propiedades del estado gaseoso

PROPIEDADES DEL

ESTADO GASEOSO

Profesor: César Luna

La química

Es la ciencia que describe la materia, sus propiedades

físicas y químicas, los cambios que experimenta y las

variaciones de energía que acompañan a dichos procesos.

La Fisicoquímica

“Es una ciencia que usa las leyes y experimentos de la

física para explicar que ocurre en una mezcla de

sustancias durante una operación química”

Estados de Agregación de la Materia

Diferencia entre masa y peso


Sólido Líquido Gas

Sólido

Líquido

Gas

Temperatura

Ener

gía



Característica Sólido Líquido Gas

Volumen Definido Definido Indefinido

Forma Definida Indefinida Indefinida

Compresibilidad Prácticamente

Incompresible

Prácticamente

Incompresible

Fácilmente

Compresible

Atracción

intermolecular

Fuerte Moderada Despreciable o

Prácticamente

Inexistente

Estado Gaseoso

Es un estado de agregación de la materia en el que las

moléculas se mueven a grandes velocidades en forma

completamente desordenada y poseen fuerzas de atracción

muy pequeñas o casi nulas entre sí.

Características de los Gases

No tienen forma ni volumen definido.

Muestran densidades muy bajas.

Pueden comprimirse a volúmenes menores; es decir, sudensidad puede aumentar al aplicar mayor presión.

Sus moléculas, debido a su rápido y vigoroso movimiento,siguen trayectorias al azar, chocando, con gran frecuencia,unas con otras y con las paredes del recipiente que lascontiene y, como consecuencia ejercen una presión sobreéstas, a su vez, se requiere cierta presión para confinarlas.

Características de los Gases

Se expanden sin límite, de modo que las muestrasgaseosas ocupan en su totalidad y de manera uniforme elvolumen de cualquier recipiente.

Difunden entre sí, de manera que al colocar muestras degases en un mismo recipiente, se mezclan en sutotalidad. Por el contrario, los distintos gases de unamuestra no se separan al dejarlos reposar.

Sus propiedades y cantidades se describen en términosde temperatura, presión, volumen que ocupan y númerode moléculas presentes.

Importancia del estudio del Estado Gaseoso

en el campo farmacéutico

Uso de gases como propelentes.

Formulación de medicamentos.

Cromatografía de gases.

Diversos fenómenos asociados.

GASES IDEALES

GASES REALES

TIPOS DE GASES

Gases Ideales

De acuerdo con la teoría cinética molecular, el volumenocupado por las moléculas de un gas es despreciable encomparación con el volumen total ocupado por el gas.

Las fuerzas de atracción entre las moléculas sondespreciables o inexistentes.

Las colisiones son perfectamente elásticas.

Obedecen a las leyes de los gases ideales:

Ley de Boyle – Mariotte, Ley de Charles y Gay-Lussac,la Ley de Amonton y la Ley Combinada de los Gases.

Leyes de los Gases Ideales

Ley de Boyle – Mariotte

(Relación entre presión y volumen)

“A temperatura constante, el volumen V que ocupa una masa definida de gas es inversamente proporcional a la

presión aplicada P”

V (n, T constantes)

1

P=V k PV = k (constante)

1

P


V se refiere al VOLUMEN = Espacio ocupado por una sustancia.

Según el SI (Sistema Internacional de Unidades) la unidad oficialdel volumen es el m3 .

1 m3 = 1000 dm3

1 dm3 = 1000 cm3 = 1 L

1 cm3 = 1 mL

P se refiere a PRESIÓN se define como la fuerza por unidad deárea.

Un N/m2 es la unidad estándar de presión en unidades del SI.Recibe el nombre de pascal (Pa).


Otras unidades de Presión son:

1 atmósfera (atm) = 760 mmHg = 760 torr = 101325 Pa

k se refiere a la CONSTANTE DE BOYLE que es unaconstante de proporcionalidad que depende de laTemperatura, de la masa, de la naturaleza del gas y de lasunidades en que se exprese la Presión y el Volumen.


Ley de Boyle - Mariotte



Pre

sió

n

P

Volumen V

Temperaturas

constante

Isotermas


Para 2 condiciones de Volumen y Presión para un mismogas la Ley de Boyle – Mariotte se expresa de la manerasiguiente:

P1V1 = k ; P2V2 = k

P1V1 = P2V2

Podemos expresar esta relación como: V1 P2

V2 P1=



Ejercicio

Si un gas tiene un volumen de 350 mL a 740 torr, ¿Cuálsería su volumen a 900 mmHg si la temperatura permanececonstante?

Respuesta: 287,77 mL


Ley de Charles y Gay – Lussac(Relación entre Temperatura y Volumen)

“A presión constante, el volumen que ocupa una masa dada de gas es directamente proporcional a su

temperatura absoluta”

V T (n, P constantes)

V = k T V

T = ko


Ley de Charles y Gay – Lussac

V se refiere al Volumen descrito con anterioridad.

T se refiere a Temperatura. Es una condición quedetermina la transferencia de calor o energía térmica de uncuerpo a otro cuerpo.

Las unidades de temperatura empleadas comúnmente enestudios científicos son los grados celsius (ºC) y la unidaddel SI kelvin (K) de la escala absoluta de temperatura. Laequivalencia entre ambos es:

K = º C + 273,15



k es una constante de proporcionalidad que depende de la

Presión, de la masa, de la naturaleza del gas y de las

unidades en que se exprese la Temperatura y el Volumen.



Temperatura en kelvin



Para 2 condiciones de Volumen y Temperatura de un gas la Ley de Charles y Gay - Lussac se expresa:

V1 V2

T1 T2

O sea,

V1T2 = V2T1

= = k



Las investigaciones de Charles y Gay – Lussac dieron paso a

que se definiera una nueva escala de temperatura llamada

escala Kelvin de temperatura.

K = º C + 273,15



0 273,15 K

- 273,15 0 ºC

“cero absoluto”



Temperatura en kelvin


Ley de Amonton(Relación entre Presión y Temperatura)

“Para una masa dada de gas a volumen constante la presión es directamente proporcional a la temperatura”

P T (n, V constantes)

P

T= k


Ley de Amonton

Para dos condiciones de Presión y Temperatura de unmismo gas:

P1 P2

T1 T2

o

P1T2 = P2T1

= = k


Ley Combinada de los Gases

Se obtiene la relación completa entre P, V y T de un gas

Boyle-Mariotte Charles - Gay Lussac

1

P

k T

P

k: Constante que depende de la masa del gas, de las unidades en las que se exprese dicha masa y las unidades en que se exprese la presión, el volumen y la temperatura e independiente de la naturaleza del gas.

V V T+

=VV T

P=PV k T



PV = kT

k = nR

Sustituyendo k, obtenemos

PV = nRT

Ecuación de Estado o General de un Gas Ideal


Ecuación General de un Gas Ideal

PV = nRT

n = número de moles de gas.

1 mol es la masa de una sustancia numéricamente igual a su

masa molecular.

n = m / M. Donde: se refiere a la masa, su unidad en el SI es el

kilogramo (Kg) y en el sistema métrico es el gramo (g) y M se

refiere al peso molecular de la sustancia su unidad es g / mol.


Ecuación General de un Gas Ideal

R: Es la constante universal de los gases.

Sólo depende de las unidades en la cual se

exprese la presión, el volumen y la temperatura.

Es igual para todos los gases.


Unidades de expresión de R

R = 0,082 atm L / K mol = 82,05 atm mL / K mol

R también puede expresarse en unidades de trabajo o energía,

por lo tanto:

R = 1,987 cal / K mol = 8,314 J / K mol

1 caloría (cal) = 4,184 julio (J)

1 julio (J) = 107 erg

R = 8,314 x 107 erg / mol K

R = 62,36 L torr / K mol



Para dos condiciones de un mismo gas la ecuación combinadade las leyes de los gases se expresa:

P1V1 P2V2

T1 T2

Por ejemplo: Una muestra de 50 mL de un gas ejerce unapresión de 450 torr a 35 ºC. ¿Cuál es su volumen a 760 mmHga 0 ºC?

R: 26,25 mL

= = k


Cálculo del Peso Molecular y Densidad de los Gasesa partir de la Ecuación General.

Sabemos que: n = m / M

Sustituyendo

= =PVPV = = = =

M = ρ =

nRT m RTM

M RTV

ρ R T

P

MP

RTo

P

ρ

m

Presión y Temperatura Normal o Estándar

Las condiciones estándar de temperatura y presión (PTN o

PTE) son, por acuerdo internacional 0 ºC (273,15 K) y una

atm (760 mmHg), respectivamente.


Ley de Avogadro

(Relación entre cantidad y volumen)

“Volúmenes iguales de gases a la misma temperatura y

presión, contienen igual cantidad de moléculas”

V n (P, T constantes)

V = k . n


Ley de Avogadro

1 mol de cualquier gas en condiciones estándar de

temperatura y presión (0 ºC y 1 atm) ocupa un volumen de

22,414 L y contiene 6,02 x 1023 partículas, moléculas o iones

(número de Avogadro)

1 mol = 6,02x1023 moléculas

P = 1 atm

T = 0 ºC

V= 22,414 L

1 mol = 6,02x1023 moléculas

P = 1 atm

T = 0 ºC

V= 22,414 L

Argón Nitrógeno

GASES REALES

Gases Reales

El volumen ocupado por las moléculas del gas es finito,apreciable en relación con el volumen total ocupado porel gas.

Como consecuencia de la característica anterior, laatracción intermolecular es significativa.

No cumplen con las leyes de los gases ideales.

Cumplen con la ecuación de Van der Waals.

PV = nRT Gas Ideal

Presión ideal

Volumen susceptible de sufrir cambios

Gas Real : PV ≠ n RT

Ecuación de

Van der Waals

n2a (V - nb) n R T

V2P + =( )

Gases Reales

Gases Reales

Para gases ideales P = P

Para gases reales P > P

Para gases ideales V = V

Para gases reales V < V

Pideal P observada + n2 a

V2Videal ( V – nb)

ideal

ideal

ideal

Susceptible

de sufrir

cambios

observada

observada

Susceptible de sufrir cambios

=

P + n2a (V - nb) n R T

V 2=( )

= y

observado

Gases Reales

Para gases ideales z = 1

Para gases reales z ≠ 1

Factor de Compresibilidad (z)

GAS IDEAL

T constante

PV

RT=z

Características de Gases Ideales y Reales

El volumen ocupado por las

moléculas del gas es despreciable.

Atracción intermolecular inexistente

o prácticamente inexistente.

Cumplen con las Leyes de los Gases

Ideales.

Cumplen con los postulados de la

Teoría Cinética Molecular.

Factor de compresibilidad = 1

El volumen ocupado por las moléculas

del gas es apreciable.

Atracción intermolecular significativa.

Cumplen con la ecuación de Van der

Waals.

Sólo cumplen las leyes de los gases

ideales a bajas presiones y elevadas

temperaturas.

Factor de compresibilidad ≠ 1

Gases Ideales Gases Reales

MEZCLA DE GASES

Mezcla de Gases

Ley de Dalton

(Suma de las presiones parciales)

“La presión total que ejerce una mezcla de gases, a

temperatura constante y en un volumen definido, es la suma

de las presiones parciales de los gases que la componen”

A B PT = PA + PB

Mezcla

de gases

Mezcla de Gases

Ley de Dalton

Presión Parcial: es la misma que ejercería cada componente

si estuviera solo en el mismo volumen y a la misma

temperatura que la mezcla.

PT = PA + PB

Mezcla de Gases

Ley de Dalton

Si cada uno de los gases obedece la ecuación del gas ideal,entonces, podemos escribir que:

PA = nA RT / VMezcla Ecuación (1)

PB = nB RT / VMezcla Ecuación (2)

Ptotal = ntotalRT / VMezcla Ecuación (3)

ntotal = nA + nB

Mezcla de Gases

Ley de Dalton

Dividiendo las ecuaciones (1) y (2) entre la ecuación (3) obtenemos:

PA = nA RT / VMezcla y PB = nB RT / VMezcla

Ptotal = ntotalRT / VMezcla Ptotal = ntotal RT / VMezcla

PA nA y PB nB

Ptotal ntotal Ptotal ntotal

Si denominamos: nA nB

ntotal ntotal

= =

XA= = XBy

Mezcla de Gases

Ley de Dalton

Por lo tanto, sustituyendo: PA PB

Ptotal Ptotal

Despejando presión parcial, tenemos que:

PA = XA Ptotal y PB = XB Ptotal

XA y XB se denominan “fracciones molares”

XA= y XB=

Mezcla de Gases

Ley de Dalton

Ejercicio

En un recipiente de 500 mL se recoge O2 sobre agua a una

presión total de 760 mmHg. La temperatura del sistema es

de 25 ºC, a esta temperatura el agua tiene una presión de

vapor de 23,8 mmHg ¿Cuál es la presión parcial del O2

expresada en atm y cuántos moles de oxígeno hay en el

tubo?

R: P = 0,97 atm n = 0,02 molesO2 O2

Mezcla de Gases

Ley de Amagat

(suma de los volúmenes parciales)

“En toda mezcla gaseosa, el volumen total puede

considerarse igual a la suma de los volúmenes parciales de

sus componentes a la presión total de la mezcla y a la

misma temperatura”

A B VT = VA + VB

Mezcla

de gases +

Mezcla de Gases

Ley de Amagat

Volumen Parcial: Es el volumen que ocuparía cada gas si

estuviese sólo a la presión total de la mezcla y a la misma

temperatura.

VT = VA + VB

Mezcla de Gases

Ley de Amagat

Si cada uno de los gases obedece la ecuación del gas ideal,

entonces, podemos escribir que:

VA = nA RT / Ptotal Ecuación (1)

VB = nB RT / Ptotal Ecuación (2)

Vtotal = ntotal RT / Ptotal Ecuación (3)

ntotal = nA + nB

Mezcla de Gases

Dividiendo las ecuaciones (1) y (2) entre la ecuación (3) obtenemos:

VA = nA RT / Ptotal y VB = nB RT / Ptotal

Vtotal = ntotal RT / Ptotal Vtotal = ntotal RT / Ptotal

VA nA y VB nB

Vtotal ntotal Vtotal ntotal

Si denominamos: nA nB

ntotal ntotal

= =

= XA = XB

Ley de Amagat

Mezcla de Gases

Ley de Amagat

XA y XB se denominan “fracciones molares”

Por lo tanto, sustituyendo: VA VB

Vtotal Vtotal

Despejando volumen parcial, tenemos que:

VA = XAVtotal y VB = XBVtotal

= =XA XBy

Mezcla de Gases

Ley de Amagat

Ejercicio:

En un recipiente se recogió 79% v/v de N2 y 21 % v/v de O2 ,

la presión total ejercida por ambos gases es de 1 atm. Calcule

la presión parcial de cada uno de los gases.

R: P = 0,21 atm P = 0,79 atmN2O2

Capacidad Calorífica

Definición

Es la cantidad de calor que se requiere para aumentar en un

grado la temperatura de una cantidad definida de masa de

una sustancia.

21 º

20 º

calor

m de sustancia


Se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura

de la unidad de masa (1g) de una sustancia en 1 ºC.

El calor específico se puede expresar como:

Q = m . c . T

Q: calor absorbido.

c: calor específico cuando la masa es de 1g y el incremento de T es 1ºC.

m: masa de la sustancia.

T: cambio de temperatura.

CALOR ESPECÍFICO


CAPACIDAD CALORÍFICA MOLAR:

Es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperaturade 1 mol de sustancia en 1 ºC.

Por lo tanto, es igual al calor específico multiplicado por lamasa molecular de la sustancia.

Existen dos tipos de capacidad calorífica molar, quedependen de si la sustancia se calienta a volumen constante ya presión constante.


La capacidad calorífica molar de una sustancia a volumenconstante, Cv, es la cantidad de calor que se requiere paraelevar la temperatura de 1 mol de sustancia 1º a un volumenconstante y a una temperatura dada.

Ec = 3/2 R T

E = 3/2 R (T2 - T1)

Cv 1º

Cv = 3/2 R

Cv = 2.98 ~ 3cal / K mol

Para gases ideales

R = 1,987cal / K mol


La capacidad calorífica molar de una sustancia a presión

constante, Cp, es la cantidad de calor que se requiere para

elevar la temperatura de un mol de sustancia 1º a presión

constante y a temperatura dada.

R = 1,987cal / K mol

Cv = 2,98 cal / K mol

Cp = Cv + W

Cp = Cv + R

Cp = 4,97 ~ 5 cal/ K molPara gases ideales

W = R


Gas C C

Argón 5 3.01 1.66

Helio 4.99 3 1.66

Hidrógeno 6.83 4.84 1.41

Oxígeno 6.96 4.97 1.40

Dióxido de Carbono 8.75 6.71 1.30

p v

Capacidades caloríficas molares de gases (cal / K mol)

Aplicación Farmacéutica de los Gases

Aerosol

Es un sistema disperso heterogéneo de fase interna líquida o

sólida y fase externa gaseosa (licuado o comprimido), que

por ser heterogéneo tiende a la inestabilidad y a la separación

de fases.


Aerosol


Propulsor o Propelente:

- Gas Licuado.

- Gas Comprimido.

Aerosol


Gas Licuado:

Es aquel que a presión atmosférica y temperatura ambiente se

presenta en forma gaseosa, pero que se licua con facilidad al

aumentar la presión del recipiente que lo contiene.

Aerosol


Aerosol

Gas Licuado


Aerosol

CloroFluoroCarbonados (CFC)

HidroCloroFluoroCarbonados (HCFC)

HidroFluoroCarbonados (HFC)

Butano

Hidrocarburos Isobutano

Propano

Gases

Licuados

Hidrocarburos

Halogenados


Gas Comprimido

Es un gas generalmente insoluble en preparado líquido

contenido en el envase aerosol, de tal manera que, a medida

que avanza el número de descargas, se produce una caída en la

presión en el interior del envase.

Aerosol


Aerosol

Dióxido de Carbono

Gases

Comprimidos Oxido de Etileno

Nitrógeno


Aplicaciones de los Aerosoles Farmacéuticos

a) Sistemas para administración tópica (piel y mucosas)

b) Sistemas para inhalación

http://images.google.cl/imgres?imgurl=http://www.pamf.org/health/classes/images/asthma.gif&imgrefurl=http://www.crmef.org/asthma/webpages/Asthma CAT 5 Therapy II/sld046.htm&h=200&w=154&sz=5&tbnid=AtQQxHgmey4J:&tbnh=98&tbnw=76&start=19&prev=/images?q=turbuhaler&hl=es&lr=


Ventajas de Aerosoles Farmacéuticos

Rapidez en el inicio de la acción terapéutica.

Eliminación del efecto del primer paso hepático.

Eliminación de la degradación a nivel gástrico.

Posibilidad de ajuste de la dosis a las necesidades de cada

paciente.

Posibilidad de utilizar esta vía como alternativa si el

paciente recibe otro medicamento con el que pueda

producirse interacciones.


La Respiración


Formulación de Medicamentos

Propiedades del Estado Gaseoso

propiedades del estado gaseoso

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