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Gases

Prof. Jairo E. Pardo




Introducción:



Los seres humanos vivimos rodeados de un mezcla gaseosa conocida como la atmósfera.
La atmósfera contiene un 21% de oxígeno(O2, 78% de nitrógeno(N2 y el resto de gases
por argón(Ar), dióxido de carbono(CO2) y vapor de agua (H2O).



El oxígeno es esencial para la vida de las plantas y de los animales. El ozono se forma en
la atmósfera superior al reaccionar oxígeno con la luz ultravioleta. El ozono nos protege
de los efectos dañinos de la luz ultravioleta en el DNA de la piel.

El dióxido de carbono es un producto de la combustión y del metabolismo, es usado por
las plantas en el proceso de fotosíntesis, un proceso que produce oxígeno el cual es
esencial para la vida de las plantas y de los animales.

El conocimiento de los gases y de las leyes que gobiernan al comportamiento de los gases
nos puede ayudar a entender la naturaleza de la materia y nos permitirá hacer las
decisiones concernientes a los temas importantes del ambiente y de la salud (Fuente:
Timberlake, K.C.(2003). An introduction to General, Organic, and Biological
Chemistry.eighth edition.San Francisco: Benjamin Cummings, , ).



Objetivos:
Al finalizar la unidad de Gases el estudiante:

   •   describirá la teoría cinético molecular.
   •    describirá las unidades de medida de la presión.
   •   convertirá de una unidad de presión a otra.
   •   usará la relación de presión-volumen para determinar la presión o el volumen de
       una cierta cantidad de gas a temperatura constante.
   •   usará la relación de temperatura-volumen para determinar la temperatura o el
       volumen de una cierta cantidad de gas a presión constante.
   •   usará la relación de presión-temperatura para determinar la presión o la
       temperatura de una cierta cantidad de gas a volumen constante.
   •   usará la ley combinada de los gases para calcular la presión, el volumen o la
       temperatura de un gas se dan los cambios en dos de dichas propiedades.

La teoría cinético molecular de los gases.

El comportamiento de los gases es muy diferente de los sólidos y líquidos. Las partículas
de los gases están muy alejadas entre sí a diferencia de los líquidos y sólidos cuyas
partículas están próximas, como consecuencia de que las fuerzas de atracción entre las
moléculas son mayores a bajas temperaturas. Lo anterior significa que los gases no tienen
ni volumen ni forma definidas. Los gases pueden ser comprimidos y son menos densos
que los sólidos y los líquidos a consecuencia de las grandes distancias entre las partículas
gaseosas.

Un modelo denominado Teoría cinético molecular de gases, nos ayudará a entender el
comportamiento de los gases.

Los postulados de la Teoría cinético molecular son:

   1. Un gas consiste de pequeñas partículas (átomos ó moléculas) que se mueven
      aleatoriamente a grandes velocidades.
   2. Se pueden despreciar las fuerzas de atracción entre las partículas de un gas.
   3. El volumen ocupado por las moléculas de gas es extremadamente pequeño
      comparado con el volumen que el gas ocupa.
   4. La energía cinética promedia de las moléculas del gas es proporcional a la
      temperatura en grados Kelvin.
   5. Las partículas del gas están en constante movimiento, moviéndose en trayectorias
      rectilíneas.

En la vida diaria nos percatamos del comportamiento de los gases, se habrá notado que el
olor a comida se difunde rápidamente en un salón, las partículas gaseosas se mueven
lentamente a bajas temperaturas, pero rápidamente a altas temperaturas. La moléculas
gaseosas chocan rápidamente contra las paredes del recipiente que las contiene,
ejerciendo una fuerza por unidad de área (presión). Eso se nota en las llantas de los autos
o bicicletas.
Por favor observe estos videos:

Leyes de los gases

Aparato respiratorio

Por favor lea la lectura de gases asignada, estudie la información y los modelos de la
asignación.Responda a las preguntas de pensamiento crítico, ejercicios y problemas en un
documento en word. Envie el documento como anejo a jparpal@gmail.com, tiene 7 días
calendario para responder.


QuimActividad 34

La Ley de los gases ideales
                              ¿Cómo se comportan los gases?

Información

      T(K) = Kelvin o temperatura absoluta = T(ºC) + 273.15º. T(K) siempre es > 0.

      La Ley de Boyle (1660): El volumen de una muestra de gas varía inversamente
       con la presión, si se mantiene la temperatura constante.

                            V = kβ 1 a n y T constantes
                                   P
       donde n es el número de moles de gas.

      La Ley de Charles (1887): El volumen de un gas varía linealmente con la
       temperatura, si se mantiene la presión constante.

                              V = kCT    a n y P constantes.

      Hipótesis de Avogadro (1812): Las muestras de diferentes gases que contengan
       el mismo número de moléculas — de cualquier complejidad, tamaño o forma —
       ocupan el mismo volumen a la misma temperatura y presión.

                              V = kA n     a T y P constantes
Modelo 1: La ecuación de los gases ideales
                         PV=nRT

 donde R es una constante denominada la constante universal de
                           los gases




Preguntas de Pensamiento Crítico

   1.   ¿Cómo cambia el volumen de un gas ( a n y P constantes) según aumenta la
        temperatura?



   2.   ¿Cómo cambia el volumen de un gas (a n y T constantes) según aumenta la
        presión?



   3.   ¿Cómo cambia el volumen de un gas (a n y P constantes) según aumenta el
        número de moléculas?


   4.   Demuestre que la Ley de Boyle, la Ley de Charles y la hipótesis de Avogadro
        son consistentes con la ecuación de los gases ideales.




Información
El valor numérico de la constante universal de los gases se calcula basada en el
hecho de que un mol de gas ocupa 22.414 L a una presión de una atmósfera y a una
temperatura de 0ºC (273.15K).

                                 (1 atm)(22.414 L)
                        R = =                        = 0.08206
                                (1 mol ) (273.15 K )

Ejercicios

   1. Calcule el volumen de 20.5 g de NH3 a 0.658 atm y 25º C.


   2. Calcule el volumen de 359 g de CH3CH3 a 0.658 atm y 75ºC.


   3. Calcule el volumen de 525 g de O2 a 25.7 torr (760 torr = 1 atm) y 25ºC.



   4. Una colonia esférica del espacio propuesta por Gerarld O'Neill (Universidad de
      Princeton) tiene un diámetro de 1.00 km. ¿Cuántos gramos de N2 se necesitan
      para llenar el interior de la colonia a una atmósfera y 20ºC (temperatura de
      salón)?

   5. Un envase de 2.00 L se coloca en un baño de temperatura constante y se llena con
      3.05 g de CH3CH3. La presión se estabiliza a 800 torr. ¿Cuál es la temperatura
      del baño de temperatura constante?

   6. La densidad de un gas usualmente se da como: densidad = d = gramos / litro.
      Use esta definición de densidad y la ley de los gases ideales para derivar una
      ecuación que tenga únicamente la densidad en el lado izquierdo de la ecuación y
      las otras variables (P, T, MM) en el lado derecho.


   7. Calcule la densidad de NH3 a 850 torr y 100 ºC.


   8. J.N. Spencer, G.M. Bodner y L. H. Richard, Chemistry: Structure and Dynamics,
      segunda edición, John Wiley & Sons, 2002. Capítulo 6: Problemas 30, 32, 34,
      38, 44-46, 51, 53, 56, 57, 65 y 69.

Modelo 2: Mezclas de gases

        En una mezcla de gases la presión total, PT, es la suma de las presiones de los
gases individuales, Pi.
PT =                                               (1)

La presión de cada gas de la mezcla está dado por:

               Pi = ni                                                          (2)

Preguntas de Pensamiento Crítico

   5.   ¿Está la ecuación (2) de acuerdo con la hipótesis de Avogadro?




Ejercicios

   9. Un envase de 2.00 L contiene 4.00 moles de O2 y 2.70 moles de He a 293 K.
      ¿Cuál es la presión parcial de O2? ¿De He? ¿Cuál es la presión total?

   10. La densidad del aire a 1.00 atm y 25ºC es 1.186 g/L.

        a) Calcule la masa molecular promedio del aire.
        b) De este valor, asumiendo que el aire contiene únicamente los gases de
           nitrógeno molecular y oxígeno molecular, calcule el % de masa del N2 y O2 en
           el aire.

   11. J.N. Spencer, G.M. Bodner y L. H. Richard, Chemistry: Structure and Dynamics,
       segunda edición, John Wiley & Sons, 2002. Capítulo 6: Problemas 72, 75, 93,
       94, 105, 106 y 108.

Problemas

   1. Considere los tres balones incluidos en el dibujo descrito a continuación.
      Suponiendo que los tubos conectores no tienen volumen y que la temperatura se
      mantiene constante.

        a) Calcule la presión parcial de cada uno de los gases cuando se abren todas las
           llaves.
        b) Calcule la presión total cuando se abren todas las llaves.
He           Ne
                                                        Ar
                        1.0 L       1.0 L
                       200 torr    410 torr            2.0 L
                                                      250 torr

2. Algunos limpiadores comerciales de drenaje, contienen dos componentes:
   Hidróxido de sodio (I) y aluminio en polvo. Cuando se echa la mezcla en un tubo
   de drenaje tapado, ocurre la siguiente reacción:

        2 NaOH(ac) + 2 Al(s) + 6 H2O(l) → 2NaAl(OH)4(ac) + 3H2(g)

   El calor que se genera en esta reacción ayuda a derretir la grasa y el gas de
   dihidrógeno que se genera agita los sólidos que tapan el drenaje. Calcule el
   volumen de H2 que se forma a 20ºC y 750 torr si 3.12 g de Al se tratan con NaOH
   en exceso.




3. Se encuentra que cierto hidrocarburo gaseoso contiene 88.8% C y 11.2% H por
   masa. El compuesto tiene una densidad de 2.2 g/L a 31ºC y 742 torr. a) ¿Cuál
   es la fórmula empírica de este compuesto? b) ¿Cuál es la masa molar de este
   compuesto? c) ¿Cual es la fórmula molecular de este compuesto? d) Dibuje una
   posible fórmula estructural para este compuesto.

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Introducción a las leyes de los gases

  • 1. Gases Prof. Jairo E. Pardo Introducción: Los seres humanos vivimos rodeados de un mezcla gaseosa conocida como la atmósfera. La atmósfera contiene un 21% de oxígeno(O2, 78% de nitrógeno(N2 y el resto de gases por argón(Ar), dióxido de carbono(CO2) y vapor de agua (H2O). El oxígeno es esencial para la vida de las plantas y de los animales. El ozono se forma en la atmósfera superior al reaccionar oxígeno con la luz ultravioleta. El ozono nos protege de los efectos dañinos de la luz ultravioleta en el DNA de la piel. El dióxido de carbono es un producto de la combustión y del metabolismo, es usado por las plantas en el proceso de fotosíntesis, un proceso que produce oxígeno el cual es esencial para la vida de las plantas y de los animales. El conocimiento de los gases y de las leyes que gobiernan al comportamiento de los gases nos puede ayudar a entender la naturaleza de la materia y nos permitirá hacer las decisiones concernientes a los temas importantes del ambiente y de la salud (Fuente: Timberlake, K.C.(2003). An introduction to General, Organic, and Biological Chemistry.eighth edition.San Francisco: Benjamin Cummings, , ). Objetivos:
  • 2. Al finalizar la unidad de Gases el estudiante: • describirá la teoría cinético molecular. • describirá las unidades de medida de la presión. • convertirá de una unidad de presión a otra. • usará la relación de presión-volumen para determinar la presión o el volumen de una cierta cantidad de gas a temperatura constante. • usará la relación de temperatura-volumen para determinar la temperatura o el volumen de una cierta cantidad de gas a presión constante. • usará la relación de presión-temperatura para determinar la presión o la temperatura de una cierta cantidad de gas a volumen constante. • usará la ley combinada de los gases para calcular la presión, el volumen o la temperatura de un gas se dan los cambios en dos de dichas propiedades. La teoría cinético molecular de los gases. El comportamiento de los gases es muy diferente de los sólidos y líquidos. Las partículas de los gases están muy alejadas entre sí a diferencia de los líquidos y sólidos cuyas partículas están próximas, como consecuencia de que las fuerzas de atracción entre las moléculas son mayores a bajas temperaturas. Lo anterior significa que los gases no tienen ni volumen ni forma definidas. Los gases pueden ser comprimidos y son menos densos que los sólidos y los líquidos a consecuencia de las grandes distancias entre las partículas gaseosas. Un modelo denominado Teoría cinético molecular de gases, nos ayudará a entender el comportamiento de los gases. Los postulados de la Teoría cinético molecular son: 1. Un gas consiste de pequeñas partículas (átomos ó moléculas) que se mueven aleatoriamente a grandes velocidades. 2. Se pueden despreciar las fuerzas de atracción entre las partículas de un gas. 3. El volumen ocupado por las moléculas de gas es extremadamente pequeño comparado con el volumen que el gas ocupa. 4. La energía cinética promedia de las moléculas del gas es proporcional a la temperatura en grados Kelvin. 5. Las partículas del gas están en constante movimiento, moviéndose en trayectorias rectilíneas. En la vida diaria nos percatamos del comportamiento de los gases, se habrá notado que el olor a comida se difunde rápidamente en un salón, las partículas gaseosas se mueven lentamente a bajas temperaturas, pero rápidamente a altas temperaturas. La moléculas gaseosas chocan rápidamente contra las paredes del recipiente que las contiene, ejerciendo una fuerza por unidad de área (presión). Eso se nota en las llantas de los autos o bicicletas.
  • 3. Por favor observe estos videos: Leyes de los gases Aparato respiratorio Por favor lea la lectura de gases asignada, estudie la información y los modelos de la asignación.Responda a las preguntas de pensamiento crítico, ejercicios y problemas en un documento en word. Envie el documento como anejo a jparpal@gmail.com, tiene 7 días calendario para responder. QuimActividad 34 La Ley de los gases ideales ¿Cómo se comportan los gases? Información  T(K) = Kelvin o temperatura absoluta = T(ºC) + 273.15º. T(K) siempre es > 0.  La Ley de Boyle (1660): El volumen de una muestra de gas varía inversamente con la presión, si se mantiene la temperatura constante. V = kβ 1 a n y T constantes P donde n es el número de moles de gas.  La Ley de Charles (1887): El volumen de un gas varía linealmente con la temperatura, si se mantiene la presión constante. V = kCT a n y P constantes.  Hipótesis de Avogadro (1812): Las muestras de diferentes gases que contengan el mismo número de moléculas — de cualquier complejidad, tamaño o forma — ocupan el mismo volumen a la misma temperatura y presión. V = kA n a T y P constantes
  • 4. Modelo 1: La ecuación de los gases ideales PV=nRT donde R es una constante denominada la constante universal de los gases Preguntas de Pensamiento Crítico 1. ¿Cómo cambia el volumen de un gas ( a n y P constantes) según aumenta la temperatura? 2. ¿Cómo cambia el volumen de un gas (a n y T constantes) según aumenta la presión? 3. ¿Cómo cambia el volumen de un gas (a n y P constantes) según aumenta el número de moléculas? 4. Demuestre que la Ley de Boyle, la Ley de Charles y la hipótesis de Avogadro son consistentes con la ecuación de los gases ideales. Información
  • 5. El valor numérico de la constante universal de los gases se calcula basada en el hecho de que un mol de gas ocupa 22.414 L a una presión de una atmósfera y a una temperatura de 0ºC (273.15K). (1 atm)(22.414 L) R = = = 0.08206 (1 mol ) (273.15 K ) Ejercicios 1. Calcule el volumen de 20.5 g de NH3 a 0.658 atm y 25º C. 2. Calcule el volumen de 359 g de CH3CH3 a 0.658 atm y 75ºC. 3. Calcule el volumen de 525 g de O2 a 25.7 torr (760 torr = 1 atm) y 25ºC. 4. Una colonia esférica del espacio propuesta por Gerarld O'Neill (Universidad de Princeton) tiene un diámetro de 1.00 km. ¿Cuántos gramos de N2 se necesitan para llenar el interior de la colonia a una atmósfera y 20ºC (temperatura de salón)? 5. Un envase de 2.00 L se coloca en un baño de temperatura constante y se llena con 3.05 g de CH3CH3. La presión se estabiliza a 800 torr. ¿Cuál es la temperatura del baño de temperatura constante? 6. La densidad de un gas usualmente se da como: densidad = d = gramos / litro. Use esta definición de densidad y la ley de los gases ideales para derivar una ecuación que tenga únicamente la densidad en el lado izquierdo de la ecuación y las otras variables (P, T, MM) en el lado derecho. 7. Calcule la densidad de NH3 a 850 torr y 100 ºC. 8. J.N. Spencer, G.M. Bodner y L. H. Richard, Chemistry: Structure and Dynamics, segunda edición, John Wiley & Sons, 2002. Capítulo 6: Problemas 30, 32, 34, 38, 44-46, 51, 53, 56, 57, 65 y 69. Modelo 2: Mezclas de gases En una mezcla de gases la presión total, PT, es la suma de las presiones de los gases individuales, Pi.
  • 6. PT = (1) La presión de cada gas de la mezcla está dado por: Pi = ni (2) Preguntas de Pensamiento Crítico 5. ¿Está la ecuación (2) de acuerdo con la hipótesis de Avogadro? Ejercicios 9. Un envase de 2.00 L contiene 4.00 moles de O2 y 2.70 moles de He a 293 K. ¿Cuál es la presión parcial de O2? ¿De He? ¿Cuál es la presión total? 10. La densidad del aire a 1.00 atm y 25ºC es 1.186 g/L. a) Calcule la masa molecular promedio del aire. b) De este valor, asumiendo que el aire contiene únicamente los gases de nitrógeno molecular y oxígeno molecular, calcule el % de masa del N2 y O2 en el aire. 11. J.N. Spencer, G.M. Bodner y L. H. Richard, Chemistry: Structure and Dynamics, segunda edición, John Wiley & Sons, 2002. Capítulo 6: Problemas 72, 75, 93, 94, 105, 106 y 108. Problemas 1. Considere los tres balones incluidos en el dibujo descrito a continuación. Suponiendo que los tubos conectores no tienen volumen y que la temperatura se mantiene constante. a) Calcule la presión parcial de cada uno de los gases cuando se abren todas las llaves. b) Calcule la presión total cuando se abren todas las llaves.
  • 7. He Ne Ar 1.0 L 1.0 L 200 torr 410 torr 2.0 L 250 torr 2. Algunos limpiadores comerciales de drenaje, contienen dos componentes: Hidróxido de sodio (I) y aluminio en polvo. Cuando se echa la mezcla en un tubo de drenaje tapado, ocurre la siguiente reacción: 2 NaOH(ac) + 2 Al(s) + 6 H2O(l) → 2NaAl(OH)4(ac) + 3H2(g) El calor que se genera en esta reacción ayuda a derretir la grasa y el gas de dihidrógeno que se genera agita los sólidos que tapan el drenaje. Calcule el volumen de H2 que se forma a 20ºC y 750 torr si 3.12 g de Al se tratan con NaOH en exceso. 3. Se encuentra que cierto hidrocarburo gaseoso contiene 88.8% C y 11.2% H por masa. El compuesto tiene una densidad de 2.2 g/L a 31ºC y 742 torr. a) ¿Cuál es la fórmula empírica de este compuesto? b) ¿Cuál es la masa molar de este compuesto? c) ¿Cual es la fórmula molecular de este compuesto? d) Dibuje una posible fórmula estructural para este compuesto.