Captulo 1

Algunos conceptos qumicosPara este captulo pudimos comprender y estudiar que hay dos clases de materia que son las sustancias y mezclas ambas relacionadas con propiedades fsicas y qumicas. Para las sustancias el mtodo o proceso de preparacin no importa por igual obtenemos un mismo producto. En las mezclas hay una variacin en sus propiedades fsicas y qumicas segn ala composicin y pueden depender de la manera en la cual se preparan. As como tambin hay clases de sustancias que se dividen en elementos y compuestos. Los elementos no pueden separarse en sustancias ms simples por lo contrario los compuestos pueden separarse en sustancias ms simples. Sin embargo por medio de la fsica nuclear podemos sintetizar los elementos naturales. Por medio de energas de ms de 108 kj/molLos tomos pueden combinarse entre s y formar las molculas, por ejemplo cuatro tomos de hidrogeno con un tomo de carbono forma la molcula de metano Las masas atmicas y molares todos los tomos estn constituidos por un ncleo en medio de la nube electrnica donde el ncleo tiene carga positiva y la nube electrnica carga negativa. Todo tomo tiene un nmero atmico (Z el nmero de protones del ncleo), numero de neutrones en el ncleo (N) y el nmero msico que es igual a la suma del nmero de protones en el ncleo y el nmero de neutrones en el ncleo. Los tomos con el mismo nmero de protones del ncleo y diferente nmero msico son llamados isotopos.La masa molar se puede calcular sumando los la masa atmica de cada uno de los reactivos por su coeficiente estequiometrico la cual tendr que ser igual a la suma de la masa atmica de los productos por sus coeficientes estequiometricos. Esto se debe a que la masa en reaccin qumica se conserva as como dice la ley de la conservacin de la masa.Los smbolos pueden ser abreviaturas del nombre o puede simbolizar un tomo de un elemento, las formulas se utilizan para la descripcin de la formacin de los tomos en la molcula, as describir la geometra molecular y los enlaces que tuviese la molcula (enlaces simples y mltiples) El mol mide la cantidad de sustancia ya sea de tomos, partculas, molculas, etc. Un mol de cualquier sustancia contiene 6.022045*10-3 mol-1 (nmero de Avogadro)La reaccin qumica es una forma de describir la transformacin qumica, las sustancias del primer miembro se denominan reactivos y las del segundo productos, para q la ley de conservacin de la masa se cumpla la ecuacin qumica debe estar debidamente igualada por medio de los coeficientes estequiometricos.El Grado de avance desde el punto de vista de lafsica, representamos a la reaccin como: viAi = 0 Tal que vison loscoeficientes estequiomtricosde la reaccin, que pueden ser positivos (productos) o negativos (reactivos). La ecuacin presenta dos formas posibles de estar qumicamente la naturaleza (como suma de productos o como suma de reactivos) y Ai son las concentraciones de los reactivos y productos de la reaccin qumica.

El sistema internacional de unidades son sistemas de unidades de medicin donde cada unidad tiene su smbolo, su valor, y su equivalencia, todo sistema de unidades va a depender de las unidades bsicas que se escogen como un conjunto dimensionalmente independiente y de estas unidades bsicas saldrn otras unidades que son sus derivadas que no es mas que la combinacin de dos o ms unidades bsicas..

Captulo 2 Propiedades empricas de los gasesEstudiamos a los gases porque de los tres estados de la materia es el que nos permite una descripcin relativamente sencilla.La Ley de Boyle-Mariotte, formulada por Robert Boyle y Edme Mariotte, es una de las leyes de los gases ideales que relaciona el volumen y la presin de una cierta cantidad de gas mantenida a temperatura constante, y dice que el volumen es inversamente proporcional a la presin: PV = cDonde c es constante si la temperatura y la masa del gas permanecen constantes.Cuando aumenta la presin, el volumen disminuye, mientras que si la presin disminuye el volumen aumenta. El valor exacto de la constante k no es necesario conocerlo para poder hacer uso de la Ley; si consideramos las dos situaciones de la figura, manteniendo constante la cantidad de gas y la temperatura, deber cumplirse la relacin:

ley de Charles Esta ley demuestra que la C (constante) es una funcin de la temperatura. ley de Gay-Lussac hizo medidas del volumen de una masa fija a volumen constante y puedo observar que el volumen era una funcin lineal a la temperatura.V = a + bta= Vob= ()pt= temperaturaDnde:V= Vo + ( )p tCharles dijo que para todos los gases sometidos una masa fija a presin constante el volumen aumentaba a cada aumento de temperatura era el mismo. El volumen por grado es: ( )p por tanto a 0C es (( )p esta cantidad es el coeficiente de expansin trmica:

o = (( )pEsto establece que la presin del gas a prensin constante es directament6e proporcional a la temperatura termodinmica.

Masa molar de un gas ley de Avogadro ley del gas ideal Combinando la ley de Boyle y la ley de Gay Lussac o Charles, destacando que el Vo es el volumen a 0C obtenemos:V= (masa fija)Ahora ya no trabajamos con una masa fija sino que esta al doble de su masa sabiendo que estamos a temperatura y volumen constante. Donde Co es prropocional aq la masa del gas; con la cual tenemos Co= Bw (B= constante, w = es la masa)V=Expresamos a b en trminos de masa caracterstica para cada gas (M) M= Emplendolo para B obtendremos V= Sea n= w/M Entonces V= nRT/p o puede escribirse de diferente manera y tenemos pV=nRTObtuvimos la ecuacin de los gases ideales est muy importante. Ya q no envuelve aspectos caractersticos de un gas, es la generalizacin aplicable a todos los gases.Ecuacin de estados propiedades extensivas e intensivas La ley del gas ideal, PV = nRT, es una relacin entre las cuatro variables que describen el estado de cualquier gas.se dividen en dos clases: n y V son variables extensivas (propiedades extensivas), mientras que P y T son intensivas (propiedades intensivas). El valor de cualquier propiedad extensiva se obtiene sumando los valores de la misma en todas las partes del sistema ya se muy pequeas. Anlogamente, el nmero total de moles (o masa total) del sistema se obtiene sumando el nmero de moles (o masa) en cada parte. Las propiedades intensivas se obtienen mediante la medicin en cualquier punto del sistema.Dadas Las variables extensivas son proporcionales a la masa del sistema. Para el gas ideal, tenemos que: n = w/M y V = wRT/MP. Tanto n como V son proporcionales a la masa del sistema. Dividiendo V por n, obtenemos V, o sea, el volumen por mol: La razn entre V y n no es proporcional a la masa, ya que al establecer la razn la masa se simplifica y V es una variable intensiva. La razn entre dos variables extensivas es siempre una variable intensiva. Si la ley del gas se expresa en la forma PVm = RT Queda como una relacin entre 3 variable intensivas. Ahora ya ser ms fcil analizar las propiedades de un gas ideal.Determinacin de masa molares de gases y sustancias volatilesLa ley del gas ideal es til en la determinacin de las masas molares de sustancias voltiles. Para este fin, un matraz de volumen conocido se llena con el gas a presin y temperatura conocidas. Se mide la masa del gas en el matraz. Estas medidas son suficientes para determinar la masa molar de la sustancia. A partir de la ecuacin:pV=nRTpV= (m/M )RTM = mRT/pVDonde m es la masa y Mes el peso molecular que es constante. Todas las cantidades del segundo miembro de la ecuacin se conocen por las mediciones efectuadas; por tanto, puede calcularse M. Un valor aproximado de la masa molar es en general suficiente para determinar la frmula molecular de una sustancia.

Ecuacin de estado para una mezcla de gases de ley de DaltonEn una mezcla de gases que no reaccionan entre s, cada molcula se mueve independientemente, de una forma anloga a como si estuviera totalmente aislada. En esa mezcla, cada gas se distribuye uniformemente por todo el espacio disponible, como si ningn otro gas estuviese presente. Las molculas ejercen la misma presin sobre las paredes del recipiente que lo contiene que la que ejerceran si no hubiera ningn otro gas presente.En 1803, Dalton (1766-1844) enunci la ley de las presiones parciales: en una mezcla de gases, la presin total ejercida por los mismos es la suma de las presiones que cada gas ejercera si estuviese solo en las mismas condiciones.Si varios gases, A, B y C, se colocan en un mismo recipiente, acaban formando una mezcla homognea. La presin que cada gas ejerce individualmente en una mezcla se denomina presin parcial.La ley de Dalton de las presiones parciales se expresa:Ptotal = PA + PB + PC + Tanto la mezcla de los gases como cada componente individual cumplen la ecuacin de los gases ideales o perfectos:Ptotal V = (nA + nB + nC+ ) RT

Concepto de presin parcial.-Lapresin parcialde ungas, enatmsferas, en una mezcla o solucin, sera aproximadamente lapresinde dicho gas si se eliminaran repentinamente todos los dems componentes de la mezcla o solucin y sin que hubiese variacin detemperatura. La presin parcial de un gas en una mezcla es la medida de laactividad termodinmicade las molculasde dicho gas y, por lo tanto, es proporcional a la temperatura y concentracin del mismo.Ley de la distribucin baromtricaLa variacin de presin y densidad con la altitud. No es lo mismo la variacin de la presin con la altura en un lquido como El ocano que en un gas como la atmsfera y la razn estriba en que un Lquido no es compresible y por tanto su densidad permanece constante.Entonces:Sea la presin de la altura z + dz , p + dp; tenemos

Donde m es la masa del fluido por encima de la altura z + dz pero:m +dm = m o m = m dmdm es la masa del fluido entre z y z, asi tambin si la densidad del fluido interviene tenemos que diferencial de masa es igual a la densidad por el rea y por el diferencial de z tenemos: dp = - pg dzEsta es la relacin de la presin con la densidad del fluido esta ecuacin puede ser integrada y queda como:P Po = -pgzPo= fondo de la columnaP= presin de la altura z= la altura p= presin

Gases realesAunque se puede suponer que los gases reales se comportan como un gas ideal, no se debe esperar que lo hagan en todas las condiciones. Por ejemplo, sin las fuerzas intermoleculares, los gases no se condensaran para formar lquidos. Lo importante es poder diferenciar las situaciones en donde el gas se puede considerar como ideal y aquellas en las que no, los gases reales son los que en condiciones ordinarias de temperatura y presin se comportan como gases ideales; pero si la temperatura es muy baja o la presin muy alta, las propiedades delos gases reales se desvan en forma considerable de las de los gases ideales.Cuando un gas real se aparta del comportamiento ideal, ocurren estas desviaciones porque segn la teora cintica molecular los gases carecen de fuerzas de atraccin y no poseen volumen sus partculas. Decimos que Z es el factor de compresibilidad Z= Modificacin de la ecuacin del gas ideal: Ecuacin de VAN DER WAALSFluido ideal de Van der Waals Los gases reales se comportan como gases ideales slo a bajas densidades o como se suele decir a muy bajas presiones. Es por ello que para una mejor descripcin se logra utilizando la ecuacin de estado denominada de Van der Waals En donde y son constantes caractersticas de cada gas. En realidad esta expresin surge como modificacin a la ecuacin para los gases ideales. En donde y son constantes caractersticas de cada gas. En realidad esta expresin surge como modificacin a la ecuacin para los gases ideales. El parmetro contempla la primera correccin, que surge a raz de que las molculas de un gas.Al enfriar los gases reales se licuan y luego se solidifican. Podemos hacer una nueva ecuacin donde el volumen sepamos que el volumen es positivo a 0K .Entonces tenemos:Con esto demostramos que a presiones muy altas el volumen molar se aproxima a ceroVm es el volumen molar. En esta expresin, a, b y R son constantes que dependen de la sustancia en cuestin. Pueden calcularse a partir de las propiedades crticas de este modo: Vc se refiere al volumen crtico molar en estas tres ltimas ecuaciones.La ecuacin de Van der Waals puede ser considerada como la "ley del gas ideal mejorada", por las siguientes razones:1.Trata a las molculas como partculas con volumen, no como puntos en el espacio. Por ello V no puede ser demasiado pequeo, y trabajamos con (V - b) en lugar de V. 2.Mientras que las molculas del gas ideal no interaccionan, Van der Waals considera que unas molculas atraen a otras dentro de una distancia equivalente al radio de varias molculas. No provoca efectos dentro del gas, pero las molculas de la superficie se ven atradas hacia el interior. Vemos esto al disminuir la presin exterior (usada en la ley del gas ideal), por ello escribimos (P + algo) en lugar de P. Para evaluar este 'algo', examinaremos la fuerza de atraccin actuando en un elemento de la superficie del gas. Mientras que la fuerza que acta sobre cada molcula superficial es ~, la resultante sobre el elemento completo es ~2~ Isotermas de un gas real El comportamiento de un gas para valores de presin y volumen molar lejanos al cambio de fase (presiones bajas y volmenes molares altos), se aproxima al del gas ideal, debido a que la interaccin entre las molculas puede despreciarse y el covolumen (suma de los volmenes moleculares) es mucho menor que el volumen del sistema. Por consiguiente el gas puede describirse por la ecuacin de estado:P V = n RTLas isotermas de un gas real tienen una forma ms compleja que las isotermas de un gas ideal (hiprbolas), ya que deben dar cuenta de los cambios de fase que puede experimentar.En la figura inferior se han representado las denominadas isotermas de Andrews. Dichas isotermas fueron medidas experimentalmente, y representan la presin en funcin del volumen a distintas temperaturas.

La isoterma representada en rojo se denomina isoterma crtica (y su temperatura, la temperatura crtica). Esta isoterma separa dos comportamientos: cuando una sustancia se encuentra a una temperatura superior a su temperatura crtica, siempre est en estado gaseoso, por muy alta que sea la presin. Por el contrario, cuando est a una temperatura inferior a la crtica, puede estar en estado slido, lquido o vapor (en la grfica se han representado solamente las zonas de lquido y vapor).Los puntos representados con las letras A y B corresponden respectivamente a los estados denominados vapor saturado y lquido saturado. Ambos estn sobre una curva (representada en lnea punteada) denominada curva de saturacin. Por debajo de ella, todos los estados son una mezcla de lquido y vapor.En la figura tambin se observa que la zona de las isotermas que se encuentra por debajo de la curva de saturacin es una recta horizontal. Por tanto, cuando el cambio de fase lquido - vapor se produce a presin constante, se produce tambin a temperatura constante.Para que una sustancia cambie de fase, es necesario suministrarle o extraerle una cierta cantidad de calor. Si el cambio de fase se produce a presin constante, este calor no se traduce en un incremento de temperatura, y se denomina calor latente.Isoterma de la ecuacin de van der Waals

La figura representa un diagrama (P_V), muestra tres isotermas. La curva sobrepuesta representa los estados lquidos y vapor saturados. Para la isoterma, la presin es una funcin montona decreciente al aumentar el volumen molar; la isoterma crticapresenta una inflexin horizontal en (C), caracterstica del punto crtico Ahora para la isoterma, la presin disminuye rpidamente al aumentar el volumen molar en la regin lquida, se hacemnima despus de cruzar la lnea de lquido saturado y aumenta hasta un Mximo, para luego cruzar la lnea de vapor saturado y continuar en la regin de vapor. Las isotermas experimentales no exhiben esta transicin suave de la regin lquida a la de vapor; en su lugar, stas contienen una lnea horizontal dentro de laregin de dos fases donde coexisten el lquido y el vapor saturados en distintas proporciones a la presin de vapor o saturacin.

Otras ecuaciones de estado:Ecuacin de Van Der Waals Ecuacin dieterici.- Esta ecuacin al introducir el el exponencial "e" mejora bastante la exactitud en las cercanas del punto crtico, fue propuesta en 1899 tan solo unos pocos aos despus de la de van der Waals, y se expresa de la siguiente manera:

Ecuacin de beattie- bridgeman

Ecuacin virial

cap. 4La Estructura de los GasesLos gases han empleado el modelo de la teoria cinetica que describen lo siguiente: Todo gas est formado por pequeas partculas esfricas llamadas molculas. Las molculas gaseosas se mueven a altas velocidades, en forma recta y desordenada. Los gases ejercen una presin continua al recipiente debido a los choques de las molculas con las paredes de ste. Los choques moleculares son perfectamente elsticos. No hay cambio de energa. No se toman en cuenta las interacciones de atraccin y repulsin molecular. La energa cintica media de la translacin de una molcula es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas. Para calcular la presin de un gas es necesario ver que una partcula de gas va a ejercer una fuerza al chocar sobre alguna pared o estar dentro de un recipiente y dicha molcula va a tener una cierta aceleracin, masa, velocidad y estas molculas al tener varios choques van a producir y tener un momento lineal y estas tendrn diferentes direcciones.En cambio en una mezcla de gases la presin total va ser la suma de todas las fuerzas producidas por los choques de cada molcula ya que cada una contribuye con su fuerzaPT = P1 + P2 + P3 + ..Ladistribucin de Boltzmannodistribucin de Maxwell-Boltzmannes unadistribucin de probabilidadde las velocidades de un gas asociada a laestadstica de Maxwell-Boltzmannpara dicho sistema.Tcnicamente el trminodistribucin de Boltzmanse reserva para la funcin de probabilidad de la energa de las partculas, mientras que el trminodistribucin de Maxwell-Boltzmannse reserva para la distribucin de probabilidadde la velocidad de las partculas (obviamente existe una relacin matemtica fija entre ambas).

Teora cintica de los gases

Desarrollada por Ludwig Boltzmann y Maxwell. Nos indica las propiedades de un gas a nivel molecular.Todo gas est formado por pequeas partculas esfricas llamadas molculas. Las molculas gaseosas se mueven a altas velocidades, en forma recta y desordenada. Los gases ejercen una presin continua al recipiente debido a los choques de las molculas con las paredes de ste. Los choques moleculares son perfectamente elsticos. No hay cambio de energa. No se toman en cuenta las interacciones de atraccin y repulsin molecular. La energa cintica media de la translacin de una molcula es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas. Presiones parciales de Dalton Esta ley dice:la presin total de una mezcla gaseosa es igual a la suma de las presiones parciales de los gases que la componen

La mayora de los gases son insolubles al agua, por lo que en el laboratorio se obtienen fcilmente con el mtodo de desplazamiento del agua. Por tanto para calcular la presin del gas seco, es necesario conocer la presin del vapor de agua a esa temperatura.

La presin que ejerce un gas es proporcional al nmero de molculas presentes en el gas, e independientemente de su naturaleza. En una mezcla gaseosa cada uno de los gases obedece la ecuacin del gas ideal, por lo tanto:

Si todos los gases se encuentran en las mismas condiciones de volumen y temperatura, tenemos: Ley de distribucin de maxwell-boltzmannLa Mecnica Estadstica y la Termodinmica son ramas de la Fsica que tratan acerca de sistemas fsicos compuestos por millones y millones de partculas interactuantes. Es imposible describir el movimiento de cada partcula individual, bajo la interaccin del resto de las partculas y a la accin exterior, se precisan, por tanto, mtodos que permitan obtener valores medios del comportamiento del sistema de partculas. Por otra parte, la Termodinmica trata de sistemas que estn en equilibrio, aunque su rama ms reciente la Termodinmica de los Procesos Irreversibles trata tambin de situaciones ligeramente desviadas de la situacin de equilibrio. En la Naturaleza sin embargo, los procesos son irreversibles.Se ha diseado un programa interactivo oapplettiene como objetivos: Comprender el mecanismo de la tendencia de un sistema de partculas hacia el equilibrio y conocer la frmula que describe la distribucin de equilibrio. Comprender el concepto de temperatura, relacionndola con la energa media y la pendiente de la curva que representa la distribucin de equilibrio. Comprender el concepto de fluctuacin a partir de la observacin de que la situacin de equilibrio es dinmica. Distinguir entre calor y temperatura observando el comportamiento de dos sistemas, a distinta temperatura, puestos en contacto trmico.