Labo 2.docx

ÍNDICE . 1. Resumen………………………………………………………….………

3

2. Objetivos…………………………………………………….…………....

4

3. Fundamento Teórico ………………………………………..………….

4

3.1 Gases……………………………………………………….…………

4

3.2 Densidad de Gases………………………………………………….

5

3.3 Capacidad Calorífica de los gases………………………………...

6

4. Procedimiento experimentales………………………….…….…...…..

7

5. Cálculos experimentales………………………………………………..

9

5.1 Grupo 1………………………………………………………….…….

9

5.2 Grupo 2……………………………………………………….……….

13

6

Conclusiones ……………………………………………………….……..

21

7

Discusión de resultados………………………………………………….

22

8

Cuestionario……………………………………………………….………

23

9

Bibliografía………………………………………………………….……..

23

10 Apéndice…………………………………………………………….………

24

2

Laboratorio de Fisicoquímica

1. RESUMEN En la presente práctica de Fisicoquímica tenemos como objetivo determinar el diagrama de solubilidad en un sistema líquido de tres componentes. Para tal propósito, usaremos los métodos aprendidos para realizar valoraciones con las diferentes soluciones como el NaOH, n-butanol y el ácido acético. De la práctica realizada se concluye que

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2. OBJETIVOS Determinar el diagrama de solubilidad en un sistema líquido cuyos componentes son el agua, ácido acético y n- butanol

3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 

Solubilidad

Es una medida de la capacidad de disolverse de una determinada sustancia (soluto) en un determinado medio (solvente). Implícitamente se corresponde con la máxima cantidad de soluto que se puede disolver en una cantidad determinada de solvente, a determinadas condiciones de temperatura, e incluso presión (en caso de un soluto gaseoso). No todas las sustancias se disuelven en un mismo solvente. Por ejemplo, en el agua, se disuelve el alcohol y la sal, en tanto que el aceite y la gasolina no se disuelven. En la solubilidad, el carácter polar o apolar de la sustancia influye mucho, ya que, debido a este carácter, la sustancia será más o menos soluble; por ejemplo, los compuestos con más de un grupo funcional presentan gran polaridad por lo que no son solubles en éter etílico.

Imagen 01.- Ejemplo de solubilidad



Sistemas de 3 componentes

Las relaciones de solubilidad de un sistema de 3 componentes, se representan fácilmente en un diagrama de triángulo equilátero, ya que en él se puede plotear el porcentaje de cada componente en la misma escala, correspondiendo cada vértice del triángulo a los componentes puros, y cada lado a un sistema de dos componentes, a temperatura y presión constante. Cada vértice representa el 100% del componente representado en dicho vértice. Los lados del triángulo representan mezclas binarias de los componentes situados en los vértices extremos. Un punto situado en el interior del triángulo representa a una mezcla ternaria. Para establecer el punto que representa una mezcla de 25% de A, 25% de B y

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50% de C, podemos proceder del siguiente modo: El punto “a” sobre el lado AB representa el 25% de A. Tracemos una línea de trazos desde el punto “a” al lado opuesto del triángulo paralela al lado BC. Todas las mezclas que contengan 25% de A se hallarán sobre esta línea de trazos. El punto “b” del lado AC representa el 50% de C. Tracemos una línea de trazos paralela a AB hasta el lado opuesto del triángulo. Del mismo modo se selecciona un punto de BC que represente el 25% de B y se traza la línea adecuada. La posición de la curva cambia con la temperatura. Para conocer la composición de cada fase en el sistema ternario representado por el punto “p”, hemos de trazar la “línea de unión” ó “línea de reparto” que pasa por dicho punto. Esta línea corta a la curva en dos puntos “q” y “s”, cuyas composiciones corresponden con las de cada fase. Cualquier punto situado sobre dicha línea pose la misma composición de cada fase. Como podemos observar, se pueden construir infinitas “líneas de unión”.

Imagen 02.- Diagrama de 3 componentes

Se pueden presentar tres casos: Tipo 1. Formación de un par de líquidos parcialmente miscibles. Tipo 2. Formación de dos pares de líquidos parcialmente miscibles. Tipo 3. Formación de tres pares de líquidos parcialmente miscibles 

Formación de un par de líquidos parcialmente miscibles

Los puntos a y b designan las composiciones de las dos capas liquidas que resultan de la mezcla de B y C en alguna proporción arbitraria tal como c, mientras que la línea Ac muestra la manera en que dicha composición cambia por adición de A. La línea a1b1 a través de c1 conecta las composiciones de las dos capas en equilibrio, y se denomina línea de unión o línea de reparto. La miscibilidad completa por coalescencia de las dos capas en una sola tiene lugar únicamente en el punto D al cual se le denomina Punto crítico isotérmico del sistema o Punto de doblez. Finalmente, a la curva aDb se conoce como curva binodal.

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Imagen 03.- Diagrama para la formación de un par de líquidos no miscibles



Formación de dos pares de líquidos parcialmente miscibles

Un sistema de tres líquidos tales que A y B, y A y C son parcialmente miscibles, mientras que B y C lo son totalmente. Los puntos D y F son los puntos de doblez respectivos de las dos regiones heterogéneas. Existen sistemas cuyo diagrama a temperaturas inferiores cuando la miscibilidad decrece, las dos curvas binodales se pueden intersecar, formando una banda típica, donde el área de miscibilidad parcial es abdc.

Imagen 04.- Diagrama para la formación de dos pares de líquidos parcialmente miscible



Formación de tres pares de líquidos parcialmente miscibles

Cuando los tres líquidos son parcialmente miscibles entre sí, se producen tres curvas binodales. Si se intersecan las curvas binodales, como puede suceder a temperaturas más bajas el diagrama contiene tres puntos de intersección D, E y F. En las áreas designadas por 1 solo existe una fase, mientras que las señaladas con 2, coexisten dos fases liquidas con las concentraciones de equilibrio dadas por las líneas de enlace que las unen. El área señalada con tres posee ahora tres fases liquidas en equilibrio, entonces el sistema debe ser invariante a temperatura y presión constante.

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Imagen 05.- Diagrama de la formación de tres pares de líquidos parcialmente

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4. PROCEDIMIENTO EXPERI MENTAL 4.1 Determinación de la densidad de gases por el Método de Víctor Meyer 4.1.1 Instale el equipo como se muestra en la fig. (1)

Figura (1) 4.1.2 Coloque en un vaso agua de caño, hasta 2/3 de su volumen (A), y dentro de éste el tubo de vaporización (B), manteniendo cerrada la llave de la bureta F y abierto el tapón E. Lleve el agua a ebullición durante 10 min. 4.1.3 Mientras se esté calentando el agua, pese una ampolla de vidrio vacío. caliente la ampolla, retire e introduzca el capilar en un vaso que contenga una porción de líquido orgánico volátil que para este experimento fue cloroformo, enfrié y repita la operación hasta introducir una muestra que llegue a la altura 4. Ver figura (2), selle el capilar; déjelo enfriar, péselo con exactitud y calcula masa de muestra por diferencia de pesos. 4.1.4 Abra la llave de la bureta, nivele el agua hasta la marca inicial con la pera. 4.1.5 Coloque el tapón E, iguale los niveles, lea la bureta y anote. Retire el tapón E y haga que el nivel llegue nuevamente al nivel inicial. 4.1.6 Repita d) hasta que todo el volumen desalojado de agua no fluctué en más de 0.2 ml respecto a la lectura anterior. 4.1.7 Rompa el extremo de la ampolla, introduzca rápidamente en el tubo de vaporización y coloque inmediatamente el tapón E. A medida que baje el nivel del agua en la bureta iguale el de la pera, hasta que el nivel del agua deje de bajar.

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4.1.8 Cierre rápidamente la llave F, espere 10 min y tome la temperatura del agua de pera, lea el nivel de agua de la bureta, toando como referencia la lectura realizada en (4.1.4) 4.2 Relación de Capacidades Caloríficas por el Método de Clément y Desormes. 4.1.1

4.1.2

4.1.3 4.1.4 4.1.5

Arme el equipo mostrado en la figura (3) de forma que todas las uniones queden herméticamente cerradas.

Figura (3) Manteniendo cerrado B, abra A permitiendo el paso de gas por el balón hasta tener un desnivel aproximadamente de 10 cm en el manómetro de agua, cierre A y lea la diferencia de altura exacta (h1). Abra rápidamente B y ciérrela en el momento en el que ambas ramas del manómetro se crucen. Deje que se estabilice el líquido manométrico y lea la nueva diferencia de alturas (h2). Repita el proceso con diferencia de alturas iniciales de aproximadamente 15, 20 y 25 cm.

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CÁLCULOS EXPERIMENTALES TABLA 1: Soluciones de ácido acético en agua y tituladas con n-butanol 10% V (ml) 1.00 9.00

Sustancia Ácido Acético Agua Volumen gastado de n-butanol

15% V(ml) 20% V(ml) 25% V(ml) 1.50 2.00 2.50 8.50 8.00 7.50

1.40

1.90

3.90

7.40

TABLA 2: Soluciones de ácido acético en n-butanol y tituladas con agua Sustancia Ácido Acético n-butanol

10% V(ml) 1.00 9.00

20% V(ml) 2.00 8.00

30% V(ml) 3.00 7.00

40%V(ml) 4.00 6.00

Volumen gastado de agua

3.00

4.80

11.80

21.25

TABLA 3: Densidades teóricas de las sustancias a sus respectivas temperaturas

-

Sustancia

T(°C)

ρ(g/ml)

Ácido Acético

22

1.0475

n-butanol

22

0.8081

Agua

22

0.9978

Calcular el porcentaje de cada componente de las mezclas: 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 = (𝜌𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 ) (𝑉𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒) %𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 =

𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑊𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎

∗ 100

TABLA 4: Porcentaje en peso de cada sustancia presente en las soluciones de ácido acético en agua, tituladas con n-butanol % en volumen Sustancia Ácido Acético Agua n-butanol

10% V W(g) %W 1.05 8.98 1.13

15% V W(g) %W

9.39 1.57 80.47 8.48 10.14 1.54

13.56 73.19 13.25

20% V W(g) %W 2.10 7.98 3.15

25% V %W

15.84 2.62 60.34 7.48 23.82 5.98

W(g) 16.28 46.53 37.18

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TABLA 5: Porcentaje en peso de cada sustancia presente en las soluciones de ácido acético en n-butanol, tituladas con agua: % en volumen

-

10% V

20% V

30% V

40% V

Sustancia Ácido Acético

W(g)

%W

W(g)

%W

W(g)

%W

W(g)

%W

1.05

9.26

2.10

15.69

3.14

15.27

4.19

13.86

n-butanol

7.27

64.28

6.46

48.43

5.66

27.50

4.85

16.03

Agua

2.99

26.46

4.79

35.88

11.77 57.23 21.20

70.11

Título en gramo de ácido acético por ml de NaOH: Valoración de solución de NaOH ≈0.1N Masa de Biftalato de Sodio: 0.416g 𝑁𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎 =

𝑊𝐵𝐻𝐶𝑙 ∗ 1000 𝑃𝑒𝑞 ∗ 𝑉𝑔(𝑚𝐿)

=

2.037 ∗ 10−3 ∗ 1000 204.22𝑔 ∗ 21

= 1.0185 𝑁

𝑊𝑎𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑉𝑁𝑎𝑂𝐻 1.01𝑔 𝐴𝑐𝑖𝑑𝑜 𝐴𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑔 𝐴𝑐𝑖𝑑𝑜 𝐴𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑇𝑖𝑡𝑢𝑙𝑜 = = 0.079 12.80 𝑚𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 𝑚𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 𝑇𝑖𝑡𝑢𝑙𝑜 =

TABLA 6: Titulo en gramo de ácido acético por ml de NaOH

Matraz vacío Matraz + ácido acético Ácido acético

-

W(g) 60.71

Ácido acético

61.71

NaOH gastado

1.01

Titulo (g Hac/mLNaOH)

Composición global de la mezcla: Se calcula el peso de cada componente: 1.0475𝑔 𝑊𝑎𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜 = (2.00𝑚𝐿) ( ) = 2.10 𝑔 𝑚𝐿

V(ml) 1.00 12.80 0.079

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0.8081𝑔 𝑊𝑛−𝑏𝑢𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = (9.00𝑚𝐿) ( ) = 7.27𝑔 𝑚𝐿 0.99777𝑔 𝑊𝑎𝑔𝑢𝑎 = (9.00𝑚𝐿) ( ) = 8.98𝑔 𝑚𝑙 Se calcula el porcentaje en peso de cada componente 𝑊𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 = 2.10𝑔 + 7.27𝑔 + 8.98𝑔 = 18.35𝑔 2.10𝑔 %𝑊𝑎𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜 = ( ) ∗ 100 = 11.42% 18.35𝑔 %𝑊𝑛−𝑏𝑢𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 = (7.27𝑔/18.35𝑔) ∗ 100 = 39.64% 8.98𝑔 %𝑊𝑎𝑔𝑢𝑎 = ( ) ∗ 100 = 48.94% 18.35𝑔

TABLA 6: Mezcla para determinar el coeficiente de reparto

-

Sustancia

V(ml)

W(g)

%W

Ácido Acético

2.00

2.10

11.42

n-butanol

9.00

7.27

39.64

Agua

9.00

8.98

48.94

Determinación de la línea de reparto: Sea: 𝑇𝑖𝑡𝑢𝑙𝑜 = 0.079 

𝑔 𝐴𝑐𝑖𝑑𝑜 𝐴𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑚𝐿 𝑁𝑎𝑂𝐻

Fase Acuosa: V(NaOH gastado) = 5.9mL W(muestra)=4.841g

𝑊𝑎𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜 = (0.079

𝑔 𝐴𝑐𝑖𝑑𝑜 𝐴𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜 ) (5.9𝑚𝐿 𝑁𝑎𝑂𝐻) = 0.466 𝑔𝐴𝑐𝑖𝑑𝑜 𝐴𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑚𝐿 𝑁𝑎𝑂𝐻

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0.466𝑔 %𝑊𝑎𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜 = ( ) ∗ 100 = 9.626% 4.841𝑔 

Fase Orgánica: V(NaOH gastado) = 6.9mL W(muestra)=4.328g 𝑊𝑎𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜 = (0.079

𝑔 𝐴𝑐𝑖𝑑𝑜 𝐴𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑚𝐿 𝑁𝑎𝑂𝐻

) (6.9𝑚𝐿 𝑁𝑎𝑂𝐻) = 0.545 𝑔𝐴𝑐𝑖𝑑𝑜 𝐴𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜

0.545𝑔 %𝑊𝑎𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜 = ( ) ∗ 100 = 11.258% 4.841𝑔

TABLA 7: Determinación de la línea reparto:

-

FASE ACUOSA

FASE ORGANICA

W matraz(g) + W corcho(g)

56.822

60.74

W muestra(g) + W matraz(g) + W corcho(g)

61.663

65.068

W muestra(g) V(NaOH) (mL) W ac. Acético(g) %W ac. Acético

4.841 5.9 0.466 9.626%

4.328 6.9 0.545 11.258%

Comportamiento del sistema estudiado: El ácido acético se solubiliza en el agua debido a su polaridad, y principalmente porque puede establecer puentes de Hidrógeno con ella, entre ellos son miscibles, es decir siempre sin importar el porcentaje estas al mezclarse siempre dará como resultado una mezcla homogénea, pasando lo mismo con el ácido acético y el nbutanol. En cambio, el agua con el n-butanol son parcialmente solubles no se disuelven completamente el uno del otro. La naturaleza de sus moléculas es distinta y se repelen, provocando que se mantengan en dos fases diferentes. El ácido acético es soluble en ambas especies, se disuelven en las dos fases, en cambio estas permaneces inmiscibles dando como resultado un sistema ternario. Al mezclase y se encuentre el equilibrio habrá dos capas conjugadas que son los puntos de máxima solubilidad, es decir, el punto a representar la máxima solubilidad

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del agua en el n-butanol y el otro representa la máxima solubilidad del n-butanol en agua. Por encima de la curva binoidal, se obtendrá una solución de una líquida. Además, se observa una propiedad representada por una línea trazada desde el vértice del triángulo a cualquier punto situado en el opuesto, representa las composiciones porcentuales de todas las mezclas posibles que tienen las mismas cantidades relativas de los otros dos componentes. La línea de reparto es la que corta a la curva y cada punto de intersección con la curva indica la composición en cada fase.

6.CONCLUSIONES GRUPO 1 5

Se concluye que el coeficiente adiabático es de 1.26 mientras que su valor teórico es de 1.4, lo cual nos resultó un porcentaje de error de 10%.

6

Se pudo determinar que las capacidades caloríficas a presión y volumen constante son 40.32 J/mol.k y 32J/mol.k respectivamente, lo cual generó un porcentaje de error de 54.58% para el Cp y de 91.3% para el Cv.

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𝑔

7

La densidad experimental nos resultó 4.56 𝐿 mientras que la densidad teórica es 𝑔

5.66𝐿 lo cual dio un porcentaje de error de 19.43%.

GRUPO 2 8

Se concluye que el coeficiente adiabático es de 1.21 mientras que su valor teórico es de 1.4, lo cual nos resultó un porcentaje de error de 13,5%.

9

Se pudo determinar que las capacidades caloríficas a presión y volumen constante son 47.7 J/mol.k y 39.6J/mol.k respectivamente, lo cual generó un porcentaje de error de 63.9% para el Cp y de 91.3% para el Cv. 𝑔

10 La densidad experimental nos resultó 6.11 𝐿 mientras que la densidad teórica es 𝑔

5.67𝐿 lo cual dio un porcentaje de error de 7.76%.

7.DISCUSIÓN DE RESULTADOS GRUPO 1 

La densidad de vapor del cloroformo a condiciones normales según la hoja de seguridad: https://quimica.unam.mx/wp-content/uploads/2016/12/7cloroformo.pdf está dado por 4.12 g/L y según nuestro experimento realizado es de 6.11 g/L, esto no dice que el error existente es de 32.5 %

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

La capacidad calorífica del hidrogeno a presión constante y volumen constante según: https://es.wikipedia.org/wiki/Calor_espec%C3%ADfico es de 28.82 J/mol. K y 20.40 J/mol. K respectivamente, según nuestro experimento la capacidad calorífica a presión constante es de 29.1 J/mol. K y la de volumen constante es de 20.7 J/mol. K. los errores obtenidos al comparar ambos resultados nos dan 0.97 % y 1.5 % respectivamente, lo que se traduce en un trabajo bien realizado. GRUPO 2



La densidad de vapor del cloroformo a condiciones normales según la hoja de seguridad: https://quimica.unam.mx/wp-content/uploads/2016/12/7cloroformo.pdf está dado por 4.12 g/L y según nuestro experimento realizado es de 4.56 g/L, esto no dice que el error existente es de 10.7%



La capacidad calorífica del hidrogeno a presión constante y volumen constante según: https://es.wikipedia.org/wiki/Calor_espec%C3%ADfico es de 28.82 J/mol. K y 20.40 J/mol. K respectivamente, según nuestro experimento la capacidad calorífica a presión constante es de 40.32J/mol. K y la de volumen constante es de 32 J/mol. K. los errores obtenidos al comparar ambos resultados nos dan 39.9 % y 58.6% respectivamente.

8.CUESTIONARIO 1) En que consiste el método de Renault para la determinación de los pesos moleculares de las sustancias gaseosas: Se usa para determinar los pesos moleculares de gases a temperatura ambiente, en donde se usa un matraz en donde se procede a llenar de un gas , el

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cual está a una determinada temperatura y presión, luego se halla su densidad, luego se reemplaza en esta ecuación: 𝑀=

𝐷𝑅𝑇 𝑃

2) Explique que es la temperatura de Boyle: Para cada gas real hay una temperatura característica de este, a la cual su valor (PV) permanece prácticamente igual cuando se aumenta su presión hasta valores de presiones moderadamente altos. A esta temperatura llamada temperatura de Boyle, el gas real obedece con gran exactitud la ley de Boyle, dentro de una cierta variación de la presión. 3) Defina el punto crítico Es el estado del gas a presión crítica, temperatura crítica y volumen crítico y sus valores son las constantes críticas -

Temperatura crítica: Temperatura arriba de la cual, no importa que tan grande sea la presión aplicada, es imposible ser licuado. Presión crítica: Presión necesaria para licuar un gas a cierta temperatura crítica Volumen crítico: Volumen del gas a presión crítica y temperatura crítica

9.BIBLIOGRAFÍA

  

https://www.fullquimica.com/2014/04/diferencia-entre-un-gas-ideal-y-un-gas.html https://www.monografias.com/docs/Determinaci%C3%B3n-De-La-Densidad-DeGases-El-PKCHB5ZYMZ https://iquimicas.com/densidad-gas-formula-ejercicios/

10. APÉNDICE

Método de Víctor Meyer para determinar pesos moleculares: Es conveniente para sustancias que pueden pesarse en estado líquido. Se funda en que al colocar en una ampolla de vidrio una cantidad determinada de líquido, se le evapora a temperatura constante, originando que sea desalojado del aparato un volumen

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equivalente de aire que es medido en una bureta de gases, a temperatura y presión conocidas, o lo que es lo mismo, que el volumen del vapor se mide indirectamente por igual volumen de aire desalojado por aquel Se determina por lo siguiente: Peso molecular = volumen molar x densidad del gas = volumen molar x densidad del aire x Peso específico del gas = 22.41L/mol x 1.293g/L x Peso específico del gas = 28.98 g/mol x Peso específico del gas Donde la constante 28.98 g/mol viene a ser el peso molecular promedio del aire.