tema 7. estados de la materia y cambios de estado. reacciones

TEMA 7. ESTADOS DE LA MATERIA Y CAMBIOS DE ESTADO.
REACCIONES QUÍMICAS. COMPRESIÓN Y EXPASIÓN DE GASES. GASES
PERFECTOS. GASES COMPRIMIDOS, DISUELTOS, LICUADOS Y
CRIOGÉNICOS. ACIDOS Y BASES. EXPLOSIÓN , DEFLAGRACIÓN Y
DETONACIÓN. EFECTO BLEVE.
MATERIA Y SUS ESTADOS DE AGREGACIÓN
Materia
Materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio, tiene una energía medible y
está sujeto a cambios en el tiempo y a interacciones con aparatos de medida. Se
considera que es lo que forma la parte sensible de los objetos perceptibles o detectables
por medios físicos. Es decir es todo aquello que ocupa un sitio en el espacio, se puede
tocar, se puede sentir, se puede medir, etc.
Concepto Físico
En física, se llama materia a cualquier tipo de entidad física que es parte del universo
observable, tiene energía asociada, es capaz de interaccionar, es decir, es medible y
tiene una localización espaciotemporal compatible con las leyes de la física.
En el contexto de la física moderna se entiende por materia cualquier campo, entidad, o
discontinuidad traducible a fenómeno perceptible que se propaga a través del espaciotiempo a una velocidad igual o inferior a la de la luz y a la que se pueda asociar energía.
Así todas las formas de materia tienen asociadas una cierta energía pero sólo algunas
formas de materia tienen masa.
Estados de Agregación de la materia.
En física y química se observa que, para cualquier sustancia o elemento material,
modificando sus condiciones de temperatura o presión, pueden obtenerse distintos
estados o fases, denominados estados de agregación de la materia, en relación con las
fuerzas de unión de las partículas (moléculas, átomos o iones) que la constituyen.
Todos los estados de agregación poseen propiedades y características diferentes, y
aunque los más conocidos y observables cotidianamente son cuatro, las llamadas fases
sólida, líquida, gaseosa y plasmática, también existen otros estados perceptibles bajo
condiciones extremas de presión y temperatura.
Estado Solido
Los sólidos se caracterizan por tener forma y volumen constantes. Esto se debe a que
las partículas que los forman están unidas por unas fuerzas de atracción grandes de
modo que ocupan posiciones casi fijas.
En el estado sólido las partículas solamente pueden moverse vibrando u oscilando
alrededor de posiciones fijas, pero no pueden moverse trasladándose libremente a lo
largo del sólido.
Las partículas en el estado sólido propiamente dicho, se disponen de forma ordenada,
con una regularidad espacial geométrica, que da lugar a diversas estructuras cristalinas.
Estado líquido
Los líquidos, al igual que los sólidos, tienen volumen constante. En los líquidos las
partículas están unidas por unas fuerzas de atracción menores que en los sólidos, por
esta razón las partículas de un líquido pueden trasladarse con libertad. El número de
partículas por unidad de volumen es muy alto, por ello son muy frecuentes las
colisiones y fricciones entre ellas.
Así se explica que los líquidos no tengan forma fija y adopten la forma del recipiente
que los contiene. También se explican propiedades como la fluidez o la viscosidad.
Estado gaseoso
Los gases, igual que los líquidos, no tienen forma fija pero, a diferencia de éstos, su
volumen tampoco es fijo. También son fluidos, como los líquidos.
En los gases, las fuerzas que mantienen unidas las partículas son muy pequeñas. En un
gas el número de partículas por unidad de volumen es también muy pequeño.
Las partículas se mueven de forma desordenada, con choques entre ellas y con las
paredes del recipiente que los contiene. Esto explica las propiedades de expansibilidad y
compresibilidad que presentan los gases: sus partículas se mueven libremente, de modo
que ocupan todo el espacio disponible. La compresibilidad tiene un límite, si se reduce
mucho el volumen en que se encuentra confinado un gas éste pasará a estado líquido.
Estado plasmático
El plasma es un gas ionizado, es decir que los átomos que lo componen se han separado
de algunos de sus electrones. De esta forma el plasma es un estado parecido al gas pero
compuesto por aniones y cationes (iones con carga negativa y positiva,
respectivamente), separados entre sí y libres, por eso es un excelente conductor. Un
ejemplo muy claro es el Sol.
A diferencia de los gases fríos (por ejemplo, el aire a temperatura ambiente), los
plasmas conducen la electricidad y son fuertemente influidos por los campos
magnéticos.
Estados de la Materia: Cambios de estado
Cambios de estado
En física los estados de agregación no son permanentes, porque si variamos la
temperatura o la presión, pueden pasar de un estado a otro. Este paso se llama cambio
de estado. Los cambios de estado son reversibles
En física y química se denomina cambio de estado o transición de fase en la evolución
de la materia entre varios estados de agregación sin que haya cambios en su
composición.
Los tres estados básicos son el sólido, el líquido y el gaseoso.
Para pasar de sólido a líquido y de líquido a gas, tendremos que calentar la materia. En
cambio para pasar de gas a líquido y de líquido a sólido, lo tendremos que enfriar.
Temperatura de cambio de estado
La temperatura a la que se produce los cambios de estado se denomina temperatura de
cambio de estado. Por una sustancia pura, esta temperatura es constante durante
todo el proceso. Por ejemplo, si calentamiento un trozo de hielo, cuando llegue a 0 º
C la temperatura se mantendrá constante mientras no se haya fundido del todo.
Calor latente de cambio de estado
Es el calor (Q) absorbido o desprendido por una unidad de masa (m) de la sustancia
cuando cambia de estado:
Q = mL
donde L = calor latente de fusión de la sustancia (J / Kg).
Cada sustancia tiene un valor determinado por el calor latente de fusión y el calor
latente de vaporización
Fusión:
Es el paso de una sustancia de sólido a líquido. La temperatura a la que esto ocurre se
llama Temperatura de fusión o punto de fusión de esa sustancia. Mientras hay sólido
convirtiéndose en líquido, la temperatura no cambia, se mantiene constante. Por
ejemplo, en el agua el punto de fusión es 0 ºC; mientras haya hielo transformándose en
agua la temperatura no variará de 0 ºC. Esto ocurre porque toda la energía se invierte en
romper las uniones entre partículas y no en darles mayor velocidad en ese tramo
Solidificación:
Es el cambio de estado de líquido a sólido. La temperatura a la que ocurre es la misma:
el punto de fusión.
Vaporización:
Es el cambio de estado de líquido a gas. Se puede producir de 2 formas: evaporación y
ebullición. La evaporación se produce sólo en la superficie del líquido y a cualquier
temperatura, se escapan las partículas más energéticas del líquido. por el contrario, la
ebullición se produce en todo el líquido y a una temperatura característica llama
temperatura o punto de ebullición. por ejemplo, en el agua es de 100 ºC y se mantiene
mientras hay agua pasando a vapor.
Condensación:
Es el cambio de estado de gas a líquido. La temperatura a la que ocurre es el punto de
ebullición.
Sublimación:
Es el cambio de estado de sólido a gas (sin pasar por el estado líquido). Esto ocurre, por
ejemplo, en sustancias como: alcanfor, naftalina, yodo, etc. Un buen ejemplo práctico
serían los ambientadores sólidos o los antipolillas.
Sublimación inversa:
Es el cambio de estado de gas a sólido (sin pasar por el estado líquido).
Gráficas
Los cambios de estado se suelen representar en unas gráficas llamadas gráficas de
calentamiento o gráficas de enfriamiento que son iguales para todas las sustancias, ya
que sólo varían en su punto de fusión y en su punto de ebullición, que son propiedades
características de cada sustancia.
Los puntos de fusión y de ebullición de las sustancias puras tienen valores constantes y
cada sustancia pura tiene su propio punto de fusión y de ebullición. Por ejemplo, el agua
tiene como punto de fusión 0 ºC y como punto de ebullición 100 ºC (a la presión del
nivel del mar), el alcohol etílico tiene punto de fusión -114 ºC y punto de ebullición 78
ºC. En la siguiente tabla puedes ver algunos ejemplos:
Sustancia
P. F. (ºC)
P. E. (ºC)
Agua
0
100
Etanol
- 114
78
Sodio
98
885
Hierro
1540
2900
Mercurio
- 39
357
Oxígeno
- 219
- 183
Diferencias entre Evaporación y Ebullición
El cambio de estado de líquido a gas se denomina vaporización. La vaporización puede
tener lugar de dos formas:
1) A cualquier temperatura, el líquido pasa lentamente a estado gaseoso, el proceso se
denomina evaporación. El paso es lento porque son las partículas que se encuentran en
la superficie del líquido en contacto con la atmósfera las que se van escapando de la
atracción de las demás partículas cuando adquieren suficiente energía para liberarse.
Partículas del líquido que se encuentran en el interior no podrán recorrer demasiado
antes de ser capturadas de nuevo por las partículas que la rodean.
2) A una determinada temperatura se produce el paso de líquido a gas en todo el
volumen del líquido el proceso se denomina ebullición. Cualquier partícula del interior
o de la superficie adquiere suficiente energía para escapar de sus vecinas, la energía se
la proporciona la fuente calorífica que le ha llevado a dicha temperatura.
Por tanto, el cambio de estado denominado vaporización se puede producir de alguna de
estas formas:
1) Por evaporación que tiene lugar en la superficie del líquido, es lenta y a cualquier
temperatura, aunque aumenta la evaporación con la temperatura.
Un ejemplo lo tenemos con el agua que se extiende por el suelo o la ropa mojada
tendida, el proceso de secado es una evaporación del agua líquida. El agua contenida en
un vaso también termina por desaparecer (se evapora), aunque la evaporación será
mayor si aumentamos la superficie de contacto entre el agua y la atmósfera (por ejemplo
echando el contenido del vaso en un plato).
2) Por ebullición que tiene lugar a una determinada temperatura (temperatura de
ebullición), es tumultuosa y tiene lugar en cualquier parte del líquido (superficie o
interior).
El ejemplo lo tenemos en el agua, a medida que la calentamos la evaporación aumenta y
llega un momento en el que salen burbujas de vapor de agua de cualquier parte del
líquido y de forma tumultuosa (desordenadamente)
REACCIONES QUÍMICAS
Con frecuencia observamos como muchos objetos metálicos luego de un cierto tiempo
cambian su color. Por ejemplo: los clavos son de color gris brillante, pero cuando se han
formado capas de óxido férrico sobre ellos, se tornan rojizos.
En los motores de los automóviles la gasolina se transforma en otras sustancias
conocidas, como son el CO(g) , C(s) (hollín) , CO2(g) y H2O(l) ; en la cocina, el gas
propano arde o combustiona con el oxígeno del aire generando calor y la flama que
sirve para cocer los alimentos.
De la misma manera, en las últimas décadas del siglo XX existe una gran preocupación
por resolver los efectos de la contaminación ambiental. Por ejemplo “la lluvia ácida”,
que consiste en la conversión de gases (SO2 y NO2) procedentes de las chimeneas
industriales producen sustancias ácidas como el HNO3 y el H2SO4 , que después
precipitan con las lluvias en cantidades pequeñas, y a través de los años ocasionan la
corrosión en las estructuras metálicas, también descomponen los carbonatos de las
estatuas, alteran severamente el ecosistema natural (ríos, lagos y suelos) con la
consiguiente muerte de animales acuáticos y plantas.
Todos los casos anteriores expuestos son ejemplos de reacciones químicas o
fenómenos químicos
DEFINICIÓN DE REACCIÓN QUÍMICA
Una reacción química es un cambio o fenómeno que modifica la composición química
de las sustancias, para formar sustancias de composición diferente. También podemos
decir que es un paso de un sistema de condiciones iníciales a finales.
En toda reacción química resaltamos dos etapas:


La inicial (llamado reactantes), antes del cambio
La final (llamado productos), después del cambio.
La definición de reactantes suele modificarse cuando se refiere a las reacciones
químicas que se manejan en gran escala en campos especializados. Así por ejemplo, en
los procesos industriales se les llama materia prima, en procesos metalúrgicos se
llaman minerales o menas.
Además según la ley de conservación de la masa, en una reacción química la masa del
sistema en condiciones iniciales y finales es la misma; según la teoría atómica diremos
que durante una reacción química solo hay un reacomodo de átomos, lo que indica que
el tipo y número de átomos que contiene el sistema inicial y final es el mismo, sólo que
se encuentran enlazados o unidos de manera diferente.
Como señalamos anteriormente, en una reacción química se cumple la ley de
conservación de masa, o sea el número y tipo de átomos es idéntico en condiciones
iniciales y finales, por lo que es posible representarlo mediante una ecuación o igualdad
química.
ECUACIÓN QUÍMICA
Una ecuación química es la representación simbólica de una reacción, donde se
especifica la parte cualitativa y cuantitativa de los reactantes y productos.
Veamos un esquema general de una ecuación química, donde se especifica las
condiciones en la que se transcurre la reacción.
Donde:
→ : simboliza el sentido de la reacción. Indica que A y B se transforman en C y D. El
símbolo significa o interpreta como “igual a”, y es lo que la le da a la expresión la
categoría de ecuación.
→ Ni : Esta notación se emplea para indicar que la reacción química ocurre en
presencia de un catalizador (agentes físicos o químicos que modifican la velocidad de
una reacción). En la ilustración el Ni es un catalizador.
200°C y 5 atm : Indica las condiciones de presión y temperatura en las que las
sustancias A y B se transforman en C y D.
a, b, c, d : Son coeficientes, generalmente son números enteros, nos indica el número de
unidades fórmula de las sustancias.
Otros símbolos importantes que suelen utilizarse en una reacción química son:
(s) : La sustancia está en fase sólida
(l) : La sustancia está en fase líquida
(g) : La sustancia está en fase gaseosa
(ac) : La sustancia está disuelta en agua (solución acuosa)
(sol) : La sustancia está formando una solución o disolución
↑ : Significa que es una sustancia gaseosa y se desprende del reactor químico
↓ : Significa que es una sustancia sólida insoluble en el disolvente donde ocurre la
reacción y por lo tanto se precipita en forma de sedimento, por su mayor densidad.
▲ : Simboliza la energía calorífica.
Ejemplo Ilustrativo:
Consideremos inicialmente una mezcla de un pedazo de hierro y agua, la cual una vez
sometida al calor experimenta una reacción química formando nuevas sustancias, tal
como muestra la figura:
El experimento muestra la reacción del hierro metálico con agua caliente, formándose
un sólido rojizo (óxido férrico) y un gas muy ligero (hidrógeno gaseoso). Además el
sólido rojizo es insoluble en agua por lo que se precipita, depositándose en el fondo del
tubo de ensayo.
La ecuación química balanceada de la reacción será:
2 Fe(s) + 3 H2O (s) → Fe2O3(s) + 3H2(g)
CLASES DE REACCIONES QUÍMICAS
REACCIÓN DE ADICION O COMBINACIÓN (SÍNTESIS)
Consiste en que dos o más reactantes forman un solo producto. En este tipo de
reacciones generalmente se libera calor, es decir que son exotérmicas. Es típica en la
formación de un compuesto por combinación directa de sus elementos (síntesis).
Ejemplos:
Síntesis de Lavoisier: mediante chispa eléctrica el hidrogeno se combina con el O2 para
formar agua.

2 H2 + O2 → 2 H2O(l)
Síntesis de Haber – Bosh: a temperatura y presión alta se forma el amoniaco a partir de
H2 y N2 gaseosos.

N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g)
Formación del óxido férrico

4 Fe(s) + 3 O2(g) → 2 Fe2O3(s)
Formación del cloruro de amonio

NH3(g) + HCl → NH4Cl(s)
Formación de hidróxido de calcio

CaO(s) + CO2(s) → Ca (OH)2(s)
Esquema General:
REACCIÓN POR DESCOMPOSICIÓN
En este tipo de reacciones químicas partimos de un solo reactante para descomponerlo
en dos o más productos, por medio de un agente energético externo o un catalizador:
Si la energía es calorífica se llama pirólisis, es la descomposición por calentamiento a
altas temperaturas.
Si la descomposición es por acción de la luz se llama fotólisis
Si la descomposición es por acción de un catalizador se llama catálisis.
Si la descomposición es por medio de la corriente eléctrica, se llama electrólisis.
Reacciones de pirolisis.
Donde: ∆ = símbolo de energía calorífica
Reacciones de electrólisis.
El sodio se obtiene líquido porque la electrólisis de la sal común fundida (NaCl líquido)
se ha realizado a temperatura muy alta.
Reacción de fermentación alcohólica.
Esta reacción se lleva a cabo por medio de una enzima, que es una proteína
biocatalizadora.
Reacción de catálisis
Se observa que en la catálisis, la sustancia que actúa como catalizador no aparece en los
productos, ya que solo varia la rapidez con que se desarrolla la reacción o hace posible
la reacción.
Esquema General de una Reacción de Descomposición:
REACCION POR DESPLAZAMIENTO O SUSTITUCIÓN SIMPLE
En general se presenta cuando un elemento químico más activo o más reactivo desplaza
a otro elemento menos reactivo que se encuentra formando parte de un compuesto; el
elemento que ha sido desplazado queda en forma libre.
En el caso de los metales, los más activos son los metales alcalinos y metales alcalinos
térreos.
En el caso de los no metales, los mas reactivos son algunos halógenos : Fl2 , Cl2 , Br2 ;
además del oxígeno y el fósforo.
Esquema de una Reacción de Desplazamiento:
Donde el elemento A es más activo o de mayor reactividad que el elemento B
Ejemplos:
REACCIÓN DE DOBLE DESPLAZAMIENTO
También llamada de doble descomposición o metátesis, es una reacción entre dos
compuestos que generalmente están cada uno en solución acuosa. Consiste en que dos
elementos que se encuentran en compuestos diferentes intercambian posiciones,
formando dos nuevos compuestos.
Estas reacciones químicas no presentan cambios en el numero de oxidación o carga
relativa de los elementos, por lo cual también se le denominan reacciones NO –
REDOX.
Esquema General:
Ejemplos:
En reacciones de precipitación se producen sustancias parcialmente solubles o
insolubles, los cuales van al fondo del recipiente donde se realiza la reacción química.
Los precipitados por lo general presentan colores típicos, razón por la cual son usados
en química analítica para reconocimiento de elementos y compuestos.
REACCION EXOTÉRMICA
Es aquella reacción química que libera energía calorífica hacia el medio que lo rodea
conforme transcurre, por lo tanto aumenta la temperatura de los alrededores del sistema
donde ocurre la reacción. El calor liberado se debe a que la entalpía de los productos es
menor que la entalpía (▲H) de los reactantes.
Corresponden a este tipo, las reacciones de combustión, las reacciones de neutralización
acido-base, y en general las reacciones de adición.
Una reacción exotérmica se puede representar en general mediante la siguiente ecuación
termoquímica.
REACCIÓN ENDOTÉRMICA
Es aquella reacción que absorbe energía conforme se lleva a cabo, debido a que la
entalpía de los productos es mayor a la entalpía de los reactantes. Son reacciones que no
ocurren naturalmente a condiciones ambientales, por lo tanto no son espontáneas.
En este grupo se encuentran las reacciones de descomposición térmica o pirolisis.
Una reacción endotérmica podemos representarla en general mediante la siguiente
ecuación termoquímica:
REACCIONES REDOX (0XIDACIÓN-REDUCCIÓN)
Reacciones de oxidación-reducción (abreviadas Redox) incluyen todos los procesos
químicos en los que los átomos cambian su estado de oxidación.
Un simple proceso redox, tal como la oxidación del carbono a dióxido de carbono, y la
reducción del carbono por el hidrógeno en metano (CH4), o un proceso complejo como
la oxidación del azúcar en el cuerpo humano, a través de una serie de procesos de
transferencia de electrones.
Para que exista una reacción redox, debe haber un reductor y un oxidante.
Reductor: elemento químico que pierde electrones y los cede a otro.
Oxidante: elemento químico que gana electrones haciendo perderlos a otro.
REACCIONES IRREVERSIBLES
Ocurren en un solo sentido (→) hasta que la reacción sea completa, es decir hasta que se
agote uno o todos los reactantes. Generalmente ocurren cuando se forman
precipitados, se liberan gases en recipientes abiertos o se forman productos muy
estables que no reaccionan para formar las sustancias iniciales o reactantes.
Por ejemplo, la siguiente reacción de descomposición térmica es irreversible se lleva a
cabo en un recipiente abierto , debido a que el CO2 gaseoso conforme se va formando
escapa del reactor químico, por lo tanto no logra reaccionar con el óxido de calcio
sólido, por lo que la reacción inversa (←) no prospera.
CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g)
La siguiente reacción química también es irreversible porque el cloruro de plata que se
forma es un sólido insoluble en agua por lo que se precipita y no logra reaccionar con
nitrato de sodio acuoso, por lo tanto la reacción transcurre en un solo sentido.
NaCl(ac) + AgNO3(ac) → AgCl(s) + NO3(g)
REACCIONES REVERSIBLES
Es aquella donde la reacción ocurre en ambos sentidos (↔). Generalmente se lleva a
cabo en un sistema cerrado, entonces los productos que se forman interactúan entre si
para reaccionar en sentido inverso (←) y regenerar los productos. Luego de cierto
tiempo, la velocidad de reacción directa (→) e inversa (←) se igualan, estableciéndose
entonces el equilibrio químico.
Ejemplos:
1. CaCO3(s) ↔ CaO(s) + CO2(g)
2. N2(g) + 3H2(s) ↔ 2NH3(g)
3. H2(g) + I2(s) ↔ 2HI(g)
REACCIÓN LENTA
Una reacción química lenta es aquella donde la cantidad de producto formado o la
cantidad de reactante consumido por unidad de tiempo es muy pequeña.
Ejemplos:
1. La oxidación del hierro a temperatura ambiental:
Fe(s) + O2(g) → Fe2O3(s)
2. La reacción del calcio con el agua fría:
Ca(s) + 2H2O(l) → Ca(OH)2(ac) + H2(g)
REACCIÓN RÁPIDA
Es aquella donde la cantidad de producto formado o la cantidad de reactante consumido
por unidad de tiempo es grande.
Ejemplos:
1. La oxidación del sodio metálico al exponerse al aire.
4Na(s) + O2(g) → 2Na2O(s)
2. La reacción violenta de potasio metálico con el agua fría.
2K(s) + NaOH(ac) → 2KOH(ac) + H2(g)
3. La reacción de neutralización acido – base entre HCl y NaOH
HCl(ac) + NaOH(ac) → NaCl(ac) + H2O(l)
REACCIONES IÓNICAS
Las reacciones iónicas generalmente ocurren en disolución acuosa; consisten en la
interacción eléctrica de especies iónicas solvatadas o dispersos en el disolvente
(comúnmente H2O). Estas son reacciones rápidas.
La mayoría de reacciones que se realizan en el laboratorio son de este tipo (reacciones
iónicas)
Ejemplos:
1. Ag+(ac) + Cl-(ac) → AgCl(s)
2. H+(ac) + OH-(ac) → H2O(l)
3. Ba+2(ac) + SO4-2(ac) → BaSO4(s)
REACCIONES MOLECULARES O COVALENTE
Las reacciones moleculares son aquellos que involucran a las interacciones de
moléculas (de sustancias covalentes). Estas generalmente son reacciones lentas, ya que
las moléculas para poder reaccionar necesitan colisionar con orientaciones y energías
cinéticas apropiadas. Si estas condiciones no se cumplen simultáneamente, no ocurre la
reacción.
Ejemplos:
1. 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(g)
2. Br2(g) + H2(g) → 2 HBr(g)
COMPRESIÓN Y EXPASIÓN DE GASES
Comprensibilidad: El volumen de un gas se puede reducir fácilmente mediante la
acción de una fuerza externa-presión-. Esta propiedad de los gases se explica debido a la
existencia de grandes espacios intermoleculares.
¿Es posible comprimir un gas hasta que su volumen sea cero, aplicando una fuerza muy
grande?
Nunca. Si la fuerza es muy grande, la presión del gas sería tan grande que vencería la
resistencia del recipiente y estallaría. Si la temperatura fuese baja ( menor o igual a la
temperatura critica) el gas se licuaría, ya en estado líquido sería imposible comprimirlo.
Si disminuye la presión aumenta el volumen del gas
2. Expansión: Un gas ocupa todo el volumen del recipiente que lo contiene debido a la
alta energía cinética traslacional de las moléculas.
¿Porque el aire que es una mezcla gaseosa, no se expande por todo el universo?
La explicación es simple, la fuerza de atracción gravitatoria impide que algún cuerpo
material pueda abandonar la orbita terrestre, salvo que supere la velocidad mínima para
vencer la gravedad que es 11 Km/s, que las moléculas de aire no pueden adquirir en
forma natural.
GASES PERFECTOS O IDEALES
Microscópicamente el gas ideal es un modelo abstracto, que cumple con los postulados
de la teoría cinética de los gases.
El modelo más simple de un sistema de muchas partículas es el gas ideal. Por definición
es un gas que consta de partículas materiales puntuales de masa finita, entre las cuales
no existen fuerzas que actúan a distancia y cuando chocan, lo hacen siguiendo las leyes
de colisiones de las esferas. Los gases suficientemente enrarecidos son los que más
corresponden a la propiedades del gas ideal.
Los sistemas gaseosos ideales son aquellos regidos por generalizaciones basadas en la
experiencia y en la actualidad explicadas por la teoría cinética molecular. Un gas puede
considerarse ideal a altas temperaturas y bajas presiones.
Teoría Cinética de los Gases Ideales
Para explicar el comportamiento de los gases ideales, Clausius, Maxwell y Boltzman
crearon un modelo llamado Teoría cinética de los gases, los postulados de esta teoría
son:
I) Las sustancias están constituidas por moléculas pequeñísimas ubicadas a gran
distancia entre sí; su volumen se considera despreciable en comparación con los
espacios vacíos que hay entre ellas.
II) Las moléculas de un gas son totalmente independientes unas de otras, de modo que
no existe atracción intermolecular alguna.
III) Las moléculas de un gas se encuentran en movimiento continuo, en forma
desordenada; chocan entre sí y contra las paredes del recipiente, de modo que dan lugar
a la presión del gas.
IV) Los choques de las moléculas son elásticos, no hay pérdida ni ganancia de energía
cinética, aunque puede existir transferencia de energía entre las moléculas que chocan.
V) La energía cinética media de las moléculas es directamente proporcional a la
temperatura absoluta del gas; se considera nula en el cero absoluto.
En resumen:
- A volumen constante, la presión es directamente proporcional a la temperatura
absoluta.
- A presión constante, el volumen es directamente proporcional a la temperatura
absoluta.
- A temperatura constante, las presiones y los volúmenes son inversamente
proporcionales.
GASES COMPRIMIDOS
Cualquier gas o mezcla de gases en la que su temperatura crítica (temperatura de un gas
por encima de la cual es imposible licuarlo únicamente por un aumento de presión) sea
inferior a -10 º C. En contenido de las botellas estará en fase gaseosa (ejemplo: las
botellas de aire comprimido de los equipos ERAS) –
Existen tres grupos principales de gases comprimidos almacenados en cilindros:
líquidos, no líquidos y gases disueltos. En cada caso, la presión del gas en el cilindro de
da comúnmente en unidades de kiloPascales (kPa) o libras por pulgada cuadrada
manométrica (psig).
Presión de manómetro = Presión total del gas dentro del cilindro menos presión
atmosférica.
La presión atmosférica es normalmente de cerca de 101.4 kPa (14.7 psi). Nótese que el
cilindro de gas comprimido con una lectura de manómetro de presión de 0 kPa o 0 psig
no está realmente vacío. Todavía contiene gas a presión atmosférica.
Gases Líquidos
Los gases líquidos son gases que pueden convertirse en líquidos a temperaturas
normales cuando están dentro de cilindros a presión. Existe dentro del cilindro un
balance de vapor- líquido. Inicialmente el cilindro esta casi lleno de líquido, y el gas
llena el espacio arriba del líquido. Conforme el gas se saca del cilindro, suficiente
líquido se evapora para remplazarlo, manteniendo la presión del cilindro constante.
Amoníaco anhidro, cloro, propano, óxido nitroso y dióxido de carbono son ejemplos de
gases líquidos.
Gases No-Líquidos
Los gases no líquidos se conocen también como gases permanentes, presurizados o
comprimidos. Estos gases no se vuelven líquidos cuando están comprimidos a
temperaturas normales, incluso a muy altas presiones. Ejemplos comunes de estos son
el oxígeno, nitrógeno, helio y argón.
Gases Disueltos
El acetileno es el único gas disuelto común. El acetileno es químicamente muy
inestable. Incluso a presión atmosférica el gas acetileno puede explotar. Sin embargo, el
acetileno se almacena rutinariamente y se utiliza de manera segura en cilindros a altas
presiones (hasta 250 psig a 21°C).
Esto es posible porque los cilindros de acetileno están completamente empacados con
rellenos porosos e inertes. El relleno está saturado con acetona u otro solvente
conveniente. Cuando el gas acetileno se agrega al cilindro, el gas se disuelve en la
acetona. El acetileno en solución es estable.
Todos los gases comprimidos son peligrosos debido a la presión dentro de los cilindros.
Debe haber muchos casos en los que los cilindros dañados se han convertido en cohetes
sin control y han provocado daños y lesiones severas. Este peligro se da cuando los
cilindros no cubiertos y sin seguro fueron golpeados haciendo que la válvula del
cilindro se quebrara y el gas de alta presión escapara rápidamente. La mayoría de las
válvulas de los cilindros están diseñadas para quebrarse en un punto con una abertura de
alrededor de 0.75 cm (0.3 pulgadas). Este diseño limita la proporción del gas que se
libera y reduce la velocidad del cilindro. Este límite puede evitar que cilindros más
grandes y más pesados sean "lanzados" como un rocket, aunque cilindros más pequeños
o más livianos puedan despegar también.
La liberación de gases comprimidos deficientemente controlada en sistemas de reacción
química puede provocar que los vasos estallen, creen derrames en equipos o mangueras,
o produzcan reacciones de salida.
Son gases comprimidos; metano, hidrógeno, monóxido de carbono, oxígeno, nitrógeno
GASES DISUELTOS
Es cualquier gas o mezcla de gases la temperatura crítica de los cuales es mayor o igual
a -10 º C. Y disuelto en algún producto químico que evita algunos problemas que pueda
tener el gas (básicamente su inestabilidad). Ejemplo el acetileno disuelto con acetona
El acetileno es el único gas disuelto común. El acetileno es químicamente muy
inestable. Incluso a presión atmosférica el gas acetileno puede explotar. Sin embargo, el
acetileno se almacena rutinariamente y se utiliza de manera segura en cilindros a altas
presiones (hasta 250 psi/g a 21°C).
Esto es posible porque los cilindros de acetileno están completamente empacados con
rellenos porosos e inertes. El relleno está saturado con acetona u otro solvente
conveniente. Cuando el gas acetileno se agrega al cilindro, el gas se disuelve en la
acetona. El acetileno en solución es estable.
GASES LICUADOS
Se trata de cualquier gas o mezcla de gases la temperatura crítica sea igual o superior a 10 º C. En este tipo de botellas existen dos fases: una líquida y una gaseosa (bombona
de gas butano).
GAS CRIOGÉNICO
Los líquidos criogénicos son gases que se mantienen en su estado líquido a temperaturas
muy bajas. La palabra "criogénico" significa "que produce, o se relaciona a, bajas
temperaturas," y todos los líquidos criogénicos están extremadamente fríos. Los
líquidos criogénicos tienen puntos de ebullición por debajo de los 150°C (-238°F) (El
dióxido de carbono y el óxido nitroso, que tienen puntos de ebullición levemente más
altos a veces se incluyen en esta categoría).
Todos los líquidos criogénicos son gases a temperaturas y presiones normales. Estos
gases se deben enfriar por debajo de la temperatura ambiente antes de hacerlos líquidos
mediante un aumento en la presión.
Los diferentes criogénicos se hacen líquidos bajo diferentes condiciones de temperatura
y presión, pero todos tienen dos propiedades en común: son extremadamente fríos y
pequeñas cantidades de líquido se pueden expandir a grandes volúmenes de gas.
Los vapores y los gases liberados de los líquidos criogénicos también permanecen muy
fríos. A menudo condensan la humedad del aire, creando un tipo de neblina altamente
visible. En recipientes pobremente aislados, algunos líquidos criogénicos condensan el
aire a su alrededor, formando una mezcla de aire líquido.
Estos gases tienen el inconveniente de que no pueden mantenerse indefinidamente en el
recipiente, pues a través de sus paredes, reciben gradualmente calor de la atmósfera, con
lo que la presión va aumentando. Éste aumento de presión puede llegar a tal nivel, que
puede hacer estallar el recipiente.
Los líquidos criogénicos y sus vapores fríos y gases relacionados pueden producir
efectos en la piel similares a los de una quemada. Las exposiciones breves que no
afectan la piel del rostro o de las manos pueden dañar tejidos delicados como los ojos.
La exposición prolongada de la piel o el contacto con superficies frías pueden provocar
quemaduras por el hielo. La piel se ve amarillenta. No hay dolor inicialmente, pero el
dolor es intenso cuando el tejido congelado se descongela.
Son gases criogénicos; aire, gas natural, argón, nitrógeno, CO2, oxígeno…
LEYES DE LOS GASES
Lei de Boyle-Mariotte Si mantenemos constante la temperatura de un gas encerrado en
un recipiente, cuando la presión aumente el volumen disminuirá. Cuando el volumen
aumente, la presión disminuirá
A temperatura constante, la presión absoluta que tiene el gas es
inversamente proporcional al volumen.
P • V = constante
o
P1 • V1 = P2 • V2
Primera ley de Gay-Lussac Si mantenemos el gas a presión constante, al aumentar la
temperatura, aumentará también su volumen y viceversa. Si disminuimos la temperatura
o el volumen del gas, la presión disminuirá también.
A presión constante el volumen ocupado por un gas es
directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas.
Segunda ley de Gay-Lussac Si mantenemos el volumen constante, al variar la
temperatura, la presión varía de la misma manera: aumentan o disminuyen de forma
directamente proporcional.
A volumen constante la presión que tiene el gas es
directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas.
LEY GENERAL DE GASES
ÁCIDOS Y BASES
Cuando en una solución la concentración de iones hidrógeno (H+) es mayor que la de
iones hidróxilo (OH–), se dice que es ácida. En cambio, se llama básica o alcalina a la
solución cuya concentración de iones hidrógeno es menor que la de iones hidróxilo.
Una solución es neutra cuando su concentración de iones hidrógeno es igual a la de
iones hidróxilo. El agua pura es neutra porque en ella [H+] = [OH–].
Los ácidos y las bases se caracterizan por:
Ácidos
Bases
Tienen sabor agrio (limón, vinagre, etc).
Tiene sabor cáustico o amargo (a lejía)
En disolución acuosa enrojecen la tintura o
papel de tornasol
En disolución acuosa azulean el papel o
tintura de tornasol
Decoloran la fenolftaleína enrojecida por las
bases
Enrojecen la disolución alcohólica de la
fenolftaleína
Producen efervescencia con el carbonato de
calcio (mármol)
Producen una sensación untuosa al tacto
Reaccionan con algunos metales (como el
cinc, hierro,…), desprendiendo hidrógeno
Precipitan sustancias disueltas por ácidos
Neutralizan la acción de las bases
Neutralizan la acción de los ácidos
En disolución acuosa dejan pasar la corriente
eléctrica, experimentando ellos, al mismo
tiempo una descomposición química
En disolución acuosa dejan pasar la corriente
eléctrica, experimentando ellas, al mismo
tiempo, una descomposición química
Concentrados destruyen los tejidos biológicos Suaves al tacto pero corrosivos con la piel
vivos (son corrosivos para la piel)
(destruyen los tejidos vivos)
Enrojecen ciertos colorantes vegetales
Dan color azul a ciertos colorantes vegetales
Disuelven sustancias
Disuelven grasas y el azufre
Pierden sus propiedades al reaccionar con
bases
Pierden sus propiedades al reaccionar con
ácidos
Se usan en la fabricación de jabones a partir
de grasas y aceites
Tanto ácidos como bases se encuentran en gran cantidad en productos usados en la vida
cotidiana, para la industria y la higiene, así como en frutas y otros alimentos, mientras
que el exceso o defecto de sus cantidades relativas en nuestro organismo se traduce en
problemas de salud.
Cómo reacciona una gota de fenolftaleína al unirse con ácidos o con bases.
Fuerza de los ácidos y las bases
La fuerza de un ácido o la de una base está determinada por su tendencia a perder o a
ganar protones. Los ácidos pueden dividirse en fuertes (ClH, SO4H2, NO3H, etc.) y
débiles (PO4H2–, CH3COOH, CO3H2, etc.).
Las moléculas de los primeros se disocian en forma prácticamente total al ser disueltos
en agua. Los segundos sólo ionizan una pequeña proporción de sus moléculas. De aquí
que, para una misma concentración de ácido, la concentración de iones hidrógeno es
mayor en las soluciones de ácidos fuertes que en las de los débiles.
Las bases también pueden dividirse en fuertes (NaOH, KOH, Ca (OH)2, etc.) y débiles
(NH3, trimetilamina, anilina, etc.). Las primeras se disocian completamente en solución.
Al igual que para ácidos débiles, las constantes de disociación de las bases débiles (KB)
reflejan el grado de ionización.
Una generalización útil acerca de las fuerzas relativas de los pares ácido-base es que si
un ácido es fuerte, su base conjugada es débil y, para las bases, si una sustancia es una
base fuerte, su ácido conjugado es débil
REACCIÓN DE NEUTRALIZACIÓN
Los ácidos y las bases son sustancias con determinadas características que se
complementan al contacto. Por ello, cuando una base y un acido reaccionan entre sí,
tales características se anulan; este fenómeno recibe el nombre de reacción de
neutralización o reacción de acido-base, y solo son un caso particular de una reacción
de dobles sustitución:
Según el carácter del ácido y de la base reaccionante se distinguen cuatro casos:




ácido fuerte + base fuerte
ácido débil + base fuerte
ácido fuerte + base débil
ácido débil + base débil
En el momento de la neutralización se cumple que el número de equivalentes de ácido
que han reaccionado (N • V) es igual al número de equivalentes de la base (N' • V'):
N • V = N' • V'
El pH en el punto de equivalencia de una reacción de neutralización es diferente según
la fortaleza del ácido y/o la base que se neutraliza.
Los indicadores que indican el punto de equivalencia no son igual de útiles para todas
las reacciones.
- Reacciones de neutralización entre ácido fuerte (HCl) y base fuerte Na (OH). El pH
en el punto de equivalencia es 7 ya que todos los iones hidronio han sido neutralizados
por los iones hidroxilo, para dar H2O
El resto de los iones no reaccionan con el agua ya que:


El Cl - procede de un ácido fuerte (es una base débil frente al agua): no se
hidroliza.
El Na+ procede de una base fuerte (es un ácido muy débil frente al agua): no se
hidroliza.
- Cuando la neutralización se produce entre un ácido fuerte y una base débil. El catión
de la base sufre una hidrólisis produciéndose iones hidronio, por lo que el pH es < 7.
- Cuando la neutralización se produce entre una base fuerte y un ácido débil. El anión
del ácido sufre una hidrólisis produciéndose iones hidróxido, por lo que el pH es > 7.
- Cuando la neutralización se produce entre una base débil y un ácido débil. El anión
del ácido sufre una hidrólisis al igual que el catión de la base, por lo que el pH es < 7 si
es más débil la base y es >7 si es más débil el ácido.
La elección del indicador adecuado para determinar el punto de equivalencia dependerá
del pH final, que tiene que estar dentro del intervalo en el que el indicador sufre el
cambio de color.
Las reacciones de neutralización consisten en que si una sustancia es acida añadir una
sustancia básica para que me quede con un pH neutro, lo mismo pasa si tengo es una
sustancia básica en la vida diaria esto nos sirve por ejemplo para las personas que sufren
de acidez, ellas toman leche de magnesia que es una sustancia básica y al llegar al
estomago esta se neutraliza con la acidez de la persona y esta mezcla toma un pH neutro
que le es mucho mejor al organismo otra reacción de neutralización podrá ser la
formación de la una sal tomando NaOH y HCl formarían el cloruro de sodio
prácticamente la sal de cocina.
Ejemplos:
HCl+NaOH---> NaCl +H2O (ácido + base = sal + agua)
H2SO4+2NaOH---> NaSO4+2H2O (ácido + base = sal + agua)
H2SO3+2NaOH---> NaSO3+2H2O (ácido + base = sal + agua)
ESCALA PH
No todos los ácidos (ni todas las bases) son igual de fuertes: el ácido clorhídrico es
mucho más corrosivo que el ácido acético, el responsable de la acidez del vinagre.
Para medir el grado de acidez utilizamos una escala que va del 0 (ácidos muy fuertes)
hasta el 14 (bases muy fuertes) pasando por 7 (sustancias neutras). Es la escala del pH.
EXPLOSIÓN, DEFLAGRACIÓN Y DETONACIÓN.
Una explosión es la liberación en forma violenta de energía mecánica o física, química
o nuclear, normalmente acompañada de altas temperaturas y de la liberación de gases.
Una explosión causa ondas expansivas en los alrededores donde se produce. Las
explosiones se pueden categorizar como deflagraciones si las ondas son subsónicas y
detonaciones si son supersónicas (Ondas de choque).
El efecto destructivo de una explosión es, precisamente, por la potencia de la
deflagración que produce ondas de choque o diferencias de presión subyacente, de
duración muy corta, extremadamente bruscas.
Una deflagración es una explosión isóbara con llama a baja velocidad de propagación.
Como por ejemplo las explosiones de butano.
Las reacciones que provoca una deflagración son idénticas a las de una combustión,
pero se desarrollan a una velocidad comprendida entre 1 m/s y la velocidad del sonido;
este tipo de explosión recibe el nombre de deflagración.
En la deflagración el frente de llama avanza por fenómenos de difusión térmica. Por el
contrario, en una detonación la combustión está asociada a una onda de choque que
avanza a velocidad superior a la del sonido.
Una detonación es un proceso de combustión supersónica que implica onda expansiva
y zona de reacción detrás de ella.
Una detonación es un drástico proceso de transformación de la energía que contiene un
material, casi siempre de naturaleza química, que se intercambia a elevadas velocidades
con el medio adyacente. Así, para medir el poder detonante de un material con
propiedades explosivas, se utiliza la definición de "poder detonante" y se expresa en
metros por segundo, dadas las características particulares del material químico en
cuestión.
DEFLAGRACIÓN: Propagación subsónica, “el frente de llama va por detrás del
frente de presión”
DETONACIÓN:
Propagación supersónica, “el frente de llama y el frente de presión avanzan juntos
EFECTO BLEVE
El término BLEVE se utiliza para designar mediante su acrónimo en inglés una
explosión mecánica en la que interviene un líquido en ebullición que se incorpora
rápidamente al vapor en expansión. La traducción literal sería la de "expansión
explosiva del vapor de un líquido en ebullición" correspondiente a "boiling liquid
expanding vapour explosion", o BLEVE. Es un caso especial de estallido de un depósito
en cuyo interior se almacena un
líquido bajo presión.
Cuando se almacena un líquido
a presión elevada la temperatura
de almacenamiento suele ser
notablemente mayor que su
temperatura de ebullición
normal. Cuando se produce la
ruptura del recipiente, el líquido
de su interior entra en ebullición
rápidamente debido a que la
temperatura exterior es muy
superior a la temperatura de
ebullición de la sustancia. El
cambio masivo a fase vapor,
provoca la explosión del
depósito porque se supera la
resistencia mecánica del mismo.
Se genera una onda de presión
acompañada de proyectiles del
propio depósito y piezas
menores unidas a él que
alcanzan distancias
considerables. Además, en el caso de que la sustancia almacenada sea un líquido
inflamable, se produce la ignición de la nube formando lo que se denomina bola de
fuego que se irá expandiendo a medida que va ardiendo la masa de vapor.
La característica principal de una BLEVE es precisamente la expansión explosiva de
toda la masa de líquido evaporada súbitamente. Normalmente, la causa más frecuente de
este tipo de explosiones es debida a un incendio externo que envuelve al depósito en
cuestión, debilita mecánicamente el contenido, lo que produce una fisura o ruptura del
mismo, con la despresurización, ondas de presión y el BLEVE del conjunto.
Por tanto, las consecuencias de una BLEVE de un depósito que almacena bajo presión
un líquido inflamable son las siguientes:
Sobrepresión por la onda expansiva.
Proyección de fragmentos metálicos o proyectiles del depósito y piezas adyacentes.
Radiación térmica por la bola de fuego que se forma.
De todos los efectos, el que generalmente tiene un alcance mayor es el de la radiación
por la bola de fuego. Los factores que influyen fundamentalmente en dicho efecto son el
tipo y cantidad de producto y las condiciones ambientales, fundamentalmente
temperatura y humedad relativa. Con respecto al efecto de sobrepresión, depende
fundamentalmente de la presión de almacenamiento, la relación de calores específicos
del producto implicado y de la resistencia mecánica del depósito. La formación de
proyectiles no está todavía del todo resuelta y normalmente se utiliza un método
indirecto para su determinación y cuantificación.
Otro de los efectos secundarios nocivos que podrían producirse es el denominado efecto
dominó, como consecuencia de que los efectos de sobrepresión, radiación y proyectiles
alcancen a otros depósitos, instalaciones o establecimientos con sustancias peligrosas y
generen en ellos a su vez otros accidentes secundarios propagando y aumentando las
consecuencias iniciales.
Son necesarias tres condiciones para que se materialice una BLEVE:
- Fase líquida sobrecalentada y sometida a presión (recipiente cerrado)
- Bajada repentina de presión en la fase gas (rotura del recipiente)
- Condiciones de presión y temperatura que alcancen la nucleación espontánea de toda
la masa provocando una vaporización rapidísima.
La nucleación es el comienzo de un cambio de estado. El cambio de estado puede ser la
formación de gas a partir de un líquido.
La causa más frecuente de este tipo de explosiones es debida a un incendio externo que
envuelve al tanque presurizado, lo debilita mecánicamente, y produce una fisura o
ruptura del mismo.
• En la primera imagen, se origina una fuga de gas licuado.
• Debido a la fuga, baja la presión originando la ebullición del gas licuado que se
encuentra dentro del tanque.
• El líquido, a alta temperatura, origina una explosión.