unidad 2 aire, intangible pero vital

UNIDAD 2
AIRE, INTANGIBLE PERO VITAL
2.1 ¿QUÉ ES EL AIRE?
Guía de estudio
Química III,
ENP UNAM
2.1 ¿Qué es el aire?
Mezcla homogénea indispensable para la vida
El aire atmosférico o atmósfera, es una mezcla en estado gaseoso que envuelve a la
Tierra. Su composición ha variado mucho desde la etapa de formación del planeta
Tierra, al principio contenía H2 y He, pero la actividad de los volcanes liberó otros
gases como nitrógeno, amoníaco, agua, dióxido de carbono, metano, ácido clorhídrico
y dióxido de azufre, los cuales le dieron un carácter reductor a la atmósfera, lo que
permitió la formación de la vida.
Con la aparición de los vegetales verdes se inició la reacción de fotosíntesis en la que
se producen oxígeno, azúcares y almidones a partir del dióxido de carbono, agua y luz
solar. Con ello, la atmósfera perdió su carácter reductor y se oxidaron muchos de los
metales que aún se encontraban en la superficie. Adicionalmente, se formó la capa de
ozono que protegió de los rayos ultravioleta para propiciar el desarrollo de la vida en
la Tierra.
Mezcla homogénea indispensable para la vida
Componentes fijos
Nitrógeno (N2)
Oxígeno (O2)
Argón (Ar)
Dióxido de carbono
(CO2)
Hidrógeno (H2)
Componentes variables
Agua
Ozono
% en volumen de aire
seco
77.77
20.86
0.93
0.04
0.01
0–4
10 ppm
Propiedades físicas de los gases
 Se expanden uniformemente ocupando todo el espacio al que tienen
acceso, no poseen volumen ni forma propios.
 Se difunden rápidamente uno en otro.
 Tienden a desplazarse hacia los puntos de menor presión.
 Son compresibles.
 Ejercen presión sobre las paredes del recipiente que lo contiene.
 A presión constante, el volumen de un gas aumenta con la temperatura.
 Su densidad es pequeña comparada con la de los otros estados físicos
Leyes de los gases
Para el estudio de los gases se ha observado su comportamiento en cuanto a los
cambios y relaciones que existen entre su presión (P) y temperatura (T) con respecto a
su volumen (V) a una cantidad de materia (n) definida, [V = f (P, T, n)]; y si cumplen sin
ninguna desviación las hipótesis y leyes que rigen este comportamiento, se
denominan gases ideales.
Las leyes de los gases consideran entre sus variables la temperatura absoluta cuyo
cero es el punto de partida de la existencia de la energía, que en el sistema ISO se
emplea la escala Kelvin cuyo cero absoluto 0 K = −273.15 °C; en este sistema la presión
se mide en pascales (Pa) y al nivel del mar tiene los siguientes valores y equivalencias:
1 atm = 760 torr = 760 mmHg = 101 325 Pa y el volumen puede expresarse en 1 L =
1000 mL = 0.001 m3
Es conveniente elegir una presión y una temperatura estándar como punto de
referencia para el estudio del comportamiento de los gases, y así por acuerdo
internacional se fijaron como condiciones estándar o normales de temperatura y
presión (CNTP) los siguientes valores: temperatura = 273.15 K y presión = 1 atm.
Guía de estudio Química III, ENP UNAM
Ley de Boyle
Finalmente, la expresión
matemática para la Ley de
Boyle queda:
P1V1 = P2V2
Ley de Boyle
Dos litros de aire a presión atmosférica de 1 atm se comprimen en
una lata de 0.45 L de una bocina de advertencia. Si su temperatura
se mantiene constante, ¿cuál es la presión del aire comprimido?
Ley de Boyle
Las bacterias producen gas metano en las plantas de tratamiento de
aguas. Este gas generalmente se captura o se quema. Si un cultivo
de bacterias producen 60 mL de gas metano a 700 mm Hg, ¿qué
volumen se producirá a 760 mm Hg?
Ley de Charles
Finalmente, la expresión matemática
para la Ley de Charles queda:
V1
V2
------ = -------
T1
T2
Ley de Charles
ÍNDICE
Ley de Boyle
Ley de Charles
Ley de Gay Lussac
Ley de Charles
Un globo tiene un volumen inicial de 1 L a una temperatura de 25oC,
si la temperatura se modifica a 323oC, ¿cuál será el nuevo volumen
del gas?
Ley de Charles
Un globo tiene un volumen inicial de 1 L a una temperatura de 25oC,
si la temperatura se modifica a -200oC, ¿cuál será el nuevo volumen
del gas?
Ley de Gay Lussac
ÍNDICE
Ley de Boyle
Ley de Charles
Ley de Gay Lussac
Finalmente, la expresión matemática
para la Ley de Gay Lussac queda:
P1
P2
--- = ----
T1
T2
Ley de Gay Lussac
ÍNDICE
Ley de Boyle
Ley de Charles
Ley de Gay Lussac
Ley de Gay Lussac
El agua hierve a una temperatura de 100oC al nivel del mar, donde la
presión atmosférica es de 1 atm, si el agua se coloca en un envase
cerrado herméticamente donde la presión que se puede alcanzar es
de 1.15 atm, ¿cuál será la temperatura de ebullición del agua dentro
de ese envase?
Ley de Gay Lussac
Una olla express alcanza una presión de 1.2 atm, con una
temperatura en su interior de 160oC; ¿a qué temperatura deberá
enfriarse la olla para que se pueda abrir si se requiere que la presión
interna sea igual a la presión atmosférica (0.776 atm)?
Teoría cinética de los gases
• Las partículas del gas se mueven de manera continua, rápida y al azar en líneas
rectas en todas direcciones.
• Las partículas del gas son extremadamente pequeñas y las distancias entre ellas son
grandes.
• Se pueden despreciar las fuerzas gravitatorias y las fuerzas de atracción entre
partículas del gas.
• Cuando las partículas del gas chocan entre sí o con las paredes del recipiente, no se
pierde energía; todas las colisiones son perfectamente elásticas.
• La energía cinética promedio es la misma para todos los gases a la misma
temperatura; varía de manera proporcional con la temperatura kelvin.
Mol, masa molar, número de Avogadro,
ley de Avogadro, volumen molar
Mol (n) es la cantidad de materia expresada en gramos (g) que
contiene el mismo número de partículas que el número exacto de
átomos contenidos en 12 g del isótopo de carbono 12.
Número de Avogadro (NA) es la cantidad de 6.023 x 10 partículas;
están contenidas en un mol de cualquier clase de materia. Este
número es tan grande que difícilmente lo podríamos imaginar.
La ley de Avogadro dice que volúmenes iguales de gases diferentes (en
las mismas condiciones de temperatura y presión) contienen el mismo
número de moléculas.
El volumen molar ( V ) corresponde a una mol de cualquier gas y
corresponde a 22.4 L cuando se encuentra en condiciones normales de
temperatura y presión (CNTP) que son de 273 K y 1atm.
MOL
• Es la unidad básica de cantidad de materia en
el sistema internacional (SI). Es la cantidad de
materia que contiene 6.023x1023 unidades
(número de Avogadro)
• Masa fórmula. Masa de un mol de un
compuesto
Tabla 1
Sustancia
Aluminio
Cloro
Sulfato de
cobre (II)
Cloruro de
hierro (III)
Sulfuro de
sodio
Cloruro de
magnesio
Hidróxido de
bario
Fórmula
Al
Masa
fórmula
27g
Masa de 1 Número de
mol
partículas
27
6.023x1023
Masa de 5 Número de
moles
partículas
135g
30x1023
Masa de 0.2 Número de
mol
partículas
5.4g
1.20X1023
VOLUMEN MOLAR
• Volumen que ocupa un mol de cualquier gas
en CNPT, que es igual a 22.4 L
TABLA 3
Sustancia
1 mol de H2
3 moles de CO2
0.2 moles de O2
1 mol de aluminio
1 mol de agua
Volumen a CNPT
El aire que inhalamos y el que exhalamos
La importancia de la Ley de Boyle se vuelve más relevante cuando se
consideran los mecanismos de la respiración. Los pulmones son
elásticos, con una estructura como la de un globo y están dentro de
una cámara hermética llamada cavidad torácica. El diafragma, un
músculo, forma el piso flexible de la cavidad.
Según la Ley de Boyle, la presión dentro de los pulmones disminuirá
cuando su volumen se incrementa. Esto causa que la presión dentro de
los pulmones sea menor que la presión atmosférica. Dicha diferencia
de presiones produce un gradiente de presión entre los pulmones y la
atmósfera. En el gradiente de presión, las moléculas fluyen a partir del
área de mayor presión al área de menor presión, por el proceso de
difusión. Así, al inhalar fluye el aire al interior de los pulmones, hasta
que la presión interna sea igual a la presión de la atmósfera.
Tipos de reacciones
• Reacciones de descomposición
• Reacciones de combinación o síntesis
• Reacciones de desplazamiento o sustitución
Reacciones de descomposición
• Aquellas reacciones donde un reactivo se
rompe para formar dos o más productos.
CA+B
Reacciones de descomposición
• Aquellas reacciones donde un reactivo se
rompe para formar dos o más productos.
CA+B
2H2O2  2H2O + O2
2HgO  2Hg + O2
Óxido de mercurio (II)
2KClO3  2KCl + 3O2
Clorato de potasio
Cloruro de potasio
Reacciones de combinación
• Dos o más reactivos se combinan para formar
un producto.
A+BC
Reacciones de combinación
• Dos o más reactivos se combinan para formar un
producto.
A+BC
2H2 + O2  2H2O
HNO3 + NH3  NH4NO3
ácido nítrico
amoniaco
nitrato de amonio
2Ca + O2  2CaO
Óxido de calcio
S + O2  SO2
Dióxido de azufre
Reacciones de desplazamiento o
sustitución
• Aquellas reacciones donde dos reactivos se
intercambian.
AB +
CD 
AD + CB
Reacciones de desplazamiento o
sustitución
• Aquellas reacciones donde dos reactivos se
intercambian.
AB +
CD 
AD + CB
AgNO3 + NaCl
 AgCl + NaNO3
Reacciones de desplazamiento o
sustitución
• Aquellas reacciones donde dos reactivos se
intercambian.
AB +
CD 
AD + CB
HCl + Na2S  H2S + NaCl
Reacciones de desplazamiento o
sustitución
• Aquellas reacciones donde dos reactivos se
intercambian.
AB +
CD 
AD + CB
BaCl2 + Na2SO4  BaSO4 + NaCl
Ejercicio de clasificación de reacciones
Completa las ecuaciones químicas que se plantean
siguiendo las instrucciones:
a) Completa la ecuación con nombres.
b) Escribe nuevamente la ecuación pero ahora con
las fórmulas respectivas.
c) Balancea por tanteo la ecuación química
Ejercicio de clasificación de reacciones
Ejemplo:
Reacción de composición o síntesis
energía
oxígeno + hidrógeno 
a) Completa la ecuación con nombres
energía
oxígeno + hidrógeno
 agua
b) Escribe nuevamente la ecuación pero ahora con las fórmulas respectivas.
O2 + H2  H2O
c) Balancea por tanteo la ecuación química.
O2 + 2H2  2H2O
2.2 Reactividad de los componentes del
aire
•
•
•
•
•
•
•
•
Algunas reacciones del N2, O2 y CO2.
Reacción del oxígeno con metales y no metales.
Tabla periódica.
Símbolos de Lewis.
Enlaces químicos.
Reacciones exotérmicas y endotérmicas.
Calores de combustión.
Energías de enlace.
Algunas reacciones del N2, O2 y CO2
NITRÓGENO
• Ubicación en la tabla periódica
– Grupo 15
– Tiene 5 electrones de valencia
• Propiedades físicas
– Gas sin olor, color, sabor.
– Poco soluble en agua.
• Propiedades químicas
– Muy estable, reacciona con dificultad.
– Su molécula es diatómica, N2
Algunas reacciones del N2, O2 y CO2
NITRÓGENO
• Dónde encontrarlo
– 78% de la atmósfera terrestre
– Amoniaco
– Nitratos
– Proteínas, DNA y RNA
Reacciones del nitrógeno en la
naturaleza
En presencia de relámpagos
energía eléctrica
N2(g) + O2(g)

2NO(g)
2NO(g) + O2(g)  2NO2(g)
2NO2(g) + H2O(l)  HNO2(ac) + HNO3(ac)
Algunas reacciones del N2, O2 y CO2
OXÍGENO
Ubicación en la
tabla periódica
Grupo 16
Tiene 6 electrones
de valencia
Propiedades físicas
Gas sin olor, color, sabor.
Poco soluble en agua.
Propiedades físicas y químicas
• Propiedades químicas:
– Su molécula es diatómica, O2
– Tiene un alótropo, el ozono, O3
– Reacciona con facilidad, es un
comburente y un fuerte oxidante
– Se combina con los metales
formando óxidos básicos y con los
metales formando óxidos ácidos o
anhídridos. Sus número de oxidación
en compuestos puede ser 1- o 2-.
Reacciones del oxígeno
¿Qué se forma cuando el oxígeno reacciona con un metal? Óxido básico
4 Na + O2 ——→ 2Na2O
óxido de sodio
2 Ca + O2 ——→
2CaO
óxido de calcio
¿Qué se forma cuando el oxígeno reacciona con un no-metal? Óxido ácido o anhídrido
S + O2
——→ SO2
dióxido de azufre
C + O2 ——→
CO2
dióxido de carbono
¿Qué se forma cuando el agua reacciona con un óxido básico? Base o hidróxido
Na2O + H2O ——→ 2 NaOH hidróxido de sodio (sosa cáustica)
CaO + H2O——→ Ca(OH)2 óxido de calcio (cal apagada)
¿Qué se forma cuando el agua reacciona con un óxido ácido? Ácido
SO2 + H2O ——→ H2SO3
ácido sulfuroso
CO2 + H2O ——→ H2CO3
ácido carbónico
4/4
Tabla periódica
La tabla Periódica se basa en las clasificaciones de Meyer, Dimitri Mendeleev (1869), Werner y
fundamentalmente, en la Ley Periódica que enunció en 1913, Henry Moseley, quien estableció
que: las propiedades de los elementos químicos no son arbitrarias, sino que dependen de la
estructura del átomo y varían, de manera sistemática, con el número atómico.
La tabla periódica actual está construida por un:
Ordenamiento vertical integrado por 18 columnas. Son 16 grupos o familias de elementos
divididas en dos series, cada una con 8 grupos y diferenciadas con las letras A y B, o bien números
arábigos del 1 al 18. Todos los elementos de un mismo grupo tienen el mismo número de
electrones en su nivel energético externo, lo que proporciona propiedades semejantes y un
nombre característico a cada grupo.
Ordenamiento horizontal integrado por siete filas identificadas con números arábigos, llamados
períodos, que definen el número de niveles energéticos ocupados por los electrones. El primer
período contiene solo al hidrógeno y al helio, en cambio los períodos sexto y séptimo cuentan
con los elementos denominados lantánidos con números atómicos de 57 – 71 y actínidos con
números atómicos 89 – 103, los cuales se colocan debajo de la tabla con fines de presentación
corta.
En general se divide la tabla en: metales (lado izquierdo), no metales (lado derecho), metales de
transición (centro) y tierras raras (abajo).
Propiedades periódicas de los
elementos químicos
Las propiedades periódicas de los elementos se consignan en la tabla periódica como una función
del número atómico según la “Ley periódica” enunciada por Moseley y son propiedades que
presentan los elementos químicos y que se repiten periódicamente en la tabla periódica. Por la
ubicación de un elemento, podemos deducir los valores que presentan dichas propiedades, así
como su comportamiento químico. Hay un gran número de propiedades periódicas y se pueden
indicar en una tabla periódica para comparar el comportamiento entre familias y períodos. Entre
las más importantes :
Estructura electrónica: Electrones del último nivel son los que participan en la formación de
enlaces entre los átomos.
Radio atómico: Aunque es imposible definir el tamaño exacto de un átomo, es muy útil
determinar un radio atómico relativo para poder comprender cómo se forman los enlaces entre
los átomos.
Potencial de ionización: energía necesaria para arrancar un electrón a un átomo en estado
gaseoso.
Propiedades periódicas de los
elementos químicos
Afinidad electrónica: energía liberada al incorporar un electrón a un átomo en estado gaseoso.
Electronegatividad: es la capacidad que tiene un átomo para atraer electrones hacia él en un
enlace químico. Basándose en el potencial de ionización y la afinidad electrónica, Linus Pauling
elaboró la escala de electronegatividad asignando a cada elemento un valor comprendido entre 0
y 4. Los elementos de la familia de los halógenos presentan los valores más altos, mientras que
los elementos alcalinos presentan los más bajos. Esto es congruente con la gran tendencia que
tienen los elementos para presentar una configuración estable.
Valencia.- Es la capacidad de combinación de un elemento con otros elementos y que está en
función del número de electrones que gana, pierde o comparte un elemento para adquirir
configuración estable. Ejemplo: NaCl en donde tanto el sodio como el cloro tienen valencia 1.
Número de oxidación.- Número entero (intervalo 1-7) que indica el estado de oxidación de un
átomo, es decir la carga eléctrica con que puede formar enlace con otros átomos o iones, la cual
puede ser positiva (cuando pierden o comparten electrones) o negativa (cuando ganan
electrones). Por ejemplo en el compuesto del cloruro de sodio los números 1+ y 1- indican los
estados de oxidación del sodio (Na) y el cloro (Cl).
Na1+ + Cl1-  NaCl
Símbolos de Lewis y enlace químico
Símbolo de Lewis
Gilbert Newton Lewis propuso un diagrama que lleva su nombre para explicar
el enlace entre los átomos, el cual dio lugar a la regla del octeto.
En el símbolo de Lewis cada electrón de valencia se representa con un punto
alrededor del símbolo del átomo.
Enlace químico es la fuerza que mantiene unidos a dos o más átomos en una
especie química como las moléculas, las unidades formulares o los metales en
el estado sólido. Se puede presentar como simple, doble, triple o coordinado.
Reacciones de combustión
Combustión: es la reacción entre los combustibles y el comburente
oxígeno, con ayuda de una chispa, liberando luz y calor.
Cuando el combustible es materia orgánica, el resultado es siempre
dióxido de carbono, agua y energía, por lo tanto es una reacción
exotérmica.
Oxidación.- Es cuando un átomo cede electrones en una reacción
química aumentando su número de oxidación y se carga
positivamente.
Reducción.- Es cuando un átomo acepta electrones en una reacción
química, disminuyendo su número de oxidación y se carga
negativamente.
La oxidación y la reducción ocurren simultáneamente.
Reacciones exotérmicas y endotérmicas
• De acuerdo con la energía involucrada, las
reacciones se clasifican en:
• Reacción exotérmica, es la que ocurre con
desprendimiento de energía térmica.
• Reacción endotérmica, es la que ocurre con
absorción de energía térmica.
Calor de combustión
A la cantidad de energía térmica liberada de una
reacción de combustión se le conoce como calor
de combustión (C).
Energías de enlace
Es la energía necesaria para formar o romper un
enlace químico de una molécula.