Aplicación de Procesos Químicos Industriales

Química. Experimentación. Densidad de gases. Ley de Boyle Mariotte. Ley de Charles y Gay Lussac

  • Enviado por: Juan Manuel Moreno Caudillo
  • Idioma: castellano
  • País: México México
  • 8 páginas
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'Aplicación de procesos químicos industriales'
'Aplicación de procesos químicos industriales'

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE INGENIERIA Y CIENCIAS SOCIALES Y ADMINISTRATIVAS

PRACTICA 3

APLICACIÓN DE PROCESOS QUIMICOS INDUSTRIALES

SEC. 3NME

OBJETIVO:

  • Producir Oxígeno por descomposición del Bióxido de Plomo.

  • Calcular la Densidad del Oxígeno, a las condiciones en que se desarrolla el experimento.

  • Corregir le Densidad del Oxígeno, de las condiciones del experimento a las estándar de Temperatura y Presión.

  • Determinar el error Relativo, comparando la Densidad Experimental contra la Densidad Teórica del oxígeno.

  • Introducción

    Leyes de Boyle-Mariotte y de Charles y Gay-Lussac

    La ley de Boyle-Mariotte, descubierta a mediados del siglo XVII, afirma que el volumen de un gas varía inversamente con la presión si se mantiene constante la temperatura. La ley de Charles y Gay-Lussac, formulada alrededor de un siglo después, afirma que el volumen de un gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta si la presión se mantiene constante.

    GENERALIDADES:

    La Densidad () es una propiedad intensiva que se define como la masa por la unidad de volumen y puede expresarse en cualesquiera unidades, que tengan las dimensiones ML-3.

    Esto es: Densidad = masa / Volumen. ( = m / V)(1).

    Para el caso de gases ó vapores que se comparten idealmente su Densidad también se puede calcular a partir del conocimiento de las propiedades del sistema, empleando la ecuación de los gases ideales: PV =nRT(2)……..n = m / Pm.(3), por lo tanto: PV = (m / Pm)RT, de donde  = m /V = PmP / RT.(4).

    Donde:  = Densidad del Gas. m = Masa del Gas.

    V = Volumen del Sistema. Pm = Peso Molecular del Gas.

    R = Cte. Uni. Gases Ideales. P = Presión del Sistema.

    T = Temperatura del Sistema.

    Cuando se trabaja con sistemas de mezclas gaseosa, la ecuación anterior queda:

    1 = m1 / V = (Pm)1P1 / RT. Donde el Subíndice (1) se refiere a un componente particular de la mezcla.

    Considerando que la masa contenida en un volumen unitario varía con la temperatura y la presión; siempre deben especificarse cuidadosamente estas condiciones.

    Como la Densidad del Gas está en proporción directa a la presión é inversa a su temperatura, la Densidad de los Gases se puede corregir desde condiciones iniciales (1) a condiciones finales (2) de la siguiente forma: 1 / 2 = V2 / V1 = P1T2 / P2T1.(6).

    Como un g-mol de cualquier Gas a las condiciones normales de Presión y Temperatura ocupa un volumen aproximado de 22.4 litros, es posible calcular la Densidad de cualquier Gas ó vapor a estas condiciones.

    En este experimento, a través de una reacción, se genera Oxígeno Molecular, (Cuya masa se conoce por diferencia de masa de Pb=2, el inicio y final de la Reacción), el cuál es recolectado en un frasco por desplazamiento de agua, en donde se miden las propiedades que permiten calcular la Densidad.

    DESARROLLO EXPERIMENTAL:

    MATERIAL:


    • 1 Tubo de Ensayo.

    • 1 Tapón de Hule No. 3 Monohoradado.

    • 1 Frasco de Boca Ancha de 0.5 Litros.

    • 1 Tapón de Hule No. 12 Bihoradado.

    • 1 Vaso de 250 cm³.

    • 2 Tubos de Vidrio para Conexión.

    • 1 Mechero.

    • 1 Termómetro de -20ºC a 120ºC.

    • 1 Espátula.

    • 1 Balanza.

    PROCEDIMIENTO:

  • Pesar con Precisión 0.5 g de Bióxido de Plomo (PbO2), en el Tubo de Ensayo. Anotar los Datos Correspondientes a:

  • -Masa del Tubo de Ensayo Vacío.

    -Masa del Tubo de Ensayo con PbO2.

  • Montar el Equipo como se muestra en el Esquema:

  • 'Aplicación de procesos químicos industriales'

  • Calentar el Tubo de Ensayo, aplicando la flama sobre toda la superficie del Tubo.

  • Observar la transformación que sufre el PbO2 en el Tubo de Ensayo.

  • Observar que se desprende un Gas, que desaloja una cantidad de agua equivalente al volumen del gas en el frasco de Boca Ancha.

  • Suspender el calentamiento del Tubo de Ensayo cuando se hayan recogido aproximadamente 70 cm³ de agua en el vaso de precipitados.

  • Medir con precisión y anotar el volumen de agua desplazada.

  • Separar el Tubo de Ensayo del sistema y dejarlo enfriar, pesando y anotando la masa del Tubo con Residuo. Nota: Los Datos Experimentales obtenidos é investigados deben representarse en forma de Tablas.

  • TABLA DE DATOS EXPERIMENTALES:

    0.5 gr de PbO2

    95% Pureza

    0.5 gr - 95%

    X - 100%

    X = (0.5 x 100) / 95 = 5.26 gr

    Masa del Tubo de Ensayo

    36.8 gr

    Masa del Tubo con PbO2

    37.326 gr

    Características del PbO2

    Temperatura = 21ºC = 294ºK

    Mezcla Heterogénea

    Reacción Endotérmica

    Baja Eficiencia

    Peso Molecular del Pb

    207 g / mol

    Peso Molecular del O2

    16 x 2 = 32 g / mol

    Peso Molecular del PbO2

    239 g / mol

    Temperatura = 21ºC = 294ºK

    21ºC = 294ºK

    Volumen Experimental del O2

    V* = 63ml = 0.063 litros

    CÁLCULOS Y RESULTADOS:

    a) % Pureza = (Masa Pura / Masa Comercial) x 100 = (0.5 / 0.526) x 100 = 95%

    b) F. Directa O2 = P(O2)Pm / RT = (0.737atm)(32g/mol) / (0.082)(294ºK) = 0.978g/l

    c) 1atm - 760mmHg 1atm - 760mmHg

    X - 585mmHg X - 25mmHg

    X = 0.769 atm X = 0.032 atm

    P(Parcial-O2) =P(Cd.Méx) - PºVAgua = 0.769atm - 0.032atm(Tablas) = 0.373atm

    d) F. Indirecta -------- PbO2 + " PbO + ½ O2 -------- Oxígeno Experimental

    Peso del Tubo de Ensayo y PbO = 37.2gr después del Calentamiento ó Reacción.

    Se sabe que el Tubo de Ensayo pesa 36.8gr, por lo tanto:

    Peso Tubo y PbO - Peso Tubo Solo = 37.2 - 36.8 = 0.4 gr

    Ahora Obtenemos:

    Diferencia entre PbO2 - PbO = 0.526gr - 0.4gr = 0.126gr de O2 Peso del Gas

    Por Último:

     = m(O2) / V(O2)Exp = 0.126gr / 0.063litros = 2g/l Densidad con F. Indirecta

    e) Otro Cálculo para calcular la Densidad Teórica “(O2)” al Nivel del Mar y Ciudad de México:

  • Densidades Teóricas al Nivel del Mar (Condiciones Normales):

  • T1 = 0ºC P1 = 1atm

    m1 = 0.126gr de Oxígeno (En el Laboratorio), por lo tanto, m = 0.126gr

    n = 0.126gr / 32g/l = 3.93x10-³mol

    1mol - 22.4litros

    3.93x10-³mol - X

    X = 88x10-³

    1A (O2) = (1atm)(32g/l) / (0.082)(273ºK) = 1.429g/l

    1B (O2) = m / V* = 0.126gr / 88x10-³ = 1.431g/l

  • Densidad Teórica del Oxígeno “(O2)” en la Ciudad de México:

  • 2A 1 / 2 = P1T2 / P2T1, por lo tanto, 2 = (1) / (P1T2 / P2T1) = 1P2T1 / P1T2

    Como : 1 = 1.429 Al Nivel del Mar

    P2 = 0.769atm En la Ciudad de México

    T1 = 273ºK Al Nivel del Mar

    P1 = 1atm Al Nivel del Mar

    T2 = 294ºK En la Ciudad de México

    2 = [(1.429g/l)(0.769atm)(273ºK)] / [(1atm)(294ºK)] = 1.02g/l

    CUESTIONARIO:

  • Escribir la Ecuación Química de la Reacción efectuada:

  • PbO2 + " PbO + ½ O2

  • Calcular la Masa en gramos del Oxígeno Producido:

  • Nota: La respuesta es de 0.126gr de O2, la cual se obtuvo en el experimento y está representada en la parte de “Cálculos y Resultados”.

  • Calcular la Densidad del Oxígeno en las Condiciones del experimento:

  • Directamente: Por medio del cociente de la masa del Oxígeno producido, entre su volumen equivalente de agua.

  • Indirectamente: Aplicando la ecuación modificada de los gases ideales. (Es necesario utilizar la presión parcial del Oxígeno den la mezcla.

  • Nota: Las respuestas son las siguientes… Directamente = 0.978 g/l é Indirectamente = 2 g/l, las cuales se obtuvieron en el experimento y están representadas en la parte de “Cálculos y Resultados”.

  • Calcular la Densidad del Oxígeno en Condiciones Normales:

  • Encontrando el cociente de la masa de 1 mol en gramos, entre el volumen molar a esas condiciones de temperatura y presión.

  • Encontrar el cociente de la masa de Oxígeno producido entre su volumen corregido a esas condiciones de temperatura y presión.

  • Nota: Los resultados y Operaciones se encuentran en la Parte de “Cálculos y Resultados”, en donde se calculan las Densidades a Nivel del Mar (Condiciones Normales) y Ciudad de México.

  • Calcular el Error Relativo, entre los valores calculados en 3A y 3b, así como entre 4A y 4b:

  • Para los valores de 3a. y 3b:

    Error Relativo = | Teórico - VExperimental | / Teórico

    = | 0.978 g/l - 1.8 g/l | / 0.978 g/l

    = 0.84

    Para los valores de 4a. y 4b:

    Error Relativo = | Teórico - VExperimental | / Teórico

    = | 1.429 g/l - 1.4287 g/l | / 1.429 g/l

    = 0.0002

  • Calcular el porcentaje de Bióxido de Plomo (PbO2) descompuesto:

  • % Rendimiento ó Eficiencia = [m(O2-Experimental) / m(O2-Teórico)] x 100

    Nota: Para calcular el Oxígeno Teórico (Masa), solo debemos revisar la Estequiometría (Pm), es decir, la Estequiometría de Masas: 239(PbO2) - 223(PbO) - 16(O)

    Calculando la m(O2) Teórico con reglas de Tres, basándose en la Ecuación Química de la Reacción, tenemos que: PbO2 + " PbO + ½ O2, donde:

    239(PbO2) - 223(PbO) 239(PbO2) - 16(O)

    0.526gr(PbO2) - X 0.526gr(PbO2) - X

    X = 0.49gr (PbO) X = 0.035 (O) O2 -Teórico

    Aplicando la fórmula del Rendimiento:

    % Rendimiento ó Eficiencia = [m(O2-Experimental) / m(O2-Teórico)] x 100 =

    (0.126 / 0.035) x 100 = 360%

    Como el Valor Experimental del “O2” es “0.126” y el Teórico es de “0.035”, está mal, debido a factores como errores en los instrumentos de medición, residuos… ya que se requiere que el valor experimental deberá ser menor al Teórico.

  • ¿Cuál debería ser el volumen desplazado para que el porcentaje de Error fuera de Cero?:

  • Usando la Fórmula  = m / V Despejando el Volumen V = m / , quedando:

    V = 0.035gr / 0.978g/l = 0.036Litros

    CONCLUSIONES:

    Aprendimos a calcular las densidades de los gases, en este caso el vapor de agua; la densidad la podemos obtener de manera directa o indirecta, con ellas calculamos la densidad a condiciones normales y a nivel de la ciudad de México.

    En esta práctica se pudo observar que por errores al momento de tomar la medida en los instrumentos de medición, se obtuvo un dato experimental mayor que el dato Teórico (rendimiento óptimo), esto quiere decir que afectaron las condiciones en las cuales estuvimos trabajando, lo cual tenemos que regular para la próxima práctica.

    BIBLIOGRAFÍA:

    Crockford, Fundamentos de fisicoquímica. CECSA

    P. Ander, Principios de Química, Limusa

    Microsoft Encarta. 1993-2003

    http://www.quimica.izt.uam.mx/tga/resources/tcbi/problemario-tq.pdf