Trabajo Colaborativo1 FaseII Grupo 358115 40

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Fisicoquímica Ambiental Fisicoquímica Ambiental Trabajo Colaborativo -Fase II

Presentado por Cristhian Camilo Fiesco Q.

Código: 1081415571

Angela Katherine Arias código: 1053338418 Natalia Ximena Murcia Código: 1056412461 Gicela Andrea Sanabria Código: 1056410607 Jorge Eduardo Alarcón Código: 1081392878

Presentado A Diana Shirley Murillo Tutora del Curso

Grupo: 358115_40

Universidad Nacional Abierta Y A Distancia Unad Escuela De Ciencias Agrícolas, Pecuarias Y Del Medio Ambiente Marzo de 2017

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Fisicoquímica Ambiental

Ejercicios 1. Una fuente natural de formación de monóxido de carbono (CO) es la oxidación del metano (CH4) generado en la descomposición anaeróbica de la materia orgánica. Si se ha estimado que hay 9.5 lb de CO en un recinto cerrado de 2 ft 3 a -87°F, determine la presión ejercida empleando a) la ecuación de gases ideales, b) la ecuación de van der Waals, y c) la ecuación de Redlich y Kwong. Desarrollo a) Ecuación de gases ideales Aplicamos la ecuación general de los gases P= Presión

P=

nRT V

Datos Volumen (v): 2 ft3 Temperatura (T): -87°F Masa (m): 4309,2 gr No de moles (n):

153,9 moles

Gas constante (R):

0,082

atm. l K . mol

Procedemos a convertir la masa de lb a gramos Aplicamos regla de tres

1 Lb ⃗ 453,6 gr 9.5 lb ⃗ x Despejamos x

x=

9.5 lb∗453,6 gr 1 lb

x=4309,2 gr Previamente calculamos los moles de gas:

PV =nRT

despejado

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No. de moles=

4309,2 gr =153,9 moles gr 28,0 mol

Convertimos el volumen de ft3 a litros

1 ft 3 ⃗ 28,32 L 3

2 ft ⃗ x Despejamos x 3

x=

2 ft ∗28,32 L 1 ft 3

x=56,63 L V = 56,63 L

Convertimos la temperatura en unidades de °F a °K

T=

(−87 ° F+ 459,67 )∗5 9 T = 207,042 °K Finalmente, aplicamos la fórmula para hallar presión

P=

nRT V

atm. l ∗207,042 ° K K . mol 56,63 L

153,9 moles∗0,082 P= Obteniendo como resultado

P=46,1385 atm

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Fisicoquímica Ambiental Análisis El estado de una cantidad de gas se determina por su presión, volumen y temperatura.

PV =nRT

, en este ejercicio se hizo uso

de estos componentes para determinar la presión del monóxido de carbono CO, el cual cuenta con un volumen de 56,63 Litros , con un numero de moles de 153,9 , la constante de gas

0,082

atm. l K . mol

y a una temperatura de 207,042 °K, hay que destacar que a temperatura constante, el volumen de una masa fija de gas es inversamente proporcional a la presión que este ejerce , en el ejercicio se despejo de la fórmula original la presión

P=

nRT V y se

aplicaron los datos para concluir que la presión ejercida según la ecuación de los gases ideales para este caso es de 46,1385atm.

b) la ecuación de van der Waals

Despejaremos para este caso P: Presión

P=

nRT n2 − 2a V −nb V

Haremos uso de los datos que ya tenemos definidos Temperatura (T): 207,042 °K Volumen (v): 56,63 L Gas constante (R):

0 , 082

atm . l K . mol

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Fisicoquímica Ambiental No de moles (n): 153,9 moles Buscamos las constantes de Van der Walls para el monóxido de carbono CO Medida de la atracción entre las partículas (a) L2 bar/ mol2:1,505 Volumen excluido por un mol de partículas (b) L/mol: 0,03985 Finalmente, aplicamos la formula

atm . l ∗207,042° K ( 153,9mol )2 K .mol P= − ∗1,505 L2 ¯¿ mol2 2 56,63 L−153,9 mol∗0,03985 L/mol ( 56,63 L ) 153,9 mol∗0 , 082

P=1141,07 atm Análisis La ecuación de van der Waals trajo consigo unas mejoras frente a la ecuación general de la ley de gases ideales, Van der Waals considero que en un gas ideal las moléculas se consideran masas puntuales que interaccionan entre sí mediante colisiones elástica y en su ecuación tiene en cuenta el volumen finito de las moléculas y las fuerzas atractivas que una molécula ejerce sobre otra a distancias muy cercanas entre ellas. Su ecuación original es

(P+n 2 a/V 2)(V −nb)=nRT

, en este caso se despejo p : Presión ya 2

que era lo que necesitábamos hallar

P=

nRT n − 2a V −nb V

, entonces

empleamos los siguientes datos para hallar la presión: el número de moles de gas : 153,9 , la constante 207,042

°K

0 , 082

atm . l K . mol , la temperatura

, el volumen 56,63 L y el valor de las constantes a

y b, las cuales son características de cada gas , a: es un término que tiene que ver con la atracción entre partículas y en este caso para el monóxido de carbono CO es : 1,505 L2 bar/ mol2 y b: es el volumen medio excluido por cada partícula , para el monóxido de

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Fisicoquímica Ambiental carbono posee un valor de : 0,03985 L/mol , con estos datos basto para aplicar la ecuación y concluir que la presión ejercida según la ecuación van der Waals es de 1141,07 atm

c) la ecuación de Redlich y Kwong.

Datos Temperatura (T): 207,042 °K Volumen (v): 56,63 L Gas constante (R):

0 , 082

atm . l K . mol

Hallamos las constantes del monóxido de carbono Estas se pueden obtener calculándose a partir de los datos del punto crítico del gas CO

2

a=

b=

0 , 082

2,5 c

R T Pc

RTc = Pc

=

0 , 082

atm. l 2 ∗132,9200 K 2,5 K . mol =39,66 34.53 atm

atm. l ∗132,9200 K K . mol =0,3156 34.53atm

Después de haber hallado las constantes procedemos a aplicar la ecuación

P=

RT a/ √ T − V −b V (V + b) atm . l ∗207,042 K K . mol 39,66 / √ 207,042 K − 56,63 L−0,3156 56,63 L(56,63 L+ 0,3156)

0 , 082 P=

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Finalmente, obtenemos

P=0,30062 atm Análisis La ecuación de Redlich y Kwong relaciona temperatura, presión, y volumen de los gases. La ecuación de Redlich-Kwong es muy similar a la ecuación de Van der Waals, con solo una pequeña modificación al termino de atracción, dando a ese término dependencia en la temperatura. A presiones altas, el volumen de todos los gases se aproxima a volumen finito. Dicha ecuación es

aquí se emplea la constante de gas

0 , 082

P=

RT a/ √ T − V −b V (V + b)

,

atm . l K . mol , la temperatura

207,042 °K , el volumen 56,63 L y dos constantes a y b estas son diferentes dependiendo del gas que se está analizando en este caso el monóxido de carbono , estas se pueden obtener a partir de los datos del punto crítico del gas donde se emplea Tc temperatura en el punto crítico y Pc presión en el punto crítico , para este ejercicio hallamos a : constante que corrige la atracción potencial de las moléculas y su valor fue :

39,66 ,

también se buscó el valor de b:

constante que corrige para el volumen con un valor de :

0,3156

,

así finalmente se lograron obtener completos los datos para aplicar la ecuación de redlich y knowg , aplicada la ecuación se puede determinar que la presión ejercida es de 0,30062 atm

2.

Un ingeniero requiere almacenar durante 12 días CH4 gaseoso generado de un proceso de digestión de la empresa en la que trabaja. Si la producción diaria de CH4 gaseoso es de 250 kg y se ha establecido que tiene una temperatura promedio de 24°C a una presión de 130 kPa. Determine el volumen del tanque que debe emplear para dicho almacenamiento. Solución

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Fisicoquímica Ambiental Para hallar el volumen del tanque haremos uso de la ecuación general de la ley de gases ideales

V=

PV =nRT

, despejaremos V= Volumen

nRT P

Primero realizaremos las conversiones de los datos Procedemos a convertir la masa de kg a gramos

1 día = 250kg 12 dias =3000 kg

Aplicamos regla de tres para convertir de kg a gramos la masa de los doce días

1 kg ⃗ 1000 gr 3000 Kg ⃗ x Despejamos x

x=

3000 Kg∗1000 gr =3000000 gr 1 kg

Previamente calculamos los moles de gas

No. de moles=

3000000 gr =187032,4 moles gr 16,04 mol

Convertimos la temperatura de Centígrados a Kelvin

° K =° C +273 ° K =24+ 273

T =297 ° K Convertimos la presión de KPa a atmosfera

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Fisicoquímica Ambiental

Aplicamos regla de tres

1 Atm ⃗ 101,325 Kpa x ⃗ 130 Kp Despejamos x

x=

1atm∗130 Kpa =1.283 atm 101,325 Kpa

Datos No. Moles (n):

187032,4 moles

atm. l

Constante de gas (R): 0,082 K . mol Temperatura (T): 297 ° K Presión (P): 1.283 atm Procedemos a aplicar la formula y reemplazar los valores

V=

nRT P atm .l ∗297 ° K K . mol =3550,26272 L 1.283 atm

187032,4 moles∗0,082 V=

V =3550,26272 L Análisis En el desarrollo de este ejercicio hicimos uso de la formula general de los gases ideales, despejando volumen que era lo que deseábamos conocer

V=

nRT P

, usamos el numero de moles presentes en CH4:187032,4

moles, la constante de gas

0,082

atm. l K . mol , la temperatura a la que se

encuentra el gas 297 K y la presión 1.283 atm, determinando así que el

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Fisicoquímica Ambiental volumen

del tanque que debe emplear el ingeniero para dicho

almacenamiento durante 12 días es de

3550,26272 L

3. El formaldehído, CH2O, es un componente de smog y es el causante de la irritación ocular. La reacción de formación del formaldehído es:

1 C2 H 4(g) +O3 (g) ↔CH 2 O(g) + O2 (g) 2 [C2H4] M

[O3] M

0.5 x 10-7 1.5 x 10-7 1.0 x 10-7

1.0 x 10-8 1.0 x 10-8 2.0 x 10-8

Velocidad de formación de CH2O (M/s) 1.0 x 10-12 3.0 x 10-12 4.0 x 10-12

De acuerdo con la información presentada en la tabla, determine la velocidad de reacción y constante de velocidad. Si en un momento dado los reactivos presentan la misma concentración, de 3.0 x 10-7 M, indique el desplazamiento de la reacción. Solución n

m

( 1 ) k ( 0,5× 10−7 ) ( 1,0 ×10−8 ) =1,0 ×10−12 n

m

n

m

( 2 ) k ( 1,5× 10−7 ) ( 1,0 ×10−8 ) =3,0 ×10−12 ( 3 ) k ( 1,0 ×10−7 ) ( 2,0 ×10−8 ) =4,0× 10−12 n

m

n

= m

k ( 1,5× 10−7 ) ( 1,0 ×10−8 ) k ( 0,5 ×10−7 ) ( 1,0 ×10−8 )

3,0 ×10−12 1,0 ×10−12

Si simplificamos los datos

3n=3 por lotanto n=1 Ahora, continuamos

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Fisicoquímica Ambiental n

m

n

= −8 m

k ( 1,0× 10−7 ) ( 2,0 ×10−8 ) k ( 1,0× 10−7 ) ( 1,0 ×10 )

4,0× 10−12 2,0 ×10−12

Simplificamos m

2 =2 entonces m=1

Determinamos el orden de la reacción

m+ n=1+1=2reacción de segundo orden

1

1

k ( 0,5 ×10−7 ) ( 1,0 ×10−8) =1,0 ×10−12 Hallamos la constante de velocidad

k=

1,0 ×10−12 =2000 ( 0,5× 10−7 ) ( 1,0 ×10−8 )

Calculamos la velocidad:

v =2000 ( 3,0× 10−7 ) ( 3,0 ×10−7 ) =1,8 × 10−10

Análisis En el ejercicio hallamos la velocidad de reacción, la cual es una propiedad extensiva, puesto que depende del tamaño del sistema, encontramos que esta depende generalmente de la temperatura, la presión y las concentraciones de las especies involucradas en ella. También puede depender de la fase o fases en las que ocurre la reacción. Para la mayoría de las reacciones homogéneas (que tienen lugar en una sola fase), se puede escribir una relación empírica entre la velocidad y

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Fisicoquímica Ambiental las concentraciones de los reactivos que se conoce como ley de velocidad, ecuación de velocidad o ecuación cinética. La cual empleamos para obtener los resultados plasmados.

v =k [ A][B]

4. Determine la gráficamente la energía de activación para la reacción de descomposición del óxido nitroso en una molécula de nitrógeno y un átomo de oxígeno. Considerando las constantes de velocidad de segundo orden medidas a diferentes temperaturas que se presentan a continuación. T (°C) 600 650

K (1/M. s) 1.87 x 10-3 0.011

700

0.057

750

0.244

Solución Hacemos uso de la ecuación de Arrhenius: −Ea

k ( T )=A . e RT Procedemos aplicar logaritmos naturales de ambos lados:

(

ln k =ln A . e

−Ea RT

)

Obteniendo

lnk=

−E A 1 + lnA 2,303 T

( )

Realizamos una gráfica ajustada teniendo en cuenta la tabla de datos T(°C ) 873

k(1/m. s) 0,0018

1/T

Ln(k)

0,001145

-6,281816

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Fisicoquímica Ambiental

923

7 0,011

973

0,057

102 3

0,244

48 0,001083 42 0,001027 75 0,000977 52

-4,509860 -2,864704 -1,410587

Grafico de ecuación de la Arrhenius 0 0 -2

0

0 0 0 0 0 0 0 f(x) = - 29051.95x + 26.99

0

0

ln(k) -4 -6 -8 1/T

Entonces

ln k =−29052

( T1 )+26,98

Teniendo la pendiente de la, procedemos hallar la energía de activación:

−E A =−29052 2,303 R

(

E A =29052× ( 2,303 ) 1,98

E A =132.475 Análisis

cal mol

cal mol

)

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Fisicoquímica Ambiental En el desarrollo de este ejercicio se hizo uso de un gráfico de Arrhenius, el cual muestra el logaritmo de las constantes cinéticas ln(k) en el eje de las coordenadas cartesianas, graficado con respecto al inverso de la temperatura 1/T, en el eje de las abcisas. Para que una reacción se lleve a cabo, los reactivos deben primero adquirir una mínima cantidad de energía, llamada la energía de activación, una forma de determinar su valor consiste en realizar una reacción a diferentes temperaturas, trazamos una recta aproximada, luego con la correlación obtenida hallamos el valor de dicha energía. (Arrhenius, 1889) La expresión hallada por Arrhenius es:

k ( T )=A . e

−Ea RT

5. Determine el orden de la reacción y la velocidad inicial de desaparición de X cuando su concentración es 0.50M y la de Y es 0.20M. Asumiendo la reacción X + Y ↔ Z, a partir de los siguientes datos tomados a 420 K.

[X]

[Y]

1.10 2.20 4.40 2.20 4.40

0.50 0.30 0.60 0.60 0.30

Velocidad inicial de desaparición de X (M/s) 0.053 0.127 1.020 0.254 0.509

Solución Usaremos la ecuación de velocidad de reacción m

v =k [ A ] [ B ]

n

Aplicaremos los datos que nos suministran para hallar las ecuaciones Velocidad No. 1

0,127=k ( 2.20 )n ( 0,30 )m

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Fisicoquímica Ambiental Velocidad No. 2

1,020=k ( 4,40 )n ( 0,60 )m Velocidad No. 3

0,254=k ( 2,20 )n ( 0,60 )m Teniendo las tres velocidades, despejamos la constante e igualamos la ecuación No. 1 y la ecuación No. 3:

0,127 0,254 = n m ( 2.20 ) ( 0,30 ) ( 2,20 )n ( 0,60 )m Continuamos

( 2,20 )n ( 0,60 )m 0,254 = =2 ( 2.20 )n ( 0,30 )m 0,127 Por lo tanto

2m=2

m=1

Ahora, despejamos la constante e igualamos la ecuación No. 2 y la ecuación No. 3

1,020 0,254 = n m ( 4,40 ) ( 0,60 ) ( 2,20 )n ( 0,60 )m

( 4,40 )n ( 0,60 )m 1,020 = =4,01 ( 2.20 )n ( 0,60 )m 0,254 2n=4 n=2

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Fisicoquímica Ambiental Determinamos el orden de la reacción

m+ n=1+2=3 tercer orden Finalmente Reemplazamos valores y calculamos la constante de velocidad:

k ( 2,20 )2 ( 0,3 )=0,127 k =8,75 ×10−2 M −2 s−1 Calculamos velocidad de desaparición: 2 v =( 8,75 ×10−2 m−2 s−1 ) ( 0,5 m) ( 0,2 m)

v =8,75 ×10−4

m m =87500 s s

Análisis La velocidad de reacción, nos indica cómo cambia la concentración de los reactivos con respecto a tiempo (velocidad de desaparición) mediante la ecuación

m

v =k [ A ] [ B ]

n

(, la cual empleamos en el

desarrollo del ejercicio para hallar la cinética de tres reacciones con diferentes concentraciones, despejamos la constante en cada reacción e igualamos unas con otras, calculamos el orden de la reacción, reemplazamos valores y calculamos la constante de velocidad. Obteniendo finalmente la

−4

v =8,75 ×10

m m =87500 s s

Posición cambio climático Estudiante: Cristhian Camilo Fiesco La fisicoquímica, estudia la materia empleando conceptos físicos y químicos. Entre sus estudios están los fenómenos de la naturaleza, por lo cual se puede

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Fisicoquímica Ambiental determinar que esta se encuentra constituida para determinar los principales componentes físicos y químicos que constituyen el fenómeno del cambio climático, lo que permite determinar las causas y las consecuencias de dicho fenómeno, para que la comunidad mitigue las casusas y contribuya a preservar los ecosistemas, la vida de madre tierra y la salud y bienestar del ser humano.

Estudiante: Ángela Katherine Arias En la fisicoquímica podríamos decir que su principal objeto es contribuir al establecimiento de una base científica de la composición química y las características físicas de la atmósfera en diferentes escalas temporales y espaciales para mejorar los fenómenos que se presentan en el calentamiento global , sus impactos sobre la salud humana y los ecosistemas, como resultado de nuestra actividad inconsciente en el planeta en que vivimos disminuyendo la deforestación, La lluvia ácida y el efecto invernadero.

Estudiante: Natalia Ximena Murcia El Cambio Climático está considerado uno de los grandes problemas a los que se enfrentan las sociedades actuales, tanto por las instituciones científicas y políticas relevantes como por la sociedad. Se define éste como el cambio en el clima global del planeta Tierra, particularmente expresado en la temperatura y las precipitaciones de agua.

Estudiante: Gicela Andrea Sanabria Algunas causas del calentamiento global son las emisiones de gases a la atmósfera, los cuales son liberados por carros e industrias entre otros; También la deforestación tiene un papel fundamental debido a que una de sus funciones es la absorción de CO2 que mitiga su liberación al ambiente, esto con lleva al adelgazamiento de la capa de ozono, pérdida de la biodiversidad, desertificación, inundaciones, cambio de ciclos agrícolas y biológicos entre otros. Considero que en la medida en que conservemos nuestros bosques y la flora que son los pulmones del planeta, se disminuirá posiblemente de una forma gradual el efecto de este cambio global Estudiante: Jorge Eduardo Alarcón

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Fisicoquímica Ambiental Desde hace varios años, hay prácticamente un consenso científico universal sobre el hecho de que el cambio climático es una realidad y que su causa es la emisión de gases de efecto invernadero (GEI), como resultado de la actividad humana. El monitoreo sistemático del IDEAM permite afirmar que, de manera similar al igual al resto del planeta, los glaciares colombianos pierden entre 50 centímetros y un metro de espesor al año, retrocediendo consecuentemente entre diez y veinte metros al año. El nevado de Santa Isabel tiene hoy veinticinco metros (25m.) de espesor en el sitio de más profundidad, si consideramos que está perdiendo un metro (1.0 m.) de espesor al año, su existencia no debe superar treinta años (Costa Posada, 2007)

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Fisicoquímica Ambiental Referencias Bibliográficas Arrhenius, S.(1889). Ecuación de Arrhenius. Recuperado el 13 Marzo de 2017, de https://es.wikipedia.org/wiki/Ecuaci%C3%B3n_de_Arrhenius Cambio climático global (2017). Recuperado el 13 de Marzo de 2017, de http://cambioclimaticoglobal.com/ Constantes de Van der Waals. (2017). Recuperado 27 Febrero 2017, de https://es.wikipedia.org/wiki/Anexo:Constantes_de_Van_der_Waals Costa Posada, C. (2007). La adaptación al cambio climático Colombia. Revista de ingeniería. Universidad de los Andes, 07.

en

Ecuación de estado Redlich–Kwong. (2017). Recuperado 27 Febrero 2017, de https://es.wikipedia.org/wiki/Ecuaci%C3%B3n_de_estado_Redlich %E2%80%93Kwong Letyacs. (2009). Cambios Físicos Y Químicos Presentes En El Cambio Climático. Recuperado El 13 De Marzo De 2017, De Http://Letyacs21p37.Blogspot.Com.Co/2009/05/Cambios-Fisicos-YQuimicos-Presentes-En.Html Ley de los gases ideales. (2017). Es.wikipedia.org. Recuperado 27 Febrero 2017, de https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_los_gases_ideales Mol Química y Número de Moles Los Moles Fácil con Ejercicios Resueltos. (2017). Areaciencias.com. Recuperado 27 Febrero 2017, de http://www.areaciencias.com/quimica/mol.html Temperatura crítica y presión crítica. (2017). Cie.unam.mx. Recuperado 27 Febrero 2017, de http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/Liquid3/node9.html