DETERMINACIÓN DE LA MASA MOLAR DE UN LÍQUIDO VOLÁTIL POR EL MÉTODO DE LAS PRESIONES PARCIALES Introducción La determinación de masas molares es una actividad fundamental para todo químico en la rama que conocemos como química analítica que se encarga de determinar que compuestos existen en una muestra mediante la parte cualitativa de esta ciencia, en nuestros tiempos la aplicación del método de Víctor Meyer que consiste en volatilizar una muestra dada del compuesto problema y medir el volumen de aire por el desplazado a presión y temperatura ambiental, lo cual conduce a la densidad de vapor del compuesto p = M/V Haciendo uso de la ecuación general de los gases, tenemos: PM = ρ RT bien el método de Dumas este método se basa en la determinación de la densidad del vapor del compuesto en cuestión. A diferencia del anterior, determina el volumen ocupado por un vapor a una temperatura superior a su punto de ebullición y determina la masa de ese vapor por pesada, restándole el peso del recipiente que lo contiene. Para el conocimiento de las masas atómicas ya no es tan útil pues existen técnicas más avanzadas como la espectrometría de masas o el láser light scattering. Sin embargo ambas técnicas son complicadas de desarrollar y requieren un gran conocimiento técnico para conocer el funcionamiento de estas técnicas, además de la necesidad de equipo especializado para su desarrollo. Por lo que en la industria cuando se carece de estos equipos y es necesario hacer una determinación rápida de la masa molar de alguna sustancia se ocupa la técnica desarrollada en esta práctica por su simplicidad y facilidad. Ahora bien, si hablamos históricamente acerca de esta técnica representó grandes avances ya que nos permitió a los químicos el conocer las masas de compuestos orgánicos volátiles sin necesidad de procedimientos complicados y con un rango de confianza bastante aceptable.
Objetivo Determinar la masa molar de una sustancia volátil empleando el método de presiones parciales. Cuestionario previo 1. ¿Qué es la masa molar y cuáles son sus unidades más usadas? La masa de un mol de sustancia (masa molar) es una propiedad intensiva, cuyas unidades son: g/mol
2. ¿Para determinar la masa molar de la sustancia problema se debe suponer que en estado gaseoso se comporta como gas ideal? Justificar la respuesta. 3. Investigar las técnicas de Meyer y Regnault, y mencionar en que consiste el método de densidades límites para determinar masas molares. Meyer: Se volatiliza una masa considerada de una muestra líquida y medir el volumen de aire que es desplazada por el vapor de dicha muestra a condiciones P y T conocida, y considerando que la mezcla gaseosa se comporta idealmente. Regnault: Medida directa de la densidad de un gas pesándolo en un matraz de volumen conocido. Método de densidades conocidas: Determina la masa molar por medida directa de la densidad de vapor. Conociendo la Patm, la Teb y el volumen real, asumiendo un comportamiento ideal del vapor. 4. ¿Qué es presión parcial y en que sistemas la encuentro? Presión parcial es la presión que ejerce uno de los componentes en una mezcla gaseosa de comportamiento ideal como si ocupara todo el volumen del recipiente a T y Volumen constantes. Ptotal =∑ Pi 5. ¿Qué relación existe entre la masa molar y la presión parcial? La fracción molar Yi es una cantidad adimensional que expresa la relación entre la cantidad de sustancia de un componente con respecto a la cantidad de sustancia de todos los componentes. Pi=Y i PT
ACETON
Inhalación: Irritación de ojos, nariz y garganta. Dolor de cabeza, obnubilación, náuseas y síntomas de narcosis. Irritación del tracto respiratorio. Trasladar a la víctima al aire libre, de ser necesario administrar oxígeno, llamar al médico. Ingestión: Irritación gastrointestinal, diarrea, irritación leve de boca, garganta y esófago, nauseas, debilidad y efectos sobre sistema nervioso central. No inducir el vómito al menos que lo indique el personal médico, no dar de beber nada. Piel: Irritación y enzemas. Lavar la zona afectada con agua y jabón, retirar ropa contaminada. Ojos: Conjuntivitis e irritación. Lavar con abundante agua, buscar atención médica urgente.
Problema: De acuerdo con el valor de masa molar obtenido y averiguando en la ficha técnica las propiedades, proponer cuál de los líquidos propuestos por el profesor es la sustancia problema. Material Y Reactivos 1 Matraz bola de fondo plano de 1 Tramo de tubo látex 1000mL
1 Termómetro 2 Tubos de vidrio(15cm) en ángulo recto 1 Tapón tetra horadado para el matraz 1 Tapón para catéter con membrana 1 Manómetro de mercurio
1 Soporte universal con pinzas 1 llave de paso 1 baño de temperatura constante 1Jeringa de 1mL con aguja larga Balanza de precisión 0.001g
ESQUEMA:
Procedimiento experimental 1. Antes de armar el equipo verificar que esté limpio y seco. 2. Revisar que la aguja embone adecuadamente a la jeringa de 1 mL (manejarla con el protector para evitar accidentes). 3. Pesar y registrar la masa de la jeringa vacía con todo y aguja y protector de aguja. 4. Armar el equipo como se muestra en el esquema, verificando que las uniones queden ajustadas para evitar fugas. 5. Llevar a cabo la siguiente prueba para verificar que no existen fugas: a) Conectar pera por el extremo de la llave de paso por medio de un tubo látex, bombear para que se tenga una presión manométrica de 5-7 cm y cerrar la llave de paso. b) Verificar que la diferencia de altura de las columnas de mercurio se mantenga constante durante 30 segundos. Si esto no ocurre, se deben revisar las uniones y el tapón para localizar el origen de la fuga. c) Si no hay fugas, abrir la llave de paso. 6. Introducir el matraz bola en el baño de temperatura constante; lo más que permita el baño, para evitar gradientes de temperatura. 7. Usar la jeringa de 1 mL con aguja para tomar una porción de 0.3 a 0.5 mL del líquido volátil problema, pesar en balanza de precisión con todo y aguja y protector de aguja, 8. Cuando se alcance una temperatura alrededor de 70 °C, cerrar la llave de paso. Registrar la presión manométrica y la temperatura inmediatamente después de cerrar la llave. 9. Inmediatamente introducir la aguja a través del tapón de catéter acoplado al tapón de hule e inyectar, levantar el embolo de la jeringa e inyectar nuevamente a fin de incorporar la mayor cantidad de líquido volátil al matraz. 9. Retirar jeringa y pesarla inmediatamente con todo y la aguja y el protector. 10. Registrar la presión manométrica.
Manejo de datos Constante universal de los gases R = 0.082 L atm mol-1 K-1 Densidad del agua a la temperatura ambiente = Datos Experimentales Masa jeringa con líquido (g) Masa jeringa sin líquido (g) Temperatura al cerrar el sistema (°C) Presión manométrica inicial (mmHg) Presión manométrica final (mmHg) Masa del matraz vacío (g) Masa del matraz con agua (g) Masa del agua en el matraz (g)
4.5408g 4.1358g 61.25°C 251.7g 1413.6g 1161.9g
a) En base a la última pregunta del cuestionario previo (¿Qué relación existe entre la masa molar y la presión parcial?) Identifica que información se requiere para determinar la masa molar. Hoja de Cálculos Masa de la sustancia problema (g) Presión parcial del vapor del líquido volátil (atm) Volumen del sistema (aire y vapor del líquido volátil) (L) Masa molar de la sustancia problema (g/mol)
0.405g 1.1619L
Conclusiones: En la práctica determinamos la masa molar de una sustancia volátil al saber que en una mezcla de gases en este caso acetona y aire cada uno ejerce una presión en el sistema (presiones parciales) y al conocer la presión de la sustancia volátil, podemos sustituirla en la ecuación de gas ideal y así determinar la masa molar. En base a los métodos de Meyer y Regnault, y de un líquido volátil nos facilitó el obtener una presión parcial que se obtuvo por medio de las diferencias del manómetro, con el volumen del recipiente, la masa y una temperatura constante nos fue fácil determinar la masa molar de la sustancia. Armar el equipo, verificando que las uniones queden ajustadas para evitar fugas (realizar pruebas). Registrar y anotar la presión manométrica. Retirar jeringa y pesarla inmediatamente con todo y la aguja y el protector .Pesar la jeringa vacía Registrar la presión manométrica y la temperatura después de cerrar la llave determinación de la masa molar de un líquido volátil por el método de las presiones parciales. Introducir el matraz bola en el baño de temperatura constante Inmediatamente introducir la aguja a través del catéter acoplado al tapón de hule e inyectar Cuando se alcance una temperatura alrededor de 70 °C, cerrar la llave de paso en general pude observar una clara aplicación de las leyes de los gases ideales y de las relaciones matemáticas que de ellas emanan para la determinación de la masa del
compuesto volátil a estudio, sin embargo los resultados dieron mucho que desear pues se encontraban algo lejanos de la realidad, esto debido probablemente a una falla en el sistema o a una mala lectura de la presión del vapor. Comparando nuestro resultado de masa molar con de las sustancias posibles del líquido volátil (acetona o cloroformo), hemos visto que el valor se asemeja mucho más al cloroformo con una masa molar de_____. Aun así hay un margen de error del _____el cual nos puede indicar que quizás hubo una mala medición en algo como por ejemplo al pesar el matraz o al pesar la jeringa, o también, una fuga en el sistema ya que hubo problemas para lograr que no hubiera fuga Resolución al problema propuesto (Anexar hoja de cálculos) 1. De acuerdo con el valor de masa molar obtenido y a los criterios investigados en la ficha técnica, dar respuesta al problema. 2. ¿Cuál es el porcentaje de error con respecto a la masa molar de la sustancia propuesta? ACTIVIDADES SUGERIDAS PARA COMPLEMENTAR EL TEMA DE MASA MOLAR Reflexionar y responder 1. De acuerdo con el Manual de Física y Química CRC la composición en volumen de la atmósfera es la siguiente: 78.084% de N2, 20.946% de O2, 0.934% de Ar y 0.033% de CO2. Calcular las presiones parciales del nitrógeno y el oxígeno suponiendo que su comportamiento es ideal. 2. Resolver los siguientes problemas: a) Se determina la masa molar de la nicotina mediante el método de Dumas. El matraz usado tiene una capacidad de 248 mL y la masa de la sustancia problema fue 0.904g. Al cerrar el matraz se registró una temperatura de 246 °C y una presión de 72.8 cmHg. ¿Cuál es el valor de la masa molar de la nicotina en g/mol? *** b) En un aparato de Víctor Meyer al evaporarse 0.110 g de un hidrocarburo puro se desplazaron 27 mL de aire medidos en una bureta de mercurio a 26.1 °C y 0.9776 atm de presión. ¿Cuál es la masa molar del hidrocarburo?*** Aplicación del lenguaje termodinámico 1. En el experimento que se realizó, ¿cuál es el sistema antes y después de inyectar el líquido? Nuestro sistema de estudio en este caso, es el vapor de líquido volátil (acetona) y el aire que quedo en el matraz. 2. . Antes de inyectar el líquido, ¿Cuántos componentes tiene el sistema?, ¿cuáles son?, ¿qué componente se encuentra en mayor proporción? Antes de inyectar el líquido, el sistema solo tiene una fase. La fase gaseosa se compone en su mayoría de nitrógeno, oxigeno, dióxido de carbono y vapor de agua. 3. Dibujar el instrumento de trabajo y señalar dónde se encuentra el sistema.
4. Después de inyectar el líquido, ¿cuántas fases presenta el sistema? Una fase, la cual es gaseosa. Aunque utilizamos los términos gas y vapor de manera indistinta, rigurosamente existe una diferencia. Un gas es una sustancia que normalmente se encuentra en el estado gaseoso a temperaturas y presiones ordinarias; un vapor es la forma gaseosa de cualquier sustancia que constituye un líquido o un sólido a temperaturas y presiones normales, mientras que un gas perfecto requiere el proceso de licuefacción, para pasar al estado líquido. 5. ¿Qué tipo de paredes limitan el sistema? Encontramos que las paredes son: Las del matraz de bola de fondo de 1000 mL, los tubos de vidrio (15 cm) en ángulo recto, y el tubo en forma de “U” del manómetro, tapón horadado para el matraz, todas estas son reales y rígidas y son las que delimitan nuestro sistema. 6. ¿Cómo se clasifica el sistema antes y después de inyectar el líquido? Por su interacción con los alrededores: es un sistema abierto ya que intercambia materia y/o energía con los alrededores. Por el número de fases: Es homogéneo. 7. ¿Cuáles son las variables termodinámicas que se modifican durante el experimento? La masa y la presión que hay en el sistema. Varía un poco la temperatura antes y después de inyectar el líquido volátil al sistema. 8. ¿Cuáles son las variables termodinámicas que permanecen constantes? El volumen 9. La masa molar se clasifica como una propiedad ________intensiva_______.
Manejo de residuos Bibliografía Maron, S. H. y Lando, J. B. (1976). Fisicoquímica fundamental. Ed. Limusa (cap. I) Maron, S. H. y Prutton, C. F. (1971). Fundamentos de Fisicoquímica. México. Ed. Limusa (cap. I) Moore, W. J. (1986). Fisicoquímica Básica. Editorial Prentice-Hall Internacional (cap. 2) Sienko, M. J. y Plane, R. A. (1986). Química Principios y Aplicaciones. Mc Graw Hill (cap. 6) ***Tomado de Colección de problemas de Termodinámica Enseñanza Práctica publicado por: M. en C. Natalia E. de la Torre Aceves; IQ Ramiro E. Domínguez Danache; Q. Guillermina Sánchez Salinas.
