FISICOQUÍMICA

AGENDA:i. Presentación del cursoii. Gases ideales

PRESENTACIÓN DEL CURSO

No. DE CRÉDITOS ACADÉMICOS: 3HORAS SEMANALES: 4

Actividad

Académica Del

Estudiante

Trabajo

Presencial

Trabajo

Independiente

Total

(Horas)

Horas 64 80 144

TOTAL 64 80 144

PRESENTACIÓN DEL CURSO

PRESENTACIÓN DEL CURSO

Justificación:

PRESENTACION DEL CURSO

El curso presenta conocimientosfundamentales de Fisicoquímica en tresunidades temáticas que contiene lossiguientes temas:Mezcla de gases ideales y de gases realesEquilibrio material: equilibrio químico yequilibrio de fasesSolucionesQuímica de superficies.

No. NOMBRE DE LAS UNIDADES

TEMÁTICAS

DEDICACIÓN

DEL

ESTUDIANTE

(horas)

HORA

S

TOTA

LES

(a +

b)

a)

Trabajo

Presenci

al

b)

Trabajo

Indepen

diente

1Gases ideales y gases reales.Condiciones para el equilibrio. Energíalibre y Equilibrio químico.

22 28 50

2Disoluciones y equilibrio de fases de uncomponente 16 20 36

3Equilibrio de fases de dos y trescomponentes. Química de superficies. 26 32 58

TOTAL 64 80 144

PRESENTACION DEL CURSO

UNIDAD

TEMÁTICA

ESTRATEGIAS DE

EVALUACION

PORCENTAJE

(%)

1. -Examen escrito.

-Quices

- Software, papers (oral,

escrito), exposiciones

23*3

5*3

16

PRESENTACION DEL CURSO: EVALUACIÓN DEL APRENDIZAJE

PRESENTACION DEL CURSO: BIBLIOGRAFÍABibliografía Básica: Levine, I. N. Fisicoquímica. 5 ed. Volumen 1. MacGraw-Hill. 2004.

Madrid.Pinzón Torres, Carmen. Diapositivashttp://webbook.nist.gov/chemistry/

Bibliografía Complementaria:

McCain, W. The properties of petroleum fluids. 2 ed,. PennWellBooks.Tulsa. EU. 1990.Artículos en inglés relacionados con fisicoquímicaAtkins P.and de Paula, J. Physical Chemistry. Seventh edition. OxfodUniversity Press. 2002. Italy.

FISICOQUÍMICALa fisicoquímica o química física es la rama de laquímica que estudia los principios que gobiernan laspropiedades y el comportamiento de los sistemasquímicos.Ejemplos de Sistemas químicos:GasesLíquidosSólidosSolucionesColoides

División de la Fisicoquímica (Physical Chemistry) Química Física)

FISICOQUÍMICA

Un sistema químico puede clasificarsecomo microscópico o macroscópico.El microscópico basa sus estudios en elámbito de moléculasEl macroscópico estudia las propiedades dela materia en gran escala sin necesitarexplícitamente el concepto de molécula.

GASES IDEALES

Un gas ideal es aquel que obedece las leyes de los gases ideales.

Propiedades de los gases idealesEl volumen ocupado por las propiasmoléculas es insignificante al compararlocon el volumen total.La atracción intermolecular es mínima.

Generalizaciones de la Conducta de un Gas Ideal

Ley de Boyle. 1662Ley de Charles. 1787Ley de Gay Lussac.1802Presiones parciales de Dalton. 1803Volúmenes parciales Amagat.Ley de difusión de Graham.

Ley de Boyle:

El volumen de cualquier cantidad definidade gas a temperatura constante, varíainversamente a la presión ejercida sobre él.

PV 1

CteVP

2211 PVPV

Ley de Charles y Gay Lussac

Charles experimentó con O2, aire, H2, CO2 ycomprobó que al calentar de 0 – 80 ºC a presiónconstante, los gases se expandían en igualproporción.

VT CteVT

1221 VTVT 2

2

1

1

VT

VT

Volumen Vs Temperatura

Ley combinada de los gases

111)1 PTV 222)3 PTV

21)2 PTVXSistema 1 y 2 Sistema 2 y 3

T = Cte

VP = Cte

V1P1 = VxP2

Vx = V1*P1/P2

P = Cte

V/T = Cte

Vx/T1 = V2/T2

Vx = T1*V2/T2

Igualando Vx V1*P1/P2 = V2*T1/T2

V*P = CONSTANTE

T

Ley de AvogadroEn 1811 Amadeo Avogadro comprobóexperimentalmente que volúmenes iguales detodos los gases medidos a las mismas condicionesde T y P contienen el mismo número demoléculas. Un gramo mol de cualquier sustanciacontiene 6.02 * 1023 moléculas. Una libra mol decualquier sustancia contiene 2.73* 1026 moléculas.

Un gramo mol de cualquier gas ocupará siempre elmismo volumen que un mol de otro gas si se midea las mismas condiciones de T y P. A 273.15 K y1 atm, un gramo mol ocupa 22.413 L de volumen.

Constante Universal de los gases

Constante determinada por el número de moles y las unidadesde P

y V, independiente de la naturaleza del gas.P y T Ctes. V ∝ n V = Cte *

nPV = Cte * n*T P V / T n = Cte. V / n = Cte V/ n = Vm, volumen molarP Vm / T = Cte.

P* Vm = Cte * TR = Cte Universal de los gases PV = nRT

gases Ideales.

Valores de la Constante R

nKcalR

LbnRLbfftR

RLbnftpsiaR

nKkJR

nKJR

RLbnbtuR

nKergR

knKmbarR

nKmlatmR

knKmKPaR

nKLatmR

*9872.1

**45.15

**73.10

*10*3145.8

*3145.8

*9872.1

*10*3145.8

**083148.0

**054.82

**3145.8

**082054.0

3

33

73

3

Presión Manométrica

Todas las presiones manométricasordinarias indican la presión por encima opor debajo de la atmosférica. Para obtenerla función absoluta debe añadirse estapresión atmosférica a la presiónmanométrica. La presión atmosféricamedida al nivel del mar es:

Condiciones Normales y Condiciones Estándares

Condiciones Científicas Universales oCondiciones Normales (C. N.):

0°C y 1 atm Condiciones Estándares (C.E.) en laIndustria del Gas Natural:

60ºF y 14.7 lb / pulg2 abs.

Volumen estándar

Es el volumen ocupado por 1 libra mol de gas(lbn) a la T y P de referencia.P ref = 14.7 psiaT ref = 60ºF

sc: condiciones estándar

33

6.3797.14

520***73.10*1 ft

psiaR

RlbnftpsialbnVsc

Mezcla de Gases Ideales

1. Ley de Dalton de las presiones parciales.

Establece que a T constante, la presión ejercida por una mezclade gases en un volumen definido es igual a la suma de laspresiones individuales que el gas ejercería si él ocupara sólo elvolumen total.

Mezcla gaseosa de tres componentes:

PT= P1 + P2 + P3

Presiones Parciales

VRTnP 1

1 VRTnP 2

2

VRTnP T

T

VRTnP 3

3

VRTnnnP )( 321

TT nn

PP 11

Tii PyP

TPyP 11

Generalizando

Donde yi es la fracción molar del componente i

2. Ley de Amagat o de los Volúmenes Parciales

El volumen ocupado por una mezcla de gases es igual a lasuma de los volúmenes que ocupan los componentespuros, medidos a las mismas condiciones de P y T

...321 VVVVT

PRTnV 1

1 PRTnV 2

2

TT nn

VV 11

T

i

T

i

nn

VV

Para un gas ideal, la fracción en volumen de un componente es igual a la fracción molar del componente.

3. Peso Molecular AparenteSegún la regla de mezclas de Kay, la propiedad de unamezcla de gases es igual a la sumatoria del producto de lafracción molar por su propiedad individual. (Pesomolecular, presión crítica, temperatura crítica de lasmezclas gaseosas)

Propiedad de mezcla = ∑yi*Propiedad de cada componente.

El peso molecular aparente es el peso molecular de lamezcla gaseosa.

MWa = ∑ y i * MWI

donde MWi es el peso molecular del componente i.

4. Fracción Molar

Donde:yi = Fracción molar del componente i en la mezclani = número de moles del componente in = número total de moles en la mezcla

i

iii n

nnny

5. Fracción en Peso

Wi = Fracción en peso del componente i enla mezclami = Peso del componente i en la fasegaseosam = Peso total de la mezcla gaseosa

i

iii m

mmmW

Para Convertir Fracción en Peso en Fracción Para Convertir Fracción en Peso en Fracción Molar:Molar:

Para Convertir Fracción Molar en Fracción en Para Convertir Fracción Molar en Fracción en Peso:Peso:

)/(/

ii

iii MWW

MWWy

)( ii

iii MWy

MWyW

6. Volumen Específico (Másico)

Volumen ocupado por unidad de masa

ρ = densidad del gas lb/ft3

lb

ftPMW

RTmVv

a

31

7. Volumen Molar

lbn

ftP

RTnVVm

3

Volumen ocupado por una mol

8. Gravedad Específica

Es la relación entre la densidad del gas y ladensidad del aire, a las mismas condicionesde P y T.

964.28a

aire

a

aire

a

aire

gg

MWMWMW

RTPMW

RTPMW

Composición de los componentes de una mezcla gaseosa

i

i

i

ii MW

mcomponentedelmolecularpeso

componentedelmasan

21

1

nnnxi

21

1

nnnyi

x1+ x2 = 1.0

y1 + y2 = 1.0

Propiedades que se incrementan con el aumentodel peso molecular

Temperatura Crítica TCi

Temperatura de ebullición Tbi

Volumen Crítico VCi

Factor Acéntrico Wi

Densidad del líquido ρi

Volumen crítico molar

PROPIEDADES FÍSICAS DE HIDROCARBUROS

Propiedades que disminuyen con elaumento del peso molecular Presión Crítica PCi

Factor z Crítico Zi

Volumen crítico específico vci

Presión de vapor

PROPIEDADES FÍSICAS DE HIDROCARBUROS

EJEMPLO

EJEMPLO

EJERCICIO 1

Un tanque contiene metano C1 a 1000 psia y 140ºF. Otro tanque de igual volumen contiene C2 a1100 psia y 140 ºF. Los dos tanques se conectanpermitiendo que los gases se mezclen y latemperatura se restaure a 140ºF. Calcule la presiónfinal, la composición molar de la mezcla y lapresión final de cada uno de los componentes a lascondiciones finales, asumiendo comportamientode gas ideal.

EJERCICIO 2Una muestra de gas natural tomada a 500 lbf/pulg2

manométrica y 250°C se separa por cromatografía; loscálculos indican que la masa de cada compuesto en el gasson:

Componente librasC1 100C2 240C3 150N2 50

a) Calcular la densidad del gas en unidades inglesasb) Calcular el volumen molar en L/gn

EJERCICIO 3

Un tanque de 20 pie3 a 100°F alcanza una presiónde 200 psia cuando se introduce un alcano normalgaseoso. Se agregan posteriormente 10 lb de etanoy la gravedad específica de la mezcla es 1.68.Asumiendo comportamiento ideal conteste losiguiente:

a. Peso molecular, nombre y fórmula molecular delalcano original.

b. Volumen molar de la mezcla en unidades inglesasc. Volumen másico de la mezcla en unidades

inglesas

OTRAS PROPIEDADES DE LOS GASES

1. CoeficienteCoeficiente dede ExpansiónExpansión oo DilataciónDilataciónTérmicaTérmica aa PresiónPresión ConstanteConstante (α)

Es el aumento relativo en volumen a presiónconstante por aumento de la temperatura.

α es casi el mismo para todos los gases,mientras que para cada líquido tiene su propiovalor.

pTV

V

1

pTVm

Vm

1

T1

Para un gas idealPara un gas ideal

pTv

v

1

Coeficiente de Expansión o Dilatación Térmica a Presión ConstanteCoeficiente de Expansión o Dilatación Térmica a Presión Constante

DEMOSTRAR

2. Coeficiente de Compresibilidad Isotérmica (K)

Es la disminución relativa en volumen porunidad de aumento de la presión a temperaturaconstante.Los valores de K para sólidos y líquidos sonsupremamente pequeños, del orden de 10-6 a 10-5

atm-1, dado el carácter incompresible que tienen.

TPV

VK

1

TPVm

VmK

1

PK 1 Para un gas idealPara un gas ideal

TPv

vK

1

COEFICIENTE DE COMPRESIBILIDAD ISOTÉRMICA

Coeficiente de compresibilidad isotérmica deun gas como función de la presión a una T delyacimiento constante

COEFICIENTE DE COMPRESIBILIDAD

Integrando

TPV

VK

1

2

1

2

1

P

P

V

V VdVdPK

EJEMPLO

Para agua a 50°C y 1 atm, ρ =0.98804 g/cm3

y κ =4.4x10-10 Pa-1. Obtenga el volumenmolar en cm3/gmol:a) Del agua a 50°C y 1 atmb) Del agua a 50°C y 100 atm. Desprecie ladependencia de κ con la presión.RTAS: a) 18.233 cm3/(g.n); b) 18.15cm3/g.n