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miércoles, 26 de enero de 2022

Como se calcula la presión por desplazamiento de agua || química de gases

Determinar la función que permite calcular la presión de un gas que se acumula por desplazamiento de agua.
👉Enunciado: Determinar la función que permite calcular la presión de un gas que se acumula por desplazamiento de agua.

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👉Demostración de las ecuaciones clave: 

https://quimicadejoseleg-lamateria.blogspot.com/2022/01/gases-humedos.html

👉Solución: Dado que usaremos el mismo modelo que el que empleamos para el barómetro de Torricelli o para el manómetro, debemos aclarar que la medición de la presión de gas debe hacerse al finalizar la reacción, cuando se alcanza el punto de equilibrio. En tales circunstancias, la presión atmosférica debe ser igual a la presión total al interior de la burbuja de desplazamiento.

A su vez, la burbuja está compuesta por las presiones parciales del gas problema (i) más la presión de vapor.

Por lo que solo es cuestión de despejar la presión parcial del gas problema.

Luego, la presión parcial del gas problema puede usarse para otros cálculos, siempre y cuando conozcamos otras condiciones relevantes como el volumen y la temperatura.

👉Otros enunciados: Fórmula para resolver un problema de gases húmedos, como se calcula la presión de un gas por desplazamiento de agua, hallar la presión por desplazamiento de agua, gases húmedos y presiones parciales, presión de vapor de agua y presiones parciales

👉Temas: química, química general, química de gases, leyes de los gases, ecuación de estado, ecuación de estado, PV=nRT, joseleg

19. Gases húmedos | 🎈 Química de gases | Joseleg

[Ciencias de Joseleg] [Química] [La materia] [Química de gases] [Ejercicios resueltos] [Introducción] [Generalidades] [Propiedades de los gases] [Temperatura] [Volumen] [Presión] [Masa y moles] [Historia] [La ley de Boyle] [La ley de Charles] [La ley de Gay-Lussac] [Ley de volúmenes de combinación] [Las leyes de Avogadro] [Ley de los gases ideales PV=nRT] [Modificaciones a PV=nRT] [Ley de Dalton de presiones] [Estequiometría de gases] [Concentración de un gas] [Gases húmedos] [Ley de los gases reales] [Ejercicios especiales] [Referencias bibliográficas


Imagine que necesita hacer un experimento de laboratorio en el que se genera gas hidrógeno. Para calcular el rendimiento de gas, debe conocer la presión dentro del tubo donde se recolecta el gas. Pero, ¿cómo se puede introducir un barómetro? Muy simple, ¡es imposible!. Todo lo que necesita es la presión atmosférica en la habitación. A medida que el gas expulsa el agua, empuja contra la atmósfera, por lo que la presión en el interior es igual a la presión en el exterior. Pero el problema es que la presión interna no es la presión del hidrógeno, pues el gas se encuentra humedecido, por lo que tenemos un problema de gases húmedos. Los gases que se producen en experimentos de laboratorio a menudo se recolectan mediante una técnica llamada desplazamiento de agua (consulte la figura siguiente).

Figura 191.  El proceso de desplazamiento de agua es semejante al diseño experimental del barómetro de Torricelli combinado con el manómetro, pero en lugar de mercurio, usamos agua, y en lugar de que tengamos una cantidad de gas fija en el matraz, esta se va acumulando a medida que la reacción química va tomando lugar,

Se llena una botella con agua y se coloca boca abajo en un recipiente con agua. El matraz de reacción está equipado con un tubo de goma que luego se introduce debajo de la botella de agua. A medida que se produce el gas en el matraz de reacción, sale a través del tubo de goma y desplaza el agua de la botella. Cuando la botella está llena de gas, se puede sellar con una tapa.

Debido a que el gas se acumula sobre el agua, no es puro, sino que se mezcla con el vapor de la evaporación del agua. La ley de Dalton se puede utilizar para calcular la cantidad de gas deseado restando la contribución del vapor de agua, asumiendo al agua como otro gas ideal. La pregunta es ¿Cuál es la presión parcial del agua? La presión parcial del agua dependerá de la temperatura del sistema, y se conoce como presión de vapor, para la cual existen tablas estandarizadas.

Tabla 191. Presiones de vapor de agua para las temperaturas entre 0°C y 110°C en kilopascales.

Así que la pregunta es ¿Cuál es la función que permite calcular la presión del gas puro que se acumula al desplazar agua, teniendo en cuenta que experimentalmente se encuentra mezclado con vapor de agua?

🔎 DEMOSTRACION. Determinar la función que permite calcular la presión de un gas que se acumula por desplazamiento de agua // pulse aquí.

Tenga en cuenta que la ecuación anterior asume un solo gas soluto desplazado.

Matamala y Gonzalez

Ejercicio 7.22. Se recogió nitrógeno, N2, por desplazamiento de agua, a 29°C y 807 mmHg. El volumen del gas sobre la superficie del agua fue de 124 ml. Hallar el volumen de gas seco en C. N.

Química de Chang 10

Ejemplo 5.15. El gas de oxígeno generado por la descomposición del clorato de potasio se recolecta por desplazamiento de agua. El volumen de oxígeno recogido a 24 °C y la presión atmosférica de 762 mmHg es de 128 ml. Calcule la masa (en gramos) de oxígeno gaseoso obtenida. La presión del vapor de agua a 24 °C es 22.4 mmHg.

Práctica 5.15. El gas hidrógeno generado cuando el calcio metálico reacciona con el agua se recoge por desplazamiento de agua. El volumen de gas recolectado a 30 °C y una presión de 988 mmHg es 641 mL. ¿Cuál es la masa (en gramos) del gas hidrógeno obtenido? La presión del vapor de agua a 30 °C es 31,82 mmHg.

Química La ciencia central 13

Ejercicio 10.59. Se produce hidrógeno gaseoso cuando el zinc reacciona con ácido sulfúrico: Zn(s) + H2SO4(aq) → ZnSO4(aq) + H2(g) Si se recolectan 159 ml de H2 húmedo sobre agua a 24 °C y una presión barométrica de 738 torr, ¿cuántos gramos de Zn se han consumido? (La presión de vapor del agua está tabulada en el Apéndice B).

Ejercicio 10.60. El acetileno gaseoso, C2H2(g), se puede preparar mediante la reacción del carburo de calcio con agua: CaC2(s) + 2H2O(l) → Ca(OH)2(aq) + C2H2(g) Calcule el volumen de C2H2 que se recoge sobre el agua a 23 °C mediante la reacción de 1.524 g de CaC2 si la presión total del gas es 753 torr. (La presión de vapor del agua está tabulada en el Apéndice B).

 

sábado, 22 de enero de 2022

18. Introducción a las unidades de concentración en gases | 🎈 Química de gases | Joseleg

[Ciencias de Joseleg] [Química] [La materia] [Química de gases] [Ejercicios resueltos] [Introducción] [Generalidades] [Propiedades de los gases] [Temperatura] [Volumen] [Presión] [Masa y moles] [Historia] [La ley de Boyle] [La ley de Charles] [La ley de Gay-Lussac] [Ley de volúmenes de combinación] [Las leyes de Avogadro] [Ley de los gases ideales PV=nRT] [Modificaciones a PV=nRT] [Ley de Dalton de presiones] [Estequiometría de gases] [Concentración de un gas] [Gases húmedos] [Ley de los gases reales] [Ejercicios especiales] [Referencias bibliográficas


En la sección sobre la ley de gases ideales, vimos que algunas formas dinámicas de la ecuación de estado, incluyendo el cociente de propiedades de un gas específico mezclado en un conjunto total de gases para varias situaciones. En esas ecuaciones se esconden instrumentos matemáticos relevantes, denominados unidades de concentración.

Fracciones y porcentajes

La ecuación (15.3) contiene en su interior dos definiciones clave, la fracción de volumen ( ϕ ), y la fracción molar ( χ ), y la Ecuación (15.13) la definición de la fracción de masas (wi).

Ejercicio 10.62c. Considere una mezcla de dos gases, A y B, confinada en un recipiente cerrado. Se agrega una cantidad de un tercer gas, C, al mismo recipiente a la misma temperatura. ¿Cómo afecta la adición de gas C a lo siguiente: la fracción molar del gas B?

Sin embargo, tanto en enunciados como en lenguaje coloquial, las fracciones se vuelven engorrosas, debido a que son valores que van de 0 a 1, así que la tradición establece expresarlas en valores porcentuales. De estas, solo la fracción molar escapa, pero tanto la fracción de masas y la fracción de volúmenes se expresan como el porcentaje en masa (o porcentaje en peso en textos viejos) y el porcentaje en volumen.

Otra propiedad importante a tener en cuenta de una fracción es que la suma de todas las fracciones en una mezcla tiene como valor la unidad, o en sus formas porcentuales, el 100%.

En consecuencia, las fracciones también serán iguales a 1 si estamos trabajando con un gas puro, o cuya pureza se acerca al límite de significancia de pueden medir nuestros instrumentos.

Observe que las leyes anteriores son leyes aditivas, semejantes a la ley de Dalton de presiones parciales, por lo que podemos definir que el volumen, la cantidad y la masa de una mezcla de gases se comportan de manera semejante a la ley de Dalton.

Otras modificaciones de la ecuación de estado

🔎 DEMOSTRACION. Demostrar las fórmulas que permita usar la ecuación de los gases ideales y el porcentaje en masa, el porcentaje en volumen y fracción molar.

Sin embargo, es más común que las ecuaciones anteriores se simplifiquen de la siguiente manera.

Ejemplo. Determinar la relación entre la fracción de volumen y la fracción molar en un sistema gaseoso soluto a total a presión constante // pulse aquí.

Con lo cual obtenemos una de las identidades más importantes en las unidades de concentración de gases y es que la fracción de volumen es igual a la fracción molar.

Química la ciencia central 13

Muestra 10.11b. Un estudio de los efectos de ciertos gases en el crecimiento de las plantas requiere una atmósfera sintética compuesta de 1.5 % mol de CO2, 18.0 % mol de O2 y 80.5 % mol de Ar. (b) Si esta atmósfera se va a mantener en un espacio de 121 L a 295 K, ¿cuántos moles de O2 se necesitan si se mantiene la presión total de 745 torr?

Ejercicio 10.38b. El dióxido de carbono constituye aproximadamente el 0.04% de la atmósfera de la Tierra. Si recolecta una muestra de 2.0 L de la atmósfera al nivel del mar (1.00 atm) en un día cálido de (27 °C), ¿cuántas moléculas de CO2 hay en su muestra?

Ejercicio 10.45. En un experimento publicado en la literatura científica, se hizo que las cucarachas machos corrieran a diferentes velocidades en una cinta de correr en miniatura mientras se medía su consumo de oxígeno. En 1 hora, la cucaracha promedio corriendo a 0,08 km/h consumió 0,8 mL de O2 a una presión de 1 atm y 24 °C por gramo de masa de insecto. (a) ¿Cuántos moles de O2 se consumirían en 1 hora por una cucaracha de 5,2 g que se mueve a esta velocidad? (b) Esta misma cucaracha es atrapada por un niño y colocada en un frasco de fruta de 1 cuarto con una tapa hermética. Suponiendo el mismo nivel de actividad continua que en la investigación, ¿la cucaracha consumirá más del 20% del O2 disponible en un período de 48 horas? (El aire es 21 mol % O2.).

Ejercicio 10.65. La concentración atmosférica de gas CO2 es actualmente de 390 ppm (partes por millón, en volumen; es decir, 390 L de cada 106 L de la atmósfera son CO2). ¿Cuál es la fracción molar de CO2 en la atmósfera?

La masa molar de una mezcla

En ocasiones resulta útil conocer la masa molar de una mezcla de gases, en especial cuando dicha mezcla de gases es una tan común como el aire que respiramos. Como vimos en las ecuaciones anteriores surge el concepto de la masa molar de una mezcla de gases, la cual es un término que no se puede calcular teóricamente debido a que una mezcla de gases no tiene una fórmula molecular dada. Sin embargo, es posible calcular dicha masa molar de 2 formas. la primera es despejando el término masa molar total (M) en las ecuaciones (18.14)(18.15)(18.16)., lo cual implica necesariamente conocer la relación entre las propiedades del gas soluto y las propiedades totales. una segunda manera es la que examinaremos en la siguiente demostración en la cual buscamos determinar la masa molar total o masa molar de la mezcla de gases a través de una suma ponderada de unidades de concentración de cada gas particular, y alguna que otra constante de proporcionalidad.

🔎 DEMOSTRACION. Como hallar la masa molar de una mezcla de gases en términos de la fracción molar y la masa molar de cada gas constituyente.

Relación de presiones parciales y fracción molar

De todas las situaciones en las mezclas de gases una de las más comunes es la expresión que relaciona ciertas unidades de concentración con las presiones, específicamente la fracción molar y la fracción de volumen

🔎 DEMOSTRACION. Deducir una expresión que permitacalcular la presión parcial de un gas en términos la fracción molar a volumenconstante y la presión total de la mezcla. Asuma que se conocen las condicionesdel gas como el volumen y la temperatura.

Química de Chang 10

Ejemplo 5.14. Una mezcla de gases contiene 4.46 moles de neón (Ne), 0.74 moles de argón (Ar) y 2.15 moles de xenón (Xe). Calcule las presiones parciales de los gases si la presión total es 2.00 atm a cierta temperatura.

Práctica 5.14. Una muestra de gas natural contiene 8.24 moles de metano (CH4), 0.421 moles de etano (C2H6) y 0.116 moles de propano (C3H8). Si la presión total de los gases es 1.37 atm, ¿cuáles son las presiones parciales de los gases?

Problema-5.63.   Una mezcla de gases contiene 0.31 moles de CH4, 0.25 moles de C2H6 y 0.29 moles de C3H8. La presión total es 1.50 atm. Calcule las presiones parciales de los gases.

Problema-5.64a.   Un matraz de 2.5 L a 15°C contiene una mezcla de N2, He y Ne a presiones parciales de 0.32 atm para N2, 0.15 atm para He y 0.42 atm para Ne. a) Calcule la presión total de la mezcla.

Problema-5.65a. El aire seco cerca del nivel del mar tiene la siguiente composición en volumen: N2, 78.08 por ciento; O2, 20.94 por ciento; Ar, 0.93 por ciento; CO2, 0.05 por ciento. La presión atmosférica es de 1.00 atm. Calcule (a) la presión parcial de cada gas en atm

Problema-5.65b.  El aire seco cerca del nivel del mar tiene la siguiente composición en volumen: N2, 78.08 por ciento; O2, 20.94 por ciento; Ar, 0.93 por ciento; CO2, 0.05 por ciento. La presión atmosférica es de 1.00 atm. Calcule (b) la concentración de cada gas en moles por litro a 0 °C. (Sugerencia: debido a que el volumen es proporcional al número de moles presentes, las fracciones molares de gases se pueden expresar como proporciones de volúmenes a la misma temperatura y presión).

Problema-5.69. El helio se mezcla con oxígeno gaseoso para los buceadores de aguas profundas. Calcule el porcentaje en volumen de oxígeno gaseoso en la mezcla si el buzo tiene que sumergirse a una profundidad en la que la presión total sea de 4.2 atm. La presión parcial de oxígeno se mantiene a 0.20 atm a esta profundidad.

Química La ciencia central 13

Muestra 10.11a. Un estudio de los efectos de ciertos gases en el crecimiento de las plantas requiere una atmósfera sintética compuesta de 1.5 % mol de CO2, 18.0 % mol de O2 y 80.5 % mol de Ar. (a) Calcule la presión parcial de O2 en la mezcla si la presión total de la atmósfera debe ser de 745 torr.

Ejercicio 10.63. Una mezcla que contiene 0.765 mol de He(g), 0.330 mol de Ne(g) y 0.110 mol de Ar(g) está confinada en un recipiente de 10.00 L a 25 °C. (a) Calcule la presión parcial de cada uno de los gases en la mezcla. (b) Calcule la presión total de la mezcla.

Ejercicio 10.71. A una profundidad submarina de 250 pies, la presión es de 8.38 atm. ¿Cuál debe ser el porcentaje molar de oxígeno en el gas de buceo para que la presión parcial de oxígeno en la mezcla sea de 0.21 atm, la misma que en el aire a 1 atm?

Ejercicio 10.72a. ¿Cuáles son las fracciones molares de cada componente en una mezcla de 15.8 g de O2, 8.17 g de N2 y 2.64 g de H2?

Ejercicio 10.72b. ¿Cuál es la presión parcial en atm de cada componente de esta mezcla si se mantiene en un recipiente de 15.50 L a 15 °C? asuma que las fracciones molares de los componentes son 0.227 O2, 0.141 N2 y 0.632 H2.

Concentración molar de un gas vs la concentración molar de una disolución líquida

Aunque las dos definiciones son semejantes la diferencia clave es:

👉 el volumen de referencia en la de gases es el volumen del gas (Vi), mientras que el volumen de referencia en la disolución líquida es el volumen total de toda la mezcla (V).

🔎 DEMOSTRACION. Hallar una fórmula que permite calcular la concentración molar acuosa en términos de la concentración molar gaseosa o sus términos constituyentes // pulse aquí.

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Práctica 5.12. Una muestra de 2.14 L de gas cloruro de hidrógeno (HCl) a 2.61 atm y 28 ° C se disuelve completamente en 668 mL de agua para formar una solución de ácido clorhídrico. Calcula la molaridad de la solución ácida. Suponga que no hay cambios en el volumen.

 


viernes, 18 de junio de 2021

Referencias bibliográficas | 🎈 Química de gases | Joseleg

[Ciencias de Joseleg] [Química] [La materia] [Química de gases] [Ejercicios resueltos] [Introducción] [Generalidades] [Propiedades de los gases] [Temperatura] [Volumen] [Presión] [Masa y moles] [Historia] [La ley de Boyle] [La ley de Charles] [La ley de Gay-Lussac] [Ley de volúmenes de combinación] [Las leyes de Avogadro] [Ley de los gases ideales PV=nRT] [Modificaciones a PV=nRT] [Ley de Dalton de presiones] [Estequiometría de gases] [Concentración de un gas] [Gases húmedos] [Ley de los gases reales] [Ejercicios especiales] [Referencias bibliográficas


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