DEMOSTRANDO LA LEY DE GRAHAM

I. INTRODUCCIÓN

De acuerdo con la Teoría Cinética de los Gases, las moléculas de los gases están en rápido movimiento y sus velocidades promedio son proporcionales a la temperatura absoluta. Esta Teoría también supone que a una misma temperatura, la energía cinética promedio de las moléculas de gases diferentes es igual. La ley de difusión de Graham se basa en estas tres suposiciones anteriores. Entre las diferentes propiedades que exhiben los gases se encuentra aquella facultad que tienen de difundir a velocidades que son función de sus pesos moleculares o de sus densidades. En el presente trabajo experimental vamos a comprobar que las velocidades con las que se difunden dos gases son inversamente proporcionales a las raíces cuadradas de sus masas moleculares o de sus densidades, lo cual constituye la ley de difusión de Graham.

II. OBJETIVOS

Determinar la relación entre los pesos moleculares de las sustancias empleadas con respecto a su velocidad o longitud de desplazamiento.

Demostrar experimentalmente la ley de la difusión de los gases (ley de Graham).

Comparar la velocidad de difusión de los gases.

III. MARCO TEÓRICO

homas Graham fue capaz de enunciar en 1829 a partir de experimentos las leyes de la efusión y la difusión, ambas con la misma fórmula. Éstos fenómenos pueden ser explicados, y

la ley de Graham demostrada, a partir de la Teoría Cinético Molecular desarrollada a finales del siglo XIX por los físicos Ludwig Boltzmann y James Clerk Maxwell. 

T

La Teoría Cinético-Molecular propone, por primera vez en la historia de la ciencia, un estudio probabilista en física, al relacionar las propiedades térmicas de las substancias con su movimiento molecular. De ninguna manera podemos calcular las velocidades individuales de cada una de las moléculas, pero si se puede realizar un estudio calculando las velocidades medias de las mismas, y asombrosamente éstas velocidades medias son realmente enormes comparadas con el tamaño de las partículas. Por ejemplo, para la molécula nitrógeno su velocidad promedio es de 493 m/s, y para el hidrógeno de 1846 m/s.No obstante estas velocidades no son las que nos interesan en este experimento, ya que aunque las moléculas se mueven a mucha velocidad, lo hacen sin rumbo o dirección definida. No obstante, si tenemos una botella cerrada con un gas en su interior, y la abrimos, veremos como en cuestión de minutos, todo el gas llena la habitación. Aunque las velocidades no sean dirigidas, el gas tendrá tendencia a moverse hacia donde su concentración sea más baja, distribuyéndose de manera uniforme por todo el recinto. Éste proceso se denomina difusión. A ésta velocidad nos referimos al hablar de velocidad de difusión, a la velocidad media de todas la moléculas del gas, por la cual éste es capaz de llenar uniformemente un espacio esté vacío o no.

Y la Ley de Graham dice que:

La relación entre las velocidades medias de difusión de dos especies al cuadrado es inversamente proporcional a la relación entre las masas moleculares relativas de las mismas. Es decir, que si la masa molecular es mayor, su velocidad será menor. La ley de Graham nos permite realizar comparaciones entre velocidades medias de difusión, pero no nos permite calcular la velocidad absoluta de la misma.

Ejemplo: ¿Qué gas tiene mayor velocidad de difusión, el neón o el nitrógeno?

Respuesta: Primero se necesita conocer las densidades de los gases que intervienen. Como una mol de gas ocupa 22.4 litros a T.P.E., sus densidades serán (peso molecular/volumen).

Neón = 20/22.4 = 0.88 g/lt

Nitrógeno = 28/22.4 = 1.25 g/lt

Sea v1 = velocidad de difusión del nitrógeno y v2 = velocidad de difusión del neón.

IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

MATERIALES:

1.Soporte universal: Un soporte de laboratorio, soporte universal o pie universal es una pieza del equipamiento de laboratorio donde se sujetan las pinzas, mediante dobles nueces.

2.Piseta: también llamada frasco lavador y/o matraz de lavado, es un frasco cilíndrico de plástico o vidrio con pico largo, que se utiliza en el laboratorio de química o biología, para contener algún solvente, por lo general agua destilada.

3.Vaso de precipitados: Un vaso de precipitados es un recipiente cilíndrico de vidrio borosilicado fino que se utiliza muy comúnmente en el laboratorio, sobre todo, para preparar o calentar sustancias y traspasar líquidos.

4.Mechero de Alcohol: Se utiliza cuando no se necesita un gran poder calorífico. Poseen una mecha impregnada de alcohol, que es la que arde.

5.Pipeta: La pipeta es un instrumento volumétrico de laboratorio que permite medir la alícuota de un líquido con bastante precisión.

6.Vidrio de reloj: El vidrio de reloj, luna de reloj o cristal de reloj es una lámina de vidrio en forma circular cóncava-convexa. Se llama así por su parecido con el vidrio de los antiguos relojes de bolsillo. Se utiliza en química para evaporar líquidos, pesar productos sólidos o como cubierta de vasos de precipitados, y contener sustancias parcialmente corrosivas. Es de tamaño medio y muy delicado.

7.Pera de succión: La pera de succión, Propipeta, perita o perita de goma es un aparato que se utiliza en los laboratorios con el fin de succionar un líquido. Se suele utilizar para las pipetas y para los cuenta gotas.

8.Tubo de Vidrio: Que tiene la capacidad de soportar temperaturas muy altas y muy bajas sin que este modifique su estructura o tamaño.

9.Algodón: El algodón sirve para cubrir tubos, fiolas o balones, que se debe tomar para la precaución cuando se manipula estos instrumentos en el laboratorio

10. Pinzas de laboratorio: Las pinzas de laboratorio Son un tipo de sujeción ajustable, generalmente de metal, que forma parte del equipamiento de laboratorio, mediante la cual se pueden sujetar diferentes objetos de vidrio (embudos de laboratorio, buretas...) o realizar montajes más elaborados (aparato de destilación).

11. Tapones: En ocasiones las reacciones químicas que tienen lugar en los tubos de ensayo desprenden gases, que, o bien son tóxicos, o bien necesitamos recoger para hacer un estudio posterior.

REACTIVOS:

1.Ácido clorhídrico: El ácido clorhídrico, ácido muriático, es una disolución acuosa del gas cloruro de hidrógeno (HCl). Es muy corrosivo y ácido. Se emplea comúnmente como reactivo

químico y se trata de un ácido fuerte que se disocia completamente en disolución acuosa.

2.Hidróxido de amonio: es una solución de amoníaco en agua.

Montaje:

Procedimiento:

1) Instalar el equipo, teniendo en cuenta que el tubo debe estar limpio y seco y debe quedar en estricta posición horizontal.

2)Colocar en cada extremo del tubo tapones con algodón empapado con ácido clorhídrico e hidróxido de amonio, en forma simultánea. Tomar el tiempo que demora en formarse el anillo de humo blanco.

En esta parte se observa que se empieza a formar un anillo en el tubo de vidrio, esto no indica que el hidróxido de amonio y el cloruro de hidrogeno empiezan a reaccionar.

3)Observar cuidadosamente la superficie interna del tubo hasta ubicar el lugar de formación del anillo de humo blanco de cloruro de amonio. Ubicado este, con una regla medir las distancias desde cada extremo del tubo hasta la marca de formación del anillo:Distancia X1 (desde el extremo donde se puso el HCl al anillo)Distancia X2 (desde el extremo donde se puso el NH4OH al anillo)

Datos y cálculos:

- Masa molecular de HCl: 36.5 gr/mol- Masa molecular de NH 3: 17 gr/mol

- Considerando que cuando empieza a formarse el anillo blanco de cloruro de amonio, las moléculas de ácido han recorrido la distancia X1, empleando para ello el mismo tiempo que las moléculas de amoniaco para alcanzar la distancia X2, la velocidad se puede expresar de la siguiente manera:

Distancia X1: 6.5 cmDistancia X2: 17.5 cm

Practico:

V N H 3

V HCl=eN H3eN H3

V N H 3

V HCl=17.56.5

V N H 3

V HCl=2.69

V NH 3=2.69V HCl

Teórico: V N H 3

V HCl=√mNH 3

mNH 3

NH 4OH+HCl (ac )→NH 4Cl

V N H 3

V HCl=√ 1736.5

V N H 3

V HCl=0.68

V NH 3=O .68V HCl

Considerando que el valor teórico de la ley de GRAHAM el obtenido a partir del cálculo con los pesos moleculares, calcule el error experimental que es la división entre el valor practico y el valor teórico, todo multiplicado por el cien por ciento.

error experimental : VALOR PRACTICOVALORTEORICO

x 100%

error experimental :( 2.69V HCl

O .68V HCl) x100%

error experimental : 3.96%

V. CONCLUSIONES

Se comprobó que se cumple el concepto detrás de la ley de difusión de Graham en la cual el valor para la velocidad de difusión de un gas es inverso con respecto a la masa molecular de éste.

A pesar de que hay presencia de aire, se obtuvo un valor para la ley de Graham de 2.69, el cual tiene un 3.96% de error. Las desviaciones del experimento se pueden minimizar procurando cargar ambos algodones en los extremos del tubo al mismo tiempo, o, en su defecto, con algún método que permita tener algodones con el mismo volumen de cada sustancia a difundir y colocarlos en los extremos de forma simultánea.

El halo se forma más cerca del punto de aplicación del HCl, esto nos indica que las moléculas de HCl recorrieron una distancia menor al encontrarse con el NH3 y formar el halo, lo cual concuerda con el concepto de la ley de Graham en la cual la velocidad de difusión es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la masa molecular, es decir, una molécula de mayor masa se moverá más lento por lo recorrerá una menor distancia

en un mismo tiempo comparada con otra sustancia más liviana como el NH3.