Comprobación de la ley de Charles

La ley de Charles o ley de volúmenes es una ley experimental sobre el comportamiento de los gases. Describe como los gases tienden a expandirse cuando son sometidos a calentamiento en presión constante. La ley de Charles es de suma importancia para la cuantificación de reacciones en fase gaseosa y para el transporte y almacenamiento de gases.

Fundamentación teórica de la ley de Charles

La ley de Charles es llamada así en honor al científico francés Jacques Charles, quien formuló la ley original en su trabajo sin publicar en 1780. En una serie de cuatro ensayos entre el 2 y 30 de octubre de 1801, John Dalton demostró experimentalmente que todos los gases y vapores que estudiaba se expanden en la misma cantidad entre dos puntos fijos de temperatura. El naturalista francés y filosofo Joseph Gay-Lussac confirmó el descubrimiento en una presentación en el Instituto Nacional Francés el 31 de enero de 1802, aunque dio los créditos del descubrimiento al trabajo de Charles. El principio básico ya había sido descrito por Guillaume Amontons y Francis Hauksbee un siglo antes.

La ley de Charles parece implicar que el volumen de un gas descenderá hasta cero a ciertas temperaturas (cero absoluto), sin embargo, Gay-Lussac dejó en claro en su descripción que la ley no era aplicable a bajas temperaturas.

En el cero absoluto el gas posee cero energía y entonces las moléculas no tienen movimiento. Gay-Lussac no sabia de la existencia del aire liquido (preparado por primera vez en 1877), aunque él creía al igual que Dalton que los llamados gases permanentes como el aire y el hidrógeno podían ser licuados. Posteriormente William Thomson introduciría el termino de cero absoluto describiéndolo en términos de la segunda ley de la termodinámica.

Materiales

  • Soporte universal
  • Aro con nuez
  • Malla de calentamiento*
  • Vaso de precipitados de 250 mL
  • Vaso de precipitados de 500 mL
  • Termómetro
  • Mechero*
  • 2 Pinzas con nuez
  • Tubo de ensayo con desprendimiento lateral
  • Tapón de caucho para tubo de ensayo
  • Manguera de caucho
  • Probeta de 100 mL

* la malla de calentamiento y el mechero pueden ser reemplazadas por una plancha de calentamiento si está disponible.

Reactivos

  • Ninguno

Procedimiento

Realizar el montaje indicado en la figura teniendo precaución de que ni el termómetro ni el tubo de ensayo con desprendimiento lateral toquen las paredes del vaso de precipitado de 250 mL. Llene en ¾ partes con agua el vaso de precipitados de 250 y a la mitad el de 500 mL.

Montaje para la comprobación de la ley de Charles
Montaje para la comprobación de la ley de Charles

Tape herméticamente el tubo de ensayo, verifique que no queden escapes en la manguera. Posteriormente llene la probeta de 100 mL con agua casi hasta su totalidad, inviértela sobre el vaso de precipitados de 500 mL con la ayuda de la mano evitando que entre aire a la probeta. Si entra aire, registre la cantidad de aire atrapado

Inicie el calentamiento, registre el volumen del aire en la probeta y la temperatura registrada por el termómetro, tome mediciones cada 5 grados de temperatura hasta que se alcance el punto de ebullición del agua. Anotar los valores obtenidos y las observaciones hechas.

Después del experimento

Graficar la temperatura registrada en el eje x vs el volumen de aire en la probeta en el eje y. Si la gráfica obtenida no es lineal se puede linealizar a través de algún método. Extrapolar la gráfica hasta V=0, ¿Qué temperatura corresponde al volumen=0? ¿esta temperatura recibe un nombre especial? si no se trabajara con aire sino con un vapor de un líquido, ¿el resultado sería el mismo? ¿Qué consideraciones se deben tener? ¿como se relaciona el comportamiento observado en el experimento con la ley de Charles?

Recomendaciones de seguridad

En todo momento se deben utilizar los elementos de seguridad básicos en el laboratorio de química (bata de laboratorio, guantes, gafas de seguridad y demás que sean exigidos por las normas internas, locales o nacionales. Los residuos generados por la practica deben ser dispuestos de manera adecuada según las normas de laboratorio y las normas locales y nacionales respectivas.

Para más información Experiment Verifying Charles’s Law – Wolfram Demonstrations Project

Clasificación

Nivel: Universitario

Tipo: Practica de enseñanza

Riesgo: bajo