Date post: | 29-Jun-2015 |
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FISICOQUÍMICA
AGENDA:i. Presentación del cursoii. Gases ideales
PRESENTACIÓN DEL CURSO
No. DE CRÉDITOS ACADÉMICOS: 3HORAS SEMANALES: 4
Actividad
Académica Del
Estudiante
Trabajo
Presencial
Trabajo
Independiente
Total
(Horas)
Horas 64 80 144
TOTAL 64 80 144
PRESENTACIÓN DEL CURSO
PRESENTACIÓN DEL CURSO
Justificación:
PRESENTACION DEL CURSO
El curso presenta conocimientosfundamentales de Fisicoquímica en tresunidades temáticas que contiene lossiguientes temas:Mezcla de gases ideales y de gases realesEquilibrio material: equilibrio químico yequilibrio de fasesSolucionesQuímica de superficies.
No. NOMBRE DE LAS UNIDADES
TEMÁTICAS
DEDICACIÓN
DEL
ESTUDIANTE
(horas)
HORA
S
TOTA
LES
(a +
b)
a)
Trabajo
Presenci
al
b)
Trabajo
Indepen
diente
1Gases ideales y gases reales.Condiciones para el equilibrio. Energíalibre y Equilibrio químico.
22 28 50
2Disoluciones y equilibrio de fases de uncomponente 16 20 36
3Equilibrio de fases de dos y trescomponentes. Química de superficies. 26 32 58
TOTAL 64 80 144
PRESENTACION DEL CURSO
UNIDAD
TEMÁTICA
ESTRATEGIAS DE
EVALUACION
PORCENTAJE
(%)
1. -Examen escrito.
-Quices
- Software, papers (oral,
escrito), exposiciones
23*3
5*3
16
PRESENTACION DEL CURSO: EVALUACIÓN DEL APRENDIZAJE
PRESENTACION DEL CURSO: BIBLIOGRAFÍABibliografía Básica: Levine, I. N. Fisicoquímica. 5 ed. Volumen 1. MacGraw-Hill. 2004.
Madrid.Pinzón Torres, Carmen. Diapositivashttp://webbook.nist.gov/chemistry/
Bibliografía Complementaria:
McCain, W. The properties of petroleum fluids. 2 ed,. PennWellBooks.Tulsa. EU. 1990.Artículos en inglés relacionados con fisicoquímicaAtkins P.and de Paula, J. Physical Chemistry. Seventh edition. OxfodUniversity Press. 2002. Italy.
FISICOQUÍMICALa fisicoquímica o química física es la rama de laquímica que estudia los principios que gobiernan laspropiedades y el comportamiento de los sistemasquímicos.Ejemplos de Sistemas químicos:GasesLíquidosSólidosSolucionesColoides
División de la Fisicoquímica (Physical Chemistry) Química Física)
FISICOQUÍMICA
Un sistema químico puede clasificarsecomo microscópico o macroscópico.El microscópico basa sus estudios en elámbito de moléculasEl macroscópico estudia las propiedades dela materia en gran escala sin necesitarexplícitamente el concepto de molécula.
GASES IDEALES
Un gas ideal es aquel que obedece las leyes de los gases ideales.
Propiedades de los gases idealesEl volumen ocupado por las propiasmoléculas es insignificante al compararlocon el volumen total.La atracción intermolecular es mínima.
Generalizaciones de la Conducta de un Gas Ideal
Ley de Boyle. 1662Ley de Charles. 1787Ley de Gay Lussac.1802Presiones parciales de Dalton. 1803Volúmenes parciales Amagat.Ley de difusión de Graham.
Ley de Boyle:
El volumen de cualquier cantidad definidade gas a temperatura constante, varíainversamente a la presión ejercida sobre él.
PV 1
CteVP
2211 PVPV
Ley de Charles y Gay Lussac
Charles experimentó con O2, aire, H2, CO2 ycomprobó que al calentar de 0 – 80 ºC a presiónconstante, los gases se expandían en igualproporción.
VT CteVT
1221 VTVT 2
2
1
1
VT
VT
Volumen Vs Temperatura
Ley combinada de los gases
111)1 PTV 222)3 PTV
21)2 PTVXSistema 1 y 2 Sistema 2 y 3
T = Cte
VP = Cte
V1P1 = VxP2
Vx = V1*P1/P2
P = Cte
V/T = Cte
Vx/T1 = V2/T2
Vx = T1*V2/T2
Igualando Vx V1*P1/P2 = V2*T1/T2
V*P = CONSTANTE
T
Ley de AvogadroEn 1811 Amadeo Avogadro comprobóexperimentalmente que volúmenes iguales detodos los gases medidos a las mismas condicionesde T y P contienen el mismo número demoléculas. Un gramo mol de cualquier sustanciacontiene 6.02 * 1023 moléculas. Una libra mol decualquier sustancia contiene 2.73* 1026 moléculas.
Un gramo mol de cualquier gas ocupará siempre elmismo volumen que un mol de otro gas si se midea las mismas condiciones de T y P. A 273.15 K y1 atm, un gramo mol ocupa 22.413 L de volumen.
Constante Universal de los gases
Constante determinada por el número de moles y las unidadesde P
y V, independiente de la naturaleza del gas.P y T Ctes. V ∝ n V = Cte *
nPV = Cte * n*T P V / T n = Cte. V / n = Cte V/ n = Vm, volumen molarP Vm / T = Cte.
P* Vm = Cte * TR = Cte Universal de los gases PV = nRT
gases Ideales.
Valores de la Constante R
nKcalR
LbnRLbfftR
RLbnftpsiaR
nKkJR
nKJR
RLbnbtuR
nKergR
knKmbarR
nKmlatmR
knKmKPaR
nKLatmR
*9872.1
**45.15
**73.10
*10*3145.8
*3145.8
*9872.1
*10*3145.8
**083148.0
**054.82
**3145.8
**082054.0
3
33
73
3
Presión Manométrica
Todas las presiones manométricasordinarias indican la presión por encima opor debajo de la atmosférica. Para obtenerla función absoluta debe añadirse estapresión atmosférica a la presiónmanométrica. La presión atmosféricamedida al nivel del mar es:
Condiciones Normales y Condiciones Estándares
Condiciones Científicas Universales oCondiciones Normales (C. N.):
0°C y 1 atm Condiciones Estándares (C.E.) en laIndustria del Gas Natural:
60ºF y 14.7 lb / pulg2 abs.
Volumen estándar
Es el volumen ocupado por 1 libra mol de gas(lbn) a la T y P de referencia.P ref = 14.7 psiaT ref = 60ºF
sc: condiciones estándar
33
6.3797.14
520***73.10*1 ft
psiaR
RlbnftpsialbnVsc
Mezcla de Gases Ideales
1. Ley de Dalton de las presiones parciales.
Establece que a T constante, la presión ejercida por una mezclade gases en un volumen definido es igual a la suma de laspresiones individuales que el gas ejercería si él ocupara sólo elvolumen total.
Mezcla gaseosa de tres componentes:
PT= P1 + P2 + P3
Presiones Parciales
VRTnP 1
1 VRTnP 2
2
VRTnP T
T
VRTnP 3
3
VRTnnnP )( 321
TT nn
PP 11
Tii PyP
TPyP 11
Generalizando
Donde yi es la fracción molar del componente i
2. Ley de Amagat o de los Volúmenes Parciales
El volumen ocupado por una mezcla de gases es igual a lasuma de los volúmenes que ocupan los componentespuros, medidos a las mismas condiciones de P y T
...321 VVVVT
PRTnV 1
1 PRTnV 2
2
TT nn
VV 11
T
i
T
i
nn
VV
Para un gas ideal, la fracción en volumen de un componente es igual a la fracción molar del componente.
3. Peso Molecular AparenteSegún la regla de mezclas de Kay, la propiedad de unamezcla de gases es igual a la sumatoria del producto de lafracción molar por su propiedad individual. (Pesomolecular, presión crítica, temperatura crítica de lasmezclas gaseosas)
Propiedad de mezcla = ∑yi*Propiedad de cada componente.
El peso molecular aparente es el peso molecular de lamezcla gaseosa.
MWa = ∑ y i * MWI
donde MWi es el peso molecular del componente i.
4. Fracción Molar
Donde:yi = Fracción molar del componente i en la mezclani = número de moles del componente in = número total de moles en la mezcla
i
iii n
nnny
5. Fracción en Peso
Wi = Fracción en peso del componente i enla mezclami = Peso del componente i en la fasegaseosam = Peso total de la mezcla gaseosa
i
iii m
mmmW
Para Convertir Fracción en Peso en Fracción Para Convertir Fracción en Peso en Fracción Molar:Molar:
Para Convertir Fracción Molar en Fracción en Para Convertir Fracción Molar en Fracción en Peso:Peso:
)/(/
ii
iii MWW
MWWy
)( ii
iii MWy
MWyW
6. Volumen Específico (Másico)
Volumen ocupado por unidad de masa
ρ = densidad del gas lb/ft3
lb
ftPMW
RTmVv
a
31
7. Volumen Molar
lbn
ftP
RTnVVm
3
Volumen ocupado por una mol
8. Gravedad Específica
Es la relación entre la densidad del gas y ladensidad del aire, a las mismas condicionesde P y T.
964.28a
aire
a
aire
a
aire
gg
MWMWMW
RTPMW
RTPMW
Composición de los componentes de una mezcla gaseosa
i
i
i
ii MW
mcomponentedelmolecularpeso
componentedelmasan
21
1
nnnxi
21
1
nnnyi
x1+ x2 = 1.0
y1 + y2 = 1.0
Propiedades que se incrementan con el aumentodel peso molecular
Temperatura Crítica TCi
Temperatura de ebullición Tbi
Volumen Crítico VCi
Factor Acéntrico Wi
Densidad del líquido ρi
Volumen crítico molar
PROPIEDADES FÍSICAS DE HIDROCARBUROS
Propiedades que disminuyen con elaumento del peso molecular Presión Crítica PCi
Factor z Crítico Zi
Volumen crítico específico vci
Presión de vapor
PROPIEDADES FÍSICAS DE HIDROCARBUROS
EJEMPLO
EJEMPLO
EJERCICIO 1
Un tanque contiene metano C1 a 1000 psia y 140ºF. Otro tanque de igual volumen contiene C2 a1100 psia y 140 ºF. Los dos tanques se conectanpermitiendo que los gases se mezclen y latemperatura se restaure a 140ºF. Calcule la presiónfinal, la composición molar de la mezcla y lapresión final de cada uno de los componentes a lascondiciones finales, asumiendo comportamientode gas ideal.
EJERCICIO 2Una muestra de gas natural tomada a 500 lbf/pulg2
manométrica y 250°C se separa por cromatografía; loscálculos indican que la masa de cada compuesto en el gasson:
Componente librasC1 100C2 240C3 150N2 50
a) Calcular la densidad del gas en unidades inglesasb) Calcular el volumen molar en L/gn
EJERCICIO 3
Un tanque de 20 pie3 a 100°F alcanza una presiónde 200 psia cuando se introduce un alcano normalgaseoso. Se agregan posteriormente 10 lb de etanoy la gravedad específica de la mezcla es 1.68.Asumiendo comportamiento ideal conteste losiguiente:
a. Peso molecular, nombre y fórmula molecular delalcano original.
b. Volumen molar de la mezcla en unidades inglesasc. Volumen másico de la mezcla en unidades
inglesas
OTRAS PROPIEDADES DE LOS GASES
1. CoeficienteCoeficiente dede ExpansiónExpansión oo DilataciónDilataciónTérmicaTérmica aa PresiónPresión ConstanteConstante (α)
Es el aumento relativo en volumen a presiónconstante por aumento de la temperatura.
α es casi el mismo para todos los gases,mientras que para cada líquido tiene su propiovalor.
pTV
V
1
pTVm
Vm
1
T1
Para un gas idealPara un gas ideal
pTv
v
1
Coeficiente de Expansión o Dilatación Térmica a Presión ConstanteCoeficiente de Expansión o Dilatación Térmica a Presión Constante
DEMOSTRAR
2. Coeficiente de Compresibilidad Isotérmica (K)
Es la disminución relativa en volumen porunidad de aumento de la presión a temperaturaconstante.Los valores de K para sólidos y líquidos sonsupremamente pequeños, del orden de 10-6 a 10-5
atm-1, dado el carácter incompresible que tienen.
TPV
VK
1
TPVm
VmK
1
PK 1 Para un gas idealPara un gas ideal
TPv
vK
1
COEFICIENTE DE COMPRESIBILIDAD ISOTÉRMICA
Coeficiente de compresibilidad isotérmica deun gas como función de la presión a una T delyacimiento constante
COEFICIENTE DE COMPRESIBILIDAD
Integrando
TPV
VK
1
2
1
2
1
P
P
V
V VdVdPK
EJEMPLO
Para agua a 50°C y 1 atm, ρ =0.98804 g/cm3
y κ =4.4x10-10 Pa-1. Obtenga el volumenmolar en cm3/gmol:a) Del agua a 50°C y 1 atmb) Del agua a 50°C y 100 atm. Desprecie ladependencia de κ con la presión.RTAS: a) 18.233 cm3/(g.n); b) 18.15cm3/g.n