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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL

CENTRO DEL PERU

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

FISICOQUIMICA 1

PROPIEDADES EMPRICASDE LOS GASES

ERZ

2008 -I

GAS LIQUIDO SLIDO

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La qumica fsica estudialos principios que gobiernanlas propiedades y elcomportamiento de lossistemas qumicosUn sistema qumico puedeestudiarse desde el puntode vista microscpico y

macroscpico. Desde elpunto de vistamicroscpico se usa elconcepto de molcula,mientras que desde el

punto de vistamacroscpico estudia laspropiedades de la materiasin usar el concepto demolcula

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ESTADOS DE LA MATERIA

GAS LIQUIDO SLIDO

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TERMODINAMICA

MECANICA

ESTADISTICA

QUIMICACUANTICA

CINETICA

QUIMICA FISICA

LA QUIMICA FISICA SE DIVIDE EN CUATRO AREAS SUCOMPRENSION

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TERMODINAMICA: Es una ciencia macroscpica que estudia lasrelaciones entre las diferentes propiedades de equilibrio de unsistema y los cambios en las propiedades de equilibrio en losprocesos.

MECANICA ESTADISTICA: Es una ciencia que relaciona losniveles macroscpico y microscpico para justificar las leyestermodinmicas y permite calcular las propiedades termodinmicasmacroscpicas a partir de las propiedades moleculares

QUIMICA CUANTICA: es la aplicacin de la mecnica cuntica ala estructura atmica, los enlaces moleculares y la espectoscopa

CINETICA: Es el estudio de la velocidad de cambio en procesoscomo: reacciones qumicas, difusin y el flujo de carga en una celdaelctrica

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TERMODINAMICA MECANICAESTADISTICA QUIMICACUANTICA

CINETICA

La cuatro ramas de la qumica fsica estn relacionados: la mecnicaestadistica es el puente entre el mtodo microscpico de la qumicaquntica y el mtodo macroscpico de la termodinmica. La cintica

usa parte de las otras tres ramas

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PROCESOS FISICOS

Las diferentes formas de la materia S-L-G se encuentran bajo elconcepto de agregacin fsica. El agua a presin normal, por

debajo de 0C es slido, entre 0C y 100C es lquido y por encimade 100C es gaseoso.

Para transformar el hielo en agua lquida es necesario suministrarleel calor de fusin. Anlogamente, para transformar el agua lquida

al estado gaseoso o vapor se le debe suministrar el calor devaporizacin. Por el contrario, en el paso del estado gaseoso allquido se libera calor, de forma similar ocurre en el paso delestado lquido al slido

El estado de agregacin de una materia viene determinada por sucontenido energtico, que depende de la P y la T. El cambio deestado de agregacin es un proceso fsico ( Estudio desde el puntode vista macroscpico )

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PROCESOS QUIMICOS

Si adicionas energa equivalente a 20 veces a la necesaria para suvaporizacin pierde las propiedades caractersticas tpicas del agua o suvapor, a partir de la sustancia homognea agua se obtienen dos nuevassustancias con propuedades diferentes, el H2 y el O2 que estn unidos

en la molcula de agua por la energa de enlace, si se adiciona mascalor lo que se consigue es que las partculas se cargan elctricamentecuando se supera la energa de ionizacin ( Estudio desde el punto devista microscpico )

Energa de ionizacin1320 kJ / mol

2H+

+2e-

+

O

H+H+O

Energa deenlace 920

kJ/mol

S L G

Calor devaporizacion

40,7 kJ/mol

Calor defusin 6,03

kJ/mol

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NITROGENOGASEOSO

NITROGENOLIQUIDO

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Volumen, cantidad de materia y temperatura.

Caractersticas de los gases:

- Expandibilidad Se expande hasta rellenar cualquier volumen

- Compresibilidad

- Se mezcla fcilmente con otros gases para dar mezclashomogneas, Este comportamiento se debe a la existenciade una distancia grande entre las molculas.

- Un gas queda definido por cuatro variables:

- Cantidad de sustancia (nmero de moles), Volumen,Presin y Temperatura

1 atm = 760 mm Hg = 760 torr = 1.01325 x 105 Pa = 101.325 kPa

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MODELO DE UN GAS IDEAL

Todo gas toma la forma y volumen del recipiente que lo contiene Se comportan similarmente ante cambios de P y T, pudindosecomprimir o expandir fcilmente debido a que sus molculas seencuentran muy separados existiendo entre ellos un gran espacio

A bajas presiones y altas temperaturas, los gases manifiestan un

comportamiento ideal El comportamiento de un gas est determinado por la presin,

temperatura y su nmero de moles

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CASOS DE INTERES DEL ESTADO GASEOSO

GAY LUSSACISOCORICOP y TV

CHARLESISOBARICOV y TP

BOYLEISOTERMICOP y VT

LEYPROCESOVARIABLESCONSTANTE

MASA CONSTANTE DEL GAS

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Modelo Molecular - Ley de Boyle

El aumento de presin exterior origina una disminucindel volumen, que supone el aumento de choques de lasmolculas con las paredes del recipiente, aumentandoas la presin del gas.

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Ley de Boyle

El volumen de un gas esinversamente proporcional a

la presin (a temperatura ycantidad de materiaconstantes).

V 1 / P ( a T y n constantes )V = k / P

V1.P1 = V2.P2 = V3.P3 = k

Volumen - V

Presin-

P

Volumen Pequeo

Presin alta

Volumen grandePresin Baja

http://w3.cnice.mec.es/eos/MaterialesEducativos/mem2003/gases/

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Al aumentar la temperatura aumenta la velocidad media

de las molculas, y con ello el nmero de choques con lasparedes. Eso provoca un aumento de la presin interiorque desplaza el mbolo hasta que se iguala con la presinexterior, lo que supone un aumento del volumen del gas.

Modelo Molecular - Ley de Charles

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Ley de Charles

El volumen de un gas es

directamente proporcional a la

temperatura absoluta ( a pre-sin y cantidad de materia

constantes).

V T (a P y n constantes)

V = k . T

V1/T1 = V2/T2 = V3/T3 = k

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Leyes de Gay - Lussac.

La Presin de un gas es

directamente proporcional a la

temperatura absoluta. (A

volumen y cantidad de materiaconstantes).

P T ( a V y n constantes)

P = k . T

P1/T1 = P2/T2 = P3/T3 = k

P

T

10 lts/mol

20 lts/mol

http://w3.cnice.mec.es/eos/MaterialesEducativos/mem2003/gases/ley_gaylussac.html

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Termmetro a volumen constante y escala kelvin

P

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Modelo Molecular para la Ley de Avogadro

La adicin de ms molculas provoca un aumento de loschoques contra las paredes, lo que conduce a unaumento de presin, que desplaza el mbolo hasta quese iguala con la presin externa. El proceso globalsupone un aumento del volumen del gas.

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Ley de Avogadro:

El volumen de un gas esdirectamente proporcionala la cantidad de materia

(nmero de moles), apresin y temperaturaconstantes.

V n ( a P y T Constantes )

V = k.n

V1/n1 = V2/n2 = V3/n3 = K

V

n

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PROPIEDADES DE UN GAS IDEAL - LEY DE BOYLE YCHARLES

V

P

T1

T2

T3

BOYLE: T1 > T2 > T3

T

VP1

P2

P3

CHARLES: P1 < P2 < P3

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ECUACION GENERAL DEL LOS GASES ECUACION DECLAUSIUS

De boyle: V* = P1.V1 / P2

De Charles: V* = V2.T1 / T2 Igualando ambas ecuaciones y

ordenando se tiene:

P1.V1/T1 = P2.V2/T2 = k

En funcin de la densidad

P1/D1.T1 = P2/D2.T2 = k

ESTADOINICIAL

P1-V1-T1-m

ESTADOINICIAL

P2-V2-T2-m

ESTADO

INTERMEDIOP2-V*-T1-mBOYLE CHARLES

T1 = T1 T2

P1 P2 = P2V1 V* V2m = m = m

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Combinacin de las tres leyes:

Boyle: V = k / P T = 0 n = 0Charles: V = k. T P = 0 n = 0Avogadro: V = k. n P = 0 T = 0

V = kkk n T / P = R . n . T / P

Ecuacin Universal delos gases ideales

PV = nRT

R se calcula a C.N. Con los sgtes

Datos: n = 1 mol P = 1 atm

V = 22,4 lt T = 273 K

R = 0.082 atm L/ mol KR = 8.31 J/ mol K

R = 1.987 cal /mol K

ECUACION UNIVERSAL DE LOS GASES

http://portal.huascaran.edu.pe/modulos/m_termodinamica1.0/ecuaciongeneral.htm

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HIPOTESIS DE AVOGADRO

A volmenes iguales degases diferentes sometidos

a las mismas condicionesde presin y temperaturacontienen el mismo nmerode moles y moleculas

GAS A GAS B

V1 = V2

P1 = P2

T1 = T2

Nmero de moleculas gas A = Nmero de moleculas gas BNmero de moles gas A = Nmero de moles gas B

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NH3H2SO4

CaCO3

1 mol = 98 grs 1 mol = 100 grs 1 mol = 17 grs

1 mol = 6,023x1023 1 mol = 6,023x1023 1 mol = 6,023x1023

En un mol de cualquier sustancia hay el mismo nmero de molculas

1 at-gr = 6,023x1023 tomos

1 mol-gr = 6,023x1023 tomos

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ECUACION DE ESTADO: PROPIEDADES EXTENSIVAS EINTENSIVAS

V1,n1

V2,n2

V3,n3

P

T

Vm

La ecuacin P.V = n.R.T esuna relacin de 4 variablesque describen el estado decualquier gas, como tal es

una ecuacin de estado.Las variables de la ecuacinen mencin se agrupan en:extensivas ( propiedades

extensivas - V y n ) eintensivas (propiedadesintensivas P y T)

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El valor de las propiedades extensivas se obtiene sumando losvalores de las mismas en el sistema, as:

nt = n1 + n2 + n3 + .........+ nn Vt = V1 + V2 + V3 + ........+ Vn

El valor de las propiedades intensivas no se obtienen mediante elproceso de suma, sino que se miden en cualquier punto del

sistema, as: Temperatura del sistema = 25 C Presin del sistema = 1 atm.

Podemos escribir la ecuacin de Clapeyron en funcin depropiedades intensivas, para ello es necesario convertir las dosvariables o propiedades extensivas en intensivas, as Vm = V / n

P . Vm = R . T

PROPIEDADES EXTENSIVAS E INTENSIVAS

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Modelo Molecular para la Ley de Dalton

Al mantenerse el volumen constante, el aumento del nmero demolculas origina un aumento de la presin total de la mezcla de gases.

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MEZCLA DE GASES LEY DE DALTON.

A cualquier temperatura, la presin total de unamezcla de gases es igual a la suma de laspresiones parciales de los componentes de lamezcla.

Ptot = ntot (RT/V)

Para la mezcla de A y B, ntot = nA + nB

Ptot = (nA + nB) (RT/V) = nA (RT/V) + nB (RT/V) = PA + PB

siendo PA y PB las presiones parciales de A y B. Tambin puede formularse como

Pi = i PT

donde ci es la fraccin molar del componente i de la mezcla de gases

i = ni/ntot

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Tambin:

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Donde la presin parcial de un componente i es igual a la fraccin molar

de ese componente i, multiplicado por la presin total del sistema

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Gases hmedos.

Cuando se recoge un gas por burbujeo en agua, dicho gas arrastra

vapor de agua, por lo que la presin del mismo sera :

Ptot = PH2O + PH2

siendo PH2O la presin de vapor del agua lquida, que tiene un valor fijoa una temperatura determinada.

Medida del gasColeccin de gas

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Ley de Distribucin baromtrica

m + dm = m m = m dm

g

z

Z=0

dm

m m

z

Z=0

dP dz

g

PPz+dz P+dP

Una columna de fluido con una seccin transversal A y una temperatura T esta sujeta

a un campo gravitacional que acta hacia abajo para dar a una partcula unaaceleracin g

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Ley de Distribucin baromtrica

g

z

dz

Z=0

P = m * g / A

P + dP = m * g / A

Donde m es la masa del fludo porencima de la altura z + dz: Pero

m + dm = m m = m dm

( P + dP ) = (m dm ) * g / A

P + dP = m * g/A dm * g/A

dP = - g . dm / A

dP = - g . D . dz

dp

P

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Ley de Distribucin baromtrica

Fuerza ejercida por una columna de aire F = V g = A z g

Presin P = z g

Variacin de la presin con la altura

dP = -

g dz Gas ideal = P Pm / R T

Para liquidos: p - p0 = - D.g.z

Para Gases: p = p0 e (-M.g.z / RT)

En funcin de la Densidad y la concentracin:

D = D0 e (-M.g.z / RT)

C = C0 e (-M.g.z / RT)

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Las propiedades de los gases cambian de forma brusca cuando cambianlas condiciones externas, concretamente la presin y la temperatura.Este hecho tiene interesantes consecuencias en la vida cotidiana.

As por ejemplo, cuando un buzo profesional se sumerge a unaprofundidad superior a veinte metros es conveniente que use una botellarespiratoria que contenga una mezcla de helio y oxgeno en lugar de aireenriquecido con oxgeno. Esta precaucin debe ser tenida muy en cuenta,porque cuando el buzo respira a esas profundidades, la elevada presin

externa debida al agua provoca que en su sangre se disuelva una cantidadde nitrgeno (el gas ms abundante en el aire) muy superior a la que sedisolvera si se encontrara fuera del agua. Este hecho puede afectar a latransmisin de impulsos nerviosos o incluso provocar la muerte del buzosi la ascensin a la superficie la lleva a cabo rpidamente, porque estecambio brusco de la presin externa da lugar a que gran parte del

nitrgeno disuelto en su sangre se desprenda formando burbujas quelimitan el flujo de la misma.

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Otra situacin de inters relacionada con los gases se produce cuandose cambia bruscamente de altura. Por ejemplo, si un montaero realizauna ascensin de varios miles de metros sin el debido tiempo deaclimatacin padecer el denominado mal de altura, caracterizado porla aparicin de fuertes dolores de cabeza, cansancio excesivo e incluso,

en los casos ms extremos, edema pulmonar y cerebral. Estos sntomasse deben a la deficiencia en la cantidad de oxgeno que llega alorganismo como consecuencia de la menor proporcin de este gas en elaire a medida que disminuye la presin atmosfrica, o lo que es lomismo, a medida que aumenta la altura.

Este comportamiento se recoge en una ecuacin muy famosa, obtenidapor Boltzmann, denominada ley de distribucin baromtrica de losgases. Esta deficiencia de oxgeno produce un consumo excesivo deoxihemoglobina y causa la denominada hipoxia. El organismo puedecompensar esta carencia produciendo ms molculas de hemoglobina,

pero este proceso es lento y requiere hasta varios meses para que elorganismo se adapte por completo a funcionar correctamente con pocacantidad de oxgeno. Est totalmente comprobado que las personas queviven a grandes alturas sobre el nivel del mar poseen altos niveles dehemoglobina en sangre.

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Anomala inusual en densidad del agua

Este fenmeno sirve en la vida real?

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