INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE INGENIERIA Y CIENCIAS SOCIALES Y ADMINISTRATIVAS

PRACTICA 3

APLICACIÓN DE PROCESOS QUIMICOS INDUSTRIALES

SEC. 3NME

OBJETIVO:

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:

-Masa del Tubo de Ensayo Vacío.

-Masa del Tubo de Ensayo con PbO2.

TABLA DE DATOS EXPERIMENTALES:

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:

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

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:

PbO2 + " PbO + ½ O2

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”.

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”.

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.

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

% 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.

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