatura.
Realizar un gráfico de Volumen vs. Temperatura absoluta (ºK).
Del anterior gráfico calcular gráficamente la constante de Charles KCH como la
pendiente de la recta
6.4 Ley de Gay Lussac




Calcular la temperatura absoluta para cada juego de datos
Con los datos de temperatura absoluta y presión calcular la constante de Gay
Lussac KG.
Realizar un gráfico Presión vs. Temperatura relativa (ºC). En este grafico prolongar
la recta hasta presión 0 para encontrar el valor de cero absoluto de temperatura.
Realizar un gráfico de Presión vs. Temperatura absoluta (ºK).
LABORATORIO DE QUIMICA GENERAL
ESTADO GASEOSO

Del anterior gráfico calcular gráficamente la constante de Gay Lussac KG como la
pendiente de la recta
6.5 Determinación de la Constante R




Calcular el número de moles de H2 producidos a partir de la masa de Mg,
considerando que 1 mol de H2 se obtiene a partir de 1 at-g de Mg.
Calcular la presión del H2 seco. Considerar que el gas obtenido es húmedo y que
se debe restar la Pv* a la temperatura del sistema de la presión del gas húmedo
para obtener la presión del gas seco.
Calcular con ayuda de la ecuación de estado la constante R experimental.
𝑃𝐻2 𝑉
𝑅=
𝑛𝐻2 𝑇
Calcular el error absoluto y relativo en cada caso tomando como referencia los
valores bibliográficos.
7 Cuestionario
1. Dibuja dos isóbaras en un diagrama V vs. T y dos isóbaras en un diagrama P vs V.
Indica cual de las dos tiene mayor volumen.
2. Cuál es la presión manométrica si la presión absoluta es de 500 mm Hg. en Santa
Cruz?
3. Si la presión manométrica de un recipiente en La Paz es 550 mm Hg. ¿Cual será la
presión manométrica en Santa Cruz?
4. Expresa la constante R en todas las unidades que conozcas
5. Si un gas se calienta al doble de su temperatura inicial y su volumen se duplica.
Cuál será la P final?
6. Dibuja dos isócoras en un diagrama P vs T y dos isócoras en un diagrama P vs V.
Indica cual de las dos tiene mayor volumen.
7. Si la presión manométrica de un recipiente en Sta Cruz es 850 mm Hg. ¿Cual será
la presión manométrica en La Paz?
8. Un gas húmedo tiene una presión de 560 mm Hg Si la Pv a la temperatura del gas
es de 20 mm Hg. ¿Cual es la presión del gas seco?
9. Dibuja dos isotermas en un grafico P vs V. Indica cual tiene temperatura menor.
10. Si un gas se calienta al doble de su temperatura inicial y su volumen se triplica.
¿Cuál será la P final?
11. ¿Qué masa de hidrógeno se producirá a partir de 0.02 g de Mg cuando reacciona
con HCl?
12. ¿Cuál es la presión absoluta en La Paz si la presión absoluta es de 1500 mm Hg en
Santa Cruz?
13. Un recipiente de 3 litros con una presión de 870 mm Hg se une a otro recipiente de 2
litros con una presión de 1400 mm Hg. ¿Cual es la presión del sistema unido?
14. Un sistema gaseoso se comprime a la mitad del volumen inicial y se enfría a un
tercio de su temperatura original. ¿Cual es la presión final?
15. Enuncie la ley de Boyle literal y matemáticamente
16. Enuncie la ley de Charles literal y matemáticamente
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17. Enuncie la ley de Gay Lussac literal y matemáticamente
18. ¿Cuáles son las características de un gas ideal?
19. Una muestra de aire está saturada en un 50% con vapor de agua a 30 °C y se halla
a una presión de 700 mmHg. ¿Cuál será la presión parcial del vapor de agua si la
presión del gas se reduce a 100 mmHg? La presión de vapor del agua a 30 °C es
31.8 mmHg.
20. Una muestra de 500 litros de aire seco a 25 °C y 750 mmHg de presión se hace
burbujear lentamente a través de agua a 25 °C y se recoge en un gasómetro
cerrado con agua. La presión del gas recogido es de 750 mmHg. ¿Cuál es el
volumen del gas húmedo? La presión de vapor del agua a 25 °C es 23.8 mmHg.
21. En un edificio con acondicionamiento de aire se absorben desde el exterior 1000
litros de aire, a la temperatura de 11 °C, presión de 780 mmHg y humedad relativa
de un 20%. Dicho aire pasa a través de los aparatos adecuados, donde la
temperatura aumenta a 20 °C y la humedad relativa a un 40%. ¿Cuál será el
volumen ocupado por dicha masa de aire, si la presión en el edificio es de 765
mmHg? Las presiones de vapor del agua a 11 °C y 20 °C son respectivamente, 9.8
mmHg y 17.5 mmHg.
22. 1 litro de aire satura de vapor de benceno a 20 °C y a la presión total de 750 mmHg
se expande a dicha temperatura, en contacto con benceno líquido, hasta un
volumen de 3 litros. La presión de vapor de benceno a 20 °C es 74.7 mmHg. Hallar
la presión final del aire satura de vapor de benceno.
23. Aire saturado en un 60% de alcohol etílico, a 40 °C y 760 mmHg, se comprime
dentro de un tanque de 100 litros de capacidad a 10.0 atm y 30 °C. Calcular el
volumen del aire en las condiciones iniciales. Las presiones de vapor del alcohol
etílico a 30 °C y 40 °C son, respectivamente, 78.8 y 135.3 mmHg. Suponer nulo el
volumen del alcohol etílico condensado.
8 Bibliografía

BABOR, JOSE &IBARZ, JOSE Química General Moderna. 8va Ed Editorial Marin
S.A. (1977)

GRAY, HARRY & HAIGHT, GILBERT Principios Básicos de Química Editorial
Reverte (1969)

MONTECINOS, EDGAR & MONTECINOS, JOSE Química General. Prácticas de
Laboratorio. La Paz (1989)
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