Laboratorio De Quimica

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE CIENCIAS

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA GENERAL

QUÍMICA GENERAL 1

GASES

Por Byron René Aguilar Uck

PROBLEMAS RESUELTOS

1. Estados de agregación de la materia.

Por Estado de Agregación de la Materia entenderemos la manera de estar juntas, de coexistir, de relacionarse que tienen las partículas que forman un sistema. La Teoría Cinética, clasifica estos estados en tres, según el modo en que se mueven las partículas que forman el sistema, unas respecto de otras (recordemos que la Energía Cinética se puede repartir de tres modos: vibración, rotación y traslación):

1.1 Estado Sólido: Las partículas sólo vibran, unas respecto de otras.

1.2 Estado Líquido: Las partículas vibran, pero la mayor energía cinética es por Rotación.

1.3 Estado Gaseoso: Las partículas vibran, rotan, pero la mayor energía cinética es por Traslación, unas respecto de otras.

2. Sistema gaseoso hipotético:

Para iniciar el estudio del comportamiento macroscópico de la materia, postulamos un sistema que tiene las siguientes propiedades:

a. Las partículas del sistema son puntos-masa.

Un punto es un ente sin dimensión. Esto quiere decir que las partículas no tienen volumen. Obviamente, toda partícula tiene extensión; por ejemplo, un átomo de He tiene un radio atómico de 1E-10 m, y es la partícula química más pequeña. Un núcleo de 1 protón, tiene un diámetro de 1E-15.

Un sistema real se aproxima a esta propiedad cuando el volumen el sistema es muy grande, comparado con el tamaño de las partículas que lo forman: en este caso, puede suponerse que el tamaño de las partículas es despreciable (recordemos que, en Ingeniería, el término “despreciable” significa nada más que un instrumento no lo apreciaría. En términos de percepción humana: es como si viéramos la Tierra desde la Luna: no notaríamos a los seres humanos y podríamos suponer que el volumen de los seres humanos es despreciable comparado con la Tierra; o si viéramos desde fuera la Vía Láctea: no notaríamos el Sistema Solar, y podríamos suponer que el volumen del Sistema Solar es despreciable frente al volumen de la Galaxia).

b. Las partículas del sistema no interactúan.

Las interacciones de la materia son causadas por Fuerza. A nivel atómico, son importantes las fuerzas de Gravedad, y más aún, las Electromagnéticas. Esto quiere decir que las partículas no sufren atracción ni repulsión por otras partículas (las fuerzas de gravedad y electromagnéticas son despreciables).

Un sistema real se aproxima a esta propiedad si las partículas están muy distantes, relativamente, unas de otras, son neutras (fuerza electromagnética despreciable) y con masas pequeñas (fuerza de gravedad despreciable) y viajan a grandes velocidades (o sea, temperatura alta, recuerde que la temperatura es la medida de la energía cinética), de manera que las fuerzas centrífugas son mucho mayores que las centrípetas; de modo que, al pasar una cerca de la otra el halón (de atracción o repulsión) se considera despreciable frente a la trayectoria inicial de la partícula.

A nivel de percepción humana, esta propiedad es fácil de captar. Los seres humanos, como todo en el universo, tiene masa, y está compuesto por cargas pero es neutro. Si pasas al lado de otro ser humano, sin tocarse, no sientes ni atracción ni repulsión, en sentido físico claro.

c. Los choques de las partículas son completamente elásticos.

Esto quiere decir que la energía total de las partículas no se pierde por rozamiento. Un choque elástico es por ejemplo: si yo dejo rebotar una pelota de futbol, prescindiendo de la resistencia del aire, dejándola caer desde cuarto nivel del T3 hasta el suelo: en el primer rebote la pelota debería subir a la misma altura de donde la dejé caer. Si no la agarro, la pelota da un nuevo rebote y vuelve a subir hasta la misma altura de donde la dejé caer. Si no la agarro, la pelota de un nuevo rebote… y así, por los siglos de los siglos (amén hermanos!!!). En la realidad, la pelota transmite parte de su energía a las partículas del suelo, de modo que estas vibran más aprisa (su temperatura aumenta; recordemos que el suelo es sólido y sus partículas sólo tienen vibración).

Un sistema se aproxima a esta propiedad si la vibración de los enlaces de las partículas que componen el sistema es tal que al chocar con otra, la vibración de enlace de la partícula cambia poco, comparado con la energía cinética total de la partícula; de modo que el cambio en la vibración se considera despreciable, y la partícula se comporta como rígida.

d. Las posiciones y velocidades iniciales de las partículas es completamente al azar.

La importancia de este postulado es fundamental. La dejamos de último porque la aceptaremos sin discusión; la importancia radica en que, si no postulamos esto, no podríamos aplicar la Mecánica Estadística al sistema y de nada servirían los otros postulados. Como en Ingeniería no llevamos curso de Mecánica Estadística (bueno, los de Licenciatura en Física sí), no puedo ponerlo en un contexto adecuado.

Pero, por analogía con la Estadística que sí cursamos en Ingeniería, se trata de no seguir la huella a ninguna partícula individual, sino hallar el rango más probable (el promedio) donde esa partícula pudiera estar; y luego tratar a todas las partículas como si estuvieran en ese mismo rango (mejor olvidémonos de eso, lean en sus cursos de Estadística, cuando los lleven, lo referente a muestras, probabilidades y curvas de Gauss, es más o menos lo mismo, pero aplicado a un número muy grande: 1 mol de partículas).

Las tres primeras propiedades nos interesarán mayormente en este curso.

Este sistema, con esas propiedades, se denomina Gas Ideal, y se correlaciona con la siguiente ecuación:

Ecuación de Estado del Gas Ideal:

(1)

Donde:

P : presión de las partículas del sistema sobre la frontera.

V: volumen del sistema

n: cantidad de partículas del sistema, en mol

T: temperatura absoluta del sistema, K o R.

R: constante universal de los gases ideales.

P : Presión: La presión se origina por el choque de las partículas contra la frontera, la presión se define por:

Donde:

F: fuerza de choque de las partículas (la sumatoria total de la fuerza de cada una de las partículas).

A: área

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