La energía y el movimiento molecular.

GUIA 2 3ER AÑO.  QUIMICA BASICA.  

Tema Generador: La energía y el movimiento molecular.

 Referentes Teórico – prácticos:

-          Energía en una masa gaseosa.

-          Gases.

-          Propiedades de los gases.

-          Comportamiento de una masa gaseosa y su diferencia con los estados sólido y líquido.

-          Leyes de los Gases.

 

GASES

Son los estados de agregación de la materia que interpenetran todo lo que existe, y su comportamiento está asociado a la energía calórica, cinética y potencial.

Se define la energía como la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo, y el principio de conservación establece que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.

Los gases se expanden y difunden por todo el espacio y pueden ser sometidos a la compresión, o sea se pueden comprimir con facilidad en un recipiente o bombona. El volumen de un mol de una sustancia gaseosa es equivalente a 22,4 lts cuando la temperatura es 0 º C o 273 ºK, a la presión de 1 atmósfera o 760 mmHg (milímetros de mercurio).

El Comportamiento de una masa gaseosa está asociado con la temperatura, tanto desde el punto de vista de los procesos industriales como en los fenómenos atmosféricos. La fuerza que ejerce el peso de las masas de aire sobre el planeta es lo que se denomina presión atmosférica, y ésta a su vez depende del volumen de la masa de aire, de la temperatura y de la velocidad.

El comportamiento de los gases es explicado por las leyes que lo rigen como la teoría cinético molecular, la hipótesis de Avogadro, la ley de Boyle, Charles –Gay Lussac, la ley de las presiones parciales y la ley de los gases ideales.

↓Recordemos que el comportamiento de la atmósfera va a depender de la incidencia de la radiación solar, de las dimensiones de las masas de aire y la velocidad de cada una, así como también del movimiento de rotación de la tierra. Por esta razón cuando se encuentran los vientos alisios del norte con las corrientes de aire que vienen del sur, hacia el centro de la tierra se forma la zona de convergencia intertropical, donde se produce una gran cantidad de fenómenos atmosféricos. Discontinuidades o frentes, tormentas, huracanes, tornados, tifones, entre otros.

En síntesis se denomina gas al estado de agregación de la materia compuesto por moléculas no unidas, expandidas y con poca fuerza de atracción, lo que hace que no posean forma ni volumen definidos.

PLAN DE SEGUIMIENTO DE ACTIVIDADES

 Instrucciones: Tomando en cuenta la información dada en el presente material, y mediante la consulta bibliográfica, responda:

1.- ¿Qué incidencia tiene la temperatura sobre una masa gaseosa? Y ¿qué consecuencias pudiera generar?

Al aplicar calor a un material, sea este un líquido, sólido o gas, lo que estamos haciendo es aumentar la agitación o movimiento que tiene cada una de las partículas que lo compone. Es decir, la energía transferida es utilizada por los átomos o moléculas para aumentar su energía cinética.

En un gas, como el aire, dado que las moléculas no están ligadas unas a otras, las interacciones entre ellas son solo choques. A este tipo de sistema se le denomina gas ideal.

En un gas ideal el movimiento de las partículas es muy, pero muy rápido. Por ejemplo, en el aire, la rapidez de una molécula de oxígeno a temperatura ambiente (20º C) es superior a 400, siendo equivalentes a 4 veces la rapidez permitida en las autopistas de alta velocidad.

Cuando aplicamos calor a un gas ideal, la rapidez entre las moléculas o átomos que componen el gas aumenta. Dejando como consecuencia choques entre las moléculas que son cada vez más fuertes y frecuentes.

2.-Cuál es el enunciado de las leyes de los gases arriba mencionadas.

En las últimas cuatro décadas, científicos han llevado a cabo muchos experimentos para entender los comportamientos comunes de gases. Han observado que la condición física de gas (su estado) depende en cuatro variables: presión (P), volumen (V), temperatura (T), y cantidad (n, en moles. Las relaciones entre estas variables se conocen como leyes de gas, la cual describe nuestro conocimiento actual acerca de cómo los gases se comportan en un nivel macroscópico.

Pero las relaciones detrás de las leyes de gas no eran obvias al principio, fueron descubiertas por muchos científicos examinando y probando sus ideas acerca de gases durante muchos años.

La teoría cinético-molecular

La teoría cinético-molecular habla de que todo lo que vemos está formado por unas partículas muy pequeñas, que son invisibles al ojo humano y que se llaman moléculas. Las moléculas están en continuo movimiento y entre ellas existen fuerza atractivas, llamadas fuerzas de cohesión. Las moléculas al estar en movimiento, se encuentran a una cierta distancia unas de otras. Entre las moléculas hay espacio vacío.

La hipótesis de Avogadro

Fue el matemático Italiano Amadeo Avogadro quien se dio cuenta que Dalton y Gay-Lussac reclamó que los volúmenes de gas combinado con proporciones enteras se parecían a las declaraciones de Dalton que los átomos se combinaron en proporciones enteras para formar moléculas. Avogadro razonó que "una cantidad de cualquier tipo de gas, en un mismo volumen, a la misma temperatura y la misma presión, contiene el mismo número de moléculas, independientemente del tipo de gas que sea". En el año 1811, Avogadro publicó su hipótesis que volúmenes iguales de diferentes gases tienen un número igual de moléculas.

La ley de Boyle

Los datos de Boyle mostraron que cuando el aire es comprimido a la mitad de su volumen, la presión se multiplica por dos. En el año 1661, Boyle publicó su conclusión que el volumen del aire estaba inversamente relacionada a su presión. Esta observación acerca del comportamiento del aire – y por ende, el comportamiento de gas – es una parte crítica de lo que ahora llamamos la ley de Boyle.

La ley de Boyle declara que mientras se mantenga constante la temperatura, el volumen (V) de una cantidad fija de gas es inversamente proporcional a su presión (P)

La ley de Charles –Gay Lussac  

En esta ley, Jacques Charles dice que para “una cierta cantidad de gas a una presión constante, al aumentar la temperatura, el volumen del gas aumenta y al disminuir la temperatura, el volumen del gas disminuye”.

La ley de los gases ideales.

La ley de los gases ideales es la ecuación de estado del gas ideal, un gas hipotético formado por partículas puntuales sin atracción ni repulsión entre ellas y cuyos choques son perfectamente elásticos.

3.- ¿Qué procesos industriales conllevan la utilización de gases? Razone su respuesta.

Estos gases se le denominan Gases industriales, y se definen como aquel grupo de gases manufacturados que se comercializan con usos en diversas aplicaciones. Principalmente son empleados en procesos industriales, tales como la fabricación de acero, aplicaciones médicas, fertilizantes, semiconductores, etc. Los gases industriales de más amplio uso y producción son el Oxígeno, Nitrógeno, Hidrógeno y los gases inertes tales como el Argón. Estos gases desempeñan roles tales como reactivos para procesos, forman parte de ambientes que favorecen reacciones químicas y sirven como materia prima para obtener otros productos.

Los gases industriales pueden ser a la vez orgánicos e inorgánicos y se obtienen del aire mediante un proceso de separación o producidos por síntesis química. Pueden tomar distintas formas como comprimidos, en estado liquido, o solido.

 

Oxígeno, nitrógeno, argón, acetileno y otros gases nobles

Estos gases se producen a partir del fraccionamiento del aire. El método criogénico, no contaminante para la producción de estos gases fue ideado hace más de 100 años por Carl von Linde. Una vez eliminadas las interferencias del vapor de agua, las partículas y el dióxido de carbono, el aire se comprime y se refrigera a muy bajas temperaturas, licuándose y separándose por destilación fraccionada en oxígeno, nitrógeno, argón y otros gases nobles.

En la actualidad se utilizan también otros métodos físicos para separar y purificar los componentes del aire:

· Separación: a través de membranas.

· Absorción: varios componentes del aire son retenidos por materiales específicos, mientras que el resto fluye, sin ninguna obstrucción.

Acetileno

El acetileno se produce a partir del carburo de calcio. También se obtiene como subproducto a partir de la industria petroquímica contribuyendo así a la protección del medio ambiente.

Hidrógeno

El hidrógeno puede obtenerse por medio de un reforming, a partir de vapor de agua y gas natural u otros hidrocarburos ligeros. En las refinerías y en la electrólisis de la química del cloro también se generan gases ricos en hidrógeno, a partir de los cuales puede obtenerse hidrógeno. Todos estos procedimientos se utilizan, por ejemplo, en el triángulo químico de Leuna-Buna-Bitterfeld (Alemania del Este) y en la refinería de Milazzo, en Sicilia. Hidrógeno líquido El hidrógeno se licua a -253ºC y se transporta en estado líquido en grandes contenedores, reduciendo así los costes de transporte.

Mezclas de gases

Las mezclas de gases se mezclan in situ a partir de gases puros o se suministran mezclados previamente en cisternas. Algunos ejemplos son las mezclas Corgon, VARIGON, Cronigon, ampliamente utilizadas en los procesos de soldadura, o Biogon en la industria alimentaria.

Dióxido de carbono

El dióxido de carbono puede obtenerse a partir de yacimientos subterráneos naturales.

4.- ¿Qué fenómenos atmosféricos se generan en la zona de convergencia intertropical y que consecuencias traen para el planeta? Razone su respuesta.

La variación en la ubicación de la zona de convergencia intertropical (ZCIT) afecta drásticamente precipitaciones en muchas naciones ecuatoriales, resultando en las estaciones húmedas y secas de los trópicos en lugar de las estaciones frías y cálidas de latitudes más altas. Cambios a largo plazo en la zona de convergencia intertropical puede dar lugar a graves sequías o inundaciones en las zonas cercanas.

En algunos casos, la ZCIT puede llegar a ser estrecha, especialmente cuando se aleja del ecuador; la ZCIT entonces se puede interpretar como una parte delantera a lo largo del borde de ataque del aire ecuatorial. Parece que hay un ciclo de 15 a 25 días en actividad de tormenta a lo largo de la ZCIT, que es aproximadamente la mitad de la longitud de onda de la oscilación Madden-Julian (OMJ).

Dentro de la ZCIT los vientos medios son leves, a diferencia de las zonas norte y sur del ecuador, donde se alimentan los vientos alisios. Los primeros marineros llamaron a este cinturón de calma capa caída debido a la inactividad y el estancamiento se encontraron después de días de ausencia de viento. Encontrarse Becalmed en esta región en un clima cálido y húmedo podría significar la muerte en una época cuando el viento era la única manera eficaz para propulsar naves a través del océano. Incluso hoy en día el ocio y marineros competitivos intentan cruzar la zona tan pronto como sea posible, ya que los patrones climáticos erráticos y el viento pueden causar retrasos inesperados.

5.- Compare la hipótesis de Avogadro con la Teoría Cinético – molecular e indique la relación que existe entre ambas

Estas dos ideas comparten algunos aspectos en común en relación a las moléculas. Avogadro expresó que si un gas a un mismo volumen, se somete a la misma temperatura y la misma presión, contiene el mismo número de moléculas que cualquier otro tipo de gas sometido a las mismas circunstancias, el cual acierta con la teoría cinético molecular, ya que  si no fuera cierta esta teoría, no se obtendrían los mismos resultados que los de Avogadro, dejando en claro de que estas dos ideas se encuentran en lo cierto y en acuerdo con sus ideales.

 

6.- Explique las propiedades de los gases.

En los gases, las fuerzas de atracción son casi inexistentes, por lo que las partículas están muy separadas unas de otras y se mueven rápidamente y en cualquier dirección, trasladándose incluso a largas distancias.

Esto hace que los gases tengan las siguientes propiedades:

·         Carecen de volumen propio: Por el contrario, ocupan el volumen del contenedor en el que se encuentren.

·         No poseen forma propia: Por la tendencia de sus partículas a estar separadas. También asumen la de su contenedor.

·         Pueden dilatarse y contraerse: Tal y como los sólidos y los líquidos, en presencia de calor o de frío.

·         Intangibles, incoloros, insaboros: La mayoría de los gases son transparentes, imposibles de tocar, y además carecen de color y sabor. Siendo esto último características que varían enormemente, sin embargo, y muchos gases, poseen un olor característico e incluso un color típico observable.

·         Son fluidos: Mucho más que los líquidos, los gases carecen prácticamente de fuerzas de unión entre sus partículas, pudiendo perder su forma y desplazarse de un recipiente a otro ocupando todo el espacio disponible.

·         Tienen alta difusión: Los gases pueden mezclarse fácilmente entre sí debido al espacio entre partículas que poseen.

·         Son solubles: Así como los sólidos, los gases pueden disolverse en agua u otros líquidos.

·         Son muy compresibles: Puede obligarse a un gas a ocupar un volumen más pequeño, forzando las moléculas a estrecharse entre sí. Así es como se obtiene el gas licuado (líquido).

7.- ¿Tienen alguna relación los gases con el efecto invernadero? ¿Por qué?

El efecto invernadero tiene una gran relación con los gases, ya que se produce cuando determinados gases retienen una parte de la energía que emite el suelo terrestre al calentarse por la radiación del sol, siendo así un elemento fundamental para que este efecto surja. Como dato extra, este fenómeno sucede de manera natural, y gracias a él la temperatura media de la Tierra es de unos 14º C. De otro modo, sería de alrededor de 18º C bajo cero, lo que haría muy difícil la vida en nuestro planeta.

8.- ¿Por qué resulta fácil comprimir los gases?

Un  gas (como ya sabemos) está  constituido  por  un  gran  número de   partículas   microscópicas   independientes   en   continuo movimiento.   Entre   ellas   no   hay   nada   más   que   espacio vacío.  Así,   es   fácil   comprimirlo   disminuyendo   el   espacio existente entre las partículas

Al  comprimir  un  gas,  por  lo  tanto,  disminuye  el  espacio disponible   en   el   que   se   mueven   sus   partículas.   En consecuencia,  el  volumen  disminuye  pero  la  cantidad  de  gas no  cambia,  dado  que  el  número  de  partículas  contenidas  en el recipiente no varía.

9.- Explique los siguientes ejemplos de estado gaseoso:

a)  Vapor de agua: El vapor de agua es la fase en que se transforma el líquido en estado gaseoso, luego de estar expuesto a una temperatura cercana al punto de ebullición (100 C^o). El vapor es incoloro e inodoro, aunque suele adquirir una apariencia blanca y turbia cuando se intercala con pequeñas gotas de agua en estado líquido.

En la naturaleza, el vapor se produce al calentarse el agua subterránea a través de diversos procesos volcánicos, lo que da como resultado las aguas termales, los géiseres (un tipo especial de fuente termal), las fumarolas (gases o vapores que se salen a través de grietas) y algunos tipos de volcanes.

También se puede generar vapor de manera artificial, mediante sistemas tecnológicos como las calderas de combustibles fósiles y los reactores nucleares.

El vapor de agua se puede percibir, por ejemplo, en un día de mucha humedad, en la niebla presente durante el amanecer (es vapor concentrado) o cuando se está en un ambiente frío y se exhala el aire por la boca (el aire de la boca resulta más húmedo que la temperatura ambiente y se condensa al ponerse en contacto con el aire frío).

b) Aire: El aire es un elemento en el cual se encuentra una mezcla gaseosa que envuelve al Planeta Tierra, formando de esta manera la atmósfera terrestre, la cual está compuesta en su mayoría por Oxígeno, luego en menor cantidad Nitrógeno y por último en pocas partículas de argón, junto a poco dióxido de carbono.

El elemento del aire logra permanecer alrededor del planeta Tierra gracias a la acción de la fuerza de gravedad manteniéndose de esta manera en la tropósfera.

Su composición es sumamente delicada y las proporciones de las sustancias que lo integran resultan ser variables: nitrógeno (78%), oxígeno (21%), vapor de agua (varía entre 0 a 7%), ozono, dióxido de carbono, hidrógeno y gases nobles como pueden ser el criptón o el argón (1%).

Dependiendo de la altitud, temperatura y composición del aire, la atmósfera terrestre está dividida en cuatro capas troposfera, estratosfera, mesosfera y termosfera. Cuanto más alto nos encontremos menor peso o presión tendrá el aire que respiramos.

C) Butano: El gas butano es un gas licuado del petróleo (GLP) que se obtiene al destilar este tipo de combustible. En menor medida también contiene propano, isobutano y etano. El butano tiene un alto poder calorífico y un alto rendimiento energético. También es un gas incoloro e inodoro al que se le añade un aditivo para detectarlo en caso de fuga.

Está compuesto por 60% de butano normal, 9% de propano, 30% de isobutano y 1% de etano.

El butano (también llamado n-butano) es un hidrocarburo saturado, inflamable, en forma de gas que se licúa a presión atmosférica a -0,5ºC, cuya fórmula química es C₄H₁₀.

Se lo utiliza para cocinas y calentadores en cantidades moderadas, debido a las limitaciones impuestas por su manipulación, transporte y almacenaje.

El gas butano no se transporta por gasoductos ya que por su alta temperatura de licuefacción se puede condensar en las tuberías.

d) metano: El gas natural, compuesto principalmente de metano, es el combustible fósil más limpio cuya Su fórmula química es CH₄. Cuando el metano se produce a partir de fuentes no fósiles, como los residuos de alimentos y los residuos verdes, puede extraer literalmente el carbono del aire. El metano ofrece un gran beneficio al medio ambiente, ya que produce más energía calorífica y lumínica por masa que cualquier otro hidrocarburo o combustible fósil, como el carbón o la gasolina refinada a partir del petróleo, y produce mucho menos dióxido de carbono y otros contaminantes que contribuyen a la formación del smog y del aire insalubre. Esto quiere decir que cuanto más gas natural se use, en lugar de carbón, para generar electricidad o en lugar de gasolina para los automóviles, camiones o autobuses, menores serán las emisiones de gas de efecto invernadero o los contaminantes relacionados con el smog.

Entre las utilidades que tiene el metano, la que más destaca es su aplicación como combustible. Su calor de combustión es el menor de todos los hidrocarburos, pero si se divide su masa molecular produce la misma cantidad de calor que los más complejos. Esto hace que sea de gran utilidad para el uso doméstico, siendo conocido como gas natural.

El metano se puede obtener de distintas fuentes. La principal es la que se extrae de los depósitos geológicos, creados por la descomposición de materia orgánica. También se puede obtener de la fermentación de restos orgánicos, como por ejemplo los estiércoles o los lodos de las aguas residuales.