[Fracciones de masa, volumen y molar]
El estudio de los gases constituye uno de los pilares fundamentales de la química física, pues permite comprender cómo la materia se comporta bajo condiciones de baja densidad y alta movilidad molecular. En este capítulo abordaremos problemas clásicos relacionados con fracción de masa, fracción molar, fracción de volumen, presión parcial, presión total y ley de Dalton, integrando ejercicios provenientes de diversas fuentes académicas. A través de mezclas sencillas de CO₂, O₂, N₂, H₂, He y Ne exploraremos cómo transformar masas en moles, cómo interpretar densidades a presión constante y cómo aplicar proporciones molares en atmósferas sintéticas. Por otra parte, los ejercicios avanzados permiten practicar el uso de porcentajes en volumen, ppm, gases recogidos sobre agua, y la relación entre la evaporación de líquidos volátiles y la presión resultante del sistema. El objetivo es consolidar la intuición y la habilidad matemática necesarias para resolver con soltura cualquier problema de química de gases.
Química de García
1. Se mezclan 4.50 g de CO₂ con 7.20 g de O₂ en un
contenedor cerrado. Asumiendo que no ocurre ninguna reacción química, determine
el porcentaje de masa y la fracción molar de cada gas en la mezcla. Use las masas
molares CO₂ = 44.01 g·mol⁻¹ y O₂ = 32.00 g·mol⁻¹.
2. En un matraz de laboratorio se combinan 5.80 g de
N₂ con 3.10 g de H₂, sin variación de temperatura ni reacción entre ellos.
Calcule la fracción de masa y la fracción molar de cada gas en la mezcla.
Considere masas molares N₂ = 28.02 g·mol⁻¹ y H₂ = 2.016 g·mol⁻¹.
3. En un recipiente se mezclan 6.00 g de CO₂ y 4.00 g
de He. A la presión y temperatura del experimento, las densidades de los gases
puros son: CO₂ = 1.84 g·L⁻¹ y He =
0.166 g·L⁻¹.
Suponiendo comportamiento ideal y ausencia de reacción,
determine la fracción de masa, la fracción de volumen y la fracción molar de cada
gas. Use masas molares CO₂ = 44.01 g·mol⁻¹ y He = 4.003 g·mol⁻¹.
Química de Brown
Muestra 10.11
Un estudio sobre los efectos de ciertos gases en el crecimiento de las plantas
requiere una atmósfera sintética compuesta por 1.5 % mol de CO₂, 18.0 % mol de
O₂ y 80.5 % mol de Ar. (a) Calcula la presión parcial del O₂ en la mezcla si la presión total de la
atmósfera debe ser 99.33 kPa. (b) Si esta atmósfera debe mantenerse en un recipiente de 121 L a 295 K,
¿cuántos moles de O₂ se necesitan?
Práctica 10.11
Un recipiente de 4.0 L que contiene N₂ a CNPT y otro de 2.0 L que contiene H₂
también a CNPT se conectan mediante una válvula. Si la válvula se abre y se
permite que los dos gases se mezclen, ¿cuál es la fracción molar de hidrógeno
en la mezcla? (a) 0.034 (b) 0.33 (c) 0.50 (d) 0.67 (e) 0.96
10.27 La concentración atmosférica de CO₂ es actualmente de 407 ppm (partes por
millón en volumen; es decir, 407 L de cada 10⁶ L de atmósfera son CO₂). ¿Cuál
es la fracción molar del CO₂ en la atmósfera?
10.28 Una muestra de 5.00 mL de dietiléter (C₂H₅OC₂H₅, densidad = 0.7134 g/mL) se
introduce en un recipiente de 6.00 L que ya contiene una mezcla de N₂ y O₂, con
presiones parciales P(N₂) = 21.08 kPa y P(O₂) = 76.1 kPa. La temperatura se
mantiene a 35.0 °C y el dietiléter se evapora por completo. (a) Calcula la presión parcial del dietiléter. (b) Calcula la presión total en el recipiente.
10.29 Un recipiente rígido contiene una mezcla con una proporción molar 3:1 de dióxido de carbono y vapor de agua a 200 °C, con una presión total de 202.7 kPa. Si el recipiente se enfría a 10 °C de modo que todo el vapor de agua condensa, ¿cuál es la presión del CO₂? Desprecia el volumen del agua líquida formada. [brown.15ed.10.29]
10.30 (a) ¿Cuáles son las fracciones molares de cada componente en una mezcla formada
por 15.08 g de O₂, 8.17 g de N₂ y 2.64 g de H₂? (b) ¿Cuál es la presión parcial en atm de cada componente si la mezcla se
mantiene en un recipiente de 15.50 L a 15 °C?
10.85 Una mezcla que contiene 0.50 mol de H₂(g), 1.00 mol de O₂(g) y 3.50 mol de N₂(g) se confina en un recipiente de 25.0 L a 25 °C. (a) Calcula la presión total de la mezcla. (b) Calcula la presión parcial de cada gas. [brown.15ed.10.85]
10.86 Un televisor de pantalla de plasma contiene miles de pequeñas celdas llenas con
una mezcla de gases Xe, Ne y He, que emiten luz de longitudes de onda
específicas al aplicar un voltaje. Una celda particular de 0.900 mm × 0.300 mm
× 10.0 mm contiene 4 % de Xe en una mezcla 1:1 de Ne:He a una presión total de
66.66 kPa. Calcula el número de átomos de Xe, Ne y He en la celda e indica las
suposiciones necesarias para tu cálculo.
10.87 Un trozo de hielo seco (CO₂ sólido) con una masa de 20.0 g se coloca en un
recipiente de 25.0 L que ya contiene aire a 50.66 kPa y 25 °C. Una vez que el
CO₂ se ha sublimado por completo, ¿cuál es la presión parcial del CO₂
resultante y la presión total en el recipiente a 25 °C?
Química de Chang
Ejemplo 5.14. Una mezcla de gases contiene 4.46 moles de neón (Ne), 0.74 mol de argón (Ar) y
2.15 moles de xenón (Xe). Calcula las presiones parciales de los gases si la
presión total es de 2.00 atm a cierta temperatura.
Práctica 5.14. Una muestra de gas natural contiene 8.24 moles de metano (CH₄), 0.421 mol de
etano (C₂H₆) y 0.116 mol de propano (C₃H₈). Si la presión total de los gases es
1.37 atm, ¿cuáles son las presiones parciales de cada gas?
5.63 Una mezcla de gases contiene 0.31 mol de
CH₄, 0.25 mol de C₂H₆ y 0.29 mol de C₃H₈. La presión total es 1.50 atm. Calcula
las presiones parciales de los gases.
5.64 Un matraz de 2.5 L a 15 °C contiene una
mezcla de N₂, He y Ne con las siguientes presiones parciales: N₂: 0.32 atm, He:
0.15 atm, Ne: 0.42 atm.
(a) Calcula la presión total de la mezcla.
(b) Calcula el volumen a CNPT ocupado por He y Ne si el N₂ se elimina
selectivamente.
5.65 El aire seco a nivel del mar tiene la
siguiente composición en volumen: N₂: 78.08 %, O₂: 20.94 %, Ar: 0.93 %, CO₂:
0.05 %. La presión atmosférica es 1.00 atm.
Calcula:
(a) la presión parcial de cada gas en atm
(b) la concentración de cada gas en moles por litro a 0 °C
Sugerencia: como el volumen es proporcional al número de moles, las fracciones
molares pueden expresarse como razones de volúmenes a la misma temperatura y
presión.
5.66 Una mezcla de helio y neón se recoge sobre
agua a 28.0 °C y 745 mmHg. Si la presión parcial del helio es 368 mmHg, ¿cuál
es la presión parcial del neón? La presión de vapor del agua a 28 °C es 28.3
mmHg.
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