Gases y química atmosférica

Grado Once
Año lectivo 2014

http://www.icfes.gov.co/examenes/saber-11o/segundo-semestre-2014
Jhon Carlos Ceballos
Docente del área de Química

sábado, 01 de febrero de 2014

INSTITUCIÓN EDUCATIVA ALFONSO ZAWADZKY ÁREA DE
CIENCIAS NATURALES Y EDUCACIÓN AMBIENTAL

Gases y química
atmosférica
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• Vivimos en el fondo de un océano de aire cuya composición porcentual en volumen es
aproximadamente de 78% de N2, 21% de O2 y 1% de otros gases, entre los que se
encuentra el CO2. En la década de 1990, la química de esta mezcla de gases vitales se
volvió un tema muy relevante debido a los efectos perjudiciales de la contaminación
ambiental.


Los gases

• Elementos que existen como gases a temperatura ambiente

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INSTITUCIÓN EDUCATIVA ALFONSO ZAWADZKY
ÁREA DE CIENCIAS NATURALES Y EDUCACIÓN AMBIENTAL

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Un gas es una sustancia
que habitualmente se
encuentra en estado
gaseoso a temperaturas y
presiones normales; un
vapor es la forma gaseosa
de cualquier sustancia que
sea un líquido o sólido a
temperatura y presión
normales. Por lo tanto, a
25°C y 1 atm de presión,
se habla de vapor de agua
y oxígeno gaseoso.

• Algunas sustancias que se encuentran como gases a condiciones
normales (CN) : 1 atmósfera de presión y 25 ⁰C


Los gases

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• Adoptan la forma y el volumen
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 en forma
completa y uniforme.
• Cuentan con densidades mucho
menores que los sólidos y
líquidos.
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• Todos los gases poseen las
siguientes características físicas:


Los gases

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Físicamente es una magnitud escalar relacionada con la
energía interna de un sistema termodinámico. Más
específicamente, está relacionada directamente con la
parte de la energía interna conocida como "energía
sensible", que es la energía asociada a los movimientos de
las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional,
rotacional, o en forma de vibraciones. A medida que es
mayor la energía sensible de un sistema se observa que
esta más "caliente" es decir, que su temperatura es
mayor.



Temperatura
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La temperatura es
una magnitud
referida a las
nociones comunes
de caliente o frío.
Por lo general, un
objeto más
"caliente" tendrá
una temperatura
mayor, y si fuere frío
tendrá una
temperatura menor.

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La temperatura se mide con
termómetros, los cuales pueden
ser calibrados de acuerdo a una
multitud de escalas que dan lugar
a unidades de medición de la
temperatura. En el Sistema
Internacional de Unidades, la
unidad de temperatura es el
kelvin
(K),
y
la
escala
correspondiente es la escala
Kelvin o escala absoluta, que
asocia el valor "cero kelvin" (0 K)
al "cero absoluto", y se gradúa
con un tamaño de grado igual al
del grado Celsius.


Temperatura

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El grado Celsius, (símbolo °C), es la
unidad creada por Anders Celsius en
1742 para su escala de temperatura.
El grado Fahrenheit (representado como
°F) es una escala de temperatura
propuesta por Daniel Gabriel Fahrenheit
en 1724. La escala se establece entre las
temperaturas
de
congelación
y
evaporación del agua, que son 32°F y
212°F, respectivamente.
El kelvin (símbolo K), es la unidad de
temperatura de la escala creada por
William Thomson (Lord Kelvin) en el año
1848, sobre la base del grado Celsius,
estableciendo el punto cero en el cero
absoluto (−273,15 °C).


Escalas de temperatura

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Coincidiendo el incremento en un
grado Celsius con el de un kelvin, su
importancia radica en el 0 de la
escala: a la temperatura de 0 K se la
denomina
cero
absoluto
y
corresponde al punto en el que las
moléculas y átomos de un sistema
tienen la mínima energía térmica
posible.
Ningún
sistema
macroscópico
puede tener una temperatura
inferior. A la temperatura medida en
Kelvin se le llama "temperatura
absoluta", y es la escala de
temperaturas que se usa en
ciencia, especialmente en trabajos
de física o química.
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Cero absoluto

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En física, el condensado de Bose-Einstein es el estado de agregación de la
materia que se da en ciertos materiales a muy bajas temperaturas. La propiedad
que lo caracteriza es que una cantidad macroscópica de las partículas del material
pasan al nivel de mínima energía, denominado estado fundamental.


Condensado de Bose-Einstein

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• Los gases ejercen presión sobre cualquier superficie con la que entren en
contacto, ya que las moléculas gaseosas se hallan en constante
movimiento. Los humanos nos hemos adaptado fisiológicamente tan bien a
la presión del aire que nos rodea, que por lo regular desconocemos su
existencia, quizá como los peces son inconscientes de la presión del agua
sobre ellos.


Presión de un gas

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Unidades del SI para la presión


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Unidades del SI para la presión


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• Los átomos y las moléculas de los gases
en la atmósfera, como el resto de la
materia, están sujetos a la atracción
gravitacional de la Tierra; por
consiguiente, la atmósfera es mucho
más densa cerca de la superficie de la
Tierra que en altitudes elevadas. (El aire
fuera de la cabina presurizada de un
avión a 9 km de altura es muy ligero
para ser respirado.) Las mediciones
señalan que aproximadamente 50% de
la atmósfera se encuentra dentro de 6.4
km de la superficie de la Tierra, 90%
dentro de 16 km, Y 99% dentro de 32
km.


Presión atmosférica

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• La presión atmosférica, como lo indica
su nombre, es la presión que ejerce la
atmósfera de la Tierra. El valor real de la
presión atmosférica depende de la
localización, la temperatura y las
condiciones climáticas.



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http://experimentoscaseros.net/2012/09/experimento-facil-y-sorprendente-sobre-presion-atmosferica/
http://www.inventosyexperimentos.com/experimentos-sobre-presion-hidrostatica-experimentos-con-manometro/

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Quizás esperaría que el papel se doblara debido
a la presión de aire sobre éste, pero eso no
ocurre. La razón es que el aire, al igual que el
agua, es un fluido. La presión ejercida sobre un
objeto en un fluido proviene de todas
direcciones: de abajo y de arriba, así como de
izquierda a derecha.


¿La presión atmosférica actúa sólo hacia
abajo, como se podría inferir a partir de la
definición? Imagine qué sucedería,
entonces, si sostuviera firme una hoja de
papel por encima de su cabeza (con ambas
manos).



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• 1 torr = 1 mmHg
• 1 atm = 760 mmHg ( exactamente)

• La relación entre atmósferas y pascales es:
• 1 atm = 101 325 Pa
• 1.01325 X 105 Pa


• La presión atmosférica estándar (1 atm) es igual a la presión que soporta una
columna de mercurio exactamente de 760 mm (o 76 cm) de altura a 0 °C al
nivel del mar. En otras palabras, la presión atmosférica estándar es igual a la
presión de 760 mmHg, donde mmHg representa la presión ejercida por una
columna de mercurio de 1 mm de altura. La unidad de mmHg también se
llama torr, en honor del científico italiano Evangelista Torricelli, quien inventó
el barómetro.



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Cada una de las generalizaciones
en cuanto al comportamiento
macroscópico de las sustancias
gaseosas representa una etapa
importante en la historia de la
ciencia. En conjunto, tales
generalizaciones han tenido un
papel muy destacado en el
desarrollo de muchas ideas de la
química.


Las leyes de los gases son
producto de incontables
experimentos que se realizaron
sobre las propiedades físicas de
los gases durante varios siglos.


Leyes de los gases

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• La presión de una cantidad fija de un gas a temperatura constante es
inversamente proporcional al volumen del gas.


Relación presión-volumen: ley de Boyle

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Relación presión-volumen: ley de Boyle

http://www.youtube.com/watch?v=KNXfOw0ga9k

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• El volumen de una cantidad fija de gas mantenido a presión constante es
directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas.


Relación temperatura-volumen: Ley de Charles

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Relación temperatura-volumen: Ley de Charles

http://www.youtube.com/watch?v=qvsfJWxUGXE

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• Para una cantidad de gas a volumen constante, la presión del gas es proporcional
a la temperatura


Relación presión -temperatura: Ley de Gay Lussac

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Relación presión -temperatura: Ley de Gay Lussac


http://www.youtube.com/watch?v=13DZJrVmKrM

http://www.youtube.com/watch?v=sAeaxCZEQ28

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• A presión y temperatura constantes, el volumen de un gas es directamente
proporcional al número de moles del gas presente.


Ley de Avogadro.

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•

donde R, la constante de proporcionalidad, se denomina constante de los gases. La
ecuación conocida como ecuación del gas ideal, explica la relación entre las cuatro
variables P, V, T y n. Un gas ideal es un gas hipotético cuyo comportamiento de
presión, volumen y temperatura se puede describir completamente con la ecuación
del gas ideal. Las moléculas de un gas ideal no se atraen o se repelen entre sí, y su
volumen es despreciable en comparación con el volumen del recipiente que lo
contiene. Aunque en la naturaleza no existe un gas ideal, las discrepancias en el
comportamiento de los gases reales en márgenes razonables de temperatura y
presión no alteran sustancialmente los cálculos. Por lo tanto, se puede usar con
seguridad la ecuación del gas ideal para resolver muchos problemas de gases.

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• Es posible combinar las tres expresiones de las leyes antes vistas a una sola
ecuación maestra para el comportamiento de los gases:


Ecuación del gas ideal

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• Antes de aplicar la ecuación del gas ideal a un sistema real, se debe calcular R, la
constante de los gases. A O°C (273 .15 K) y 1 atm de presión, muchos gases reales
se comportan como un gas ideal. En los experimentos se demuestra que en esas
condiciones, 1 mol de un gas ideal ocupa un volumen de 22.414 L, que es un poco
mayor que el volumen de una pelota de baloncesto. Las condiciones de O °C y 1
atmósfera se denominan temperatura y presión estándar, y a menudo se
abrevian TPE. Luego:



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• Y si el número de moles es constante:


• La ecuación del gas ideal es útil para resolver problemas que no implican cambios en P,
V, T y n de una muestra de gas. Por lo tanto, si se conocen tres variables se puede
calcular la cuarta mediante la ecuación. Sin embargo, a veces es necesario trabajar con
cambios de presión, volumen y temperatura, o incluso, de cantidad del gas. Cuando
cambian las condiciones, se debe emplear una forma modificada de la ecuación del gas
ideal que toma en cuenta las condiciones iniciales y finales. Esta ecuación se obtiene del
modo siguiente:



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• El número de moles del gas, n, está dado por:

• donde m es la masa del gas en gramos y

es su masa molar. Por lo tanto:

• Dado que la densidad, d, es la masa por unidad de volumen, se puede escribir:


• Si se reacomoda la ecuación del gas ideal, se puede calcular la densidad de un gas:


Cálculos de densidad

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• La presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones que cada gas
ejercería si estuviera solo.


Ley de Dalton de las presiones parciales

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• http://www.naturgaia.net/peliculas/contaminacion_atmosferica.swf
• http://ntic.educacion.es/w3/eos/MaterialesEducativos/mem2008/explorando_cambio_
climatico/index.html.


Contaminación atmosférica

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