GASES 09/06/2011. La Tierra está rodeada por una mezcla de gases que se denomina atmósfera, cuya composición es la siguiente: La atmósfera

Transcripción

1 La Tierra está rodeada por una mezcla de gases que se denomina atmósfera, cuya composición es la siguiente: GASES Nitrógeno 78% Oxígeno 21% Otros gases 1% La atmósfera también almacena otros gases Vapor de agua (H 2 O) Ozono (O 3 ) Dióxido de carbono (CO 2 ) Clorofluorohidrocarbonos (CFC) Dióxido de azufre (SO 2 ) Óxido nítrico Gases nobles El exceso de algunos de ellos genera contaminación atmosférica, el calentamiento global, lluvia ácida y la degradación de la capa de ozono (O 3 ). 11 elementos son gases en condiciones ordinarias de y T. Ejemplos de algunos compuestos moleculares gaseosos HF HCl HBr HI NO NO 2 NH 3 CO CO 2 SO 2 SO 3 HCN H 2 S CH 4 C 3 H 8 C 4 H 10 Constituidos por partículas separadas por grandes distancias Nula cohesión entre sus moléculas El Volumen de un gas es el volumen del recipiente que lo contiene uede comprimirse Forman mezclas homogéneas (sin importar la proporción) Es menos denso que sólidos y líquidos Las fuerzas de repulsión son mayores que las de atracción Al estudiar un gas se requiere de variables que permiten definir la condición física o estado del mismo: resión () Volumen (V) Temperatura (T) Número de moles (n) gaseosos n T V 1

2 Resultado de una fuerza que se crea cuando las partículas del gas chocan contra las paredes del recipiente. = F/A 1atm = 760 mmhg 1atm = 1,013 x 10 5 a La unidad principal se llama ascal (a). También puede medirse en atmósferas (atm), milímetros de mercurio (mm Hg) o Torr. El gas llena completamente el recipiente que lo contiene, por lo tanto el volumen será igual al volumen del mismo. Se mide en metros cúbicos (m 3 ), centímetros cúbicos (cm 3 ), litros (L) y mililitros (ml). Siempre se emplea la escala de temperatura absoluta o Kelvin (K). T K = t C + 273,15 Un mol de cualquier gas contiene SIEMRE el mismo número de átomos o moléculas: Si un gas alcanza la temperatura del cero absoluto (0K = -273,15 C) sus partículas carecerán de movimiento, es decir, de energía cinética (Ec). NA = 6, NA : Número de Avogadro resión atmosférica: resión que ejerce la atmósfera, a causa de la gravedad (g), sobre la superficie terrestre. Cómo medimos la presión atmosférica? Barómetro de Torricelli =F/A eso de la columna de aire (F), de masa m F = m x g F = m 1 m 2 x g de superficie (A) m = kg g = 9,8 m/s 2 F = Kg x 9,8 m/s 2 = 0,98 x 10 5 Kg.m/s Kg.m/s 2 = 10 5 N = F/A, N/ m 2 = 1 a (ascal) 1N(Newton) atm 10 5 a = 1 bar 10 5 a = 1000 ha resión atmosférica Altura de columna proporcional a la presión externa m = masa de la columna de Hg δ = m/vol m = δ.vol = δ. h. A F = δ. h. A.g = δ. h. A. g / A = δ. h. g 2

3 = δ. h. g atm = presión atmosférica = 1 atm h = 760 mm 1 atm = 760 Torr δ (Hg) = 13,6 g/cm 3 2 =(13,6x10-3 Kg/10-6 m 3 )x9,8m/s 2 x0,76m = 1,013x10 5 (Kg.m/s 2 )/m 2 1 atm = 1,013 x 10 5 N/m 2 = 1,013 x 10 5 a = 1,013 bar 1 atm = 1013 ha = 1013 mbar y si el barómetro fuera de agua? (Hg) = (H2O) δ (Hg). g. h (Hg) = δ (H2O). g. h (H2O) h (H2O) = [δ (Hg) / δ (H2O) ] x 0,76 m = 10,3 m!!!! es inversamente proporcional al V Cuando empujamos un pistón hacia abajo El aire se comprime y aumenta la presión, disminuyendo la distancia entre partículas y observándose una disminución de volumen. Es una relación entre presión y volumen inversamente proporcional. = 1/V Ley de Boyle- Mariotte A temperatura constante, el volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión La ley de Boyle explica el proceso de respiración. Inhalación: V Entra aire a los pulmones Exhalación: V Sale aire de los pulmones Cierta masa de un gas, a 1 atmósfera de presión, se comprime a temperatura constante hasta un cuarto de su volumen inicial. Cuál será la presión final del gas? Condiciones: T y n constantes V y variables i x V i = f x V f Datos: i = 1 atm V f = ¼ V i => V i /V f = 4.V = Cte Al aumentar la presión del gas, disminuye su volumen y viceversa. Incógnita: f f = i x V i /V f f = 1atm x 4 f = 4 atm 3

4 Un globo inflado tiene un volumen de 6,0 lt a una presión de 2 atm y se le permite ascender en altitud hasta que la presión exterior sea de 500 torr Cuál será su volumen en cm 3? Suponiendo la temperatura constante. V i = 6,0 l i = 2 atm f = 500 torr V f =? cm 3 or qué asciende un globo aerostático? En un globo aerostático, el aire dentro del globo se calienta con un pequeño quemador de propano. A medida que el aire se calienta, su volumen se expande. Qué otra propiedad de la materia estamos tratando? El globo se eleva. Vα T Cómo se originan las corrientes de aire? Ley de Charles-Gay Lussac Enuncia lo siguiente: A presión constante, el volumen de un gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta. V α T V α T Si aumenta la temperatura de un gas, aumenta la energía cinética de las moléculas o átomos de ese gas, para mantener una presión constante, el volumen deberá aumentar, es decir que aumentará la distancia entre átomos y moléculas. Una cantidad fija de gas a 21ºC tiene un volumen de 4,38 lt. Qué volumen ocupará el gas (en cm 3 ), si la temperatura aumenta a 175ºC, a presión constante? Observación de Gay- Lussac Los gases que reaccionan entre sí (a y T constante) lo hacen en proporción sencilla (entera) de volúmenes H 2 (g) O 2 (g) H 2 O (g) Explicación de Avogadro Volúmenes iguales de gases diferentes contiene igual número de moléculas, a y T constantes. 4

5 Ecuación del gas ideal o Ecuación general de los gases El volumen de un gas en condiciones de presión y temperatura constantes, es directamente proporcional al número de moles de dicho gas. V α n (a y T constantes) Combinando las expresiones para las leyes de los gases: Boyle: V = cte I. 1/ Charles: V = cte II. T V = Cte. n.t/ Avogadro: V = cte III. n.v = n.r.t R = constante = 0,082 l.atm/k.mol = 8,314 Joule/K.mol = 8,314 m 3.a K. mol ara una masa determinada de gas (n = cte).v = Cte T Un aerosol contiene cierta cantidad de gas a = 1,5 atm. a 25 ºC. Cuál será la presión si se lo calienta a 400 ºC? Condiciones: V = cte; n= cte T y variables = Cte x T /T = cte Datos: i = 1,5 atm T i = 25ºC = 298K T f = 400ºC = 673K.V T = cte i / T i = f / T f Incógnita: f f = i. (T i /T f ) = 1,5 atm x (673/298) Aplicaciones de la ecuación del gas ideal 1. Determinación de la densidad de un gas n =.V = n.r.t V R.T m = V.M R.T 2. Determinación del M de un gas M = δ.r.t / δ = M. R.T n = m / M 3. Determinación de los volúmenes de gases consumidos o producidos en una reacción química f = 3,4 atm Estequiometría n Datos de y T V Ley de Dalton: La presión total de una mezcla de gases, que no reaccionan entre sí, es igual a la suma de las presiones que cada gas ejercería si ocupara él solo, el volumen del recipiente ara una mezcla de N gases: T = N (presiones parciales) T = n 1 (RT/V) + n 2 (RT/V) + +n N (RT/V) T = (RT/V) (n 1 + n 2 + n N ) T = n T (RT/V) 1 / T = n 1 /n T 1 = X 1. T X 1 = n 1 /n T : fracción molar X 1 + X X N = 1 X (H2) = 0,60/2,10 = 0,286 X (He) = 1,50/2,10 = 0,714 X (H2) + X (He) = 1 5

6 Recordando los postulados de la Teoría Cinética Molecular Efusión y Difusión 1- Gas: gran cantidad de moléculas en movimiento continuo y desordenado. 2- El volumen de las moléculas es despreciable respecto al volumen del recipiente. 3- No existen fuerzas de atracción ni de repulsión entre las moléculas. HCl NH 3 4- Los choques entre moléculas son elásticos (se transfiere la energía cinética entre partículas). 5- La energía cinética promedio de las partículas sólo depende de T y es independiente de la naturaleza del gas. ara dos gases A y B, con masas molares M A y M B a igual T Ec = ½ M A v A2 = ½ M B v 2 B V A /V B = (M B /M A ) 1/2 Ley de Graham Explicación de las leyes empíricas Boyle : = cte. 1/V T = cte Ec = cte y v =cte a T y n constantes Si V aumenta, mayor recorrido de las partículas, menor cantidad de choques por unidad de tiempo contra las paredes disminuye. Charles: V = cte. T.V = n R.T a y n constantes Si T aumenta, aumenta Ec y v. Si = cte la frecuencia de choques contra las paredes = cte debe aumentar el recorrido V aumenta..v = n R.T /T = cte = cte. T a V y n constantes Si T aumenta aumenta Ec y v aumenta la frecuencia de choques contra las paredes aumenta. Avogadro: V = cte. n a T y constantes Si T = cte Ec y v son constantes. Si n aumenta y la frecuencia de choques contra las paredes debe ser cte debe aumentar el recorrido V aumenta. = cte. n a T y V constantes Si aumenta n en un mismo volumen, aún cuando Ec y v no varíen (T = cte) aumenta la frecuencia de choques contra las paredes aumenta. Los gases reales no cumplen con los postulados de la Teoría Cinética Molecular El volumen de las moléculas no es despreciable Gas Ideal: V = n.r.t A T = 0K V = 0 V = volumen del recipiente = volumen disponible Gas real: tiene volumen 0 a T=0. Un mol de gas real ocupa un volumen b a T = 0 Existen fuerzas intermoleculares Disminuye la frecuencia de choque contra las paredes del recipiente. (gas real) < (gas ideal)= nrt/v = n.r.t n 2.a (V-nb) V 2 [a] = l 2.atm/mol 2 Corrección por fuerzas de atracción entre pares de moléculas V = n.r.t + n.b a T = 0, V = n.b (para n moles) (V n.b) = n.r.t [b] = l/mol Vol. disponible = V recipiente V partículas + n 2.a. V- n.b = n.r.t V 2 corregida V corregido Ecuación de Van der Waals de los Gases Reales 6

7 Ejercicios 1 - Cuál es el volumen ocupado por 20,2 g de NH 3 a -25ºC y 752 mm de Hg? (M NH3 = 17) 2 - Cuál es la densidad del He a 298K y 0,987 atm? or qué los globos de He suben en el aire? (datos: M He = 4; M N2 = 28) 3 - Una muestra de 1,27g de un óxido de nitrógeno (NO ó NO 2 ) ocupa un volumen de 1,07 litros a 25ºC y 737 torr. De qué óxido se trata? 4 - ara la reacción: CaCO 3(s) CaO (s) + CO 2(g) El CO 2 se recoge en un balón de 250 ml. La presión final es 988 mm de Hg a 31ºC. Cuántos moles de CO 2 se generaron? 7