Medición del factor de compresibilidad de los gases: un experimento de laboratorio físico-química

Medición del factor de compresibilidad de los gases: un experimento de laboratorio físico-química

RESUMEN: En este artículo se describe un experimento para el laboratorio de físico-química de pregrado en el que los estudiantes miden el factor de compresibilidad de dos gases, helio y dióxido de carbono, en función de la presión a temperatura constante. El aparato experimental es relativamente barato de construir y se describe y diagrama en detalle. Los estudiantes analizan sus datos para determinar los valores para el segundo coeficiente virial para cada gas, que puede ser comparado con la literatura. El experimento demuestra la no-idealidad de los gases reales.

El comportamiento no ideal de los gases reales es un tema de la mayoría de los cursos de  termodinámica. Una medida experimental de la no-idealidad de un gas es su factor de compresibilidad Z = pVm / RT, donde p es presión, Vm es el volumen molar, R es la constante de los gases y T es temperatura. Para un gas ideal, Z = 1 a todas las presiones y temperaturas. Para un gas real, la desviación del factor de compresibilidad de la unidad refleja el carácter y la fuerza de las fuerzas intermoleculares entre las partículas que constituyen el gas. Cualitativamente, los valores de Z menores que 1 indican que las fuerzas atractivas entre los átomos o moléculas constituyentes son más fuertes que las fuerzas repulsivas, mientras que los valores de Z mayores que 1 indican que las interacciones repulsivas son dominantes. Al describir la no-idealidad, casi todos los textos de química física y muchos textos de química general muestran una trama de Z contra p para los gases típicos, por lo que los estudiantes están familiarizados con esta relación. Sentimos que es ventajoso que los estudiantes exploren este comportamiento en el laboratorio, particularmente a presiones donde se observan desviaciones significativas de la unidad. En este artículo describimos un aparato sencillo y de fácil construcción para medir con precisión Z como una función de p para presiones de hasta 50 bar. Para los gases reales, el factor de compresibilidad puede representarse como una expansión de la serie de potencia en el volumen molar inverso,

1 / Vm, o la presión, p:

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Donde los coeficientes viriales (B, C, ... o B0, C0, ...) son dependientes de la temperatura.

El objetivo de este experimento es determinar los valores del segundo coeficiente del virial B0 de helio y dióxido de carbono a temperatura ambiente. Estos dos gases son opciones convenientes debido a su baja toxicidad, reactividad y costo. Además, presentan un comportamiento no-ideal complementario a temperatura ambiente: para el helio, las interacciones repulsivas dominan, dando lugar a valores de Z> 1, y para el dióxido de carbono, las fuerzas atractivas son más fuertes, haciendo Z <1.

Varias descripciones de experimentos para medir el factor de compresibilidad de gases han sido publicadas en esta Revista a lo largo de los años, así como en un libro de texto de laboratorio de físico-química. Estos experimentos son modificaciones de un método originalmente desarrollado por Burnett, que todavía está en uso en la investigación contemporánea sobre la no-idealidad de los gases y sus mezclas. Nuestro enfoque para adquirir y analizar los datos de compresibilidad es diferente y más directo que lo descrito en referencias, haciendo el experimento más simple para que los estudiantes lo entiendan y realicen. Utilizamos una cámara de expansión mucho más grande, que permite a los estudiantes recoger sus datos en una sola serie de mediciones que requieren una sola evacuación del aparato. El factor de compresibilidad en cada paso se determina a partir de una manipulación directa de la ecuación de gas ideal. También utilizamos equipos más precisos y modernos, como medidores de presión digitales.

'DETALLES EXPERIMENTALES

El aparato experimental se muestra en la Figura 1 y los elementos requeridos para la construcción del aparato experimental son enumerados en la Tabla 1. En esencia, comprende una cámara de muestra y una cámara de expansión de tamaños significativamente diferentes, cuyos volúmenes han sido previamente determinados por el instructor. En nuestro aparato, VA ~ 0,16 L y VB ~ 21 L. Una muestra del gas en estudio se mantiene inicialmente en el pequeño cilindro de acero inoxidable.

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Figura 1. Diagrama del aparato experimental. Las válvulas 1, 2 y 3 están marcadas V1, V2 y V3; El disco de ruptura está marcado RD; La válvula de retención está marcada como CV; Y la válvula dosificadora está marcada como MV. Los dos medidores de presión digitales están marcados con P. Una manguera de metal flexible conecta el regulador de gas a la válvula 1, se utiliza una tubería de acero inoxidable entre las válvulas 1 y 2 y la manguera de caucho negro de la válvula 2 a la bomba de vacío mecánica.

Etiquetados VA en la Figura 1. El gas se transfiere en aproximadamente 20  alícuotas desde el pequeño cilindro a la garrafa grande. Después de cada transferencia, la presión en cada recipiente se mide y se registra. Debido a que la presión en la garrafa es siempre inferior a 1 bar, la ecuación de gas ideal puede usarse para calcular directamente el número de moles transferidos en cada paso.

El procedimiento experimental se puede describir como sigue. Al comienzo de un nuevo ensayo, las tres válvulas se abren y todo el sistema se bombea a menos de 25 Torr. Las válvulas 2 y 3 están cerradas, y el cilindro de acero, VA, se presuriza a 50 bar con He o CO2. A continuación, el sistema se lava una o dos veces perdiendo la válvula 1, abriendo las válvulas 2 y 3 para evacuar y volver a llenar. La presión de vapor de CO2 es ~ 60 bar a temperatura ambiente, por lo que es importante mantenerse por debajo de esta presión para evitar la condensación en el cilindro. Después del lavado y rellenado, las tres válvulas están cerradas, y las presiones pA y pB se registran después de haberse estabilizado. También se registra la temperatura ambiente T. La válvula 2 se abre brevemente para transferir aproximadamente el 5% de la muestra de gas a la garrafa y luego se cierra de nuevo. La válvula dosificadora próxima a la válvula 2 es útil para ajustar el caudal de modo que esta transferencia se produzca lentamente durante varios segundos. Las presiones en los dos recipientes se estabilizan en aproximadamente un minuto y se registran. Pequeñas transferencias de gas a través de la válvula 2 se repiten entonces aproximadamente 20 veces, y las presiones equilibradas se registran en cada etapa. Para la medición final, la válvula 2 se deja abierta y el sistema completo se permite equilibrar antes de registrar la presión. Con nuestra relación de volumen de VB / VA = 135, la Presión en la garrafa, VB, es de aproximadamente 0,7 bar para el CO2 y 0,4 Bar para Helio. Cada equipo de dos o tres estudiantes completa dos ensayos en helio y en dióxido de carbono en aproximadamente 90 min.

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