SEMINARIO N°2 PROPIEDADES DE LOS GASES I

Fisicoquímica CIBEX
Guía de Seminarios 2010
SEMINARIO N°2
PROPIEDADES DE LOS GASES I
COMPORTAMIENTO DE LOS GASES A BAJAS DENSIDADES
PROBLEMA 1:
Exprese una presión de 765mm de Hg en todas las unidades de Tabla 2.1. Explique cómo se obtienen las
equivalencias.
Tabla 2.1
Nombre
pascal
Bar
atmósfera
Símbolo
1Pa
1 bar
1 atm
Valor
1Nm-2, 1kg m-1 s-2
105 Pa
101 325 Pa
Nombre
torr
mm de Hg
libras por pulgada cuadrada
Símbolo
1 Torr
1 mmHg
1 psi
Valor
(101 325/760) Pa
133,322 Pa
6,894 kPa
PROBLEMA 2:
Las expresiones altas temperaturas y bajas presiones son términos relativos (no absolutos). Es necesario
tener en cuenta la naturaleza de la sustancia y parámetros de referencia propios de la misma. Entre estos
parámetros, pueden adoptarse la temperatura, presión y volumen molar críticos. La conocida ecuación de
estado para el gas ideal establece que una cierta masa de gas w ocupando un volumen V a una
determinada temperatura y presión, se escribe como P.V = n.RT, donde n, número de moles se calcula
como n=w/M, siendo M la masa molar del gas. Esta ecuación se aplica en denominadas condiciones de
altas temperatura y bajas presiones. Sólo como ilustración de esta idea, considere distintas sustancias a las
presiones de 1 y 100 atm a las temperaturas siguientes (a) -250 °C (b) -120°C (c) 0°C (d) 100°C (e) 500°C.
Indique si estas son condiciones de alta temperatura para las siguientes sustancias y si como una
aproximación adecuada emplearía la ecuación mencionada: He (-267,9; 2,26; 57.76), H2 (-239,9; 12,8;
64.99), O2 (-118,8; 49,7; 78.00), metano (-82,5; 45,8; 98.7), CO2 (31,1; 73,0; 94.0) y SO2 (157,2; 77,7; 123,0). Entre
paréntesis se indica la temperatura (°C), presión (atm) y volumen (cm3.mol-1) críticos respectivamente para
estas sustancias.
PROBLEMA 3:
(a) Tal como se explicara en la clase, a partir de medidas de coeficientes de expansión cúbicos de gases
puede determinarse un valor de la temperatura del 0°C en la escala temperatura absoluta o escala del
gas ideal (K = Kelvin). Repase el procedimiento que se emplea con este fin y analice porqué se analiza el
comportamiento de los coeficientes de expansión en el límite para p0.
(b) A presión constante el volumen molar de un gas puede expresarse como V=Vo.[1+α(p).(t/°C)], donde α
es una función de la presión. Estime el valor de esta magnitud para el gas ideal empleando los valores
experimentales de α que se presentan para nitrógeno e hidrógeno en la Tabla 2.2 (Observe la
nomenclatura empleada para los valores de αp):
Tabla 2.2
Gas
p/torr
106 α(p)/(°C)
Nitrógeno
508,2
1095,3
3660,2
3659,0
Hidrógeno
511,4
1105,3
3667,9
3674,2
GAS IDEAL. APLICACIÓN DE LA ECUACIÓN DEL GAS IDEAL
PROBLEMA 4: Ley de Dalton. Peso Molecular Promedio.
Una mezcla gaseosa contiene la siguiente composición en peso por cada cien gramos de muestra (% p/p):
Hidrógeno (6%), CO (68%), nitrógeno (11%), dióxido de carbono (14%) y metano. (a) Exprese la composición
de esta mezcla en volumen por ciento (volumen de sustancia cada 100 ml de mezcla) y su fracción molar
(b) Calcule la densidad a 400 °C y 1,5 atm. (c) Defina y calcule el peso molecular medio de la mezcla.
PROBLEMA 5: (a) Un recipiente de 10.0 L contiene 1 mol de N2 y 3 moles de H2 a 298K. ¿Cuánto vale la
presión si cada componente se comporta como un gas ideal? (R: p=9.78 atm). (b) En un balón se
introduce cloruro de amonio y se calienta hasta la temperatura de 596,9 K. En estas condiciones la presión
es 0,253 atm y la densidad de 0,1373 g/dm3. Discuta si el sistema está constituido por una sustancia simple o
una mezcla.
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PROBLEMA 6: El porcentaje en masa de aire seco al nivel del mar es aproximadamente N2: 75.52; O2:
23.15; Ar: 1.28; CO2: 0.046. ¿Cual es la presión parcial de cada uno de ellos cuando la presión total es de
1 atm?
PROBLEMA 7: Dos balones de igual volumen, en los que se ha practicado vacío, se hallan conectados por
un capilar de volumen despreciable. Se introduce nitrógeno a 200 °C y se lee una presión de 1 atm. Uno de
los balones se introduce en un recipiente con agua e hielo a 0°C y el otro en agua a 100°C. Calcule la
nueva presión de equilibrio.
PROBLEMA 8: El ciclohexeno reacciona con el hidrógeno para dar ciclohexano. Cierta cantidad de
ciclohexeno se mezcla con un exceso de hidrógeno y se hace reaccionar sobre un catalizador de platino.
La mezcla gaseosa, inicialmente ejerce una presión de 500 Torr, mientras que la presión una vez finalizada
la reacción es de 450 Torr . Ambas medidas en las mismas condiciones de volumen y temperatura. Si la
reacción es completa, calcule la fracción molar de los reactivos en la mezcla inicial.
PROBLEMA 9: Se ha determinado el peso molecular promedio <M> de una muestra de ácido acético a
distintas temperaturas y 1 atm de presión. Los resultados se indican en la Tabla 2.3:
Tabla 2.3
t/°C
<M>
124,8
90,35
134,8
87,00
144,8
81,99
154,6
77,73
164,8
74,14
El comportamiento de este sistema indica que el ácido acético debe estar asociado en fase gaseosa, de
acuerdo con el equilibrio entre un dímero y monómeros de ácido acético. Esto es posible a través de un
doble enlace hidrógeno entre moléculas de monómeros:
(CH3COOH)2
⇀
↽
2 CH3COOH
(a) Evalúe las fracciones molares y las presiones parciales de cada constituyente (b) Recordando la
definición de constante de equilibrio en términos de las presiones parciales y las fracciones molares, calcule
sus valores a124,8 °C y a 164,8 °C (c) Calcule la densidad de la mezcla a 144,8 °C.
APLICACIÓN DE ALGUNOS CONCEPTOS EN LAS MEDIDAS REALIZADAS EN EL SISTEMA
ACETONA-BENCENO
PROBLEMA 10:
En este trabajo práctico emplean la ley de Dalton. Esta es una buena aproximación para estudiar el
comportamiento de la fase vapor.
La definición de peso molecular promedio <M> = Σkxk.Mk, donde xk es la fracción molar de cada
componente y Mk su peso molecular fórmula, puede aplicarse tanto en fase gaseosa como en fase líquida
(¿Por qué?).
(a) Empleando resultados de experiencias realizadas en el laboratorio, analice cómo evoluciona el peso
molecular promedio de la mezcla gaseosa. Evalúe la densidad del vapor a cada temperatura. Considere
que la presión es la del experimento (en general es 1 atm).
(b) Evalúe el peso molecular medio en la fase líquida a cada temperatura y analice su evolución. ¿Cómo
correlaciona este comportamiento con la idea general que la fase líquida siempre es más rica en el
componente menos volátil?
(c) El volumen de vapor condensado en el equipo de Ohtmer empleado en el laboratorio es de unos
50 cm3. Calcule cuál deberá ser el volumen que hubiesen ocupado todos estos moles de vapor
condensado en la fase gaseosa a alguna de las temperaturas de equilibrio medidas experimentalmente en
el trabajo práctico.
δ (acetona, 20º C ) = 0.792 g / cm3 ; δ (benceno, 20º C ) = 0.879 g / cm3 .
(d) La presión de vapor de un componente en estas soluciones es siempre mayor que la calculada por la
ley de Raoult (que ya se ha visto en los cursos de Introducción a la Química y Química General). Sin
emplear relaciones matemáticas analice cualitativamente cuál de las siguientes situaciones corresponde al
caso estudiado (i) Las interacciones entre las moléculas distintas en la fase liquida es menor que la
esperada en una solución ideal (ii) Las interacciones entre moléculas distintas es mayor que la esperada en
una solución ideal. ¿En cuál de estos casos las interacciones entre las moléculas son “desfavorables”?.
Cuidado con el uso del término “interacciones repulsivas”.
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