c1. RESUMEN
Para entender el comportamiento de los gases, se traen a colación sus leyes que
son generalizaciones empíricas que relacionan la presión, el volumen y la
temperatura de una muestra de gas en un sistema cerrado, en determinadas
condiciones experimentales y fueron desarrolladas por los científicos: Robert
Boyle, considerado el primer químico moderno, Jacques Charles (1787)
contemporáneo a Louis Joseph Gay-Lussac (1802) y Avogadro (1814) a quien
se le atribuyó grandes avances en la teoría atómica y el Número de Avogadro .
En la práctica, se trabaja un montaje para recolectar
un gas, obteniendo así la destreza adecuada para aplicar las teorías y leyes de
los gases; tomándose como
objetivo repasar conversión de unidades de la temperatura, manejando
adecuadamente un termómetro. Finalmente hacer un
análisis detallado, reflejando los resultados obtenidos manejando gráficos, y
cálculos de error.
El primer procedimiento relaciona la masa con el volumen, se utilizó un encendedor comercial que contiene isobutano (C4H10), el
cual e respectivamente. Con un tubo de gases y una
tabla de posiciones en grados, se verificó la Ley de Boyle, mientras que para la
Ley de Charles se empleó el mismo tubo pero esta vez sumergido en agua a
diferentes temperaturas, usando el termómetro para tomar las respectivas
medidas.
Los resultados son expresados en términos de representar la relación que existe
entre las cuatro variables trabajadas (V, T, P, n) mediante el empleo de tablas
de resumen y de gráficas para cada uno de los casos o leyes propuestas a lo largo de lahistoria para dar vida a la experimentación
realizada. Llegando a tomar como punto de discusión principal, el
entender y explicar cada uno de los fenómenos observados con relación a los
postulados conceptuales.
2. INTRODUCCIÓN.
En ciertas condiciones de presión y temperatura, es posible
que la mayoría de las sustancias existan en alguno de los 3 estados de la materia
(sólido, líquido y gaseoso). En este trabajo de
laboratorio, se trabajarán aspectos y leyes estudiadas con respecto al
comportamiento de los gases, siendo expuestos a cambios en tales condiciones.
Teniendo en cuenta que estos se caracterizan por ser moléculas dispersas, que
vuelan libremente, incluso chocan unas con otras, y se pueden mezclar sin
importar las identidades. Los gases pueden ser poco o nada visibles a
diferencia del
líquido y el sólido; y logran expandirse o comprimirse según el recipiente en
el que estén (Mezzanotte, 2007).
Frente a los cambios de temperatura y presión se dice que los gases se
comportan de forma más previsible que los sólidos y líquidos. Las leyes que norman este comportamiento han desempeñado un importante
papel en el desarrollo de la teoría atómica de la materia y a teoría cinética
molecular de los gases (Chang, 2007).
Para entender el comportamiento de los gases, se traen a colación las leyes de
los gases que son generalizaciones empíricas que relacionan la presión, el
volumen y la temperatura de una muestra de gas en un sistema cerrado, en
determinadas condiciones experimentales y fueron desarrolladas desde mediados
del siglo XVII. Los científicos más destacados con susrespectivas leyes fueron: Robert Boyle, considerado el primer
químico moderno, Jacques Charles (1787) contemporáneo a Louis Joseph Gay-Lussac
(1802) y Avogadro (1814) a quien se le atribuyó grandes avances en la
teoría atómica y el Número de Avogadro (Valenzuela, 1995).
Lo anterior es de suma importancia en la práctica, porque se trabajará un montaje para recolectar un gas, obteniendo así la
destreza adecuada para aplicar las teorías y leyes de los gases. También se
tiene como
objetivo repasar conversión de unidades, de la temperatura, manejando adecuadamente
un termómetro. Finalmente hacer un análisis detallado,
reflejando los resultados obtenidos manejando gráficos, y cálculos de error.
3. MATERIALES Y MÉTODOS.
Para el correcto y ágil desarrollo de la
práctica es necesario contar con los implementos de seguridad personales,
(bata, guantes, gafas).
El primer procedimiento relaciona la masa con el volumen, se utilizó un
encendedor comercial considerando que su contenido es isobutano (C4H10 ). Para el montaje se utilizó una probeta de 250mL
llena de agua y puesta boca abajo en un baño de María,
una manguera delgada fijada en la probeta y en la boca del encendedor, este sin la tapa metálica.
El volumen asignado fue 140mL, se acciono la salida de gas del encendedor
hasta llegar a dicho volumen, evitando la entrada de aire. La balanza se usó
para conocer el peso del
encendedor, antes y después de la salida del
gas. Con regla se midió la diferencia del
agua con respecto al volumen del gas y la del baño de María,
(altura h).
Con un tubo de gases y una tabla de posiciones en
grados, severificó la Ley de Boyle, mientras que para la Ley de Charles se
empleó el mismo tubo pero esta vez sumergido en agua a diferentes temperaturas,
usando el termómetro para tomar las respectivas medidas.
3.1 Diagrama de flujo.
Figura 1. Explica el procedimiento y
las medidas tomadas para llevar a cabo la práctica número 4.
4. RESULTADOS.
4.1 RECOLECCIÓN DEL
GAS.
Capa de gas butano
Conducto de gas butano
Burbujeo presente en la fase líquida
Figura2. Representación del montaje para la recolección del
gas butano.
4.1.2 TABLA RESUMEN DE DATOS EN EL MONTAJE DE RECOLECCIÓN DE GAS BUTANO
Cálculos requeridos
Masa Molar esperada:
C4H10
C=12g
H=1g
12*4=48
10*1=10
48+10=58g
Masa Molar calculada
p (atm)=0,73 v(l)=0,14 T(K)= 290.35
r= 0,82 n=masa de gas/masa molar del gas
Se despeja n de la ecuación general de gases.
n=pv/rt
0 (atm) * 14(l) /0,0082*290.35(K)= 0,0042 mol
n=masa de gas/masa molar del gas
n= 0.246 g/0.0042mol=58,57g/mol
Volumen de gas asignado
140mL
0,14L
Volumen de gas recogido de verdad
140mL
0,14L
Masa Inicial del Encendedor (g)
16,5g
Masa final del Encendedor (g)
16,2g
Masa gas recogido (g)
0,24g
Altura de la columna de agua.
12,8cm
128mm
Temperatura del agua del sistema
17,2°c
290,35°k
Presión atmosférica en el laboratorio
560mmHg
0,73atm
Presión de vapor de agua (en tablas)
1455mmHg
Densidad del agua (g/mL)
0,99988804g/ml
Densidad del mercurio (g/mL)
16,6g/ml
Masa molar esperada (g/mol)
58 g
Masa molar calculada (g/mol)
58,57 g/mol
Error relativo para el dato de masamolar
0,57 g/mol
Error absoluto para el dato de masa molar
0,09
Porcentaje de error, para el dato de masa molar
57%
Tabla 1: Datos del procedimiento para estudiar la relación Masa-Volumen.
4.1.3RESULTADOS GRUPALES
Grupo de trabajo
Volumen asignado (mL
Volumen real (mL)
Masa del gas recolectado (g)
1
40
40
0,069
2
60
40
0,128
3
80
80
0,144
4
100
100
0,192
5
120
122
0,206
6
140
140
0,246
7
160
160
0,301
8
180
180
0,305
9
200
202
0,306
10
220
220
0,385
11
240
242
0,439
Tabla2. Medidas grupales con los resultados del montaje para la recolección de un gas
4.1.4 DIAGRAMA DE DISPERSICIÓN RELACIÓN VOLUMEN MASA DEL GAS
Grafico 1: Relación en directa entre el volumen de gas butano registrado, con
respecto al volumen.
4.2 VERIFICACION DE LA LEY DE BOYLE
4.2.1 TABLA DE CÁLCULOS REQUERIDOS
CÁLCULOS REQUERIDOS:
L=7.5 cm
L= 75 mm
Pgas =Patm +L sen(α)
α
Y
L
X
V
30a°
31 cm
7,5 cm
13 cm
10,5 cm
60a°
31 cm
7,5 cm
13,3 cm
10,2 cm
90a°
31 cm
7,5 cm
13,5 cm
10 cm
270a°
31 cm
7,5 cm
10,5 cm
13 cm
300a°
31 cm
7,5 cm
10,8 cm
12,7 cm
330a°
31 cm
7,5 cm
11,3 cm
12,2 cm
360a°
31 cm
7,5 cm
12,3 cm
11,2 cm
Tabla 3: Posiciones del tubo de gases en cada uno de los ángulos, con sus
respectivas medidas.
4.2.2PRESIÓN DEL
GAS CONFINADO EN EL TUBO.
α
ECUACIÓN
PRESIÓN DEL GAS
30a°
=(560 mmHg) +(75mmSen30a°)
597.5 mmHg
60a°
=(560 mmHg) +(75mmSen60a°)
624.9 mmHg
90a°
=(560 mmHg) +(75mmSen90a°)
635 mmHg
270a°
=(560 mmHg) +(75mmSen270a°)
485 mmHg
300a°
=(560 mmHg) +(75mmSen300a°)
495.04 mmHg
330a°
=(560mmHg) +(75mmSen330a°)
522.5 mmHg
360a°
=(560 mmHg) +(75mmSen360a°)
560 mmHg
Tabla 4: Presión del gas confinado en el tubo según sus respectivos ángulos.
4.2.3 TABLA CON LAS MEDIDAS DE LA INVERSA DE A PRESION DEL GAS
α
PRESIÓN DEL GAS
INVERSA DE LA PRESIÓN DEL GAS (1/P)
VOLUMEN
30a°
597,5
0,00167364
10,5
60a°
624,9
0,001600256
10,2
90a°
635
0,001574803
10
270a°
485
0,002061856
13
300a°
495,04
0,002020039
12,7
330a°
522,5
0,001913876
12,2
360a°
560
0,001785714
11,2
Tabla 5: Cálculo de la inversa de la presión del gas confinado en el tubo,
según los respectivos ángulos.
4.2.4GRÁFICA DE PRESÓN DEL
GAS CONTRA VOLUMEN.
Grafico2: Grafica de la relación entre presión y volumen encontrada en el gas
para cada uno de los ángulos en que se posiciona el tubo de gases.
4.3 VERIFICACION DE LA LEY DE CHARLES.
Temperatura
Y
L
X
V
Temperatura ambiente
31 cm
7,5 cm
13.1cm
10,4 cm
45a°C
31 cm
7,5 cm
13cm
10,5 cm
3a°C
31 cm
7,5 cm
13.7cm
9.8 cm
Tabla 6: Resultados de introducir el tubo de gases a diferentes temperaturas.
4.3.1 Gráfico de la relación entre la temperatura y el volumen
Grafico 3. Describe la relación directamente proporcional que existe entre el
volumen y la cantidad de temperatura invertida en el tubo de Gases trabajado en
el laboratorio.
4.4 COMPARACION DE LAS LEYES DE BOYLE Y CHARLES
Temperatura a°C
Temperatura a°K
Volumen
Relación V/T
Temperatura ambiente
290,35a°K
10,4cm
0,0358188cm/°K
45a°C
318,15a°K
10,5cm
0,0330033 cm/°K
3a°C
276,15a°K
9,8cm
28,178571 cm/°K
Tabla 6: Comparación de temperatura, volumen y surespectiva relación -
5DISCUSIÓN:
A la hora de realizar la recolección del gas butano, por empuje del agua, se
pueden tener como punto de partida algunos postulados del principio de
Arquímedes con respecto a materiales sumergidos, en donde se indica que los
elementos con mayor densidad se sitúan en la parte inferior o hacia el fondo
del recipiente y también en dónde se anota que el volumen sumergido en fluidos,
es igual al volumen desplazado; si revisamos el gas butano con una densidad
(0,0025 g/cm3) inferior a la del agua (0,9998804 g/cm3) y su comportamiento,
podemos explicar el burbujeo que se observa en el agua, que asciende a través
de la misma y hace que esta se desplace hacia la parte inferior del tubo de
ensayo saliendo hacia el baño de María, midiendo de esta manera con precisión
el volumen de gas introducido al sistema (Hewitt, 2004).
La gráfica realizada con los valores grupales de masa del gas y volumen del
mismo, presentan un coeficiente de correlación de 0,85 %, lo que nos indica que
los datos se encuentran en un estado de homogeneidad tal, como para afirmar que
en este caso existe una relación directa entre el volumen y la masa del gas
butano suministrado al montaje. Lo anterior se puede validar mediante la
hipótesis de Avogadro que indica que “a volúmenes iguales de diversos gases,
medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura, contienen el mismo
número de moléculas”, puesto que en la actividad trabajada en el laboratorio,
la variable trabajada fue el volumen manteniendo constantes presión y temperatura(Bush, 1970).
Un fluido con presión negativa estaría enun estado de
tensión semejante al de una cuerda estirada. Los gases, gracias a su
compresibilidad, no tienen presiones negativas; sin embargo en la práctica de
verificación de la ley de Boyle, en ángulos negativos, se observa que el
resultado de la presión de gas en atmosferas toma valores negativos; lo que
describe un desequilibrio entre la presión del interior del tubo, con respecto
a la atmosférica. Cuando se procede a trabajar con mmHg, se observa que los
valores se estabilizan y eso tiene una validación teórica al revisar el
concepto de medida de presión atmosférica trabajado por Torricelli, quien
realiza su barómetro con un tubo de 76mm que contenía Hg, similar al tubo de
gases manejado en la práctica de laboratorio y da indicios de que la presión
atmosférica trabajada es simplemente la que se encuentra sobre la columna de
Hg, quitando paso al desequilibrio que genera el pensar en toda la atmosfera
con respecto a la presión trabajada en el tubo para gases (Cromer,2007).
La ley de Boyle dicta: “el volumen de una cantidad fija de gas mantenida a
temperatura constante es inversamente proporcional a la presión”, lo que se
observa en la gráfica realizada de volumen contra la inversa de la presión del
gas. Por su parte la ley de Charles dice “el volumen de una cantidad fija de
gas mantenida a presión constante es directamente proporcional a la temperatura
absoluta”, lo cual representa la gráfico #3 que tiene un R de 0,83% que indica
que los datos se encuentran muy homogeneizados.(Brown,2004)
Finalmente al relacionar el comportamiento de las variables (v, T, P, n), a
través de cadauno de los postulados trabajados a través de la historia,
encontramos que existen una serie de Gases hipotéticos cuyo comportamiento se
describe perfectamente en la ley del gas ideal. (Pv=nRT)(Brown, 2004)
5.1Preguntas de reflexión.
1. sCon cuantas cifras significativas puede expresar las masas que determinó en
la balanza?
Al pesar inicialmente el encendedor la masa que determino la balanza fue de
16.530 g, solo se utilizaron 3 cifras significativas, porque cuando se realizan
los cálculos, todos los valores deben tener el mismo número de cifras
significativas para a favor de su exactitud. Se trabajó con el valor de 16.5 g como la masa inicial del encendedor, de igual
manera con la masa final.
2. Comente que tipo de relación encontró para la masa y el volumen del
gas recolectado al hacer la gráfica? sCuál de las leyes o principio de los
gases se está estudiando? sCuál otra grafica se puede elaborar para el estudio
de esta ley o principio sLa grafica pasa por las
coordenadas (0 )? sQue esperaría,
por qué?
Los datos grupales de la masa y el volumen del gas recogido,
tienden a estar ubicados en una línea recta, el grafico 1 muestra la relación
proporcional entre estos; a mayor volumen, mayor masa. En esta actividad
experimental se está verificando las leyes de Boyle, otra gráfica que puede
representar dicha ley es una rama de hipérbola
equilátera, que muestra que para cualquier gas que se mantenga a temperatura
constante, ha de cumplirse que el producto de la presión a que está sometido
por el volumen que ocupa es constante. (0 )
3. sPor qué se determina la temperatura del
sistema?sCómo se afecta la presión de vapor del agua y su densidad?
Hallar la temperatura del sistema es fundamental, porque los gases se ven
afectados por esta, en la verificación de las leyes de Charles se midieron tres
temperaturas diferentes, y los resultados de la presión y densidad se afectaron
porque, dependen del volumen y este cambio, temperatura y volumen poseen una
relación directamente proporcional; a mayor temperatura mayor volumen.
4. sCuáles diferencias encontró entre el termómetro empleado y el de uso clínico que usa en su casa?
El termómetro clínico utilizado en el hogar no mide la
temperatura ambiente, y el capilar de mercurio es mucho más fino que el de los
termómetros de laboratorio, por lo tanto al medir la temperatura corporal esta
queda fija y s debe bajar agitándolo. Los termómetros del laboratorio
5. Discuta las diferencias que encontró con respecto al esperado, al calcular
la masa molar del
gas. sA qué se deben?
La masa esperada del
gas viene de calcular sus masas por separado (C4H10) (12*4=48
(1*10=10)= 58g ; y en la calculada se cuenta con la presión, temperatura,
volumen, y la constante. Difieren en muy poco porque los
cálculos son más exactos.
6. sEn qué aspectos de su vida profesional cree Ud. que puede ser importante manejar adecuadamente los conceptos
y ecuaciones de los gases?
En la ingeniería agronómica se trabajará con varios tipos de sustancias
liquidas, solidas y gaseosas para la elaboración de algunos productos que se
manejan para la buena producción de alimentos, como fertilizantes,
plaguicidas, hormonas, entre otros. Como
jóvenes en proceso deaprendizaje nos será muy útil el manejo de los gases para
ayudar a la innovación y mejoría de los productos de desarrollo ya
establecidos.
Los cambios en la agricultura perjudican al planeta con la emisión de gases
invernadero, como
el metano (CH4), producido por la ganadería a gran escala, el oxido de
nitrógeno (N2O) por la fertilización desmedida de los suelos agrícolas
producida por los humanos, el suelo produce y/o consume naturalmente dióxido de
carbono (CO2), metano (CH4) y óxido de nitrógeno (N2O). Con los cambios en la
agricultura convencional (usando químicos) las emisiones aumentaron
sustancialmente, todos estos gases se deben ser identificar, estudiar, evaluar
y entender sus comportamientos, para formar alternativas de manejo adecuado
para que su emisión no sea tan perjudicial para la sociedad.
6. BIBLIOGRAFÍA.
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