Determinación de pesos moleculares¿Qué es?

Consiste en la búsqueda del peso o masa molecular de determinados sustancias, gases, líquidos etc.. a través de diversos métodos o ecuaciones. Por ejemplo la determinación del peso molecular de un gas precisa cuatro datos: la masa de sustancia contenida en el volumen gaseoso, el volumen, la presión y la temperatura. Y esto se puede obtener mediante los métodos como el de Meyer, Dumas, Dalton o la Ecuación de Berthelot entre otros.

Aplicaciones

Estos métodos o ecuaciones se pueden aplicar en las empresas para determinar cuál es la sustancia contenida en cierto recipiente si se conocen su peso molecular, y con relación al peso que nos ha dado podemos verificar en la tabla periódica de que elemento se trata. Esta ecuación (La ecuación de Berthelot) es muy importante debido a que tiene usos muy prácticos en la industria, que trata con sustancias químicas y de las cuales es necesario determinar mediante cálculos el tipo de cuestiones de sus propiedades como su densidad, peso molecular, volumen, peso, temperatura crítica y presión critica.

Marco teórico

Para determinar el peso molecular de una sustancia a lo largo del tiempo se han desarrollado una gran cantidad de métodos, de los cuales usare describiré los métodos más usados.

Método de Víctor Meyer

El peso molecular de un vapor condensable se puede determinar de una manera sencilla, si se calcula su densidad en forma de vapor y se asume comportamiento ideal.

La ecuación de estado puede escribirse como:

P = Presión del vapor expresada en atmosferas.

V = Volumen del vapor expresado en litros.

w = Gramos del vapor condensado.

R = Constante de los gases. 0.082 atm*L/mol*K

T = Temperatura expresada en K.

M = Masa molar expresada en g/mol.

La masa molecular de una sustancia es la suma de las masas atómicas de cada uno de sus átomos. La masa molar de una sustancia expresada en unidades de masa atómica se llama peso molecular.

En el laboratorio no se trabaja con una sola molécula sino con grandes grupos de moléculas; por eso se define el mol de una sustancia como la cantidad de la misma que contiene un número de Avogadro de moléculas (6.02*10²³). La masa de un mol expresada en gramos coincide numéricamente con la masa de una molécula expresada en unidades de masa atómica.

El método de Víctor Meyer consiste en volatilizar un peso conocido de una muestra liquida y medir en un eudiómetro el volumen de aire que es desplazado por el vapor de dicha muestra (equipo de Víctor Meyer) a condiciones de presión y temperaturas conocidas.

El equipo de Víctor Meyer consta de un tuno interior sellado, dentro de otro tubo más ancho (camisa de vapor) por donde pasa el vapor de agua que calienta el tubo interior; la función de la camisa externa es mantener la temperatura del tubo interior constante para que el líquido problema pueda evaporarse. El tubo interno está conectado a un eudiómetro lleno de agua.

El líquido cuyo pero molecular se determina va encerrado en una pequeña ampolla de vidrio, que se pesa vacia primero, luego se llena con el líquido, se sella y, por último, se pesa de nuevo. Esta diferencia de pesos nos da el peso de la muestra. Se lleva esta ampolla al porta-muestras, se deja caer la ampolla y esta, al romperse, libera el vapor que se desplaza al eudiómetro en una proporción igual al de los vapores formados a la temperatura del tubo interior con el bulbo nivelador se garantiza trabajar a presión atmosférica.

Punto triple de una sustancia

El punto triple es aquel en el cual coexisten en equilibrio el estado sólido, el estado líquido y el estado gaseoso de una sustancia. Se define con una temperatura y una presión de vapor.

Sabemos que las moléculas de las sustancias vibran. En el estado sólido, lo hacen sin moverse de su lugar. En el líquido, se mueven libremente chocando unas con otras. Y en el estado gaseoso también se mueven libremente, pero con más violencia, es por eso que las colisiones hacen que estén más separadas y los gases ocupen tanto volumen a diferencia de los líquidos y sólidos.

Punto tripe del agua

La única combinación de presión y temperatura a la que el agua, hielo y vapor de agua pueden coexistir en un equilibrio estable se produce exactamente a una temperatura de 273.1598 °k (0.0098 °C) y a una presión parcial el vapor de agua de 611.73 pascales (6.1173 milibares, 0.0060373057 atm = 4.6 torr). En ese momento es posible cambiar el estado de toda sustancia a hielo, agua o vapor arbitrariamente haciendo pequeños cambios en la presión y la temperatura.

El agua tiene un inusual y complejo diagrama de fase (aunque esto no afecta a las consideraciones generales expuestas sobre el punto triple). A altas temperaturas, incrementando la presión, primero se obtiene agua líquida y, a continuación, agua sólida. Por encima de 109 Pa aproximadamente se obtiene una forma cristalina de hilo que es más denso que el agua líquida. A temperaturas más bajas

en virtud de la compresión, el estado líquido deja de aparecer, y el agua pasa directamente de solido a gas.

A presiones constantes por encima del punto triple, calentar hilo hace que se pase de solido a líquido y de este a gas o vapor. A presiones por debajo del punto triple, como las encontradas en el espacio exterior, donde la presión es cercana a cero, el agua líquida no puede existir. E un proceso conocido como sublimación, el hielo salta la fase liquida y se convierte directamente en vapor cuando se calienta.

Método de Dumas

Este es el método más directo para determinar la densidad de vapor aunque uno difícil para lograr alta precisión.

Se utiliza un bulbo de dumas modificado. El experimento consiste en evaporar un líquido en un bulbo de Dumas y con las medidas de la presión atmosférica, la temperatura de vaporización y el volumen real, se calcula la masa molar utilizando la ley de los gases ideales, este resultado es comparado con un método más aproximado. Es el método usual en la determinación del peso molecular en fase de vapor de líquidos volátiles.

La presión del vapor es la atmosférica y la temperatura es la del baño cuando ocurra la evaporación de la muestra.

El método consiste en un beaker lleno de agua en donde se introduce el bulbo de Dumas modificado (baño de María) el sistema estará a la presión atmosférica del lugar en donde se desarrolle el experimento.

El líquido en exceso se evaporara y al final ocupara el volumen del bulbo, luego este vapor se condensará y se determinará su masa. El volumen del bulbo se determinará llenando el bulbo con agua y midiendo su contenido en un recipiente graduado. También se requiere el peso del aire contenido en el bulbo el cual se calculará con su masa molar promedio (29.09 g/mol) y aplicando la ecuación de los gases ideales.

Así el peso del vapor condensado se calculará de la siguiente manera:

W₂ = peso aparente del bulbo + vapor condensado

W₁ = peso aparente del bulbo vacío + peso del aire contenido

Wₐ = peso del aire contenido en el bulbo

Wᵥ = peso del vapor condensado

Wᵥ = W₂ - W₁ + Wₐ

Esto suponiendo que todo el aire fue expulsado por vapor cuando se evaporó la muestra.

Método de cálculo II

Suponiendo que la muestra no logro expulsar todo el aire contenido en el bulbo y que, al final, cuando la muestra se evapore vas a haber dentro del bulbo una mezcla de vapor del líquido y el aire a la temperatura por la de vaporización, aplicando la ecuación de los gases ideales:

W₂ = peso aparente del bulbo + vapor condensado + peso del aire contenido a temperatura de vaporización.

W₁ = peso aparente del bulbo vacío + peso del aire contenido a temperatura ambiente.

Wₐ = peso del aire contenido en el bulbo a temperatura ambiente.

WₐTV = peso del aire contenido en el bulbo a temperatura de vaporización.

Wᵥ = peso del vapor condensado.

Wᵥ = W₂ - W₁ + Wₐ - WₐTV

Ley de las Presiones Parciales de Dalton

La ley de las presiones parciales (conocida también como ley de Dalton) fue formulada en el año 1803 por el físico, químico y matemático británico John Dalton. La ley de las presiones parciales de Dalton nos dice que cada uno de los gases presentes en una mezcla gaseosa ejerce la misma presión que ejercería si ocupara solo el volumen total, estando a la misma temperatura de la mezcla. La ley de Dalton es muy útil cuando deseamos determinar la relación que existe entre las presiones parciales y la presión total de una mezcla de gases.

Ptotal = P₁ + P₂ +… + Pn

La ley de las presiones parciales de Dalton se expresa básicamente como que la presión total (Ptotal) de una mezcla y esta es igual a la suma de las presiones parciales (P ) de los componentes de esta mezcla.

Relación con Gases Ideales

Las presiones parciales se calculan aplicando la ley de los gases ideales a cada componente. Así la presión parcial (Pc) para un componente consiste en nc moles a la temperatura T en el volumen V, siendo R la constante universal de los gases ideales, está dada por la expresión:

Pc=ncRTV

Se puede calcular la presión parcial de cada componente, si se conoce el número de moles de cada uno de los gases que se encuentran en la mezcla encerrada en un volumen determinado y a una temperatura dada. Debido a que las partículas de cada gas componente se conducen de una forma diferente, la mezcla total que ejerza la mezcla será el resultado de todas las partículas. Establece que la presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales de los gases individuales.

Ecuaciones de estado

Una ecuación de estado es la relación que existe entre dos o más propiedades termodinámica. En sistemas de un componte y de una fase, la ecuación de estado incluirá tres propiedades la presión, volumen y temperatura. Dado que la presión, temperatura y volumen pueden ser medidos directamente, los datos necesarios para evaluar las constantes en tales ecuaciones pueden ser obtenidos experimentalmente.

La elección de la ecuación a usar en una aplicación dada depende principalmente de la exactitud deseada y de la capacidad del usuario. Como los coeficientes de casi todas las ecuaciones de estado deben ser evaluados ajustando o adaptando las ecuaciones a diversos datos experimentales de presión, volumen y temperatura, estas ecuaciones no representan los datos, limitando la exactitud. Esto es particularmente cierto cuando las ecuaciones más sencillas son aplicadas en la vecindad del punto crítico.

Ecuación de Berthelot

La ecuación del estado de Berthelot es ligeramente más compleja que la ecuación de Van der Waals. Esta ecuación incluye un término de atracción intermolecular que depende tanto de la temperatura como del volumen. La ecuación tiene la siguiente forma:

Teniendo en cuenta el peso:

PM=WRTPV [1+ 9PTc

128 PcT (1−Tc ²T ² )]

Teniendo en cuenta la densidad: PM= δRTPV [1+ 9 PTc

128PcT (1−T c2

T 2 )]Esta ecuación al igual que la de Van der Waals predice un valor para Zc igual a 0.375 por lo que no es aconsejable utilizar cerca del punto crítico.

Para esta ecuación el factor de compresibilidad crítico tiene un valor de 0.28 el cual se acerca bastante al valor promedio experimental de Zc para la gran mayoría de los gases no polares.

Esta ecuación incluye un término de atracción intermolecular que depende tanto de la temperatura como del volumen. La ecuación tiene la siguiente forma:

P = presión del gas

V = volumen del gas por mol

T = temperatura del gas

R (cte.) = 0.082/mol*k

Bibliografia

http://books.google.hn/books/about/Fisicoqu%C3%ADmica_Manual_de_Laboratorio.html?id=yinGhHba9tAC&redir_esc=y

http://www.slideshare.net/20_masambriento/practica-2-17444376#

http://es.scribd.com/doc/37587589/DETERMINACION-DEL-PESO-MOLECULAR-DE-UN-LIQUIDO-VOLATIL