TEMAS SELECTOS DE FISICOQUÍMICA

1. Maestría en Ciencia e Ingeniería de Materiales. PEÑOLES TEMAS SELECTOS DE FISICOQUÍMICA Dr. René D. Peralta. Dpto. de Procesos de Polimerización. Correo electrónico: rene@ciqa.mx Tel. 01 844 438 9830 Ext. 1260. ¡¡BIENVENIDOS!!

2. CONTENIDO DEL CURSO 1. Introducción. 2. Motivación. ¿Por qué un curso de fisicoquímica? 3. Principios fundamentales. 4. Gases. 5. La primera ley de la termodinámica.

3. GASES Gases ideales. Gases reales. CLASIFICACIÓN DE LOS GASES Los gases ideales son aquellos que obedecen ciertas leyes (ver después). Los gases reales obedecen las mismas leyes pero solo a presiones bajas.

4. GASES CLASIFICACIÓN DE LOS GASES • Un Gas Ideal se modela en la Teoría Cinética de los Gases la cual tiene cuatro postulados básicos: • Los gases consisten de partículas pequeñas (moléculas) las cuales están en movimiento continuo aleatorio. • El volumen de las moléculas presentes es despreciable comparado con el volumen total ocupado por el gas. • Las fuerzas intermoleculares son despreciables. • La presión se debe a que las moléculas de gas colisionan con las paredes del recipiente que las contiene.

5. GASES CLASIFICACIÓN DE LOS GASES • Un Gases Real se desvía del comportamiento de un Gas Ideal debido a: • A bajas temperaturas las moléculas de gas tiene menos energía cinética (se mueven menos) así que se atraen una a la otra. • A altas presiones las moléculas de gas son forzadas a unirse más estrechamente de manera que el volumen de las moléculas de gas se hace significativo comparado con el volumen que ocupa el gas.

6. GASES CLASIFICACIÓN DE LOS GASES • Un Gases Real se desvía del comportamiento de un Gas Ideal debido a: • Bajo condiciones ordinarias, las desviaciones del comportamiento de un Gas Ideal son tan leves que pueden ser despreciadas. • Un gas que se desvía del comportamiento de un Gas Ideal es llamado un gas no ideal.

7. GASES NOMENCLATURA P = Presión. V = Volumen. n = Moles de gas. R = Constante universal de los gases ideales. T = Temperatura absoluta. CLASIFICACIÓN DE LOS GASES

8. GASES MEDICIONES. Termómetro de gas ideal - termómetro que mide la temperatura mediante cambios en la presión de un gas mantenido a volumen constante. CLASIFICDACIÓN DE LOS GASES ¡Yo soy uno de esos!

9. MEDICIONES. Termómetro de gas ideal - termómetro que mide la temperatura mediante cambios en la presión de un gas mantenido a volumen constante. GASES ¡Mentiroso, yo soy el bueno! ¡Yo soy uno de esos!

10. GASES Termómetro de gas ideal. El estándar adoptado en el sistema SI de unidades es la temperatura del punto triple del agua, la temperatura a la cual el agua, hielo, y vapor de agua coexisten cuando son colocados en un vaso cerrado. La Figura 19.3 muestra una celda de punto triple usada para lograr la temperatura estándar. CLASIFICACIÓN DE LOS GASES

11. GASES DESCRIPCIÓN MICROSCÓPICA DE UN GAS IDEAL. http://www.lightandmatter.com/bk2d.pdf CLASIFICACIÓN DE LOS GASES Pasar al archivo pdf que corresponde a la referencia arriba y continuar allí.

12. GASES Ley de Boyle (Boyle – Mariotte), 1662. Ley de Charles (o de Gay – Lussac), 1787;1802. Ley de Dalton de las presiones parciales, 1801. Ley de la difusión de Graham , 1829. Ley de Avogadro, 1811. LEYES DE LOS GASES IDEALES Unas más conocidas que otras, pero todas se cumplen (a pesar de los políticos, corrupciones, etc.).

13. Ley de Boyle (Boyle – Mariotte), 1662. GASES También llamado proceso isotérmico. Afirma que, a temperatura y cantidad de gas constante, el volumen de un gas es inversamente proporcional a su presión: LEYES DE LOS GASES IDEALES

14. Ley de Charles y de Gay – Lussac, 1787: 1802. GASES En 1802, Louis Gay – Lussac publica los resultados de sus experimentos, basados en los que Jacques Charles hizo en el 1787. Se considera así al proceso isobárico para la Ley de Charles, y al isocoro (o isostérico) para la ley de Gay – Lussac. LEYES DE LOS GASES IDEALES Proceso isobaro (de Charles)

15. Ley de Charles y de Gay – Lussac, 1787: 1802. GASES Proceso isocoro (de Gay Lussac) LEYES DE LOS GASES IDEALES

16. GASES Ley de Dalton de las presiones parciales. Establece que la presión total ejercida por una mezcla gaseosa es igual a la suma de las presionesparciales de cada componente individual en una mezcla gaseosa. Esta ley empírica fue observada por John Dalton in 1801 y está relacionada con las leyes de un gasideal. LEYES DE LOS GASES IDEALES

17. GASES Ley de Dalton de las presiones parciales. Matemáticamente, la presión de una mezcla de gases puede ser definida como la sumatoria: LEYES DE LOS GASES IDEALES En donde pi representa la presión parcial de cada componente, i. Se supone que no hay reacción entre los componentes de la mezcla.

18. GASES Ley de Dalton de las presiones parciales. Pi = Ptotalyi LEYES DE LOS GASES IDEALES En donde yi representa la fracción molar del componente, i en la mezcla total de n componentes. Blowing up the tiers in your car, your bike, a basketball, etc., as the number of gas molecules increase so does the volume!!!! simple as that!

19. GASES Ley de Dalton de las presiones parciales. La siguiente relación proporciona una forma para calcular la concentración basada en volumen de cualquier componente gaseoso individual. LEYES DE LOS GASES IDEALES En donde Ci representa la concentración del componente, i expresada en ppm.

20. Ley de Dalton de las presiones parciales. GASES En donde Ci representa la concentración del componente, i expresada en ppm. Hacer problemas.

21. Ley de la difusión de Graham , 1829. GASES Only a few physical properties of gases depends on the identity of the gas. Diffusion - The rate at which two gases mix.Effusion - The rate at which a gas escapes through a pinhole into a vacuum. LEYES DE LOS GASES IDEALES Thomas Graham

22. Ley de la difusión de Graham , 1829. GASES Ley de Graham: “La velocidad de difusión de un gas a través de otro es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la densidad del gas” LEYES DE LOS GASES IDEALES Aquí V es velocidad.

23. GASES Ley de la difusión de Graham , 1829.

24. Ley de la difusión de Graham , 1829. GASES Ley de Graham: “La velocidad de difusión de un gas a través de otro es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la densidad del gas” LEYES DE LOS GASES IDEALES

25. Ley de la difusión de Graham , 1829. GASES Ley de Graham: “La velocidad de difusión de un gas a través de otro es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la densidad del gas” LEYES DE LOS GASES IDEALES Volumen molar ⇒ Vm = V/n Al ser Vm = constante:

26. Ley de la difusión de Graham , 1829. GASES Ley de Graham: “La velocidad de difusión de un gas a través de otro es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la densidad del gas” LEYES DE LOS GASES IDEALES 1: gas 1. 2: gas 2.

27. Ley de la efusión de Graham , 1829. GASES EFUSIÓN.” The rate of effusion of a gas is inversely proportional to the square root of either the density or the molar mass of the gas. LEYES DE LOS GASES IDEALES Pasar al archivo pdf con revisión general: Tema_2-Gases web.pdf http://www.educaplus.org/gases/lab_graham.html

28. GASES Ley de la efusión de Graham , 1829. El tiempo requerido para difundir muestras de 25-mL de diferentes gases a través de un hoyito hacia el vacío.

29. GASES Ley de la difusión de Graham , 1829. • Graham's law is useful in: • Separation of gases having different densities by diffusion. • Determining the densities and molecular masses of unknown gases by • comparing their rates of diffusion with known gases. • Separating the isotopes of some of the elements.

30. Ley de Avogadro, 1811. GASES La Ley de Avogadro fue expuesta por AmedeoAvogadro en 1811 y complementaba a las de Boyle, Charles y Gay-Lussac. LEYES DE LOS GASES IDEALES “Volúmenes iguales de gases ideales o perfectos, a la misma temperatura yd presión, contienen el mismo número de moléculas."

31. Ley de Avogadro, 1811. GASES Asegura que en un proceso a presión y temperatura constante (isobaro e isotermo), el volumen de cualquier gas es proporcional al número de moles presente, de tal modo que:. LEYES DE LOS GASES IDEALES

32. Ley de Avogadro, 1811. GASES Consecuencia: El volumen que ocupa un mol de cualquier gas ideal a una temperatura y presión dadas siempre es el mismo. LEYES DE LOS GASES IDEALES

33. Ley de Avogadro, 1811. GASES LEYES DE LOS GASES IDEALES

34. La ecuación de estado GASES IDEALES La ecuación que describe normalmente la relación entre la presión, el volumen, la temperatura y la cantidad (en moles) de un gas ideal es: PV = nRT

35. GASES IDEALES

36. Standard Temperature and Pressure (STP) STP is used widely as a standard reference point for expression of the properties and processes of ideal gases. The standard temperature is the freezing point of water and the standard pressure is one standard atmosphere. These can be quantified as follows: Standard temperature: 0°C = 273.15 K Standard pressure = 1 atmosphere = 760 mmHg = 101.3 kPa Standard volume of 1 mole of an ideal gas at STP: 22.4 liters GASES IDEALES

37. GASES REALES La ecuación de estado para gases reales. En general, los gases no exhiben comportamiento ideal. Razones: Las moléculas, aún para un sistema disperso, tal como un gas, ocupan un volumen finito. ii. Se ejercen fuerzas intermoleculares entre las moléculas. iii. Las colisiones moleculares nunca son perfectamente elásticas.

38. GASES REALES La ecuación de estado para gases reales. Desviaciones del comportamiento ideal: dependen del tamaño de las moléculas. Los gases más pesados se desvían más debido al tamaño más grande de sus moléculas. ii. La mayoría de los gases se comprimen más que un gas ideal a presiones bajas (ocurre lo opuesto a presiones altas).

39. GASES REALES La ecuación de estado para gases reales. Correcciones para las desviaciones del comportamiento ideal. Factor de compresibilidad. ii. Ecuaciones modificadas. “Las substancias en estados correspondientes se comportan de manera semejante.”

40. GASES REALES Estados correspondientes. El factor acéntrico “ω” es un concepto que fue introducido por Pitzer en 1955, y ha demostrado ser muy útil en la caracterización de substancias. Para gases nobles, ω = 0.0 (son la referencia). Substances with an acentric factor of zero are called “simple” substances. The acentric factor is said to be a measure of the non-sphericity (acentricity) of the molecules.

41. GASES REALES La ecuación de estado para gases reales. Factor de compresibilidad, Z. La ecuación mas simple para corregir la no – idealidad usa un factor de corrección: PV = nZRT El factor Z se puede considerar entonces como la relación entre el volumen ocupado por un gas real al volumen ocupado por él bajo las mismas condiciones de temperatura y presión si fuera ideal.

42. GASES REALES La ecuación de estado para gases reales. Factor de compresibilidad, Z. Es la ecuación de estado para gases realesmás utilizada. Limitación principal: el factor Z no es constante (varía con la composición del gas, la presión y la temperatura). Debe determinarse experimentalmente.

43. GASES REALES La ecuación de estado para gases reales. Factor de compresibilidad, Z. En general, los gases reales exhiben desviaciones negativas de la idealidad a presiones más bajas y desviaciones positivas a presiones más altas.

44. GASES REALES La ecuación de estado para gases reales. Z

45. GASES REALES La ecuación de estado para gases reales. Al aumentar la temperatura, los gases reales tienden a comportarse más idealmente y el factor de compresibilidad permanece cercano a 1 en un intervalo de presiones más amplio. Z

46. GASES REALES La ecuación de estado para gases reales. Al aumentar la temperatura, los gases reales tienden a comportarse más idealmente y el factor de compresibilidad permanece cercano a 1 en un intervalo de presiones más amplio. La ley de los estados correspondientes expresa que todos los gases puros tienen el mismo factor de compresibilidad a los mismos valores de presión reducida y temperatura reducida. Esta ley se ha extendido para cubrir mezclas de gases que están relacionados químicamente de manera estrecha, por ejemplo, gas natural.

47. Compressibility factor for natural gas.

48. GASES REALES La ecuación de estado para gases reales. La ley de los estados correspondientes expresa que todos los gases puros tienen el mismo factor de compresibilidad a los mismos valores de presión reducida y temperatura reducida. Es algo difícil obtener el punto critico para mezclas multi-componentes, por lo tanto, se han concebido las cantidades de temperatura y presión pseudocriticas:

49. GASES REALES La ecuación de estado para gases reales. Respecto a la compresibilidad de los gases, el principio de los estados correspondientes indica que cualquier gas puro a la misma temperatura reducida, Tr, y presión reducida, Pr, debe de tener el mismo factor de compresibilidad.

50. GASES REALES Factor de compresibilidad para gases reales. Grafica generalizada.