MAT01 FISICOQUIMICA.pdf
- 1. MANUAL DE FISICOQUIMICA JANETTE ROSARIO RAMOS PINEDA Puno - Perú 2022-I
- 2. FISICOQUÍMICA 1. CONCEPTO La fisicoquímica comprende el estudio de fenómenos que no pueden ser estudiados desde el punto de vista puramente físico ó desde el punto de vista puramente químico y por lo tanto requiere de métodos fisicoquímicos. La fisicoquímica explica el comportamiento de los fenómenos materiales penetrando en el campo molecular ó atómico. La fisicoquímica constituye las bases teóricas de toda la química. Tiene como propósito predecir y controlar el fenómeno químico. Estudiando la influencia que sobre las reacciones químicas tienen la temperatura, presión concentración y la catálisis, la fisicoquímica nos ha dado una percepción nueva del mecanismo de las transformaciones químicas y ha hecho posible fijar las condiciones más convenientes para un efecto dado. La fisicoquímica comprende el estudio de las relaciones entre la materia y la energía. 2. UTILIDAD DE LA FISICOQUÍMICA La aplicación a la práctica de los estudios teóricos, primeros hechos en el campo de la fisicoquímica, ha sido en general en las últimas décadas; Así tenemos: - La viscosidad.- Utilizado en estudios fisiológicos en lubricación y movimientos de líquidos por tuberías. - Tensión superficial.- Es un fenómeno importante en la química de los coloides y en la concentración de minerales por el método de flotación. CAPÍTULO 01
- 3. Las medidas de las tensiones de vapor son necesarias para la separación de líquidos por destilación fraccionada en varias industrias tales como la del alcohol etílico, petróleo y solventes. - El tamaño de las partículas.- Es importante en cerámica, flotación de minerales y en los pigmentos para pinturas. - La adsorción.- Encuentra aplicaciones en varias purificaciones, pinturas, desinfección de superficies. - Control de pH.- Tiene una amplia aplicación en el laboratorio y en la industria como fenómenos biológicos tales como la estabilidad de las proteínas, eficacia de las enzimas y crecimiento de los microorganismos, dependen grandemente del pH del sistema. 3. SISTEMAS DE UN GAS El gas es un estado de la agregación de la materia que se caracteriza por ocupar completamente el volumen de un recipiente con una densidad uniforme. No posee volumen constante ni forma definida. 4. TEORIA CINETICA DE LOS GASES Esta teoría proporciona un modelo teórico de la estructura de los gases gracias al cual se puede comprender el comportamiento de la materia en este estado de agregación. Tiene los siguientes postulados: a) Los gases están constituidos por partículas diminutas denominadas moléculas que tienen la misma masa y tamaño para un mismo gas, estos varían con la naturaleza del gas. b) Las moléculas en el interior del recipiente que contiene el gas poseen un movimiento incesante y caótico como producto del cual chocan entre si y con las paredes del recipiente. c) La presión del gas es el resultado de los choques de las moléculas en las paredes del recipiente.
- 4. d) Si se fuerza a un gas a ocupar un menor volumen se incrementa el número de choques por unidad de área, por consiguiente la presión del gas se incrementa. e) Si se tiene confinado un gas en un recipiente de manera que no exista fuga, la presión del gas no disminuye con el tiempo lo que permite deducir que los choques de las moléculas son perfectamente elásticos por lo tanto no existe perdida de energía en las colisiones moleculares. f) El volumen ocupado por las propias moléculas es muy pequeño en comparación al volumen total ocupado por el gas, debido a que los diámetros moleculares son muy pequeños en comparación a las distancias intermoleculares a causa de ella también las fuerzas de atracción intermoleculares son despreciables. Por su tamaño diminuto, las moléculas son consideradas g) La energía cinética de las moléculas es proporcional a la temperatura absoluta del gas de manera que si se incrementa el movimiento molecular por lo tanto es mayor la energía cinética, también es mayor el número de choques intermoleculares y de las moléculas con las paredes del recipiente por consiguiente otra consecuencia es de que se incrementa la presión del gas. 5. FUERZAS ATRACTIVAS Y REPULSIVAS DE LOS GASES En el estado gaseoso las moléculas están afectadas de dos tendencias opuestas, debido a las siguientes causas: a) Por la energía Cinética, que poseen las moléculas y que representa un movimiento continuo y al azar, las moléculas tienden a separarse unas de otras, originando que estén distribuidas uniformemente en todo el espacio disponible. Esta tendencia, que es la dispersión, depende exclusivamente de la temperatura. b) Debido a las fuerzas atractivas entre las moléculas que tienden a juntarlas en una masa concentrada, sin que ocupen necesariamente el espacio total disponible, las moléculas presentan una cierta tendencia de agregación. En los gases, la cohesión alcanza su valor mínimo y como consecuencia las moléculas de los mismos están dotadas de la máxima movilidad, chocando
- 5. unas contra otras y con las paredes del recipiente que las contiene, debido a lo cual los gases no tienen forma. 6. UNIDADES UTILIZADAS EN GASES Presión.- Es la fuerza por unidad de área que ejercen los gases. P= F/A Clases de Presión 1. Presión atmosférica ó barométrica (Pb) 2. Presión Manométrica o relativa (Pm) 3. presión absoluta (Pa) Pa= Pb + Pm Equivalencias 1atm = 760 mmHg = 760 Torr = 1033 g-f/cm2 = 1,033 Kg/ cm2 = 14,7 lb/pulg2 = 1,01325x105 Pa (pascal). Nota: Pascal = N/m2 Temperatura.- Es la medida del flujo de calor de un cuerpo. Se tiene dos escalas de temperatura. 1. Relativas.- Centígrado (ºC) Ferenheit (ºF) 2. Absolutas.- Kelvin (K) Ranking (R) Conversiones de Escalas ºC = 5/9 (ºF-32)
- 6. ºF = 9/5 ºC+32 K = ºC +273 ºC = K – 273 R= ºF +460 °F = R - 460 EJERCICIOS DE APLICACIÓN 1. Convertir 350 °R a °C, °F 2. Convertir 120°F a K, °R 3. En Huancayo la temperatura ambiente es de 45°F y en Lima es 15 °C. Si ambas descienden en 10 °C. ¿Cuál es la diferencia de las temperaturas finales en grados rankine? 4. Una mezcla refrigerante de hielo seco alcohol isopropílico tiene una temperatura de -78°C ¿Cuál es la temperatura en Kelvin? EJERCICIOS COMPLEMENTARIOS 1. ¿Cuál es la temperatura más baja, 20°F ó -0°C? 2. ¿Cuál es la diferencia en temperatura entre 86°F y 25°C? 3. El oxígeno líquido hierve a - 297,4 °F y congela a - 361 °F. Calcular estas temperaturas: a) en grados centígrados; b) en grados absolutos Kelvin.
- 7. ESTADO GASEOSO 2.1 LEYES DE LOS GASES IDEALES O PERFECTOS 2.1.1 LEY DE BOYLE Formulada en 1662 en Inglaterra por Roberto Boyle, también se le conoce con el nombre de la Ley de Boyle y Mariotte. Porque este último lo enuncio independientemente en Francia unos quince años más tarde. Es la llamada Ley de las ISOTERMAS, porque durante el fenómeno que relata, la temperatura de la masa de gas debe permanecer constante. Se enuncia de la siguiente manera: “A temperatura constante el volumen de cualquier masa de gas es inversamente proporcional a la presión que soporta” V ∝ 1 p a temperatura cte. Introduciendo la constante de proporcionalidad se tiene: V = K P PV = K Donde: P = Presión V = Volumen K=Cte. de proporcionalidad CAPÍTULO 02
- 8. Considerando el estado inicial y la final del gas, ósea que si el gas pasa de las condiciones 1 a las condiciones 2, se tendrá: 𝑉1 𝑣2 = 𝑃2 𝑃1 … ……. (1) Ahora, si esta misma masa de gas que se encuentra a las condiciones de presión P2 y volumen V2, la pasamos a las condiciones 3, resulta que: 𝑃2 𝑃3 = 𝑉3 𝑉2 P2V2 = P3V3 ……………….. (2) Comparando (1) con (2), tenemos 𝑃1 𝑉1 = 𝑃2 𝑉2 = 𝑃3 𝑉3 ……………. Constante K (3) Generalizando, “para un mismo gas a una temperatura dada, siempre el producto de la presión por su volumen respectivo es constante” (𝑃𝑉)𝑇 = K Siendo su gráfica Donde: T1 < T2 < T3 Ahora si una masa “m” de un gas que pasa del volumen V1 a V2 por cambio de presión P1 a P2, tiene en sus condiciones primera y segunda las densidades 𝜌1 y 𝜌2, donde la densidad se expresa por la letra griega 𝜌 y resulta que: P1V1 = P2V2
- 9. m = v1 ρ1 = v2 ρ2 “La ley de Boyle es exacta solo para gases ideales”. Se entiende como gas ideal ó gas perfecto a aquel en el cual tiende a cero el valor de las fuerzas atractivas de las moléculas y es despreciable el pequeño volumen propio de las moléculas frente al gran volumen que ocupa el gas. Para los gases reales la Ley de Boyle No es exacta, porque es una ley limite. Ejemplo 1: Se desea comprimir 10 litros de O2, a temperatura ambiental, que se encuentra a 90 kPa, hasta un volumen de 500ml. ¿Qué presión atmosférica hay que aplicar? Resolución: Paso 1: Colocar datos del problema Estado inicial (1) Estado final (2) V1 = 10 L V2= 500ml = 0,5 L P1 = 90kPa P2 = ? T1 = Cte T2= Cte Paso 2: Aplicar la fórmula respectiva P1V1 = P2V2 P2 = P1V1 V2 Paso 3: Reemplazar los valores en la ecuación P2 = (90 kPa)(10 L) 0,5 L 𝑉1 𝑉2 = 𝜌2 𝜌1
- 10. P2 = 1800kpa x 1 atm 101,3 kpa Ejemplo 1: Una muestra de nitrógeno gaseoso ocupa 20 ml a 27°C y a una presión de 800 mmHg ¿ qué volumen ocupará la muestra a 27°C y 760 mmHg?. Ejemplo 2: El CO2 gaseoso ocupa 2 litros a 8 atm de presión. Si lo trasladamos íntegramente a un recipiente de 10 litros de capacidad, ¿Qué presión ejercerá? El proceso fue isotérmico. Ejemplo 3: Un balón de acero de 30 litros de capacidad contiene propano (C3H8) a 3 atm de presión. Si se abre completamente la válvula y se deja expandir hasta la presión normal; ¿Qué volumen de C3H8 a presión normal habrá ocupado? El proceso se realizó a temperatura constante. EJERCICIOS COMPLEMENTARIOS 1. 4.0 L de un gas están a 0.833 mmHg de presión. ¿Cuál será su nuevo volumen si aumentamos la presión hasta 800.0 mmHg? 2. Una masa de oxígeno ocupa 40,0 pie cubo a 758 torr. Calcúlese el volumen a 635 torr, manteniendo la temperatura constante. 3. Diez litros de hidrógeno a 1 atm de presión están contenidos en un cilindro que tiene un pistón móvil. El pistón se mueve hasta que la misma masa de gas ocupa 2 litros a la misma temperatura. Encuéntrese la presión en el cilindro. P2 = 17,77 atm
- 11. 2.1.2 LEY DE CHARLES A presión constante el volumen de una determinada masa de gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta. - Si la temperatura del gas aumenta, el volumen aumenta. - Si la temperatura del gas disminuye, el volumen disminuye. Siendo su expresión la siguiente: Vα T Introduciendo la constante de proporcionalidad K V= KP V T = K Donde: V = Volumen T= Temperatura absoluta K= Cte de proporcionalidad Considerando el estado inicial y final del gas. V1 T1 = V2 T2 Por consiguiente se tiene: Todo esto se explica mediante su correspondiente grafica: V1T2 = V2T1
- 12. Ejemplo 1: Una masa de gas ocupa 600 cm3 a 25°C. Si la Presión se mantiene constante ¿Cuál será el volumen de dicho gas? La masa del gas se encuentra a -5°C. Resolución: Paso 1: Colocar datos del problema Estado inicial (1) Estado final (2) V1 = 600 cm3 V2= ? T1 = 25°C + 273 T2 = -5°C+273 P1 = Cte P2= Cte Paso 2: Aplicar la fórmula respectiva V1T2 = V2T1 V2 = V1T2 T1
- 13. Paso 3: Reemplazar los valores en la ecuación V2 = (600 cm3)( 268 K) 298 K Ejemplo 2: Un gas ocupa un volumen de 50ml medidos a una temperatura de 20°C. ¿qué volumen ocupará a 5 °C, si se mantiene la presión constante? Ejemplo 3 Cierta masa de gas ocupa un volumen de 40 ml a la temperatura de 15 °C. Expresar en grados centígrados a que temperatura deberá ser llevada esa misma masa gaseosa para que su volumen se reduzca a la mitad, si la presión permanece constante. Ejemplo 4 A presión constante, un volumen de 600 cm3 de gas sufre un calentamiento de 104 °F a 122 °F ¿ Cual es el nuevo volumen que ocupa el gas? Expresarla en litros. Ejemplo 5 Una vasija abierta es calentada de 27°C a 227°C ¿qué porcentaje en volumen de aire habrá escapado?. Ejemplo 6 Un globo cuyo volumen es de 2 litros y a temperatura ambiental, 25°C, se coloca dentro de una refrigeradora un buen rato, donde la temperatura promedio es de 1°C ¿Cual es el nuevo volumen del aire dentro del globo?. El volumen expresarlo en ml. V2 = 539.59 cm3
- 14. EJERCICIOS COMPLEMENTARIOS 1. Un volumen gaseoso de un litro es calentado a presión constante desde 18 °C hasta 58 °C, ¿qué volumen final ocupará el gas?. 2. El volumen inicial de una cierta cantidad de gas es de 200 cm3 a la temperatura de 20ºC. Calcula el volumen a 90ºC si la presión permanece constante. 3. Una masa de nitrógeno ocupa un volumen de 70 litros a 16ºC. si la presión se mantiene constante, ¿Cuál será el volumen si se cambia la temperatura a -30ºC? 4. Se tiene un gas a una temperatura de 25° C y con un volumen de 70 cm3 , a una presión de 586 mm Hg. ¿Qué volumen ocupará este gas a una temperatura de 0°C si la presión permanece constante?. 5. Si 100 g de un gas, a 1 atm de presión, llenan un recipiente de 30 litros de capacidad a 90°C ¿Qué temperatura alcanzará el gas si el volumen aumenta a 60 litros, manteniendo la misma cantidad de gas a presión constante? 6. Una vasija abierta, cuya temperatura es de 10 °C se calienta, a presión constante, hasta 400 °C. Calcular la fracción del peso de aire inicialmente contenido en la vasija, que es expulsado 2.1.3 LEY DE GAY LUSSAC: PROCESO ISÓCORO Ó ISOMÉTRICO Si el volumen de un gas permanece constante (proceso isocoro) para una cierta masa de un gas, su presión absoluta varía directamente de forma proporcional con la temperatura. Matemáticamente podemos plantearlo de la siguiente manera “a Volumen constante la presión que ejerce una masa gaseosa es directamente proporcional a su temperatura absoluta” P α T Introduciendo la constante de proporcionalidad K
- 15. P= KT 𝑃 𝑇 = 𝐾 Donde: P = Presión T= Temperatura absoluta K= Cte de proporcionalidad Considerando el estado inicial y final del gas tenemos: Gráficamente la ley de Gay – Lussac queda representada así: P1 T1 = P2 T2
- 16. EJEMPLOS DE APLICACIÓN Ejemplo 1: Un gas, a una temperatura de 35°C y una presión de 440 mmHg, se calienta hasta que su presión sea de 760 mm de Hg. Si el volumen permanece constante, ¿Cuál es la temperatura final del gas en °C Resolución: Paso 1: Colocar datos del problema Estado inicial (1) Estado final (2) T1 = 35°C +273= 308 K T2= ? P1 = 440 mmHg P2 = 760 mmHg V1 = Cte V2= Cte Paso 2: Aplicar la fórmula respectiva P1 T1 = P2 T2 T2 = P2T1 P1
- 17. Paso 3: Reemplazar los valores en la ecuación T2 = (760mmHg)(308 K) 440 mmHg Ejemplo 2: La presión del aire en un matraz cerrado es de 460 mm de Hg a 45°C. ¿Cuál es la presión del gas si se calienta hasta 125°C y el volumen permanece constante. Ejemplo 3: Un neumático de automóvil fue usado en verano a 86°F y la aguja de un manómetro marcó 303.9 Kilopascal al usar el mismo neumático, en invierno a 59°F ¿Cuánto marcará la aguja del manómetro? Considerar la presión atmosférica normal. EJERCICIOS COMPLEMENTARIOS 1. Un balón de acero de 20 litros de capacidad contiene oxígeno a 30°C y 3atm de presión. Si la temperatura se eleva en 60°F ¿Cuál será la nueva presión en kPa? 2. El aire contenido en una llanta de automóvil tiene una presión manométrica de 25lb/pulg2 , medidas a 0°C. Calcular la presión manométrica a 27°C. 3. Cierto volumen de un gas se encuentra a una presión de 970 mmHg cuando su temperatura es de 25.0°C. ¿A qué temperatura deberá estar para que su presión sea 760 mmHg? 4. El aire de un neumático de automóvil se halla a una presión de 30 libras/pulgada cuadrada, siendo la temperatura de 20 °C. Suponiendo que no existe variación en el volumen del neumático, ¿Cuál será la presión si la temperatura aumenta a 104 °F? Calcular dicho valor en las mismas unidades inglesas y en kilogramos por cm2 . T2 = 532 K