FISICOQUIMICALa Fisicoqumica puede definirse como aquella rama de la Qumica que est relacionada con el estudio de la estructura de la materia y sus propiedades fsicas asociadas, as como las leyes , teoras y factores que influyen en los cambios fsicos y qumicos. Se basa en la experimentacin y en la observacin.

Existen dos mtodos principales de la fisicoqumica, el mtodo cintico y el mtodo termodinmico.

En el mtodo cintico se realiza un intento para describir un mecanismo que explique los fenmenos fsicos y qumicos imaginando que los tomos y las molculas realizan ciertas cosas especficas debido a su estructura y a su movimiento.

En el mtodo termodinmico se hace hincapi a los cambios energticos asociados con los fenmenos, ms bien que en el mecanismo del proceso. Por lo tanto no se requieren conocer la estructura de la materia involucrada en el proceso.

La fisicoqumica forma la base para todas las ramas principales de la Qumica, es de mucha importancia en la bioqumica, en las ciencias qumicas y biolgicas.

Conceptos Bsicos de Fisicoqumica

1. Sistema: Es la porcin del universo que escogemos para una estudio termodinmico.2. Lmite o Frontera del Sistema: Es lo que lo separa del resto del universo.3. Medio Exterior: Mas all de la frontera.4. Sistema Cerrado: Cuando no intercambia materia, solo intercambia energa.5. Sistema Abierto: Cuando intercambia materia y energa con su entorno6. Sistema Aislado (Adiabtico): Cuando no intercambia materia ni energa con su entorno.

7. Sistema Homogneo: Cuando es completamente uniforme.8. Sistema Heterogneo: Cuando tienes dos o mas partes homogneas.9. Fase: A cada una de las partes homogneas separadas de otras por superficies fsicas definidas.10. Propiedades Intensivas: Caractersticas de cada sustancias e independientes de su cantidad. Por ejemplo: densidad, viscosidad, ndice de refraccin, tensin superficial, calor especfico, etc.11. Propiedad Extensiva: Caracterstica que depende de la cantidad de materia como volumen, masa, capacidad calorfica, etc.

12. Estado de un Sistema: Un sistema se encuentra en un estado definido cuando cada uno de sus propiedades tienen un valor determinado.13. Cambio de Estado: Es la variacin en una o mas de sus propiedades de un sistema.14. Proceso Termodinmico: Cambio de estado en el cual se da informacin adicional sobre el mecanismo cuando acontece el cambio. Los mas conocidos son:

a) Proceso Isotrmico: Temperatura constante. b) Proceso Isobrico: Presin constante. c) Proceso Isocrico: Volumen constante. d) Proceso Adiabtico: mientras ocurre el cambio no hay intercambio de calor. e) Proceso Reversible: constituido por una serie de estados de equilibrio. f) Proceso Cclico: cuando el sistema retorna a su estado inicial despus de realizar una serie de cambios.

15. Equilibrio Termodinmico: Un sistema esta en equilibrio termodinmico cuando cumplen tres equilibrios diferentes simultneos.

1) Equilibrio Trmico: cuando T sea la misma en todo el sistema. 2) Equilibrio Qumico: su composicin no varia con el tiempo. 3) Equilibrio Mecnico: no debe existir movimientos macroscpicos dentro del sistema

ESTADO GASEOSOGas : Es la materia que posee la propiedad de llenar completamente un recipiente o un espacio a una densidad uniforme, por lo tanto no posee un volumen constante ni forma definida.Caractersticas de los gases:Los gases estn formados por partculas muy pequeas llamadas molculas muy separadas y en rpido movimiento errtico. Las molculas de un gas dentro de un recipiente cerrado estn dotadas de un movimiento incesante y catico, chocan entre si y con las paredes del recipiente.La presin de un gas es el resultado de las colisiones de las molculas contra la pared del recipiente.Bajo condiciones de T y P el espacio ocupado por la molcula es una fraccin muy pequea del volumen total del gas.

La T absoluta de un gas es un cantidad proporcional a la energa cintica promedio de todas las molculas de un sistema gaseoso. Si T crece entonces aumenta el movimiento, si el V permanece constante la P aumenta.Dos o ms gases pueden mezclarse en cualquier proporcin para preparar una mezcla perfectamente uniforme.Los gases son compresibles y expansibles.El lmite inferior del estado gaseoso es el punto crtico.

Fuerzas Atractivas y Repulsivas Moleculares Las molculas estn afectadas por dos tendencias opuestas debido a:Por la energa cintica que posean las molculas, es la dispersin que depende exclusivamente de la T que facilita vencer las fuerzas atractivas.Debido a las fuerzas atractivas entre las molculas, presentan una tendencia de agregacin, esta tendencia es la cohesin.

Gas IdealSe dice que un gas ideal cuando El valor de las fuerzas de interaccin molecular es despreciable.El volumen propio de las molculas es despreciable frente al gran volumen que ocupa el gas. Esto sucede a bajas presiones y altas temperaturas.

Leyes para los gases ideales 1. Ley de Boyle o Mariotte : Ley de las isotermas. V1=K/P1 V2=K/P2 V1P1=V2P2=..K (VP)T=KPVT=ctePVPT=cte

2. Ley de Charles o Gay LussacVariacin del volumen de un gas con la temperatura a presin constante: Ley de las isbaras ( P=cte). V1=KT1 V2=KT2 V1/T1=V2/T2= K V/T=K ; V=KTP1P2P3VT

Variacin de la presin con la temperatura a volumen constante: Ley de las Iscoras (V=cte)

P1=KT1 P2=KT2 P1/T1=P2/T2= K P/T=K , P=KTV1V2V3PT

3. Ley del Gas Ideal / Ecuacion de Estado del Gas ideal Resultado de la combinacin de la ley de Boyle y Charles. Es una relacin triple entre V, P, y T.

PV=nRTR= 0,082 L-atm/mol KR= 1, 987 Cal/mol K

TEORIA CINETICA DE LOS GASES Esta Teora fue propuesta por primera vez por Bernoulli en 1738 y ms tarde Clausius, Maxwell, Boltzmann,Van der Waals y Jeans la ampliaron y mejoraron. Los postulados fundamentales de esta teora son :

1. Los gases estn constitudos por diminutas partculas llamadas molculas de igual masa y tamao.

2. Las molculas de un recipiente se hallan en movimiento catico, durante el cual chocan entre s o con las paredes del recipiente donde se encuentran.

3. El bombardeo de las molculas contra las paredes del recipiente origina una presin, es decir, una fuerza por unidad de rea.

4. Las colisiones de las molculas son elsticas, es decir no se produce prdida de energa por friccin.

5. La temperatura absoluta, es una cantidad proporcional a la energa cintica promedio de todas las molculas de un sistema.

6. A presiones bajas, la distancia promedio entre las molculas es grande, de ah que las fuerzas de atraccin se consideran despreciables.

7. El volumen de las molculas se considera despreciable, en comparacin con el volumen del recipiente que las contiene. Este tratado terico se limita a los gases en condiciones ideales es decir bajas presiones y altas temperaturas.

Ecuacin Cintica de los GasesLa ecuacin cintica ser deducida aparir de un gas ideal.Se considera que el gas se encuentra en una caja cuadrada que tiene longitud L (cm), que estn en constante movimiento catico. Y tomamos como referencia una molcula de masa m y una velocidad u.

Consideremos que la molcula se desplaza de una pared a la otra pared en la direccin del eje X, est molcula chocar con un lado del recipiente con una velocidad u y rebotara con una velocidad u.Su cantidad de movimiento: antes del choque : mu despus del choque: - mu El cambio de cantidad de movimiento ser:

mu-(-mu)=2mu

La distancia total recorrida = 2LEl numero de impacto que efecta la molcula sobre la pared en la unidad de tiempo = u/2LPor lo tanto el cambio en la cantidad de movimiento es el producto del numero de choques por el cambio de cantidad de movimiento. u / 2L . 2mu = mu2 / L

La rapidez del cambio de movimiento es igual a la fuerza ejercida por un cuerpo mvil en un choque.

F=mu2 / L ( Fuerza debido al impacto de una molcula)

Las moleculas se mueven al azar.Suponiendo que se tiene N molculas y lo dividimos en tres partes (x,y,z)Un grupo (N/3) se movera en la direccion del eje x como la molecula modelo. La fuerza ejercida sobre una cara del recipiente es F = N/ 3 . m u2 /L = N m u2 3 LLa presin sobre la pared ser : P = F / A , (A=L.L) P = N m u2 = N m u2 3 L3 3 VReordenando la ecuacin anterior P. V = N m u2 ( 1) 3

Si n es igual a una mol, entonces N se convierte en el nmero de Avogadro.El producto de m. N se convierte en masa molecular del gas M.

P. V = M u2 (2) 3 P. V = M u2 . 2 3 2 P. V = 2 . 1M u2 3 2 P. V = 2 . E (3) E= energa Cintica 3 Para una mol :

PVm=RT (4)

Igualando (1) (2) (3) y (4) PV= 1M u2 =2 E = RT (5) 3 3 u= velocidad cuadrtica media

La velocidad cuadrtica(u)De acuerdo con la Teora Cintica de los gases, todas las molculas que se encuentran a igual temperatura, deben poseer la misma energa cintica promedio, esto es: 1/2 m1. u12 = 1/2 m2.u22 = 1/2 m3.u32 de lo que se deduce que cuanto mayor es su masa, menor es la velocidad de desplazamiento.La velocidad cuadrtica media con que se mueven las molculas de un gas se puede determinar : M . u2 = R . T 3 u = 3 R. T M

Ejemplo Calcular la velocidad cuadrtica del dixido de azufre a 50C.R = 8.314 x 107 ergios/mol.KM SO2 = 64 g/molT = 323 KDesarrollo u = 3 R. T M

u = 3 x 8.314 x 107 ergios/mol.K x 323 K 64 g/mol u= 35479 cm/s

Energa cintica y temperaturaEl nico tipo de energa que nos hemos referido en el movimiento molecular, es la energa cintica de translacin, EE = 1/2 M . u2 = 3 / 2 R. T La energa cintica de translacin de un gas ideal es completamente independiente de la naturaleza del gas, de la presin y es funcin slo de la temperatura del gas.Para n moles de gas ser: E = 1/2 n. M . u2 = 3 / 2 n. R. TPor ejemplo, 2 mol de cualquier gas ideal a 500 K tendr una energa cintica de:

E = 3/2 x 2 mol x 8.314 Joules / mol. K x 500 K E = 12471 joules

Capacidad calorfica y Teora cinticaLa capacidad calorfica molar(C), es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un mol de una sustancia en 1 grado (si la masa es una mol).El calor especfico (c,Ce) es la cantidad de calor requerido para elevar 1 grado centgrado 1 gramo de una sustancia (si la masa es un gramo).Hay dos tipos de capacidad calorfica, segn se calienta la sustancia a presin constante o a volumen constante.A volumen constante, toda la energa proporcionada va a incrementar la energa interna de la sustancia y a esa capacidad calorfica la designamos como Cv.

Podemos deducir la capacidad calorfica a partir de la teora cintica, segn esta la energa cintica de translacin de un gas ideal por mol es: E = 3/2 R . T (1)Esta es la nica forma de energa que un gas monoatmico posee, la diferencia dos temperaturas distintas ser: E = E2 - E1 = 3/2 R. (T2 - T1) (2) cuando T2 - T1 = 1, E es la energa necesaria para aumentar la energa de translacin de un mol de gas en un grado, en otras palabras es la capacidad calorfica a volumen constante, Cv. E= Cv = 3/2 R = 3/2 (1.98 cal/mol.K) = 2.98 cal/mol. K

Anloga prediccin se puede para capacidad calorfica a presin constante Cp. Cp = Cv + W (3) donde W es el trabajo realizado contra la presin de confinamiento P, cuando un mol de gas se expande desde un volumen V1 a T1 al V2 a T2. El valor de W puede obtenerse de la relacin: W = P . V (4) pero para 1 mol de un gas, PV = R T, manteniendoconstante la presin, diferenciamos la ecuacin : W = P . V = R. T (5)

Cuando T = 1, la ecuacin (5) se reduce a W = R (6)Reemplazando (6) en (3) : Cp = Cv + R Cp = 3/2 R + R = 5 /2 R Cp = 5/2 (1.98 cal/mol.K) = 4.97 cal/mol.KLa relacin de capacidades calorficas esta dada por la relacin de capacidades calorficas: = Cp / Cv = 5/2 / 3/2 = 1.67Los gases monoatmicos tiene valores de aproximadamente de 1.67. Una molcula monoatmica puede realizar slo movimiento de translacin, pero cuando la molcula es ms compleja tambin tiene movimientos de rotacin y vibracin.

Capacidad calorfica de gasesGases Frmula Cp Cv

Argn Ar 5.00 3.01 1.66Helio He 4.99 3.00 1.66

Hidrgeno H2 6.83 4.84 1.41Nitrgeno N2 6.94 4.94 1.40Oxgeno O2 6.96 4.97 1.40

Dixido de carbono CO2 8.75 6.71 1.30Sulfuro de hidrgeno H2S 8.63 6.54 1.32Oxido nitroso N2O 8.82 6.77 1.30

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