Los Gases y el Aire.

Transcripción

1 Los Gases y el Aire. Los Gases La materia puede presentarse en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. En este último estado se encuentran las sustancias que denominamos comúnmente gases. El estado Gaseoso: Las variables para el estado gaseoso son: Presión (P): que se puede medir habitualmente en atmósferas (atm), milímetros de mercurio (mmhg), pascales (Pa), bares (bar), entre otros. Volumen (V): que se puede medir en litros (L), mililitro(ml), centímetros cúbicos (cc o cm 3 ). Temperatura (T): que se expresa en grados Celsius (ºC) o Fahrenheit (ºF), o en Kelvin (K). Cantidad de materia (n): que representa la cantidad de moles. Teoría cinética de los gases Las moléculas de una sustancia en estado gaseoso están en constante movimiento. En relación al tamaño de las moléculas, los espacios entre ellas son muy grandes. El movimiento de las moléculas producen choques con las paredes del recipiente y entre sí, originando la presión del gas. Se debe considerar también para el estudio de los gases el hecho de que las moléculas siempre se mueven en línea recta y que los choques son perfectamente elásticos, esto quiere decir que no hay perdida de energía interna en los choques. Un aumento de la temperatura, aumenta la energía cinética de las moléculas del gas, por tanto también aumenta la velocidad de estas. Cabe destacar que los gases adoptan la forma del recipiente que los contiene, por tal motivo diremos que el volumen de un gas es el volumen del recipiente que lo contiene. Esquema demostrativo del movimiento rectilíneo de las moléculas de un gas, contenidas en un volumen, con grandes espacios intermoleculares, lo que permite que sean fáciles de comprimir. Coordinación de Química. Página 1

2 Transformaciones Gaseosas y Leyes Físicas de los Gases Se denominan transformaciones gaseosas a cualquier variación del estado de un gas. Los gases pueden experimentar tres tipos de transformaciones: Transformación isotérmica, en que la temperatura se mantiene constante, variando el volumen y la presión Transformación isobárica, en que la presión es mantenida constante, variando la temperatura y el volumen. Transformación isocórica (o isométrica o isovolumétrica), en que es mantenido el volumen constante variando solo la temperatura y la presión. Las leyes físicas de los gases son experimentales y se refieren al comportamiento de una cierta masa gaseosa en una de las transformaciones ya mencionadas. Ley de Robert Boyle: relación Presión-Volumen a Temperatura constante Observó que la disminución del volumen del gas guardaba cierta relación con el aumento de la presión. Establece que a temperatura constante, el volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión que soporta, es decir si doblaba la presión ejercida al gas, el volumen se reducía a la mitad, si lo triplicaba se reducía a la tercera parte y así sucesivamente. Esta relación encontrada la expresó matemáticamente: P V = K (valor constante) para T constante en el tiempo Donde K es una constante de proporcionalidad, esto quiere decir que el valor de la multiplicación entre Presión y Volumen siempre dará un valor fijo. Por lo tanto, para una condición inicial (1) y una condición final (2) de Presión y Volumen (a Temperatura constante) se cumple que: P 1 V 1 = P 2 V 2 Grafica representativa de la relación presión-volumen de la ley de Boyle. A menor presión mayor volumen y viceversa. Coordinación de Química. Página 2

3 1º Ley de Gay-Lussac: relación Volumen-Temperatura a Presión constante La primera ley de Gay-Lussac se conoce también como ley de Charles-Gay Lussac, ya que fue sugerida con anterioridad en una forma semejante por Jacques Charles. Esta ley permite encontrar una relación entre ambas magnitudes físicas en condiciones de presión constante e igual a la presión atmosférica, es decir, a presión constante, el volumen de un gas aumenta proporcionalmente al incremento de temperatura, siendo la constante de proporcionalidad la misma para todos los gases y se expresa matemáticamente mediante la ecuación: = K (valor constante), para P constante Donde K es una constante de proporcionalidad. Por lo tanto, para una condición inicial (1) y una condición final (2) de Volumen y Temperatura (a Presión constante) se cumple que: Grafica representativa de la relación volumen -temperatura. A mayor volumen mayor temperatura, y viceversa. = Las temperaturas siempre deben ser expresadas en Kelvin para esta ley, recordar: 0[ºC] = 273 [K] 2º Ley de Gay-Lussac: relación Presión-Temperatura a Volumen constante Experiencias similares realizadas manteniendo constante el volumen y estudiando la variación de la presión con la temperatura permitieron al químico francés establecer su segunda ley: a volumen constante, la presión de un gas aumenta proporcionalmente al incremento de temperatura, siendo la constante de proporcionalidad la misma para todos los gases. Este anuncio se expresa mediante una ecuación similar al de la primera ley, en la forma: = K (valor constante), para V constante Coordinación de Química. Página 3

4 Donde K es una constante de proporcionalidad. Por lo tanto, para una condición inicial (1) y una condición final (2) de Presión y Temperatura (a Volumen constante) se cumple que: = Esto se debe a que al aumentar la temperatura, las moléculas del gas aumentan su energía interna por lo que comienzan a moverse más rápidamente aumentando su choque contra las paredes del recipiente que lo contiene y así aumentando la presión, este efecto es inverso al disminuir la temperatura. Igualmente las temperaturas deben ser expresadas en Kelvin para esta ley. Esquema que representa la relación entre presión-temperatura a volumen fijo. En este caso se muestra un recipiente inmerso en hielo (baja temperatura) y otro en agua hirviendo (alta temperatura), con sus respectivas presiones. El recipiente a baja temperatura muestra una presión interna baja y el recipiente a alta temperatura muestra una presión más alta. Ley de Avogaro: relación Volumen-Cantidad a Temperatura y Presión constante Esto dice que el volumen de un gas es directamente proporcional a la cantidad de gas, si aumentamos la cantidad de gas aumentamos el volumen y viceversa. Recuerda que la cantidad de gas la medimos en moles. Esta ley se puede expresar matemáticamente de forma: = K (valor constante), para P y T constante Coordinación de Química. Página 4

5 Donde n es la cantidad de gas en moles y K es una constante de proporcionalidad. Por lo tanto, para una condición inicial (1) y una condición final (2) de Volumen y cantidad de gas (a Presión y Temperatura constante) se cumple que: = Estas leyes sobre el comportamiento de los gases, aunque son aplicables dentro de una buena aproximación a los gases existentes en la naturaleza, son tanto más imprecisas cuando mayor es la densidad, la presión o la temperatura del gas. Por ello los gases que cumplen con exactitud dichas leyes físicas se denomina gases perfectos o gases ideales. Ecuación de Gases ideales Un gas ideal es un gas hipotético cuyo comportamiento de presión, volumen y temperatura se puede describir completamente por la ecuación de gas ideal. Las moléculas de un gas ideal no se atraen o se repelen entre sí, su volumen es despreciable en comparación con el volumen del recipiente que lo contiene y están en continuo movimiento en dirección aleatoria, es decir, al azar, y con frecuencia chocan unas contra otras y con las paredes del recinto que las contiene. En la naturaleza no existe en rigor un gas ideal. Sin embargo, en la práctica a la presión atmosférica y a temperatura ambiente los gases se comportan como ideales. Es posible combinar las leyes de los gases en una sola ecuación sencilla siempre y cuando la temperatura se exprese en la escala absoluta o Kelvin. Obteniéndose la siguiente expresión: Donde n es el número de moles de la muestra gaseosa considerada y R es la llamada constante de los gases ideales igual a: [ ] Volumen molar de un gas Es el volumen ocupado por un mol de moléculas de un gas cualquiera en condiciones normales de temperatura y presión (CNTP), es decir: Temperatura = 0 [ C] ó 273 [K] Presión = 1 [atm] (atmósfera) ó 760 [mmhg] Se verifica experimentalmente que su valor es prácticamente el mismo para cualquier gas, por tanto el volumen de un mol de cualquier gas se considera igual a 22,4 litros. Coordinación de Química. Página 5

6 El Aire El aire es una mezcla de gases que constituye la atmósfera terrestre, que permanecen alrededor del planeta Tierra por acción de la fuerza de gravedad. Composición de la Atmosfera La Troposfera, alberga a casi todos los seres vivos y las actividades humanas, es la región donde los fenómenos meteorológicos corrientes ocurren, su espesor se calcula en unos 15 km. La Estratosfera cubre un espesor de 50 km aproximadamente, en esta es donde se encuentra la capa de ozono que protege a los seres vivos de la mortal radiación ultravioleta. La Mesosfera, cuya parte inferior es llamada Ionosfera, se constituye de aire altamente ionizado. La Ionosfera tiene gran influencia en las comunicaciones inalámbricas, pues es sus distintas capas ionizadas se reflejan las ondas electromagnéticas, dirigiéndose nuevamente hacia la Tierra y haciendo posible su propagación a distancias muy grandes. La parte superior de la mesosfera es la Termosfera. Se trata de una zona de alta temperatura debido a la absorción de los rayos ultravioletas. La Exosfera es la capa más externa, su espesor va de 700 a 1200 km por sobre la superficie terrestre. Capas de la atmosfera en sus distintas alturas Sabías qué a mayor altura en la atmosfera menor será la densidad de los gases y menor la temperatura, excepto en la Termosfera donde se acumula la temperatura alcanzando más de 1000 ⁰C? Composición del Aire El aire es el principal componente de atmosfera. En la siguiente tabla se muestran la cantidad de moléculas de cada sustancia por moléculas de aire, además de su correspondiente porcentaje: Coordinación de Química. Página 6

7 Elemento Cantidad Porcentaje [%] Nitrógeno (N 2 ) ,083 Oxígeno (O 2 ) ,944 Argón (Ar) 934 0,934 Dióxido de Carbono (CO 2 ) 36 0,036 También existen fracciones de: Neón, Helio, Metano, Kriptón, Hidrógeno, Xenón, Ozono, dióxido de azufre (SO 2 ), dióxido de nitrógeno (NO 2 ), amoniaco (NH 3 ), monóxido de carbono (CO) y yodo (I 2 ). Contaminantes atmosféricos y su composición: En la atmósfera existen diversos contaminantes, los cuales afectan de distintas formas al medio ambiente, entre estos tenemos: SMOG: El smog es una forma de contaminación que se origina a partir de la combinación del aire con diversos contaminantes. Existen dos tipos de esmog. El SMOG industrial: El aire contaminado asociado a las actividades industriales se conoce como smog industrial, y se caracteriza por la presencia de humo, niebla, dióxido de azufre y material en partículas como cenizas y hollín. La mayor parte del smog industrial se debe a la combustión de hulla o carbón, sobre todo el que tiene alto contenido de azufre. CARBÓN + FUEGO SMOG INDUSTRIAL El SMOG fotoquímico: Se forma por la combinación de óxidos de nitrógeno y compuestos orgánicos volátiles procedentes del escape de los vehículos los que reaccionan, catalizados por la radiación solar, para formar ozono y NOx. Este provoca un Coordinación de Química. Página 7

8 oscurecimiento de la atmósfera, tiñendo sus capas bajas de un color pardo rojizo y cargándola de componentes dañinos para todos los seres vivos. Óxidos de azufre: El azufre de la hulla y de diversos procesos industriales se quema, y forma dióxido de azufre, según la siguiente reacción. S + O 2 SO 2 Parte del dióxido de azufre reacciona con el oxígeno del aire para formar trióxido de azufre. 2 S0 2 + O 2 2 SO 3 Luego, el trióxido de azufre reacciona con agua para formar ácido sulfúrico Óxidos de nitrógeno: S0 3 + H 2 O H 2 SO 4 Además del dióxido de carbono, el monóxido de carbono y los hidrocarburos no quemados, en los automóviles se produce óxido de nitrógeno. Esto se debe a que dentro de los motores existen grandes presiones y temperaturas haciendo que el nitrógeno y el oxígeno del aire reaccionen de la siguiente forma. N 2(g) + O 2(g) 2 NO (g) El oxígeno de la atmósfera oxida el monóxido de nitrógeno a dióxido de nitrógeno (NO 2 ) 2 NO (g) + O 2(g) 2 NO 2(g) Luego, el dióxido de nitrógeno reacciona con agua para formar ácido nítrico: 3NO 2 + H 2 O NO + 2HNO 3 (ácido nítrico) El dióxido de nitrógeno es un gas de color ámbar, éste absorbe un fotón de la luz solar y se descompone en monóxido de nitrógeno y átomos de oxígeno reactivos. NO 2(g) + luz solar NO (g) + O (g) Coordinación de Química. Página 8

9 Los átomos de oxígeno reaccionan con otros componentes del escape de los automóviles y con la atmosfera para producir diversas sustancias irritantes y tóxicas, como la formación de ozono. Ozono: Es un componente natural de la estratosfera, donde protege la Tierra de la radiación ultravioleta, que es extremadamente peligrosa para la vida. Si este se encuentra en la troposfera es un contaminante que al ser inhalado, es una sustancia muy tóxica y peligrosa. Clorofluorocarbonos (C.F.C): Estos compuestos se han utilizado como gases dispersores en latas de aerosoles y como refrigerantes. A temperatura ambiente, los CFC son gases o líquidos con bajo punto de ebullición. Son químicamente inertes por lo tanto persisten durante mucho tiempo en el entorno sin reaccionar. Los CFC se difunden en la estratosfera, donde la radiación ultravioleta los descompone. Los átomos de cloro que se forman en este proceso rompen las moléculas de ozono que protegen a la Tierra de la dañina radiación ultravioleta. Consecuencias de la contaminación atmosférica. Producto de la contaminación atmosférica se generan varios problemas medioambientales, entre estos tenemos: La inversión térmica: Normalmente la temperatura de la atmosfera disminuye con la altura, el aire está más caliente cerca del suelo. En las noches despejadas el suelo se enfría más rápidamente, pero el viento por lo general mezcla el aire frío cerca del suelo con aire más caliente que está arriba. De vez en cuando, el aire se queda quieto y la capa inferior de aire frío queda atrapada por la capa de aire caliente que está arriba. Esta condición se conoce como inversión atmosférica o inversión térmica. Los contaminantes que hay en el aire frío también quedan atrapados cerca del suelo, y el aire puede acumular una Coordinación de Química. Página 9

10 concentración peligrosa de contaminantes si el viento tarda varios días en volver a soplar. Esquema característico de inversión térmica en donde los gases contaminantes se acumulan a baja altura. Lluvia ácida: La lluvia ácida se define como lluvia que tiene un ph menor a 5,6. Es capaz de caer en forma de lluvia o nieve, o se depositan como niebla ácida. Las dos principales fuentes de lluvia ácida son el dióxido de azufre (S0 2 ) y el monóxido de nitrógeno (NO). Estos óxidos reaccionan con vapor de agua presente en el aire para formar H 2 SO 4 y HNO 3, respectivamente. Estos ácidos fuertes posteriormente se diluyen en el agua de las nubes formando la lluvia ácida. Debido al efecto de los vientos estos ácidos se transportan a cientos de kilómetros de sus fuentes, provocando que el daño no se dé sólo en ciudades contaminadas. Los ácidos corroen los metales y pueden llegar a carcomer los edificios y estatuas de piedra. El efecto invernadero: Dióxido de carbono y calentamiento global. Por más limpio que sea un motor de combustión o una fábrica, en tanto queme carbón o productos de petróleo, producirá dióxido de carbono (CO 2 ). La concentración de éste en la atmosfera ha aumentado cerca de un 20% en este siglo, y lo sigue haciendo pues, las principales fuentes de energía son en base al carbono. En general ni siquiera se considera al dióxido de carbono como un contaminante ya que, es un componente natural del entorno, sin embargo su elevada concentración es la principal causa del calentamiento general de la superficie terrestre. Coordinación de Química. Página 10

11 En el efecto invernadero la luz solar (luz visible) que atraviesa la atmosfera se absorbe y calienta la superficie de la Tierra. La superficie caliente emite radiación infrarroja. Parte de esta radiación es absorbida por gases como CO 2, vapor de agua, metano (CH 4 ), entre otros y se retienen en la atmosfera para mantener una temperatura global. Pero si estos gases aumentan su concentración en la atmosfera mayor parte de la radiación emitida por la Tierra no podrá ser devuelta al espacio, por lo que la temperatura de la Tierra aumenta considerablemente, este fenómeno se conoce como calentamiento global. Esquema del efecto invernadero natural de la Tierra Ejercicios 1. Cuando aumenta el volumen de una muestra de gas a temperatura constante, entonces aumenta: I) La presión. II) El tamaño de las moléculas. III) La separación entre las moléculas. Es (son) correcta(s) A) sólo I. B) sólo II. C) sólo III. D) sólo II y III. E) I, II y III. 2. En un laboratorio hay 5 globos. Cada uno de ellos contiene un gas diferente, según el siguiente esquema: Globo nº Gas H 2 He O 2 N 2 CH 4 Coordinación de Química. Página 11

12 Cada globo tiene la misma masa de gas a la misma presión y temperatura. Luego, el globo de mayor volumen es el que contiene: A) H 2 B) He C) O 2 D) N 2 E) CH 4 3. Se tiene una muestra de 22 [L] de hidrógeno gaseoso a la presión de 2,0 [atm]. Qué volumen ocupará dicha muestra, si la presión sobre ella disminuye a la mitad y la temperatura se mantiene constante? A) 11 [L]. B) 22 [L] C) 44 [L] D) 66 [L] E) 88 [L] 4. Cuál de los siguientes compuestos químicos contribuye principalmente a la formación de la lluvia ácida? A) CO 2 B) O 3 C) SO 2 D) CO E) CH 4 5. EL Volumen de un gas: I) Aumenta con el aumento de la temperatura, a presión constante. II) Disminuye con el aumento de la presión, a temperatura constante. III) Permanece siempre constante cuando, simultáneamente, aumentan la presión y la temperatura. Es (son) correcta(s) A) sólo I. B) sólo II. C) sólo III. D) sólo I y II. E) sólo I y III. 6. Una muestra de CO tiene una presión de 2,0 [atm] y un volumen de 0,20 [L]. Cuando el CO se expande, a temperatura constante, hasta un volumen de 1,0 L, la presión del gas es: A) 0,2 [atm] Coordinación de Química. Página 12

13 B) 0,4 [atm] C) 0,5 [atm] D) 1,0 [atm] E) 2,0 [atm] 7. Cuántos moles de N 2 hay en 44,8 [L] de este gas medidos a 0 [ C] y 1 [atm] de presión? A) 0,5 [mol] B) 1,0 [mol] C) 1,5 [mol] D) 2,0 [mol] E) 4,0 [mol] 8. El smog fotoquímico es aquel que A) Posee alta cantidad de partículas sólidas. B) Presenta escasa cantidad de óxidos de carbono. C) Posee alta cantidad de óxidos de nitrógeno. D) Se produce en zonas costeras. E) Tiene escasa concentración de polvo cósmico. 9. Los gases se caracterizan por qué: I) Tienden a ocupar todo el espacio disponible. II) Se pueden comprimir. III) Sus moléculas están en constante movimiento. Es (son) correcta(s) A) Sólo I. B) Sólo II. C) Sólo III. D) Sólo I y II. E) I, II y III. 10. Las lluvias ácidas son dañinas porque: I) Contribuyen al efecto invernadero. II) Alteran la composición de los suelos agrícolas. III) Corroen monumentos y edificios. Es (son) correcta(s) A) Sólo I. B) Sólo II. C) Sólo III. Coordinación de Química. Página 13

14 D) Sólo II y III. E) I y III 11. Inmediatamente inferior a la Estratosfera (a menor altura), se encuentra la: A) Ionosfera B) Exosfera C) Termosfera D) Troposfera E) Mesosfera 12. Respecto de un gas ideal, cuál de las siguientes afirmaciones es incorrecta? A) Las moléculas del gas están en movimiento al azar. B) Su volumen decrece en la medida que disminuye la presión a temperatura constante. C) La energía cinética de las moléculas aumenta con la temperatura. D) El gas siempre se expande por calentamiento. E) A volumen constante, la presión de un gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta. 13. Si en una jeringa, que contiene sólo aire y cuya salida está cerrada, se ejerce presión sobre el embolo (ver figura). Entonces, se puede inferir que el aire encerrado en la jeringa I) Se comprime II) Disminuye su volumen III) Aumenta la presión Es (son) correcta(s) A) Sólo I. B) Sólo II. C) Sólo III. D) Sólo I y II. E) I, II y III. 14. A 273 Kelvin y 760 mmhg de presión, el volumen (en litros) ocupado por 6, moléculas de CH 4 gaseoso es: A) 1,00 Coordinación de Química. Página 14

15 B) 10,0 C) 11,2 D) 22,4 E) 33,6 15. En algunas ciudades se produce el fenómeno de inversión térmica. Cuando la capa de inversión térmica se sitúa a baja altura, los contaminantes atmosféricos producidos por los vehículos y/o chimeneas: A) Se diluyen B) Se concentran C) Se elevan D) Precipitan E) Desaparecen 16. En una transformación isocórica, la temperatura y la presión de un gas: A) son inversamente proporcionales B) son directamente proporcionales C) tienen el mismo valor siempre D) presentan valores siempre despreciables E) no se relacionan ni equivalen 17. Cuál de los siguientes gases debería ocupar menor volumen si se encuentran en igualdad de condiciones de temperatura y presión?. Asuma la misma masa para todos: A) O 3 B) CO C) SO 2 D) NH 3 E) C 2 H La principal función del ozono (O 3 ) en la estratósfera es: A) Disminuir la temperatura de los rayos solares a niveles tolerables. B) Regenerar el oxígeno atmosférico. C) Disminuir el efecto invernadero. D) Disminuir la inversión térmica. E) Absorber la luz ultravioleta de la radiación. Coordinación de Química. Página 15