F A P = F A ESTADOS DE LA MATERIA ESTADO GASEOSO PROPIEDADES DE LOS GASES

Transcripción

1 ESTADO GASEOSO ROIEDADES DE LOS GASES ESTADOS DE LA MATERIA Estados de la materia Sólido Líquido Gaseoso Bibliografía: Química la Ciencia Central - T.Brown, H.Lemay y B. Bursten. Química General - McMurry-Fay rincipios de Química -. Atkins y L. Jones. Quimica General - R. etruci, W.S. Harwood y F.Herring. "Quimica" R. Chang. En condiciones de y T adecuadas la mayoría de las sustancias puede existir en cualquiera de los tres estados de la materia. δ(gases) < δ(líquido) < δ(sólido) apor Sólido Líquido ROIEDADES DE LOS GASES Características generales: Se expanden espontáneamente. No tienen forma definida. Son fácilmente compresibles. Tienen baja densidad Forman fácilmente mezclas entre si (Ej: aire) Diferencia entre Gas y apor GAS: sustancia que se encuentra en estado gaseoso a T y ambiente. AOR: fase gaseosa de una sustancia que es sólida o líquida a T y ambiente. 11 elementos son gases en condiciones ordinarias de y T. Ejemplos Ejemplos de de algunos algunos compuestos compuestos moleculares moleculares gaseosos gaseosos HF HCl HBr HI NO N O NO NH 3 CO CO SO SO 3 HCN H S CH 4 C 3 H 8 C 4 H 10 resión = F A RESIÓN N DE UN GAS Unidades SI (Sistema internacional de Unidades): Fuerza: en Newtons (N) Área: en m N/m = a a = unidad SI de la resión. RESIÓN N ATMOSFÉRICA resión que ejerce la atmósfera sobre la superficie terrestre por efecto de la gravedad (g). F= m g= Kg 9,8m s Fuerza de la gravedad 1 m de columna de masa de aire m = kg F = 0,98 x 10 5 Kg.m/s F 10 5 Kg.m/s 10 5 N atm F = A 5 10 N 5 N 5 = a 1m m Unidad SI Qué ocurre cuando inflamos la goma de una bicicleta? atm 10 5 a = 100 Ka = 1000 ha 1Ka = 10 ha 1

2 RESIÓN N ATMOSFÉRICA resión que ejerce la atmósfera sobre la superficie terrestre por efecto de la gravedad (g). aría a con la altitud, con las condiciones climáticas y con la temperatura La presión atmosférica se reduce: a mayor altitud. al aumentar la humedad. al aumentar la temperatura. h = h.a Cómo se mide la de un gas? De manera indirecta, comparándola con la resión de un líquido. Depende sólo de la altura de la columna de líquido y de su densidad. m = masa del líquido de densidad δ m δ = F m.g = = A A g = aceleración de la gravedad F δ..g δ.h.a.g = = = A A A m = δ. = δ. h. A = δ. h. g atm Cómo medimos la presión atmosférica? Barómetro acio = δ.. h. g h = altura de la columna de Hg, proporcional a la presión atmosférica 1 atm = 760 mm = 760 Torr 1mm Hg = 1 Torr resión atmosférica estándar ejercida por una columna de Hg de altura h = 760 mm, cuando: δ(hg) = 13,6 g/cm 3 y g = 9,8 m/s Relación n entre distintas unidades de resión 1 atm = 760 Torr = 760 mm Hg 1 atm = 1, a = 101,3 Ka = 1013 ha 1 bar = 10 5 a = 10 Ka = 100Ka = 1000ha 1 atm = 1,013 bar = 1013 mbar = 1,013 x 10 5 N/m = 1,013 x 10 5 a = 101,3 Ka 1 atm Ejemplo de conversión n de presiones La de un gas es 49 torr. Exprésela en mm Hg, atm, bar, mbar, a y ka. 49 torr = 49 mm Hg 1atm 49 torr = atm 760 torr 49 torr 1,013 bar = bar = 65 mbar 760 torr 1,013x torr a = 6531a 760 torr 6531 a = 65,31ha = 6,531ka or qué en el barómetro se emplea Hg y no agua? δ(hg) >> δ (H O) = δ. h. g para alcanzar la misma presión: Ejemplo: Cuál será la altura de una columna de agua que ejerce la misma que una columna h(h de Hg de h = 76 cm? (Hg) = δ(hg). h(hg). g h(h O) = [δ(hg)/ δ(h O)] x h(hg) h(h O) >> h(hg) δ(hg). h(hg). g = δ(h O). h(h O). g h(h O) ) = 10,3 m (H O) = δ(h O). h(h O). g

3 Que propiedades determinan el comportamiento físico f de un gas? a) La cantidad de gas (moles = n) b) El volumen () c) La temperatura (T en Kelvin) d) La presión () inculadas mediante una ecuación de estado denominada ecuación de los gases ideales. GASES IDEALES Cumplen con ciertas leyes empíricas. Estas establecen la relación que existe entre dos de las variables cuando se mantienen constantes las otras dos. Ley de Boyle: a T constante, la presión () que ejerce una cierta masa de gas, es inversamente proporcional al volumen () que ocupa. = k K = -73,15 C T (K) = T( C ) + 73,15 Aumento de la cavidad torácica Intercostales externos Diafragma Disminución de la cavidad torácica Intercostales internos GASES IDEALES Ley de Charles y Gay-Lussac Lussac: El volumen ocupado por una masa fija de gas, a presión constante, es directamente proporcional a su temperatura absoluta. = k T(K) Ley de Avogadro: a y T constantes, el volumen de un gas es proporcional al número de moles de dicho gas. = k 3 n Condiciones normales de presión n y temperatura (CNT): = 1 atm, T = 73,15 K (0ºC) olumen molar: En CNT un mol de cualquier gas ocupa un volumen de,4 litros. ECUACIÓN DE LOS GASES IDEALES: = Combinado las leyes empíricas de los gases: Ley de: Boyle Charles Avogadro Ecuación = k 1 1 = k T = k 3 n Reordenando se obtiene: Se mantienen constantes n y T n y y T. = n.r.t = R (cte de los gases) nt = k k.k n.t 1. 3 R R = 0,08 atm.l/mol.k = 8, ergios/k.mol = 8,31 J/K.mol ECUACIÓN DE LOS GASES IDEALES ALICACIONES DE LA ECUACIÓN DEL GAS IDEAL Ecuación de estado, describe la respuesta de un gas ideal a los cambios de,, T y n Ley límite. = n.r.t = = n = RT a) Determinación n de la densidad de un gas. = n.r.t n = m /M, (donde M = M) R.T = n = m.m δ = m/.m δ = R.T Si n = cte = nr = cte T T = nr b) Determinación n del peso molecular de un gas Condiciones iniciales 1 1 = T1 T Condiciones Finales m.r.t δ.r.t M = =. 3

4 Ejercicios:. = n.r.t 1 - Cuál es el volumen ocupado por 0, g de NH 3 a -5ºC y 75 mm de Hg? (M(NH 3 ) = 17g/mol) - Cuál es la densidad del He a 98 K y 0,987 atm? or qué los globos de He suben en el aire? M(He) = 4g/mol; M(N ) = 8 g/mol 3 - Una muestra de 1,7 g de un óxido de nitrógeno (NO o NO ) ocupa un volumen de 1,07 litros a 5ºC y 737 torr. De qué óxido se trata?.m δ = R.T 4 - ara la reacción: CaCO 3(s) CaO (s) + CO (g) El CO se recoge en un balón de 50 ml. La presión final es 988 mm de Hg a 31ºC. Cuántos moles de CO se generaron? = m.r.t =.M m.r.t M =. n = RT MEZCLAS DE GASES Y RESIONES ARCIALES resión n parcial de un gas: es la presión de cada gas en una mezcla Ley de Dalton: La presión total de una mezcla de gases, que no reaccionan entre sí, es igual a la suma de las presiones parciales que cada gas ejercería si ocupara él solo el volumen del recipiente que los contiene. LEY DE DALTON Consideremos una mezcla de X gases: T = X Si cada gas obedece la ecuación del gas ideal, entonces: T = n 1 (RT/) + n (RT/) + + n X (RT/) T = (n 1 + n + n X )(RT/) n Total 1 n1(rt / ) n = = 1 = X1 T nt(rt / ) nt X 1 = fracción molar T = n Total (RT/) Cómo relacionamos la de un gas con la T? 1 = X 1. T X 1 + X + + X X = 1 TEORÍA A CINÉTICA MOLECULAR (gases ideales) 1.- Gas: consiste de muchas moléculas en movimiento continuo y desordenado. (Moléculas alejadas unas de otras, mucho espacio vacío)..- El volumen de las moléculas de gas es despreciable respecto al del recipiente que las contiene. 3.- Las fuerzas de atracción y repulsión entre las partículas de gas son despreciables. Las moléculas del gas se mueven en línea recta hasta que colisionan. 4.- Durante las colisiones la energía puede transferirse de una partícula a otra, pero, si T es cte, la energía cinética promedio no cambia. TEORÍA A CINÉTICA TICA-MOLECULAR 5.- La energía cinética promedio de las partículas sólo se modifica con T: Ē C ~ T(absoluta) 1 m v c = t e. A T = cte, las moléculas de todos T los gases tienen la misma energía cinética promedio. FENÓMENOS DE EFUSIÓN N Y DIFUSIÓN Son una consecuencia de las propiedades cinéticas de las moléculas. Efusión: Fenómeno mediante el cuál las moléculas de gas escapan a través de un pequeño orificio desde una región de alta presión hacia el vacío o hacia una región de menor presión. v = 3RT M v depende de T y de la naturaleza del gas (M) Se abre un pequeño orificio en el tabique Las moléculas efunden por el pequeño orificio del tabique 4

5 FENÓMENOS DE EFUSIÓN N Y DIFUSIÓN FENÓMENOS DE EFUSIÓN N Y DIFUSIÓN Difusión roceso mediante el cuál las moléculas de gas se mezclan gradualmente unas con otras. Ley de Graham: En iguales condiciones de y T, la velocidad de efusión (o de difusión) de una sustancia gaseosa es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su masa molar Se saca el tabique que los separa Si tenemos dos gases de masa molar M 1 y M entonces se cumple: v 1 = v M M1 t v1 M > M < v efusión > t efusión = = t1 v M1 Recordar la resión de un gas depende: a) Frecuencia de los choques: número de moléculas que chocan con las paredes del recipiente por unidad de tiempo b) Fuerza con que las moléculas chocan contra la pared. Teoría a cinética: interpretación n de los leyes de los gases ideales 3.- Ley de Boyle: = k 1 / Condiciones n y T = cte Ēc = cte ropiedades de los gases ideales: interpretación n mediante la Teoría a cinética molecular. 1.- resión del gas.- Compresibilidad del gas INTERRETACIÓN: N: Si disminuye Igual Nº de moléculas en un menor Mayor Nº moléculas por unidad de olumen 3,0 l 1,5 l Frecuencias de choques mayor mayor. Teoría a cinética: interpretación n de los leyes de los gases ideales Teoría a cinética: interpretación n de los leyes de los gases ideales 4.- Ley de Charles y Gay-Lussac: Condiciones: n y = cte = k.t 4.- Ley de Charles y Gay Lussac: = k.t Condiciones n y = cte frecuencia de choques = cte INTERRETACIÓN: N: Si T aumenta: Ec y v T = 300 K T = 600K ara mantener cte INTERRETACIÓN: N: E c T(K) T 1 T > T 1 T Ē C = ½ mv = cte.t Si T aumenta: Ec y v 1,5 l 3,0 l Debe aumentar la distancia entre partículas El gas se expande ( aumenta) = cte Aumenta la frecuencia de los choques aumenta 5

6 Teoría a cinética: interpretación n de los leyes de los gases ideales COMORTAMIENTO DE LOS GASES REALES 5.- Ley de Avogadro: = cte.n Condiciones: y T = ctes Ec y v son constantes Gas Ideal 1) Las moléculas del gas no tienen volumen. ideal = 0 ) Las Fuerzas intermoleculares son despreciables. (Ej: puede enfriarse el gas hasta T = 0 K sin que el gas condense) INTERRETACIÓN: N: Los gases se comportan idealmente a bajas presiones y altas temperaturas. Si n aumenta, para evitar el aumento de las colisiones con las paredes del recipiente ( = cte) aumenta. Gas Real: No cumple con los postulados de la TCM A altas presiones y bajas temperaturas un gas se aparta del comportamiento ideal. or qué los gases reales no cumplen con la TCM? 1) Las moléculas ocupan un cierto espacio tienen volumen. ) A altas y bajas T, las fuerzas intermoleculares no son despreciables GASES REALES: Ecuación n de van der Waals 1) Efecto del volumen de la partículas de gas Gas Ideal: = A T = 0 K = 0 Gas Real: tiene volumen A T = 0 K 0 b = volumen ocupado por un mol de gas real a T = 0K (gas real) > (gas ideal) ocupado por n moles Ej: si se enfría o si se comprime un gas lo suficiente éste condensa en un líquido. La ecuación de los gases ideales = ya no es operativa. Se requiere una nueva ecuación que contemple estos efectos. = volumen disponible volumen del recipiente nb olumen disponible recipiente partículas [b] = l/mol or qué los gases reales no cumplen con la TCM? ) Efecto por las fuerzas intermoleculares Disminuye la frecuencia de choque contra las paredes del recipiente. (gas real) < ( gas ideal) n a ideal = real + Corrección por fuerzas intermoleculares [a] = l.atm/mol GAS REAL GASES REALES: Ecuación n de van der Waals n a +.( nb) = Ecuación del gas ideal:. = n.r.t Corrección de la por n a + Fuerzas intermoleculares Corrección del por volumen de las partículas Ecuación n de van der Waals nb n a = nb [b] = l/mol [a] = l.atm/mol 6