Nombre de la práctica: Cálculo de la constante de los gases.

Práctica 1

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I. INTRODUCCIÓN

II. CONOCIMIENTOS PREVIOS

III. OBJETIVO

IV. METODOLOGIA

IV. 1. Material y equipo.

IV. 2. Reactivos y soluciones.

IV. 3. Requerimientos de seguridad

IV.4. Disposición de residuos

IV. 5. Procedimiento.

IV. 5.1 Aparato

IV. 6. Diseño experimental

V. RESULTADOS.

V.1 Cálculos

VI. DISCUSION.

VII. CONCLUSIONES.

VIII. BIBLIOGRAFIA

I. INTRODUCCION.

En 1787, Charles Jacques investigó el efecto del cambio de temperatura de

una cantidad dada de aire mientras es mantenido a presión constante. Encon-

tró que el aire se expande cuando es calentado sin importar el volumen inicial

del mismo y que la proporción de un volumen en agua hirviendo a su volumen

en hielo es constante y tiene un valor de 1.366, siendo éste muy parecido para

temperatura del hielo, están definidos como 100 y 0 grados centígrados respec-

tivamente.

V (a 100ºC) = V (a 0ºC) + 0.366V (a 0ºC)

Debido a que la expansión de un gas es uniforme, para cada incremento

de un grado de temperatura, el volumen de un gas se incrementa

0.366/100=1/273 de su volumen a 0º y es una función lineal de su temperatura

en grados Celsius o centígrados.

Cero absoluto y la escala Kelvin de temperatura: debido a que el volumen de

un gas decrece de una manera lineal de 100ºC hasta 0ºC, se esperaría que es-

to continuara igual, esto es 1/273 de su volumen a 0ºC por cada grado que fue-

ra enfriado debajo de 0ºC. Pero si esto pasara el volumen del gas sería cero a -

273ºC y negativo a una temperatura menor. Debido a que un volumen negativo

carece de sentido, se deduce que no es posible obtener una temperatura más

baja de -273ºC, ésta temperatura es llamada el cero absoluto de temperatura.

Ahora, en lugar de escoger arbitrariamente el punto de fusión del hielo como el

cero de la escala de temperatura, como se ha hecho en la escala Celsius. Po-

demos lógica y también convenientemente escoger el cero absoluto de una es-

cala de temperatura. Esta escala fue primeramente sugerida por el científico

británico Lord Kelvin. De acuerdo a mediciones exactas, el cero absoluto de

temperatura es -273.15ºC, además la escala Kelvin (K) está relacionada con la

escala centígrada por la expresión:

T (K) = T (C) + 273.15

Ley de Charles: A presión constante, el volumen (V) de una cantidad fija (n) de

un gas ideal es directamente proporcional a la temperatura (T).

V a T (para n y P ctes.)

Alternativamente a volumen constante, la presión de una cantidad fija de gas

es proporcional a su temperatura:

P a T (para n y V ctes.)

Obviamente, podemos predecir que para un proceso de calentamiento o en-

friamiento:

Vf=(Tf/Ti)Vi (para n y P ctes.)

Donde los subíndices se refieren a los valores inicial (i) y final (f). Una expre-

sión similar se emplea para los cambios en la presión debidos a la temperatura.

Constante de los gases: Debido a que V a 1/P (Ley de Boyle) y que V a n (Ley

de Avogadro), podemos combinarles con la ley de Charles para obtener que

PV a nT, o bien:

PV=nRT

Donde la constante de proporcionalidad R es la constante de los gases.

El valor de la constante R puede ser obtenido de la realción PV/nT.

Para una evaluación exacta de su valor se realizan mediciones de la presión y

volumen de una cantidad conocida de gas para una serie de presiones y los

productos PV son extrapolados a cero de presión para garantizar que el gas se

comporta perfectamente.

En este experimento, la dependencia de la temperatura del volumen de aire es

usado para determinar el cero absoluto de temperatura y la constante de los

gases. Se mide el volumen y temperatura del aire en el matraz posteriormente

es calentado y se mide el nuevo volumen, colectando el gas expandido fuera

del matraz por el desplazamiento del agua en la probeta y adicionando este vo-

lumen al volumen inicial. Se usa un termómetro insertado dentro del matraz pa-

ra medir la temperatura al nuevo volumen. Este procedimiento deberá ser repe-

tido para permitir una determinación gráfica del cero absoluto de temperatura.

II. CONOCIMIENTOS PREVIOS.

1. ¿Qué es un gas?

2. ¿Qué es un gas ideal y que un gas real?

3. Aparte de la ley de Charles y la de los gases ideales, qué otras ecuacio-

nes nos son útiles para el estudio de estos.

4. Expresar de las ecuaciones anteriores, las condiciones en que se cum-

ple cada una.

5. ¿Cómo se obtiene la ecuación de los gases ideales a partir de la ecua-

ción de Charles y Gay-Lussac?

6. Investigar otros valores para R así como sus unidades correspondientes.

7. ¿Cuál es la presión del lugar donde se realizó el experimento?

8. ¿Por qué en todas las ecuaciones que se refieren a los gases los cálcu-

los se deben realizar con la temperatura absoluta?

III. OBJETIVO

Determinar experimentalmente la Ley de Charles así como el cálculo de la

constante de los gases

IV. METODOLOGIA

IV.1. Material y equipo

1 matraz Erlenmeyer 125 mL

1 Tapón de caucho del No. 5 (con dos orificios).

1 Termómetro de 0 a 100 ºC.

1 Tubo de vidrio en forma de “U”

1 Tubo de vidrio en forma de “J”

1 Manguera de caucho

1 Probeta de 50 mL

1 Vaso de precipitado de 1 L.

IV. 2. Reactivos y soluciones Ninguno

IV.3. Requerimientos de seguridad

Los requerimientos de seguridad son los básicos:

Vestido apropiado (pantalón largo, zapato cerrado, cabello recogido)

Bata de algodón.

Lentes de seguridad

Guantes

IV.4 Disposición de residuos

Como se va a trabajar únicamente con agua, no son necesarias las disposicio-

nes de ésta, solo cabe aclarar que es necesario que los alumnos desperdicien

la menor cantidad de agua posible.

IV. 5. Procedimiento

El aparato consiste de un matraz Erlenmeyer de 125 mL, con un tapón No. 5

con dos orificios: un termómetro de 0-110ºC es colocado en uno de ellos, y un

tubo de vidrio en forma de U se coloca en el otro; este tubo se deberá conectar

a otro en forma de J por medio de una manguera de caucho.

El tubo en forma de J será colocado dentro de una probeta de 50 mL para co-

lectar el aire desplazado. Note que el tubo en J debe estar colocado por debajo

de la base del matraz Erlenmeyer. El aparato se arma como se muestra en la

figura y se coloca dentro de un vaso de precipitado de 1 L con agua que pueda

ser calentada tanto como se desee.

Coloque aproximadamente 800 mL de agua en el vaso de precipitado de 1 L.

Llene la probeta graduada de 50 mL con agua e inviértalo dentro del vaso de

precipitado de manera que no quede aire dentro de la probeta, y el tubo en J

quede conectado a la probeta. Coloque el vaso de precipitado y la probeta so-

bre una parrilla, de manera que el agua pueda ser calentada a la temperatura

deseada.

Una vez montado el aparato, el experimento se desarrolla de la manera si-

guiente:

1. Caliente cuidadosamente el agua hasta cerca de 50ºC y pare el calen-

tamiento.

2. Tome la temperatura del termómetro, y regístrala como T1.

3. Introduzca el matraz dentro del vaso de precipitado y coloque la probeta

sobre el tubo en forma de J. Cuando no entre más aire dentro de la pro-

beta, lea la temperatura del termómetro y regístrela como T2.

4. Para igualar la presión del gas en la probeta súbala o bájela hasta que el

nivel del agua sea el mismo que el del matraz. Lea el volumen del aire

en la probeta.

5. Repita las mediciones a 75ºC después de llenar la probeta graduada.

Registre la temperatura como T3 y lea el nuevo volumen de aire en la

probeta.

Nota: Para obtener un mayor número de puntos para el gráfico se pueden re-

gistrar los volúmenes desplazados en la probeta cada 5 grados centígrados.

Para encontrar V1 , desarme el aparato y llene el matraz con agua. Inserte el

tapón con el termómetro (pero sin el tubo) y permita que el exceso de agua es-

cape a través del orificio abierto en el tapón. Remueva el tapón y mida el volu-

men de agua sobrante en el matraz. Registre estos como V1 .

V. RESULTADOS.

V.1. Cálculos.

1. Encuentre V2 y V3 usando V1 y los volúmenes de aire en la probeta gra-

duada a las temperaturas T1 y T2 respectivamente. Usando la ley de

Charles y V1, calcule V2 y V3 . Compare estos con los valores obtenidos

de las mediciones y calcule el % de error.

2. Grafique los volúmenes medidos frente a la temperatura en grados cen-

tígrados. Extrapole y encuentre el intercepto en x. Este es el cero abso-

luto de temperatura. Compare con el valor de 273.15 y calcule el % de

error.

3. El volumen molar del aire es 24.8 L a 25°C y 1 bar. Lea el barómetro pa-

ra encontrar la presión atmosférica P. Corrija el volumen molar para las

condiciones del laboratorio (P, T1). Use V1 para determinar n y poste-

riormente calcule R a los valores de V y T medidos. Compare con el va-

lor aceptado de 0.0821 atm-L/mol K y calcule el % de error.

V. DISCUSIÓN VI. CONCLUSIONES VII. BIBLIOGRAFIA