UNIDAD 2 AIRE, INTANGIBLE PERO VITAL

2.1 ¿QUÉ ES EL AIRE?

Guía de estudio

Química III,

ENP UNAM

2.1 ¿Qué es el aire?

Mezcla homogénea indispensable para la vida

El aire atmosférico o atmósfera, es una mezcla en estado gaseoso que envuelve a la Tierra. Su composición ha variado mucho desde la etapa de formación del planeta Tierra, al principio contenía H2 y He, pero la actividad de los volcanes liberó otros gases como nitrógeno, amoníaco, agua, dióxido de carbono, metano, ácido clorhídrico y dióxido de azufre, los cuales le dieron un carácter reductor a la atmósfera, lo que permitió la formación de la vida.

Con la aparición de los vegetales verdes se inició la reacción de fotosíntesis en la que se producen oxígeno, azúcares y almidones a partir del dióxido de carbono, agua y luz solar. Con ello, la atmósfera perdió su carácter reductor y se oxidaron muchos de los metales que aún se encontraban en la superficie. Adicionalmente, se formó la capa de ozono que protegió de los rayos ultravioleta para propiciar el desarrollo de la vida en la Tierra.

Mezcla homogénea indispensable para la vida

Componentes fijos % en volumen de aire

seco

Nitrógeno (N2) 77.77

Oxígeno (O2) 20.86

Argón (Ar) 0.93

Dióxido de carbono

(CO2) 0.04

Hidrógeno (H2) 0.01

Componentes variables

Agua 0 – 4

Ozono 10 ppm

Propiedades físicas de los gases

Se expanden uniformemente ocupando todo el espacio al que tienen acceso, no poseen volumen ni forma propios.

Se difunden rápidamente uno en otro.

Tienden a desplazarse hacia los puntos de menor presión.

Son compresibles.

Ejercen presión sobre las paredes del recipiente que lo contiene.

A presión constante, el volumen de un gas aumenta con la temperatura.

Su densidad es pequeña comparada con la de los otros estados físicos

Leyes de los gases

Para el estudio de los gases se ha observado su comportamiento en cuanto a los cambios y relaciones que existen entre su presión (P) y temperatura (T) con respecto a su volumen (V) a una cantidad de materia (n) definida, [V = f (P, T, n)]; y si cumplen sin ninguna desviación las hipótesis y leyes que rigen este comportamiento, se denominan gases ideales. Las leyes de los gases consideran entre sus variables la temperatura absoluta cuyo cero es el punto de partida de la existencia de la energía, que en el sistema ISO se emplea la escala Kelvin cuyo cero absoluto 0 K = −273.15 °C; en este sistema la presión se mide en pascales (Pa) y al nivel del mar tiene los siguientes valores y equivalencias: 1 atm = 760 torr = 760 mmHg = 101 325 Pa y el volumen puede expresarse en 1 L = 1000 mL = 0.001 m3 Es conveniente elegir una presión y una temperatura estándar como punto de referencia para el estudio del comportamiento de los gases, y así por acuerdo internacional se fijaron como condiciones estándar o normales de temperatura y presión (CNTP) los siguientes valores: temperatura = 273.15 K y presión = 1 atm.

Guía de estudio Química III, ENP UNAM

Ley de Boyle

Finalmente, la expresión matemática para la Ley de

Boyle queda:

P1V1 = P2V2

Ley de Boyle Dos litros de aire a presión atmosférica de 1 atm se comprimen en

una lata de 0.45 L de una bocina de advertencia. Si su temperatura

se mantiene constante, ¿cuál es la presión del aire comprimido?

Ley de Boyle Las bacterias producen gas metano en las plantas de tratamiento de

aguas. Este gas generalmente se captura o se quema. Si un cultivo

de bacterias producen 60 mL de gas metano a 700 mm Hg, ¿qué

volumen se producirá a 760 mm Hg?

Finalmente, la expresión matemática para la Ley de Charles queda:

------ = -------

T1 T2

V1 V2

Ley de Charles

Ley de Charles

ÍNDICE

Ley de Boyle

Ley de Charles

Ley de Gay - Lussac

Ley de Charles Un globo tiene un volumen inicial de 1 L a una temperatura de 25oC,

si la temperatura se modifica a 323oC, ¿cuál será el nuevo volumen

del gas?

Ley de Charles Un globo tiene un volumen inicial de 1 L a una temperatura de 25oC,

si la temperatura se modifica a -200oC, ¿cuál será el nuevo volumen

del gas?

Finalmente, la expresión matemática para la Ley de Gay Lussac queda:

--- = ----

T1 T2

P1 P2

Ley de Gay Lussac

ÍNDICE

Ley de Boyle

Ley de Charles

Ley de Gay - Lussac

Ley de Gay Lussac

ÍNDICE

Ley de Boyle

Ley de Charles

Ley de Gay - Lussac

Ley de Gay Lussac El agua hierve a una temperatura de 100oC al nivel del mar, donde la

presión atmosférica es de 1 atm, si el agua se coloca en un envase

cerrado herméticamente donde la presión que se puede alcanzar es

de 1.15 atm, ¿cuál será la temperatura de ebullición del agua dentro

de ese envase?

Ley de Gay Lussac Una olla express alcanza una presión de 1.2 atm, con una

temperatura en su interior de 160oC; ¿a qué temperatura deberá

enfriarse la olla para que se pueda abrir si se requiere que la presión

interna sea igual a la presión atmosférica (0.776 atm)?

Teoría cinética de los gases

• Las partículas del gas se mueven de manera continua, rápida y al azar en líneas rectas en todas direcciones.

• Las partículas del gas son extremadamente pequeñas y las distancias entre ellas son grandes.

• Se pueden despreciar las fuerzas gravitatorias y las fuerzas de atracción entre partículas del gas.

• Cuando las partículas del gas chocan entre sí o con las paredes del recipiente, no se pierde energía; todas las colisiones son perfectamente elásticas.

• La energía cinética promedio es la misma para todos los gases a la misma temperatura; varía de manera proporcional con la temperatura kelvin.

Mol, masa molar, número de Avogadro, ley de Avogadro, volumen molar

Mol (n) es la cantidad de materia expresada en gramos (g) que contiene el mismo número de partículas que el número exacto de átomos contenidos en 12 g del isótopo de carbono 12. Número de Avogadro (NA) es la cantidad de 6.023 x 10 partículas; están contenidas en un mol de cualquier clase de materia. Este número es tan grande que difícilmente lo podríamos imaginar. La ley de Avogadro dice que volúmenes iguales de gases diferentes (en las mismas condiciones de temperatura y presión) contienen el mismo número de moléculas. El volumen molar ( ) corresponde a una mol de cualquier gas y corresponde a 22.4 L cuando se encuentra en condiciones normales de temperatura y presión (CNTP) que son de 273 K y 1atm.

V

MOL

• Es la unidad básica de cantidad de materia en el sistema internacional (SI). Es la cantidad de materia que contiene 6.023x1023 unidades (número de Avogadro)

• Masa fórmula. Masa de un mol de un compuesto

Tabla 1 Sustancia Fórmula

Masa

fórmula

Masa de 1

mol

Número de

partículas

Masa de 5

moles

Número de

partículas

Masa de 0.2

mol

Número de

partículas

Aluminio Al 27g 27 6.023x1023 135g 30x1023 5.4g 1.20X1023

Cloro

Sulfato de

cobre (II)

Cloruro de

hierro (III)

Sulfuro de

sodio

Cloruro de

magnesio

Hidróxido de

bario

VOLUMEN MOLAR

• Volumen que ocupa un mol de cualquier gas en CNPT, que es igual a 22.4 L

TABLA 3

Sustancia Volumen a CNPT

1 mol de H2

3 moles de CO2

0.2 moles de O2

1 mol de aluminio

1 mol de agua

El aire que inhalamos y el que exhalamos

La importancia de la Ley de Boyle se vuelve más relevante cuando se consideran los mecanismos de la respiración. Los pulmones son elásticos, con una estructura como la de un globo y están dentro de una cámara hermética llamada cavidad torácica. El diafragma, un músculo, forma el piso flexible de la cavidad. Según la Ley de Boyle, la presión dentro de los pulmones disminuirá cuando su volumen se incrementa. Esto causa que la presión dentro de los pulmones sea menor que la presión atmosférica. Dicha diferencia de presiones produce un gradiente de presión entre los pulmones y la atmósfera. En el gradiente de presión, las moléculas fluyen a partir del área de mayor presión al área de menor presión, por el proceso de difusión. Así, al inhalar fluye el aire al interior de los pulmones, hasta que la presión interna sea igual a la presión de la atmósfera.

Tipos de reacciones

• Reacciones de descomposición

• Reacciones de combinación o síntesis

• Reacciones de desplazamiento o sustitución

Reacciones de descomposición

• Aquellas reacciones donde un reactivo se rompe para formar dos o más productos.

C A + B

Reacciones de descomposición

• Aquellas reacciones donde un reactivo se rompe para formar dos o más productos.

C A + B

2H2O2 2H2O + O2

2HgO 2Hg + O2 Óxido de mercurio (II)

2KClO3 2KCl + 3O2 Clorato de potasio Cloruro de potasio

Reacciones de combinación

• Dos o más reactivos se combinan para formar un producto.

A + B C

Reacciones de combinación

• Dos o más reactivos se combinan para formar un producto.

A + B C

2H2 + O2 2H2O

HNO3 + NH3 NH4NO3

ácido nítrico amoniaco nitrato de amonio 2Ca + O2 2CaO

Óxido de calcio

S + O2 SO2

Dióxido de azufre

Reacciones de desplazamiento o sustitución

• Aquellas reacciones donde dos reactivos se intercambian.

AB + CD AD + CB

Reacciones de desplazamiento o sustitución

• Aquellas reacciones donde dos reactivos se intercambian.

AB + CD AD + CB

AgNO3 + NaCl AgCl + NaNO3

Reacciones de desplazamiento o sustitución

• Aquellas reacciones donde dos reactivos se intercambian.

AB + CD AD + CB

HCl + Na2S H2S + NaCl

Reacciones de desplazamiento o sustitución

• Aquellas reacciones donde dos reactivos se intercambian.

AB + CD AD + CB

BaCl2 + Na2SO4 BaSO4 + NaCl

Ejercicio de clasificación de reacciones

Completa las ecuaciones químicas que se plantean siguiendo las instrucciones:

a) Completa la ecuación con nombres.

b) Escribe nuevamente la ecuación pero ahora con las fórmulas respectivas.

c) Balancea por tanteo la ecuación química

Ejercicio de clasificación de reacciones

Ejemplo:

Reacción de composición o síntesis

energía

oxígeno + hidrógeno

a) Completa la ecuación con nombres

energía

oxígeno + hidrógeno agua

b) Escribe nuevamente la ecuación pero ahora con las fórmulas respectivas.

O2 + H2 H2O

c) Balancea por tanteo la ecuación química.

O2 + 2H2 2H2O

2.2 Reactividad de los componentes del aire

• Algunas reacciones del N2, O2 y CO2.

• Reacción del oxígeno con metales y no metales.

• Tabla periódica.

• Símbolos de Lewis.

• Enlaces químicos.

• Reacciones exotérmicas y endotérmicas.

• Calores de combustión.

• Energías de enlace.

Algunas reacciones del N2, O2 y CO2

NITRÓGENO • Ubicación en la tabla periódica

– Grupo 15 – Tiene 5 electrones de valencia

• Propiedades físicas – Gas sin olor, color, sabor. – Poco soluble en agua.

• Propiedades químicas – Muy estable, reacciona con dificultad. – Su molécula es diatómica, N2

Algunas reacciones del N2, O2 y CO2

NITRÓGENO

• Dónde encontrarlo – 78% de la atmósfera terrestre

– Amoniaco

– Nitratos

– Proteínas, DNA y RNA

Reacciones del nitrógeno en la naturaleza

En presencia de relámpagos

energía eléctrica

N2(g) + O2(g) 2NO(g)

2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)

2NO2(g) + H2O(l) HNO2(ac) + HNO3(ac)

Algunas reacciones del N2, O2 y CO2

OXÍGENO

Ubicación en la tabla periódica

Grupo 16

Tiene 6 electrones de valencia

Propiedades físicas

Gas sin olor, color, sabor.

Poco soluble en agua.

Propiedades físicas y químicas

• Propiedades químicas:

– Su molécula es diatómica, O2

– Tiene un alótropo, el ozono, O3

– Reacciona con facilidad, es un comburente y un fuerte oxidante

– Se combina con los metales formando óxidos básicos y con los metales formando óxidos ácidos o anhídridos. Sus número de oxidación en compuestos puede ser 1- o 2-.

Reacciones del oxígeno ¿Qué se forma cuando el oxígeno reacciona con un metal? Óxido básico

4 Na + O2 ——→ 2Na2O óxido de sodio

2 Ca + O2 ——→ 2CaO óxido de calcio

¿Qué se forma cuando el oxígeno reacciona con un no-metal? Óxido ácido o anhídrido

S + O2 ——→ SO2 dióxido de azufre

C + O2 ——→ CO2 dióxido de carbono

¿Qué se forma cuando el agua reacciona con un óxido básico? Base o hidróxido

Na2O + H2O ——→ 2 NaOH hidróxido de sodio (sosa cáustica)

CaO + H2O——→ Ca(OH)2 óxido de calcio (cal apagada)

¿Qué se forma cuando el agua reacciona con un óxido ácido? Ácido

SO2 + H2O ——→ H2SO3 ácido sulfuroso

CO2 + H2O ——→ H2CO3 ácido carbónico

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Tabla periódica

La tabla Periódica se basa en las clasificaciones de Meyer, Dimitri Mendeleev (1869), Werner y fundamentalmente, en la Ley Periódica que enunció en 1913, Henry Moseley, quien estableció que: las propiedades de los elementos químicos no son arbitrarias, sino que dependen de la estructura del átomo y varían, de manera sistemática, con el número atómico.

La tabla periódica actual está construida por un:

Ordenamiento vertical integrado por 18 columnas. Son 16 grupos o familias de elementos divididas en dos series, cada una con 8 grupos y diferenciadas con las letras A y B, o bien números arábigos del 1 al 18. Todos los elementos de un mismo grupo tienen el mismo número de electrones en su nivel energético externo, lo que proporciona propiedades semejantes y un nombre característico a cada grupo.

Ordenamiento horizontal integrado por siete filas identificadas con números arábigos, llamados períodos, que definen el número de niveles energéticos ocupados por los electrones. El primer período contiene solo al hidrógeno y al helio, en cambio los períodos sexto y séptimo cuentan con los elementos denominados lantánidos con números atómicos de 57 – 71 y actínidos con números atómicos 89 – 103, los cuales se colocan debajo de la tabla con fines de presentación corta.

En general se divide la tabla en: metales (lado izquierdo), no metales (lado derecho), metales de transición (centro) y tierras raras (abajo).

Propiedades periódicas de los elementos químicos

Las propiedades periódicas de los elementos se consignan en la tabla periódica como una función del número atómico según la “Ley periódica” enunciada por Moseley y son propiedades que presentan los elementos químicos y que se repiten periódicamente en la tabla periódica. Por la ubicación de un elemento, podemos deducir los valores que presentan dichas propiedades, así como su comportamiento químico. Hay un gran número de propiedades periódicas y se pueden indicar en una tabla periódica para comparar el comportamiento entre familias y períodos. Entre las más importantes :

Estructura electrónica: Electrones del último nivel son los que participan en la formación de enlaces entre los átomos.

Radio atómico: Aunque es imposible definir el tamaño exacto de un átomo, es muy útil determinar un radio atómico relativo para poder comprender cómo se forman los enlaces entre los átomos.

Potencial de ionización: energía necesaria para arrancar un electrón a un átomo en estado gaseoso.

Propiedades periódicas de los elementos químicos

Afinidad electrónica: energía liberada al incorporar un electrón a un átomo en estado gaseoso.

Electronegatividad: es la capacidad que tiene un átomo para atraer electrones hacia él en un enlace químico. Basándose en el potencial de ionización y la afinidad electrónica, Linus Pauling elaboró la escala de electronegatividad asignando a cada elemento un valor comprendido entre 0 y 4. Los elementos de la familia de los halógenos presentan los valores más altos, mientras que los elementos alcalinos presentan los más bajos. Esto es congruente con la gran tendencia que tienen los elementos para presentar una configuración estable.

Valencia.- Es la capacidad de combinación de un elemento con otros elementos y que está en función del número de electrones que gana, pierde o comparte un elemento para adquirir configuración estable. Ejemplo: NaCl en donde tanto el sodio como el cloro tienen valencia 1.

Número de oxidación.- Número entero (intervalo 1-7) que indica el estado de oxidación de un átomo, es decir la carga eléctrica con que puede formar enlace con otros átomos o iones, la cual puede ser positiva (cuando pierden o comparten electrones) o negativa (cuando ganan electrones). Por ejemplo en el compuesto del cloruro de sodio los números 1+ y 1- indican los estados de oxidación del sodio (Na) y el cloro (Cl).

Na1+ + Cl1- NaCl

Símbolos de Lewis y enlace químico

Símbolo de Lewis Gilbert Newton Lewis propuso un diagrama que lleva su nombre para explicar el enlace entre los átomos, el cual dio lugar a la regla del octeto. En el símbolo de Lewis cada electrón de valencia se representa con un punto alrededor del símbolo del átomo. Enlace químico es la fuerza que mantiene unidos a dos o más átomos en una especie química como las moléculas, las unidades formulares o los metales en el estado sólido. Se puede presentar como simple, doble, triple o coordinado.

Reacciones de combustión

Combustión: es la reacción entre los combustibles y el comburente oxígeno, con ayuda de una chispa, liberando luz y calor. Cuando el combustible es materia orgánica, el resultado es siempre dióxido de carbono, agua y energía, por lo tanto es una reacción exotérmica. Oxidación.- Es cuando un átomo cede electrones en una reacción química aumentando su número de oxidación y se carga positivamente. Reducción.- Es cuando un átomo acepta electrones en una reacción química, disminuyendo su número de oxidación y se carga negativamente. La oxidación y la reducción ocurren simultáneamente.

Reacciones exotérmicas y endotérmicas

• De acuerdo con la energía involucrada, las reacciones se clasifican en:

• Reacción exotérmica, es la que ocurre con desprendimiento de energía térmica.

• Reacción endotérmica, es la que ocurre con absorción de energía térmica.

Calor de combustión

A la cantidad de energía térmica liberada de una reacción de combustión se le conoce como calor de combustión (C).

Energías de enlace

Es la energía necesaria para formar o romper un enlace químico de una molécula.