Determinación de la densidad de un gas

2. Objetivos
3. Introducción teórica
4. En usos industriales
5. Cuestionario
6. Conclusiones

OBJETIVOS:

* Producir oxigeno por la descomposición de bióxido de plomo (PbO2).

* Calcular la densidad del oxigeno, a las condiciones a las que se desarrolla el experimento.

* Corregir la densidad del oxigeno, de las condiciones del experimento a la estandar de temperatura y presión.

* Determinar el error relativo, comparando la densidad experimental contra la densidad teórica del oxigeno.

INTRODUCCIÓN TEÓRICA.

Para poder determinar la densidad de un material, es necesario conocer el peso especifico de cada material, es decir la relación que existe entre (N/m3), esto es la masa multiplicada por la gravedad entre el volumen que ocupa; por otra parte es necesario mencionar que la densidad es la relación que existe entre la masa de un material y el volumen que ocupa y sus unidades son diferentes a las de el peso especifico, ya que están dadas en (kg/m3).las unidades de densidad y peso especifico se pueden expresar en la unidades del sistema ingles.

Para lo anterior tenemos lo siguiente:

Entonces de acuerdo a la formula anterior, podemos hacer una relación con la formula de los gases ideales, lógicamente sabiendo los principios de los gases ideales se hace la siguiente relación, entonces tenemos:

Entonces tenemos:

Pero trabajando con un sistema particular, en este caso de gases, tenemos lo siguiente:

r = densidad del gas; m = masa del gas; V = volumen del sistema; PM = peso molecular del gas;

R = constante universal de los gases; P = presión del sistema y T = temperatura del sistema. Todas las variables con sus unidades correspondientes.

Además de esto sabemos que la densidad de un gas esta en proporción directa a la presión e inversa a la temperatura la densidad de los gases se puede rescribir de presión inicial y presión final esto es:

Usando las formulas anteriores, podemos determinar la densidad de un gas, a continuación se presentan una serie de procedimientos, que se realizan , para determinados experimentos, estos tambien van ligados para la determinación de la densidad de un gas.

EN USOS INDUSTRIALES.

Medición de densidad continuo (Transmisor de densidad).

El medidor de densidad ha mostrado grandes ventajas e insuperables cualidades, cuando se trata de procesos, que por su complejidad necesita del monitoreo de la densidad con altos índices de precisión; ya que al hacerlo en línea se evita el uso de un laboratorio y toda la cantidad de muestras que se deban tomar, que aunque se tomaran a intervalos muy cortos, siempre tendríamos un desfasamiento entre la medición efectuada y la densidad real (actual) a través de la tubería, además que el detector envía una señal de control. Este tipo de medidores tienen gran demanda en la industria de la refinación de gasolinas y derivados del petróleo, por lo crítico de sus procesos y lo peligroso de las áreas donde se requieren, el procedimiento anterior se emplea en procesos complejos.

Para realizar este experimento, utilizamos el siguiente material.

DESARROLLO EXPERIMENTAL:

Actividad 1.- Pesamos en la balanza electrónica 0,5g de bióxido de plomo (PbO2), el cual se metió al tubo de ensayo, obtuvimos los siguientes datos:

• Masa del tubo de ensaye vacío: 22,30g
• Masa de tubo de ensaye + (PbO2): 22,80g
• Masa de (PbO2): 0,5g

Actividad 2.- Se monto el equipo de trabajo como se muestra en el (dibujo), cabe mencionar que se hizo con bastante precaución para no causar algún daño al material; (en este caso no se uso al vaso de precipitados de 250ml

• Llenamos con agua el frasco de boca ancha hasta donde un tubo de vidrio de conexión quede fuera y el otro dentro del nivel del agua.
• Se colocaron los tapones en el tubote ensaye y en la botella respectivamente.
• Colocamos el tubo de ensayo con PbO2 al otro extremo del tubo de conexión más corto.
• Colocamos la probeta vacía al otro extremo del tubo de conexión más largo juntamente con el termómetro de -20°C a 120°C.
• Conectamos el mechero en la línea de gas.

Actividad 3.- Una vez colocado el tubo de ensaye en él tapón vi horadado, con (PbO2); calentamos el tubo de ensaye de una manera uniforme.

Actividad 4 .- Pudimos percibir que el (PbO2), empezó a reaccionar, es decir por la transmisión del calor de la flama el material se empezó a desintegrar, cambio de color café oscuro a un color entre naranja y rojizo, hasta finalmente desintegrarse en su totalidad; se puede mencionar que por la ley de la conservación de la energia esto no sucede y, esto se comprueba en que hubo una reacción.

Actividad 5 .- Se empezó a generar un gas, (O2), el cual produjo que hubiera un desalojo de agua a traves del tubo que va hacia la probeta el cual es igual al volumen del al gas en frasco de boca ancha.

Actividad 6 .- Suspendimos la flama que calentaba el tubo de ensaye, cuando la sustancia que estaba contenida en el desapareció, pues prácticamente nunca se llega a desalojar la cantidad que en el muestrario señalaba (75ml), cabe mencionar que se paso el mechero alrededor del tubo casi cuando se había consumido toda la sustancia para una mejor expansión del gas que tenia el tubo y así, obtener el máximo volumen de agua desalojada, la cual se estaba conteniendo en la probeta.

Actividad 7 .- Ya obtenido nuestro volumen de agua realizamos la medición correspondiente del mismo y obtuvimos lo siguiente.

Volumen de agua (H2O): 44ml.

Actividad 8 .- Se dejó enfriar el tubo de ensaye, para después pesar nuevamente su masa con el residuo que se quedo en el mismo, obtuvimos la siguiente medición:

Masa de tubo de ensaye después de la reacción – Masa del tubo de ensaye vacío: 22,76g- 22,30g

Masa de (PbO2) después del proceso: 0,46g

Los datos que obtuvimos en el proceso del experimento los presentamos en la siguiente tabla.

CUESTIONARIO:

1.- Escribir la ecuación química de la reacción efectuada.

Balanceando la ecuación anterior por el método del tanteo, ya que la misma cantidad de átomos en los reactivos deben de estar en los productos, por la Ley de la conservación de la materia; entonces tenemos lo siguiente:

2.- Calcular la masa en (g) del oxigeno producido.

Masa del tubo con (PbO2) antes de la reacción – Masa del tubo con (PbO2) después de la reacción.

3.- Calcular la densidad del Oxigeno en las condiciones del experimento.

a) Directamente: Por medio del cociente de la masa del oxígeno producido, entre su volumen equivalente del agua.

Volumen de agua (H2O): 44ml. pero 44ml/1000ml = 0,044lts.

Masa O2g: 0,04

b) Indirectamente: Aplicando la ecuación modificada de los gases ideales, (es necesario utilizar la presión parcial del oxígeno en la mezcla).

Nota: para el calculo del PM = S Pesos atómicos.

Para realizar esta actividad partimos del siguiente análisis:

Pero sabemos que Sustituyendo en la ecuación anterior tenemos:

Despejando la presión P de la ecuación anterior tenemos:

Pero para la densidad del O2.

Tenemos:

En este caso se toma la presión parcial del O2, la cual obtenemos de la siguiente forma:

por lo tanto de donde:

Pero como las unidades son mmHg, convirtiéndolo en atmósferas, tenemos:

Sustituyendo en la formula tenemos los siguientes resultados:

4.- Calcular la densidad del oxígeno (O2), en condiciones normales.

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

Como las condiciones de presión y temperatura son normales, tenemos los siguientes valores, señalando que un gas a estas condiciones ocupa un volumen de 22,414lts..

Aplicando la Ley de Avogadro:

entonces Despejando m de la ecuación anterior tenemos:

entonces la masa:

Como la densidad es para el (O2), en condiciones normales de presión y temperatura decimos que:

b) Encontrar el cociente de la masa del oxígeno (O2) producido entre su volumen corregido a esas condiciones de temperatura y presión.

De la formula:

Nota: en este paso las incógnitas iniciales de la ecuación representan los valores experimentales, y las finales las condiciones normales.

Relacionando los datos tenemos:

• V1 = Volumen experimental (0.044lts)
• P1 = Presión atmosférica (585 mmHg);
• T1 = Temperatura ambiente experimental (23oC); (273,15° + 23° = 296,15°K)
• V2 = Volumen molar (22.414lts)
• P2 = Condiciones normales (1atm)
• T2 = Condiciones normales (273oK)

Despejando V1 para hallar volumen corregido tenemos:

c) Aplicando la ley de los Gases Ideales.

entonces:

5.– Calcular el error relativo, entre los valores calculados en:

a) 3a y 3b

b) 4a y 4b.

Para el inciso a tenemos que: 3a es el valor experimental y 3b el valor teórico.

3a: 0,9090g/lts

3b: 0,9765g/lts

a)

Para el inciso b tenemos que: 4a es el valor teórico y 4b el valor experimental.

4a: 1,4276g/lts

4b: 0,9770g/lts

b)

6.– Calcular el porcentaje de bióxido de plomo (PbO2) descompuesto.

Masa del PbO2 antes de la reacción: 0,5g

Masa del PbO2 después de la reacción: 0,46g

0.5 100%

0.46 X

Por lo cual se puede señalar que el porcentaje de PbO2 descompuesto es de 8%.

7.- ¿ Cual debería ser el volumen desplazado para que el porcentaje de error fuera 0?.

Para este punto tomaremos la densidad teórica es decir el resultado de la pregunta 3b esto es:

r = 0,9765g/lts y la masa de (O2) es igual a: 0,04g

De los datos anteriores podemos determinar lo siguiente:

CONCLUSIONES:

En la realización de este experimento comprobamos o bien, encontramos las densidades y el volumen de un gas, cuando este sé desprende de una reacción; cabe señalar que es importante conocer las diferentes maneras de encontrarlos tantos los valores teóricos como los valores experimentales. Además de esto podemos verificar diferentes comportamientos de a partir del método de trabajo o experimental que se realice; por otra parte también hicimos el calculo del error relativo del experimento, entre los valores teóricos-experimentales.

BIBLIOGRAFÍA:

Experimentos de Físico-Química Autor: DAVID P. SHOEMAKER Pág. 61,561.

EDITORIAL: HISPANO AMERICANA.

http://www.elprisma.com/ – Quimica-

http://www.mitareanet.com/gases ideales / densidad

Aarón Hernández