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FISICOQUIMICA I CARRERA : QUIMICA Y FARMACIA
EJERCICIOS Nº 1
GASES
oxígeno se consume consume en la combustión total de 15,0 kg de butano 1.1.- ¿Qué masa de oxígeno gaseoso contenido en un cilindro de gas gas licuado? ¿Qué volumen volumen de CO 2 se libera? Suponga 25°C y 1,00 atm de presión. Considere comportamiento comportamiento gaseoso ideal. 3 R: 53,7 kg O 2 ; 25,2 m CO2 denominado "gas de agua" tiene la siguiente composición porcentual en masa. 1.2.- El denominado Gases H2 CO N2 CO2 CH4 % p/p 6,43 67,82 10,71 14,02 1,02 (a) ¿Cuál es cantidad de moles de cada componente? (b) ¿Cuál es la composición porcentual en moles de cada componente? (c) Determine la fracción molar de cada componente (d) Determine el porcentaje en volumen (utilizar ley de Amagat) (e) ¿Cuál es la masa molar promedio del gas de agua? ° (f) Calcule la densidad de la mezcla a 400 C y 1,5 atm. Suponga comportamiento ideal. R: (f) 0,426 g/L
1.3.- El balón interno de la figura con un volumen de 5,0 L ( = V 1) contiene etano a 293 K y 2,5 atm de presión. La cámara de 30,0 L ( = V 2), en la cual está inserto el balón, contiene aire (21 % de oxígeno) a 2,0 atm , 293 K, ocupando el volumen de 25,0 L ( = V 2 - V1). Después de abrir la llave de paso del etano y permitir permitir la formación formación de la mezcla mezcla de los gases en el volumen de 30 L, se produce la combustión a través de una chispa eléctrica. A la temperatura temperatura de 293 293 K determinar determinar la presión de A) la mezcla mezcla antes de la combustión combustión B) la mezcla resultante después de la combustión. combustión. ¿Se quema todo el etano? Suponer que en el aire reacciona sólo el oxígeno, oxígeno, formando formando dióxido dióxido de carbono carbono y agua (permanece (permanece líquida al final)
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1.4.- Se recoge una cierta cantidad de nitrógeno bajo agua ocupando 200 mL a 20°C y 745 torr. ¿Cuál es el volumen en condiciones normales del mismo gas anhidro? Suponga comportamiento ideal. La presión de vapor del agua a 20°C es de 17,54 torr. R: 178 mL 1.5.- En un tanque de capacidad de 50 L se mezclan 30 L de CO medidos a 3,0 atm y 40 L de H2 medidos a 5,0 atm. Se abre la válvula dejando escapar al exterior 30 L medidos a la presión de 1,0 atm. La temperatura se mantiene siempre a 25°C. Calcule la presión final en el tanque y su composición volumétrica. Suponga comportamiento ideal. R: 5,2 atm ; 31% CO y 69% H 2 v/v 1.7.- Dos matraces de igual volumen conectados por un tubo estrecho de volumen despreciable, contienen hidrógeno gaseoso, H 2. Inicialmente ambos matraces están a 27°C y contienen en conjunto 0,80 mol de gas bajo la presión de 0,60 atm. Simultáneamente uno de los matraces se sumerge en un baño con hielo a 0°C y el otro en un baño de aceite a 127°C. Calcule la cantidad de moles de H 2 en cada matraz y la presión final en el sistema. Suponga comportamiento ideal. R: na = 0,48 mol , nb = 0,32 mol y P = 0,64 atm 1.7. - El sistema de la figura contiene nitrógeno gaseoso. Cada balón tiene una capacidad de 1,00 L y permanecen unidos por una llave de paso. Se realizan las siguientes 3 etapas consecutivas: ETAPA 1: Con la llave abierta el gas se encuentra a 290 K bajo la presión de 1 atm. ETAPA 2: Con la llave de paso abierta se mantiene la temperatura del balón A en un termostato a 290 K y el balón B en un termostato a 348 K. Luego de esperar un tiempo razonable, que permita el equilibrio térmico en cada termostato, se cierra la llave de paso. En esta etapa ¿cuál es la presión y la cantidad de moles en cada balón? ETAPA 3: Con la llave de paso cerrada, todo el sistema se coloca en un termostato a 320 K. Bajo estas nuevas condiciones, ¿cuál es la presión y la cantidad de moles en cada balón? Suponer comportamiento ideal.
1.8.- Un balón de acero de 5,00 L contiene 2,08 moles de nitrógeno (N 2) a 293 K. Un segundo balón de 20,0 L contiene oxígeno (O 2) a 303 K sometido a una presión de 15,0 atm. El contenido de ambos balones es transferido totalmente a un recipiente de 50, 0 L y es mantenido a una temperatura de 25,0°C. (a) Determine la presión total y las presiones parciales en la mezcla. Al recipiente de 50,0 L, con nitrógeno y oxígeno, se le adicionan 57,1 g de isooctano (C8H18, M = 114,2 g/mol). Luego, el hidrocarburo es quemado totalmente hasta dióxido de carbono y agua. Finalmente, el sistema es enfriado hasta 25,0°C. (b) ¿Cuál es la presión total y las presiones parciales de cada componente? Suponer que el agua condensa completamente y los gases tienen un comportamiento ideal R: (a) 7,00 atm, P N2 = 1,03 atm, PO2 = 5,97 atm (b) 5,79 atm, PN2 = 1,02 atm, PO2 = 2.81 atm PCO2 = 1,96 atm
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1.9.- Calcular la masa de vapor de agua presente en el aire en una sala de clases de dimensiones 8m 16m 3,5m a 25ºC, cuando la humedad relativa es 60 %. La presión de vapor del agua a 25ºC es 23,76 torr. R: 6,2 kg 1.10.- Los valores de temperatura y presión críticas para el monóxido y dióxido de carbono son respectivamente 134 K, 35 atm y 304,2 K, 73 atm. (a) Compare las magnitudes de sus constantes de Van der Waals a y b, y los volúmenes críticos respectivos. (b) ¿Cuál de estos gases se comportaría más idealmente en condiciones estándar? 1.11.- El factor de compresibilidad para el N 2 a -50°C y 800 atm es 1,95; a 100°C y 200 atm es 1,10. Una cierta masa de nitrógeno ocupó un volumen de 1,0 L a -50°C y 800 atm. Calcular el volumen ocupado por la misma cantidad de nitrógeno a 100°C y 200 atm. R: 3,77 L 1.12.- Para realizar la hidrogenación de benceno se requiere que la autoclave de 5,0 L esté a 327°C con una presión parcial de benceno de 40,0 atm. ¿Qué masa de benceno debe introducirse en la autoclave? (1) Suponga comportamiento ideal (2) Considere que el benceno gaseoso se comporta como gas de Van der Waals. 2 2 (a = 18,0 L atm/mol , b = 0,1154 L/mol ) R: (1) 312 g (2) 430 g (aprox) 1.13.- Calcule la presión ejercida por un mol de eteno bajo las siguientes condiciones: (a) a 273,15 K en 22,414 L (b) a 1000 K en 0,100 L Para cada caso considere comportamiento ideal y de gas de Van der Waals. Observe en qué casos se produce mayor discrepancia. 2 -2 -1 a = 4,471 L atm mol b = 0,05714 L mol R: (a) 1,00 atm; 0,995 atm) (b) 821 atm; 1468 atm 1.14.- En un proceso industrial el nitrógeno debe ser calentado 500 K a volumen constante. Si entra en el sistema a 300 K y 100 atm, ¿qué presión ejerce a la temperatura final? Considere comportamiento de gas ideal y de gas de Van der Waals. 2 -2 -1 a = 1,390 L atm mol b = 0,03913 L mol R: 167 atm; 183,5 atm 1.15.-
Demuestre que para un gas de Van der Waals el coeficiente de expansión
térmico es:
R
a 2ab PV 2 V V
V = volumen molar.
1.16.- ¿Cuál es la velocidad media en cm/s y Km/h de (a) átomos de helio y (b) moléculas de metano a 77 K, 298 K y 1000 K?
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1.17.- Calcule la energía cinética traslacional total de las moléculas de aire en una habitación de 5,0 m x 6,0 m x 3,0 m a 20 °C y 1,00 atm. Desprecie el espacio ocupado por los muebles y las personas. Repita el cálculo a 40 °C y 1,00 atm. 7 R: Etr =1,37 x10 J. La respuesta es la misma a 40 °C.
Ejercicios adicionales 1.18.- En una cámara de reacción hermética de 5,41 L se introducen 0,239 mol de
metano y 4,24 L de aire (20 % de O 2 y 80 % N 2) medidos a 20ºC y a 20,1 atm. Mediante una chispa eléctrica se produce la combustión generando dióxido de carbono y agua. Posteriormente se dejó enfriar el sistema hasta alcanzar 20ºC. Determine a) La presión total inicial antes de la combustión, a 20ºC. b) La presión total final y las presiones parciales de todos los gases. Suponga que el agua formada se mantiene líquida. R: a) 16,8 atm b) 14,7 atm, P parciales oxígeno: 1,02 atm, nitrógeno: 12,6 y dióxido de carbono:1,06 atm. 1.19.- Bajo una presión de 0,920 atm y 20ºC (293 K), en un reactor de volumen fijo de 24,3 L se coloca fosgeno (COCl 2 , gas). Al someter el gas a calentamiento se descompone parcialmente en monóxido de carbono (CO) y cloro (Cl 2 ), gaseosos. Al alcanzar los 800 K la presión es de 3,10 atm. Considere la estequiometría de la descomposición y suponga que los gases se comportan idealmente. Determine a) A 293 y a 800 K la cantidad de moles de cada especie. b) Las presiones parciales a 800 K. c) La masa molar promedio de la mezcla a 800 K. d) La densidad (en g/L) de la mezcla a 800 K R: a) n(CO)=n(Cl 2) 0,22 mol; n(COCl 2)=0,71 mol b) P(CO)=P(Cl 2) 0,59 atm; P(COCl 2)= 1,9 atm; c) M prom = 80 g/mol; d) Densidad=3,8 g/L 1.20.- El óxido nítrico reacciona con el oxígeno según la ecuación:
2NO(g)+ O 2(g)
→
2NO2(g)
Inicialmente NO y O 2 están separados como muestra la figura. Cuando se abre la llave de paso, la reacción ocurre rápidamente hasta completarse. Considere que en el balón izquierdo de 4,30 L está el NO a la presión 0,956 atm y que el O 2 en el balón de la derecha de 2,20 L está a 1,48 atm. El gas final ocupa ambos balones. Suponga que la temperatura inicial y final se mantienen en 25ºC. Determine la presión total y las presiones parciales en el estado R: P total = 0,816 atm, P (NO 2) = 0,632 atm, P(O 2) = 0,184 atm
