Informe Prac 2 Fisicoqu Mica I;

Fuel (7/07/2020)

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Determinación de la masa molar y la densidad de un gas, caso del butano Annie Selena Murcia Salazar, Nasly Alejandra Ardila Murcia ⇑ Química de compuestos de coordinación, Programa de Química, Facultad de Ciencias båsicas, Universidad de la Amazonía, CL 17 Diagonal 17con, Cra. 3F, Florencia, Colombia

Resumen

Palabras clave Peso molecular, densidad, butano, ecuaciĂłn de la ley de los gases.

La cuantificaciĂłn del peso molecular y la densidad del gas butano (C4H10) contenido en un encendedor comercial, se obtuvo mediante la ecuaciĂłn de la ley de los gases modificada y la pendiente resultante de la relaciĂłn de m gas Vs Vgas, considerando las variables de presiĂłn (P), temperatura (T) , masa de gas (m gas) y volumen de gas (Vgas), donde la P y T permanecen constantes; al realizar el tratamiento de datos se logrĂł determinar que la densidad experimental del butano es 1.26 g/L con un error de 50%y el peso molecular con su respectiva incertidumbre es 32,26 Âą0,5 g/mol con un error de 44,4 %. .

Abstract Keywords

Molecular weight, density, butane, gas law equation

The quantification of the molecular weight and the density of the butane gas (C4H10) contained in a commercial lighter, was obtained by means of the modified gas equation and the resulting slope of the relation of mgas Vs Vgas, considering the pressure variables (P) , temperature (T), gas mass (mgas) and gas volume (Vgas), where the P and T remain constant; when carrying out the data treatment, it was possible to determine that the experimental density of butane is 1.26 g / L with an error of 50% and the molecular weight with its respective uncertainty is 32.26 Âą 0.5 g / mol with an error of 44, 4 %.

Š 2020 Elsevier Ltd. All rights reserved 1. Introducción

La ley de los gases se resume en una ecuación, utilizando las variables de temperatura, presión, volumen, moles a partir de la leyes de Boyle, Charles y Avogadro, donde un gas ideal sigue con exactitud estas leyes propuestas, exhibiendo desviaciones mínimas que se apartan de la idealidad, por ende el ⇑ Autor correspondiente.

E-mail: n.ardila@udla.edu.co .

comportamiento de los gases ideales puede resumirse de la siguiente forma: (Kenneth W. Whitten, Raymond E. Davis, M. Larry Peck, George G. Stanley, 2015)

1 (a T y n constantes) đ?‘ƒ đ??żđ?‘’đ?‘Ś đ?‘‘đ?‘’ đ??śâ„Žđ?‘Žđ?‘&#x;đ?‘™đ?‘’đ?‘ đ?‘‰ âˆ? T (a P y n constantes) đ??żđ?‘’đ?‘Ś đ?‘‘đ?‘’ đ??ľđ?‘œđ?‘Śđ?‘™đ?‘’ đ?‘‰ âˆ?

N. Ardila-Murcia et al. / Fuel (2017) 7–16

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đ??żđ?‘’đ?‘Ś đ?‘‘đ?‘’ đ??´đ?‘Łđ?‘œđ?‘”đ?‘Žđ?‘‘đ?‘&#x;đ?‘œ đ?‘‰ âˆ? n (a T y P constantes) En resumen đ?‘‰ âˆ?

đ?‘›đ?‘‡ (Sin restricciones) đ?‘ƒ

Como se indicĂł, una proporcionalidad puede escribirse como igualdad si se introduce una constante de proporcionalidad, para la cual se usarĂĄ el sĂ­mbolo R. Con esto se obtiene (Kenneth W. Whitten, Raymond E. Davis, M. Larry Peck, George G. Stanley, 2015)

PV= nRT Donde P= PresiĂłn V= Volumen n= NĂşmero de moles R= Constante de los gases (0,082

đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘šâˆ—đ??ż đ?‘šđ?‘œđ?‘™âˆ—đ??ž

2.3 Procedimiento Para la determinaciĂłn del peso molecular y la densidad del gas, primero se midiĂł la temperatura del laboratorio, continuamente se llenĂł una probeta de 10 mL con agua, la cual se sumergiĂł de manera invertida en un recipiente que contenĂ­a agua, nos aseguramos que dentro de la probeta no existiera la mĂ­nima cantidad de aire puesto a que puede causar interferencias en los resultados, seguidamente se pesĂł el encendedor en la balanza analĂ­tica, luego se conectĂł el encendedor como fuente de gas por debajo de la probeta invertida mediante una manguera pequeĂąa ( Fig 1.), se comenzĂł a medir el desplazamiento de agua que producĂ­a el gas, el cual corresponde al volumen del butano, luego de terminar el procedimiento, nuevamente se pesĂł el encendedor para obtener la diferencia de masa de este, se realizĂł 5 medidas a diferentes volumen para lograr graficar los datos obtenido de masa del gas vs el volumen, es importante destacar que este procedimiento se realizĂł por triplicado para obtener una mejor exactitud en los datos.

T= Temperatura La determinaciĂłn de la masa molecular de un gas se puede comprobar que la densidad de los gases a temperatura ambiente o de vapores de lĂ­quidos muy volĂĄtiles es proporcional a la masa molecular del gas del vapor, (Ebbing D. Darrell, Gammon D. Steven, 2009,) donde la densidad de una sustancia es su masa divida entre su volumen, teniendo en cuenta que este volumen varĂ­a dependiendo su temperatura y presiĂłn, es importante conocer aquellos gases que tengan un comportamiento ideal, en este caso el butano cumple con los requisitos por tal razĂłn se puede estudiar mediante la ley de los gases teniendo una temperatura alejada del punto de ebulliciĂłn y una presiĂłn cercana a la atmosfĂŠrica (B.P. Levitt, 1979).

Otra forma de poder calcular la masa molecular y la densidad es a travĂŠs de una pendiente obtenida mediante un proceso experimental que consiste en medir el volumen y la masa de un gas, los cuales se representa mediante una grĂĄfica, obteniendo una pendiente que se representa de la siguiente manera

Fig 1. Montaje experimental Datos y ecuaciones EcuaciĂłn 1. ExpresiĂłn para cĂĄlcular el peso del butano

(Castellan, G.W. 1987).

đ?‘ƒđ?‘’đ?‘›đ?‘‘đ?‘’đ?‘›đ?‘Ąđ?‘’ =

đ?‘€đ?‘ƒ đ?‘…đ?‘‡

Donde la temperatura y la presiĂłn son constantes, cabe resaltar que este mĂŠtodo demuestra el comportamiento ideal del gas.

2.

Desarrollo experimental

2.1.

Materiales y equipos

Se utilizĂł una probeta de 10 mL, recipiente plĂĄstico, manguera pequeĂąa, balanza analĂ­tica, encendedor (fuente de gas butano), termĂłmetro.

2.2.

Reactivos

Se utilizĂł gas butano contenido en un encendedor comercial.

đ?‘ƒđ?‘’đ?‘ đ?‘œ đ?‘‘đ?‘’đ?‘™ đ?‘”đ?‘Žđ?‘ = đ?‘ƒđ?‘’đ?‘ đ?‘œ đ?‘‘đ?‘’đ?‘™ đ?‘’đ?‘›đ?‘?đ?‘’đ?‘›đ?‘‘đ?‘’đ?‘‘đ?‘œđ?‘&#x; đ?‘–đ?‘›đ?‘–đ?‘?đ?‘–đ?‘Žđ?‘™ − đ?‘?đ?‘’đ?‘ đ?‘œ đ?‘‘đ?‘’ đ?‘’đ?‘›đ?‘?đ?‘’đ?‘›đ?‘‘đ?‘’đ?‘‘đ?‘œđ?‘&#x; đ?‘“đ?‘–đ?‘›đ?‘Žđ?‘™ EcuaciĂłn 2. Ley de los gases ideales en funciĂłn del peso molecular đ?‘›=

đ?‘ƒâˆ—đ?‘‰ đ?‘…∗đ?‘‡

EcuaciĂłn 3. ExpresiĂłn de derivada repecto al volumen đ?œ• đ?‘ƒâˆ—đ?‘‰ đ?‘ƒ ( )= đ?œ•đ?‘‰ đ?œ•đ?‘‰ đ?‘… ∗ đ?‘‡ đ?‘…∗đ?‘‡ EcuaciĂłn 4. ExpresiĂłn para cĂĄlcular la tolerancia del peso molecular ∆đ?‘› =

đ?‘ƒ ∆đ?‘‰ đ?‘…∗đ?‘‡

EcuaciĂłn 5. ExpresiĂłn de la densidad del gas đ??ˇđ?‘’đ?‘›đ?‘ đ?‘–đ?‘‘đ?‘Žđ?‘‘ =

đ?‘ƒđ?‘’đ?‘ đ?‘œ (đ?‘”) đ?‘€âˆ—đ?‘ƒ = đ?‘ƒđ?‘’đ?‘›đ?‘‘đ?‘–đ?‘’đ?‘›đ?‘Ąđ?‘’ đ?‘‘đ?‘’ đ?‘™đ?‘Ž đ?‘&#x;đ?‘’đ?‘?đ?‘Ąđ?‘Ž = đ?‘‰đ?‘œđ?‘™đ?‘˘đ?‘šđ?‘’đ?‘› (đ??ż) đ?‘…∗đ?‘‡

N. Ardila-Murcia et al. / Fuel (2020) 3

10 20 30 40 50

Ensayo 2 Peso Peso

Ensayo 3 Peso Peso

inicial

final

inicial

final

inicial

final

(g) 15,773 7 15,748 6 15,735 8 15,722 7 15,710 6

(g) 15,74 86 15,73 58 15,72 27 15,71 06 15,69 76

(g) 15,697 6 15,673 5

(g) 15,67 35 15,66 1 15,64 81 15,63 39 15,62 38

(g) 15,623 8 15,599 8 15,587 7 15,575 1 15,562 2

(g) 15,59 98 15,58 77 15,57 51 15,56 22 15,55 04

±0,00 01

±0,000 1

±0,00 01

15,661 15,648 1 15,633 9

incerti ±0,000 ±0,00 ±0,000 dumbr 1 01 1 e Patm Florencia = 0,971 atm, T° de trabajo 22 °C

Patm agua=0,026 atm

Ensayo 2

0.08 0.06 0.04

y = 1.265x + 0.0116 R² = 0.9978

0.02 0

0

0.02

0.04

0.06

volumen desplazado (L) Ilustración 2. Grafica mgas vs Vgas para el ensayo 2

Peso del gas (g)

Vdes (mL)

Ensayo 1 Peso Peso

Peso del gas (g)

Tabla 1. Datos obtenidos en la práctica de laboratorio

Ensayo 3

0.08 0.06 0.04

y = 1.243x + 0.0115 R² = 0.9998

0.02 0 0

Tabla 2. Peso del gas introducido en la probeta

Volumen (L) 0,01

Ensayo 1 peso del gas (g) 0,0251

Ensayo2 peso del gas (g) 0,0241

Ensayo 3 peso del gas (g) 0,024

0,02

0,0379

0,0366

0,0361

0,03

0,051

0,0495

0,0487

0,04

0,0631

0,0637

0,0616

0,05

0,0761

0,0738

0,0734

Tabla 3. Desviación estándar y porcentaje de error relativo calculado a partir de la toma de datos Desviación Estándar

%E. R

Ensayo 1

0,005

36,4

Ensayo 2

0,005

36,8

Ensayo 3

0,005

35,6

0.04

0.06

Ilustración 3. Grafica mgas vs Vgas para el ensayo 3 Tabla 4. Densidad y peso molecular calculado del gas para cada ensayo Densidad g/L

peso g/mol

1,3

32,6±0,5

1,3

32,4±0,5

1,2

31,8±0,5

Ensayo 1 Ensayo 2 Ensayo 3

Densidad teórica g/L

peso teórico g/mol

2,52

58,12

Tabla 5. Porcentaje de error calculado en la densidad y la masa molecular del gas butano

Ensayo 1 Peso del gas (g)

0.02

volumen desplazado (L)

%Error Densidad

%Error peso

Ensayo 1

49,5

43,9

Ensayo 2

49,8

44,2

Ensayo 3

50,7

45,2

0.08 3. Resultados y análisis

0.06 y = 1.272x + 0.0125 R² = 0.9999

0.04 0.02 0 0

0.02

0.04

volumen desplazado (L) Ilustración 1. Grafica mgas vs Vgas para el ensayo 1 ⇑ Autor correspondiente.

E-mail: n.ardila@udla.edu.co .

0.06

Para la determinación del peso molecular y la densidad del gas butano, se tomó el gas butano con un comportamiento de gas ideal, donde se relacionan las variables de P: presión (atm), T: temperatura (K), V: volumen (L) y n: masa molecular del gas (g/mol) mediante la ecuación de estado de los gases ideales (ecuación 2). El desarrollo de la práctica se realizó por triplicado con el fin de obtener la validación del método, además se midió la temperatura y se realizó la corrección de la presión absoluta

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como se evidencia en la tabla 1. El peso del gas introducido en la probeta se calculĂł mediante la ecuaciĂłn 1 y los valores se encuentran reflejados en la tabla 2. El cĂĄlculo de la incertidumbre de medida del peso molecular se realizĂł efectuando la derivada de la masa molecular del gas respecto al volumen como se evidencia en las ecuaciones 3 y 4 respectivamente.

Con el propĂłsito de calcular la densidad del gas empleado durante la prĂĄctica se tiene en cuenta la ecuaciĂłn 5, donde la densidad es equivalente a la pendiente de la recta; en la ilustraciĂłn 1, 2 y 3 se observa la grĂĄfica de mgas vs Vgas para cada ensayo efectuado, presentando el coeficiente de correlaciĂłn de Pearson (R2) aproximadamente a uno (1), es decir, los valores numĂŠricos poseen comportamiento lineal simple, Sin embargo, los valores de la pendiente son inferiores a los esperados (tabla 4), este comportamiento se explica mĂĄs adelante.

Con el objetivo de calcular la masa molecular del gas, se realizĂł el requerido tratamiento estadĂ­stico a los pesos del gas en cada ensayo y se hallĂł en porcentaje de error relativo al redor de 36%, es decir, la toma de mediciones no se efectuĂł de forma adecuada, ademĂĄs se calculĂł la desviaciĂłn estĂĄndar, encontrando un valor estimado del 0,005 lo cual indica una insignificante dispersiĂłn en el conjunto de datos numĂŠricos como se muestra en la tabla 3. El peso molecular calculado y la densidad evaluada para el gas empleado en la prĂĄctica se observa en la tabla 4, dichos valores experimentales se encuentran muy por debajo de los teĂłricos debido a lo anteriormente discutido, con una incertidumbre de Âą0,5 para la masa molecular del gas butano. El porcentaje de error obtenido respecto a la densidad y la masa molecular se demuestran en la tabla 5, encontrando un %de error promedio del 50% para la densidad y 44,1% para la masa molecular del gas butano.

4. Conclusiones

Los valores obtenidos de manera experimental en la determinaciĂłn de la densidad y el peso molecular del gas butano se encuentran considerablemente alejados al valor teĂłrico.

Castellan, G.W. 1987. FisicoquĂ­mica. Addison-Wesley Iberoamericana, Argentina-MĂŠxico.

Chang, R (2010). QuĂ­mica (10th ed., pp. 258-261). MĂŠxico: McGraw-Hill/Interamericana editores S.a. DE C.V ANEXO Bajo condiciones anaerĂłbicas una suspensiĂłn de la bacteria Micrococcusdenitrificans reduce cuantitativamente el nitrato a gas nitrĂłgeno si tambiĂŠn se suple con un exceso de sustrato oxidable, por ejemplo succinato. đ?&#x;? đ?‘ľđ?‘śđ?&#x;‘ − → đ?‘ľđ?&#x;? + đ?&#x;? đ?‘śđ?‘Żâˆ’ + đ?&#x;’ đ?‘Żđ?&#x;?đ?‘ś En una botella cerrada de 2 dm3 de capacidad con una atmĂłsfera inicial de oxĂ­geno libre de N2, y a 100 kPa, se incuban 200 cm3 de una suspensiĂłn lavada de M. denitrificans, suplementada con un exceso de succinato y 0.25 mol de nitrato, temperatura de incubaciĂłn 303 K ÂżCuĂĄl serĂĄ la presiĂłn final de gas en la botella despuĂŠs de la reducciĂłn completa del nitrato? (Considerar solubilidad despreciable de N2 en el medio de cultivo).

Convertir de dm2 a L đ?‘‰ = 2đ?‘‘đ?‘š 2 ∗ Pasar de kPa a atmosferas đ?‘ƒđ?‘œ2 = 100 đ?‘˜đ?‘ƒđ?‘Ž

5. Referencia

Kenneth W. Whitten, Raymond E. Davis, M. Larry Peck, George G. Stanley, 2015, resumen de las leyes de los gases: ecuaciĂłn de los gases ideales en: QuĂ­mica, 10a. ed.

Pag 415, MĂŠxico.

Ebbing D. Darrell, Gammon D. Steven, 2009, densidad de un gas determinaciĂłn de la masa molar en: QuĂ­mia general, 9th ed. Pag. 189, MĂŠxico.

B.P. Levitt, 1979, densidades de gases y vapores en: QuĂ­mica fĂ­sica prĂĄtica de Findlay, 9th ed. Pag 72, EspaĂąa.

1 đ?‘ƒđ?‘Ž 1 đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘š ∗ = 0,986 đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘š 1đ?‘˜đ?‘ƒđ?‘Ž 101325 đ?‘ƒđ?‘Ž

n=0,25 mol de NO3- ; T= 303 K 0,25 đ?‘šđ?‘œđ?‘™ đ?‘‘đ?‘’ Nđ?‘‚3− ∗

1 đ?‘šđ?‘œđ?‘™ đ?‘‘đ?‘’ đ?‘ 2 = 0,125 mol de đ?‘ 2 2 đ?‘šđ?‘œđ?‘™ đ?‘‘đ?‘’ Nđ?‘‚3−

EcuaciĂłn de la ley de los gases đ?‘ƒđ?‘‰ = đ?‘›đ?‘…đ?‘‡ Para determinas la PN2 se despeja de la siguiente manera la

ecuaciĂłn de la ley de los gases

La principal fuente de error en la determinaciĂłn se debiĂł a la inexactitud de mediciĂłn, con un %error relativo del 36%.

El porcentaje de error calculado para la densidad fue del 50% y para la masa molecular del 44,1%

1đ??ż = 2đ??ż 1đ?‘‘đ?‘š 2

đ?‘ƒđ?‘ 2 =

��� �

đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘š ∗ đ??ż ) (303 đ??ž) đ?‘šđ?‘œđ?‘™ ∗đ??ž đ?‘ƒđ?‘ 2 = = 1,552 đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘š 2đ??ż Determinando la presiĂłn de N2 se puede obtener la presiĂłn total de la botella encerrada de la siguiente manera (0,125 đ?‘šđ?‘œđ?‘™) (0,082

đ?‘ƒđ?‘Ąđ?‘œđ?‘Ąđ?‘Žđ?‘™

đ?‘ƒđ?‘Ąđ?‘œđ?‘Ąđ?‘Žđ?‘™ = đ?‘ƒđ?‘œ2 + đ?‘ƒđ?‘ 2 = 0,986 đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘š + 1,552 đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘š đ?‘ƒđ?‘Ąđ?‘œđ?‘Ąđ?‘Žđ?‘™ = 2,538 đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘š

Por lo cual la presiĂłn final de gas en la botella despuĂŠs de que se generara la reducciĂłn complete de nitrato es 2,538 atm

N. Ardila-Murcia et al. / Fuel (2020)

(ii) La presiĂłn total de una mezcla de oxĂ­geno e hidrĂłgeno es 1 atm. La mezcla se incendia y el agua formada se separa. El gas restante es hidrĂłgeno puro y ejerce una presiĂłn de 0,4 atm. Cuando se mide en las mismas condiciones de T y V que la mezcla original. ÂżCuĂĄl era la composiciĂłn original de la mezcla en porcentaje en mol?

P= 1 atm PH(puro) = 0,40 atm đ?‘‹đ??ť(đ?‘?đ?‘˘đ?‘&#x;đ?‘œ) =

đ?‘‹đ?‘‚2

đ?‘ƒđ??ť(đ?‘?đ?‘˘đ?‘&#x;đ?‘œ) 0,40 đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘š = = 0,40 đ?‘?

1 đ?‘Žđ?‘Ąđ?‘š

đ?‘‹đ??ť2 = 2 * 0,40 = 0,80 đ?‘‹đ??ť2 = 0,80 * 100 =80% đ?‘‹ = đ?‘‹đ?‘‚2 + đ?‘‹đ??ť2 đ?‘‹đ?‘‚2 = đ?‘‹ − đ?‘‹đ??ť2 = 1 − 0,80 = 0,20 ∗ 100 = 20%

⇑ Autor correspondiente.

E-mail: n.ardila@udla.edu.co .

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