Practica 3 Determinacion Del Peso Molecular

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica- Zacatenco

Departamento de Ingeniería en Control y Automatización

Laboratorio de Química Aplicada Practica No. 3 DETERMINACIÓN DEL PESO MOLECULAR.

Equipo No. 7 Integrantes del equipo:

Grupo 2AM3

Martínez García Abner José ← Ortiz Mena Daniel Ortiz Ortiz Daniel Reyna Hernández Raúl 21/Marzo/2014

Profesor: Gonzales García Fernando

OBJETIVO: Determinar el peso molecular de un gas con datos experimentales a partir de la Ecuación General del Estado Gaseoso y la de Berthelot.

PESOS MOLECULARES DE LOS GASES Estos valores son esenciales para todo tipo de cálculos. Debe tenerse bien claro que, el análisis químico sólo resulta insuficiente para determinar el peso molecular de una sustancia, ya que señala simplemente a los elementos que forman parte de la composición de una molécula así como su proporción, pero no nos dice cuántos átomos de cada sustancia la constituyen. En físico-química la unidad de masa empleada usualmente es el gramo, siendo un mol gramo el peso de una sustancia en gramos correspondiente al peso molecular. La determinación de los pesos moleculares aproximados que junto con el análisis químico, son generalmente suficientes para poder establecer el peso molecular de la sustancia. Para este propósito empleamos la ley de los gases ideales. Si designamos por W al peso del gas bajo tal condición, entonces como Y

O (1) Así, para obtener el peso molecular de un gas necesitamos la temperatura y presión a la cual un peso de gas W ocupa el volumen V; reemplazar después estas cantidades en la ecuación (1) y se despeja M. Si se desea expresar la ecuación en función de la densidad del gas ρ, como ρ = W/V resulta (2) La mayoría de los métodos de determinación de los pesos moleculares están basados en estas ecuaciones.

METODO DE REGNAULT PARA LA DETERMINACION DE LOS PESOS MOLECULARES Este método se usa para determinar los pesos moleculares de las sustancias gaseosas a la temperatura ambiente, y se realiza así: Un matraz de vidrio de unos 300 a 500 c.c. de capacidad, provisto de llave, se evacúa y pesa, llenándolo a continuación con el gas cuyo peso molecular se busca a una temperatura y presión, procediendo a pesarlo de nuevo. La diferencia de pesos representa el del gas W en el matraz cuyo volumen se determina llenándolo y pesándolo con agua o mercurio, cuyas densidades se conocen. Con los datos así obtenidos, se deduce el peso molecular buscado mediante la ecuación (1). En un trabajo

preciso se usa un bulbo más grande para llenarlo y otro de contrapeso, y se corrigen las mediciones reduciéndolas al vacío.

METODO DE DUMAS DENSIDADES DE VAPOR

PARA

LA

DETERMINACION

DE

LAS

Es el método usual de determinación del peso molecular en fase de vapor de los líquidos muy volátiles. Se toma un bulbo de forma de retorta provisto de una pequeña abertura conectada a un tubo capilar y se pesa primero lleno de aire. Se coloca inicialmente dentro del bulbo bien frío, unos centímetros cúbicos del líquido y después se sumerge en un baño cuya temperatura es superior al punto de ebullición de ese líquido. Se hierve hasta que los vapores formados expulsan el aire del matraz y la vaporización es completa; entonces se sella el bulbo, se enfría a la temperatura ambiente y se pesa. El volumen se determina por el método de Regnault. La presión del vapor durante el sellado es la atmosférica y la temperatura la del baño. El peso del vapor, después de las debidas correcciones se deduce mediante la ecuación (3) El valor de W Aire se obtiene multiplicando el volumen del frasco por la densidad del aire, y si conocemos P, V, T y W Vapor, el peso molecular del líquido en la fase de vapor se calcula como antes.

METODO DE VICTOR MEYER PARA LAS DENSIDADES DE VAPOR Sirve para igual fin que el de Dumas, pero es mucho más simple y flexible. La figura 1-8 muestra un esquema del aparato, que consta de un tubo interior B, de unos 50 cm de longitud rodeado de una camisa A, parcialmente llena con un líquido cuyo punto de ebullición es por lo menos 30 grados mayor que el de la sustancia en estudio. La función de la camisa externa es mantener la temperatura del tubo interior constante por ebullición del líquido en A. Además dentro de este último tubo, existe otro C, abierto en el fondo y por el cual pasa una varilla metálica o de vidrio sujeta con un tapón de hule en la parte superior como se observa, y provisto de un ángulo o anzuelo en el fondo. La salida de B comunica con una bureta de gas G, llena de agua, en cuyo caso es necesario hacer la corrección de presión correspondiente del vapor acuoso, o bien en lugar de agua se coloca mercurio que resulta preferible. L es un bulbo de nivel que permite el ajuste de presión del gas de la bureta en G, a la atmosférica.

El líquido cuyo peso molecular se determina va encerrado en una ampolla diminuta provista de un labio finamente alargado P, que se pesa en vacío primero. Después se extrae el líquido necesario para producir unos 40 o 60 cc de vapor y se sella el bulbo con cuidado con una llama, pesándose de nuevo. La diferencia de pesadas nos da el líquido a evaporar. La ampolla se cuelga en el anzuelo y el aparato queda dispuesto como lo muestra la figura. Para hacer una medición, se hierve el líquido en A, y se mantiene así durante la operación. Al alcanzar el equilibrio térmico, los niveles en G y L son iguales, y entonces se efectúa una lectura. A continuación se rompe la ampolla haciendo chocar su cuello contra la base de C, al mover, desde D, la varilla hacia arriba. Roto el bulbo, vaporiza el líquido y el volumen de aire se desplaza desde el fondo de B a la bureta de gas, en una proporción igual al de los vapores formados a la temperatura del tubo interior. En cuanto enfría a la temperatura ambiente se mide el volumen otra vez. Si los niveles en G y L son iguales, la presión del aire es la atmosférica exterior a la bureta, y la temperatura nos la proporciona el termómetro H. Determinado el peso W de líquido y su volumen como vapor a la temperatura ambiente T y presión P, la densidad del vapor y su peso molecular se calculan fácilmente.

DETERMINACION EXACTA DE LOS PESOS MOLECULARES Los pesos moleculares calculados mediante la ley de los gases ideales son aproximados incluso cuando los datos son precisos, y la razón es que aún a la presión atmosférica dicha ley no representa con exactitud la conducta de los vapores. Por ese motivo, si deseamos un valor exacto del peso molecular, debe efectuarse un tratamiento especial de la ley de los gases ideales o usar una ecuación de los gases más precisa. Cuando se conocen las constantes a y b el uso de la ecuación de van der Waals nos dará una concordancia mayor entre los valores calculados y los observados. Para nuestro propósito sin embargo, la ecuación de Berthelot es la más conveniente pero sólo puede usarse cuando la temperatura y presión crítica de la sustancia están disponibles. Como n = W/M, la ecuación de Berthelot* nos da para M.

Y teniendo en cuenta que ρ = W/V la ecuación se puede escribir de la siguiente manera

*La ecuación de Berthelot. La expresión de esta ecuación para presiones elevadas es difícil de manipular. A presiones bajas se reduce a:

Donde P, V, R, T y n tienen el mismo significado que en la ley de los gases PROCEDIMIENTO.

MATERIAL: 1 Matraz balón de fondo plano de 500 cc con tapón de hule bihoradado. 1 Tubo de vidrio de 20 a 35 cm de longitud, cerrado en un extremo. 1 Codo de vidrio de 90°. 2 Pipetas graduadas de 0 a 10 cc. 1 Mechero, anillo y tela c/asbesto. 1 Pinza doble para bureta. 1 Termómetro. 1 Microbotella. 1 Balanza digital. Tubería de hule. Algodón.

REACTIVOS:  Cloroformo (CHCl3)  Tetracloruro de Carbono (CCl4)

1. Monte el aparato como se indica en la figura 1, introduzca un pedazo de algodón en el fondo del tubo A para evitar que se rompa al dejar caer la microbotella que contiene la muestra. 2.

Calentar a ebullición el agua contenida en el matraz (el nivel tocara ligeramente el tubo A) cuyo tapón deberá tener una salida para el vapor. Estando en ebullición, ponga el nivel del agua contenida en las pipetas de manera que el punto C indique cero. Esto se puede lograr subiendo o bajando una u otra pipeta.

3. Introduzca la microbotella abierta que contiene la muestra (de una a dos gotas, previamente pesadas) en el tubo A y conecte el codo B inmediatamente, presionando para evitar fugas. Procure hacer la operación lo más rápido posible.

4. Anote el máximo volumen desplazado en la pipeta C. Esto será cuando todo el líquido en la microbotella haya pasado al estado gaseoso.

5. Quite la manguera que une a B con C y tome la temperatura del espacio libre en la pipeta C.

CUESTIONARIO. 1. Anote sus resultados experimentales obtenidos: mCCl4 T VDESPLAZADO

0.030 g 25°C 2.6 cc

mCHCl3 T VDESPLAZADO

0.030 g 25.8°C 3.2 cc

2. Considerando comportamiento ideal, calcule el peso molecular de la sustancia problema:

Presión del vapor de agua a varias temperaturas Temp. °C

t

Pressure bar

P

Specific volume m3/kg Sat. Liqui d vf

Sat. Vapour vg

Specific Enthalpy kJ/kg Sat. Liqui d hf

Evap. hfg

Sat. Vapou r hg

Specific Entropy kJ/kg K Sat. Liquid sf

Evap. sfg

Sat. Vapou r sg

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29

.006567 .007056 .007577 .008131 .008721 .009349 .010016 .010724 .011477 .012276 .013123 .014022 .014974 .015983 .017051 .018181 .019376 .020640 .021975 .02339 .02487 .02645 .02810 .02985 .03169 .03363 .03567 .03782 .04008

.00100 .00100 .00100 .00100 .00100 .00100 .00100 .00100 .00100 .00100 .00100 .00100 .00100 .00100 .00100 .00100 .00100 .00100 .00100 .00100 .00100 .00100 .00100 .00100 .00100 .00100 .00100 .00100 .00100

192.577 179.889 168.132 157.232 147.120 137.734 129.017 120.917 113.386 106.379 99.857 93.784 88.124 82.848 77.926 73.333 69.044 65.038 61.293 57.791 54.514 51.447 48.574 45.883 43.360 40.994 38.774 36.690 34.733

4.16 8.37 1257 16.78 20.98 25.20 29.39 33.60 37.80 42 01 46.20 50.41 54.60 58.80 62.99 67.19 71.38 75.58 79.77 63.95 88.14 92.33 9652 100.70 104.89 109.07 113.25 117.43 121.61

2199.0 2496.7 2494.3 2491.9 2489.6 2487.2 2484.8 2482.5 2480.1 2477.7 2475.4 2473.0 2470.7 2468.3 2465.9 2463.6 2461.2 2458.8 2456.5 2454.1 2451.8 2449.4 2447.0 2444.7 2442.3 2439.9 2437.6 2435.2 2432.8

2503.2 2505.0 2506.9 2508.7 2510.6 2512.4 2514.2 2516.1 2517.9 2519.8 2521.0 2523.4 2525.3 2527.1 2628.9 2530.8 2532.0 2534.4 2530.2 2538.1 2539.9 2541.7 2543.5 2545.4 2547.2 2549.0 2550.8 2552.0 2454.5

.0152 .0305 .0457 .0010 .0761 .0912 .1062 .1212 .1362 1510 .1655 .1806 .1953 .2099 .2245 .2390 .2535 .2679 .2823 .2966 .3109 .3251 .3393 .3534 .3674 .3814 .3954 .4093 .4231

9.1147 0.0730 9.0316 8.9904 8.9496 8.9090 8.8688 8.8289 8.7892 8.7498 8.7107 8.6718 8.0332 8.5949 8.5569 8.5191 8.4816 8.4443 8.4073 8.3700 8.3341 8.2979 8.2618 8.2261 8.1905 8.1552 8.1202 8.0854 8.0508

9.1299 9.1035 9.0773 9.0514 9.0267 9.0003 8.9761 8.9501 8.9253 8.9008 8.8765 8.8524 6.8266 8.8048 8.7814 8.7662 8 7351 8.7123 8.6897 8.6672 8.6450 8.6229 8.6011 8.5794 8.5580 8.5367 8.5156 8.4946 8.4739

Tabla obtenida de: “Steam Tables” 2nd Edition, Autor: C. P. Kothandaraman, Editorial: New Age Internacional, Pagina: 2

1 bar = 750.062 mmHg Presión del vapor de agua a 25 °C =

23.7694

mmHg

Datos: m CCl4 = 0.030 g T = 25°C+273 = 298 K VDESPLAZADO = 2.6 cc P Vapor del agua a 25°C = 23.7694 mmHg

Fórmulas:

P = 585 mmHg – P Vapor del agua

R = 82.05 Despejes:

Sustitución:

P = 585 mmHg – 23.756 mmHg = 561.2305 mmHg P = 561.2305 mmHg

= 0.7384 atm

MCCl4 =

= 382.07

Presión del vapor de agua a 25 °C =

23.7694 mmHg

Presión del vapor de agua a 26 °C =

25.2245

mmHg Diferencia de presión del vapor de agua entre 25 y 26 °C = 1.4551 mmHg Presión del vapor de agua por cada 0.1 °C = 0.14551 mmHg Presión del vapor de agua a 0.8 °C = 1.16408 mmHg Presión del vapor de agua a 25.8 °C = 24.9334 mmHg

Datos: m CHCl3 = 0.030 g T = 25.8°C+273 = 298.8 K VDESPLAZADO = 3.2 cc P Vapor del agua a 25.8°C = 24.9334 mmHg

Fórmulas:

P = 585 mmHg – P Vapor del agua

R = 82.05 Despejes:

Sustitución:

P = 585 mmHg – 24.9334 mmHg = 560.0665 mmHg P = 560.0665 mmHg

MCHCl3 =

= 0.7369 atm

= 311.88

3. A partir de los pesos atómicos determine el peso molecular de la sustancia problema. M C = 12

M C = 12

M Cl = 35.45

M H= 1 M Cl = 35.45

M CCl4 =

(12+35.45*2) = 153.8

M CHCl3 =

(12 + 1 + 35.45 * 3) =119.35

4. Calcule el peso molecular con la ecuación de Berthelot. CCl4:

Tc = 532.6 °K

Pc = 39.48 atm

CHCl3:

Tc = 536.3 °K

Pc = 53.79 atm

Datos: mCCl4 = 0.030 g T = 25.8°C+273 = 298 K VDESPLAZADO = 2.6 cc

Fórmulas:

P Vapor del agua a 25°C = 23.7694 mmHg R = 82.05 Tc = 532.6 °K

P = 585 mmHg – P Vapor del agua

Pc = 39.48 atm Sustitución:

P = 585 mmHg –23.7694 mmHg = 561.2305 mmHg P = 561.2305 mmHg

= 0.7384 atm

Datos: m CHCl3 = 0.030 g T = 25.8°C+273 = 298.8 K VDESPLAZADO = 3.2 cc

Fórmulas:

P Vapor del agua a 25.8°C = 24.9334 mmHg R = 82.05 Tc = 536.3 °K

P = 585 mmHg – P Vapor del agua

Pc = 53.79 atm Sustitución:

P = 585 mmHg – 24.9334 mmHg = 560.0665 mmHg P = 560.0665 mmHg

= 0.7369 atm

5. En su cálculo, hizo una corrección a la presión. ¿Por qué se hace ésta corrección? Se hizo debido a que el volumen lo medimos sobre el agua por lo que es importante tomar en cuenta la presión que ejerce el vapor de agua a la temperatura que medios para quitársela a la presión atmosférica y así encontrar la presión que está actuando en el sistema 6. Entre el peso molecular obtenido considerando comportamiento ideal y con la ecuación de Berthelot, ¿Cuál fue el más próximo al calculado por los pesos atómicos? El de la ecuación de Berthelot, pues cuando se calculan los pesos moleculares empleando la ley de los gases ideales los resultados son aproximados incluso cuando los datos son precisos, si queremos obtener un valor exacto del peso molecular lo más recomendable es usar una ecuación de los gases más precisa, en este caso, en el que tenemos la temperatura y la presión precisas la más conveniente utilizar la ecuación de Berthelot.

CONCLUSIÓN La determinación de los pesos moleculares de los gases son importantes por lo que es necesario un método que nos auxilie a encontrar el peso molecular más cercano a lo exacto, el método de Meyer es una buena en conjunto con la ecuación de Berthelot, pues ésta nos permite calcular el peso molecular empleando datos de gases reales, en cambio de la ecuación general que debe suponer un comportamiento ideal, en la que aunque se empleen datos exactos no se llega a un resultado tan preciso como el de Berthelot, a pesar de esto si los datos obtenidos experimentalmente son incorrectos y nos son bien medidos, como sucedió en esta práctica por errores de medición por parte del equipo así como del equipo de medición, los resultados será muy extraños y muy diferentes a los que teóricamente deberían obtenerse, por lo que es importante señalar que para determinar el peso molecular de una forma experimental es importante que los datos obtenidos, como la temperatura y el volumen, sean lo más cercano a la exactitud.

BIBLIOGRAFÍA Título: “Fundamentos de Fisicoquímica”. Autores: Samuel H. Marrón y Carl F. Prutton. Editorial Limusa. Páginas: 45-49. Título: “Steam Tables” 2nd Edition Autor: C. P. Kothandaraman Editorial: New Age Internacional Página: 2