Química Industrial: Unidad 1

1) Responder este punto mediante consulta de bibliografía. (Si la información proviene de internet, debe ser tomada de una fuente confiable). a) Señalar 3 hitos en la historia de la industria química (se pide opinion personal) b) ¿Con la obtención de que producto o productos puede darse por iniciada la industria química orgánica? c) Mencionar al menos diez sustancias químicas de interés industrial (trate de usar su experiencia en la vida cotidiana, leer formularios de productos comerciales, etc. d) ¿A que se determina síntesis química y análisis clínico?

a) Señalar 3 hitos en la historia de la industria química (se pide opinion personal)

Proceso de Harber-Bosch

En 1909 el químico alemán Fritz Haber, junto con Carl Bosch y Robert Le Rossignol inventó un proceso para producir amoníaco a partir de nitrógeno gaseoso e hidrógeno. Esta fue la primera vez en la historia en la que se "fijó" artificialmente nitrógeno gaseoso, un proceso hasta el momento solo posible por microorganismos presentes naturalmente en el suelo. El nitrógeno es un elemento esencial para el metabolismo de las plantas, pero no pueden absorberlo del aire, por eso el proceso Haber-Bosch para fijación de nitrógeno generó una revolución en la industria de fertilizantes.
La población mundial se cuadruplicó desde la invención de este proceso.
Sin embargo, el amoniaco también puede usarse como precursor para fabricar explosivos.

Acido Sulfúrico

La producción de acido sulfúrico es esencial para el progreso de una nación, ya que es un precursor básico en muchos procesos industriales.

El descubrimiento del ácido sulfúrico se relaciona con el siglo VIII y el alquimista Jabir ibn Hayyan. Fue estudiado después, en el siglo IX por el alquimista Ibn Zakariya al-Razi, quien obtuvo la sustancia de la destilación seca de minerales incluyendo la mezcla de sulfato de hierro (II) (FeSO₄) con agua y sulfato de cobre (II) (CuSO₄). Calentados, estos compuestos se descomponen en óxido de hierro (II) y óxido de cobre (II), respectivamente, dando agua y óxido de azufre (VI), que combinado produce una disolución diluida de ácido sulfúrico. Este método se hizo popular en Europa a través de la traducción de los tratados y libros de árabes y persas por alquimistas europeos del siglo XIII como el alemán Albertus Magnus.

Los alquimistas de la Europa medieval conocían al ácido sulfúrico como aceite de vitriolo, licor de vitriolo, o simplemente vitriolo, entre otros nombres. La palabra vitriolo deriva del latín “vitreus”, que significa cristal y se refiere a la apariencia de las sales de sulfato, que también reciben el nombre de vitriolo.^{[cita requerida]} Las sales denominadas así incluyen el sulfato de cobre (II) (o ‘vitriolo azul’ o ‘vitriolo romano’), sulfato de zinc (o ‘vitriolo blanco’), sulfato de hierro (II) (o ‘vitriolo verde’), sulfato de hierro (III) (o ‘vitriolo de Marte’), y sulfato de cobalto (II) (o ‘vitriolo rojo’).

El vitriolo era considerado la sustancia química más importante, y se intentó utilizar como piedra filosofal. Altamente purificado, el vitriolo se utilizaba como medio para hacer reaccionar sustancias en él.

En el siglo XVII, el químico alemán-holandés Johann Glauber consiguió ácido sulfúrico quemando azufre con nitrato de potasio (KNO₃), en presencia de vapor. A medida que el nitrato de potasio se descomponía, el azufre se oxidaba en SO₃, que combinado con agua producía el ácido sulfúrico. En 1736, Joshua Ward, un farmacéutico londinense utilizó este método para empezar a producir ácido sulfúrico en grandes cantidades.

En 1746 en Birmingham, John Roebuck empezó a producirlo de esta forma en cámaras de plomo, que eran más fuertes y resistentes y más baratas que las de cristal que se habían utilizado antes. Este proceso de cámara de plomo, permitió la efectiva industrialización de la producción de ácido sulfúrico, que con pequeñas mejoras mantuvo este método de producción durante al menos dos siglos.

El ácido obtenido de esta forma, tenía una concentración de tan solo 35-40 %. Mejoras posteriores, llevadas a cabo por el francés Joseph-Louis Gay-Lussac y el británico John Glover consiguieron aumentar esta cifra hasta el 78 %. Sin embargo, la manufactura de algunos tintes y otros productos químicos que requerían en sus procesos una concentración mayor lo consiguieron en el siglo XVIII con la destilación en seco de minerales con una técnica similar a la de los alquimistas precursores. Quemando pirita (disulfuro de hierro) con sulfato de hierro a 480 °C conseguía ácido sulfúrico de cualquier concentración, pero este proceso era tremendamente caro y no era rentable para la producción industrial o a gran escala.

En 1831, el vendedor de vinagre Peregrine Phillips patentó un proceso de conseguir óxido de azufre (VI) y ácido sulfúrico concentrado mucho más económico, ahora conocido como el proceso de contacto. Actualmente, la mayor parte del suministro de ácido sulfúrico se obtiene por este método.

FUENTE: https://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81cido_sulf%C3%BArico#Historia

Penicilina 

Aunque generalmente se atribuye a Alexander Fleming el descubrimiento de la penicilina, muchas épocas y culturas diferentes llegaron mediante la observación y la experiencia a conocer y emplear las propiedades bactericidas de los mohos. Se han descubierto precedentes en la Grecia e India antiguas, y en los ejércitos de Ceilán del siglo II. Ha estado también presente en las culturas tradicionales de regiones tan distintas y distantes como Serbia, Rusia o China, así como en los nativos de Norteamérica.^5 6 Se solía aplicar alimentos florecidos o tierra del suelo que contuviera hongos a las heridas de guerra. Desde el siglo VIII por lo menos, los médicos árabes curaban infecciones untando las heridas con una pasta blanca que se formaba en los arneses de cuero con que se ensillaban los burros de carga. A lo largo del siglo XVII algunos farmacólogos y herboristas ingleses, como John Parkington, incluyeron el tratamiento con hongos en los registros de farmacia.^{N 1}

Hospital St. Mary de Londres, en cuya famosa ala Clarence estaba situada el departamento de inoculación de Almroth Wright y Alexander Fleming donde tuvo lugar el descubrimiento de la penicilina.^7 8

A finales del siglo XIX, Henle (uno de los grandes científicos de la llamada "generación intermedia") suscita en su discípulo Robert Koch, en la Universidad de Gotinga, el interés por los trabajos de Agostino Bassi y Casimir Davaine, que le llevaría a investigar a los microorganismos como agentes causales de las enfermedades. Esto le conduciría en 1876 a descubrir que Bacillus anthracis era el agente causal específico del carbunco, en la línea de la teoría microbiana de la enfermedad, y a enunciar sus célebres postulados.⁹ Más tarde, Paul Ehrlich, que trabajó con Koch en Berlín, desarrolló el concepto de "Magische Kugel" o bala mágica, denominando así a aquellos componentes químicos que pudieran eliminar selectivamente a los gérmenes. Finalmente, en 1909 consiguió sintetizar un compuesto, el Nº 606, más tarde conocido como salvarsán, que se mostró eficaz contra la sífilis.¹⁰ Este descubrimiento influyó posteriormente en Alexander Fleming, hasta el punto de que existen caricaturas del joven Fleming caracterizado y apodado como "recluta 606".¹¹

Al mismo tiempo o poco después, conocido el hecho de que las bacterias podían provocar enfermedades, se sucedieron multitud de observaciones, tanto in vivo como in vitro, de que los mohos ejercían una acción bactericida. Por solo citar algunos nombres, sirvan de ejemplo los trabajos de John Scott Burdon-Sanderson, Joseph Lister, William Roberts, John Tyndall, Louis Pasteur y Jules Francois Joubert, Carl Garré, Vincenzo Tiberio, Ernest Duchesne, Andre Gratia y Sara Dath.

En marzo de 2000, médicos del Hospital San Juan de Dios de San José (Costa Rica) publicaron los escritos del científico y médico costarricense Clodomiro Clorito Picado Twight (1887-1944). En el reporte explican las experiencias que adquirió Picado entre 1915 y 1927 acerca de la acción inhibitoria de los hongos del género Penicillium sobre el crecimiento de estafilococos y estreptococos (bacterias causantes de una serie de infecciones humanas).¹² Aparentemente, Clorito Picado reportó su descubrimiento a la Academia de Ciencias de París, pero no lo patentó, a pesar de que su investigación había sido iniciada unos pocos años antes que la de Fleming.^13 14

Alexander Fleming

Artículo principal: Alexander Fleming

Fotografía de Alexander Fleming, descubridor de la penicilina, en su laboratorio.

El descubrimiento de la penicilina ha sido presentado como un ejemplo «icónico» de cómo procede el método científico a través de la observación, y de la habilidad singular de Alexander Fleming interpretando un fenómeno casual.¹⁵ El propio Fleming abona esta versión en su conferencia de recepción del Premio Nobel.¹⁶ Sin embargo, algunos autores revisan esta historia oficial, y opinan que, sin restar méritos, está distorsionada por mitos, la necesidad de propaganda en la Segunda Guerra Mundial y también una cierta lucha por el prestigio de instituciones con influencias sobre áreas del poder y la prensa.^17 18 19 George Wong, al considerar la versión de un descubrimiento casual, hace notar los siguientes antecedentes:²⁰

• Conocía a casi todos los autores mencionados en el apartado anterior. Su gran número es ya por sí solo indicador de que existía toda una corriente que investigaba en el campo con mutuo conocimiento de trabajos. El propio Fleming lo admite en su conferencia de Nobel.¹⁶
• Buscaba activamente una sustancia bactericida: impresionado por los campos de guerra europeos en la Primera Guerra Mundial y las bajas por infección en las heridas, ensayó con salvarsán, descubrió la lisozima constatando que no afectaba a ninguno de los organismos problemáticos de la penicilina, y ello aun en contra de la línea marcada por su jefe, Almroth Wright, más interesado en la inmunización. Compara en su primer trabajo el espectro de acción de la penicilina y la lisozima.

El descubrimiento de la penicilina según Fleming ocurrió en la mañana del viernes 28 de septiembre de 1928, cuando estaba estudiando cultivos bacterianos de Staphylococcus aureus en el sótano del laboratorio del Hospital St. Mary en Londres, situado en el Ala Clarence, ahora parte del Imperial College.²¹ Tras regresar de un mes de vacaciones, observó que muchos cultivos estaban contaminados y los tiró a una bandeja de lysol. Afortunadamente, recibió una visita de un antiguo compañero y, al enseñarle lo que estaba haciendo con alguna de las placas que aún no habían sido lavadas, se dio cuenta de que en una de ellas, alrededor del hongo contaminante, se había creado un halo de transparencia, lo que indicaba destrucción celular. La observación inmediata es que se trataba de una sustancia difusible procedente del contaminante. Posteriormente aisló y cultivó el hongo en una placa en la que disponía radialmente varios microorganismos comprobando cuáles eran sensibles. La identificación del espécimen como Penicillium notatum la realizó Charles Tom. Publicó su descubrimiento sin que recibiera demasiada atención y, según los compañeros de Fleming, tampoco él mismo se dio cuenta en un inicio del potencial de la sustancia, sino progresivamente, en especial por su baja estabilidad. En su trabajo obtuvo un filtrado libre de células que inyectó a conejos, comprobando así que carecía de toxicidad. También apreció su utilidad para aislar Haemophilus influenzae a partir de esputos.^20 22 23

FUENTE: https://es.wikipedia.org/wiki/Penicilina

b) ¿Con la obtención de que producto o productos puede darse por iniciada la industria química orgánica?

La aparición de la química orgánica se asocia a menudo al descubrimiento, en 1828, por el químico alemán Friedrich Wöhler, de que la sustancia inorgánica cianato de amonio podía convertirse en urea, una sustancia orgánica que se encuentra en la orina de muchos animales. Antes de este descubrimiento, los químicos creían que para sintetizar sustancias orgánicas, era necesaria la intervención de lo que llamaban ‘la fuerza vital’, es decir, los organismos vivos. El experimento de Wöhler rompió la barrera entre sustancias orgánicas e inorgánicas. Los químicos modernos consideran compuestos orgánicos a aquellos que contienen carbono e hidrógeno, y otros elementos (que pueden ser uno o más), siendo los más comunes: oxígeno, nitrógeno, azufre y los halógenos.

c) Mencionar al menos diez sustancias químicas de interés industrial (trate de usar su experiencia en la vida cotidiana, leer formularios de productos comerciales, etc. )

1. Acido sulfúrico
2. Jabón
3. Alcohol
4. Acido clorídrico
5. Cloruro de sodio (sal de mesa)
6. Agua
7. Tolueno y benceno
8. Agua oxigenada
9. Amoníaco
10. Gas metano

d) ¿A que se determina síntesis química y análisis clínico?

Sintesis es la práctica de realizar un proceso químico para obtener un producto a partir de precursores disponibles.
Análisis es la práctica de estudiar las propiedades de una sustancia, sea a través de observaciones, reacciones o mediciones.

2. a) Dar tres ejemplos de operaciones y tres de procesos típicos en la industria química. b) ¿Que es un diagrama de flujos en la industria química?. c) ¿A qué se le llama un diagrama de flujo esquemático y a que un diagrama de flujo constructivo?

a) Dar tres ejemplos de operaciones y tres de procesos típicos en la industria química.

Operaciones:

1. Filtrado
2. Decantación
3. Evaporación

Procesos:

1. Oxidación/reducción
2. Neutralización
3. Hidrolización

b) ¿Que es un diagrama de flujos en la industria química?

Es un esquema que utiliza formas geométricas y flechas con lineas de distinto tipo para explicar una serie de procesos y operaciones involucradas en la transformación a ser realizada.

 c) ¿A qué se le llama un diagrama de flujo esquemático y a que un diagrama de flujo constructivo?

El diagrama de flujo esquemático consiste en formas geometricas y flechas, mientras que el diagrama de flujo constructivo usa más detalles en el dibujo para expresar con mayor precisión la función de cada pieza del sistema.

3. Un recipiente de volumen V a temperatura T contiene una solución gaseosa con 50% v/v de N2 y 50% v/v de O2. Se deja que el gas difunda a un recipiente vacio de volumen identico (V) a través de una conexión muy delgada. a) ¿Cual espera que sea la composición en volumen del gas que contiene ese segundo recipiente muy poco despues del comienzo de la difusión? b) ¿Cual será la composición de equilibrio (final) del sistema en ambos recipientes?

Ley de Graham:

Vn2/Vo2=sqrt(Mo2/Mn2)

Vn2=Vo2*sqrt(32/24)

Vn2=Vo2*1,07

es decir, Vn2 es mayor, el N2 se difundirá más rápido.

a) Se espera que haya una leve concentración excedente de N2 en los primeros instantes de la difusión.

b) El equilibrio se alcanza cuando en ambos recipientes la concentración de cada gas con respecto al otro es igual. En otras palabras, ambos recipientes tienen 50% N2 y 50% O2.

4. a) Expresar y discutir las correcciones que realiza Van der Waals al modelo de Gas Ideal. b) 1,5 moles de cierto gas que se encuentra a 105ºC y ocupa un volumen de 61,4 dm3. Calcular la presión que se espera que tenga el sistema si: i) Se comporta como gas ideal ii) Se comporta como gas de Van der Waals. (a=18,75 dm6 atm mol-2, b=0,1214dm3 mol-1). c) la presión media medida en el recipiente anterior es de 0,752 atm. calcular la desviación con respecto a lo calculado segun los modelos propuestos.

a)

(P+an^2/V^2)(V-bn)=nRT

El termino dentro del paréntesis de la presión fue agregado para ajustar por las fuerzas intermoleculares del gas, que se consideran despreciables en el modelo ideal.

El termino dentro del paréntesis del volumen fue agregado para ajustar por el volumen de las moleculas del gas, una vez retirado el espacio vacio.

b)

i) 

P=( 1,5*0,082*(273+105)/61,4 ) atm

P= 0,757 atm

ii)

P=(1,5*0,082*(273+105)/(61,6-0,1214*1,5))-(18,75*1,5^2)/(61,4^2) atm

P=0,746 atm

c)

i) 

Desv %=(0,757-0,752)*100/0,752

Desv %=0,665%

ii) 

Desv %=(0,746-0,752)*100/0,752

Desv %=-0,798%

5. a) Representar gráficamente P vs Vm para un gas real a baja temperatura, indicando claramente P y T a la que la sustancia licua y la región de equilibrio liquido-vapor. Señalar también la zona donde la sustancia se encuentra solo en fase liquida. b) En el mismo diagrama representar el comportamiento del sistema a varias temperaturas superiores a la anterior. c) trazar a forma cualitativa la isoterma crítica Tc indicando las propiedades críticas Pc y Vc. d) Enunciar el teorema de los estados correspondientes. e) ¿Cuanto vale aproximadamente la relación entre la temperatura natural de ebullición y la temperatura crítica de muchos líquidos (llamados "normales")

a) Representar gráficamente P vs Vm para un gas real a baja temperatura, indicando claramente P y T a la que la sustancia licua y la región de equilibrio liquido-vapor. Señalar también la zona donde la sustancia se encuentra solo en fase liquida. b) En el mismo diagrama representar el comportamiento del sistema a varias temperaturas superiores a la anterior. c) trazar a forma cualitativa la isoterma crítica Tc indicando las propiedades críticas Pc y Vc. 

Isotermas de Andrews:

d) Enunciar el teorema de los estados correspondientes.

El teorema de los estados correspondientes o principio de los estados correspondientes) fue establecido por van der Waals en 1873,¹ e indica que todos los fluidos, cuando se comparan con la misma temperatura reducida y presión reducida, tienen aproximadamente idéntico factor de compresibilidad y se desvían del comportamiento de gas ideal en, más o menos, el mismo grado.^2 3

El ejemplo más importante es la ecuación de van der Waals, cuya forma reducida se puede aplicar a todos los fluidos.

Z1=P1V1/T1 

Z2=P2V2/T2

El factor de compresibilidad es definido como

${\displaystyle Z={\frac {V_{\mathrm {m} }}{(V_{\mathrm {m} })_{\text{gas ideal}}}}={\frac {pV_{\mathrm {m} }}{RT}},}$

donde ${\displaystyle V_{\mathrm {m} }}$ es el volumen molar, ${\displaystyle (V_{\mathrm {m} })_{\text{gas ideal}}=RT/p}$ es el volumen molar del correspondiente gas ideal, ${\displaystyle p}$ es la presión, ${\displaystyle T}$ es la temperatura, y ${\displaystyle R}$ es la constante universal de los gases ideales. Para aplicaciones de ingeniería, es expresado frecuentemente como

${\displaystyle Z={\frac {p}{\rho R_{\rm {specific}}T}},}$

donde ${\displaystyle \rho }$ es la densidad del gas y ${\displaystyle R_{\rm {specific}}=R/M}$ es la constante de los gases específica,² y ${\displaystyle M}$ es la masa molar.

Para un gas ideal, el factor de compresibilidad es ${\displaystyle Z=1}$ por definición. En muchas aplicaciones del mundo real, los requerimientos de precisión demandan que las desviaciones del comportamiento de un gas, esto es, el comportamiento de un gas real, sean tomadas en cuenta. El valor de ${\displaystyle Z}$ generalmente se incrementan con la presión y decrecen con la temperatura; a altas presiones las moléculas colisionan más a menudo, y esto permite que las fuerzas repulsivas entre las moléculas tengan un efecto notable, volviendo al volumen molar del gas real (${\displaystyle V_{\mathrm {m} }}$) más grande que el volumen molar del correspondiente gas ideal (${\displaystyle (V_{\mathrm {m} })_{\text{gas ideal}}=RT/p}$), lo que causa que ${\displaystyle Z}$ sea mayor a 1.³ Cuando las presiones son menores, las moléculas son libres de moverse; en este caso, dominan las fuerzas de atracción, haciendo que ${\displaystyle Z<1}$. Cuanto más cercano esté el gas a su punto crítico o su punto de ebullición, ${\displaystyle Z}$ se desviará más del caso ideal.

e) ¿Cuanto vale aproximadamente la relación entre la temperatura natural de ebullición y la temperatura crítica de muchos líquidos (llamados "normales")?

CONSULTAR; NO CONSEGUI INFO.

6. 

P	Z(200)	Z(1000)		Z*(200)	Z*(1000)		Z**(200)	Z**(1000)		Z***(200)	Z***(1000)
100	0,513	1,021		-0,00487	0,00021		0,0000038	3E-07		-2E-09	5E-10
200	0,27	1,05		-0,00365	0,00025		0,000008	3,5E-07		0,00000002	5E-10
300	0,3814	1,085		-0,002062	0,000283333		1,06267E-05	3,44444E-07		2,20889E-08	3,14815E-10
400	0,954	1,129		-0,000115	0,0003225		1,28375E-05	3,5625E-07		2,20938E-08	2,65625E-10
600	3,914	1,244		0,004856667	0,000406667		1,68444E-05	3,77778E-07		2,14074E-08	2,12963E-10
800	10,01	1,401		0,0112625	0,00050125		2,06406E-05	4,01563E-07		2,08008E-08	1,89453E-10
1000	20,12	1,608		0,01912	0,000608		0,00002437	0,000000428		2,037E-08	1,78E-10

	Z(200)	Z(1000)
B	-0,00525	0,00018
C	0,000004	0,00000025
D	2,07935E-08	3,60143E-10

7.

a) Explicar en que consiste el método de las densidades límites para determinar masas molares de sustancias gaseosas. b) Discutir su relación con el ejercicio 6. i) A que denomina humedad relativa? II) a cierta temperatura T la presión de vapor del agua es 23,0 mm de Hg; en un reactor que trabaja a esa misma temperatura T, en cierto momento, el vapor de agua tiene una presion de 20 mm de Hg: 1) Cual es la humedad relativa dentro del reactor 2) si la temperatura del reactor aumenta sin cambiar la presión total: ¿aumentará o disminuirá la humedad relativa? c) ¿Por qué transpiran las paredes de una habitación que se mantiene caliente con una estufa sin salida al exterior? (tipo pantalla o catalítica) ¿Por qué no ocurre lo mismo si se emplea una estufa de tiraje balanceado o de tiraje natural?



a)Explicar en que consiste el método de las densidades límites para determinar masas molares de sustancias gaseosas.

Un método para minimizar las divergencias respecto del comportamiento ideal, la determinación precisa de los pesos moleculares, es la aplicación del principio de las densidades límites. Se ha visto que la ley e los gases ideales puede escribirse de la forma

M=d*(RT/P)=RT*(d/P)

El valor de M será más preciso a medida que la presión disminuye de valor. Se representan los valores de d/p en función de P y el valor de d/P a P=0, se obtiene por extrapolación. Este método se ha utilizado para determinar los pesos moleculares de los gases nobles.

b)Discutir su relación con el ejercicio 6
i) A que denomina humedad relativa?
HR=Pp H2O/Pv(T) H2O
ii)a cierta temperatura T la presión de vapor del agua es 23,0 mm de Hg; en un reactor que trabaja a esa misma temperatura T, en cierto momento, el vapor de agua tiene una presion de 20 mm de Hg: 1) Cual es la humedad relativa dentro del reactor 2) si la temperatura del reactor aumenta sin cambiar la presión total: ¿aumentará o disminuirá la humedad relativa? 

1) 20/23=87%
2)Si la temperatura aumenta Pv(T) aumenta y disminuye la HR.

 c) ¿Por qué transpiran las paredes de una habitación que se mantiene caliente con una estufa sin salida al exterior? (tipo pantalla o catalítica) ¿Por qué no ocurre lo mismo si se emplea una estufa de tiraje balanceado o de tiraje natural?

Las estufas normales hogareñas trabajan quemando GNC, también conocido como Gas Metano, segun:

CH4+2O2->C02+2H2O

En la reacción descripta arriba, se produce Agua en forma de vapor, lo cual aumenta la Presión Parcial del H2O en el ambiente. La reacción produce energía, que aumenta la temperatura del ambiente, por lo que aumenta la presión de vapor del H2O Pv(T), y no se produce una condensación en todo el ambiente. Sin embargo, en las paredes, que se encuentran en contacto con el exterior, si se puede dar una condensación ya que estas están a una temperatura más baja que el ambiente.

Las estufas de tiraje balanceado no sufren del mismo fenomeno, ya que los gases productos de la combustión son descartados al exterior, evitando entonces aumentar la Pp del H2O dentro de la habitación.


8. 
a) Enunciar los postulados de la teoría cinetica de los gases.
b) Demostrar las leyes de los gases a partir de ellos
c) Hacer un diagrama de distribución de velocidades de las moleculas de un gas a dos temperaturas diferentes; indicar la velocidad media, la velocidad más probable y la raiz cuadrada de la velocidad cuadrática media.

a)

1. Las sustancias están constituidas por moléculas pequeñísimas ubicadas a gran distancia entre sí; su volumen se considera despreciable en comparación con los espacios vacíos que hay entre ellas.

2. Las moléculas de un gas son totalmente independientes unas de otras, de modo que no existe atracción intermolecular alguna.

3. Las moléculas de un gas se encuentran en movimiento continuo, en forma desordenada; chocan entre sí y contra las paredes del recipiente, de modo que dan lugar a la presión del gas.

4. Los choques de las moléculas son elásticos,  no hay pérdida ni ganancia de energía cinética, aunque puede existir transferencia de energía entre las moléculas que chocan.

5. La energía cinética media de las moléculas es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas; se considera nula en el cero absoluto.

b)

Dt=2L/Vx
Fx=mVx/L
V^2=Vx^2+Vy^2+Vz^2
V^2=3Vx^2
Fx=mV^2/3L

Vprom=[V(1)+V(2)+V(3)+...V(N)]/N
V^2 prom= [V(1)^2+V(2)^2+V(3)^2+...+V(N)^2]/N

NOTA:
[[[[[V^2 prom!=(Vprom)^2]]]]]

F=m/3L*N*V^2prom
P=F/A=NmV^2prom/3L/6L^2=NmV^2prom/18V

PV=2/3 N*(mV^2prom/2)<--------esto es la energia cinetica molecular promedio

=> derivo la LEY DE BOYLE:
PV=cte

PV=1/3 N/Nav m Nav V^2prom

PV=n*M*V^2prom /3

RT= M V^2prom/3

A) PV/n=MV^2prom /3
tomamos dos gases, en dos recipientes, con PV ctes

MaVa^2prom/3=MbVb^2prom/3

=> Derivo la LEY DE GRAHAM

Va=Vb*sqrt(Mb/Ma)


NOTA:
la velocidad en la Ley de Graham es la Velocidad cuadrática media.
Vrcm=sqrt(V^2prom)

c)

9. a) Resumir en una tabla las siguientes propiedades del N2, O2, Ar y CO2: temperatura de ebullición (a 1 atm), temperatura de fusión (ca. 1 atm), reactividad quimica con metales y no metales (indicar temperatura), toxicidad, composición en la atmósfera (aproximada); b) ¿Cual es la composición porcentual (en volumen y en masa) del aire atmosférico? ¿Es la misma a cualquier altura? ¿Porque?; c) Explicar que es el efecto Joule y Thomson y como se aplica a la licuefacción de gases, en particular el aire.

T. De Ebullición T. De Fusión Reactividad con metales y no metales (indicar temperatura) Toxicidad Composición en la atmosfera N2 77.352 63.149 Baja NA 78,08% O2 90.18 54.36 Alta NA 20,95% Ar 87.29 83.78 Muy Baja NA 0,93% CO2 185.04 216.55 Baja NA 0,04%

b) ¿Cual es la composición porcentual (en volumen y en masa) del aire atmosférico? ¿Es la misma a cualquier altura? ¿Porque?

En la atmósfera terrestre se pueden distinguir dos regiones con distinta composición, la homosfera y la heterosfera.

Homosfera

La homosfera ocupa los 100 km inferiores y tiene una composición constante y uniforme.

Composición de la atmósfera terrestre (aire seco, porcentajes por volumen)¹

ppmv: partes por millón por volumen
Gas	Volumen
nitrógeno (N2)	780.840 ppmv (78,084 %)
oxígeno (O2)	209.460 ppmv (20,946 %)
argón (Ar)	9.340 ppmv (0,934 %)
dióxido de carbono (CO2)	400 ppmv (0,04 %)
neón (Ne)	18,18 ppmv (0,001818 %)
helio (He)	5,24 ppmv (0,000524 %)
metano (CH4)	1,79 ppmv (0,000179 %)
kriptón (Kr)	1,14 ppmv (0.000114 %)
hidrógeno (H2)	0,55 ppmv (0,000055 %)
óxido nitroso (N2O)	0,3 ppmv (0,00003 %)
xenón (Xe)	0,09 ppmv (9x10−6 %)
ozono (O3)	0,0-0,07 ppmv (0 % a 7x10−6 %)
dióxido de nitrógeno (NO2)	0,02 ppmv (2x10−6 %)
yodo (I)	0,01 ppmv (1x10−6 %)
monóxido de carbono (CO)	0,1 ppmv
amoniaco (NH3)	trazas
Excluido por ser aire en seco
agua (vapor) (H2O)	–0,40 % a nivel atmosférico, en superficie: 1 %-4 %

Heterosfera[editar]

La heterosfera se extiende desde los 80 km hasta el límite superior de la atmósfera (unos 10 000 km); está estratificada, es decir, formada por diversas capas con composición diferente.

• 80-400 km - capa de nitrógeno molecular
• 400-1100 km - capa de oxígeno atómico
• 1100-3500 km - capa de helio
• 3500-10 000 km - capa de hidrógeno

c) Explicar que es el efecto Joule y Thomson y como se aplica a la licuefacción de gases, en particular el aire.

Descripción

La relación entre temperatura, presión y volumen de un gas se puede describir de una forma sencilla gracias a las leyes de los gases. Cuando el volumen aumenta durante un proceso irreversible, las leyes de los gases no pueden determinar por sí solas qué ocurre con la temperatura y presión del gas. En general, cuando un gas se expande adiabáticamente, la temperatura puede aumentar o disminuir, dependiendo de la presión y temperatura inicial. Para una presión constante (fijada previamente), un gas tendrá una temperatura de inversión de Joule-Thomson (Kelvin), sobre la cual al expandirse el gas causa un aumento de temperatura, y por debajo, la expansión del gas causa un enfriamiento. En la mayoría de los gases, a presión atmosférica esta temperatura es bastante alta, mucho mayor que la temperatura ambiental, y por ello la mayoría de los gases se enfrían al expandirse. El incremento de temperatura (ΔT) con respecto al incremento de presión (Δp) en un proceso de Joule-Thomson es el coeficiente de Joule-Thomson.

${\displaystyle \mu \ ={\Delta T \over \Delta p}}$

Esta expresión se puede encontrar también escrita de la siguiente forma:

${\displaystyle \mu _{JT}=\left({\partial T \over \partial p}\right)_{H}}$

El valor de ${\displaystyle \mu _{JT}}$ depende del gas específico, tanto como la temperatura y la presión del gas antes de la expansión o compresión. Para gases reales esto será igual a cero en un mismo punto llamado punto de inversión y la temperatura de inversión Joule-Thomson es aquella donde el signo del coeficiente cambia.

10. Explicar mediante un diagrama de flujo simplificado la separación de nitrógeno y oxígeno del aire por: a) el el método de alta presión (diagrama de flujo DF01); b) Analice el diagrama de flujo DF02 (método de baja presión) y discuta las diferencias que encuentra con el método de alta presión (DF01).

EJEMPLO REAL

Método de Alta Presión de Linde

1) La materia prima del proceso es aire atmosférico, extraido de un punto alto para evitar altos contenidos de material particulado.

2) Filtro de Manga: 

Filtros de tela separan el material particulado presente en el aire.

3) Bomba de Triple Efecto: 

     1ª Etapa: Comprime el aire a entre 8 y 10 atmósferas.

4) Torre de absorción de CO2:

En esta torre se efectúa una eliminación química del CO2 presente en el aire.

Para ello se inyecta el aire bombeado y filtrado en la parte inferior de la torre, mientras se pulveriza agua con alta concentración de soda cáustica (NaOH) para generar la siguiente reacción dentro de la torre:

2NaOH + CO2 -> Na2CO3 + H2O

Se trata de un proceso de neutralización de la alcalinidad del NaOH con la acidez producida por el CO2 al diluirse en agua y formar acido carbónico.

(comentario para verificar: La torre generalmente está rellena de un material soluble inerte)

5) Bomba Elevadora:

Se bombea el agua con NaOH y el CO2 absorbido y se vuelve a utilizar para neutralizar más aire, ya que la cantidad de NaOH es ampliamente superior a la de CO2 absorbida y por consiguiente queda un importante remanente de NaOH sin utilizar en el primer uso. Se recicla hasta que se agota el NaOH.

6) La segunda etapa en la bomba de triple efecto comprime el gas ahora sin CO2 aún más, hasta 100 atmósferas.

7 y 8) Intercambiadores de Calor:

Como veremos luego, las torres de destilación producen gases de N2 y O2 puros, a temperaturas cercadas a las de fusión, es decir extremadamente frías.

Esto se aprovecha en el intercambiador de calor, donde el aire se pone en contacto térmico con los gases fríos de la torre, bajando así su temperatura sin necesidad de consumo extra de energía.

9 y 10) Separadores Gas-Liquido:

El aire enfriado condensa su humedad y los separadores recolectan el agua producida.

11) Torre de adsorción de hidrocarburos:

Se retienen en esta torre los hidrocarburos, principalmente el acetileno (C2H2)

12 y 13) Intercambiadores de calor:

Como muestra el gráfico, los intercambiadores se utilizan dos veces. Esta segunda etapa recibe los gases directo de la torre de destilación, es decir incluso más fríos que en la etapa vista antes. Aquí se logra que el aire procesado alcance temperaturas de -183ºC, y altas presiones.

14) Válvula de descompresión:

En esta etapa el aire, que se encontraba a 100 atm, pasa a 5 atm, y baja violentamente su temperatura, licuandose.

15) Torre de destilación:

Aquí comienza la separación. El N2 evapora más rápido, por lo que sube por la torre, mientras en la parte inferior comienza a concentrarse el O2.

17) Torres de rectificación:

El aire rico en oxígeno se manda a las torres rectificadoras que realizan una separación adicional, y se envía el O2 a la parte media de la columna superior.

En la parte alta de la primera y segunda columna hay N2.

En la parte baja de la columna 2 hay O2 casi puro.

El oxigeno y nitrógeno liquidos se usan para enfriar el aire de etapas anteriores 11 y 12, 7 y 8;

Luego se encuentran listos para su almacenamiento.

Almacenamiento de gases:

200 bar

Codigo de colores:

Verde N2

Azul O2

Blanco O2 medicinal

El nitrógeno líquido se utiliza para aplicaciones de superconductividad.

b)

Fraccionamiento del aire a baja presión según Linde - Frankel
queda pendiente.

11. a) ¿Como puede separarse argón del aire?, b) ¿Qué otros gases monoatómicos pueden obtenerse de la atmósfera?, c) ¿Cómo se obtiene el helio?

a)
El Argón representa practicamente un 1% del aire que se usa en una planta normal.
Observando la siguiente tabla:

CO2 ... -57ºC
H2O ... 0ºC
O2 ... -183ºC
Ar ... -186ºC
N2 ... -196ºC

Podemos ver porque el argón y el oxígeno permanecerán unidos en la torre de destilación. El oxígeno obtenido por este método contiene Argón que debe ser separado por algún método.

Para su separación el procedimiento es el mismo: Destilación fraccionada.
Se enfría el oxígeno impuro con argón hasta licuar. Luego en una torre de destilación se separa el argón en la parte superior y el oxígeno en la inferior.

b)
Gases nobles: Argón (Ar) 0,93 %; Kriptón (Kr) 0,000114 %; Neón (Ne) 0,00182 %; Helio (He) 0,000524 %.

El neón, argón, kriptón y xenón se obtienen del aire usando los métodos de licuefacción y destilación fraccionada. 

c)
Las principales fuentes para la obtención del helio son el gas natural, que contiene entre el 2 y el 5%, y el aire, donde la proporción es mucho menor. 

Cuando se parte del gas natural se enfría éste con aire líquido hasta que se condensan todos los componentes de la mezcla excepto el helio, que permanece en estado gaseoso y se separa. 

Si se parte del aire como materia prima, se licúa éste y posteriormente se procede a la destilación fraccionada del mismo. La fracción que separa el helio va acompañada de neón y es necesario separar ambos gases haciendo pasar la mezcla por carbón activo a -190ºC aprovechando la diferencia de adsorción de ambos.

El gas Helio es demasiado liviano para encontrarse naturalmente en la atmósfera. Se encuentra en cámaras naturales dentro de la corteza terreste, por la degradación de elementos de nucleo pesado que emite partículas ALFA, que no son más que nucleos de helio son sus correspondientes electrones.

12. ¿Cuales son las aplicaciones industriales más importantes de: N2, O2, Ar?

El N2 se usa como gas inerte para la industria alimenticia, para fabricar amoníaco que tiene aplicaciones muy importantes en multiples industrias como los fertilizantes, explosivos, y en general en la industria química.
El nitrógeno es el agente criogénico clave en la refrigeración, enfriamiento y congelación de alimentos. Debido a sus temperaturas extremadamente frías, el congelamiento por inmersión en nitrógeno líquido es el método de congelación más rápido conocido para la producción de alimentos congelados individualmente (IQF).

La aplicación comercial más importante del nitrógeno diatómico es la obtención de amoníaco por el proceso de Haber. El amoníaco se emplea con posterioridad en la fabricación de fertilizantes y ácido nítrico.

Las sales del ácido nítrico incluyen importantes compuestos como el nitrato de potasio (nitro o salitre empleado en la fabricación de pólvora) y el nitrato de amonio fertilizante.

Los compuestos orgánicos de nitrógeno como la nitroglicerina y el trinitrotolueno son a menudo explosivos. La hidracina y sus derivados se usan como combustible en cohetes.

El ciclo de este elemento es bastante más complejo que el del carbono, dado que está presente en la atmósfera no solo como N₂ (78 %) sino también en una gran diversidad de compuestos. Se puede encontrar principalmente como N₂O, NO y NO₂, los llamados NO_x. También forma otras combinaciones con oxígeno tales como N₂O₃ y N₂O₅ (anhídridos), "precursores" de los ácidos nitroso y nítrico. Con hidrógeno forma amoníaco (NH₃), compuesto gaseoso en condiciones normales.

Al ser un gas poco reactivo, el nitrógeno se emplea industrialmente para crear atmósferas protectoras y como gas criogénico para obtener temperaturas del orden de 78K de forma sencilla y económica. Inclusive se utiliza para inflar los trenes de aterrizaje de los aviones, evitando condensación de agua a grandes alturas o su combustión al aterrizar.²​

El oxígeno es usado para soldar, tiene aplicaciones múltiples en la industria médica, etc.

El 55 % de la producción mundial de oxígeno se consume en la producción de acero Otro 25 % se dedica a la industria química. Del 20 % restante la mayor parte se usa para aplicaciones medicinales, oxicorte, como oxidante en combustible de cohetes y en tratamiento de aguas.⁴⁰​

más info

El argón es usado para rellenar las bombillas de luz.

Se emplea como gas de relleno en lámparas incandescentes ya que no reacciona con el material del filamento incluso a alta temperatura y presión, prolongando de este modo la vida útil de la bombilla, y en sustitución del neón en lámparas fluorescentes cuando se desea un color verde-azul en vez del rojo del neón. También como sustituto del nitrógeno molecular (N₂) cuando éste no se comporta como gas inerte por las condiciones de operación.

En el ámbito industrial y científico se emplea universalmente de la recreación de atmósferas inertes (no reaccionantes) para evitar reacciones químicas indeseadas en multitud de operaciones:

• Soldadura por arco y soldadura a gas.
• Fabricación de titanio y otros elementos reactivos.
• Fabricación de monocristales —piezas cilíndricas formadas por una estructura cristalina continua— de silicio y germanio para componentes semiconductores.

El argón-39 se usa, entre otras aplicaciones, para la datación de núcleos de hielo, y aguas subterráneas (véase el apartado Isótopos).

En el buceo técnico, se emplea el argón para el inflado de trajes secos —los que impiden el contacto de la piel con el agua a diferencia de los húmedos típicos de neopreno— tanto por ser inerte como por su pequeña conductividad térmica lo que proporciona el aislamiento térmico necesario para realizar largas inmersiones a cierta profundidad.

El láser de argón tiene usos médicos en odontología y oftalmología; la primera intervención con láser de argón, realizada por Francis L'Esperance, para tratar una retinopatía se realizó en febrero de 1968.