Practica quimica gases COMPORTAMIENTO DE SISTEMAS GASESOSOS

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Práctica N. 7        COMPORTAMIENTO DE SISTEMAS GASESOSOS

1.  OBJETIVOS

1. Estudiar algunas propiedades características de los gases como difusión, volumen y forma indefinidos.
2. Explicar el comportamiento de los gases con base en las leyes fundamentales (Ley de Boyle, Ley de Charles - Gay Lussac y Principio de Avogadro), que relacionan las diferentes variables: n (número de moles), P (presión), V (volumen) y T (temperatura).
3. Reconocer la importancia del estado gaseoso, en particular del aire para la supervivencia de varias especies sobre la superficie terrestre.

2.  FUNDAMENTO TEÓRICO

En general, la fortaleza del enlace entre átomos o moléculas define los tres estados fundamentales de la materia, sólido, líquido y gaseoso. El último se caracteriza por no tener forma ni volumen definidos, como consecuencia de las mínimas fuerzas de interacción entre las moléculas que forman el sistema gaseoso; esta concepción justifica una de las principales propiedades de los gases, "la difusión”, que es mucho mayor que en sólidos y líquidos. Por difusión, el gas trata de ocupar el mayor volumen posible, esto explica porque un olor agradable o desagradable es rápidamente percibido en un espacio mayor.

Para el estudio de este importante estado de agregación de la materia, se considera la existencia de gases reales e ideales. En los primeros se considera que hay fuerzas atractivas entre las moléculas (fuerzas que son las responsables de que el gas se licue) y que estas ocupan volumen. En los gases ideales, por el contrario, las fuerzas atractivas entre las moléculas al igual que el volumen ocupado son despreciables.

La mayoría de ecuaciones para determinar el comportamiento de un sistema gaseoso se han realizado con base en la definición de gases ideales, sin embargo, a temperaturas elevadas (atracciones intermoleculares mínimas) y presiones bajas (máximo volumen ocupado), los gases reales tienden a comportarse idealmente, por lo cual podemos utilizar las mismas fórmulas bajo estas condiciones.

Para describir el comportamiento de un sistema gaseoso se requieren cuatro variables, n, P, V y T; la variación de estas propiedades manteniendo alguna variable constante, ha dado lugar a las leyes fundamentales de los gases:

1. Ley de Boyle: Experimentalmente encontró que “el volumen de un gas a temperatura y número de moles constantes es inversamente proporcional a la presión”. Matemáticamente se expresa de la siguiente forma:

1.    1/P                   V = K/P                 PV =  K                    PoVo = PfVf

1. Ley de Charles: Establece que “a presión y número de moles constante, el volumen de un gas varía de forma directa con la temperatura del sistema”. Matemáticamente se expresa por:

1.     T                    V = KT                   V/T = K                    Vf To= VoTf   

1. Ley de Difusión de Graham: Dice que “a igual temperatura y presión, la velocidad de difusión (V) de los gases es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de sus pesos moleculares (M). Por definición se tiene que la velocidad es igual a distancia (r), sobre tiempo (t) en segundos.

        rA / tiempo  / rB / tiempo V [pic 2]A         

La ecuación de estado para los gases ideales PV = nRT resulta de la combinación de las leyes de Boyle, Charles-Gay Lussac y el principio de Avogadro, de donde R es la constante de los gases y su valor corresponde a 0.0820 atm.L/mol.K

3.  MATERIALES Y REACTIVOS          

4.  PROCEDIMIENTO

1.  Ley de Boyle: En un tubo de vidrio en forma de J, adicionar agua hasta cubrir la parte curva del tubo, y tapar la rama pequeña del tubo con un tapón perfectamente ajustado. Medir el radio interno del tubo y la altura de la columna del aire encerrado entre el tapón y el nivel de agua dentro del mismo (PV = K), tal y como se muestra en la parte izquierda de la Figura 1.

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Figura 1. Ilustración de la ley de Boyle

Agregar por la parte abierta del tubo una cantidad suficiente de agua hasta que la columna de agua suba 30 cm, medir la nueva altura del aire encerrado para hallar su volumen y medir la altura de la columna de agua desde la nueva referencia, para hallar la presión que ejerce ésta sobre la columna de aire. Realizar una segunda adición de agua (alrededor de otros 30 cm), para lograr otra relación de PV = K (observar la parte derecha de la Figura 1). Registrar los datos tal como se sugiere en la tabla 2 (Tabla 2. Datos de la ley de Boyle. Ver sección de

DATOS Y RESULTADOS)

Volumen en la columna de aire:

V1 = r2.h h = altura del gas

P1 = Presión interna ( 640 mm Hg en Medellín). Cuando las dos columnas de agua están al mismo nivel y se toma como referencia la presión atmosférica que es la presión ejercida sobre la columna de agua en el lado abierto del tubo.

Presión del sistema:

P2 = Presión atmosférica + ρgh* (presión hidrostática) h* = altura en cm debida al desnivel del agua.

Ecuaciones para transformar h* a unidades de presión (mm Hg):

ρH2O x h(mm H2O) = ρHg x h*(mm Hg).

Despejando h* se obtiene la siguiente ecuación:

h*(mm Hg) = ρH2O x h(mm H2O) / ρHg 

A continuación se presenta un ejemplo, para ilustrar los cálculos:

h(mm H2O) = 20 cm = 200 mm ρHg = 13.6 g/mL ρH2O = 1.0 g/mL

h(mm de Hg) = 1.0 g/mL x 200 mm = 14.7 mm Hg

                              13.6 g/mL

Así la presión del sistema cuando la diferencia entre los niveles de agua es de 20 cm, será:

P2 = 640 mm Hg + 14.7 mm Hg = 654.7 mm Hg

Lo cual implica que la presión aumenta.  

1. Ley de Charles: Tomar un Erlenmeyer de 100 mL y ajustarle un tapón provisto de un tubo de vidrio. Calentar el erlenmeyer en un baño de agua hasta ebullición (tomar la temperatura del agua y registrarla como T1 – gas caliente); tomar posteriormente el Erlenmeyer tapando con las pinzas de cresol, tapando el tubo del tapón con el dedo para no dejar escapar el aire caliente; sumergirlo de manera invertida dentro de un recipiente que contiene agua fría (como lo ilustra la figura 2). Una vez y el Erlenmeyer se encuentre frio, destapar el tubo de vidrio y permitir el ingreso de agua al matraz (tomar la temperatura del tanque y registrarla como T2 – gas frio). Luego, medir el volumen de agua que ingresó al Erlenmeyer, y registrarlo como volumen de referencia (VR). Llenar el Erlenmeyer completamente de agua y ajustarle el tapón previamente empleado para eliminar el exceso; medir y registrar este volumen (V1 – gas caliente). V2 (gas frio) se obtiene de la resta de VR a V1 (V2 = V1 - VR). Determinar el valor de la constante de proporcionalidad, V/T.

 3.   

        V1/T1 = K1                    V2/T2 = K2                           K1 = K2 

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Figura 2. Ilustración de la ley de Charles

1. Ley de Graham: Impregnar a dos algodones por separado, soluciones concentradas de amoníaco (NH3) y ácido clorhídrico (HCl), respectivamente. Colocar estos algodones simultáneamente en los extremos opuestos de un tubo de vidrio dispuesto horizontalmente y observar la formación de un anillo blanco al interior del tubo, como consecuencia de la formación del anillo del sólido blanco que se deposita en las paredes (NH4Cl, producto de la reacción). Medir la distancia de formación del producto respecto de los extremos, tomando como punto de reacción donde se ve inicialmente el anillo (Figura 3).

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Figura 3. Montaje la ley de Difusión de Graham

PREGUNTAS 

1. Con relación a cada uno de los experimentos, discuta los resultados obtenidos experimentalmente y como estos verifican el cumplimiento de cada una de las leyes de los gases mencionadas. Ilustrar en cada caso los cálculos realizados. Mencione también las causas de error.
2. Citar ejemplos de gases utilizados a nivel industrial, y mencionar aspectos relevantes de su uso.
3. Consultar sobre el ozono y describir brevemente detalles de la importancia de su presencia en la atmósfera. 4. ¿Cómo puede disponer los residuos generados en esta práctica?  

RECOMENDACIONES

Lea la ficha de seguridad de las sustancias químicas utilizadas en la práctica y siga los consejos de seguridad para su manejo.

Comportamiento de sistemas gaseosos

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LABORATORIO DE QUÍMICA GENERAL

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1. INFORMACIÓN DE AUTORES: Nombre de los estudiantes, carrera, facultad e institución. 

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