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luis-antonio-salas-aguila
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ESTADO GASEOSO
Unidad 2
GAS
GAS
GAS
Propiedades
Expansión/Compresión Difusión Ocupan todo el
volumen Ejercen presión
Presión, Volumen,
Temperatura y número de
moles
GASLa presión es la fuerza que se ejerce por unidad de área y su
unidad en sistema internacional es el Pascal (Pa).
Otras unidades de presión, con sus equivalencias son:
1atm = 76cmHg = 760mmHg = 760torr
1atm = 1bar = 1.013x105Pa = 14.7lb/in2 (psi)
GAS Un manómetro es un
dispositivo para medir la presión de los gases distintos a los de la atmósfera.
GASEl volumen generalmente se mide en litros.
1 l = 1000 ml 1cm3 = 1 ml
La temperatura se mide en Kelvin (K), para pasar de ºC a Kelvin se le suman 273 a los ºC, para quedar:
K = ºC + 273 ó K = ºC + 273.15
GAS
GasIdeal
Bajas presione
s
RealAltas
presiones
GAS IDEAL. Teoría Cinética de los Gases
1
• Un gas está compuesto de moléculas que están separadas por distancias mucho mayores que sus propias dimensiones.
2
• Las moléculas de los gases están en continuo movimiento en dirección aleatoria y con frecuencia chocan unas con otras. Las colisiones son perfectamente elásticas.
3• Las moléculas de los gases no ejercen entre sí fuerzas de
repulsión o atracción.
4• La energía promedio de las moléculas es proporcional a la
temperatura del gas en Kelvin
GASLas leyes que describen el comportamiento de
los gases, relacionan el volumen del gas con las otras variables y reciben generalmente el nombre de quien las postuló por primera vez:
LEYES DE LOS GASESLEY DE BOYLE
“El volumen que ocupa una masa definida de gas es directamente proporcional al inverso de la presión a temperatura constante” Relación de V con P a T y n constantes.
LEYES DE LOS GASESLEY CHARLES Y GAY LUSSAC
“El volumen de una cantidad fija de gas mantenido a presión constante es directamente proporcional a la temperatura absoluta de gas” Relación de V con T a P y n constantes.
LEYES DE LOS GASESECUACIÓN COMBINADA DEL ESTADO GASEOSO
Esta ecuación resulta de la combinación de las dos ecuaciones anteriores (Boyle y Charles), en la que el número de moles permanece constante.
LEY DE LOS GASESLEY DE AVOGADRO
“A presión y temperatura constantes, el volumen de un gas es directamente proporcional al número de moles de gas presente”
Avogadro introdujo distintos gases a condiciones STP (TPE) en un recipiente para hacer los experimentos y encontró que una mol de cualquier gas en esas condiciones ocupa siempre un volumen de 22,4 litros. (T=0ºC y P=1atm)
LEYES DE LOS GASESLEY DE GAS IDEAL
Resulta de combinar las tres relaciones encontradas y combinándolas en una sola mediante una constante que se conoce como R, “constante general del estado gaseoso” y su valor depende de las unidades.
LEYES DE LOS GASESLa constante de los gases R tiene unidades de
(presión)(volumen)/(mol)(temperatura); además como el producto de la presión y el volumen tiene unidades de energía, también puede expresarse R en unidades de (energía)/(mol)(temperatura).
EJEMPLOS1. El hexafluoruro de azufre (SF6) es un gas incoloro e inodoro
muy poco reactivo. Calcule la presión (en atm) ejercida por 1.82 moles de as en un recipiente de acero de 5.43L de volumen a 69.5ºC.
2. Calcule el volumen (en litros) que ocupan 7.40 g de NH3 a STP.
3. Un globo inflado con un volumen de 0.55 L de helio a nivel del mar (1.0 atm) se deja elevar a una altura de 6.5 km, donde la presión es de casi 0.40 atm. Suponiendo que la temperatura permanece constante, ¿cuál será el volumen final del globo?
EJERCICIOS1. Calcula el volumen en litros, ocupado por 100 g
de nitrógeno a 23ºC y 3 psi, suponiendo un comportamiento ideal.
2. 100 g/h de C2H4 fluyen a través de un tubo a una presión de 1,2 atm y a una temperatura de 70ºC y 100 g/h de C4H8 fluyen a través de un segundo tubo a 1,2 atm y 70ºC. ¿Cuál de ellos tiene la mayor velocidad de flujo volumétrico?¿Por cuánto es mayor?
3. El butano (C4H10) a 360ºC y 3atm (absoluta) fluye hacia un reactor a una velocidad de 1100 kg/h. Calcula la velocidad de flujo volumétrico de éste.
EJERCICIOS1. Una muestra de gas ocupa 500ml STP, ¿a
qué presión ocupará 250ml, si la temperatura se incrementa a 819ºC?
2. Si 4g de un gas ocupan 1.12L STP, ¿cuál es la masa de 6 moles de gas?
CALCULOS DE DENSIDADComo se vio en un problema de ley de los
gases, el peso molecular de un compuesto se calcula como sigue:
Tomando en cuenta que la la densidad se calcula:
CALCULOS DE DENSIDADAhora si utilizamos la ecuación de gas ideal:
Sustituyendo las ecuaciones de peso molecular y densidad tenemos que:
CALCULOS DE DENSIDADPROBLEMA
1. Encuentre la densidad a 200 kPa y 88ºC de una mezcla de 4% en peso de H2 y 96% en peso de O2.
2. Calcule la densidad del vapor de tetracloruro de carbono a 714 torr y 125ºC
MEZCLA DE GASESLEY DE DALTON DE LAS PRESIONES PARCIALES
Las presiones parciales son las presiones de los componentes gaseosos individuales de la mezcla gaseosa.
La ley de Dalton de las presiones parciales establece que la presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones que cada gas ejercería si estuviera solo.
MEZCLA DE GASES
10 litros4 barGas A
10 litros1 barGas B
10 litros5 bar
Gas A-B
8 litros5 barGas B
2 litros5 barGas B
10 litros5 barGas B
MEZCLA DE GASESAsí para mezclas de gases ideales:
Las presiones parciales son aditivas Los volúmenes de los componentes puros son
aditivos Fracciones molares = fracciones de presión =
fracciones de volumen de componente puro
MEZCLA DE GASESPROBLEMA
1. Una mezcla de gases contiene 4.46 moles de Neón, 0.74 moles de Argón y 2.15 moles de Xenón. Calcule las presiones parciales de los gases si la presión total es de 2atm a cierta temperatura.
2. Un estudio de los efectos de ciertos gases sobre el crecimiento de las plantas requiere una atmósfera sintética formada por 1.5%mol CO2, 18%mol de O2 y 80.5% mol de Ar. (a) Calcule la presión parcial del O2 en la mezcla si la presión total de la atmósfera debe ser de 745 torr (b) Si esta atmósfera se debe contener en un espacio de 120L a 295K, ¿cuántos moles de O2 se necesitan.
PROCESOS TERMODINÁMICOS
Pro
ceso
s Te
rmod
inám
icos
Isométrico (Isócoro) Vol=cte, P/T=Cte
Isobárico P=cte, V/T=cte
Isotérmico T=cte, PV=cte
Adiabático S=cte, Q=0
PROCESOS TERMODINÁMICOS
T I P O D E P R O C E S O
Isotérmico Isobárico Isométrico Adiabático
Relación P, V, T
Trabajo
Cambio de energía interna
Cambio de entalpía
Calor
EJEMPLO Supóngase que 4.5 lb de oxígeno a una temperatura
de 284ºF y 973 mmHg de presión se someten a una serie de procesos consecutivos:
1. Disminución de volumen a presión constante hasta un volumen de 17.65 ft3
2. Enfriamiento en donde P/T=cte hasta 0.5 bar
3. Proceso en el que Pα1/V hasta el volumen inicial
Con la información anterior determine:
a) La cantidad en mol de oxígeno en el sistema
b) La descripción y las características de los procesos involucrados
c) Todas las variables de estado
d) Elabore el diagrama P vs V real.
BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA
EntradasProceso
(acumulación o transformación)
Salidas
Ley de Conservación de la Materia
Ley de Conservación de la Energía
CONCEPTOS BÁSICOSEcuación química: 2H2 + O2 2H2O
Ecuación química balanceada: 2H2 + O2 2H2O
Coeficiente estequiométrico
Fórmula química y subíndice
Reactivo limitante y reactivo en exceso
Producto, Residuo, Acumulado Residuos = impurezas + excesos
INTERPRETACIÓN DE REACCIONESExpresar la siguiente reacción en términos de
moles y masa.
2H2 + O2 2H2O
ESTEQUIOMETRÍA DE LOS GASESLa estequiometría es la rama de la química que se
encarga de estudiar las cantidades de reactivo que se utilizan para producir cierta cantidad de productos.
Cantidad de
reactivo (m o V)
Moles de Reactivo
Moles de Producto
Cantidad de
producto (m o V)
EJEMPLOS1. Calcule el volumen de O2 (en litros) requerido para la
combustión completa de 7.64 L de acetileno (C2H2) a la misma temperatura y presión.
2C2H2(g) + 5O2(g) → 4CO2(g) + 2H2O(l)
2. Una mezcla de 20% mol N2, 60% mol deO2 y 20% mol Cl2 se introduce a un reactor donde se lleva a cabo la siguiente reacción química:
N2(g) + 2O2(g) → N2O4(g)
Determina
a) La composición química en % volumen a la salida del reactor si se introducen 50kg de mezcla, considerando que la reacción tiene una eficiencia de 85%.
b) El peso molecular promedio a la entrada y a la salida del reactor.
c) La densidad de la mezcla a la salida del reactor (considere que la mezcla sale a 80ºC y 2.5 atm.
GASES REALESDesviación de la idealidad
DESVIACIÓN DEL COMPORTAMIENTO IDEALCuando un gas no se comporta idealmente, se
dice que tiene un comportamiento real (gas real).
Para estudiar los gases reales con mayor exactitud, es necesario modificar la ecuación del gas ideal, tomando en cuenta las fuerzas intermoleculares y los volúmenes moleculares finitos.
Este análisis fue realizado por primera vez por el físico holandés J.D. Van der Waals en 1873.
DESVIACIÓN DEL COMPORTAMIENTO IDEALCuando una molécula particular se aproxima hacia la pared de
un recipiente, las atracciones intermoleculares ejercidas por las moléculas vecinas tienden a suavizar el impacto de esta molécula contra la pared.
El efecto global es una menor presión del gas que la que se esperaría para un gas ideal.
Van der Waals sugirió que la presión ejercida por un gas ideal, Pideal, se relaciona con la presión experimental medida, Preal, por medio de la ecuación:
Desviación del comportamiento ideal.Otra corrección concierne al volumen.
Ecuación de Van der Waals
Constantes de Van der Waals de algunos gases comunes
Gas a(atmL2/mol2
b(L/mol) Gas a
(atmL2/mol2
b(L/mol)
He 0.034 0.0237 O2 1.36 0.0318
Ne 0.211 0.0171 Cl2 6.49 0.0562
Ar 1.34 0.0322 CO2 3.59 0.0427
Kr 2.32 0.0398 CH4 2.25 0.0428
Xe 4.19 0.0266 CCl4 20.4 0.1383
H2 0.244 0.0266 NH3 4.17 0.0371
N2 1.39 0.0391 H2O 5.46 0.0305
EJERCICIOS1. Dado que 3.5 moles de NH3 ocupan 5.2L a
47ºC, calcule la presión del gas (en atm) mediante:
La ecuación de gas ideal La ecuación de Van der Waals
Desviación del comportamiento ideal.Para explicar la desviación de la ley de gas ideal a altas
presiones introducimos un factor de de corrección a la ley e gas ideal. Éste es llamado factor de compresibilidad.
Se ha encontrado que los gases a alta presión exhiben valores similares de Z para desviaciones fraccionales similares de los gases del punto crítico, o a valores P/Pc y T/Tc similares. Se llama a estas proporciones:
Desviación del comportamiento ideal.
Toda sustancia tiene una temperatura crítica (Tc), por arriba de la cual la fase gaseosa no se puede licuar, independientemente de la magnitud de la presión que se aplique. Ésta es también la temperatura más alta a la cual una sustancia puede existir en forma líquida. Dicho de otro modo, por arriba de la temperatura crítica no hay una distinción fundamental entre un líquido y un gas: simplemente se tiene un fluido.
La presión crítica (Pc) es la mínima presión que se debe aplicar para llevar a cabo la licuefacción a la temperatura crítica.
Desviación del comportamiento ideal.Z representa un factor de corrección para la
ecuación de los gases ideales. Con base en esto se encuentra tres tipos de comportamiento distintos: Z = 1, comportamiento de Gas Ideal. (altas
temperaturas y bajas presiones). Z > 1, gases como el Hidrógeno y Neón,
difícilmente compresibles (altas temperaturas y presiones).
Z < 1, gases como el O2, Argón y CH4, fácilmente compresibles (bajas temperaturas y altas presiones).
EJERCICIOS1. Estimar el volumen de 1 kg de monóxido de
carbono a 71 bar y 147.4K
2. Encuentre la presión necesaria para comprimir 300 litros de aire a 7ºC y 1 bar a 1 litro a -115ºC
3. Se introducen 560 g de hielo seco (CO2 sólido) en un contenedor de 2 litros al vacío. La temperatura se eleva, y el CO2 se vaporiza. Si la presión en el tanque no excediera 111bar, ¿cuál sería la temperatura máxima permisible del tanque?