Leyes de los Gases

Ley de los gases Ideales

Se han desarrollado leyes empíricas que relacionan las variables macroscópicas en base a las experiencias en laboratorio realizadas. En los gases ideales, estas variables incluyen la presión (P), el volumen (V) y la temperatura (T).

La ley de Boyle - Mariotte relaciona inversamente las proporciones de
volumen y presión de un gas, manteniendo la temperatura constante:

P₁. V₁ = P₂ . V₂

La ley de Gay-Lussac afirma que el volumen de un gas......., a presión constante, es directamente proporcional a la temperatura absoluta:

V1/T1 = V2/T2

La ley de Charles sostiene que, a volumen constante, la presión de un gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta del sistema:

P1/T1 = P2/T2

La temperatura se mide en kelvin (273 ºK = 0ºC) ya que no se puede dividir por cero.

Ley universal de los gases

De las tres leyes anteriores se deduce

P1/T1 =P2/T2; V1/T1 = V2/T2; P1.V1=P2.V2 -----

POR TANTO

P₁.V₁.T₂ = P₂.V₂.T₁

Ley de los Gases Generalizada

En base a la hipótesis de Avogadro puede considerarse una generalización de la ley de los gases. Si el volumen molar (volumen que ocupa un mol de molécula de gas) es el mismo para todos los gases en CNPT, entonces podemos considerar que el mismo para todos los gases ideales a cualquier temperatura y presión que se someta al sistema. Esto es cierto debido a que las leyes que gobiernan los cambios de volumen de los gases con variaciones de temperatura y presión son las mismas para todos los gases ideales. Se relaciona entonces, proporcionalmente, el número de moles (n), el volumen, la presión y la temperatura: P.V ~ n T. Para establecer una igualdad debemos añadir una constante (R) quedando:

P.V = n . R . T

El valor de R se calcula a partir del volumen molar en CNPT:

R = PV/nT = 1 atm. 22,4 L/1 mol. 273 K = 0.08205 atm.L/mol.K

Unidades Quimicas de Concentracion

Para expresar la concentración de una solución se pueden usar unidades químicas aunque la idea general es siempre expresar la cantidad de soluto en una cantidad de solvente (o solución).

Fracción molar: Usando el concepto de mol se puede expresar la concentración de una solución como la cantidad de un componente i cualquiera (en moles) en la cantidad total de todos los componentes de la solución (en moles):

Xi (fracción molar de i) = moles de i / (moles de i + moles de j + moles de k + ....)
y que la suma de Xi + Xj + Xk..... = 1

Molaridad
La molaridad (M) se define como la cantidad de moles de soluto en un litro de solución M = moles de soluto / volumen de solución (L)


Molalidad
La Molalidad se define como los moles de soluto presentes en un Kilogramo de disolvente (NO SOLUCION)

Concentracion de una solución . Unidade Físicas

La concentración de una solución es la medida de la cantidad de soluto presente en una cantidad de solución (o disolvente). Existen varias maneras de describir la concentración de una solución.

Unidades Físicas. Porcentajes
Por definición el porcentaje es la proporción (en partes) por cada 100 partes de un todo.

Si aplicamos este concepto a las disoluciones podemos definir la concentración de una solución como partes de soluto en 100 partes de solución. Las “partes” puedes ser expresadas en Masa (g) o volúmenes (mL, L).

Si se disuelven 2 g de NaCl en 98 g de Agua se obtienen 100 g de una solución que es 2 por ciento (%) de masa (sal). Específicamente esta solución se describiría como 2 % (peso/peso) de sal en agua [lo cual quiere decir que son 2 g (peso) en 100 g (peso) de solución)]

Si ahora disolvemos 5 L metanol (volumen) en 95 L de agua tendremos una solución 5% (volumen/volumen ó vol./vol.) OJO ACA ASUMIMOS EL VOLUMEN FINAL ES LA SUMATORIA DE LOS DOS VOLUMENES LO CUAL NO SIEMPRE ES CIERTO (el volumen final de una solucion puede cambiar)

Otra posibilidad es expresar el peso de soluto en 100 volúmenes de solución. Así una solución de 0,5 g (peso) en 100 mL (volumen) de solución sería una solución 0,5% (peso/volumen ó P/V)

Soluciones

Las soluciones o disoluciones son mezclas homogéneas de dos o más componentes. Se dice que es una mezcla homogénea por que sus propiedades y composición son uniformes. El componente que se encuentra en mayor proporción se denomina disolvente o solvente y el de menor proporción soluto. El soluto se halla disuelto en el disolvente. Si hay mucho soluto disuelto se puede hablar de una solución concentrada. Si el soluto esta en muy baja concentración se habla de una solución diluida.

Ejemplos de soluciones comunes:

Agua de mar: Sal (y otros) en agua
Gaseosa: Dióxido de carbono, azúcar y otros, disueltos en agua
Moneda: Cobre (Cu) y Níquel (Ni) (las soluciones sólidas se denominan aleaciones)

Estequiometría

La estequiometría es el estudio cuantitativo de las reacciones químicas.

¿Que es una reacción química?
Reacción química es el proceso en el cual una sustancia (o sustancias) cambia para formar una o más sustancias nuevas, es decir es un proceso de cambio de unos reactivos iniciales a unos productos finales

Las reacciones químicas se representan mediante ecuaciones químicas. Por ejemplo el carbono (C) podría reaccionar con oxígeno gaseoso (O2) para formar dióxido de carbono(CO2). La ecuación química para esta reacción se escribe:

C + O2 = CO2

El '+' se lee como “reacciona con” y la flecha significa “produce”. Las fórmulas químicas a la izquierda de la flecha representan las sustancias de partida denominadas reactivos. A la derecha de la flecha están las formulas químicas de las sustancias producidas denominadas productos de la reacción. Los números al lado de las formulas son los coeficientes( el coeficiente 1 se omite).
En la reacción anterior el C y el O2 son los reactivos, el CO2 el producto.

La reacción de formación del agua se escribe:

2H2 + O2 = 2H2O

Nótese en la reacción anterior (formación del agua) que el numero de átomos de cada elemento a cada lado de la ecuación es el mismo:

Según la ley de la conservación de la masa los átomos ni se crean, ni se destruyen, durante una reacción química. Por lo tanto una ecuación química ha de tener el mismo número de átomos de cada elemento a ambos lados de la flecha. Se dice entonces que la ecuación está balanceada.

Como se balancean las ecuaciones químicas?

1) Se sigue un procedimiento estandarizado que se describe a continuación:

2) Se determinan los reactivos y los productos de la reacción química

3) Se escribe la ecuación química reactivos a productos

4) Se balancea la ecuación de la siguiente forma:

-- Se empieza por igualar la ecuación probando diferentes coeficientes para lograr que el número de átomos de cada elemento sea igual en ambos lados de la ecuación. Los subíndices de las fórmulas no se pueden cambiar).

-- Primero se buscan los elementos que aparecen una sola vez en cada lado de la ecuación y con igual número de átomos: las fórmulas que contienen estos elementos deben tener el mismo coeficiente. Por lo tanto, no es necesario ajustar los coeficientes de estos elementos en ese momento.

-- Después se buscan los elementos que aparecen sólo una vez en cada lado de la ecuación, pero con diferente número de átomos y se balancean estos elementos. Por último se balancean los elementos que aparecen en dos o más fórmulas del mismo lado de la ecuación.

--Se verifica que la ecuación igualada tenga el mismo número total de átomos de cada tipo en ambos lados de la flecha de la ecuación.

Ejemplo:
Consideremos la combustión del gas metano (CH4). Esta reacción consume oxígeno (O2) y produce agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2). Podemos entonces escribir la ecuación química:

CH4 + O2 = CO2 + H2O

Ahora contamos el número de átomos de cada elemento en reactivos y productos:

Reactivos:
C =1, H = 4, O = 2

Productos:
C = 1, H = 2, O = 3,

El carbono y el hidrógeno aparecen en un compuesto de los reactivos y en otro de los productos.

Hay igual numero de átomos de carbono en los reactivos que en los productos, pero dos veces más hidrógeno en los reactivos que en los productos y 1,5 veces mas oxigeno en los productos que en los reactivos.

Esto se puede arreglar balanceando la reacción, de manera de igualar el numero de átomos de cada especie química en cada lado de la ecuación. El carbono ya esta igualado, o sea no hay que hacer nada. Para el H hay que multiplicar por dos (2) en el agua, así ahora hay 4 átomos de H a cada lado. Pero ahora tenemos que a la derecha (productos) hay 4 átomos de oxigeno (dos del CO2 y dos del 2H2O), mientras que a la izquierda solo dos, por lo cual hay que multiplicar por dos el Oxigeno de la izquierda (reactivos)

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O

Ahora ya tenemos la ecuación balanceada y la podemos leer como:

una molécula de metano reaccionan con dos de oxígeno produciendo una molécula de dióxido de carbono y dos moléculas de agua.

El estado físico de los reactivos y productos puede indicarse mediante los símbolos (g), (l) y (s), para indicar los estados gaseoso, líquido y sólido, respectivamente.
Por ejemplo:

CH4(g) + 2O2(g) = CO2(g) + 2H2O (l)

Enlace Metalico

Un enlace metálico es un enlace químico que mantiene unidos los átomos de los metales entre sí. Estos átomos se agrupan de forma muy cercana unos a otros, lo que produce estructuras muy compactas. Se trata de redes tridimensionales que adquieren la estructura típica de empaquetamiento compacto de esferas. En este tipo de estructura cada átomo metálico está rodeado por otros doce átomos (seis en el mismo plano, tres por encima y tres por debajo). Además, debido a la baja electronegatividad que poseen los metales, los electrones de valencia son extraídos de sus orbitales y tiene la capacidad de moverse libremente a través del compuesto metálico, lo que otorga las propiedades eléctricas y térmicas de los metales.

Las características básicas de los elementos metálicos son producidas por la naturaleza del enlace metálico. Entre ellas destacan:
1. Suelen ser sólidos a temperatura ambiente, excepto el mercurio, y sus puntos de fusión y ebullición varían notablemente.
2. Las conductividades térmicas y eléctricas son muy elevadas. (esto se explica por la enorme movilidad de sus electrones de valencia)
3. Presentan brillo metálico.
4. Son dúctiles y maleables. (la enorme movilidad de los electrones de valencia hace que los cationes metálicos puedan moverse sin producir una situación distinta, es decir, una rotura)
5. Pueden emitir electrones cuando reciben energía en forma de calor.
6. Tienden a perder electrones de sus últimas capas cuando reciben cuantos de luz (fotones), fenómeno conocido como efecto fotoeléctrico.

El enlace metálico es característico de los elementos metálicos, es un enlace fuerte, primario, que se forma entre elementos de la misma especie. Los átomos, al estar tan cercanos uno de otro, interaccionan los núcleos junto con sus nubes electrónicas empaquetándose en las tres dimensiones, por lo que quedan rodeados de tales nubes. Estos electrones libres son los responsables que los metales presenten una elevada conductividad eléctrica y térmica, ya que estos se pueden mover con facilidad si se ponen en contacto con una fuente eléctrica. Presentan brillo y son maleables.

Los elementos con un enlace metálico están compartiendo un gran número de electrones de valencia, formando un mar de electrones rodeando un enrejado gigante de cationes. Los metales tienen puntos de fusión más altos por lo que se deduce que hay enlaces más fuertes entre los distintos átomos. La vinculación metálica es no polar, apenas hay (para los metales elementales puros) o muy poco (para las aleaciones) diferencia de electronegatividad entre los átomos que participan en la interacción de la vinculación, y los electrones implicados en que es la interacción a través de la estructura cristalina del metal. El enlace metálico explica muchas características físicas de metales, tales como fuerza, maleabilidad, ductilidad, conducción del calor y de la electricidad, y lustre. La vinculación metálica es la atracción electrostática entre los átomos del metal o los iones y electrones deslocalizados. Esta es la razón por la cual se explica un deslizamiento de capas, dando por resultado su característica maleabilidad y ductilidad. Los átomos del metal tienen por lo menos un electrón de la valencia, no comparten estos electrones con los átomos vecinos, ni pierden electrones para formar los iones. En lugar los niveles de energía externos de los átomos del metal se traslapan. Son como enlaces covalentes.

Para explicar las propiedades características de los metales (su alta conductividad eléctrica y térmica, ductilidad y maleabilidad, ...) se ha elaborado un modelo de enlace metálico conocido como modelo de la nube o del mar de electrones:Los átomos de los metales tienen pocos electrones en su última capa, por lo general 1, 2 ó 3. Éstos átomos pierden fácilmente esos electrones (electrones de valencia) y se convierten en iones positivos, por ejemplo Na+, Cu2+, Mg2+. Los iones positivos resultantes se ordenan en el espacio formando la red metálica. Los electrones de valencia desprendidos de los átomos forman una nube de electrones que puede desplazarse a través de toda la red. De este modo todo el conjunto de los iones positivos del metal queda unido mediante la nube de electrones con carga negativa que los envuelve.

Tipos de Enlaces Químicos

La mayor parte de los elementos rara vez existen como átomos aislados. El estado más generalizado es el de átomos enlazados. Por ej.: el oxígeno, el nitrógeno, el hidrógeno y los halógenos, son moléculas diatómicas. El azufre amarillo y el fósforo blanco existen como moléculas cuyas fórmulas son S8 y P4 respectivamente. El carbono, en forma de diamante y grafito, así como el fósforo rojo, son macromoléculas compuestas por muchos átomos enlazados en una red. La mayoría de los elementos metálicos, tales como el cobre y el potasio, están formados por innumerables átomos enlazados entre sí. Los gases nobles como el helio y el argón, existen como átomos sin enlazar. A temperaturas superiores a 5000 °C, la mayor parte de la materia está en un estado gaseoso monoatómico.

¿Cómo se combinan los átomos y cuáles son las fuerzas que los unen?

Estas preguntas son esenciales en el estudio de la química, pues los cambios químicos son esencialmente una alteración de los enlaces químicos. De los tres tipos de fuerzas de atracción: gravitacional, magnética y electrostática, sólo la electrostática es lo suficientemente intensa como para justificar las energías de enlace observadas.

Una de las claves de la comprensión de la fuerza del enlace químico, fue el descubrimiento de los gases nobles y de su comportamiento químico relativamente inerte. Se sugirió que los átomos interactúan cambiando el número de electrones de tal forma que adquieren la estructura electrónica de un gas noble. Con excepción del helio, que tiene una configuración 1s2 , cada gas noble tiene ocho electrones con una distribución s2p6 en su nivel energético más elevado. La necesidad de ocho electrones da el nombre de regla del octeto a este concepto. Sin emgbargo, hay muchas excepciones a esta regla (existen elementos que no completan su octeto mientras que otros exceden su octeto) y hasta se han logrado sintetizar algunos compuestos de los gases nobles.

Los enlaces químicos resultan de interacciones electrostáticas y se los clasifican en tres grandes grupos, enlace iónico, enlace covalente y enlace metálico.

1) Enlace iónico: resulta de las interacciones electrostáticas entre iones de cargas opuestas.

2) Enlace covalente: es el resultado de compartir electrones entre dos átomos.

3) Enlace metálico: cada átomo está unido a varios átomos vecinos por electrones que son relativamente libres de moverse a través de la estructura tridimensional.