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ESTADO GASEOSO

ESTADO GASEOSOUnidad 2

GASLos gases se puede describir en funcin de las siguientes caractersticas:Se pueden comprimir y por lo tanto su densidad aumenta al aumentar la presin.Se difunden entre si y forman mezclas.Ocupan todo el volumen del recipiente que los contiene.Ejercen presin sobre las paredes del recipiente que los contieneSe necesita presin para almacenarlos.Sus propiedades se definen en funcin de la presin, volumen, temperatura y nmero de moles.GASLa presin es la fuerza que se ejerce por unidad de rea y su unidad en sistema internacional es el Pascal (Pa).

Otras unidades de presin, con sus equivalencias son:1atm = 76cmHg = 760mmHg = 760torr 1atm = 1bar = 1.013x105Pa = 14.7lb/in2 (psi)

La presin de un gas se mide con un manmetro.3GASEl volumen generalmente se mide en litros.1 l = 1000 ml1cm3 = 1 mlLa temperatura se mide en Kelvin (K), para pasar de C a Kelvin se le suman 273 a los C, para quedar:K = C + 273 K = C + 273.15GASGAS IDEAL. Teora Cintica de los GasesLa teora cintica molecular de los gases explica lo que sucede a nivel microscpico de los gases.Las molculas pueden considerarse como puntos, es decir, tienen masa pero un volumen despreciable.La energa cintica se transfiere totalmente de una molcula a otra o de las paredes a las molculas por lo que el efecto de las colisiones se mantiene, es imposible que las molculas se muevan en una direccin. Sin embargo la energa total de todas las molculas permanece inalterada.ExplicarLa energa cintica promedio est dada por Ec=1/2mu2 (la Ec y la u son vectores)6LEYES DE LOS GASESLas leyes que describen el comportamiento de los gases, relacionan el volumen del gas con las otras variables y reciben generalmente el nombre de quien las postul por primera vez:LEYES DE LOS GASESLEY DE BOYLEEl volumen que ocupa una masa definida de gas es directamente proporcional al inverso de la presin a temperatura constante Relacin de V con P a T y n constantes. Este proceso recibe el nombre de isotrmico.

En el siglo XVII, Robert Boyle estudi sistemtica y cuantitativamente el comportamiento de los gases. Boyle analiz la relacin que existe entre la presin y el volumen de una muestra de un gas.8LEYES DE LOS GASESLEY CHARLESEl volumen que ocupa una masa dada de gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta. Relacin de V con T a P y n constantes. A este proceso se le conoce como isobrico.

Tambin se le conoce como ley de charles y gay-lussac, ya que fueron ellos (Jacques Charles y Joseph Gay-Lussac) los primeros en estudiar la relacin entre el volumen y la temperatura.En 1848, William Thomson, Lord Kelvin comprendi el fenmeno del cero absoluto. Ejemplificar con grficas la ley de charles.

9LEYES DE LOS GASESECUACIN COMBINADA DEL ESTADO GASEOSOEsta ecuacin resulta de la combinacin de las dos ecuaciones anteriores (Boyle y Charles), en la que el nmero de moles permanece constante.

LEYES DE LOS GASESLEY DE AVOGADROA presin y temperatura constantes, el volumen de un gas es directamente proporcional al nmero de moles de gas presente. Este proceso recibe el nombre de isomtrico o iisocrico.

El trabajo del cientfico italiano Amadeo Avogadro complement los estudios de Boyle, Charles y Gay Lussac. Public una hiptesis en 1811, en donde estableci que a la misma T y P, volmenes iguales de diferentes gases contienen el mismo nmero de molculas.11LEYES DE LOS GASESLEY DE AVOGADROAvogadro introdujo distintos gases a condiciones STP (TPE) en un recipiente para hacer los experimentos y encontr que una mol de cualquier gas en esas condiciones ocupa siempre un volumen de 22,4 litros. (T=0C y P=1atm)LEYES DE LOS GASESLEY DE GAS IDEALResulta de combinar las tres relaciones encontradas y combinndolas en una sola mediante una constante que se conoce como R, constante general del estado gaseoso y su valor depende de las unidades.

La ecuacin se le conoce como ecuacin de estado por que relaciona la masa o moles y el volumen de un gas con la temperatura y la presin del gas.13LEYES DE LOS GASESLa constante de los gases R tiene unidades de (presin)(volumen)/(mol)(temperatura); adems como el producto de la presin y el volumen tiene unidades de energa, tambin puede expresarse R en unidades de (energa)/(mol)(temperatura).

CALCULOS DE DENSIDADComo se vio en un problema de ley de los gases, el peso molecular de un compuesto se calcula como sigue:

Tomando en cuenta que la la densidad se calcula:

EJEMPLOSEl hexafluoruro de azufre (SF6) es un gas incoloro e inodoro muy poco reactivo. Calcule la presin (en atm) ejercida por 1.82 moles de as en un recipiente de acero de 5.43L de volumen a 69.5C.Calcule el volumen (en litros) que ocupan 7.40 g de NH3 a STP.Un globo inflado con un volumen de 0.55 L de helio a nivel del mar (1.0 atm) se deja elevar a una altura de 6.5 km, donde la presin es de casi 0.40 atm. Suponiendo que la temperatura permanece constante, cul ser el volumen final del globo?R1: 9.42 atmR2: 9.74 L (aprox)16EJERCICIOSCalcula el volumen en litros, ocupado por 100 g de nitrgeno a 23C y 3 psi, suponiendo un comportamiento ideal.100 g/h de C2H4 fluyen a travs de un tubo a una presin de 1,2 atm y a una temperatura de 70C y 100 g/h de C4H8 fluyen a travs de un segundo tubo a 1,2 atm y 70C. Cul de ellos tiene la mayor velocidad de flujo volumtrico?Por cunto es mayor?El butano (C4H10) a 360C y 3atm (absoluta) fluye hacia un reactor a una velocidad de 1100 kg/h. Calcula la velocidad de flujo volumtrico de ste.EJERCICIOSUna muestra de gas ocupa 500ml STP, a qu presin ocupar 250ml, si la temperatura se incrementa a 819C?Si 4g de un gas ocupan 1.12L STP, cul es la masa de 6 moles de gas?CALCULOS DE DENSIDADAhora si utilizamos la ecuacin de gas ideal:

Sustituyendo las ecuaciones de peso molecular y densidad tenemos que:

CALCULOS DE DENSIDADPROBLEMAEncuentre la densidad a 200 kPa y 88C de una mezcla de 4% en peso de H2 y 96% en peso de O2.Calcule la densidad del vapor de tetracloruro de carbono a 714 torr y 125CR: 1.33 kg/LR: 4.43 g/L20MEZCLA DE GASESLEY DE DALTON DE LAS PRESIONES PARCIALESLas presiones parciales son las presiones de los componentes gaseosos individuales de la mezcla gaseosa.La ley de Dalton de las presiones parciales establece que la presin total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones que cada gas ejercera si estuviera solo.

MEZCLA DE GASES1) Ley de Dalton2) Ley de Amagat22MEZCLA DE GASESAs para mezclas de gases ideales:Las presiones parciales son aditivasLos volmenes de los componentes puros son aditivosFracciones molares = fracciones de presin = fracciones de volumen de componente puroEsto significa que cada componente de una mezcla de gases se comporta de manera independiente como si estuviera l solo presente en el contenedor.23MEZCLA DE GASESPROBLEMAUna mezcla de gases contiene 4.46 moles de Nen, 0.74 moles de Argn y 2.15 moles de Xenn. Calcule las presiones parciales de los gases si la presin total es de 2atm a cierta temperatura.Un estudio de los efectos de ciertos gases sobre el crecimiento de las plantas requiere una atmsfera sinttica formada por 1.5%mol CO2, 18%mol de O2 y 80.5% mol de Ar. (a) Calcule la presin parcial del O2 en la mezcla si la presin total de la atmsfera debe ser de 745 torr (b) Si esta atmsfera se debe contener en un espacio de 120L a 295K, cuntos moles de O2 se necesitan.1) R: Pne= 1.21atm, Par=0.20atm, Pxe=0.586atm2-a) R: 134 torr2-b) R: 0.872 mol24BALANCE DE MATERIA Y ENERGALey de Conservacin de la MateriaLey de Conservacin de la EnergaCONCEPTOS BSICOSEcuacin qumica: 2H2 + O2 2H2OEcuacin qumica balanceada: 2H2 + O2 2H2OCoeficiente estequiomtricoFrmula qumica y subndiceReactivo limitante y reactivo en excesoProducto, Residuo, AcumuladoResiduos = impurezas + excesosINTERPRETACIN DE REACCIONESExpresar la siguiente reaccin en trminos de moles y masa.2H2 + O2 2H2O

ESTEQUIOMETRA DE LOS GASESLa estequiometra es la rama de la qumica que se encarga de estudiar las cantidades de reactivo que se utilizan para producir cierta cantidad de productos.EJEMPLOSCalcule el volumen de O2 (en litros) requerido para la combustin completa de 7.64 L de acetileno (C2H2) a la misma temperatura y presin.2C2H2(g) + 5O2(g) 4CO2(g) + 2H2O(l)Una mezcla de 20% mol N2, 60% mol deO2 y 20% mol Cl2 se introduce a un reactor donde se lleva a cabo la siguiente reaccin qumica:N2(g) + 2O2(g) N2O4(g)DeterminaLa composicin qumica en % volumen a la salida del reactor si se introducen 50kg de mezcla, considerando que la reaccin tiene una eficiencia de 85%.El peso molecular promedio a la entrada y a la salida del reactor.La densidad de la mezcla a la salida del reactor (considere que la mezcla sale a 80C y 2.5 atm.GASES REALESDesviacin de la idealidadDESVIACIN DEL COMPORTAMIENTO IDEALCuando un gas no se comporta idealmente, se dice que tiene un comportamiento real (gas real).Para estudiar los gases reales con mayor exactitud, es necesario modificar la ecuacin del gas ideal, tomando en cuenta las fuerzas intermoleculares y los volmenes moleculares finitos.Este anlisis fue realizado por primera vez por el fsico holands J.D. Van der Waals en 1873.

DESVIACIN DEL COMPORTAMIENTO IDEALCuando una molcula particular se aproxima hacia la pared de un recipiente, las atracciones intermoleculares ejercidas por las molculas vecinas tienden a suavizar el impacto de esta molcula contra la pared.El efecto global es una menor presin del gas que la que se esperara para un gas ideal.Van der Waals sugiri que la presin ejercida por un gas ideal, Pideal, se relaciona con la presin experimental medida, Preal, por medio de la ecuacin:

Preal es la presin observada y el trmino an2/V2 es un factor de correccin. a es una cte de proporcionalidad sobre los encuentros de una molcula con otra, n nmero de moles y V volumen del gas.33Desviacin del comportamiento ideal.Otra correccin concierne al volumen.

Ecuacin de Van der WaalsPor las nuevas condiciones (reales) V es el volumen del recipiente, pero ahora el volumen de cada molcula debe tomarse en cuenta, donde n es el nmero de moles del gas y b es otra constante.34Constantes de Van der Waals de algunos gases comunesGasa(atmL2/mol2b(L/mol)Gasa(atmL2/mol2b(L/mol)He0.0340.0237O21.360.0318Ne0.2110.0171Cl26.490.0562Ar1.340.0322CO23.590.0427Kr2.320.0398CH42.250.0428Xe4.190.0266CCl420.40.1383H20.2440.0266NH34.170.0371N21.390.0391H2O5.460.0305EJERCICIOSDado que 3.5 moles de NH3 ocupan 5.2L a 47C, calcule la presin del gas (en atm) mediante:La ecuacin de gas idealLa ecuacin de Van der Waals

17.7atm y 16.2atm36Desviacin del comportamiento ideal.Para explicar la desviacin de la ley de gas ideal a altas presiones introducimos un factor de de correccin a la ley e gas ideal. ste es llamado factor de compresibilidad.

Se ha encontrado que los gases a alta presin exhiben valores similares de Z para desviaciones fraccionales similares de los gases del punto crtico, o a valores P/Pc y T/Tc similares. Se llama a estas proporciones:

Desviacin del comportamiento ideal.Toda sustancia tiene una temperatura crtica (Tc), por arriba de la cual la fase gaseosa no se puede licuar, independientemente de la magnitud de la presin que se aplique. sta es tambin la temperatura ms alta a la cual una sustancia puede existir en forma lquida. Dicho de otro modo, por arriba de la temperatura crtica no hay una distincin fundamental entre un lquido y un gas: simplemente se tiene un fluido. La presin crtica (Pc) es la mnima presin que se debe aplicar para llevar a cabo la licuefaccin a la temperatura crtica.Desviacin del comportamiento ideal.Z representa un factor de correccin para la ecuacin de los gases ideales. Con base en esto se encuentra tres tipos de comportamiento distintos:Z = 1, comportamiento de Gas Ideal. (altas temperaturas y bajas presiones). Z > 1, gases como el Hidrgeno y Nen, difcilmente compresibles (altas temperaturas y presiones). Z < 1, gases como el O2, Argn y CH4, fcilmente compresibles (bajas temperaturas y altas presiones).

EJERCICIOSEstimar el volumen de 1 kg de monxido de carbono a 71 bar y 147.4KEncuentre la presin necesaria para comprimir 300 litros de aire a 7C y 1 bar a 1 litro a -115CSe introducen 560 g de hielo seco (CO2 slido) en un contenedor de 2 litros al vaco. La temperatura se eleva, y el CO2 se vaporiza. Si la presin en el tanque no excediera 111bar, cul sera la temperatura mxima permisible del tanque?