Experimentando Con Gases

 

Experimentando con gases

 

RESUMEN El tema principal del laboratorio fueron las leyes de los gases ideales y su principal objetivo fue determinar el cambio de la presión, temperatura o volumen cuando se altera uno o más de estas variables. El experimento se realizó estimando a través de cálculos, según la ley de Boyle, Charles y Gay-Lussac, la variación de las magnitudes; luego se usó un simulador para corroborar los resultados y se observó detalladamente cada cambio que se producía. Los resultados generales fueron la determinación de las variables constantes (temperatura para la ley de Boyle, presión para Gay-Lussac y volumen para Charles), la alteración y el valor de las medidas, evaluando su tendencia y relación. Estos datos fueron conseguidos gracias a la precisión en las cuentas por las fórmulas y el buen uso del simulador, sin caer en un error de redondeo o mala transformación de unidades. En esta sesión aprendimos procedimientos de análisis de datos experimentales y el uso adecuado de un simulador para alcanzar datos exactos; aplicamos conceptos y condiciones para las leyes de los gases ideales, así como los principios de la ley generalizada.

INTRODUCCIÓN Todo en el universo está formado por materia, la cual se puede encontrar en 3 estados de agregación o estados físicos: sólido, líquido y gaseoso. Nosotros los seres humanos vivimos rodeados de una mezcla

gaseosa conocida como la atmósfera. Esta contiene un 21% de oxígeno (O2), ( O2), 78% de nitrógeno (N2) y el resto de gases por argón (Ar), dióxido de carbono (CO2) y vapor de agua (H2O) 1. El estado gaseoso es un estado disperso de la materia, es decir, que las moléculas del gas están separadas unas de otras por distancias mucho más grandes que el diámetro real de las moléculas. Para comprender los diferentes estados en los que la materia existe, es necesario entender algo llamado Teoría Molecular cinética de la Materia. La Teoría Molecular cinética tiene muchas partes, pero aquí introduciremos sólo algunas. Uno de los conceptos básicos de la teoría argumenta que los átomos y moléculas poseen una energía de movimiento, que percibimos como temperatura. En otras palabras, los átomos y moléculas están en movimiento constante y medimos la energía de estos movimientos como la temperatura de una sustancia. Mientras más energía hay en una sustancia, mayor movimiento molecular y mayor la temperatura percibida. Consecuentemente, un punto importante im portante es que la cantidad de energía que tienen los átomos y las moléculas y, por consiguiente, la cantidad de movimiento, influye en su interacción. Es, así pues, que los diferentes estados de la materia son producidos gracias a que los átomos que tienen poca energía interactúan mucho y tienden a "encerrarse" y no interactuar con otros átomos. Por tanto, colectivamente, estos átomos forman una sustancia dura, lo que llamamos un sólido. Los átomos que poseen mucha energía se mueven libremente, volando en un espacio y forman lo que llamamos gas. Los gases se forman cuando la energía de un sistema excede todas las fuerzas de atracción entre moléculas. Así, las moléculas de gas interactúan poco, ocasionalmente chocándose. En el estado gaseoso, las moléculas se mueven rápidamente y son libres de circular en cualquier dirección, extendiéndose en largas distancias. A medida que la temperatura aumenta, la cantidad de movimiento de las moléculas individuales aumenta. Los gases se expanden para llenar sus contenedores y tienen una densidad baja. Debido a que las moléculas individuales están ampliamente separadas y pueden circular libremente en el estado gaseoso, los gases pueden ser fácilmente comprimidos y pueden tener una forma indefinida. El comportamiento de todos los gases se ajusta a tres leyes, las cuales relacionan el volumen de un gas con su temperatura y presión. Los gases g ases que obedecen estas leyes son llamados gases ideales ideal es o perfectos, estos son gases teóricos compuestos de partículas que se mueven al azar y que no interactúan entre ellas. Los L os

gases en general se comportan de manera ideal cuando se encuentran a altas temperaturas y bajas 2

presiones . Esto es debido a la disminución de las fuerzas intermoleculares. Sin embargo, dichas leyes sólo

se cumplen bajo condiciones estándar que es cuando una sustancia se encuentra a 1 atm de presión y 273 K de temperatura (es decir, 0ºC) tiene un volumen de 22,4 L por mol de sustancia.

 

Dados los postulados anteriores, tenemos que el volumen ocupado por el gas (V) depende de la presión (P), la temperatura (T) y de la cantidad o número de moles (n); mencionado esto, la ley general de los gases es una ley que combina la ley de Boyle-Mariotte, la ley de Charles y la ley de Gay-Lussac 3. La primera relaciona el volumen y la presión de una cierta cantidad de gas mantenida a temperatura constante; la segunda, el volumen y la temperatura de una cierta cantidad de gas ideal, mantenida a una presión constante, mediante una constante de proporcionalidad directa; y la tercera, la variación de la presión con la temperatura cuando se mantienen constantes el volumen y la cantidad de sustancia. Todo esto se puede evidenciar de manera experimental en el laboratorio, razón por la cual se realizaron ciertas experiencias a modo de demostración y comprobación. En esta sesión de laboratorio exploraremos el comportamiento de los gases en función del movimiento y las colisiones de sus partículas, relacionaremos las variables que rigen el comportamiento de los gases aplicando las leyes de Boyle, Charles y Gay-Lussac, y demostraremos aquellas leyes de los gases realizando la recolección y el tratamiento de datos pertinentes y elaborando e interpretando gráficos. Para todo la anteriormente mencionados aplicaremos ciertas fórmulas para los cálculos de la experiencia: Ley de Boyle

Ley de Charles

Ley de Gay-Lussac

OBJETIVOS Los principales objetivos de este laboratorio fueron: 1.  Describir la teoría cinética molecular. 2.  Describir las unidades de medida de las magnitudes. 3.  Usar la relación presión-volumen para determinar la presión o volumen de cierta cantidad de gas a temperatura constante. 4.  Usar la relación temperatura-volumen para determinar la temperatura o volumen de cierta cantidad de gas a presión constante. 5.  Usar la relación presión-temperatura para determinar la presión o volumen de cierta cantidad de gas a volumen constante. 6.  Comprobar experimentalmente la ley de Boyle, Charles y Gay-Lussac. 7.  Aprender a usar un simulador.

 

MÉTODO Procedimiento experimental 1.  1.  Ley de Boyle https://teachchemistry.org/classroom-resources/the-gas-laws-simulation  y Se visitó el enlace  enlace  https://teachchemistry.org/classroom-resources/the-gas-laws-simulation 1.1.  Se 1.1. se aseguró de seleccionar la opción de Ley de Boyle( “Boyles’s Law), la cual se vio de color blanco:

1.2.  Se 1.2. Se realizó la primera prueba. Teniendo en la primera columna, las condiciones iniciales, se hizo click en el botón “calculate”  (puesto junto a P2 y V2). 1.3.  Se 1.3. Se registraron los datos obtenidos y las observaciones sobre el comportamiento de las partículas en un cuaderno. 1.4.  Se 1.4. Se presionó el botón reset en la parte superior derecha de la pantalla. 1.5.  Se 1.5. Se usaron las flechas de control del volumen que se encontraban en la parte superior, se redujo volumen del gas hasta V2 = 1,70 L. 1.6.  Se 1.6. Se hizo click en el botón “calculate” y se obtuvo el valor de la nueva presión (P2). 1.7.  Se 1.7. Se registraron los datos obtenidos y las observaciones sobre el comportamiento de las partículas en un cuaderno.

  Se presionó botón de reset en la de parte superiorque derecha de la pantalla. 1.8. S e usaron laselflechas control la presión se encontraban en la parte superior, se 1.9.  Se 1.9. redujo la presión del gas (P2) hasta el valor de 0,700 atm. 1.10.   Se hizo click en el botón “calculate” y se obtuvo el valor del volumen (V2) 1.10.

 

1.11.   Se registraron los datos obtenidos y las observaciones sobre el comportamiento de las 1.11. partículas en un cuaderno.

1.12.   Se presionó el botón reset en la parte superior derecha de la pantalla. 1.12. 1.13.   Se usaron las flechas de control de la presión que se encontraban en la parte superior, se 1.13. aumentó el valor de la presión (P2) hasta 1,50 atm.

1.14.  Se hizo click en calculate para obtener el valor de V2. 1.15.   Se registraron los datos obtenidos y las observaciones sobre el comportamiento de las 1.15. partículas en un cuaderno.

1.16.   Se hizo click en el botón Add Data que se encontraba en la parte superior derecha. 1.16. 1.17.   Se usaron las flechas de control de la presión que se encontraban en la parte superior, se 1.17. aumentó la presión (P3) hasta 2,00 atm.

1.18.   Se hizo click en calculate para obtener el valor de V3. 1.18. 1.19.   Se repitió el paso anterior para los valores de presión de P4 = 2,50 atm y P5 = 2,90 atm. 1.19. 1.20.   Se registraron los datos obtenidos. 1.20.

2.  2.  Ley de Charles 2.1.  Se 2.1. Se cambió la simulación a “Charles’ Law” (Ley de Charles) haciendo click en la opción respectiva en la parte superior de la pantalla la cual se mostraba de color blanco:

Se usaron los controles de temperatura y se aumentó la temperatura del gas (T2) hasta el 2.2.  Se 2.2. valor 443 K.

 

2.3.  Se 2.3. Se hizo click en calculate para obtener o btener el valor de V2. 2.4.  Se 2.4. Se registraron los datos obtenidos y las observaciones sobre el comportamiento de las partículas en un cuaderno.

2.5.  SSee presionó el botón reset en la parte superior derecha de la pantalla. 2.5. 2.6.  Se 2.6. Se usaron las flechas de control del volumen que se encontraban en la parte superior, se redujo el volumen del gas (V2) hasta 1,80 L

2.7.  Se 2.7. Se hizo click en calculate para obtener o btener el valor de T2. 2.8.  Se 2.8. Se registraron los datos obtenidos y las observaciones sobre el comportamiento de las partículas en un cuaderno.

2.9.  SSee presionó el botón reset en la parte superior derecha de la pantalla. 2.9. 2.10.   Se usaron las flechas de control de la temperatura, se aumentó al valor que se haya 2.10. deseado.

2.11.   Se presionó Add Data. Con ello se fijaron valores para T2 y V2. 2.11. 2.12.   Se aumentó la temperatura tres veces más; y se seleccionó Add Data para cada punto: T 3, 2.12. T4, y T5.

3.  3.  Ley de Gay-Lussac 3.1.  Se 3.1. Se cambió la simulación a “Gay-Lussac’s  Law” (Ley de Gay-Lussac), se hizo click en la opción respectiva en la parte superior de la pantalla la cual se mostrará de color blanco:

 

 

3.2.  Se 3.2. Se usaron las flechas de control de la presión, se aumentó el valor de la presión hasta 1,50 atm. 3.3.  Se 3.3. Se hizo click en calculate para obtener o btener el valor correspondiente de T2. 3.4.  Se 3.4. Se registraron los datos obtenidos y las observaciones sobre el comportamiento de las partículas en un cuaderno. 3.5.  Se 3.5. Se presionó el botón Add Data.

3.6. Se usaron las flechas de control de la presión, se aumentó la presión hasta 2,00 atm y se

anotó el valor correspondiente T3. 3.7.  SSee repitió el paso anterior para valores de presión de P4= 2,50 atm y de P5= 2,90 atm y 3.7. registraron los datos. 3.8.  SSee presionó el botón reset en la parte superior derecha de la pantalla. 3.8. 3.9.  Se 3.9. Se usaron las flechas de control de la temperatura, se disminuyó la temperatura del gas a 158 K y se anotó el valor correspondiente de P2. 3.10.   Se registraron los datos obtenidos y las observaciones sobre el comportamiento de las 3.10. partículas en un cuaderno.

Paralelamente, se agregará el procedimiento para el cuestionario final: 1.  1.  Calcular la temperatura en °C 1.1.  Agrupamos 1.1. Agrupamos los datos de los problemas en variables V1,V2, T1 y T2. Esta última, mostraba la incógnita del problema. 1.2.  Para 1.2. Para este problema se aplicó la Ley de Charles, y se reemplazó los datos en la ecuación. 1.3.  Se 1.3. Se resolvió y finalmente, se transformó la unidad de K a °C.

2.  2.  Calcular la presión 2.1.  Agrupamos 2.1. Agrupamos los datos de los problemas en variables T1,T2, P1 y P2. Esta última, mostraba la incógnita del problema. 2.2.  Para 2.2. Para este problema se aplicó la Ley de Gay-Lussac, y se reemplazó los datos en la ecuación. 2.3.  Finalmente 2.3. Finalmente se resolvió y se halló el valor de la incógnita.

3.  3.  Calcular el volumen 3.1. Agrupamos Agrupamos los datos de los problemas en variables P1,P2, V1 y V2. Esta última, mostraba la incógnita del problema. 3.2.  Para 3.2. Para este problema se aplicó la Ley de Boyle, y se reemplazó los datos en la ecuación. 3.3.  Finalmente 3.3. Finalmente se resolvió y se halló el valor de la incógnita.

 

RESULTADOS Los resultados de los experimentos de esta sesión de laboratorio nos muestran las relaciones que hay entre dos gases. Por ejemplo, en la Ley de Boyle, la relación inversa entre el volumen y la presión siempre y cuando la temperatura se mantenga constante, esta relación se expresa con la siguiente ecuación P.V =cte. De manera similar la ley de Charles se dedujo que, a presión constante, existe una relación directa entre el volumen y la temperatura(T/V=cte.). Análogamente con la ley de Gay-Lussac se denoto una relación directa entre la temperatura y la presión (T/P= cte.) solo cuando el volumen es constante. A continuación, se pasará a detallar los resultados de todos los problemas a través de tablas y gráficos. Asimismo, A simismo, mostramos los resultados del cuestionario final, que viene siendo la parte calculadora.

Resultados de la parte de Ley de Boyle La temperatura es constante P1=1,00 atm 

P2=1,50 atm 

P3=2,00 atm

P4=2,50 atm

P5=2,90 atm

V1=3,00 L 

V2=2,00 L

V3=1,50 L

V4=1,20 L

V5=1,03 L

Esta grafica muestra la relación inversa entre la presión y el volumen Se puede efectuar la linealización de la gráfica realizando la siguiente operación 1/V para cada valor del volumen, el resultado sería el siguiente

 

Con esta linealizacion de la curva se reafirma que la relacion era inversa, i nversa, ademas esta grafica modificada puede proporcionar datos importantes, por ejemplo, se puede denotar que la pendiente de la misma representa al valor de la temperatura, la cual fue constante, o el coeficiente de correlacion nos indica que la relacion entre variables es muy fuerte.

Ley de Charles TEMPERATURA (K) 298 348 373 393 413

VOLUMEN (L) 3 3.5 3.76 3.96 4.16

A partir de la tabla anterior es posible construir la siguiente grafica.

Como se puede ver, la relación entre las variables en cuestión es directamente proporcional. Análogo al primer caso, la pendiente de la recta denota la presión constante sujeta a la experimentación.

Ley de Gay-Lussac P1=1,00 atm 

P2=1,50 atm 

P3=2,00 atm

P4=2,50 atm

P5=2,90 atm

V1=3,00 L 

V2=2,00 L

V3=1,50 L

V4=1,20 L

V5=1,03 L

A partir de los datos expuestos anteriormente, se puede representar la relación de los mismos por medio del siguiente gráfico.

 

 

Se muestra el grafico Presión vs Temperatura, donde se evidencia la relación directa entre estas variables. Nuevamente la pendiente tiene significado y en este caso hace alusión al volumen constante.

Resultados del cuestionario final Pregunta 1

Pregunta 2

Pregunta 3

T = 155,98C°

P = 1,78atm

V=2,7 L

Los resultados fueron hallados usando la ley Charles, Gay-Lussac y Boyle B oyle respectivamente.

DISCUSIÓN Al final del experimento se puede interpretar de los resultados que todos los cálculos que se sacaron en las tres partes e incluso en el cuestionario final daban la razón a las l as leyes de los gases ya sea la Ley de Boyle P i.p. V (T=cte.), Ley de Charles V d.p. T (P=cte.) o Ley de Gay-Lussac P d.p. T (V=cte.) en todos los casos, lo cual era lo que se esperaba desde un principio. En el primer experimento, según la variación de los datos mediante cálculos, confirmamos la ley de Boyle, en donde se establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante; puesto que, al aumentar el volumen, las partículas (átomos o moléculas) del gas tardan más en llegar a las paredes del recipiente y por lo tanto chocan menos veces por unidad de tiempo contra ellas. Esto significa que la presión será menor ya que ésta representa la frecuencia de choques del gas contra las paredes. Cuando disminuye el volumen la distancia que tienen que recorrer las partículas es menor y por tanto se producen más choques en cada unidad de tiempo: aumenta la presión. Lo que Boyle descubrió es que, si la cantidad de gas y la temperatura permanecen constantes, el producto de la presión por el volumen siempre tiene el mismo valor. En el segundo experimento, según la variación de los datos mediante cálculos, confirmamos la ley de Charles, en donde se establece la relación entre el volumen y la temperatura de una muestra de gas a presión constante y observó que cuando se aumentaba la temperatura el volumen del gas también aumentaba y que al enfriar el volumen disminuía; puesto que cuando aumentamos la temperatura del gas las moléculas se mueven con más rapidez y tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente. Esto quiere decir que el número de choques por unidad de tiempo será mayor. Es decir, se producirá un aumento (por un instante) de la presión en el interior del recipiente y aumentará el volumen (el émbolo se desplazará hacia arriba hasta que la presión se iguale con la exterior). Lo que Charles descubrió es que, si la cantidad de gas y la presión permanecen constantes, el cociente entre el volumen y la temperatura siempre tiene el mismo valor.

 

El tercer experimento, según la variación de los datos mediante cálculos, confirmamos la ley de GayLussac, en donde se establece la relación entre la temperatura y la presión de un gas cuando el volumen es constante; puesto que Al aumentar la temperatura las moléculas del gas se mueven más rápidamente y por tanto aumenta el número de choques contra las paredes, es decir aumenta la presión ya que el recipiente es de paredes fijas y su volumen no puede cambiar. Gay-Lussac descubrió que, en cualquier momento de este proceso, el cociente entre la presión y la temperatura siempre tenía el mismo valor. La única discusión sería en si es más útil usar las fórmulas de las leyes de los gases o usar la fórmula de la ley de los cambios triples que sería una especie de fórmula que agrupa a las otras tres y que resultaría más fácil de aprender, dado que solo se aprendería una fórmula y no tres, como es en el caso de las leyes de los gases. Empero ese tema más se iría por los gustos y preferencias que se puedan presentar. Además se podrían presentar dentro de los posibles errores a incurrir en el desarrollo de los experimentos el no considerar ni saber transforman la unidad de las sustancias ya sea K, atm, L.Ya que, si bien es cierto, se usa mucho la página que nos dieron para desarrollar los problemas de esta sesión hay una parte que nos pide usar cálculos y si la persona que valla a realizar el experimento está más familiarizada con otras unidades (Cª,mmHg, m3 ) los cálculos que valla a sacar no se serían rían correctos. Otro posible error en el que se puede incurrir es en el error de redondeo porque, si bien en las preguntas de las leyes se tiene el simulador que lo resuelve automáticamente, en la parte de cuestionario final nos piden calcular sin ayuda del simulador. En adición, como datos nos brindan números con decimales que al operarlos entre ellos se puede dar el caso como ya se menciona de un error al redondear estas cifras. Unas sugerencias que proponemos son, por ejemplo, implementar a esta experiencia, propuestas experimentales que incluyan una demostración de cada ley de los gases para tener un entendimiento más completo de estas. Asimismo, recomendamos la aplicación de la ley generalizada de los gases para corroborar los cálculos en cada una de las experiencias. Otra sugerencia que presentamos, es el empleo de distintas variables, a fin de poder observar en los gráficos de tendencia, resultados más completos y entendibles a simple vista; además para familiarizarse más con el procedimiento.

CONCLUSIONES Estos experimentos nos trajeron un nivel de logro que se puede decir que es gratificante en todos los aspectos que conciernen al experimento de esta sesión y como ya se explicaba más a detalle en la parte de discusión la posible fuente de error es el no usar las unidades que requieren la presión, temperatura, volumen adecuadas y sobre el posible error de redondeo en el cuestionario final debido a que nos dan datos con cifra decimal. Las dificultades en el desarrollo de esta sesión han sido el nivel de razonamiento que usamos para determinar las preguntas con un planteamiento que solicitaba de meditación, pero se consiguió con un detallado y tranquilo uso del análisis en grupo. En los problemas de esta sesión se ha podido ver el uso de las leyes de los gases y no solo del ámbito matemático con cálculos, sino también desde un campo de más razonamiento debido a las preguntas que te pedían, como que se indicara qué es lo que podía pasar o porqué pasaba un determinado caso, lo cual nos ha podido dar un buen punto de vista sobre las leyes de los gases. Ya para finalizar esta conclusión, cabe resaltar que estos experimentos nos han sido de mucha ayuda para comprender las leyes de los gases así como para comprender las fórmulas asociadas a estas que, como son vistas por primera vez, nos resultaron muy razonables y fáciles de comprender; también hay que enfatizar en el hecho que estos experimentos nos ayudan a recordar algunos principios del curso de fundamentos de cálculo debido a que nos pedían que graficáramos en un plano cartesiano los resultados de los problemas que nos pedían. Tenemos que admitir que fue sumamente gratificante el poder tener estos conocimientos sobre los gases que no solo se usan en los problemas sino también los vemos en nuestro entorno en la vida real cuando observamos una tetera hirviendo o cosas similares.

 

REFERENCIAS 1.  Timberlake, K. (2003). An introduction to General Organic Organic and Biological Chemistry. Benjamin Cummings (Eds.). Capítulo 13. (pp. 219). San Francisco. 2.  Ferreiro, D. (2019, 18 de noviembre). Leyes de los gases. Recuperado el 23 de mayo del 2020, de:  https://www.todamateria.com/leyes-de-los-gases/  de: https://www.todamateria.com/leyes-de-los-gases/  3.  Raff, L. (2020, 15 de mayo). Ley general de los gases. Recuperado el 23 de mayo del 2020, de: https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_general_de_los_gases https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_general_de_los_gases   Canales, A. (2017, 5 de agosto). Leyes de los Gases. Recuperado el 23 de mayo del 2020, de: http://www.educaplus.org/gases/index.html