INSTITUTO TECNOLOGICO DE LA PAZINGENIERIA INDUSTRIALQumica Trabajo investigacin Unidad 5. Conceptos Generales de Gases, Termoqumica y Electroqumica

Javier Jaramillo morenoMartnez Gerardo Johnatan

3 B

LA PAZ BAJA CALIFORNIA SUR MEXICO08/12/2014

5.1.Conceptosbsicos:gas como estado deagregacin,gasideal,gas real, propiedades crticas yfactorde compresibilidad.

Gas RealLos gasesreales son los que en condiciones ordinarias de temperatura y presin se comportan como gases ideales; pero si la temperatura es muy baja o la presin muy alta, las propiedades de los gases reales se desvan en forma considerable de las de los gases ideales.

Gas IdealLos Gases que se ajusten a estas suposiciones se llaman gases ideales y aquellas queno seles llaman gases reales, o sea, hidrgeno, oxgeno, nitrgeno y otros.

Puntocrtico.Hay un punto, a unatemperatura elevada, en que todo gas no puede licuarse por aumento de presin y la agitacin molecular provocada por la temperatura es tan elevada que las molculas no soportan la cohesin del estado lquido. Este punto se denominapunto crticoy la temperatura y presin correspondientes, reciben los nombres de temperatura y presin crticas.Desde el punto devistade la temperatura, el punto crtico representa la temperatura mxima a la cual un elemento permanece en estado lquido, y la presin crtica, es la presin medida a esta temperatura.

Propiedades de los gasesLos gases tienen 3 propiedades caractersticas: (1) son fciles de comprimir, (2) se expanden hasta llenar el contenedor, y (3) ocupan ms espacio que los slidos o lquidos que los conforman.COMPRESIBILIDADUna combustin interna de un motor provee un buen ejemplo de la facilidad con la cual los gases pueden ser comprimidos. En un motor de cuatro pistones, el pistn es primero halado del cilindro para crear un vaco parcial, es luego empujado dentro del cilindro, comprimiendo la mezcla de gasolina/aire a una fraccin de su volumen original.

EXPANDIBILIDADCualquiera que haya caminado en una cocina a donde se hornea un pan, ha experimentado el hecho de quelos gases se expanden hasta llenar su contenedor, mientras que el aroma del pan llena la cocina. Desgraciadamente la misma cosa sucede cuando alguien rompe un huevo podrido y el olor caracterstico del sulfito de hidrgeno (H2S), rpidamente se esparce en la habitacin, eso es porque los gases se expanden para llenar su contenedor. Por lo cual es sano asumir queel volumen de un gas es igual al volumen de su contenedor.

VOLUMEN DEL GAS VS. VOLUMEN DEL SLIDOLa diferencia entre el volumen de un gas y el volumen de un lquido o slido que lo forma, puede ser ilustrado con el siguiente ejemplo. Un gramo de oxgeno lquido en su punto de ebullicin (-183oC) tiene un volumen de 0.894 mL. La misma cantidad de O2gas a 0oC la presin atmosfrica tiene un volumen de 700 mL, el cual es casi 800 veces ms grande. Resultados similares son obtenidos cuando el volumen de los slidos y gases son comparados. Un gramo de CO2slido tiene un volumen de 0.641 mL. a 0oC y la presin atmosfrica tiene un volumen de 556 mL, el cual es ms que 850 veces ms grande. Como regla general, el volumen de un lquido o slido incrementa por un factor de 800 veces cuando formas gas.La consecuencia de este enorme cambio en volumen es frecuentemente usado para hacer trabajos. El motor a vapor, est basado en el hecho de que el agua hierve para formar gas (vapor) que tiene un mayor volumen. El gas entonces escapa del contenedor en el cual fue generado y el gas que se escapa es usado para hacer trabajar. El mismo principio se pone a prueba cuando utilizan dinamita para romper rocas. En 1867, Alfredo Nobel descubri que el explosivo lquido tan peligroso conocido como nitroglicerina puede ser absorbido en barro o aserrn para producir un slido que era mucho ms estable y entonces con menos riesgos. Cuando la dinamita es detonada, la nitroglicerina se descompone para producir una mezcla de gases deCO2, H2O, N2, y O24 C3H5N3O9(l)12 CO2(g)+10 H2O(g)+6 N2(g)+O2(g)

Porque 29 moles de gas son producidos por cada 4 moles de lquido que se descompone, y cada mol de gas ocupa un volumen promedio de 800 veces ms grande que un mol lquido, esta reaccin produce una onda que destruye todo alrededor.El mismo fenmeno ocurre en una escala mucho menor cuando hacemos estallar una cotufa. Cuando el maz es calentado en aceite, los lquidos dentro del grano se convierten en gas. La presin que se acumula dentro del grano es enorme, causando que explote.(5)

PRESIN VS FUERZAEl volumen de un gas es una de sus propiedades caractersticas. Otra propiedad es lapresinque el gas libera en sus alrededores. Muchos de nosotros obtuvimos nuestra primera experiencia con la presin, al momento de ir a una estacin de servicio para llenar los cauchos de la bicicleta. Dependiendo de tipo de bicicleta que tuviramos, agregbamos aire a las llantas hasta que el medidor de presin estuviese entre 30 y 70 psi.

5.2.Propiedades PVT:ley de Boyle,Ley de Charles,ley de Gay-Lussac.Ecuacin General del Estado Gaseoso

LEY DE BOYLE-MARIOTTE

En 1660 Robert Boyle encontr una relacin inversa entre la presin y el volumen de un gas cuando su temperatura se mantiene constanteLa expresin matemtica de la ley de Boyle indica que el producto de la presin de un gas por su volumen es constante:PV=KP1V1=P2V2Como muestra la figura 1, Cuando se somete un gas a una presin de 4 atmsferas el volumen del gas disminuye. Por lo tanto,A mayor presin menor volumen

Figura 1. Gas sometido a presin de 4atmsferas.

En la figura 2, se observa que cuando se disminuye la presin a 1 atmsfera, el volumen aumenta, debido a que los gases son compresibles. Por lo tantoA menor presin Mayor volumen.

Figura 2. Gas sometido a presin de 1 atmsfera.

Ley de charlesRelacin entre la temperatura y el volumen de un gas cuando la presin es constanteEn 1787, Jack Charles estudi por primera vez la relacin entre el volumen y la temperatura de una muestra de gas a presin constante y observ que cuando se aumentaba la temperatura el volumen del gas tambin aumentaba y que al enfriar el volumen disminua.Cuando aumentamos la temperatura del gas las molculas se mueven con ms rapidez y tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente. Esto quiere decir que el nmero de choques por unidad de tiempo ser mayor. Es decir se producir un aumento (por un instante) de la presin en el interior del recipiente y aumentar el volumen (el mbolo se desplazar hacia arriba hasta que la presin se iguale con la exterior).Lo que Charles descubri es que si la cantidad de gas y la presin permanecen constantes, el cociente entre el volumen y la temperatura siempre tiene el mismo valor.Matemticamente podemos expresarlo as:

(el cociente entre el volumen y la temperatura es constante)Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V1que se encuentra a una temperatura T1al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V2, entonces la temperatura cambiar a T2, y se cumplir:

que es otra manera de expresar la ley de Charles.Esta ley se descubre casi ciento cuarenta aos despus de la de Boyle debido a que cuando Charles la enunci se encontr con el inconveniente de tener que relacionar el volumen con la temperatura Celsius ya que an no exista laescala absolutade temperatura.

LEY DE GAY-LUSSACEsta ley muestra la clara relacin entrela presin y la temperaturacon el volumen lleva el nombre de quien la enuncio en el ao 1800.

La ley expresa queal aumentar la temperatura, las molculas del gas comienzan a moverse muy rpidamente aumentando su choque contra las paredes del recipiente que lo contiene.Gay-Lussacdescubri que,no importa el momento del proceso el cociente entre la presin y la temperatura siempre tena el mismo valor, o sea es constante.La presin del gas es directamente proporcional a su temperatura:

Las temperaturas siempre deben ser expresadas enKelvinpara esta ley.Conclusin:Al aumentar la temperatura aumenta la presin y al disminuir la temperatura disminuye la presin.

Ley general del estado gaseoso: El volumen ocupado por la unidad de masa de un gas ideal, es directamente proporcional a su temperatura absoluta, e inversamente proporcional a la presin que se recibe. Donde: PV =nRT o P1V1/T1=P2V2/ T2 V = volumen n = constanteP = presinn no. de moles o gramosR =constanteT = temperaturaR= 0.0821 (lts)(atm)/ Kmol= 8.31 J/K mol

La combinacin de la Ley de Boyle y la Ley de Charles nos permite establecer una relacin matemtica entre el volumen, temperatura y presin de una muestra determinada de gas. Esta relacin queda formulada as:"La razn entre el producto Presin - Volumen y la Temperatura es una constante".

esta masa gaseosa puede expresarse en trminos de una condicin inicial y una condicin final:

que representa laecuacin general del estado gaseosoy en ella estn includos los tres parmetros que determinan el comportamiento de los gases, donde:P se expresa en atm, mmHg o psigT se expresa en kelvinsV se expresa en litros, sus mltiplos y submltiplos, cm3.

5.3.Termoqumica

La Termoqumica se encarga de estudiar las caractersticas de una reaccin qumica, con respecto al requerimiento o liberacin energtica implicada en la realizacin de los cambios estructurales correspondientes.

Si la energa qumica de los reaccionantes es mayor que la de los productos se produce una liberacin de calor durante el desarrollo de la reaccin, en caso contrario se necesita una adicin de calor. Esto hace que las reacciones se clasifiquen en exotrmicas o endotrmicas segn que liberen o requieran calor.

La reaccin entre hidrxido de sodio y cido clorhdrico es altamente exotrmica, mientras que la reaccin de formacin de xido de magnesio a partir de oxgeno y magnesio es endotrmica.

Ecuaciones TermoqumicasEn termoqumica las reacciones qumicas se escriben como ecuaciones donde adems de las frmulas de los componentes se especifica la cantidad de calor implicada a la temperatura de la reaccin, y el estado fsico de los reactivos y productos mediante smbolos "s" para slidos, "g" para gases, "l" para lquidos y "ac" para fases acuosas. El calor de una reaccin, QR, usualmente se expresa para la reaccin en sentido derecho y su signo indica si la reaccin es exotrmica o endotrmica, de acuerdo a que si

Reaccin exotrmica : QR < 0

Reaccin endotrmica : QR > 0

La siguiente reaccin est escrita en forma de ecuacin termoqumica:Fe2O3 (s) + 3C(grafito) 2Fe(s) + 3CO(g) QR = 492,6 KJ/mol porque se expresan los estados de sus componentes y el calor de reaccin en condiciones estndares. Se entiende que 492.6 KJ es la cantidad de calor requerido en la reaccin, por cada mol de xido frrico que reacciona en estado slido a 25'C y 1 atmsfera de presin.

5.4.Calor de reaccin.

Es el calor liberado o absorbido en una reaccin a condiciones determinadas. Es una propiedad termodinmica de estado cuyo valor, depende principalmente, de la temperatura de la reaccin y se calcula por la diferencia entre las energas qumicas de los productos, Ep, y los reaccionantes, Er, es decir,

QR = Ep - Er

Cuando la suma de los contenidos calricos de los productos excede al de los reaccionantes, la diferencia es la cantidad de calor requerida en la reaccin endotrmica y es de signo positivo. Si la suma de los contenidos calricos de los reaccionantes excede al de los productos la diferencia es la cantidad de calor liberada en la reaccin exotrmica y es de signo negativo

Ley de Hess

La Ley de Hess expresa que: "El calor de una reaccin es independiente del nmero de etapas que constituyen su mecanismo y, por lo tanto, depende slo de los productos (estado final) yreaccionantes (estado inicial)"

5.5.Calor de formacin.

Calor de formacin de una sustanciaEs la cantidad de calor liberado o absorbido en la reaccin de formacin de un mol de una sustancia a partir de sus elementos constituyentes. La reaccin de formacin del bromuro de hidrgeno gaseoso a partir de sus elementos componentes en estado gaseoso y su correspondiente calor de formacin, a condiciones estndares, es: H2(g) + Br2(g) HBr(g) Qf0= -36,38 KJ/molLos compuestos como el bromuro de hidrgeno gaseoso se denominan compuestos exotrmicos porque su reaccin de formacin es exotrmica, en caso contrario se llaman compuestos endotrmicos.Es importante notar que el cambio en el estado material de alguno de los componentes de una reaccin qumica producir un cambio en la cantidad de calor implicada y/o en la naturaleza energtica de la reaccin. En la reaccin de formacin del agua no hay diferencias estructurales al obtenerla en forma gaseosa o lquida, pero energticamente es mayor la cantidad liberada cuando se forma un mol de agua lquida con respecto a la cantidad liberada cuando se forma un mol de agua gaseosa, como se puede observar en las siguientes reacciones de formacinH2(g) + 1/2 O2(g) H2O(g) Qf0= -241.814 KJ/mol.H2(g) + 1/2 O2(g) H2O(1) Qf0= -285,830 KJ/mol

Los calores de formacin son determinados experimentalmente y para su estimacin se asume que el calor de formacin de los elementos en estado libre y en condiciones estndares es cero. LaTabla 1 muestra los calores de formacin de un conjunto de compuestos en condiciones estndares

5.6.Calor de solucin.

Es la variacin de entalpia relacionada con la adicin de una cantidad determinada de soluto a una cantidad determinada de solvente a temperatura y presin constantes.

El proceso de disolucin del Cloruro de Sodio en agua requiere energa, ya que deben separarse el Na+

y el Cl- que se encuentran unidos por fuerzas electrostticas en el cristal y posteriormente solvatarse en el solvente quedando al estado de iones en la solucin. El balance energtico de estos procesos puede dar un resultado positivo o negativo, es decir, en algunos casos se requiere energa para disolver un slido y en otros casos se desprende energa, tambin en forma de calor. En el caso particular de una disolucin, el calor desprendido o absorbido se llama Calor de Disolucin, o mejor Entalpa de Solucin, D Hsoln.

El proceso de disolucin del Na Cl en agua, se puede representar por:

Na Cl(s) H2O Na+ (ac) + Cl- (ac)D Hsoln= 4,0 kJ

5.7.Electroqumica

Electroqumicaes una rama de la qumica que estudia la transformacin entre la energa elctrica y la energa qumica.En otras palabras, las reacciones qumicas que se dan en la interface de un conductor elctrico (llamado electrodo, que puede ser un metal o un semiconductor) y un conductor inico (el electrolito) pudiendo ser una disolucin y en algunos casos especiales, un slido.

Si una reaccin qumica es conducida mediante una diferencia de potencial aplicada externamente, se hace referencia a una electrlisis. En cambio, si la cada de potencial elctrico, es creada como consecuencia de la reaccin qumica , se conoce como un"acumulador de energa elctrica", tambin llamado batera o celda galvnica.

Las reacciones qumicas donde se produce una transferencia de electrones entre molculas se conocen como reacciones redox, y su importancia en la electroqumica es vital, pues mediante este tipo de reacciones se llevan a cabo los procesos que generan electricidad o en caso contrario, son producidos como consecuencia de ella.

En general, la electroqumica se encarga de estudiar las situaciones donde se dan reacciones de oxidacin y reduccin encontrndose separadas, fsicamente o temporalmente, se encuentran en un entorno conectado a un circuito elctrico. Esto ltimo es motivo de estudio de la qumica analtica, en una subdisciplina conocida como anlisis potenciomtrico.

Blibliografiahttp://www.esi2.us.es/DFA/FFII/Apuntes/10_Gases_ideales.pdfhttp://ergodic.ugr.es/termo/lecciones/leccion07.pdfhttp://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/11351/1/Gases%20ideales.pdf