Leyes de los gases TRABAJO PRÁCTICO Conceptos previos Naturaleza de los gases. Presión de un gas. Barómetro. Unidades de presión. Error absoluto, relativo y porcentual. Objetivos Reconocer las variables que afectan el estado de un gas y establecer las relaciones existentes entre ellas. Experiencia 1 Se determinarán la presión y el volumen de gas contenido en la rama cerrada del equipo mostrado en el Esquema 1 Rama Cerrada 1 • L 2 • ∆h Mercurio Rama Abierta Unión flexible Procedimiento: Fijar l as po siciones de la s ramas del equipo. Medi r la longitu d de la column a de ga s en la rama cerrada (L) y medir desde la mesada (nivel de referencia) las alturas de las columnas de mercurio de la rama abierta (h A) y c errada (h C), usando un a regla. Calcular la dife rencia de l as altu ras de l as ramas ∆h. Desplazar las ramas y re alizar nuevamente las m edidas descriptas. Repetir la operación por lo menos otras ocho veces. Medir la temperatura ambiente antes y después de la experiencia. Cálculo del volumen (V) d el gas contenido en la cámara cilíndrica de la ram a cerrada a p artir de la Longitud (L) y del radio del cilindro (r): V = (π x r2) x L Cálculo de la presión (PGAS) a la que se encuentra el gas contenido en la cámara cilíndrica de la rama cerrada: igualando las presiones de los puntos (1) y (2) en el mercurio que se encuentran a la misma altura en ambas ramas obtenemos la expresión P1 = P2 PGAS = Patm + Pcolumna ∆h Nota: si el nivel de la rama abierta es menor que el nivel de la rama ce rrada, la expresión resultante de igualar las presiones de los puntos 1 y 2 (al mismo nivel) es PGAS + Pcolumna ∆h = Patm Medición de la presión atmosférica: Se utiliza un barómetro de Fortin. • • Confeccionar una tabla con valores L, hA, hC, ∆h, V, P, PV, PV2. Graficar en papel milimetrado, P vs. V, PV vs. V y PV2 vs. V Experiencia 2 Se determinarán la presión y la temperatura de gas contenido en la rama cerrada del equipo mostrado en el esquema, manteniendo el volumen constante: Rama Móvil (abierta) Termómetro Marca de nivel ∆h Rama fija Ampolla de vidrio (Cámara de gas) Baño de agua Procedimiento: Sumergir la ampolla en un baño de agua y establecida una temperatura del baño, mover la rama libre del manómetro de mercurio hasta que el nivel de la rama fija llegue a la marca establecida en la rama cerrada (que indica el volumen que se desea mante ner durante toda la experi encia). Tomar el valo r de la temperatura del ba ño (t) con u n termómet ro y las altura s d e las col umnas de me rcurio de la rama abierta (hA) y cerrada (h C) para d icha temperatura usando una re gla y calcul ar ∆h. Calcular la presión del gas pa ra e sa situ ación de fo rma si milar a la e xperiencia a nterior. Incre mentar la temperatura del baño empleando un mechero. Medir val ores expe rimentales desde temperatura inicial del baño (ambi ente) con incrementos sucesivos ca da 5 -10 ° C aproximadamente, si empre ma nteniendo el volum en con stante para cada nueva situación de temperatura. • • Construir una tabla con los valores de t, hA, hC, ∆h, P Graficar en papel milimetrado, P vs. t (ºC). Experiencia 3 Se observará la formación de un sólido al encontrarse dos sustancias gaseosas, en el equipo mostrado en el Esquema: NH3 HCl Procedimiento: En uno de los extremos del tubo colocar un tapón cuya pa rte interna tiene un soporte con un hisopo embebido en solución acuosa concentrada de amoníaco y, al mismo tiempo pero en el otro extremo, colocar u n t apón simil ar co n u n hi sopo embebido e n solución a cuosa concentrada de ácido clorhídrico. Notar el desprendimiento de NH 3 y HCl gaseosos a partir de las soluciones. Observar la formación de un anillo tenue, sobre la parte int erna del tubo de vidrio, correspondiente a la formación de NH4Cl sólido. Marcar sobre el vidrio la posición inicial del anillo una vez observado. • • Medir las distancias desde los extremos de los hisopos hasta el anillo. Relacionar estas distancias con los pesos moleculares de los reactivos. Barómetro de Fortin Consta de un tubo de vidrio (c), de 1 m de l ongitud, con un diámetro interior de 10 a 20 mm, cuyo extremo inferior se e ncuentra sum ergido e n una cubeta (e) que al ig ual que el tub o contiene Hg. (similar a l a expe riencia d e Torricelli). La cubeta está formada por un cilindro de vidrio de 4 a 5 cm de diámetro ce rrada e n su parte superior po r un disco no metálico (b) por cuyo ce ntro pasa el tubo de vidrio. Un a punta d e marfil (d) marca el cero de la es cala. El fo ndo de la cubeta es mó vil p or medio de un tornillo (f), lo que pe rmite hacer coincidir el cero de la escala con el nivel de mercu rio en la cubeta. El tubo de vidrio y la cub eta se hallan protegidos por una vaina metáli ca (a) qu e en su p arte supe rior p osee ventanas longitudinales que permiten leer el nivel d e Hg dentro de la columna; en el borde de la ventana se halla grabada la escala (g) en milímetros y junto a esta escala se desplaz a un vernier ( h) cu ya a proximación es de 0 ,1 mm. Junto a la colum na de metal se coloca u n termómetro q ue permite conocer la te mperatura cuando se mi de l a p resión (no se incluyó en el esquem a). Este instrumento se utilizará para medir la presión atmosférica en todos los trabajos prácticos que lo requieran. Información de seguridad Si bien los tiempos de exposición y las concentraciones alcanzadas en el laboratorio no comprometen la se guridad de lo s al umnos, se in cluye en esta guí a un resumen de l as Fichas de Seguridad pa ra conocer los potenciales riesgos de las sustancias que se utilizan. • Mercurio Vias de exposicion: L a sustancia se p uede ab sorber p or inh alación, a travé s d e la piel. ¡También como vapor! Riesgo de inhalacion: Por evaporación de esta sustancia a 20°C se puede alcanzar muy rápidamente una con centración nociva en el aire. Efectos de exposición de corta duración: La inhalación del vapor puede originar neumonitis. La sustancia puede causar efectos en el riñón y en el sistema n ervioso central. Lo s efe ctos pue den ap arecer d e fo rma no i nmediata. Se recomienda vigilancia m édica. Peligros quimicos: Por cale ntamiento inte nso se prod ucen humo s tóxicos. Reacciona violentamente con metales alcalinos, acetileno, azidas, amoníaco, cl oro, dióxido de cl oro, carburo sódico y óxido de etileno. Ataca al cobre y a otros muchos metales formando amalgamas. • Amoníaco Vias de exposición: La sustancia se puede a bsorber po r in halación. Riesgo de inhalacion: Al producirse u na pé rdida d e ga s se al canza muy rá pidamente u na con centración nociva en el ai re. Efectos de exposición de corta duración: Co rrosivo. La crimógeno. La sustancia es corro siva de l os ojos, la piel y el tracto respiratorio. La inhal ación d e altas co ncentraciones pued e originar edema pulmonar. La evaporació n rápid a del líquido pu ede prod ucir co ngelación. Peligros quimicos: Se forman compuestos inestables frente al choque con óxidos de m ercurio, plata y oro. La su stancia es una base fuerte, reacciona violentamente con ácidos y es corrosiva (p.ej: aluminio y cinc). Reacciona violentamente con oxidantes fuertes, halógenos e interhalógenos. Ataca el cobre, aluminio, cinc y sus aleaciones. Al disolverse en agua desprende calor. • Cloruro de hidrógeno Vias de exposición: La sustancia se puede a bsorber po r in halación. Riesgo de inhalación: Al producirse una pérdida d e gas se alcanza muy rápid amente una concentración nociva d e éste en el aire. Efectos de exposición de corta duración: Corrosivo. La sustancia es corrosiva de lo s ojos, la piel y el tracto respi ratorio. L a inhala ción de altas concentraciones del ga s p uede o riginar edem a pulmonar. Los efectos pueden aparecer de forma no inmediata. Peligros quimicos: La disolución en agua es un ácido fuerte, reacciona violentamente con bases y es corrosiva. Reacciona violentamente con oxidantes formado gas tóxico d e cloro. En contacto con el ai re desprende humos corrosivos de cloruro de hidrógeno. Ataca a muchos metales formando hidrógeno. Leyes de los gases PROBLEMAS Temario Ley de Boyle-Mariotte. Ley de Charles - Gay Lussac. Ley de Avogadro. Ley de Graham. Gas ideal. Densidad de gases. Ley de Dalton. 1. Una fuerza de 600 N actú a sobre una sup erficie re ctangular de 1 m x 3m. ¿Cu ál es la pre sión ejercida en: pascales, bares y Kg/m2? 2. Calcular la p resión eje rcida po r una columna de agua d e 8m de altura. Dar el re sultado en pascales, mm de Hg, atm y Kg/m2. 3. Calcular la presi ón que ejerce cada uno de los si guientes cilindros sobre la superfici e en que están apoyados: a) de mercurio, de 2 cm de diámetro y 10 cm d e alto. b) de m ercurio, de 2,8 cm de diámetro y 10 cm de alto. c) de agua, de 2 cm de diámetro y 10 cm de alto. d) de agua, de 2 cm de diámetro y 136 cm de alto. La densidad del mercurio es 13.6 g cm-3 y la del ag ua 0.9999 g cm-3 a la temperatura de trabajo. Comparar los resultados obtenidos. 4. ¿Por qué en el trabajo práctico trabaja con mercurio en lugar de algún otro líquido? 5. A partir de la experiencia de Boyle-Mariotte surge la relación inversamente proporcional entre P y V; ¿de qué modo podría comprobar que la relación es PV = cte. y no PV2 = cte? 6. ¿Cómo se garantiza de mantener el número de moles constante y la temperatura constante en el experimento de B-M? 7. En una experiencia de Boyle se tie ne un bulbo de 0,5 cm de diámetro. Cuando la diferencia de alturas e ntre las rama s e s 6 cm (sie ndo mayo r el nivel de me rcurio e n la rama a bierta a la atmósfera) y la presión externa es 760 torr, la lo ngitud del bulbo e n el cual e stá contenido el gas es d e 15 cm. ¿Cuál será el volumen ocupado po r el ga s cuan do la dife rencia d e altu ras se incremente a 13 cm? 8. ¿Cómo se g arantiza de mantener el número d e moles con stante y el volu men constante en el experimento de C-GL? 9. ¿Qué ventajas tiene utilizar la escala absoluta respecto de la centígrada? 10. ¿Como debería dejar el equipo de C-GL si previamente las medidas fueron realizadas desde una muy baja temperatura hasta la temperatura final? 11. En una experiencia de Gay Lussac se encuentra una diferencia de 10 cm entre las altu ras de las ramas (sien do inferio r la altura de m ercurio e n la rama cone ctada al bulb o de ga s) cuando la temperatura es 40 ° C. Si la pre sión e xterna e s 75 5 torr, ¿cuál es la p resión del gas? ¿a qué temperatura se igualarán los niveles de mercurio en las dos ramas? 12. Si el gas e n el ca so a nterior e s aire co n un 80 % e n mole s de N2 y el resto en O 2, calcule la presión parcial de cada gas a 40 °C y a la nueva temperatura. 13. Si la ma sa de aire contenida en el b ulbo ante rior e s 0,2 5 g, calcule l a ma sa de cada g as y el volumen del bulbo. 14. Un recipiente de 2 L contiene N2 a 250 torr mientras que otro recipiente de 5 L contiene O2 a 400 torr. Si se conectan ambos recipientes, ¿cuál es la presión final del sistema? 15. Un recipiente se cierra a presión atmosférica (760 torr) y a 10 °C. Luego es calentado hasta 100 °C. ¿Cuál es la presión dentro del recipiente? ¿Cuál hubiera sido si el recipiente estuviera abierto durante el calentamie nto? ¿Q ué p roporción de l as molé culas i niciales hubi era quedado en el recipiente en uno y en otro caso? 16. El N2 tarda 4 minuto s en recorrer 10 cm, ¿cuánto tiempo tard aría el CO 2 en ha cer el mism o recorrido? 17. Dos ga ses (A y B) se h acen difundir desde lo s ex tremos de un tubo de 25 cm. Lo s g ases se encuentran a 10 cm del e xtremo en do nde se col ocó B. Si A tiene un pe so molecular igual a 16. ¿Cuál es el peso molecular de B?