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INFORME DE LABORATORIO N°2

MANUEL SILVESTRE PÁEZ MEZA (DOCENTE)

ANTONIO JOSÉ SÁNCHEZ LLORENTE SANDRA NÁRVAEZ CORDERO CARLOS DANIEL GARCÍA GONZÁLEZ MARÍA CLAUDIA HERRERA MONTALVO DUVAN ANDRES PICO ORTIZ (ESTUDIANTES)

UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS PROGRAMA DE QUÍMICA FISICOQUÍMICA l MONTERÍA 2020

PRÁCTICA N°2. MASA MOLECULAR DE UNA SUSTANCIA VOLÁTIL

OBJETIVOS General Determinar la masa molecular y la densidad de una sustancia volátil (etanol), aplicando la ecuación de estado de los gases ideales. Específicos -

Establecer una relación matemática para determinar la masa molar y la densidad de sustancia volátil a partir de ecuación de los gases ideales. Determinar la masa molecular del etanol. Determinar la densidad del etanol en estado gaseoso, a las condiciones del laboratorio.

RESUMEN En la siguiente práctica se determinó la masa molar de una sustancia líquida volátil y la densidad de la sustancia en estado gaseoso, aplicando la ecuación de estado de los gases ideales. El procedimiento experimental se llevó a cabo calentando la muestra (etanol), utilizando un balón de fondo plano el cual fue sellado, con una caperuza hecha de papel aluminio con un pequeño orificio para medir la temperatura del gas contenido en el recipiente, y sumergido en baño de maría para llevar un calentamiento homogéneo. A partir de los datos obtenidos en el experimento se calculó la masa molar de la muestra y su densidad las cuales fueron de (46,629g/mol) y (1,7g/L) respectivamente.

INTRODUCCIÓN La volatilidad desde el punto de vista químico, físico y de la termodinámica es una medida de la tendencia de una sustancia a pasar a la fase de vapor. La masa molar de una sustancia dada es una propiedad física definida como su masa por unidad de cantidad de sustancia o de 1 mol de sustancia. Para determinar la masa molecular de un compuesto volátil, un modo de hacerlo consiste en hacer evaporar una muestra del mismo en un recipiente cerrado al cual se le ha abierto un pequeño orificio para que escape parte del vapor hasta que la presión interna del recipiente (debida al vapor que queda encerrado) sea igual a la presión atmosférica. Ahora bien para este tipo de procedimientos se han propuestos diversos métodos tales como: El método de Dumas y El método de Meyer.

Es importante mencionar que no solo se puede determinar las propiedades de un cuerpo gaseoso sino que también para los demás estados de agregación de la materia (sólido y líquido). La importancia de conocer la masa molecular de compuestos volátiles tiene su uso directo para procesos industriales de obtención e identificación de hidrocarburos.

FUNDAMENTOS DE LA PRÁCTICA Un modo de determinar la masa molecular de un líquido volátil, consiste en evaporar una muestra del mismo en un recipiente cerrado al cual se le ha abierto un pequeño orificio para que escape parte del vapor hasta que la presión interna del recipiente (debida al vapor que queda encerrado) sea igual a la presión atmosférica. Conocidos el volumen, la temperatura y la presión del gas encerrado en el recipiente, se puede entonces determinar la masa molecular del mismo aplicando la ecuación de estado para los gases ideales:

𝑃𝑉 = 𝑛𝑅𝑇 Donde: P es la presión atmosférica en atmosfera (atm) V es el volumen del recipiente en litros (L) n es el número de moles de la sustancia en estado gaseoso R es la constante para los gases ideales (0,082 atm L/mol K) T es la temperatura absoluta en K, a la cual se encuentra la sustancia en estado gaseoso. Para poder hallar la masa molecular recuérdese las siguientes relaciones:

𝑛=

𝑤

𝑀=

𝑀

𝑤 𝑛

Donde: n es el número de moles de la sustancia en estado gaseoso. w es el peso del líquido condensado (igual al gas que se encuentra en el recipiente). M es la masa molecular de la sustancia volátil. Si reemplazamos estas expresiones en la ecuación de estado, obtenemos:

𝑃𝑉 =

𝑤𝑅𝑇 𝑀

Y por lo tanto, la masa molecular reordenándola ecuación anterior de la siguiente manera:

𝑀=

𝑤𝑅𝑇 𝑃𝑉

MATERIALES Y REACTIVOS -

4 Termómetros

-

1 Barómetro

-

1 Soporte Universal

-

1 Aro metálico con nuca 1 Malla de asbesto

-

1 Pinza para bureta

-

1 Balón de fondo plano de 250 ml

-

1 Beacker de 600 mL

-

1 Pipeta graduada de 5 mL

-

1 Triángulo de porcelana

-

1 Probeta graduada de 100 mL

-

1 alfiler

-

1 Papel de aluminio

-

1 Balanza

-

Mechero

-

Banda de caucho

-

Muestra líquida problema Hexano (C6H6) Metanol (CH3OH) Acetona (CH3OCH3) Acetato de Etilo (CH3COOC2H5) Etanol (C2H5OH)

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Se pesó

1 Balón fondo plano más Caperuza de aluminio

Se agregó

3 mL de muestra (etanol)

Se cerró

Balón con caperuza más muestra (etanol)

Se pesó

Antes de iniciar el calentamiento perforar la caperuza.

Se calentó

Verificar que el conjunto no este húmedo

Balón con caperuza

En baño de maría (Figura 1)

Se registró

Temperatura de la muestra en estado gaseoso.

Se enfrió

Balón con caperuza más muestra (etanol) evaporada

Se pesó

Se medió

El conjunto seco

El volumen del balón con agua y una probeta

Figura 1: Baño de maría CÁLCULOS, RESLTADOS Y ANÁLISIS TABLA 1. Condiciones de temperatura y presión de laboratorio (presión de la ciudad) y datos obtenidos durante la práctica. Los datos presentados a continuación, fueron tomados de una práctica experimental realizada en el anterior semestre cursado, debido a que no fue posible realizar dicha práctica en el laboratorio por motivo de la pandemia que dificultó la realización de la experiencia. CONDICIONES DE LABORATORIO 25ºC = 298 K Temperatura del laboratorio 1 atm Presión barométrica laboratorio DATOS EXPERIMENTALES 27,4690g Peso de balón + Papel aluminio 29,8460g Peso de balón + papel aluminio + sustancia liquida desconocida 27,5950eg Peso de balón + papel aluminio + sustancia condensada 40ºC (315,15K) Temperatura de la sustancia en estado gaseoso 3 mL Volumen de sustancia liquida 70mL= 0,07L Volumen de la sustancia en estado gaseoso

A continuación calcularemos la masa molecular de la sustancia gaseosa usando la temperatura que presentó cuando toda la sustancia se encontraba evaporada y la presión barométrica del laboratorio. Para calcular el peso de la sustancia gaseosa restamos lo siguiente:

W(balón + papel aluminio + sustancia condensada) –W(balón + papel aluminio) = W(sustancia gaseosa) 27,5950g – 27,4690g = 0,126g A continuación utilizamos la ecuación de estado de gases ideales y obtenemos la siguiente fórmula para calcular la masa molecular de la sustancia desconocida en estado gaseoso: 𝑀=

𝑤𝑅𝑇 𝑃𝑉

Donde: W (sustancia gaseosa)= 0,126 g R = 0,082 atm*L/mol*K T = 315,15 K P = 1 atm V = 0,07 L 𝑎𝑡𝑚𝐿 𝑚𝑜𝑙𝐾 )(315,15 𝐾) (1 𝑎𝑡𝑚)(0,07 𝐿)

(0,126 𝑔)(0,082 𝑀=

𝑀 = 46,629𝑔/𝑚𝑜𝑙

Para calcular la densidad de la sustancia gaseosa:

𝑀=

𝑤𝑅𝑇 𝑃𝑉

𝑤 𝑉

=

𝑃𝑀 𝑅𝑇

𝐷=

𝑃𝑀 𝑅𝑇

𝑔 (1 𝑎𝑡𝑚)(46,629 𝑚𝑜𝑙) 𝐷= 𝑎𝑡𝑚𝐿 (0,082 𝑚𝑜𝑙𝐾 )(315,15 𝐾) 𝐷 = 1,79 𝑔/𝐿 Para calcular la densidad de la sustancia desconocida utilizamos el volumen medido de éste y el peso en gramos de la misma, como mostramos a continuación: Para calcular el peso de la sustancia liquida restamos lo siguiente:

W(balón + papel aluminio + sustancia liquida) –W(balón + papel aluminio) = W(sustancia liquida) 29,8460g – 27,4690g = 2,337g

Para calcular la densidad: 𝐷=

𝑊 𝑉

Donde: W(sustancia liquida) = 2,337 g V = 3 mL 𝐷=

2,337𝑔 3 𝑚𝐿

𝐷 = 0,779 𝑔/𝑚𝐿

Ahora procedemos a determinar el grado o porcentaje de error del resultado de la masa molar obtenida a raíz de los datos del experimento comparada con el valor real de la sustancia: %𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = %𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 =

𝑀𝑟𝑒𝑎𝑙 − 𝑀𝑒𝑥𝑝 ∗ 100 𝑀𝑟𝑒𝑎𝑙

46,07g/mol − 46,629𝑔/𝑚𝑜𝑙 46,07g/mol

∗ 100

%𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 1,213

CUESTIONARIO 1. ¿Cuál es el volumen del gas a condiciones normales? Para calcular el volumen del gas a condiciones normales utilizamos la ecuación de estado: 𝑃𝑉 = 𝑛𝑅𝑇

𝑉=

𝑉=

𝑛𝑅𝑇 𝑃

𝑎𝑡𝑚𝐿 )(273,150 𝐾) 𝑚𝑜𝑙𝐾

(1 𝑚𝑜𝑙)(0,082

(1 𝑎𝑡𝑚)

𝑉 = 22,398 𝐿

2. ¿Cuál es el peso del volumen del gas que se encuentra en el recipiente? Para calcular el peso de la sustancia gaseosa contenida en el recipiente usamos la siguiente formula: W (balón + papel aluminio + sustancia gaseosa) –W (balón + papel aluminio) = W (sustancia gaseosa) 29,8460g - 27,4690g =

2,377g

3. ¿Cómo se utiliza un baño de María, como debe ser el punto de ebullición de la sustancia liquida con respecto al baño de María? El baño María es un método empleado en las industrias y en los laboratorios químicos para buscar una temperatura exacta y uniforme, para una sustancia liquida o sólida, calentada lentamente; este método busca mediante el proceso o la acción de introducir un recipiente dentro de otro conteniendo una medida abundante de agua (o aceites) a una temperatura máxima o en ebullición; calentado de una forma indirecta por conversión térmica. Además, la diferencia entre los puntos de ebullición del baño María y de la sustancia (en este caso liquida) deben ser muy grandes.

4. ¿Por qué los cálculos deben hacerse con el condensado y no con la cantidad inicial tomada? Esto se debe principalmente a que el condensado es el estado final de un proceso irreversible y del cual la temperatura y presión de la sustancia va a ser distinta a la inicial, además de que se quiere hallar el peso molecular de dicha sustancia por medio de la ecuación de estado de los gases ideales. Con el estado inicial del compuesto (liquido) solo podría calcularse la densidad, ya que se sabía el valor de su volumen y podía calcularse fácilmente su peso, más allá de que el peso molecular de ésta en estado líquido es el mismo que en estado gaseoso.

5. ¿A partir de la ecuación de estado de los gases ideales, deduzca una expresión para determinar la densidad de una sustancia en estado gaseoso? A partir de la ecuación de estado de gases ideales y la formula de número de moles obtendremos:

PV = nRT

PV =

wRT M

w PM = V RT

;

𝑤

𝑛=𝑀

M=

D=

wRT PV

PM RT

Formula de densidad para gases ideales.

6. ¿Con los datos obtenidos en el experimento calcule la masa molecular de la sustancia y la densidad de la misma en estado líquido y en estado gaseoso a las condiciones de laboratorio? Para esto es necesario hallar el peso de la sustancia en estado líquido y gaseoso, los cuales ya fueron calculados anteriormente. Además usamos el resto de datos que se presentan a condiciones de laboratorio: Tabla 2. Datos a condiciones de laboratorio para el cálculo de la densidad y la masa molecular de la sustancia en estado líquido y en estado gaseoso. Datos a condiciones de laboratorio Sustancia en estado liquido Sustancia en estado gaseoso T= 298,15 K T= 298,15 K P= 1 atm P= 1 atm R= 0,082 atm*L/mol*K R=0,082 atm*L/mol*K V=0,0015 L V= 0,07 L w=1,138g w=0,126g Calculo de la masa molecular para estado gaseoso:



M=

wRT



D=

𝑎𝑡𝑚𝐿 )(315,15 𝐾) 𝑚𝑜𝑙𝐾

𝑀 = 46,629𝑔/𝑚𝑜𝑙

(0.996 𝑎𝑡𝑚)(0,07 𝐿)

Calculo de la densidad de la sustancia en estado líquido:



D=

𝑀=

PV

(0,126 𝑔)(0,082

w

D=

V

(2,38g)

𝐷 = 0,793 𝑔/𝑚𝐿

(3mL)

Calculo de la densidad de la sustancia en estado gaseoso: PM RT

𝑔

𝐷=

(1 𝑎𝑡𝑚)(46,629 𝑚𝑜𝑙) 𝑎𝑡𝑚𝐿

(0,082 𝑚𝑜𝑙𝐾)(315,15 𝐾)

𝐷 = 1,79 𝑔/𝐿

7. ¿Puede determinarse por este método la masa molecular de cualquier líquido? Explique. No sería posible, ya que para este método es preferible sustancias con temperatura de ebullición cercanas a la ambiente, y por lo menos 30°C menos que la temperatura de ebullición del líquido del baño, en este caso el agua.

8. Explique si el peso molecular de líquido volátil aumenta o disminuye, si en el experimento se presenta una de las siguientes situaciones: a) El balón estaba mojado cuando se inició el proceso. En este caso el peso molecular de la sustancia liquida aumenta debido a que la masa de agua o humedad que había en el recipiente va a afectar el peso real de la sustancia desconocida.

b) El líquido estaba impuro y dejo un residuo sólido en el fondo del balón después de evaporarse. Aquí obtendríamos una disminución de la masa molecular de la sustancia volátil, ya que al estar impuro presenta en ella masa adicional que va a influenciar a un resultado erróneo del peso molecular de la sustancia liquida volátil.

c) El balón + vapor condensado se pesó caliente. En este caso el peso molecular aumentaría. Debido a que al momento de pesar el sistema caliente en la balanza analítica, las partículas se encuentran en bastante movimiento y las paredes de vidrio del recipiente se dilatan, aumentando el peso del sistema.

d) Se descuenta el peso del aire contenido en el recipiente. La masa molecular disminuiría debido a que no se mediría la masa presentada por el aire al momento de los cálculos.

9. Explique en forma clara y analizada las semejanzas y diferencias de este método con el método de Dumas. Tabla 3. Semejanzas y diferencias entre método de Dumas y método usado en la práctica. MÉTODO USADO EN LA PRÁCTICA Y MÉTODO DE DUMAS SEMEJANZAS

Ambos métodos tienen como objetivo general la determinación de la masa molecular de una sustancia liquida volátil. En ambos métodos sustancia dentro del balón se introduce a un baño de María. “Se hierve hasta que los vapores formados expulsan el aire del matraz y la vaporización es completa. El volumen se determina por el método de Regnault. La presión del vapor durante el sellado es la atmosférica”.

DIFERENCIAS

Imagen 2. Método de Dumas.

En el método de Dumas el termómetro mide la temperatura del baño, la cual es mayor que la del punto de ebullición de la sustancia desconocida.

En la práctica realizada el termómetro se ubica de tal forma que mida la temperatura de la sustancia cuando se encuentra en estado gaseoso.

10. Explique en forma clara y concisa el método de Víctor Meyer. La figura 3 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 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. Imagen 3. Aparato de Víctor Meyer.

CONCLUSIÓN Se logró, a partir de la ecuación de estado de los gases ideales, encontrar una ecuación que permite determinar la masa molar de una sustancia volátil. Bastó con reescribir el término correspondiente a las moles de la sustancia como gramos de la misma sobre su masa molar (w/M) y despejar la masa molar de la ecuación. Para el caso de la densidad se reescribió la ecuación hasta tener en esta una variable con unidades de masa sobre volumen, en este caso la ecuación arroja gramos sobre litros (g/L) y finalmente despejar La masa molar de etanol encontrada fue de 46.629 g/mol y su densidad fue de 1.7 g/L. La densidad encontrada tiene un valor coherente con la realidad, los gases tienen densidades relativamente bajas debido al movimiento y choques que presentan sus moléculas y al amplio espacio que tienden a ocupar estas. Los resultados obtenidos fueron bastante bueno a pesar de las condiciones poco controladas del laboratorio.

BIBLIOGRAFIA -

International Union of Pure and Applied Chemistry (1998). Quantifies, Units and Symbols in Physical Chemistry. 2da edicion, Oxford: Blackwell Science. ISBN 0-632-0358.

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DEFINISTA, GENERAL. Enero 21, 2016. CONCEPTODEFINICIÓN.DE. Definición de Baño María. http://conceptodefinicion.de/bano-maria/.

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MARON, SAMUEL. PRUTTON, C. Fundamentos de Fisicoquímica. Vigesimoséptima reimpresión. EDITORIAL LIMUSA, S.A de C.V. México 2001.

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http://exa.unne.edu.ar/quimica/quimgeneral/UNIDADVGases.pdf...