Fisicoquimica 1

INFORME N 01-2015 E.F.P.I. M.UNDAC

PARA : Ing. Mg Ing. Uldarico USURIAGA LPEZ

DE : MEJIA MOLINA, Alder Isaas

ASUNTO : DTERMINACION DE PARAMETROS TERMODINAMICOS

(Laboratorio UNDAC PASCO)

FECHA : 27-07 - 2015

________________________________________________________

INTRODUCCIN

Con el objeto de obtener conocimientos e informacin necesaria se llev a cabo la

prctica N 1 en el laboratorio de la Universidad Nacional Daniel Alcides Carrin

titulado DTERMINACION DE PARAMETROS TERMODINAMICOS, con la ayuda Mg Ing.

Uldarico USURIAGA LPEZ. La termodinmica es la parte de la fsica que estudia los

estados de los sistemas materiales macroscpicos y los cambios que pueden darse entre

esos estados, en particular, en lo que respecta a temperatura, calor y energa.

En este documento repasaremos lo visto en clase de Termodinmica, en l, se enuncian

las leyes de la Termodinmica y los conceptos relacionados con ella.

Es importante desde el principio definir nuestro sistema, que es una porcin definida de

material que elegir para su estudio, se separa de todo lo dems por una superficie o

frontera conceptual. Existen varios tipos de sistemas, aislados, cerrados, abiertos,

descritos ms abajo

OBJETIVO

Al concluir la prctica estaremos en condiciones de: conocer y evaluar los parmetros de la termodinmica aplicados en la prctica; A partir de esta experiencia los alumnos/as son capaces de discutir y elaborar sus conclusiones y sugerencias para mejorar la realizacin de la prctica o podrn, alternativamente, elaborar una crtica Fundamentada para demostrar la invalidez de las teoras o de los procedimientos seguidos en la realizacin de la prctica, de ser el caso.

MEJIA MOLINA, Alder Isaas ENCRGADO

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I. MARCO TEORICO

TERMODINAMICA:

La termodinmica trata del flujo del calor, pero adems, de la conversin del calor en

trabajo mecnico, y en general, de la transformacin de una energa en otra por

conveniencia se agrupan las formas de la energa en dos clases denominados

calor y trabajo; la termodinmica esta basada en dos principio que resumen la

experiencia actual con respecto a la interconversion de las diferentes formas de energa

y el tercer principio de la termodinmica. Desde los principios termodinmicos tratan

de la energa, ellos son aplicables en general a todos los fenmenos de la naturaleza.

CONCEPTOS BSICOS PARA TERMODINAMICA:

CALOR

El calor en termodinmica se considera como la energa que fluye al entrar en contacto

2 sustancias que se encuentran a diferente temperatura. El calor siempre fluye del

cuerpo caliente al cuerpo fro.

ENERGA

El concepto de energa es la capacidad de generar movimiento (trabajo) o lograr la

transformacin de algo.

PRESIN

Es una magnitud fsica escalar que mide la fuerza en direccin perpendicular por unidad

de superficie, y sirve para caracterizar cmo se aplica una determinada fuerza resultante

sobre una superficie.

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En el Sistema Internacional la presin se mide en una unidad derivada que se denomina

pascal (Pa) que es equivalente a una fuerza total de un newton actuando

uniformemente en un metro cuadrado.

En el Sistema Ingls la presin se mide en libra por pulgada cuadrada (pound per square

inch) PSI que es equivalente a una fuerza total de una libra actuando en una pulgada

cuadrada.

TRABAJO

Es la energa necesaria para desplazar un cuerpo. Se representa por W y la formula es W

= F d

El trabajo en termodinmica siempre representa un intercambio de energa entre un

sistema y su entorno.

Por convencin el trabajo que realiza el entorno sobre el sistema tiene signo positivo;

mientras que si el sistema el que realiza trabajo sobre el entorno tiene signo negativo.

TEMPERATURA

La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio, fro

que puede ser medida, especficamente, con un termmetro.

Se define como una magnitud escalar relacionada con la energa interna de un sistema

termodinmico, definida por el principio cero de la termodinmica.

Ms especficamente, est relacionada directamente con la parte de la energa interna

conocida como energa cintica

PROPIEDADES EXTENSIVAS

Son las que dependen de la cantidad de sustancias del sistema, y son recprocamente

equivalentes a las intensivas. Una propiedad extensiva depende por tanto del tamao

del sistema. Una propiedad extensiva tiene la propiedad de ser aditiva en el

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Sentido de que si se divide el sistema en dos o ms partes, el valor de la magnitud

extensiva para el sistema completo es la suma de los valores de dicha magnitud para

cada una de las partes.

Ejemplos:

La masa, el volumen, el peso, cantidad de sustancia, energa, entropa y entalpa.

PROPIEDADES INTENSIVAS

Son aquellas que no dependen de la cantidad de sustancia o del tamao de un sistema,

por lo que el valor permanece inalterable al subdividir el sistema inicial en varios

subsistemas, por este motivo no son propiedades aditivas.

Ejemplos:

La temperatura, la presin, la velocidad, el volumen especfico (volumen ocupado por la

unidad de masa), el punto de ebullicin, el punto de fusin, la densidad, viscosidad,

dureza, concentracin y solubilidad.

CAMBIOS DE FASE

La evolucin de la materia entre varios estados de agregacin sin que ocurra un cambio

en su composicin.

- Fusin: Es el paso de un slido al estado lquido por medio de la energa trmica.

Este proceso es isotrmico

- Solidificacin: Es el paso de un lquido a slido por medio del enfriamiento. el

proceso es exotrmico.

- Vaporizacin: Es el proceso fsico en el que un lquido pasa a estado gaseoso.

- Condensacin: Se denomina condensacin al cambio de estado de la materia que

se encuentra en forma gaseosa a forma lquida. Es el proceso inverso a la vaporizacin.

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- Sublimacin: es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia slida

al estado gaseoso sin pasar por el estado lquido.

DENSIDAD

Es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa contenida en un determinado

volumen de una sustancia.

p=m/V

Dnde: p densidad, m- masa, V- volumen

VOLUMEN ESPECFICO

Es el volumen ocupado por unidad de masa de un material. Es la inversa de la densidad,

por lo cual no dependen de la cantidad de materia.

v.e.= V/m

Dnde: v.e.- Volumen Especifico, V volumen, m- masa

CONSERVACIN DE MASA

La masa total de las sustancias presentes despus de una reaccin qumica es la misma

que la masa total de las sustancias antes de la reaccin.

CONSERVACIN DE LA ENERGA

Constituye el primer principio de la termodinmica, la ley de la conservacin de la

energa afirma que la energa no puede crearse ni destruirse, slo se puede cambiar de

una forma a otra,

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ENERGA CINTICA

La energa cintica de un cuerpo es aquella energa que posee debido a su movimiento.

Se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada

desde el reposo hasta la velocidad indicada. Una vez conseguida esta energa durante la

aceleracin, el cuerpo mantiene su energa cintica salvo que cambie su velocidad. Para

que el cuerpo regrese a su estado de reposo se requiere un trabajo negativo de la misma

magnitud que su energa cintica. Suele abreviarse con letra Ek.

ENERGA POTENCIAL

Es la energa que mide la capacidad que tiene dicho sistema para realizar un trabajo en

funcin exclusivamente de su posicin o configuracin. Puede pensarse como la energa

almacenada en el sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede

entregar. Suele abreviarse con la letra Ep.

ENERGA POTENCIAL GRAVITACIONAL

Energa que mide la capacidad que tiene un sistema para realizar un trabajo. Puede

pensarse como la energa almacenada en el sistema

ENERGA TOTAL

La energa total de un sistema puede descomponerse en la suma de energa de la masa,

la energa cintica, la energa potencial, y la energa interna.

ENERGA DE FLUJO

Es la energa que un fluido contiene debido a la presin que posee

ENERGA INTERNA

Es la suma de la energa mecnica de las partculas constituyentes de un sistema.

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SISTEMA ABIERTO

Un sistema abierto es un sistema fsico (o qumico) que interacciona con otros agentes

qumicos, por lo tanto est conectado correlacionalmente con factores externos a l.

SISTEMA CERRADO

Es un sistema fsico (o qumico) que no interacciona con otros agentes fsicos situados

fuera de l y por tanto no est conectado casualmente ni correlacionalmente con nada

externo a l.

En termodinmica se distingue entre sistema abierto y sistema cerrado. Un sistema

abierto sera uno que puede intercambiar materia y energa con el exterior, mientras

que un sistema cerrado es un sistema que no puede intercambiar materia con el exterior

pero s intercambiar energa.

Tambin un sistema se considera aislado cuando este no intercambia ni materia ni

energa con el exterior.

PUNTO DE FUSIN

Es la temperatura a la cual se encuentra el equilibrio de fases slido lquido, es decir

la materia pasa de estado slido a estado lquido, se funde. Cabe destacar que el cambio

de fase ocurre a temperatura constante.

PUNTO DE EBULLICIN

Es aquella temperatura en la cual la presin de vapor del lquido iguala a la presin de

vapor del medio en el que se encuentra.1 Coloquialmente, se dice que es la temperatura

a la cual la materia cambia del estado lquido al estado gaseoso.

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PROPIEDADES DE EVAPORACIN

Si se calienta un lquido se incrementa la energa cintica media de sus molculas. Las

molculas cuya energa cintica es ms elevada y que estn cerca de la superficie del

lquido escaparn y darn lugar a la fase de vapor.

Si el lquido est contenido en un recipiente cerrado, algunas molculas del vapor

seguirn el camino inverso chocando con la superficie del lquido e incorporndose a la

fase lquida.

Se establece un equilibrio dinmico cuando el nmero de molculas que se escapan del

lquido sea igual (en valor medio) al nmero de molculas que se incorporan al mismo.

DIAGRAMAS TERMODINMICOS

Estos representan en forma grfica las propiedades termodinmicas de sustancias

reales. Los diagramas ms comunes que se emplean son:

Diagrama p-V (diagrama de Clapeyron): Este es uno de los ms comunes. Tiene las

siguientes propiedades de inters: el rea bajo la curva representa el trabajo sin

trasvasijamiento. En un ciclo cerrado, si el ciclo se recorre a favor de los punteros del

reloj, el trabajo intercambiado es positivo (ciclo motriz). Si se recorre en contra de los

punteros del reloj, el trabajo intercambiado es negativo (ciclo que absorbe trabajo).

Diagrama T-S (temperatura-entropa o Diagrama Entrpico): es muy empleado, pues (si

las evoluciones son reversibles) el rea encerrada por el ciclo o bajo la curva representa

los calores intercambiados.

Diagrama H-S (entalpa-entropa o Diagrama de Mollier): Tambin es diagrama comn,

pues permite representar con facilidad evoluciones reales y estudiar las variaciones de

entalpa. Esto ltimo es clave al momento de estudiar intercambios de calor y trabajo

basndose en el primer principio.

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SUSTANCIAS PURAS

Se a aquella que no se puede descomponer en otras mediante procedimientos fsicos

(como calentamiento o un campo magntico), sta puede contener 1 o ms sustancias

que no se combinen (como el agua y el aceite). Es posible que la sustancia pura se

descomponga mediante procesos qumicos. Si ello es posible, se dice que la sustancia

es compuesta; en caso contrario, se dice que es una sustancia simple.

GAS IDEAL

Se define como gas ideal, aquel donde todas las colisiones entre tomos o molculas

son perfectamente elsticas, y en el que no hay fuerzas atractivas intermoleculares. Se

puede visualizar como una coleccin de esferas perfectamente rgidas que chocan unas

con otras pero sin interaccin entre ellas. En tales gases toda la energa interna est en

forma de energa cintica y cualquier cambio en la energa interna va acompaada de

un cambio en la temperatura.

Un gas ideal se caracteriza por tres variables de estado: la presin absoluta (P), el

volumen (V), y la temperatura absoluta (T). La relacin entre ellas se puede deducir de

la teora cintica y constituye la LEY DEL GAS IDEAL:

PV=nRT=NkT

n = nmero de moles

R = constante universal de gas = 8.3145 J/mol K

N = nmero de molculas

k = constante de Boltzmann

k = R/NA

NA = nmero de Avogadro = 6.0221 x 1023 /mol

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La ley del gas ideal puede ser vista como el resultado de la presin cintica de las

molculas del gas colisionando con las paredes del contenedor de acuerdo con las leyes

de Newton

CALOR ESPECFICO

El calor especfico (c) es una funcin de la temperatura del sistema; esto es, c(T). Esta

funcin es creciente para la mayora de las sustancias. Esto se debe a efectos cunticos

que hacen que los modos de vibracin estn cuantizados y slo estn accesibles a

medida que aumenta la temperatura. Conocida la funcin c(T), la cantidad de calor

asociada con un cambio de temperatura del sistema desde la temperatura inicial Ti a la

final Tf se calcula mediante la integral siguiente:

En un intervalo donde la capacidad calorfica sea aproximadamente constante la frmula

anterior puede escribirse simplemente como:

PROCESOS POLI TRPICOS:

Una transformacin poli trpica es un cambio de estado en el que vara todas las

propiedades (presin, volumen, temperatura, entropa, entalpa, etc.). Tambin en este

proceso existe transmisin o transferencia de calor y para su anlisis se lo considera a

este proceso como internamente reversible.

En las figuras siguientes mostramos los diagramas p-V y T-s, para un proceso poli trpico.

Casos especiales de proceso poli trpico

En las transformaciones poli trpicas el valor n puede tener cualquier valor, y por la

experiencia la relacin es especialmente til cuando

1 n 5/3.

Para valores particulares de n, se reduce al siguiente anlisis

- n = 0 Isobrico

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- n = 1 Isotrmico

- n = k Adiabtico (isobarico)

- n = Isocrico (isomtrica)

LEY CERO DE LA TERMODINMICA:

Este principio o ley cero, establece que existe una determinada propiedad denominada

temperatura emprica , que es comn para todos los estados de equilibrio

termodinmico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.

En palabras llanas: Si pones en contacto un objeto fro con otro caliente, ambos

evolucionan hasta que sus temperaturas se igualan.

Tiene una gran importancia experimental pues permite construir instrumentos que

midan la temperatura de un sistema pero no resulta tan importante en el marco terico

de la termodinmica.

El equilibrio termodinmico de un sistema se define como la condicin del mismo en el

cual las variables empricas usadas para definir o dar a conocer un estado del sistema

(presin, volumen, campo elctrico, polarizacin, magnetizacin, tensin lineal, tensin

superficial, coordenadas en el plano x, y) no son dependientes del tiempo. El tiempo es

un parmetro cintico, asociado a nivel microscpico; el cual a su vez est dentro del

fisicoqumico y no es parmetro debido a que a la termodinmica solo le interesa

trabajar con un tiempo inicial y otro final. A dichas variables empricas (experimentales)

de un sistema se las conoce como coordenadas trmicas y dinmicas del sistema.

Este principio fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado

formalmente hasta despus de haberse enunciado las otras tres leyes. De ah que

recibiese el nombre de principio cero.

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PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA:

La primera ley de termodinmica es la llamada Ley de conservacin de energa, que

afirma que la suma de materia y energa se mantiene constante durante una reaccin

nuclear. Tomando en cuenta la capacidad que tenemos para medir la masa y los cambios

de energa, podemos afirmar que, en una reaccin qumica, la energa se mantiene

constante.

Esta Ley establece las relaciones entre los flujos de energa que experimenta un sistema

fsico y la forma en que cambian sus propiedades.

Aplicacin prctica: Balance de Engra para un Sistema.

Establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien ste intercambia calor con

otro, la energa interna del sistema cambiar. Visto de otra forma, esta ley permite

definir el calor como la energa necesaria que debe intercambiar el sistema para

compensar las diferencias entre trabajo y energa interna. Fue propuesta por Antoine

Lavoisier.

La ecuacin general de la conservacin de la energa es la siguiente:

Eentra Esale = Esistema

ENTALPA

Es una magnitud termodinmica, simbolizada con la letra H mayscula, cuya variacin

expresa una medida de la cantidad de energa absorbida o cedida por un sistema

termodinmico, es decir, la cantidad de energa que un sistema puede intercambiar con

su entorno.

Es una funcin de estado de la termodinmica donde la variacin permite expresar la

cantidad de calor puesto en juego durante una transformacin isobrica (es decir, a

presin constante) en un sistema termodinmico (teniendo en cuenta que todo objeto

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conocido puede ser entendido como un sistema termodinmico), transformacin en el

curso de la cual se puede recibir o aportar energa (por ejemplo la utilizada para un

trabajo mecnico). En este sentido la entalpa es numricamente igual al calor

intercambiado con el ambiente exterior al sistema en cuestin.

La entalpa total de un sistema no puede ser medida directamente; la variacin de

entalpa de un sistema s puede ser medida en cambio.

La variacin de entalpa se define mediante la siguiente ecuacin:

- H es la variacin de entalpa.

- Hfinal es la entalpa final del sistema. En una reaccin qumica, Hfinal es la entalpa de

los productos.

- Hinicial es la entalpa inicial del sistema. En una reaccin qumica, Hinicial es la entalpa

de los reactivos.

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICA:

Enunciados de la Segunda Ley de la Termodinmica

CLAUSIUS: Todo proceso cclico cuyo nico efecto final sobre los alrededores sea

transferir calor de un cuerpo fro a un cuerpo caliente, es imposible.

KELVIN-PLANCK: todo proceso cclico cuyo nico efecto final sobre los alrededores sea

absorber calor de un cuerpo y convertirlo ntegramente en trabajo, es imposible.

Ciclos termodinmicos: Serie de procesos termodinmicos tales que, al transcurso de

todos ellos, el sistema regrese a su estado inicial; es decir , que la variacin de las

magnitudes termodinmicas propias del sistema sea nula.

Ejemplos:

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Maquina trmica una mquina que con un cambio termodinmico, que la variable es

temperatura, genera un trabajo en los alrededores. Una de las otras dos variables

termodinmica tienes que quedar constante ya sea Presin o Volumen (normalmente

es el Volumen).

Refrigerador cuando en un contenedor tienes una sustancia que a la hora de aumentar

la presin la temperatura disminuye, haciendo el efecto contrario de la maquina

trmica.

Ciclos ms comunes:

Ciclo de Carnot

Ciclo Otto (motores de combustin interna de encendido provocado; motores de

gasolina)

Ciclo Brayton (base del motor de turbina de gas)

Ciclo Rankine

Ciclo Stirling

Ciclo Ericsson

Ciclo Miller

Ciclo Atkinson

Ciclo de Carnot

El ciclo de Carnot se produce cuando un equipo que trabaja absorbiendo una cantidad

de calor Q1 de la fuente de alta temperatura y cede un calor Q2 a la de baja temperatura

produciendo un trabajo sobre el exterior.

Cuatro etapas: dos procesos isotermos (a temperatura constante) y dos adiabticos

(aislados trmicamente).

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ENTROPA

Se simbolizada como S, es una magnitud fsica que, mediante clculo, permite

determinar la parte de la energa que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una

funcin de estado de carcter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el

transcurso de un proceso que se d de forma natural. La entropa describe lo irreversible

de los sistemas termodinmicos. La palabra entropa procede del griego y significa

evolucin o transformacin.

El cambio de entropa puede expresarse como: DS= DH/T (esto dice que la entropa de

un sistema crece si su entalpa tambin crece, aunque crece ms entre menor sea la

temperatura).

Si:

Sfinal>SinicialDS>0 El proceso puede ocurrir.Es espontneo e irreversible.

Sfinal

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iguales al cero absoluto. No es una nocin exigida por la termodinmica clsica, as que

es probablemente inapropiado tratarlo de ley.

III. MATERIALES

Balanza electrnica

Termmetro

Tubo de ensayo

Vaso de precipitacin

Pinza de mohr

Baln

Mechero de alcohol

probeta

REACTIVOS

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clorato de potasio

dixido de magnesio

agua destilada

IV. PARTE EXPERIMENTAL

1. En un tubo de ensayo pesar 1gr de clorato de potasio y adicionar 0.025gr de

dixido de magnesio y pesar en la balanza.

2. Colocar el tubo de ensayo con el contenido, en el soporte universal.

3. Llenar de agua en el baln hasta la mitad del cuello y taparlo.

4. Colocar una manguera en el baln, y la pinza en la manguera, luego llenar la

manguera con agua hasta llenarlo y luego asegurarlo con la pinzas.

5. Al lado opuesto de la manguera con el tubo de ensayo, colocaremos un vaso de

precipitacin la cual nos ayudara para medir el agua.

6. Asegurarnos que este tapado el tubo de ensayo, luego calentarlo con el

mechero, lentamente.

7. En el mismo instante que se produce la reaccin que libera oxgeno, en el tubo

de ensayo, debido al calentamiento, abrimos la pinza que est en la manguera,

la cual conducir el agua desalojada.

8. Medimos el volumen del agua desalojada en el vaso de precipitacin, este

volumen corresponde al volumen de gas(oxigeno)

9. Medimos nuevamente el tubo de ensayo, para obtener la diferencia, la cual ser

el peso del oxgeno.

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10. Tomar la temperatura del agua desalojada en el vaso de precipitacin , con un

termmetro

V. DESARROLLO DE LA PRCTICA

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En primera instancia pesamos el tubo de ensayo: 19.2gr

Aqu estamos pesando 0.25g de dixido de manganeso en la balanza analtica

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Aqu estamos pesando 1g de clorato de potasio en la balanza analtica

Colocamos el tobo de ensayo en el soporte universal con el contenido de clorato de potasio y dixido de manganeso

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Se llena de agua el baln hasta la mitad del cuello de este.

Una vez lleno de agua el baln pasamos a conectar las mangueritas en dos sentidos contrarios; uno que se va a conectar al tubo de ensayo contenido de sustancias qumicas y el otro a un balde vaco para recepcionar el agua que sale cuando el oxgeno entre al baln.

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Cuando ya todo este acondicionado de manera correcta pasamos a realizar el

procedimiento completo para determinar los parmetros termodinmicos; aqu se

observa que el tubo de ensayo debe de estar bien asegurado en la pinza de mohr, este al

ser calentado suavemente con un mechero de bunsen de tal forma que el KClO3 + MnO2

reaccionan en presencia del calor esto hace que se desprenda el oxgeno para ingresar al baln y desplazar un volumen

determinado de agua.

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Aqu se observa cmo reaccionan los compuestos qumicos a una presin =

1atm:

KClO3 + MnO2 ----------MAS CALOR------

Cuando el oxgeno ya se encuentra en el baln empezamos notar que agua empieza a descender

Aqu observamos como el agua es eliminado o remplazado por el oxgeno desprendido de la reaccin de los

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compuestos ya mencionados en presencia del calor y aqu mismo se mide la cantidad de oxigeno que entro al baln y el volumen del agua saliente. En nuestro caso es de 90 ml

Siendo la temperatura uno de los parmetros nos era indispensable utilizar el termmetro cual nos indic al medir que era de 10 c

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Para finalizar el proceso volvemos a pesar nuestro tubo de ensayo.

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VI. OBSERVACIONES

- Tener cuidado al manipular los instrumentos ya que se pueden quebrar

y ser inservibles para la prctica.

VII. CONCLUCIONES

Observamos en la prctica, de cmo el oxgeno expulsa por presin al agua,

desalojndolo del baln 90ml

La reaccin es:

KClO3 + MnO2 ----------MAS CALOR------ KCl + O2 + MnO2

VIII. RECOMENCACIONES

Usar siempre los materiales de proteccin en el caso de laboratorio el

guardapolvo

Al realizar la prctica debemos de tener cuidado al utilizar la diferentes reactivos

y soluciones y no provocar accidentes.

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IX. BIBLIOGRAFIA

Gregory R. Choppin, Lee R. Summerlin. ( Dcima segunda reimpresin, 1991).

QUIMICA. Editorial: Publicaciones Cultural.

A. Garritz, J.A. Chamizo. (Primera reimpresin, 1998) QUIMICA. Editorial:

Addison Wesley Longman.

Centro de Investigacin en Energa, UNAM. Obtenido el dia 28 de Noviembre del

2012 de la pgina web http://xml.cie.unam.mx/xml/.

http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/intr

otermo1p.html