CAPITULO IIICAPITULO III

GasesGases

Prof: Clara Turriate ManriqueProf: Clara Turriate Manrique

IntroducciónIntroducción Los gases se dividen en gases ideales y gases Los gases se dividen en gases ideales y gases

reales según su comportamiento y obediencia a reales según su comportamiento y obediencia a ciertas leyes y postulados. ciertas leyes y postulados.

Sistemas gaseosos: una única fase Sistemas líquidos: una o varias fasesSistemas sólidos: una o varias fases

Una fase de una sustancia es una forma de la materia que es uniforme en su composición química y estado físico en todos sus puntos.

En el estado gaseoso las moléculas están afectadas de dos tendencias opuestas debido a:

Energía cinética que tienen las moléculasFuerzas atractivas entre las moléculas

DIAGRAMA DE FASESUn diagrama de fases resume las condiciones en las cuales una sustancia existe como sólido, líquido o gas.

• Los elementos químicos y las sustancias formadas por ellos salvo algunas excepciones, pueden existir en tres estados diferentes: sólido, líquido y gaseoso en dependencia de las condiciones de presión y temperatura en las que se encuentren.

Temperatura

Pre

sió

n

SólidoLíquido

A

D

A: p. triple

D: p. critico(374,4°C; 217,7 atm)

CB

B: p. fusión

C: punto de ebullición

Diagrama de fases del agua

Temperatura

Pre

sió

n

SólidoLíquido

X

Z

X: p. triple-56,4°C; 5,11 atm

Z : p. crítico31,1° C;73 atm.

YY: punto de sublimación 78,5°C; 1 atm

Diagrama de fases del Diagrama de fases del dióxido de carbonodióxido de carbono

El El presión de vapor de equilibriopresión de vapor de equilibrio es la presión de vapor medida cuando hay un es la presión de vapor medida cuando hay un equilibrio dinámico entre la condensación y equilibrio dinámico entre la condensación y la evaporación. la evaporación.

HH22O (O (ll) ) H H22O (O (gg))

Equilibrio dinámico

Velocidad decondensación

Velocidad de vaporación

=

DIAGRAMA DE FASESDIAGRAMA DE FASES

DIAGRAMA DE FASESDIAGRAMA DE FASES

Diagrama de fases

FLUIDO SUPERCRÍTICO

¿Qué es un gas?¿Qué es un gas?

PROPIEDADES DE LOS GASESPROPIEDADES DE LOS GASES

• Son transparentes, y la mayoría incoloros: N2, O2, H2, NO, CO y CO2. Algunas excepciones son: I2 (violeta), Cl2 (verde), NO2 (pardo), etc,.

• Son compresibles, es decir, disminuyen su volumen por aumento de presión.

• Se expanden en forma ilimitada, llenando cualquier recipiente. No tienen volumen ni forma propia.

• Se mezclan entre si en todas proporciones formando mezclas homogéneas. Son fluidos

• Ejercen presión: los gases se suponen constituidos por partículas que se mueven continuamente chocando entre ellas y contra las paredes del recipiente.

• Se dilatan por el calor. Aumentan su volumen por efecto de un incremento de la temperatura.

• Su pequeña densidad es lo que lo diferencia de los líquidos y los sólidos.

Algunas sustancias encontrados como gases a 1 atm y 25°C

Barómetro

Presión = FuerzaÁrea

Presiónatmosférica

PRESION. El matemático italiano Torricelli en 1643 invento un instrumento para medir la presión atmosférica.

HgHga ghp

1cm2 y 1m de longitud

1 atmósfera= 13.6 x103 (kg/m3)x 9.8 (m/s2)x 760 x10-3 (m) =1.01325 x105 Pa

Pam

N

2

En el S.I. Pascal (Pa)

Ejemplo ρ.g.h = 13600 (kg/m3) . 9,8 (N/kg) . 0,320 (m)= 41317 Pa

LEYES DE LOS GASES IDEALES

Presión de un gas. Manómetro

P 1/V

P x V = constante

P1 x V1 = P2 x V2

Leyes de los gases Ley de Boyle

A Temperatura constante, para una cantidad definida de gas la presión es inversamente proporcional al volúmen

Como T Aumenta V Aumenta

Expansión y contracción del gas

Tubocapilar

Mercurio

Temperaturabaja

Temperaturaalta

V T

V = constante x T

V1/T1 = V2/T2

T (K) = t (0C) + 273.15

Ley de Charles (presión constante)y Gay-Lussac(volumen constante)

P: presión absolutaV: volumen T: temperatura absoluta

Ecuación general de los Ecuación general de los gases idealesgases ideales

Ley de Charles : V T(a n y P constante)

Ley de Avogadro : V n(a P y T constante)

Ley de Boyle : V (a n y T constante)1P

V nT

P

V = constante x = RnT

PnT

PR es la constante de gas

PV = nRT

Cálculos de densidad (d)

d = mV =

PMRT

m es la masa del gas en g

M es la masa molar del gas

Masa molar (M ) de una sustancia gaseosa

dRTP

M = d es la densidad del gas en g/L

Fue propuesta por Bernoulli en 1738 , ampliada y mejorada después por Clausius, Maxwell, Boltzmann, Van der Waals y Jeans.

GAS IDEAL . Un gas que se comporta exactamente de acuerdo con lo previsto por la teoría cinético-molecular se llama gas ideal. Realmente no existe gas ideal, pero a ciertas condiciones de P y T, los gases se acercan al comportamiento ideal

La distribución de las velocidadesde tres diferentes gasesa la misma temperatura

Vrms = 3RTM

Velocidad molecular(m/s)

Nú

me r

o d

e m

olé

cula

s

Ec = (1/2) mv2

Ec = (3/2) KT

K= R/N°

M = masa molar

EFUSIÓN Y DIFUSIÓN MOLECULARES

Efusión y difusión

(1846)

EFUSIÓN Y DIFUSIÓN

Ejercicio. El hidrógeno tiene dos isótopos naturales el protio y el deuterio. El cloro también tiene dos isótopos naturales Cl-35 y Cl-37. Así, el cloruro de hidrógeno gaseoso consiste en 4 tipos distintos de moléculas: 1 H 35Cl, 1H 37Cl , 2H 35Cl , 2H 37Cl. Ordene estas 4 moléculas en orden creciente de su velocidad de efusión.

Rta. 2H37Cl, 1H37Cl , 2H35Cl , 1H35Cl

/

Gases húmedosGases húmedos

HUMEDAD Es la cantidad de vapor de agua HUMEDAD Es la cantidad de vapor de agua presente en un gas.presente en un gas.

Humedad absoluta (gr/mHumedad absoluta (gr/m33). ). Es la masa de vapor de agua contenido en un Es la masa de vapor de agua contenido en un

metro cúbico de aire. Esta medida es metro cúbico de aire. Esta medida es independiente de la T y P.independiente de la T y P.

AireH2O

Humedad relativaHumedad relativa (Hr) (%). (Hr) (%). Es la humedad que contiene una masa de aire, en relación Es la humedad que contiene una masa de aire, en relación

con la máxima humedad absoluta que podría admitir, sin con la máxima humedad absoluta que podría admitir, sin producirse condensación, conservando las condiciones de producirse condensación, conservando las condiciones de temperatura y presión atmosférica.temperatura y presión atmosférica.

Si el aire no puede admitir más agua se dice que está Si el aire no puede admitir más agua se dice que está saturado (Hr 100%.)saturado (Hr 100%.)

La humedad relativa aumenta cuando desciende la La humedad relativa aumenta cuando desciende la temperatura, aunque la humedad absoluta se mantenga temperatura, aunque la humedad absoluta se mantenga invariable.invariable.

Hr = (Pv(H2O) / Pvs )100

Pv (H2O) : Presión parcial del vapor de agua Pv

s : Presión de vapor en la saturación

GASES REALESGASES REALES

Todos los gases reales se desvían del Todos los gases reales se desvían del

comportamiento ideal en algún grado. comportamiento ideal en algún grado.

A altas presiones(>10 atm)A altas presiones(>10 atm)

A bajas temperaturas ( cercanas al punto de A bajas temperaturas ( cercanas al punto de

congelación)congelación)

Z: factor de compresibilidad

GASES REALES.DESVIACIÓN DEL COMPORTAMIENTO IDEAL

PV = nRT

n = PVRT

= 1.0

Fuerzas de repulsión

Fuerzas de atracción

Gas ideal

PV/RT vs presión de un mol de gases a 300 K

V =PV

RTZ -------

GASES REALES. Los gases se comportan GASES REALES. Los gases se comportan como ideales a bajas presiones y/o como ideales a bajas presiones y/o elevadas temperaturaselevadas temperaturas

Efecto de la presión1 mol de varios gases a 300 K

Efecto de la temperatura 1 mol de gas de nitrógeno

Factores que son considerados Factores que son considerados despreciables en la teoría despreciables en la teoría cinética-molecular cinética-molecular

Las moléculas de un gas tienen volúmenes finitos, y

Cuando las moléculas están cerca unas de otras se sienten fuerzas de atracción entre ellas.

GASES REALESGASES REALES

GASES REALESGASES REALESECUACION DE VAN DER WAALS

La ecuación de van der Waals es una ecuación cúbica con respecto al volumen y al número de moles. Las constantes a y b son determinadas experimentalmente para cada gas.

Constantes de Van der Waals para algunos gases

Sustancia a (L2 –atm / mol2 ) b (L / mol)

He 0.0341 0.02370Ne 0.211 0.0171Ar 1.34 0.0322Kr 2.32 0.0398Xe 4.19 0.0510H2 0.244 0.0266N2 1.39 0.0391O2 1.36 0.0318Cl2 6.49 0.0562H2O 5.46 0.0305CH4 2.25 0.0428CO2 3.59 0.0427CCl4 20.4 0.1383

Para una mol de gasPara una mol de gas

GASES REALESGASES REALES

GASES REALESGASES REALES

GASES REALESGASES REALES

Gases reales. Gases reales. Otras ecuaciones de estadoOtras ecuaciones de estado

Factor de Factor de compresibilidad (Z)compresibilidad (Z)

PV = Z nRT

LORENTS

P= RT/Vm2 (Vm+b)-a/Vm

GASES REALESGASES REALES

EjemplosEjemplos

EjemplosEjemplos 2. Un gas “A” (M =16) se difunde a través de 2. Un gas “A” (M =16) se difunde a través de

una tubería recorriendo X cm de distancia una tubería recorriendo X cm de distancia durante 15 minutos. En igual condición de durante 15 minutos. En igual condición de presión y temperatura ¿Cuánto tiempo tardará presión y temperatura ¿Cuánto tiempo tardará un gas “B” (M=64) en recorrer la cuarta parte un gas “B” (M=64) en recorrer la cuarta parte de la distancia recorrida por “A” en la misma de la distancia recorrida por “A” en la misma tubería?.tubería?.

3. Un metro cúbico de oxígeno a 75°C y 30 3. Un metro cúbico de oxígeno a 75°C y 30 atm. se comprime a 40 atm. y se enfría a -atm. se comprime a 40 atm. y se enfría a -40°C. calcule el volumen final considerando 40°C. calcule el volumen final considerando que el grado de compresibilidad del gas que el grado de compresibilidad del gas aumenta en 10%. aumenta en 10%.

FUERZAS INTERMOLECULARESFUERZAS INTERMOLECULARES

Fuerzas de atracción entre moléculas.Fuerzas de atracción entre moléculas. En general son más débiles que las En general son más débiles que las

fuerzas intramoleculares (covalentes). Por fuerzas intramoleculares (covalentes). Por ejemplo: 16 kJ/mol vs. 431 kJ/mol para ejemplo: 16 kJ/mol vs. 431 kJ/mol para HCl.HCl.

En los cambios de estados, se rompen o En los cambios de estados, se rompen o se forman fuerzas intermoleculares (no se forman fuerzas intermoleculares (no las covalentes).las covalentes).

Existen entre moléculas Existen entre moléculas polarespolares

Fuerzas débiles originadas por la interacción entre dipolos instantáneos.• Están presentes en todas las moléculas.• A mayor superficie de interacción, mayor intensidad de las fuerzas de dispersión.

PUENTE DE HIDRÓGENOPUENTE DE HIDRÓGENO

INFLUENCIA {

Puente de Hidrógeno: Puente de Hidrógeno: Influencia sobre el punto de Influencia sobre el punto de ebullición de los halurosebullición de los haluros

Una muestra de gas del cloro ocupa un volumen de 946 mL a una presión de 726 mmHg. ¿Cuál es la presión del gas (en mmHg) si el volumen está reducido a temperatura constante de 154 mL?

P1 x V1 = P2 x V2

P1 = 726 mmHg

V1 = 946 mL

P2 = ?

V2 = 154 mL

P2 = P1 x V1

V2

726 mmHg x 946 mL154 mL

= = 4460 mmHg

Una muestra de gas de monóxido de carbono ocupa 3.20 L a 125 °C. ¿A qué temperatura el gas ocupará un volumen de 1.54 L si la presión permanece constante?

V1 = 3.20 L

T1 = 398.15 K

V2 = 1.54 L

T2 = ?

T2 = V2 x T1

V1

1.54 L x 398.15 K3.20 L

= = 192 K

V1/T1 = V2/T2

El amoniaco se quema en oxígeno para formar óxido nítrico (NO) y vapor de agua. ¿Cuántos volúmenes de NO se obtiene de un volumen de amoniaco a la misma temperatura y presión?

4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O

1 mole NH3 1 mole NO

A T y P constante

1 volumen NH3 1 volumen NO

¿Cuál es el volumen (en litros) ocupado por 49.8 g de HCl a condiciones normales?

PV = nRT

V = nRTP

T = 0 0C = 273.15 K

P = 1 atm

n = 49.8 g x 1 mol HCl36.45 g HCl

= 1.37 mol

V =1 atm

1.37 mol x 0.0821 x 273.15 KL•atmmol•K

V = 30.6 L

Una muestra de gas natural contiene 8.24 moles de CH4, 0.421 moles de C2H6, y 0.116 moles de C3H8. Si la presión total de los gases es 1.37 atm, ¿cuál es la presión parcial del propano (C3H8)?

Pi = Xi PT

Xpropano = 0.116

8.24 + 0.421 + 0.116

PT = 1.37 atm

= 0.0132

Ppropano = 0.0132 x 1.37 atm = 0.0181 atm

El argón es un gas inerte usado en las bombillas para retardar la vaporización del filamento. Una cierta bombilla que contiene argón a 1.20 atm y 18 °C se calienta a 85 °C a volumen constante. ¿Cuál es la presión final del argón en la bombilla (en atm)?

PV = nRT n, V y R son constantes

nRV

= PT

= constante

P1

T1

P2

T2

=

P1 = 1.20 atm

T1 = 291 K

P2 = ?

T2 = 358 K

P2 = P1 x T2

T1

= 1.20 atm x 358 K291 K

= 1.48 atm

Estequiometría de los gases

¿Cuál es el volumen de CO2 producido a 37°C y 1.00 atm cuando 5.60 g de glucosa se agotan en la reacción?:

C6H12O6 (s) + 6O2 (g) 6CO2 (g) + 6H2O (l)g C6H12O6 mol C6H12O6 mol CO2 V CO2

5.60 g C6H12O6

1 mol C6H12O6

180 g C6H12O6

x6 mol CO2

1 mol C6H12O6

x = 0.187 mol CO2

V = nRT

P

0.187 mol x 0.0821 x 310.15 KL•atmmol•K

1.00 atm= = 4.76 L

Cantidad de reactivo gramos

o volumen

Moles dereactivo

Moles deproducto

Cantidad de reactivo gramos

o volumen

• Un cambio de estado es el paso de un estado de agregación a otro en una sustancia como consecuencia de una modificación de la temperatura (o de presión). Existen varios cambios de estado, que son:

• - 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).

Conceptos:

Punto triple• En este punto en la sustancia coexisten en equilibrio los tres estados, está

parcialmente solida, parcialmente líquida y parcialmente gaseosa.  Obsérvese que para valores de presión o temperatura mas bajas que el punto triple la sustancia en cuestión no puede existir en estado líquido y solo puede pasar desde sólido a gaseoso en un proceso conocido como sublimación.

Punto crítico• El punto C indica el valor máximo de temperatura en el que pueden coexistir en

equilibrio dos fases, y se denomina Punto Crítico. Representa la temperatura máxima a la cual se puede licuar el gas simplemente aumentando la presión. Gases a temperaturas por encima de la temperatura del punto crítico no pueden ser licuados por mucho que se aumente las presión. En otras palabras, por encima del punto crítico, la sustancia solo puede existir como gas.

Punto de ebullición• El punto de ebullición de una sustancia, es aquel valor de temperatura para el

cual coexisten en equilibrio, los estados líquido y gaseoso a determinada presión. Los diferentes puntos de ebullición para las diferentes presiones corresponderían a la curva BC.

Punto de fusión• El punto de fusión de una sustancia, es aquel valor de temperatura para el cual

coexisten en equilibrio, los estados líquido y sólido a determinada presión. Los diferentes puntos de fusión para las diferentes presiones corresponderían a la curva BD.