Determinación de Masa Molecular
Conceptos relacionados
Presión, temperatura, volumen, ecuación de estado para gases ideales, constante universal de los gases, ley de Boyle y Mariotte, ley de Gay-Lussac, ley de Charles, temperatura de referencia, presión de referencia, nomograma.
Principio
El estado de un gas esta determinado por la temperatura, la presión y la cantidad de sustancia. Para el caso límite de un gas ideal, estas variables están relacionadas entre sí por la ecuación general de los gases ideales.
Problema
Investigar experimentalmente la masa molecular de determinada sustancia líquida desconocida.
Equipo
1 glass jacket
1 jeringa para gas, 100 ml 1 manómetro digital 1 termómetro digital 1 punta de inmersión, NiCr-Ni
1 base H
2 varillas de acero, l = 250 mm 3 nueces
2 pinzas universales 1 pinza universal con juntura 1 tubo de vidrio con una salida, l
= 80 mm
1 embudo
1 adaptador reductor 8/4 mm, de un paso
1 clip para tubería
1 tubería de silicona d = 2 mm 1 tubería de silicona d = 7 mm silicon old sustancia desconocida (0.15 mL) 1 fuente de calor nomograma 1 jeringa plástica, 1 mL
Montaje y procedimiento
Monte el aparato de acuerdo a la parte descrita en utilización de equipo (ver figura para mayor seguridad). Colocar un par de gotas de silicona al pistón, por medio de la varilla de vidrio. Introducir el pistón en al jeringa y girarlo hasta uniformizar la capa de silicona en la superficie del pistón. Un tubo de vidrio (l = 80 mm) ajustado dentro de una de las mangas sirve como sostén de la termocupla: colóquelo tan
cerca de la jeringa como sea posible. Después de ajustar el volumen inicial en la jeringa a exactamente 0 ml, cerrar el sistema conectando el tubo de silicona de 7mm en la punta de la jeringa. A su vez, conectar el manómetro digital al tubo de 2mm. Ubicar el calefactor en la parte inferior del glass jacket y conectarlo a la fuente de poder en 220 V.
Tomar una muestra de 0.2 ml de sustancia problema e inyectarla en el tubo de silicona hasta que entre a la jeringa (esto se logra moviendo el pistón hacia fuera). Registre el volumen, la temperatura y la presión interna dada por el manómetro en el inicio. Encienda la fuente de calor y empiece a agitar para que el calor sea uniforme. Observe como el pistón empieza a desplazarse hacia fuera. (Es recomendable girar y jalar un poco el pistón, para que no se pegue en la jeringa y y no obstaculice su desplazamiento). Anote la presión, el volumen y la
temperatura, cuando desaparezca completamente el líquido que se inyectó y ya nos se desplace el pistón. (Los datos de T y P obtenidos, serán temperatura de vapor y presión de vapor).
Teoría
El nomograma está basado en las leyes de
Boyle-Mariotte PV= cte., para T= cte. (1) Gay-Lussac V/T= cte., para P= cte. (2) Amonton P/T= cte., para V= cte. (3)
T V0
V
Consideremos una temperatura de referencia T0 = 0oC = 273 K, para la cual el
De la ecuación (2) podemos obtener una relación entre dos estados que se encuentren a la misma presión teniendo uno de estos estados la temperatura de referencia T0.
V/T=V0/T0=nR/P, donde R es la constante del gas y n el número de moles.
Observando esta ecuación vemos que la relación V/T es una constante y esta constante depende de la presión. Si ponemos esta relación en un diagrama P-T obtenemos rectas que pasan por el origen con pendientes nR/P (observando que esta pendiente depende de la presión). Esto es lo que tenemos en el nomograma (A), el comportamiento de una muestra de gas a una presión determinada. Hay que tener en cuenta que la intersección de la línea con la vertical correspondiente a T = 0 oC es V0.
Hay que observar que el valor de V0 depende de la presión del sistema. Si
conocemos el valor de V0 a una presión, podemos plantear el valor de V0l para
otra presión considerando la relación PV = constante debido a que en ambos casos T = 0oC.
Gráficamente:
Los puntos a y b tienen el mismo volumen, por tanto la presión en cualquier punto entre ellos es directamente proporcional a la temperatura, por tanto puede medirse
un cambio de presión en el mismo eje de la temperatura. Trazando una línea desde el origen absoluto hasta el punto b podemos encontrar el valor V0l para esa
presión. b a P1 P2 V0’ V0 Sabemos que PV = mRT PV = m (R0/M) T PVM = mR0T M = (mR0T) / (PV) M = (m/V) ((R0T) / P)
Para una presión y una temperatura determinada la masa molecular es directamente proporcional a la relación m/V.
Si T = 0oC y P = 1013 mbar
podemos utilizar el nomograma para encontrar la masa molecular si conocemos la masa de una muestra y el volumen que ocupa a 1013 mbar y 0oC.
M
m
V0
Hay que observar que este gráfico es válido para P = 1013 mbar y T = 0oC.
M = (m/V0) ((R0*273K) / 1013mbar)
Datos cálculos y resultados
Calcular la masa de líquido encerrado en la jeringa, usando la densidad relativa y el volumen de líquido utilizado.
Nomograma: Cuadro A:
Ubicar el punto (Tvapor, Pvapor) obtenido en la práctica.
Trazar una recta desde el punto (0, 0) en la gráfica (C), hasta llegar al punto (Tvapor, Pvapor), prolongándola hasta la gráfica (B).
Cuadro B:
Localizar en el gráfico (B), el valor de Pvapor obtenida, y trazar una línea vertical
Calibrar los datos obtenidos a las condiciones del “glass jacket”. (T =0 y P=1013 mbar)
Trazar una recta vertical en P= 1013 mbar, hasta interceptar con la recta horizontal dibujada a partir del punto anterior.
A partir del punto (0, 0), trazar una recta que pase por el punto de calibración. Leer el valor de Vvapor obtenido en el intercepto de la línea recién dibujada en la
cuadro (A); siendo este el valor de Vv’.
Localizar el valor de Vv’ en el cuadro (C).
Ubicar el punto (Vv’, mvapor) y trazar una recta a partir del punto (0, 0), hasta la escala de masa molecular pasando por el punto (Vv’, mvapor).
Leer el valor de Mmolecular del eje (gramo / mol)
Calculo adicional.
Encuentre cuál de las siguientes sustancias es con la que se trabajó en el laboratorio, y cuales son los pasos a seguir para determinar cuál de las siguientes sustancias es la utilizada en la práctica.
Alcohol etílico (C2H5OH)
Acetona (C3H6O)
Amoníaco (NH3)
Alcohol metílico (CH3OH) Hidróxido de amonio (NH4OH) Ácido acético (CH3COOH)
Hidróxido de sodio (NaOH)
Calculando la masa molecular de cada sustancia antes mencionadas y comparando cada una mediante %Error con el valor de Mmolecular obtenido en el
nomograma; siendo este el valor práctico.
La sustancia que tenga el menor %Error, será la sustancia con la que se trabajó en el laboratorio.
