Informe Lab 4

UNIVERSIDAD DE CHILE VICERRECTORÍA DE ASUNTOS ACADÉMICOS PROGRAMA ACADÉMICO DE BACHILLERATO

INFORME DE LABORATORIO: COMPORTAMIENTO DE LOS GASES

Maximiliano Seguel C. Sección G-2 7 de mayo 2012

INTRODUCCIÓN El estudio de los gases se hace indispensable a la hora de evaluar químicamente la materia, donde a diferencia de los otros estados de la materia, en los gases es mucho más factible y cómodo experimentar y estudiar el comportamiento de un gas sometido a diferentes variables. Es por esto, que a lo largo de la historia diversos científicos han pasado a ser parte fundamental en el estudio de los gases, gracias a sus aportes en la química, estableciendo leyes generales para tipos de gases ideales. Es así como el irlandés Robert Boyle (1627 -1691), el francés Jacques Alexandre César Charles (1746 - 1823) y el italiano Amedeo Avogadro (1776 - 1856) destacaron con sus descubrimientos y establecieron las leyes que hasta el día de hoy se estudian y aplican. A través del presente informe detallaremos los pasos que se aplicaron para entender las relaciones entre las variables de los gases, establecidas en las leyes de Boyle y Charles. Así mismo discutiremos los resultados arrojados por los experimentos concluyendo con la afirmación de los resultados previstos por las leyes anteriormente mencionadas.

OBJETIVOS - Determinar experimentalmente las relaciones que existen entre las variables que posee un gas. - Comprender empíricamente los efectos de las variables producidas por otras, ratificando las leyes establecidas para dichas variables (Leyes de Boyle, Charles y Avogadro).

MATERIALES 

Pinzas



Soporte universal



Jeringa 50 mL



Pesas de 2 Kg, 3 Kg y 5 Kg



Tubo capilar diámetro 2 mm con aire confinado mediante gota de Hg



Vaso de precipitado 1L



Trípode



Termómetro



Regla



Mechero



Balón 250 mL

METODOLOGÍA Experimento 1 : Variación del volumen de una masa fija de gas con la presión, manteniendo constante la temperatura. Fijar firmemente con una pinza a un soporte universal una jeringa de 50 mL que contiene aire y que está sellada en la punta. Colocar una pesa sobre el émbolo de la  jeringa a fin de ejercer una cierta presión sobre el aire encerrado en la jeringa y medir el volumen alcanzado. Repetir esta operación con todas las demás pesas en orden creciente.

Experimento 2 : Variación del volumen de una masa fija de gas con la temperatura, manteniendo la presión constante.

Introducir el tubo en un vaso de precipitado de un litro, montado sobre un trípode. Fijar el tubo a un soporte universal de modo que quede en forma vertical y a unos 2 centímetros del fondo del vaso. Llenar el vaso con agua potable. Calentar suavemente con un mechero, eleve la temperatura de 10 en 10°C.

Experimento 3 : Determinación de la masa molar de un líquido volátil. Masar con una incerteza de + 0,1 g un balón de 250 mL, provisto de un tapón con un capilar. Introducir en el balón aproximadamente 5 mL del líquido volátil. Introducir el balón en un vaso de precipitado de 1 L con agua hirviendo, hasta que no se observe presencia de líquido en el fondo del balón. Inmediatamente tapar el capilar con el dedo, sacar el balón del baño y enfríelo bajo el agua de la llave. Secar prolijamente el balón y masar nuevamente. Medir el volumen total del balón.

RESULTADOS Y OBSERVACIONES Experimento 1 : 

Al colocar la primera pesa correspondiente a 2 Kg sobre el émbolo de la jeringa, se observa que el volumen de aire que está adentro alcanza un registro de 47 mL. Así mismo, los 2 Kg se transforman en fuerza (peso), producto de la gravedad, por lo cual, el producto entre la masa y la aceleración de gravedad nos genera la fuerza de la pesa. masa [Kg] x aceleración [m/s 2] = fuerza [N] 2 Kg x 9,81 m/s 2 = 19,62 N

(1)

Por lo tanto, la pesa de 2 Kg genera un peso equivalente a una fuerza de 19,62 N

Así mismo, debemos transformar el peso en presión que se ejerce sobre el émbolo de la jeringa. Para esto debemos considerar que la superficie del embolo es el área donde la pesa ejerce la fuerza (peso). El diámetro del émbolo de la jeringa posee un diámetro aproximado de 3,0 cm. Con esto podemos calcular el área del émbolo de la jeringa. Radio émbolo  1,5 cm



1,5 x 10 -2 m

Área émbolo = (1,5 x 10-2 m)2 x π = 7,069 x 10-4 m2

(2)

Sabido la fuerza de la pesa (1) y el área del émbolo (2) podemos calcular la presión ejercida por la pesa de 2 Kg. Presión [Pa] = Fuerza [N] / Área [m2] Presión = (19,62 N) / (7,069 x 10 -4 m2) = 27.754,9 Pa

Por lo tanto, la 1° pesa generó una presión adicional en la jeringa igual a 2,775 x 104 Pa, lo que produjo un volumen de aire en la jeringa de 47 mL.



Al colocar la segunda pesa correspondiente a 3 Kg sobre el émbolo de la jeringa, se produjo un volumen de aire de 41 mL. Luego, seguimos con el mismo procedimiento que se aplicó anteriormente, transformando la masa de la pesa en fuerza y posteriormente en presión. masa [Kg] x aceleración [m/s 2] = fuerza [N] 3 Kg x 9,81 m/s 2 = 29,43 N

(3)

Obtenido el peso (3) y sabido el área del émbolo (2), calculamos la presión. Presión [Pa] = Fuerza [N] / Área [m2] Presión = (29,43 N) / (7,069 x 10 -4 m2) = 41.632,5 Pa

Por lo tanto, la 2° pesa generó una presión adicional en la jeringa igual a 4,163 x 104 Pa, lo que produjo un volumen de aire en la jeringa igual a 41 mL.



Al colocar la tercera pesa correspondiente a 5 Kg sobre el émbolo de la jeringa, se produjo un volumen de aire de 32 mL. Luego, seguimos con el mismo procedimiento que se aplicó anteriormente, transformando la masa de la pesa en fuerza y posteriormente en presión. masa [Kg] x aceleración [m/s 2] = fuerza [N] 5 Kg x 9,81 m/s 2 = 49,05 N

(4)

Obtenido el peso (4) y sabido el área del émbolo (2), calculamos la presión. Presión [Pa] = Fuerza [N] / Área [m2] Presión = (49,05 N) / (7,069 x 10 -4 m2) = 69.387,5 Pa

Por lo tanto, la 3° pesa generó una presión adicional en la jeringa igual a 6,939 x 104 Pa, lo que produjo un volumen de aire en la jeringa igual a 32 mL.

Finalmente, con los datos obtenidos podemos graficar los valores y establecer una relación.

Relación volumen vs presión

Mediante el gráfico podemos decir que el volumen se comporta inversamente proporcional a la presión, a temperatura constante, es decir, a mayor presión menor será el volumen del gas. Esto es equivalente a decir V α 1/P , lo cual corresponde a la Ley de Boyle.

Experimento 2: Al introducir el tubo en el vaso de precipitado con agua y este calentando se registraron las siguientes variaciones de altura de la gota de mercurio.

16°C



5,20 cm

26°C



5,45 cm

36°C



5,60 cm

46°C



5,80 cm

56°C



6,05 cm

Las variaciones de altura de la gota de mercurio los debemos transformar en volumen de aire confinado en el tubo. Para esto consideramos que el diámetro del tubo capilar es de 2 mm. Radio cilindro = 0,1 cm Volumen cilindro = (radio) 2 x π x h Por lo que las variaciones temperatura  – volumen son las siguientes:

16°C



0,1634 cm3

26°C



0,1712 cm3

36°C



0,1759 cm3

46°C



0,1822 cm3

56°C



0,1900 cm3

Finalmente, con los datos obtenidos podemos graficar los valores y establecer una relación.

Relación volumen vs temperatura

Mediante el gráfico notamos que existe una relación directamente proporcional entre volumen y temperatura, donde, a presión constante, a mayor temperatura mayor volumen se genera. Esto es equivalente a decir V α T , lo cual corresponde a la Ley de Charles. Así mismo, extrapolando los datos del gráfico podemos determinar a qué temperatura el volumen de aire será igual a 0. Suponemos que nuestra línea del grafico es una recta y calculamos su ecuación. Promedio de pendientes: 7,5 x 10 -4 Ecuación de la recta aproximada: Y = 0,146 + (7,5 x 10 -4) X

Evaluamos para que nuestro volumen (y) sea igual a cero. X = (- 0,148) / (7,5 x 10 -4) X = - 197,3 °C

Es decir, a -197,3°C el volumen de aire será igual a cero.

Experimento 3: Al masar inicialmente el balón de 250 mL se registra un valor de 126,58 g, con un margen de error de + 0,1g. Al introducir el balón con 5 mL del líquido volátil en el vaso de precipitado con agua y este calentado mediante un mechero, se observa que el líquido empieza a evaporarse. Luego de unos minutos, el líquido ya no se logra observar, registrándose mediante el termómetro el agua a una temperatura de 97°C. Enfriado y secado el balón lo masamos registrando 128,80 g, con un margen de error de + 0,1 g. Finalmente medimos el volumen total del balón registrando 300 mL, se llegó a aquel valor llenando completamente el balón con agua y midiendo su contenido en una probeta. Nuestra presión a trabajar será la de 1 atmósfera La temperatura a trabajar corresponderá a la ambiente, estimada en 20°C Ahora, conocidas y justificadas todos las variables podemos calcular la masa molar del líquido evaporado. La operación que debemos usar es la Ley de los Gases Ideales, la cual es una relación entre las leyes de Charles, Boyle y Avogadro.

Ley de Gases Ideales

Masa del líquido evaporado Presión estimada



Volumen del balón



2,22 g + 0,2

1 atmósfera



300 mL



0,3 L

R (constante universal de los gases ideales) Temperatura estimada Mol





20°C





0,082

293K

masa / masa molar

Aplicamos la fórmula de los gases ideales para determinar la masa molar del líquido evaporado.

Masa Molar =

Masa Molar

=

177,8 g/mol

Por consiguiente, con la masa molar del líquido podemos obtener la cantidad de materia con la que se trabajó, la cual queda expresada por: Mol = masa / masa molar (2,22 g) / (177,8 g/mol) = 0,0125 mol

Así hemos demostrado que mediante las variables de presión, temperatura y volumen podemos llegar a los moles de la sustancia, quedando demostrada la Ley de Avogadro, la cual platea que a presión y temperatura constante, el volumen es directamente proporcional a la cantidad de gas.

CONCLUSIONES Finalmente hemos logrado nuestros objetivos del presente laboratorio. Hemos determinado experimentalmente las relaciones que existen entre las variables que posee un gas, ratificando que el Volumen es directamente proporcional al inverso de la presión (establecido en la Ley de Boyle), que el volumen es directamente proporcional a la temperatura (establecido en la Ley de Charles) y además que el volumen también es directamente proporcional a la cantidad de materia (establecido en la Ley de Avogadro). Todas estas leyes, que han sido grandes aportes en la Química Moderna, siempre las hemos estudiado y aplicado, pero a través de este experimento hemos podido comprender de forma empírica dichas relaciones proporcionales que nos ayudan a un mejor estudio sobre el comportamiento de los gases.