Estado gaseoso: Teoría cinético molecular. Ley de los gases ideales. Ecuación de estado del gas ideal. Estado líquido y sólido: Punto de ebullición, fusión




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PROPIEDADES DEL SOLIDO

Los sólidos presentan las siguientes propiedades específicas, como:

  1. ELASTICIDAD.- Un sólido recupera su forma original cuando es deformado. Un resorte es un objeto en que podemos observar esta propiedad.

  2. FRAGILIDAD.- Un sólido puede romperse en muchos pedazos (quebradizo).

  3. DUREZA.- Un sólido es duro cuando no puede ser rayado por otro más blando. El diamante es un sólido con dureza elevada.

  4. ALTA DENSIDAD.- Los sólidos tienen densidades relativamente altas debido a la cercanía de sus moléculas por eso se dice que son más “pesados”.

  5. FLOTACIÓN.- Algunos sólidos cumplen con esta propiedad, solo si su densidad es menor a la del líquido en el cual se coloca.

  6. TENACIDAD.- En ciencia de los Materiales la tenacidad es la resistencia que opone un material a que se propaguen fisuras o grietas.

  7. MALEABILIDAD.- Es la propiedad de la materia, que presentan los cuerpos a ser labrados por deformación. La maleabilidad permite la obtención de delgadas láminas de material sin que éste se rompa, teniendo en común que no existe ningún método para cuantificarlas.

  8. DUCTILIDAD.- La ductilidad se refiere a la propiedad de los sólidos de poder obtener hilos de ellos.

  9. PUNTO FUSIÓN.- Cuando la temperatura alcanza el punto de fusión la velocidad de las partículas es lo suficientemente alta para que algunas de ellas puedan vencer las fuerzas de atracción del estado sólido y abandonan las posiciones fijas que ocupan. La estructura cristalina se va desmoronando poco a poco.

  10. PRESIÓN DE VAPOR.- Recibe el nombre de vapor la fase gaseosa de cualquier sustancia que en las condiciones ambientales se encuentra en estado sólido o líquido.

Todas las partículas de un sólido o de un líquido tienen siempre una energía de vibración, cuyo valor medio es constante, pero algunas de ellas pueden, en un momento determinado adquirir una energía superior a la media tal que sea suficiente para vencer las fuerzas atractivas de las demás y escaparse en forma de vapor; en este caso se dice que el sólido se sublima o si es un líquido, se evapora.

Cuando en un recipiente cerrado ambas velocidades: la de paso a vapor y la vuelta de éste al sólido o líquido se igualan, se alcanza un equilibrio dinámico manteniéndose constante la cantidad de vapor en el recipiente. Dicho vapor, como un gas que es, ejercerá una cierta presión sobre las paredes del recipiente, la cual recibe el nombre de presión de vapor y depende sólo de la naturaleza del líquido o el sólido y de la temperatura, pero no depende del volumen del vapor; por tanto, los vapores saturados no cumplen la ley de Boyle-Mariotte.

El sólido más ligero conocido es un material artificial, el aerogel, que tiene una densidad de 1,9 mg/cm³, mientras que el más denso es un metal, el osmio (Os), que tiene una densidad de 22,6 g/cm³.

Ejemplo.

Se recoge oxigeno sobre agua a 24ºC. El volumen es 880 mL y la presión total 758 mmHg. Si el agua tiene una presión de vapor a esa temperatura de 22,4 mmHg.

a) ¿Cuál es el volumen de oxigeno seco recogido, medido a C.N.?

b) ¿Cuántos moles de oxigeno hay?

c) ¿Cuántos moles de vapor de agua hay?

Rta.

Tenemos los siguientes datos:

T = 24 + 273 = 297 K

V = 880 mL = 0,88 L

PT = 758 mmHg

Pv = 22,4 mmHg

a) Vs(O2) = ??

Determinamos la presión de O2 seco (presiones parciales de Dalton):

PT = Ps + Pv  Ps(O2) = 758 – 22,4 = 735,6 mmHg

El volumen de oxigeno seco a C.N. será:

, reemplazando valores: , Vs(O2) = 783,3 mL

b) n(O2) = ??

Despejando la ecuación, y reemplazando:



c) nH2O = ??

Reemplazando en la ecuación, tenemos:




    1. ESTRUCTURA CRISTALINA

La estructura cristalina es el concepto que describe la forma como se organizan los átomos en el sólido. La estructura cristalina se determina por difracción de rayos X.

Los sólidos son tridimensionales, por lo tanto las celdas unitarias son tridimensionales, existen 14 tipos diferentes de celdas unitarias agrupadas en 7 sistemas cristalinos (cúbico, tetragonal, ortorrómbico, hexagonal, trigonal, monoclínico, triclínico).

Como ejemplo mencionaremos el sistema cristalino cúbico, en este sistema la celda unitaria es un cubo. El sistema cúbico posee tres estructuras cristalinas:

  1. Estructura cúbica simple

http://tbn2.google.com/images?q=tbn:9mx-cfyccojvmm:http://www.colegiolosrosales.com/sp/estruc/cubico.gif

  1. Estructura cúbica centrada en el cuerpo

http://tbn2.google.com/images?q=tbn:gtiw-jhmmgmwxm:http://www.colegiolosrosales.com/sp/estruc/sccc.gif


  1. Estructura cúbica centrada en la cara

cubo centrado en las caras.bmp




EJERCICIOS

  1. ¿Cómo influye la temperatura en la presión que ejerce un gas?

  2. Tenemos un gas encerrado en un recipiente.

Si disminuimos el volumen del gas manteniendo constante la temperatura, las partículas chocan con __________ (más / menos) frecuencia contra las paredes del recipiente que las contiene: __________ (aumenta / disminuye) la presión sobre las paredes del recipiente.

Si enfriamos el gas manteniendo constante el volumen, __________ (aumentará / disminuirá) la energía cinética media y las partículas del gas chocaran con menos intensidad contra las paredes: __________ (aumenta / disminuye) la presión del recipiente que contiene el gas.

  1. Un aumento de la temperatura, provoca un(a) ___________ (disminución / aumento) de las fuerzas de cohesión al ___________ (aumentar / disminuir) la energía ___________ media de las partículas. Al aumentar la temperatura las partículas se ___________ (alejarán / acercarán) provocando un(a) ___________ (disminución / aumento) del orden; es decir favorecerá una cambio de estado ___________ (progresivo / regresivo).

  2. Indique si es V o F y justifique cada respuesta utilizando la teoría cinético- molecular:

a) El amoníaco gaseoso si se encuentra a altas presiones y altas temperaturas tiene un comportamiento que se acerca al ideal.

b) La presión de un gas en un recipiente de volumen constante aumenta cuando se incrementa la temperatura.

  1. ¿Por qué los gases obedecen leyes más sencillas que los líquidos o los sólidos?

  2. ¿Por qué se elevan los globos?

  3. ¿Qué pasa con la presión de aire cuando se infla un neumático sin que varíe significativamente el volumen?

  4. ¿A qué se debe que algunos frascos de conserva cerrados al vacío se abran más fácilmente cuando se hace un pequeño agujero en su tapa? Explica la razón para tal afirmación.

  5. Cuando se sube a un cerro alto, se tapan los oídos. ¿Por qué crees que ocurre este fenómeno?

  6. ¿Por qué los neumáticos de los automóviles deben ser inflados a menos presión antes de iniciar un viaje largo? ¿Qué les pasa a los neumáticos de este mismo automóvil cuando viaja a la nieve?

  7. Expresa una presión de 685 Torr en las siguientes unidades: mm de Hg; atm; Pa.

  8. Las dimensiones de una piscina rectangular son 25 m de largo, 12 m de ancho y 2 m de profundidad. Encontrar:

a) La presión manométrica en el fondo de la piscina.

b) La presión absoluta en el fondo de la piscina en condiciones atmosféricas normales, al nivel del mar.

  1. En un determinado lugar la presión atmosférica es 0,66 atm. Si se construyera un barómetro con agua, ¿Qué altura alcanzaría? ¿Cuál sería la densidad de una sustancia para que la altura de un barómetro fuera 2 m?

  2. La temperatura en un salón es 24°C. ¿Cuál será la lectura en la escala Fahrenheit?

  3. Un médico inglés mide la temperatura de un paciente y obtiene 106°F. ¿Cuál será la lectura en la escala Celsius?.

  4. Cierta escala termométrica °X adopta los valores 10°X y 510°X, respectivamente, para el punto de solidificación y ebullición del agua. Determine: a) la ecuación de conversión entre la escala °X y la escala °C; b) la ecuación de conversión entre la escala °X y la escala °F; y c) cuánto corresponde en la escala °X el valor de 30°C.

  5. En presencia de hielo una columna líquida de mercurio alcanza 2 cm de altura y en presencia de vapor de agua alcanza 6 cm. Determinar: a) la ecuación termométrica en la escala °C y b) la temperatura de un cuerpo para el cual la columna líquida mide 3,5 cm.

  6. Determinar la temperatura que en escala Fahrenheit es expresada por un número cuatro (4) veces mayor que el correspondiente en la escala Celsius.

  7. ¿Cuánto aumenta la presión en el interior de un globo si lo comprimimos hasta reducir su volumen a un tercio de su valor original?

  8. Si se eleva el pistón de una bomba de vacío de tal manera que el volumen de la cámara de aire aumente 5 veces, ¿cuál es el cambio en la presión?

  9. En la tabla se presentan algunos resultados tipo del experimento de Boyle:

P (mmHg)

724

869

951

998

1230

1893

2250

V (L)

1,50

1,33

1,22

1,16

0,94

0,61

0,51

a) Calcula los valores de la presión en kilopascales.

b) Utiliza los datos de la tabla y haz una gráfica con los valores del volumen en el eje de abscisas y los valores de la presión en el eje de las ordenadas.

c) Calcula la inversa del volumen (1/V). Haz una gráfica donde en el eje de las abscisas esté el valor de 1/V y en el eje de las ordenadas el valor de la presión.

d) Multiplica cada valor de la presión por su correspondiente valor del volumen.

e) Con los valores de la tabla y tus gráficas responde:

1.- ¿Qué tipo de gráfico da P vs V?

2.- ¿Qué tipo de gráfico da P vs 1/V?

3.- ¿Qué significa que obtengas una recta? ¿Cuál es la relación entre P y 1/V?

4.- ¿Cuánto vale la pendiente de la recta?

  1. ¿A qué presión se encontrará un gas confinado a un volumen de 2,6 m3, si su presión es de 5,0 . 10 5 N/m2 y su volumen es de 1,0 m3 a temperatura constante?

  2. Un tanque de buceo se considera un recipiente hermético, si lo llenamos con 2 m3 de aire comprimido a una presión de 764 Pa a una temperatura ambiente de 29oC. ¿Qué presión soportaría si la temperatura disminuye a 22oC?

  3. El gas de un globo aerostático, ocupa un volumen de 3 m3 a una temperatura de 25oC, ¿A cuántos grados centígrados alcanzará los 5 m3, si se mantiene el sistema a presión constante?

  4. La presión que actúa sobre 0,63 m3 de un gas a 28oC, se mantiene constante al variar su temperatura hasta 34oC. ¿Qué nuevo volumen ocupará el gas?

  5. Se recogió un gas a 25ºC en un recipiente de 350 mL hasta que la presión del gas fue de 650 torr. La muestra de gas pesó 0,207 g a 25ºC. Calcular el peso molecular o masa molecular del gas.

  6. Se determino que la densidad de un gas era 1,34 g/L a 25ºC y 760 mmHg. Calcular la masa molecular del gas.

  7. La presión que actúa sobre 0,63 m3 de un gas a 28oC, se mantiene constante al variar su temperatura hasta 34oC. ¿Qué nuevo volumen ocupará el gas?

  8. Una masa de hidrógeno gaseoso ocupa un volumen de 3 L a una temperatura de 42ºC y una presión absoluta de 684 mm de Hg. ¿Cuál será su presión absoluta si su temperatura aumenta a 58ºC y su volumen es de 3,5 L?

  9. Un gas que está dentro de un recipiente de 6 litros se le aplica una presión absoluta de 1265 mm de Hg y su temperatura es de 14ºC. ¿Cuál será su temperatura si ahora recibe una presión absoluta de 940 mm de Hg y su volumen es de 4,8 L?

  10. Cierta cantidad de gas está sometida a una presión de 65,0 cm de Hg en un volumen de 500 mL a 0ºC. ¿Qué presión ejercerá la misma cantidad de gas en un volumen de 700 mL a 100ºC?

  11. Una masa de hidrógeno gaseoso (H2) ocupa un volumen de 180 litros en un deposito a una presión 0,9 atmósferas y una temperatura de 16ºC. Calcular:

a) ¿Cuántos moles de hidrógeno se tienen?

b) ¿A qué masa equivale el número de moles contenidos en el depósito?

  1. ¿A qué temperatura estará el CO2 gaseoso, cuando su densidad es 2,0 g/L a una presión de 1 atm?

  2. ¿Cuál es el volumen de un recipiente lleno de gas que contiene 4,0 moles de helio a una presión atmosférica de 748 mmHg y una temperatura de 30ºC?

  3. ¿Cuántos moles de gas helio (He) hay en un cilindro de 8 litros, cuando la presión es de 2,5 x105 N/m² y la temperatura es de 37ºC? ¿Cuál es la masa del helio?

  4. Una mezcla de 5,0 g de O2, 15,0 g de N2 y 12,0 g de CO2 está contenida en un volumen de 1,0 L a 27ºC. ¿Cuál es la presión total?

  5. Un recipiente de 2,48 L de volumen contiene un gas a 200 mm de Hg de presión y 300 K. Si se adicionan 0,048 moles de otro gas, ¿Cuál será la presión alcanzada?

  6. Una mezcla de gases a 20ºC tiene una presión parcial de 81,0 mmHg de O2, 104,0 mmHg de CO y 250 mmHg de CO2. ¿Cuál es la densidad de la mezcla?

  7. En un recipiente de 25 L se encierran, a 25 ºC, 15 g de dióxido de carbono y 20 g de monóxido de carbono.

a) ¿Cuál será la presión total ejercida?

b) ¿Cuál será la presión parcial que ejerza cada uno de los gases?

  1. Calcúlese la velocidad relativa de efusión del hidrogeno y el oxigeno en idénticas condiciones.

  2. El NH3 y el HBr, ambos gaseosos, se difunden en sentidos opuestos, a lo largo de un tubo estrecho. ¿En qué parte del tubo se encontraran para formar NH4Br?

  3. El neón contiene los isotopos 20Ne y 22Ne (pesos atómicos 20,0 y 22,0 respectivamente). ¿Cuál será la relación de sus velocidades de difusión en iguales condiciones?

  4. Los gases NH3 y BF3 reaccionan para formar un sólido blanco. Si los dos gases comienzan a difundirse en sentidos opuestos, a través de un tubo estrecho, ¿en qué zona del tubo aparecerá el sólido blanco?

  5. Los isotopos 235U y 238U se separan utilizando la diferencia de velocidad de difusión de sus hexafluoruros gaseosos, 235UF6 y 238UF6. ¿Cuál de los compuestos se recoge antes?

  6. Si la densidad del hidrogeno es 0,090 g/mL y su velocidad de efusión es 6 veces mayor que la del cloro gaseoso, ¿Cuál es la densidad del cloro?

  7. ¿Cuánto más rápido escapar el hidrogeno a través de una membrana porosa en comparación con el dióxido de azufre?

  8. ¿Por qué algunos insectos se mantienen suspendidos sobre el agua?

  9. Después de que un mecánico introduce un anillo de acero caliente, que ajusta firmemente a un cilindro de latón muy frío, ya no hay modo de separar los dos, de modo que queden intactos. ¿Puedes explicar por qué es así?

  10. Los sólidos, ¿tienen movimiento al aumentar la temperatura?

  11. Se vaporiza una masa 1,225 g de un líquido volátil dando 400 mL de vapor cuando se mide sobre agua a 30ºC y 770 torr. Si la Pv del agua a 30ºC es de 32 torr, ¿Cuál es la masa molecular de la sustancia?


BIBLIOGRAFÍA
1) Química, para Postulantes a medicina, ciencias e ingeniería/A. Salcedo/Edt. San Marcos/Perú/1992

2) Química/C. Briceño, L. Rodríguez/Edt. Educativa/Colombia/1994

3) Química General, problemas y ejercicios/Edt. Addison-Wesley Iberoamericana/U.S.A/1991

4) Química General/K. Whitten, K. Gailey, R. Davis/Edt. Mc Graw Hill/España/1994

5) Química/R. Chang/Edt. Mc Graw Hill/México/1992

6) Principios de Química. Los caminos del descubrimiento/P. Atkins, L. Jones/Editorial Panamericana/ México/2006.
AUTO EVALUACIÓN

  1. Un aumento de la presión, provoca un(a) _________ (mayor / menor) acercamiento de las partículas que componen la sustancia y, por tanto, un(a) _________ (aumento / disminución) del orden; es decir, favorecerá un cambio de estado _________ (regresivo / progresivo).

  2. ¿Qué sucedería si las moléculas de un gas permanecieran estáticas: aumentaría, seguiría igual o descendería la presión creada por el gas?

  3. ¿Por qué cuando se están cocinando los alimentos se sienten los aromas desde lejos, en cambio cuando se prepara una ensalada no?

  4. ¿Por qué el hielo flota en el agua?

  5. Explique con sus palabras, ¿en qué consisten las presiones: manométrica, barométrica y absoluta?

  6. ¿Cuál es la presión a 1 m y a 10 m de profundidad desde la superficie del mar? Suponga que ρ = 1,03.103 Kg/m3 como densidad del agua de mar y que la presión atmosférica en la superficie del mar es de 1,01.105 Pa. Suponga además que a este nivel de precisión la densidad no varía con la profundidad.

  7. ¿Qué es el cero absoluto de temperatura? ¿A cuántos grados centígrados equivale?

  8. ¿Por qué al caminar por mucho tiempo los zapatos nos aprietan?

  9. Un termómetro es graduado en una escala °Y tal que a 20°C corresponden a 30°Y; y 120°C corresponden a 300°Y. ¿Cuál es el valor en la escala °Y que corresponde a 50°C?

  10. En la siguiente grafica:

P ¿Cuál de los tres volúmenes (V1, V2, V3) es mayor?

V1 V2 Justifique su respuesta.

V3

T

  1. Cierta cantidad de gas a 25ºC y una presión de 0,800 atm se encuentra en un recipiente de vidrio. Suponga que el recipiente puede soportar una presión de 2,00 atm. ¿Cuánto se puede aumentar la temperatura del gas sin romper el recipiente?

  2. ¿A qué temperatura ocupará un volumen de 150 litros, a la presión de 103,5 kPa una masa de oxígeno, cuyo volumen es de 200 litros a la temperatura de 97ºC y presión de 100,8 kPa ?

  3. Un globo de aire caliente tiene un volumen de 10,0 m3 y contiene aire a 100ºC. El tejido del globo (excluido el aire que contiene) pesa 1,0 kg. Si el aire exterior esta a 27ºC, ¿Cuál es la carga máxima que el globo puede levantar? Supóngase que la presión es 1 atm dentro y fuera del globo y considere el peso molecular del aire igual a 29.

  4. La mezcla de 40,0 g de oxígeno y de 40,0 g de helio tiene una presión total 0,9 atm. ¿Cuál es la presión parcial del oxígeno?

  5. ¿Por qué las moléculas de oxigeno se mueven más lentamente que las de nitrógeno a igual temperatura?

  6. Se tiene iguales cantidades de helio y nitrógeno en matraces iguales, en las mismas condiciones de presión y temperatura. Si el nitrógeno se escapa a razón de 75 mL/h, ¿Cuál será la velocidad de efusión del helio?

  7. ¿Cómo sube el agua en las plantas de las raíces a las hojas?

  8. Se tiene dos tubos de diferentes diámetros, ¿en qué tubo el líquido ascenderá más?

  9. Imagina que cortas un trozo pequeño en un anillo metálico. Si calientas el anillo, el hueco, ¿será más ancho o más angosto?

  10. ¿En que se diferencian los sólidos cristalinos de los amorfos?
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