Aplicación de Procesos Químicos Industriales

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE INGENIERIA Y CIENCIAS SOCIALES Y
ADMINISTRATIVAS
PRACTICA 3
APLICACIÓN DE PROCESOS QUIMICOS INDUSTRIALES
SEC. 3NME
OBJETIVO:
• Producir Oxígeno por descomposición del Bióxido de Plomo.
• Calcular la Densidad del Oxígeno, a las condiciones en que se desarrolla el experimento.
• Corregir le Densidad del Oxígeno, de las condiciones del experimento a las estándar de Temperatura y
Presión.
• Determinar el error Relativo, comparando la Densidad Experimental contra la Densidad Teórica del
oxígeno.
Introducción
Leyes de Boyle−Mariotte y de Charles y Gay−Lussac
La ley de Boyle−Mariotte, descubierta a mediados del siglo XVII, afirma que el volumen de un gas varía
inversamente con la presión si se mantiene constante la temperatura. La ley de Charles y Gay−Lussac,
formulada alrededor de un siglo después, afirma que el volumen de un gas es directamente proporcional a
su temperatura absoluta si la presión se mantiene constante.
GENERALIDADES:
La Densidad () es una propiedad intensiva que se define como la masa por la unidad de volumen y puede
expresarse en cualesquiera unidades, que tengan las dimensiones ML−3.
Esto es: Densidad = masa / Volumen. ( = m / V)(1).
Para el caso de gases ó vapores que se comparten idealmente su Densidad también se puede calcular a partir
del conocimiento de las propiedades del sistema, empleando la ecuación de los gases ideales: PV =nRT(2)..n
1
= m / Pm.(3), por lo tanto: PV = (m / Pm)RT, de donde = m /V = PmP / RT.(4).
Donde: = Densidad del Gas. m = Masa del Gas.
V = Volumen del Sistema. Pm = Peso Molecular del Gas.
R = Cte. Uni. Gases Ideales. P = Presión del Sistema.
T = Temperatura del Sistema.
Cuando se trabaja con sistemas de mezclas gaseosa, la ecuación anterior queda:
= m1 / V = (Pm)1P1 / RT. Donde el Subíndice (1) se refiere a un componente particular de la mezcla.
Considerando que la masa contenida en un volumen unitario varía con la temperatura y la presión; siempre
deben especificarse cuidadosamente estas condiciones.
Como la Densidad del Gas está en proporción directa a la presión é inversa a su temperatura, la Densidad de
los Gases se puede corregir desde condiciones iniciales (1) a condiciones finales (2) de la siguiente forma:
/ = V2 / V1 = P1T2 / P2T1.(6).
Como un g−mol de cualquier Gas a las condiciones normales de Presión y Temperatura ocupa un volumen
aproximado de 22.4 litros, es posible calcular la Densidad de cualquier Gas ó vapor a estas condiciones.
En este experimento, a través de una reacción, se genera Oxígeno Molecular, (Cuya masa se conoce por
diferencia de masa de Pb=2, el inicio y final de la Reacción), el cuál es recolectado en un frasco por
desplazamiento de agua, en donde se miden las propiedades que permiten calcular la Densidad.
DESARROLLO EXPERIMENTAL:
MATERIAL:
• 1 Tubo de Ensayo.
• 1 Tapón de Hule No. 3 Monohoradado.
• 1 Frasco de Boca Ancha de 0.5 Litros.
• 1 Tapón de Hule No. 12 Bihoradado.
• 1 Vaso de 250 cm³.
• 2 Tubos de Vidrio para Conexión.
• 1 Mechero.
• 1 Termómetro de −20ºC a 120ºC.
• 1 Espátula.
• 1 Balanza.
PROCEDIMIENTO:
• Pesar con Precisión 0.5 g de Bióxido de Plomo (PbO2), en el Tubo de Ensayo. Anotar los Datos
Correspondientes a:
−Masa del Tubo de Ensayo Vacío.
2
−Masa del Tubo de Ensayo con PbO2.
• Montar el Equipo como se muestra en el Esquema:
• Calentar el Tubo de Ensayo, aplicando la flama sobre toda la superficie del Tubo.
• Observar la transformación que sufre el PbO2 en el Tubo de Ensayo.
• Observar que se desprende un Gas, que desaloja una cantidad de agua equivalente al volumen del gas en el
frasco de Boca Ancha.
• Suspender el calentamiento del Tubo de Ensayo cuando se hayan recogido aproximadamente 70 cm³ de
agua en el vaso de precipitados.
• Medir con precisión y anotar el volumen de agua desplazada.
• Separar el Tubo de Ensayo del sistema y dejarlo enfriar, pesando y anotando la masa del Tubo con Residuo.
Nota: Los Datos Experimentales obtenidos é investigados deben representarse en forma de Tablas.
TABLA DE DATOS EXPERIMENTALES:
0.5 gr de PbO2
0.5 gr − 95%
95% Pureza
X = (0.5 x 100) / 95 = 5.26 gr
X − 100%
Masa del Tubo de Ensayo
Masa del Tubo con PbO2
36.8 gr
37.326 gr
Mezcla Heterogénea
Características del PbO2
Reacción Endotérmica
Temperatura = 21ºC = 294ºK
Peso Molecular del Pb
Peso Molecular del O2
Peso Molecular del PbO2
Temperatura = 21ºC = 294ºK
Volumen Experimental del O2
Baja Eficiencia
207 g / mol
16 x 2 = 32 g / mol
239 g / mol
21ºC = 294ºK
V* = 63ml = 0.063 litros
CÁLCULOS Y RESULTADOS:
a) % Pureza = (Masa Pura / Masa Comercial) x 100 = (0.5 / 0.526) x 100 = 95%
b) F. Directa O2 = P(O2)Pm / RT = (0.737atm)(32g/mol) / (0.082)(294ºK) = 0.978g/l
3
c) 1atm − 760mmHg 1atm − 760mmHg
X − 585mmHg X − 25mmHg
X = 0.769 atm X = 0.032 atm
P(Parcial−O2) =P(Cd.Méx) − PºVAgua = 0.769atm − 0.032atm(Tablas) = 0.373atm
d) F. Indirecta −−−−−−−− PbO2 + " PbO + ½ O2 −−−−−−−− Oxígeno Experimental
Peso del Tubo de Ensayo y PbO = 37.2gr después del Calentamiento ó Reacción.
Se sabe que el Tubo de Ensayo pesa 36.8gr, por lo tanto:
Peso Tubo y PbO − Peso Tubo Solo = 37.2 − 36.8 = 0.4 gr
Ahora Obtenemos:
Diferencia entre PbO2 − PbO = 0.526gr − 0.4gr = 0.126gr de O2 Peso del Gas
Por Último:
= m(O2) / V(O2)Exp = 0.126gr / 0.063litros = 2g/l Densidad con F. Indirecta
e) Otro Cálculo para calcular la Densidad Teórica (O2) al Nivel del Mar y Ciudad de México:
• Densidades Teóricas al Nivel del Mar (Condiciones Normales):
T1 = 0ºC P1 = 1atm
m1 = 0.126gr de Oxígeno (En el Laboratorio), por lo tanto, m = 0.126gr
n = 0.126gr / 32g/l = 3.93x10−³mol
1mol − 22.4litros
3.93x10−³mol − X
X = 88x10−³
1A (O2) = (1atm)(32g/l) / (0.082)(273ºK) = 1.429g/l
1B (O2) = m / V* = 0.126gr / 88x10−³ = 1.431g/l
• Densidad Teórica del Oxígeno (O2) en la Ciudad de México:
2A / = P1T2 / P2T1, por lo tanto, = () / (P1T2 / P2T1) = P2T1 / P1T2
Como : = 1.429 Al Nivel del Mar
P2 = 0.769atm En la Ciudad de México
4
T1 = 273ºK Al Nivel del Mar
P1 = 1atm Al Nivel del Mar
T2 = 294ºK En la Ciudad de México
= [(1.429g/l)(0.769atm)(273ºK)] / [(1atm)(294ºK)] = 1.02g/l
CUESTIONARIO:
• Escribir la Ecuación Química de la Reacción efectuada:
PbO2 + " PbO + ½ O2
• Calcular la Masa en gramos del Oxígeno Producido:
Nota: La respuesta es de 0.126gr de O2, la cual se obtuvo en el experimento y está representada en la parte
de Cálculos y Resultados.
• Calcular la Densidad del Oxígeno en las Condiciones del experimento:
• Directamente: Por medio del cociente de la masa del Oxígeno producido, entre su volumen equivalente de
agua.
• Indirectamente: Aplicando la ecuación modificada de los gases ideales. (Es necesario utilizar la presión
parcial del Oxígeno den la mezcla.
Nota: Las respuestas son las siguientes Directamente = 0.978 g/l é Indirectamente = 2 g/l, las cuales se
obtuvieron en el experimento y están representadas en la parte de Cálculos y Resultados.
• Calcular la Densidad del Oxígeno en Condiciones Normales:
• Encontrando el cociente de la masa de 1 mol en gramos, entre el volumen molar a esas condiciones de
temperatura y presión.
• Encontrar el cociente de la masa de Oxígeno producido entre su volumen corregido a esas condiciones de
temperatura y presión.
Nota: Los resultados y Operaciones se encuentran en la Parte de Cálculos y Resultados, en donde se calculan
las Densidades a Nivel del Mar (Condiciones Normales) y Ciudad de México.
• Calcular el Error Relativo, entre los valores calculados en 3A y 3b, así como entre 4A y 4b:
Para los valores de 3a. y 3b:
Error Relativo = | Teórico − VExperimental | / Teórico
= | 0.978 g/l − 1.8 g/l | / 0.978 g/l
= 0.84
Para los valores de 4a. y 4b:
Error Relativo = | Teórico − VExperimental | / Teórico
= | 1.429 g/l − 1.4287 g/l | / 1.429 g/l
5
= 0.0002
• Calcular el porcentaje de Bióxido de Plomo (PbO2) descompuesto:
% Rendimiento ó Eficiencia = [m(O2−Experimental) / m(O2−Teórico)] x 100
Nota: Para calcular el Oxígeno Teórico (Masa), solo debemos revisar la Estequiometría (Pm), es decir, la
Estequiometría de Masas: 239(PbO2) − 223(PbO) − 16(O)
Calculando la m(O2) Teórico con reglas de Tres, basándose en la Ecuación Química de la Reacción, tenemos
que: PbO2 + " PbO + ½ O2, donde:
239(PbO2) − 223(PbO) 239(PbO2) − 16(O)
0.526gr(PbO2) − X 0.526gr(PbO2) − X
X = 0.49gr (PbO) X = 0.035 (O) O2 −Teórico
Aplicando la fórmula del Rendimiento:
% Rendimiento ó Eficiencia = [m(O2−Experimental) / m(O2−Teórico)] x 100 =
(0.126 / 0.035) x 100 = 360%
Como el Valor Experimental del O2 es 0.126 y el Teórico es de 0.035, está mal, debido a factores como
errores en los instrumentos de medición, residuos ya que se requiere que el valor experimental deberá ser
menor al Teórico.
• ¿Cuál debería ser el volumen desplazado para que el porcentaje de Error fuera de Cero?:
Usando la Fórmula = m / V Despejando el Volumen V = m / , quedando:
V = 0.035gr / 0.978g/l = 0.036Litros
CONCLUSIONES:
Aprendimos a calcular las densidades de los gases, en este caso el vapor de agua; la densidad la podemos
obtener de manera directa o indirecta, con ellas calculamos la densidad a condiciones normales y a nivel de la
ciudad de México.
En esta práctica se pudo observar que por errores al momento de tomar la medida en los instrumentos de
medición, se obtuvo un dato experimental mayor que el dato Teórico (rendimiento óptimo), esto quiere decir
que afectaron las condiciones en las cuales estuvimos trabajando, lo cual tenemos que regular para la próxima
práctica.
BIBLIOGRAFÍA:
Crockford, Fundamentos de fisicoquímica. CECSA
P. Ander, Principios de Química, Limusa
Microsoft Encarta. 1993−2003
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http://www.quimica.izt.uam.mx/tga/resources/tcbi/problemario−tq.pdf
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