Gases Captulo 5 Copyright The Mc GrawHill Companies

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Elementos que existen como gases a 250 C y 1 atmósfera 5. 1

5. 1

Características físicas de los gases § Los gases adoptan el volumen y forma del recipiente que los contiene. § Se consideran los más compresibles de los estados de la materia. § Cuando se encuentran confinados en el mismo recipiente se mezclan uniforme y completamente. § Cuentan con densidades mucho menores que los líquidos y sólidos. 5. 1

Presión = Fuerza Área Unidades de presión 1 pascal (Pa) = 1 N/m 2 Presión atmosférica 1 atm = 760 mm. Hg = 760 torr 1 atm = 101, 325 Pa Barómetro 5. 2

Columna de aire 10 millas 4 millas 0. 2 atm 0. 5 atm Nivel del mar 1 atm 5. 2

Manómetros usados para medir las presiones de los gases Vacío Gas 5. 2

Aparato para estudiar la relación entre presión y volumen de un gas Como P (h) Aumenta V Disminuye 5. 3

Ley de Boyle P a 1/V P x V = constante P 1 x V 1 = P 2 x V 2 A temperatura constante, cantidad constante de gas 5. 3

Una muestra de gas del cloro ocupa un volumen de 946 m. L a una presión de 726 mm. Hg. ¿Cuál es la presión del gas (en mm. Hg) si el volumen está reducido a temperatura constante de 154 m. L? P 1 x V 1 = P 2 x V 2 P 1 = 726 mm. Hg P 2 = ? V 1 = 946 m. L V 2 = 154 m. L P 1 x V 1 726 mm. Hg x 946 m. L = P 2 = = 4460 mm. Hg 154 m. L V 2 5. 3

Expansión y contracción del gas Tubo capilar Mercurio Temperatura baja Como T Aumenta Temperatura alta V Disminuye 5. 3

Variación del volumen de gas con la temperatura a presión constante Ley de Charles y Gay-Lussac V a T V = constante x T V 1/T 1 = V 2/T 2 La temperatura será en escala Kelvin T (K) = t (0 C) + 273. 15 5. 3

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? V 1/T 1 = V 2/T 2 V 1 = 3. 20 L V 2 = 1. 54 L T 1 = 398. 15 K T 2 = ? V 2 x T 1 = T 2 = V 1 1. 54 L x 398. 15 K 3. 20 L = 192 K 5. 3

Ley de Avogadro V a número de moles (n) A temperatura constante, presión constante V = constante x n V 1/n 1 = V 2/n 2 moléculas moles volúmenes molécula mole volumen moléculas moles volúmenes 5. 3

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? 4 NH 3 + 5 O 2 4 NO + 6 H 2 O 1 mole NH 3 1 mole NO A T y P constante 1 volumen NH 3 1 volumen NO 5. 3

Ecuación del gas ideal Ley de Boyle : V a 1 (a n y T constante) P Ley de Charles : V a T (a n y P constante) Ley de Avogadro : V a n (a P y T constante) V a n. T P n. T V = constante x = R P n. T P R es la constante de gas PV = n. RT 5. 4

Las condiciones 0 0 C y 1 atm son llamadas temperatura y presión estándar (TPE). Los experimentos muestran que a TPE, 1 mol de un gas ideal ocupa 22. 414 L. PV = n. RT (1 atm)(22. 414 L) PV R= = n. T (1 mol)(273. 15 K) R = 0. 082057 L • atm / (mol • K) 5. 4

¿Cuál es el volumen (en litros) ocupado por 49. 8 g de HCl a TPE? T = 0 0 C = 273. 15 K PV = n. RT V= P V = P = 1 atm 1 mol HCl n = 49. 8 g x = 1. 37 mol 36. 45 g HCl L • atm 1. 37 mol x 0. 0821 x 273. 15 K mol • K 1 atm V = 30. 6 L 5. 4

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 = n. RT n, V y R son constantes n. R = P = constante T V P 1 P 2 = T 1 T 2 P 1 = 1. 20 atm T 1 = 291 K P 2 = ? T 2 = 358 K T 2 = 1. 20 atm x 358 K = 1. 48 atm P 2 = P 1 x 291 K T 1 5. 4

Cálculos de densidad (d) PM m d= = V RT m es la masa del gas en g M es la masa molar del gas Masa molar (M ) de una sustancia gaseosa d. RT M = P d es la densidad del gas en g/L 5. 4

Estequiometría de los gases Cantidad de reactivo gramos o volumen Moles de reactivo Moles de producto Cantidad de reactivo gramos o volumen ¿Cuál es el volumen de CO 2 producido a 37°C y 1. 00 atm cuando 5. 60 g de glucosa se agotan en la reacción? : C 6 H 12 O 6 (s) + 6 O 2 (g) 6 CO 2 (g) + 6 H 2 O (l) g C 6 H 12 O 6 mol CO 2 V CO 2 5. 60 g C 6 H 12 O 6 x 6 mol CO 2 1 mol C 6 H 12 O 6 x = 0. 187 mol CO 2 180 g C 6 H 12 O 6 1 mol C 6 H 12 O 6 L • atm 0. 187 mol x 0. 0821 x 310. 15 K n. RT mol • K V = = 1. 00 atm P = 4. 76 L 5. 5

Ley de Dalton de las presiones parciales V y T son constantes Combinación de gases P 1 P 2 Ptotal = P 1 + P 2 5. 6

Considere un caso en que dos gases , A y B, están en un recipiente de volumen V. n. ART PA = V n. A es el número de moles de A n. BRT PB = V n. B es el número de moles de B PT = PA + PB PA = XA PT n. A XA = n. A + n. B XB = n. A + n. B PB = XB PT Pi = Xi PT 5. 6

Una muestra de gas natural contiene 8. 24 moles de CH 4, 0. 421 moles de C 2 H 6, y 0. 116 moles de C 3 H 8. Si la presión total de los gases es 1. 37 atm, ¿cuál es la presión parcial del propano (C 3 H 8)? Pi = Xi PT PT = 1. 37 atm 0. 116 Xpropano = 8. 24 + 0. 421 + 0. 116 = 0. 0132 Ppropano = 0. 0132 x 1. 37 atm = 0. 0181 atm 5. 6

Teoría cinética molecular de los gases 1. Un gas está compuesto de moléculas que están separadas por distancias mucho mayores que sus propias dimensiones. Las moléculas pueden considerarse como puntos, es decir, poseen masa pero tienen un volumen despreciable. 2. Las moléculas de los gases están en movimiento constante en direcciones aleatorias. Las colisiones entre las moléculas son perfectamente elásticas. 3. Las moléculas de gas no ejercen fuerzas atractivas ni repulsivas entre sí. 4. La energía cinética promedio de las moléculas es proporcional a la temperatura del gas en kelvins. Cualquiera de los dos gases a la misma temperatura tendrán la misma energía cinética promedio. 5. 7

Botella llenándose con oxígeno gaseoso Botella llena de agua lista para colocarse en la tina de plástico Botella llena de oxígeno gaseoso y vapor de agua 2 KCl. O 3 (s) 2 KCl (s) + 3 O 2 (g) PT = PO + PH O 2 2 5. 6

Teoría cinética de los gases y… • Compresibilidad de los gases • Ley de Boyle P a velocidad de colisión con las paredes Velocidad de colisión a densidad numérica Densidad numérica a 1/V P a 1/V • Ley de Charles P a velocidad de colisión con las paredes Velocidad de colisión a energía cinética promedio de las moléculas de gas Energía cinética promedio a T P a T 5. 7

Teoría cinética de los gases y… • Ley de Avogadro P a velocidad de colisión con las paredes Velocidad de colisión a densidad numérica Densidad numérica a n P a n • Ley de Dalton de las presiones parciales Las moléculas no se atraen o repelen entre sí P ejercida por un tipo de molécula no se afectará por la presencia de otro gas Ptotal = SPi 5. 7

Aparato para estudiar la distribución de la velocidad molecular A la bomba de vacío Motor Moléculas lentas Horno Moléculas rápidas Detector Alternador con rendija giratoria Moléculas con velocidad promedio Detector 5. 7

Velocidad molecular La distribución de las velocidades de tres diferentes gases a la misma temperatura La distribución de las velocidades para moléculas de gas nitrógeno a tres temperaturas diferentes urms = M 3 RT Velocidad molecular 5. 7

Difusión de gas es la mezcla gradual de las moléculas de un gas con moléculas de otro gas en virtud de sus propiedades cinéticas. NH 4 Cl NH 3 17 g/mol HCl 36 g/mol 5. 7

Desviación del comportamiento ideal 1 mol de gas ideal PV = n. RT PV = 1. 0 n= RT Fuerzas de repulsión Gas ideal Fuerzas de atracción 5. 8

Efecto de las fuerzas intermoleculares sobre la presión ejercida por un gas 5. 8