Medir la altura de la columna de agua con una regla milimetrada

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(1)

LAB 4: GASES. Determinación de la masa molar del Mg

Objetivos: Determinar experimentalmente la masa molar de un metal aplicando las leyes de los gases ideales y la estequiometría de una reacción. Introducir los conceptos de error de medición, propagación de errores y su aplicación en la elección de instrumentos.

El magnesio reacciona con ácido clorhídrico produciendo cloruro de magnesio e hidrógeno gaseoso. La reacción ajustada es la siguiente:

( )s

HCl

( )ac

Mg

Cl

( )s

H

( ) ( )g

Mg

+

2

2

+

2

El práctico consiste en pesar una masa de Mg, hacerla reaccionar totalmente con HCl a temperatura constante y medir el volumen y la presión del gas hidrógeno desprendido, que se recoge sobre agua. El dispositivo usado para ello es el siguiente:

Considerando que el gas se comporta como ideal, podemos calcular la cantidad de H2 desprendido

conociendo la temperatura, presión y volumen.

T

R

n

V

P

H H

2

2

=

El número de moles de hidrógeno es:

T

R

V

P

n

H H2

2

=

(1)

La estequiometría de la reacción indica que se forma un mol de hidrógeno gaseoso por cada mol de Mg que reacciona.

n

H2

=

n

Mg (2) Entonces podemos calcular el peso atómico del Mg y compararlo con tablas.

Mg Mg Mg

n

m

molar

Masa

=

(3)

La masa de Mg se conoce pesando la cinta de Mg.

La temperatura es la del ambiente, se mide con un termómetro de laboratorio.

El volumen de hidrógeno gaseoso se mide por el desplazamiento que produce en la bureta invertida (ver figura final).

La presión parcial de hidrógeno se mide de manera indirecta. Sobre la superficie del agua del vaso de precipitado actúa la presión atmosférica que es igual a la presión que ejercen los gases y la columna de agua que se encuentran dentro de la bureta.

O H columna O

vaporH H

atm

P

P

P

P

2 2

2

+

+

(2)

Podemos medir la presión atmosférica con un barómetro; la presión de vapor de agua a la temperatura del experimento se saca de tablas (Handbook of Chemistry and Physics). Para conocer la presión de la columna de agua expresada en mm de Hg se mide su altura con una regla milimetrada, se la multiplica por la densidad del agua a esa T y se divide por la densidad del mercurio (13.6 g/cm3).

Hg O H O H columna O H columna

densidad

densidad

x

h

P

2 2

2

=

(5)

De la ecuación (4) despejamos la PH2:

O H columna O vaporH atm

H

P

P

P

P

2 2

2

=

(6)

Materiales:

Cinta limpia de magnesio; Alambre de cobre; Ácido clorhídrico concentrado; Vaso de precipitado de 500mL o 1000 mL; Bureta de 50 mL; Soporte; Pipeta volumétrica de 10 mL; Termómetro

Regla milimetrada

Procedimiento:

Pesar en balanza analítica la cinta de Mg (mMg).

• Colocar agua destilada en el vaso de precipitado

Medir la temperatura del agua (T) con un termómetro.

Averiguar la presión atmosférica (Patm). En toda medición anotar la mínima división de la escala.

Buscar en tablas la PVapor H2O a la temperatura T.

Determinar el volumen del extremo no graduado de la bureta. Con el robinete cerrado, agregar con una pipeta volumétrica 10,0 ml de agua destilada. Restar a estos 10,0 mL el volumen graduado llenado con agua en la bureta.

• Atar la cinta de Mg con un alambre de cobre al extremo superior de la bureta.

• Armar el dispositivo de la figura 1. Primero colocar en la bureta 10 mL de ClH concentrado y completar con agua hasta llenar totalmente la bureta (Figura 1 inicial). Introducir la cinta de Mg en el interior del tubo. Obstruyendo la entrada de aire con el dedo pulgar, dar vuelta la bureta e introducirla en un vaso de precipitados con agua, de manera que quede apoyada en el fondo del vaso de precipitado. Sujetar la bureta al soporte de hierro (Figura 1 final). Precaución:

previamente practique varias veces dar vuelta la bureta.

Medir el volumen de gases V en la bureta, cuando termina la reacción.

V

=

V

zonanograduadadelabureta

+

V

zonagraduadadelabureta

Medir la altura de la columna de agua con una regla milimetrada

(

hcolumnaHO

)

2

• Calcular la masa molar de Mg en la hoja para entregar al docente.

Tratamiento de resultados: calculo de error.

Considerando que la masa molar del Mg de tablas es el valor verdadero, se puede calcular el error relativo porcentual cometido con el valor obtenido del práctico.

100 . . . % x tablas Mg at Peso calculado Mg at Peso tablas Mg at Peso Er Mg atómico Peso − =

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100

% x

medido valor

n apreciació de

error n

apreciació de

Er =

Los errores de apreciación de magnitudes calculadas se propagan siguiendo ciertas reglas que dependen de la operación aritmética que se realiza. (TABLA 1)

TABLA 1 Reglas de propagación de errores

Er% para magnitudes calculadas

Operación aritmética realizada Er% aprec. resultante

Producto por un factor Igual al Er% de la magnitud medida

Suma algebraica Igual al del sumando de mayor Er%

Producto y/o cociente Suma de los Er% de todos los factores

Propagación de errores

Completar la Tabla 2 con los valores medidos y calcule los errores de apreciación y los Er% de apreciación

TABLA 2: Magnitudes medidas

Magnitud medida Valor medido Error de apreciación

Er% de apreciación mMg

T

VH2

Patm

Altura columna agua

Con estos valores medidos, y datos de tablas (que consideramos sin error), se calcularon otras magnitudes. Los errores de apreciación de magnitudes calculadas se propagan siguiendo ciertas reglas que dependen de la operación aritmética (TABLA 1). Considerando las reglas de propagación de errores completar la TABLA 3:

TABLA 3: Magnitudes calculadas Magnitud

calculada

Valor calculado

magnitudes Er%

aprec.

Er% aprec. resultante

Pcolumna H2O h columna H2O

PH2

Pcolumna H2O

Patm P vapor H2O

nH2 = nMg

PH2

VH2

TH2

masa molar Mg

mMg

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. Expresar el resultado final del experimento realizado incorporando el Er% calculado. . ¿Cuál medición se podría mejorar para disminuir el Er% de apreciación?

. Calcular el volumen de HCl concentrado que reacciona estequiométricamente con la cantidad de magnesio pesada.

LAB 5: TERMODINÁMICA. CALORIMETRÍA

Objetivo: Hallar el calor de reacción de una reacción de neutralización (entalpía de neutralización) utilizando un calorímetro a presión constante.

Materiales

Calorímetro; Termómetro digital; Baño termostático; 2 vasos de precipitado de vidrio de 100 mL; 2 probeta de 50 o 100 mL de vidrio; Cronómetro

Procedimiento

1- Hallar la capacidad calorífica o constante del calorímetro.

Introducir en el calorímetro 40g de agua a temperatura ambiente, registrar la temperatura. Agregar otros 40 g de agua a una temperatura superior a los 60 °C. Registrar la temperatura cada 30 segundos agitando ocasionalmente. Registrar la temperatura hasta los 10 minutos de mezclado.

Calorímetro construido empleando envase de espuma plástica

Resultado experimental (ejemplo): solución termómetro

varilla de vidrio para agitar

tapa

bulbo del termómetro sumergido en la solución)

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Qagua fría + Qcalorímetro + Qagua caliente = 0

Qagua = magua . cagua . (Tfinal –Tinicial)

Qcalorímetro = Ccal . (Tfinal –Tinicial)

Ccal = Capac. calorífica calorímetro = mcalorímetro . ccalorímetro

2- Hallar el calor o entalpía de neutralización Hºr.

Llenar el vaso del calorímetro con agua de la botella para homogeneizar la temperatura. Esperar un tiempo, mientras se prepara100 mL de disolución de HCl 1,0 M. Luego de unos minutos, introducir en el calorímetro 40 mL de solución 1,0 M de ácido clorhídrico. Registrar la temperatura. Verificar que se parta de la misma temperatura en las dos disoluciones. Agregar, con mucha precaución, 40 mL 1,0 M de hidróxido de sodio. Registrar la temperatura durante 10 minutos. Anotar la temperatura hasta los 10 minutos de realizada la mezcla. Para calcular el calor de neutralización estándar se utilizará la siguiente ecuación:

Qmezcla + Qcalorímetro + Qneutralización = 0

3- Calor de dilución

Experimentalmente se comprueba que el calor de dilución que se produce al diluir 40 mL de HCl 1,0 M con 40 mL de NaOH 1,0 M (ambas soluciones se diluyen al doble del volumen inicial) es despreciable. Sin embargo, no siempre el calor de dilución es despreciable.

¿Qué temperatura se alcanzará si se mezcla 40 mL de agua con 40 mL de ácido sulfúrico concentrado? Ambos a temperatura ambiente (20ºC). El calor de dilución del ácido es 17,75 Kcal/mol y la concentración es 98 %m/m, δ= 1,84 g/mL

LAB 6. ESPECTROFOTOMETRÍA

Objetivos: Aplicar conceptos sobre la estructura atómica en la comprensión de los espectros de absorción en el visible. Adquirir habilidades en el manejo de un espectrofotómetro. Determinación de la ley de Beer.

La luz visible ocupa una pequeña porción de la energía continua radiante emitida por el sol llamada espectro electromagnético. Las ondas luminosas del espectro viajan todas a la misma velocidad (c), pero difieren en frecuencia (ν) y longitud de onda (λ). Percibimos distintas longitudes de o

T ( C)

(6)

onda (o frecuencias) de la luz visible como distintos colores, desde el rojo (λ = 750 nm) al violeta (λ = 400 nm).

Cuando un haz de energía radiante (P0) choca contra una sustancia, pueden ocurrir diferentes cosas:

a) el haz puede pasar a través de la materia con sólo una pequeña pérdida de energía; b) la dirección del haz puede ser alterada por reflexión, refracción o difracción; c) la energía radiante del haz puede ser total o parcialmente absorbida (la absorción involucra una transferencia de energía al medio).

Radiación incidente chocando contra una sustancia

El cociente entre la energía radiante transmitida respecto de la energía radiante incidente en la muestra, es la transmitancia T:

0 P

P

T =

La absorbancia A es la energía absorbida por la sustancia y está relacionada con la transmitancia:

    

=

T

A log 1 ó 

    

=

P P

A 0

log

La energía absorbida por una sustancia hace que los electrones de los átomos se exciten y pasen a niveles energía superiores al fundamental; así producen espectros de absorción, que pueden detectarse en aparatos llamados espectrofotómetros. Estos aparatos miden la absorbancia de la muestra en función de la longitud de onda de la radiación que incide sobre ella.

La luz visible se usa a menudo para estudiar sustancias coloreadas, que absorben sólo algunas de las longitudes de onda del espectro visible. Por ejemplo, una planta se ve verde porque la clorofila absorbe luz fuertemente en las zonas del rojo y el azul y refleja casi todo el verde. Los espectros de absorción permiten identificar sustancias, pero además la intensidad del pico de absorbancia es proporcional a la concentración (ley de Beer). Por eso los espectrofotómetros que trabajan en la zona de luz visible se usan sobre todo para medir concentración de sustancias coloreadas en solución.

Los componentes esenciales de un espectrofotómetro son: 1) una fuente de energía radiante; 2) un filtro para la selección de una banda de energía radiante; 3) un sistema óptico para producir un haz paralelo a la luz filtrada (lentes, espejos, rendijas); 4) un detector para la energía radiante no absorbida; y 5) medidores de lectura asociados.

P

P0

Haz incidente

Haz

(7)

∆y

∆x Actividades:

. Comprender los principios de funcionamiento del espectrofotómetro.

. Preparación de 100 mL de una disolución 0,10 M de sulfato de cobre pentahidratado.

. Realizar un barrido espectral para esta disolución acuosa. Calibrar a cero el aparato, medir la absorbancia del blanco, medir la absorbancia de la solución.

. Realizar diluciones de la solución anterior a 0,05 M y 0,025 M. . Verificar la ley de Lambert Beer.

. Hallar la concentración de una muestra incógnita

. Graficar los resultados obtenidos: (a) barrido y (b) ley de Beer.

La ley de Beer dice que hay una proporcionalidad entre la absorbancia (A) y la concentración (C). Para la concentración en UT se puede expresar:

A = b. C

Experimento interesante: Colorimetría de papel creppe: D.L. Pringle, K.Chaloupka y M. Varanka-Martin, Crepe paper colorimetry, Journal of Chemical Education, 72(8), 722-723 (1995).

A

C

x y b

∆ ∆ =

Ajuste de cero

Escala de long. de onda Ajuste 100 % T

ajuste long. de onda

Lectura de A y T Compartimiento

Figure

TABLA 1 Reglas de propagación de errores  Er% para  magnitudes calculadas

TABLA 1

Reglas de propagación de errores Er% para magnitudes calculadas p.3
TABLA 3: Magnitudes calculadas  Magnitud  calculada  Valor  calculado  magnitudes  Er%  aprec

TABLA 3:

Magnitudes calculadas Magnitud calculada Valor calculado magnitudes Er% aprec p.3
TABLA 2: Magnitudes medidas  Magnitud medida  Valor medido  Error de

TABLA 2:

Magnitudes medidas Magnitud medida Valor medido Error de p.3

Referencias

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