QUÍMICA. Tema 4. Estados de Agregación de la Materia

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1 Tema 4. Estados de Agregación de la Materia Índice - Características de sólidos, líquidos y gases - Volumen molar de los gases - Ecuación de estado de los gases - Disoluciones Objetivos específicos - Que el alumno sepa manejar la ecuación de estado de los gases - Que el alumno pueda realizar cálculos relacionados con la concentración de disoluciones Resumen del tema 4 Características de Sólidos, Líquidos y Gases Los sólidos se caracterizan por tener forma propia y un volumen constante. Los líquidos, a su vez, tienen volumen constante, pero carecen de forma propia. En cambio, los gases carecen de forma y volumen propios. Tienden a expansionarse al máximo ocupando todo el recipiente y ejerciendo presión sobre sus paredes, pero pueden comprimirse hasta volúmenes muy pequeños. Por último, tienen un comportamiento uniforme, es decir, todos se comportan igual en idénticas condiciones. Volumen Molar de los Gases En condiciones normales (0 ºC y 1 atm) el volumen de un mol de cualquier gas es 22 4 litros. Ecuación de Estado de los Gases Ésta es una ecuación que relaciona la presión, el volumen y la temperatura a la que están sometidos n moles de gas P V n R T Tema 4 N - 1.

2 donde P es la presión expresada en atmósferas, V el volumen medido en litros, n el número de moles y T la temperatura absoluta en Kelvin; R es una constante que vale R 0'082 atm L K mol Una unidad frecuente a la hora de medir presiones es el milímetro de mercurio (1 atm 760 mm Hg). Para el volumen, además del litro también se emplean los centímetros cúbicos (1 L 1 dm cm 3 ). En cuanto a la relación entre la temperatura T en la escala absoluta o Kelvin y la temperatura t en la escala centígrada o Celsius es T t La ecuación de estado de los gases también puede expresarse en forma de proporcionalidad P V P' V' T T' Disoluciones Una disolución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias cuya composición puede variarse. La sustancia en mayor proporción se denomina disolvente o medio de dispersión, mientras que la(s) sustancia(s) en menor proporción recibe(n) el nombre de soluto. La composición de una disolución es variable, ya que depende de la cantidad relativa de soluto frente a disolvente, y se denomina concentración. Existen diversas maneras de expresar la concentración de una disolución, esto es, cuánto soluto se ha disuelto. Una forma habitual de expresar la concentración de una disolución es la molaridad, que indica el número de moles de soluto que hay por litro de disolución. Se expresa con una M; así, se dice que una disolución de hidróxido sódico (NaOH) es 2 M (2 molar) cuando tiene disueltos 2 moles de NaOH en un litro de disolución (no de disolvente). Por último, las concentraciones también pueden expresarse mediante el porcentaje en peso. Éste es el número de gramos de soluto por cada 100 gramos de disolución. Así, una disolución de ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) al 10% contiene, por cada 100 gramos de disolución, 10 g de H 2 SO 4 y 90 g de H 2 O. Tema 4 N - 2.

3 Problemas resueltos del tema 4 - Calcular los gramos de agua (H 2 O) que hay en un recipiente de 500 cm 3 lleno de vapor de agua, a la temperatura de 100 ºC y a la presión de 745 mm de Hg. Datos: masa at. (H) 1 uma, masa at. (O) 16 uma Utilizando la ecuación de estado de los gases perfectos podemos hallar qué volumen ocuparía este gas en condiciones normales P V P' V' T T' Tema 4 N mm Hg V 273 K 745 mm Hg 0'5 L 373 K luego V L (o, lo que es lo mismo, V 359 cm 3 ). Como un mol de gas ocupa 22 4 L en condiciones normales, y el mol de agua tiene una masa de 18 g 18 g H 2 O 22'4 L x g 0'359 L luego x g de H 2 O. Otra manera de resolver el problema es mediante la utilización de la ecuación PV nrt atm 0'5 L n 0'082 atm L K mol 373 K luego n mol de H 2 O, y como la masa molar del agua es 18 g m mol 18 g/mol g - Determinar la molaridad y el porcentaje en peso de una disolución hecha disolviendo 2 g de Ca(OH) 2 en 200 cm 3 de agua. Datos: masa at. (H) 1 uma, masa at. (O) 16 uma, masa at. (Ca) 40 uma, densidad de la disolución 1 05 g/cm 3 La masa molecular de Ca(OH) 2 es ( x x 1 ) 74 uma, luego los 2 g son 2 g Ca(OH) 2 74 g/mol Ca(OH) 2 0'027 mol Ca(OH) 2 Dado que la densidad del agua es 1 g/cm 3 (o, lo que es lo mismo, 1 g/ml), la disolución pesa 202 g y tiene un volumen de (202/1 05 ) 192 cm 3. Entonces, si en 192 cm 3 (0 192 L) de disolución hay mol, en 1 L (1000 cm 3 ) habrá 0'027 mol Ca(OH) 2 x mol x 0'14 mol 0'192 L 1 L

4 luego la disolución es 0 14 M. Para calcular el porcentaje en peso hay que tener en cuenta que 2 g de Ca(OH) 2 están disueltos en 202 g de disolución 2 g Ca(OH) g disolución x g Ca(OH) 2 x 0'99 g Ca(OH) g disolución luego la disolución será del 0 99% - Calcular el número de mililitros de ácido clorhídrico (HCl) del 36% necesarios para preparar medio litro de disolución 0 1 M. Datos: masa at. (H) 1 uma, masa at. (Cl) 35 5 uma, densidad del HCl 36% 1 19 g/cm 3 La masa molecular del HCl es ( ) 36 5 uma. La cantidad de HCl necesaria para preparar 0 5 L de disolución 0 1 M son 0 05 moles o, lo que es lo mismo, (0 05 mol x 36 5 g/mol ) g. Como no se parte de HCl puro, sino de una disolución al 36%, hay que calcular en qué masa de disolución están contenidos g de HCl 36 g HCl 100 g disolución 1'825 g HCl x 5'07 g disolución x g disolución Como la densidad del HCl 36% es 1 19, el volumen requerido es 5'07 g disolución 1'19 g/ml 4'26 ml Luego se necesitan 4 26 ml de HCl 36% para preparar 0 5 L de HCl 0 1 M. Tema 4 N - 4.

5 Problemas del tema 4 - Un gas ocupa 3 L a 60 ºC y 900 mm Hg. Calcular el volumen a 400 mm Hg y 80 ºC. Solución: 7 2 L - Calcular la temperatura de un gas que ocupa 400 cm 3 a 720 atm, si a 121 ºC y 900 atm ocupa 600 cm 3. Solución: 210 K -63 ºC - Calcular el número de moles de un gas contenidos en 30 L a 125 ºC y 700 mm Hg. Solución: 0 85 mol - Calcular la presión a la que estarán sometidos 2 moles de un gas que ocupan 5 dm 3 a 300 ºC. Solución: 18 8 atm - Calcular la temperatura a la que se encuentran 0 2 moles de gas que ocupan 300 cm 3 a 500 mm Hg. Solución: 12 K -261 ºC - Calcular el valor de la constante R. Pista: utilizar el volumen molar de los gases Solución: (atm.l/mol.k) - Calcular el volumen que ocupan 6 moles de gas que se encuentran a 180 ºC y 1000 mm Hg. Solución: L L de un gas a 28 ºC y 1000 mm Hg pesan 5 98 g. Calcular su masa molecular. Pista: calcular en primer lugar el número de moles de gas Solución: 34 uma - Dada la reacción Al + HCl AlCl 3 + H 2, calcular el volumen de hidrógeno, a 21 ºC y 748 mm Hg, que se obtendrá a partir de 14 3 g de Al. Datos: masa at. (Al) 27 uma, masa at. (H) 1 uma, masa at. (Cl) 35 5 uma Tema 4 N - 5.

6 Pista: ajustar la ecuación y calcular los moles de H 2, después utilizar la ecuación de estado de los gases perfectos Solución: L de H 2 (a 21 ºC y 748 mm Hg) - Dada la reacción ZnO + C CO + Zn, calcular el volumen de CO a 25 ºC y 1 atm originado al preparar 100 kg de Zn. Datos: masa at. (Zn) 65 4 uma, masa at. (O) 16 uma, masa at. (C) 12 uma Solución: L de CO (a 25 ºC y 1 atm) - La combustión del butano transcurre de acuerdo a la siguiente ecuación CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 + O 2 CO 2 + H 2 O Calcular el volumen de oxígeno a 27 ºC y 740 mm Hg necesario para la combustión completa de los 12 5 kg de butano contenidos en una bombona. Datos: masa at. (C) 12 uma, masa at. (H) 1 uma, masa at. (O) 16 uma Solución: L (a 27 ºC y 740 mm Hg) - Calcular el número de gramos de fosfato de potasio (K 3 PO 4 ) necesarios para preparar 700 ml de una disolución 2 M. Datos: masa at. (K) 39 uma, masa at. (P) 31 uma, masa at. (O) 16 uma Solución: g de K 3 PO 4 - Se prepara una disolución a partir de 40 g de alcohol etílico (CH 3 CH 2 OH), añadiéndole agua hasta alcanzar un volumen total de 250 cm 3. Calcular la molaridad. Datos: masa at. (C) 12 uma, masa at. (H) 1 uma, masa at. (O) 16 uma Solución: 3 5 M - Calcular el número de gramos de ácido fosfórico (H 3 PO 4 ) necesarios para preparar 150 cm 3 de una disolución 0 2 M. Datos: masa at. (H) 1 uma, masa at. (P) 31 uma, masa at. (O) 16 uma Solución: 2 94 g de H 3 PO 4 - Calcular la molaridad de una disolución hecha disolviendo 8 07 g de bromuro de estroncio (SrBr 2 ) en suficiente agua para elaborar 0 61 L de disolución. Datos: masa at. (Sr) 87 6 uma, masa at. (Br) 79 9 uma Solución: M - Se disuelven 50 ml de éter etílico (C 2 H 5 OC 2 H 5 ) en alcohol etílico (CH 3 CH 2 OH) hasta formar 100 ml de disolución. Calcular la molaridad del Tema 4 N - 6.

7 éter en esa disolución. Datos: masa at. (C) 12 uma, masa at. (H) 1 uma, masa at. (O) 16 uma, densidad del éter 0 71 g/ml Solución: 4 8 M - El ácido nítrico (HNO 3 ) comercial es una disolución acuosa al 70% con densidad 1 42 g/cm 3. Calcular la molaridad. Datos: masa at. (H) 1 uma, masa at. (N) 14 uma, masa at. (O) 16 uma Solución: 15 8 M - Calcular el volumen necesario de ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) del 92 77% para preparar 10 L de ácido sulfúrico 1 5 M. Datos: masa at. (H) 1 uma, masa at. (S) 32 uma, masa at. (O) 16 uma, densidad del H 2 SO % g/cm 3 Solución: cm 3 Tema 4 N - 7.