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ESTADO GASEOSO
Los sistemas materiales se pueden presentar en alguno de los estados físicos de agregación más frecuentes en nuestro planeta: sólido, líquido y gaseoso.
Muchos sistemas con los que convivimos a diarios son gaseosos: el aire que respiramos, en los air-bags, los globos aerostáticos, productos de combustión, etc.
Para comprender las propiedades que presentan los sistemas materiales en los diferentes estados, basta considerar a la materia formada por partículas discretas, las cuales interactúan con diferentes fuerzas, las que determinan el estado de agregación.
El término GASproviene del latín CHAOS, el que alude a las características de este estado de la materia: No tienen forma propia.
No poseen volumen propio, sino que éste queda determinado por el recipiente que lo contiene. Poseen masa propia.
Están formados por un gran número de partículas diminutas (moléculas). En ausencia de perturbaciones externas, las partículas se mueven en línea recta.
Las partículas chocan entre sí en forma elástica (comportamiento ideal) con muy poca frecuencia.
La atracción entre las partículas que constituyen un gas es muy escasa y en determinadas condiciones se considera inexistente (gases ideales).
Las variables de estado son magnitudes físicas que determinan el comportamiento de un sistema gaseoso son: presión, volumen, temperatura y cantidad de gas.
MAGNITUD INSTRUMENTO DE MEDICIÓN
temperatura Termómetro
presión Manómetro
volumen Probeta, recipiente graduado Cantidad química No se mide, se calcula
VARIABLES DE ESTADO, UNIDADES Y EQUIVALENCIAS
Presión
Los gases ejercen presión sobre cualquier superficie con la que entren en contacto, ya sus partículas se hallan en constante movimiento y golpean frecuentemente sin pérdida de energía cinética las paredes internas del recipiente que los contiene.
La presión se define como una fuerza aplicada por unidad de área, es decir, una fuerza dividida por el área sobre la que se distribuye la fuerza.
Presión = Fuerza / Área
Unidades de presión
Pascal : Pa (unidad del SI)
Atmósfera : atm Torricelli : torr
Milímetro de mercurio : mm Hg Libra por pulgada cuadrada : lb/plg2
Equivalencias:
1 atm = 760 torr =760 mmHg =14,70lb/plg
2(PSI) = 101320Pa = 1013,2 hPa =1,013 Bar
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Volumen
Los gases ocupan todo el volumen disponible del recipiente en el que se encuentran.
Unidades de volumen
Metro cúbico: m3 (unidad del SI) Litro: L
Temperatura
Es una propiedad intensiva de los sistemas a estudiar. Se puede definir en primera instancia como la propiedad de los cuerpos que se mide con el termómetro.
Se relaciona directamente con la energía interna asociada a los movimientos de las partículas del sistema. A medida que sea mayor la energía cinética de un sistema, se observa que su temperatura es mayor.
Unidades de temperatura
Kelvin: K (unidad del SI) Celsius: º C Fahrenheit: º F
Las escalas Celsius y Kelvin son centígradas porque están divididas en 100 partes iguales entre el punto de ebullición y el punto de fusión normal del agua. La escala
Fahrenheit no es centígrada.
Manómetro
cerrado
Equivalencias:
1 L = 10
-3m
3= 1000 mL = 1000 cm
31 mL = 1 cm
3Probeta
Pipeta
Vaso de bohemia
Matraz Erlenmeyer
Equivalencias:
ºC + 273 = K
(º C x 1,8) + 32 = º F
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Cantidad química de gas
Si convenimos que los sistemas materiales están formados por partículas de muy pequeño tamaño, seguramente en una muestra pequeña del mismo la cantidad de partículas debe ser lo suficientemente elevado como para que unidades de uso cotidiano como la docena o el millar sean muy pequeñas para expresarlo, por tanto en química la unidad de cantidad es el mol.
La masa en gramos de 1 mol de una sustancia se denomina MASA MOLAR: M.
La masa molar se calcula sumando la masa molar de TODOS los integrantes de la molécula, su unidad es (g/mol). Ejemplo:
Masa molar H2O = Masa molar H X 2 + Masa molar O = 1 g/mol X 2 + 16 g/mol M H2O = 18 g/mol
TEORIA CINÉTICO MOLECULAR
En virtud del movimiento independiente y al azar de las moléculas que forman un gas, cuando una cierta cantidad de éste se introduce en un recinto, el sistema gaseoso ocupará todo el volumen correspondiente al recipiente y si ésta misma cantidad de gas se introduce en otro recipiente de mayor volumen, las moléculas se redistribuirán de tal forma de ocupar este nuevo volumen. La temperatura del gas ha permanecido in cambiada, pero ¿qué sucede con la densidad del gas? Y con la presión?
El cambio experimentado en el volumen, temperatura o presión de un gas pueden ser explicados mediante la teoría cinético molecular, la cual describe el comportamiento de un gas ideal y establece entre otras cosas:
Un gas ideal está formado por partículas extremadamente pequeñas (moléculas) comparadas con las distancias que las separan y que poseen un movimiento continuo, al azar e independiente.
Durante este movimiento al azar, las moléculas chocan incesantemente entre sí y contra las paredes del recipiente que lo contiene, lo que se conoce como presión del gas.
Estas partículas en un gas ideal o perfecto experimentan choques totalmente elásticos, es decir la energía es igual antes y después del choque. Esto parece razonable, pues de lo contrario, la presión de un sistema gaseoso dentro de un recipiente a temperatura y volumen constantes, iría disminuyendo con el tiempo. El efecto que los cambios de temperatura ocasionan en un sistema gaseoso, también pueden ser explicados por medio de la teoría cinética. Un aporte de energía en forma de calor, aumenta la energía cinética de las moléculas, favoreciendo su tendencia a moverse, incluso a alejarse más unas de otras, produciendo a presión constante una expansión del gas, es decir un aumento del volumen por éste ocupado. Un descenso en la temperatura del sistema gaseoso producirá el efecto inverso.
En un sistema gaseoso a temperatura constante un aumento de la presión, provoca que los espacios que separan a las moléculas se reduzcan y en consecuencia el volumen ocupado por dicho sistema también se reduce.
Así, tanto una disminución de la temperatura como un aumento de la presión, conducen al mismo resultado, esto es una disminución del volumen.
Los gases son todos reales pero en determinadas condiciones se comportan en forma ideal, es decir se comportan con determinada regularidad.
Se conoce como comportamiento ideal de un gas cuando éste cumple con las leyes de los gases ideales.
Ecuación general de los gases
En la expresión anterior P es la presión del gas, V es el volumen ocupado por el mismo, n es la cantidad de gas y T
la temperatura absoluta.
A pesar de que los gases fueron los últimos sistemas en identificarse, sin embargo fueron los primeros cuyas propiedades físicas se pudieron explicar mediante leyes sencillas. Es decir que se comportan frente a variaciones de temperatura y presión en forma más sencilla y predecible que los sólidos y los líquidos.
P . V = n . R . T
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Los sistemas gaseosos entonces pueden ser descritos como una colección de partículas, moviéndose libremente y en forma aleatoria, chocando en forma permanente entre ellas y contra las paredes del recipiente en el que están contenidos.Muchas veces habremos notado que al abrir la llave del gas o supergas y luego cerrarla, se percibe un olor característico que desaparece unos segundos después (recordar que el mal olor de estos combustibles se produce por el agregado de sustancias que se lo confieren a los efectos de que las pérdidas sean fácilmente detectables).
¿Es que el gas que escapó de la garrafa “desapareció” en el aire? En realidad difundió en el medio (aire). De acuerdo a la teoría cinética, un gas tiende a ocupar todo el espacio que se le ofrece, ya que las moléculas poseen la energía cinética suficiente como para superar cualquier tipo de atracción entre ellas. Es así que los gases no tienen forma ni volumen propio, su densidad es mucho menor que para los líquidos y sólidos y resultan fácilmente compresibles, es decir se puede modificar su volumen por cambios en la presión.
Si a un sistema sólido o líquido se le suministra suficiente energía en forma de calor, las partículas adquirirán la energía necesaria como para vencer las fuerzas que las mantienen unidas y pasar al estado vapor, produciéndose, entonces, el cambio de estado.
Pocas sustancias se encuentran a temperatura y presión ambientes en estado gaseoso, por ejemplo: N2 , O2, H2, Cl2, CH4, entre otras.
ALMACENAMIENTO DE GASES
Las características de los almacenamientos de sistemas gaseosos dependen mucho de la naturaleza y la forma de distribución de éstas.
Algunas indicaciones básicas para almacenamientos de gases son:
● Está prohibida su ubicación en locales subterráneos o con comunicación directa con sótanos, excepto cuando se trate únicamente de botellas de aire.
● Los suelos serán planos, de material difícilmente combustible y deben tener unas características que permitan la perfecta estabilidad de los recipientes de gas a presión.
● Para las áreas de almacenamiento cerradas la ventilación será suficiente y permanente. ● Se identificará el contenido de las botellas.
● Se evitará todo tipo de agresión mecánica que pueda dañar las botellas.
● Las botellas se almacenarán siempre en posición vertical y debidamente ancladas. ● Las botellas llenas y vacías se almacenarán en grupos separados.
● Está prohibido fumar o usar llamas abiertas en áreas de almacenamiento. ● En el almacén existirán las instrucciones de seguridad de cada gas depositado.
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El color de la ojiva (parte superior del cilindro) está establecido en función del riesgo asociado al contenido del cilindro: tóxico y/o corrosivo (AMARILLO), inflamable (ROJO), oxidante (AZUL CLARO), inerte (VERDE INTENSO).El color del cuerpo (parte inferior del cilindro) es de libre aplicación y no se identifica con el riesgo del gas, pudiendo ser elegido por el fabricante a condición de que no genere confusión con los colores de riesgo de la ojiva.
Excepciones a las Reglas Generales: gases cuya ojiva no cambia de color Los más importantes son: Oxígeno, Nitrógeno, Hidrógeno, Dióxido de carbono, Oxido nitroso y Helio.
MANIPULACIÓN SEGURA DE MATERIALES
La mayoría de los accidentes químicos se deben a un transporte o manipulación incorrectos. Realizar una manipulación segura de materiales implica considerar varios factores, entre ellos encontramos la señalización adecuada del envase del producto y el conocimiento – por parte del operario- de las características del mismo. Existen diferentes mecanismos para la comunicación del riesgo al manipular productos químicos, pero los más efectivos son: etiquetas, fichas de datos de seguridad y señalización del transporte.
De esta manera, los materiales riesgosos serán reconocidos fácilmente a distancia, permitiendo así la rápida identificación de los peligros que presentan y proporcionar las primeras precauciones a tomar.
En nuestro país el decreto 307/009 regula la manipulación de materiales peligrosos, en el cual se hace referencia a criterios internacionales.
En la actualidad se tiende a unificar criterios, por lo que se utiliza a nivel mundial un sistema llamado SGA: SISTEMA GLOBALMENTE ARMONIZADO. El Sistema Globalmente Armonizado de Clasificación y Etiquetado de Productos Químicos (SGA) es una reglamentación de la Organización de las Naciones Unidas que tiene como objetivo básico el facilitar las relaciones de comercio internacional, protegiendo la salud y la seguridad de las personas y del medio ambiente. Sirve para:
Identificar los peligros intrínsecos de los sistemas químicos. Clasificar los sistemas químicos según peligrosidad
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SIEMPRE HAY QUE CONSULTAR LA ETIQUETA.
En ella debe aparecer la siguiente información:
Denominación del producto Pictogramas de seguridad Palabra de advertencia: sirve
para indicar la mayor o menor gravedad del peligro.
Las palabras empleadas en el SGA son ATENCIÓN y PELIGRO Indicación de peligro: son frases
asignadas a una clase y categoría de peligro que describen la índole de este último. Ej. Tóxico por contacto con la piel. Se utilizan las FRASES H, en sustitución de las frases R.
Consejo de prudencia: es una frase P, que describe las medidas recomendadas para prevenir efectos adversos causados por la exposición a un producto de riesgo. Sustituyen a las antiguas frases S.
Fabricante Aplicación del gas
Gases con propiedades especiales
Oxígeno:
El propósito esencial de la respiración es tomar el O2 del aire. En medicina, se usan suplementos de oxígeno ya que el tratamiento no solo incrementa los niveles de oxígeno en la sangre del paciente, sino que tiene el efecto secundario de disminuir la resistencia al flujo de la sangre en muchos tipos de pulmones enfermos, facilitando el trabajo de bombeo del corazón.
Se deben utilizar sólo materiales apropiados y aceptados para el oxígeno. Todos los componentes del sistema (especialmente manómetros, adaptadores y conexiones de rosca) deben mantenerse libres de aceite y grasa y deben etiquetarse convenientemente.
Gases inflamables y autoinflamables:
Es extremadamente importante para el sistema que no existan fugas. En especial, deberían implantarse las medidas de protección contra explosiones.
Todas las sustancias fácilmente inflamables deberían retirarse de las zonas susceptibles de generar un foco de incendio. Antes de transportar recipientes de gas comprimido que contengan gases inflamables o autoinflamables, utilizar un gas inerte para purgar todo el sistema de descarga del aire y los gases oxidantes.
Gases tóxicos:
Es preciso un cuidado extremo al manejar gases tóxicos o mezclas que los contengan. Las personas encargadas de su manejo deberían ser convenientemente formadas. La prioridad número uno es la no existencia de fugas en la planta. Siempre que sea posible, deberían emplearse sistemas de extracción adecuadamente dimensionados. Los aparatos para probar o avisar sobre la presencia de los gases implicados ayudan en la detección a tiempo de acumulaciones peligrosas para el sistema respiratorio. Los equipos de respiración autónomos deben estar a mano.
SEÑALIZACIÓN DE MEZCLAS
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TRANSPORTE DE MATERIALES Normas D.O.T
La señalización de los vehículos que transportan materiales se rige de acuerdo a las normas D.O.T (Direction Of
Transpoiting). De acuerdo a éstas, los diferentes materiales se clasifican en nueve clases, sin que el orden de enumeración de las mismas guarde relación con la magnitud del riesgo asociado.
CLASE 1: Explosivos
CLASE 2: Gases
2.1 Gases inflamables
2.2 Gases no inflamables ni tóxicos 2.3 Gases tóxicos
CLASE 3: Líquidos inflamables
CLASE 4: Sólidos inflamables o sustancias que desprenden gases inflamables
4.1 Sólidos inflamables
4.2 Sustancias propensas a combustión espontánea
4.3 Sustancias que en contacto con el agua desprenden gases inflamables
CLASE 5: Sustancias oxidantes y peróxidos orgánicos
5.1 Oxidantes
5.2 Peróxidos orgánicos
CLASE 6: Sustancias tóxicas e infecciosas
CLASE 7: Materiales radiactivos
CLASE 8: Sustancias corrosivas
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SISTEMA NFPA (National Fire Protection Agency)
Este sistema de clasificación de materiales se basa en un código de colores y números. Los colores identifican los peligros y los números valoran el riesgo en una escala del 0 al 4, donde 0 indica que no es peligroso y 4 que es
extremadamente peligroso.
PANELES DE SEGURIDAD
Son placas de color anaranjado que contienen (excepto en la clase 1), el número de identificación de las naciones unidas (Nº ONU), en la parte inferior y el número de riesgo del material transportado en la parte superior.
El código de identificación del riesgo en la mitad superior del panel naranja consiste en dos o tres dígitos. Generalmente los dígitos indican los siguientes riesgos:
2 - emisión de gases debido a la presión o reacción química
3 - inflamabilidad de líquidos (vapores) y gases o líquidos que experimentan un calentamiento espontáneo
4 - inflamabilidad de sólidos o sólidos que experimentan calentamiento espontáneo
5 - efecto oxidante (comburente)
6 - toxicidad o riesgo de infección
7 - radiactividad
8 - corrosividad
9 - sustancia miscelánea peligrosa
ROJO
PELIGRO DE INFLAMABILIDAD 4 muy inflamable
3 fácilmente inflamable
2 inflamable con calor
1 combustible
0 no arde
AZUL
PELIGRO PARA LA SALUD 4 muerte
3 extremadamente peligroso
2 peligroso
1 levemente peligroso
0 material inocuo
AMARILLO
PELIGRO DE REACTIVIDAD 4 puede explotar
3 puede explotar por golpe o calor
2 reacciona violentamente
1 inestable a alta temperatura
0 estable
BLANCO
PELIGRO ESPECÍFICO OX oxidante
ACID ácido
ALK alcalino
COR corrosivo
W no mezclar con agua
Número de riesgo
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Diferencia de altura entre
las columnas de mercurio
Temperatura ambiente
Temperatura inferior al ambiente (agua
con hielo)
Temperatura superior a la ambiente
(agua caliente)
• El número repetido indica una intensificación del riesgo (ej. 33, 66, 88, etc.)
• Cuando una sustancia posee un único riesgo, éste es seguido por un cero (ej. 30, 40, 50, etc.)
• Si el código de riesgo está precedido por la letra “X”, indica que el material reaccionará violentamente con el agua (ej. X88).
• Cuando el número 9 aparece como 2° o 3° dígito, este puede representar un riesgo de reacción violenta espontánea.
ACTIVIDAD EXPERIMENTAL
Relación Entre Las Variables Del Estado Gaseoso Cuestiones previas:
1. ¿Cuáles son las variables del estado gaseoso?
2. Defina cada una de ellas mencionando al menos una unidad en que pueda ser expresada. 3. Explica si los términos calor y temperaturas significan lo mismo.
Objetivo:
El objetivo general de esta actividad es que los estudiantes puedan vincular las variables del estado gaseoso entre sí. Esto implica que sepan reconocer cuál par de variables cambia y cuáles permanecen constantes.
Se trabajará de forma cualitativa por lo que se establecerán relaciones directas o inversas (según corresponda), diferenciando estos conceptos con el concepto de proporcionalidad.
RELACIÓN P - T
:
Conectar el manómetro a un Erlenmeyer. Sumergir el matraz en un vaso de bohemia conteniendo agua con hielo. Observar qué sucede con las alturas de las columnas de mercurio.
Repetir el procedimiento, sumergiendo el matraz en un vaso conteniendo agua caliente.
RELACIÓN P - V
Dentro de un kitasato colocar un malvavisco y conectar al vacuómetro. Hacer vacío con la bomba y observar qué sucede con el malvavisco.
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Respecto al volumen del globo
a temperatura ambiente, el
volumen del globo_________
(aumenta, disminuye, no
cambia)
Sumergido en agua fría
Sumergido en agua caliente
RELACIÓN T - V
Colocar un globo en la boca de un matraz Erlenmeyer. Sumergir el dispositivo en un vaso de bohemia con agua caliente. Repetir la experiencia pero esta vez sumergiendo el matráz en un vaso de bohemia con agua fría.
Post laboratorio
RELACIÓN P - T
Se mantienen constantes las otras variables de estado (V y n)
La presión del gas es directamente proporcional a la temperatura cuando V y n permanecen constantes.
La representación gráfica es una recta.
Matemáticamente se expresa:
RELACIÓN P - V
Se mantienen constantes las otras variables de estado (T y n).
El volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión cuando T y n permanecen constantes.
Matemáticamente se expresa:
Pi = Pf
Ti Tf
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RELACIÓN T - V
Se mantienen constantes las otras variables de estado (P y n).
Para una cierta cantidad de gas a una presión constante, al aumentar la temperatura, el volumen del gas aumenta. Mantienen una relación de proporcionalidad directa.
Matemáticamente se expresa:
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Ejercicios y preguntas
1.
Teniendo en cuenta las observaciones realizadas en la actividad experimental, intenta explicar las siguientes situaciones:a) Un globo inflado revienta cuando se lo acerca a una estufa encendida.
b) Cuando un estudiante abre la llave del gas, su olor desagradable se percibe de inmediato en cualquier punto del laboratorio.
c) Algunos automovilistas le quitan algo de aire a los neumáticos, antes de realizar un recorrido largo por carretera en días de verano.
d) No se debe arrojar al incinerador un frasco vacío de desodorante. e) La pelota de fútbol se deja al sol para “inflarla”.
2.
El sistema de la figura representa un tanque que contiene amoníaco gaseoso (NH3) que será utilizado como refrigerante.a) Indica cuál es la presión del gas amoníaco. Justifica.
b) Sabiendo que el volumen del tanque es de 10 L y que el sistema se encuentra a temperatura ambiente, calcula la cantidad de gas contenida en el tanque.
c) Explica qué sucedería si: ci) Se agrega otro gas al tanque.
cii) Se aumenta la temperatura del sistema a 100ºC.
DATOS DEL AMBIENTE t = 22ºC P = 750 torr
3.
Un globo puede inflarse como máximo hasta un volumen de 2,0 L antes de explotar.¿Qué cantidad de gas se puede introducir en el globo a una presión de 5,0 lb/plg2, antes de que explote a una temperatura de 20ªC?
4.
El siguiente cuadro muestra como cambia la presión de un gas en función de la masa de éste, cuando se lo introduce en un recipiente de volumen fijo y a temperatura constante.a) Representa los datos en un gráfico.
b) ¿Cuánto gas debe introducirse en el recipiente para que su presión llegue a ser de 2 atm?
c) Si se extraen los 3,50 Kg del gas del recipiente y se introducen en otro con el doble de capacidad, ¿qué sucederá? Explica.
d) ¿Cuál será la presión del gas en el nuevo recipiente?
5.
Un cartel luminoso que contiene neón gaseoso, está hecho con un tubo cilíndrico que contiene 4,0 x 10-5 mol de este gas a 1,5 torr y 35ºC.a) Calcula el volumen del cilindro que contiene al neón gaseoso.
b) Discute qué cambios experimentará el gas si:
bi) la temperatura es de 10ºC. bii) el tubo se rompe.
6.
El dióxido de azufre (SO2) es un gas que provoca problemas respiratorios en los seres humanos, además de corroer a los metales y ser además uno de los causantes de la lluvia ácida. Su olor es percibido cuando hay presentes 1,806 x 1018 moléculas de este gas en cierta proporción de aire.a) Calcula la cantidad de SO2.
b) Calcula el volumen ocupado por dicho gas si se encuentra a 20ºC y 1 atm.
c) ¿Cambiaría el volumen si esa misma cantidad de gas se almacenara a 10 atm? Explica.
Masa (Kg) Presión (atm)
0,50 0,20
1,00 0,40
1,50 0,60
2,00 0,80
2,50 1,00
3,00 1,20
