4. GASEOSO ECUACIONES GENERALES DE GASES Y LEY DE DALTON.pdf

Titulo Estado gaseoso: Ecuación general de los gases, ley de Dalton Nombre Italo Andrade Instituto Intesud Curso 1semestre Protección Medio Ambiente...

Titulo Estado gaseoso: Ecuación general de los gases, ley de Dalton Nombre Italo Andrade Instituto Intesud Curso 1semestre Protección Medio Ambiente Nombre Del Docente Marcelo Cabrera Fecha 31/07/24 El Estado Gaseoso: Características y Comportamiento 1. Introducción El estado gaseoso es uno de los tres estados fundamentales de la materia, junto con el sólido y el líquido. Se caracteriza por la gran separación entre sus partículas, lo que le confiere propiedades únicas. Los gases desempeñan un papel crucial en la naturaleza y en nuestra vida cotidiana, desde el aire que respiramos hasta los procesos industriales que sustentan nuestra economía. 2. Características principales del estado gaseoso Los gases presentan varias características distintivas: Variables de Forma y volumen: Los gases se adaptan a la forma y volumen del recipiente que los contiene. Bajas: En comparación con líquidos y sólidos, los gases tienen una densidad mucho menor. Compras: Los gases pueden comprimirse fácilmente, reduciendo significativamente su volumen. Expansibilidad: Pueden expandirse para ocupar todo el espacio disponible. 3. Propiedades físicas de los gases Las principales propiedades físicas de los gases son: Presión: La fuerza por unidad de área ejercida por las moléculas del gas. Volumen: El espacio ocupado por el gas. Temperatura: Medida de la energía cinética promedio de las moléculas del gas. 4. Leyes de los gases Varias leyes describen el comportamiento de los gases: Ley de Boyle: El volumen de un gas es inversamente proporcional a su presión a temperatura constante. Ejemplo: Cuando buceamos, al descender en el agua, la presión aumenta. Esto causa que el volumen de aire en nuestros pulmones disminuya. Si un buzo tiene 6 litros de aire en sus pulmones en la superficie (1 atm), a 10 metros de profundidad (2 atm), el volumen se reducirá a 3 litros Ley de Charles: El volumen de un gas es directamente proporcional a su temperatura a presión constante. Ejemplo: Un globo aerostático se eleva porque el aire caliente dentro del globo se expande, aumentando su volumen y disminuyendo su densidad. Si un globo contiene 1000 m³ de aire a 20°C y se calienta a 50°C, su volumen aumentará a aproximadamente 1103 m³.  Ley de Gay-Lussac: La presión de un gas es directamente proporcional a su temperatura a volumen constante. Ejemplo: En un automóvil, la presión de los neumáticos aumenta después de un viaje largo debido al calentamiento por fricción. Si la presión inicial es de 32 psi a 20°C, después de un viaje que eleva la temperatura a 40°C, la presión podría aumentar a cerca de 34 psi. Ley de los gases: Relaciona presión, volumen y temperatura en una sola ecuación. Ecuación General de los Gases La ecuación general de los gases, también conocida como ecuación de estado del gas ideal, es una de las fórmulas más importantes en el estudio de los gases. Esta ecuación combina las leyes de Boyle, Charles y Gay-Lussac en una sola expresión matemática: PV = nRT Donde: P es la presión del gas V es el volumen del gas n es el número de moles del gas R es la constante universal de los gases (8.314 J/(mol·K)) T es la temperatura absoluta del gas en Kelvin Esta ecuación permite calcular cualquiera de estas variables si se conocen las demás. Es importante notar que: 1. Esta ecuación asume condiciones ideales, lo que significa que funciona mejor para gases a bajas presiones y altas temperaturas. 2. Para gases reales, especialmente a altas presiones o bajas temperaturas, pueden ser necesarias ecuaciones más complejas que tomen en cuenta las interacciones moleculares. 3. La ecuación general de los gases es fundamental en muchos cálculos en química, física e ingeniería, permitiendo predecir el comportamiento de los gases bajo diferentes condiciones. Ley de Dalton (Ley de las presiones parciales) La Ley de Dalton, propuesta por John Dalton en 1801, es fundamental para entender el comportamiento de las mezclas de gases. Esta ley establece que: La presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales de cada gas componente. Matemáticamente, se expresa como: P_total = P_1 + P_2 + P_3 +... + P_n Donde:  P_total es la presión total de la mezcla P_1, P_2, P_3,..., P_n son las presiones parciales de cada gas componente Aspectos importantes de la Ley de Dalton: 1. Presión parcial: Es la presión que ejercería cada gas si ocupara solo el volumen total de la mezcla a la misma temperatura. 2. Independencia de los gases: La ley asume que cada gas en la mezcla se comporta como si los otros gases no estuvieran presentes. 3. Relación con la fracción molar: La presión parcial de un gas en una mezcla es igual a su fracción molar multiplicada por la presión total. P_i = X_i * P_total, donde X_i es la fracción molar del gas i. Ejemplo: El aire que respiramos es una mezcla de gases. A nivel del mar (presión total 1 atm), está compuesto aproximadamente por: 78% nitrógeno: presión parcial = 0.78 atm 21% oxígeno: presión parcial = 0.21 atm 1% otros gases: presión parcial = 0.01 atm La suma de estas presiones parciales es igual a la presión total: 0.78 + 0.21 + 0.01 = 1 atm EJERCICIOS En un recipiente de 2 litros se tienen 0.5 moles de nitrógeno (N₂) y 0.3 moles de oxígeno (O₂) a una temperatura de 27°C. Calcula la presión parcial de cada gas y la presión total de la mezcla. Paso 1: Identificar los datos dados Volumen (V) = 2 L Moles de N₂ (n₁) = 0.5 mol Moles de O₂ (n₂) = 0.3 mol Temperatura (T) = 27°C = 300 K (convertimos a Kelvin) Constante de los gases (R) = 0.08206 L·atm/(mol·K) Paso 2: Calcular la presión parcial de N₂ usando la ecuación de los gases ideales P₁ = (n₁ · R · T) / V P₁ = (0.5 mol · 0.08206 L·atm/(mol·K) · 300 K) / 2 L P₁ = 6.15 atm Paso 3: Calcular la presión parcial de O₂ P₂ = (n₂ · R · T) / V P₂ = (0.3 mol · 0.08206 L·atm/(mol·K) · 300 K) / 2 L P₂ = 3.69 atm Paso 4: Calcular la presión total usando la Ley de Dalton Ptotal = P₁ + P₂ Ptotal = 6.15 atm + 3.69 atm Ptotal = 9.84 atm Por lo tanto, la presión parcial de N₂ es 6.15 atm, la presión parcial de O₂ es 3.69 atm, y la presión total de la mezcla es 9.84 atm. Referencias Atkins, P. W., & De Paula, J. (2006). Atkins' Physical Chemistry (8th ed.). Oxford University Press. Chang, R., & Goldsby, K. A. (2013). Chemistry (11th ed.). McGraw-Hill Education. Cengel, Y. A., & Boles, M. A. (2014). Thermodynamics: An Engineering Approach (8th ed.). McGraw-Hill Education. Dalton, J. (1802). On the Expansion of Elastic Fluids by Heat. Memoirs of the Literary and Philosophical Society of Manchester, 5(2), 595-602. Feynman, R. P., Leighton, R. B., & Sands, M. (2011). The Feynman Lectures on Physics, Vol. I: The New Millennium Edition: Mainly Mechanics, Radiation, and Heat. Basic Books. Levine, I. N. (2008). Physical Chemistry (6th ed.). McGraw-Hill Education. McQuarrie, D. A., & Simon, J. D. (1997). Physical Chemistry: A Molecular Approach. University Science Books. Silbey, R. J., Alberty, R. A., & Bawendi, M. G. (2004). Physical Chemistry (4th ed.). Wiley. Zumdahl, S. S., & DeCoste, D. J. (2016). Chemical Principles (8th ed.). Cengage Learning.