Gases

09/06/2011
La Tierra está rodeada por una
mezcla de gases que se denomina
atmósfera,
atmósfera cuya composición es la
siguiente:
◦ Nitrógeno 78%
◦ Oxígeno
21%
◦ Otros gases 1%
GASES
La atmósfera
también
almacena otros
gases…
11 elementos son gases
en condiciones ordinarias
de P y T.
Ejemplos de algunos
compuestos moleculares
gaseosos
Vapor de agua (H2O)
• Ozono (O3)
• Dióxido de carbono (CO2)
• Clorofluorohidrocarbonos
(CFC)
• Dióxido de azufre (SO2)
• Óxido nítrico
• Gases nobles
•
HF
HCl
HBr
NO
NO2
NH3
CO
CO2
SO2
HCN
H2S
CH4
C3H8
HI
SO3
C4H10
El exceso de algunos de ellos genera contaminación atmosférica,
el calentamiento global , lluvia ácida y la degradación de la capa
de ozono (O3).
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
Puede 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:
◦
◦
◦
◦
Presión
Volumen
Temperatura
Número de moles
gaseosos
(P)
(V)
(T)
(n)
P
V
n
T
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Resultado de una fuerza que
se crea cuando las partículas
del gas chocan contra las
paredes del recipiente.
P = F/A
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
(m3), centímetros cúbicos
(cm3), litros (L) y mililitros
(mL).
Un mol de cualquier gas contiene SIEMPRE el
mismo número de átomos o moléculas:
1atm = 760 mmHg
1atm = 1,013 x 105 Pa
La unidad principal se llama Pascal (Pa).
También puede medirse en atmósferas (atm),
milímetros de mercurio (mm Hg) o Torr.
Siempre se emplea la escala de temperatura
absoluta o Kelvin (K). TK = t°C + 273,15
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 = 6,023. 1023
NA : Número de Avogadro
PROPIEDADES DE LOS GASES
PROPIEDADES DE LOS GASES
Presión atmosférica: Presión que ejerce la atmósfera, a causa de la
gravedad (g), sobre la superficie terrestre.
¿ Cómo medimos la presión atmosférica?
Barómetro de Torricelli
Peso de la columna de aire (F), de masa m
1 m2 de superficie (A)
F=mxg
m = masa de la columna de Hg
F=mxg
m = 10.000 kg
Altura de columna
proporcional a la
presión externa
g = 9,8 m/s2
F = 10.000 Kg x 9,8 m/s2 = 0,98 x 105 Kg.m/s2 ≈ 105 Kg.m/s2 = 105 N
P = F/A , N/
m2
= 1 Pa (Pascal)
P atm ≈ 105 Pa = 1 bar
1N(Newton)
P =F/A
δ = m/vol
m = δ.vol = δ. h. A
F = δ. h. A .g
Presión
atmosférica
P = δ. h. A. g / A
105 Pa = 1000 hPa
P = δ. h. g
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PROPIEDADES DE LOS GASES
P = δ. h. g
Patm = presión atmosférica = 1 atm
h = 760 mm
1 atm = 760 Torr
δ (Hg) = 13,6 g/cm3
2
P=(13,6x10-3Kg/10-6 m3)x9,8m/s2x0,76m = 1,013x105 (Kg.m/s2)/m2
1 atm = 1,013 x 105 N/m2 = 1,013 x 105 Pa = 1,013 bar
1 atm = 1013 hPa = 1013 mbar
¿y si el barómetro fuera de agua?
P(Hg) = P(H2O)
δ(Hg). g. h(Hg) = δ(H2O). g. h(H2O)
h(H2O) = [δ(Hg)/ δ(H2O)] x 0,76 m = 10,3 m !!!!
P es inversamente proporcional al V
Cuando empujamos un pistón
hacia abajo…
El aire se comprime y
aumenta la presión,
presión
disminuyendo la distancia
entre partículas y
observándose una
disminución de volumen.
volumen.
Es una relación entre
presión y volumen
inversamente proporcional.
P = 1/V
PROPIEDADES DE LOS GASES
Ley de BoyleBoyle- 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↑ → P↓
Entra aire a los pulmones
Exhalación: V↓ → P↑
Sale aire de los pulmones
Ejercicio:
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 P variables
Pi x Vi = Pf x Vf
Datos: Pi = 1 atm
Incógnita: Pf
Al aumentar la presión
del gas, disminuye su
volumen y viceversa.
P.V = Cte
Vf = ¼ Vi => Vi/Vf = 4
Pf = Pi x Vi/Vf
Pf = 1atm x 4
Pf = 4 atm
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¿Por qué asciende un globo aerostático?
Ejercicio:
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 cm3?
Suponiendo la temperatura constante.
Vi = 6,0 l
Pi = 2 atm
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 .
Pf = 500 torr
¿Qué otra propiedad de la
materia estamos tratando?
El globo se eleva.
Vf = ? cm3
Vα T
Ley de CharlesCharles-Gay Lussac
¿Cómo se originan las corrientes de aire?
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.
PROPIEDADES DE LOS GASES
PROPIEDADES DE LOS GASES
Observación de Gay- Lussac
Los gases que reaccionan entre sí (a P y T constante) lo hacen en
proporción sencilla (entera) de volúmenes
Ejercicio:
Una cantidad fija de gas a 21ºC tiene un volumen
de 4,38 lt. ¿Qué volumen ocupará el gas
(en cm3), si la temperatura aumenta a 175ºC, a
presión constante?
H2 (g)
O2 (g)
H2O (g)
Explicación de Avogadro
Volúmenes iguales de gases diferentes contiene igual número de
moléculas, a P y T constantes.
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PROPIEDADES DE LOS GASES
Ecuación del gas ideal o Ecuación general de los gases
Combinando las expresiones para las leyes de los gases:
“El
El volumen de un gas en condiciones
de presión y temperatura constantes,
es directamente proporcional al
número de moles de dicho gas”.
Boyle: V = cteI. 1/P
Charles: V = cteII. T
Avogadro: V =
cteIII.
V = Cte . n .T/P
n
P.V = n.R.T
Vαn
(a P y T constantes)
R = constante = 0,082 l.atm/K.mol = 8,314 Joule/K.mol = 8,314 m3.Pa
K. mol
Para una masa determinada de gas (n = cte)
P.V = Cte
T
PROPIEDADES DE LOS GASES
PROPIEDADES DE LOS GASES
Aplicaciones de la ecuación del gas ideal
Ejercicio:
Un aerosol contiene cierta cantidad de gas a P = 1,5 atm. a 25 ºC.
¿Cuál será la presión si se lo calienta a 400 ºC?
Condiciones: V = cte; n= cte
T y P variables
P = Cte x T
P.V
T
P/T = cte
Datos: Pi = 1,5 atm
Ti = 25ºC = 298K
Tf = 400ºC = 673K
= cte
1. Determinación de la densidad de un gas
n= P
P.V = n.R.T
n = m / PM
V R.T
m = P
δ = PM.P
V.PM R.T
Pi / Ti = Pf / Tf
Incógnita: Pf
Pf = Pi . (Ti/Tf) = 1,5 atm x (673/298)
Pf = 3,4 atm
R.T
2. Determinación del PM de un gas
PM = δ.R.T / P
3. Determinación de los volúmenes de gases consumidos o
producidos en una reacción química
Estequiometría → n
PROPIEDADES DE LOS GASES
Datos de P y T → V
PROPIEDADES DE LOS GASES
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
Para una mezcla de N gases:
PT = P1 + P2 + … + PN
(presiones parciales)
PT = n1(RT/V) + n2(RT/V) + … +nN(RT/V)
PT = (RT/V) (n1 + n2 + … nN)
PT = nT (RT/V)
P1/PT = n1/nT P1 = X1. PT
X1 = n1/nT : fracción molar
X1 + X2 + … + XN = 1
X(H2) = 0,60/2,10 = 0,286
X(He) = 1,50/2,10 = 0,714
X(H2) + X(He) = 1
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PROPIEDADES DE LOS GASES
PROPIEDADES DE LOS GASES
Efusión y Difusión
Recordando los postulados de la Teoría Cinética Molecular
1- Gas: gran cantidad de moléculas en movimiento continuo y
desordenado.
2- El volumen de las moléculas es despreciable respecto al volumen del
recipiente.
HCl
NH3
3- No existen fuerzas de atracción ni de repulsión entre las moléculas.
4- Los choques entre moléculas son elásticos
(se transfiere la energía cinética entre partículas).
Para dos gases A y B, con masas molares MA y MB a igual T
Ec = ½ MA vA2 = ½ MB vB2
5- La energía cinética promedio de las partículas sólo depende de T y
es independiente de la naturaleza del gas.
VA/VB = (MB/MA)1/2
Ley de Graham
PROPIEDADES DE LOS GASES
PROPIEDADES DE LOS GASES
Explicación de las leyes empíricas
P.V = n
R.T
P.V = n
R.T
Boyle : P = cte . 1/V
P/T = cte → P = cte. T a V y n constantes
a T y n constantes
T = cte → Ec = cte y v =cte
Si V aumenta, mayor recorrido de las partículas, menor
cantidad de choques por unidad de tiempo contra las
paredes → P disminuye.
Charles: V = cte. T
a P y n constantes
Si T aumenta, aumenta Ec y v. Si P= cte → la frecuencia
de choques contra las paredes = cte → debe aumentar
el recorrido → V aumenta.
PROPIEDADES DE LOS GASES
Los gases reales no cumplen con los postulados de la
Teoría Cinética Molecular
Si T aumenta → aumenta Ec y v → aumenta la
frecuencia de choques contra las paredes → aumenta P.
Avogadro: V = cte. n
P = 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 P.
PROPIEDADES DE LOS GASES
Existen fuerzas intermoleculares
Disminuye la frecuencia de choque contra las
paredes del recipiente.
El volumen de las moléculas no es despreciable
Gas Ideal: V = n.R.T
P
a T y P 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.
A T = 0K → V = 0
P (gas real) < P (gas ideal)= nRT/V
V = volumen del recipiente = volumen disponible
P = n.R.T – n2.a
(V-nb) V2
[a] = l2.atm/mol2
Gas real: tiene volumen ≠ 0 a T=0.
Un mol de gas real ocupa un volumen b a T = 0
V = n.R.T + n.b
P
a T = 0, V = n.b (para n moles)
(V – n.b) = n.R.T
P
Corrección por fuerzas de atracción entre pares de moléculas
P + n2.a . V- n.b = n.R.T
V2
[b] = l/mol
Vol. disponible = V recipiente – V partículas
P corregida
Ecuación de
Van der Waals
de los Gases Reales
V corregido
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PROPIEDADES DE LOS GASES
Ejercicios
1 - ¿Cuál es el volumen ocupado por 20,2 g de NH3 a
-25ºC y 752 mm de Hg? (PMNH3 = 17)
2 - ¿Cuál es la densidad del He a 298K y 0,987 atm?
¿Por qué los globos de He “suben” en el aire?
(datos: PMHe = 4; PMN2 = 28)
3 - Una muestra de 1,27g de un óxido de nitrógeno (NO ó NO2) ocupa
un volumen de 1,07 litros a 25ºC y 737 torr. ¿De qué óxido se trata?
CaO(s) + CO2(g)
4 - Para la reacción: CaCO3(s)
El CO2 se recoge en un balón de 250 ml. La presión final es 988 mm
de Hg a 31ºC. ¿Cuántos moles de CO2 se generaron?
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