Practica 1 Química Aplicada ESIMEZAC

Objetivo.

El alumno demostrara con los datos obtenidos en el laboratorio, las leyes de Boyle, Charles-Gay Lussac y la ley Combinada del estado gaseoso.

Consideraciones teóricas.

Presión.

Aprender acerca de la presión atmosférica y cómo funcionan los barómetros.

Conocer las diversas unidades de presión. Un gas llena de manera uniforme cualquier contenedor, se comprime con facilidad y se mezcla por completo con cualquier otro gas (vea la sección 3.1). Una de sus propiedades más obvias estriba en que ejerce una presión sobre el entorno. Por ejemplo, cuando se infla un globo, el aire interior empuja contra los lados elásticos del globo y lo mantiene firme.

Unidades de presión.

Debido a que los instrumentos utilizados para medir la presión con frecuencia contienen mercurio, las unidades más comúnmente utilizadas para la presión se basan en la altura de la columna de mercurio (en milímetros) que la presión del gas puede soportar. A la unidad mm de Hg (milímetros de mercurio) con frecuencia se le llama torr en honor a Torricelli. Los términos torr y mm de Hg son utilizados de manera intercambiable por los químicos. Una unidad relacionada con la presión es la atmósfera estándar (abreviada como atm).

1 atmosfera estándar = 1.000 atm = 760.0 mm de Hg = 760.0 torr

La unidad del SI para la presión es el pascal (abreviada como Pa).

1 atmosfera estándar = 101 325 Pa

Por tanto, 1 atmosfera es alrededor de 100 000 o 105 pascales. Debido a que el pascal es tan pequeño, se utilizara de manera moderada en este libro. Una unidad de presión que se emplea en la ciencia de la ingeniería y que se utiliza para medir la presión de los neumáticos es la libra por pulgada cuadrada, abreviada como psi.

1.000 atm = 14.96 psi

En ocasiones se necesita convertir de una unidad de presión a otra. Se realiza esto utilizando factores de conversión.

Presión y volumen: ley de Boyle

Comprender la ley que relaciona la presión y el volumen de un gas.

Los primeros experimentos meticulosos sobre gases fueron desarrollados por el científico irlandés Robert Boyle (1627-1691). Utilizando un tubo en forma de J cerrado en un extremo, el cual supuestamente coloco en la entrada de varios pisos de su casa, Boyle estudio la relación entre la presión del gas atrapado y su volumen.

Las unidades dadas para el volumen (pulgadas cubicas) y la presión (pulgadas de mercurio) son las que este utilizo. Tenga en cuenta que el sistema métrico no se manejaba en ese tiempo.

Primero se examinan las observaciones de Boyle para las tendencias generales. Observe que a medida que la presión aumenta, el volumen del gas atrapado disminuye. De hecho, si compara la información de los experimentos 1 y 4, puede observar que a medida que la presión se duplica (de 29.1 a 58.2), el volumen del gas se reduce a la mitad (de 48.0 a 24.0). Puede apreciarse la misma relación en los experimentos 2 y 5 y en los experimentos 3 y 6 (en forma aproximada).

Se puede ver de manera más clara la relación entre el volumen de un gas y su presión al verificar los productos de los valores de estas dos propiedades (P × V) utilizando las observaciones de Boyle. Este producto se muestra en la última columna de la tabla 13.1. Observe que para todos los experimentos,

P × V = 1.4 × 103 (in de Hg) × in.3 con solo una ligera variación debido al error experimental. Otras mediciones similares sobre los gases muestran el mismo comportamiento. Esto significa que la relación de la presión y el volumen de un gas puede expresarse en palabras como: la presión por el volumen es igual a una constante en términos de una ecuación como

PV = k a la cual se le llama ley de Boyle, donde k es una constante a una temperatura especifica para una cantidad dada de gas. Para la información utilizada a partir de los experimentos de Boyle, k = 1.41 × 103 (in de Hg) × in.3.

Con frecuencia es más sencillo visualizar las relaciones entre dos propiedades si se traza una gráfica. La figura 13.5 utiliza la información de la tabla 13.1 para mostrar cómo se relaciona la presión con el volumen. Esta relación, llamada gráfica, muestra que V disminuye a medida que P aumenta. Cuando existe este tipo de relación se dice que el volumen y la presión están inversamente relacionados o son inversamente proporcionales: cuando uno aumenta, el otro disminuye. La ley de Boyle significa que si se conoce el volumen de un gas a una presión dada, se puede predecir el nuevo volumen si cambia la presión, siempre que ni la temperatura ni la cantidad de gas cambien. Por ejemplo, si se representa la presión y el volumen original como P1 y V1 y los valores finales como P2 y V2, utilizando la ley de Boyle se puede escribir

P1 V1 = k y P2 V2 = k

También se puede decir: P1 V1 = k = P2 V2

O simplemente, P1 V1 = P2 V2.

Esto en realidad es otra manera de escribir la ley de Boyle. Se puede resolver para el volumen final (V2) dividiendo ambos lados de la ecuación entre P2.

Volumen y temperatura: ley de Charles Aprender acerca del cero absoluto. Conocer la ley que relaciona el volumen con la temperatura de una muestra de gas a moles y presión constantes, y realizar cálculos que involucran esa ley.

En el siglo siguiente posterior a los hallazgos de Boyle los científicos continuaron estudiando las propiedades de los gases. El físico francés Jacques Charles (1746-1823), quien fue la primera persona en llenar un globo con gas hidrogeno e hizo el primer vuelo solitario en globo, mostro que el volumen de una cantidad dada de gas (a presión constante) aumenta con la temperatura del gas. Es decir, el volumen se incrementa cuando la temperatura disminuye. Una gráfica del volumen de una muestra dada de gas (a presión constante) en función de su temperatura (en grados Celsius) produce una línea recta. A este tipo de relación se le llama lineal, se muestra este comportamiento para diversos gases.

Las líneas solidas en la figura 13.7 se basan en las mediciones reales de la temperatura y el volumen para los gases listados. A medida que se enfrían los gases, con el tiempo se licuan, por lo que no se puede determinar algún punto experimental por debajo de esta temperatura. Sin embargo, cuando se extiende cada línea recta (a lo cual se le llama extrapolación, y aquí se muestra como una línea punteada), en ocasiones sucede algo muy interesante. Todas las líneas se extrapolan al volumen cero a la misma temperatura: −273 °C. Esto sugiere que −273 °C es la temperatura más baja posible, debido a que un volumen negativo es físicamente imposible. De hecho, los experimentos han mostrado que la materia no puede enfriarse a niveles menores a −273 °C. Por tanto, esta temperatura se define como cero absoluto en la escala Kelvin.

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