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Universidad Nacional Abierta y a Distancia – UNAD - Vicerrectoría Académica y de Investigación - VIACI

Escuela: Ciencias Agrícolas, pecuarias y del Medio Ambiente Curso: Fisicoquímica Ambiental

Programa: Ingeniería Ambiental Código: 358115

FISICOQUIMICA AMBIENTAL

TRABAJO COLABORATIVO PARTE A

PRESENTADO POR: CLAUDIA PATRICIA DORIA 1.013.655.299 LEANDRO VENEGAS CODIGO 93.237.598 PEDRO NEL PATIÑO CARLOS LEGUIZAMO CODIGO 14.297.660 EVIN ALBERTO ENAMORADO 9.143.287

GRUPO: 358115A_291

PRESENTADO A: DIANA SHIRLEY MURILLO Tutora

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA - UNAD ESCUELA DE CIENCIAS AGRÍCOLAS, PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE INGENIERÍA AMBIENTAL CEAD IBAGUE OCTUBRE DEL 2016

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Programa: Ingeniería Ambiental Código: 358115

ANEXO 1 Cuestionario 1 Para desarrollar este cuestionario debe indicar las leyes o procesos empleados, analizar y justificar las respuestas obtenidas en función de cada enunciado. Las justificaciones generadas no deben superar 5 renglones. 1. La digestión anaerobia de un lodo residual produce un gas con la siguiente composición: 64% de CH4, 30% de CO2 y 6% de H2S. Si se almacenan 3.700 kg de la mezcla en un tanque a una presión de 290 kPa (P T). Calcule la presión parcial de cada componente. Se debe hallar la proporción de masa por cada componente: 

Masa de 𝐶𝐻4 = 3700 ∗ 0.64 = 2368𝐾𝑔



Masa de 𝐶𝑂2 = 3700 ∗ 0.30 = 1110𝐾𝑔



Masa de 𝐻2 = 3700 ∗ 0.06 = 222𝐾𝑔 Realizamos regla de 3 simple: 𝐶𝐻4 = 3700𝐾𝑔 ⇆ 290𝐾𝑝𝐴 2368𝐾𝑔 ? Kpa 2368𝐾𝑔 𝐶𝐻4 = 2368 ∗

290 = 185.6𝐾𝑝𝑎 3700

𝐶𝑂2 = 3700𝐾𝑔 ⇆ 290𝐾𝑝𝑎 1110𝐾𝑔 ? Kpa 𝐶𝑂2 = 1110 ∗

290 = 87𝐾𝑝𝑎 3700

𝐶𝑂2 = 3700𝐾𝑔 ⇆ 290 𝐾𝑝𝑎 222𝐾𝑔 ? Kpa

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Escuela: Ciencias Agrícolas, pecuarias y del Medio Ambiente Curso: Fisicoquímica Ambiental 𝐶𝑂2 = 222 ∗

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290 = 17.4 𝐾𝑝𝑎 3700

Presión parcial= P1+P2+P3…Pn. Presión parcial= 185,6+87+17.4 Presión parcial= 290 kPa 290 kPa = 290 kPa Ley de Dalton de las presiones parciales: Es la suma de todas estas presiones, de una mezcla en equilibrio es igual a la suma de las presiones parciales de los gases presentes. 2. Una planta de tratamiento de aguas emplea cierto cultivo de bacterias para su tratamiento a 980 mmHg, obteniendo 70 ml de gas metano el cual es quemado. Si se ha identificado una caída de presión en el sistema a 350 mmHg. Calcular el volumen en litros de gas metano que se espera obtener. Solución Aplicamos la siguiente ecuación de la ley de Boyle 𝑃1 ∗ 𝑉1 = 𝑃2 ∗ 𝑉2 𝑃1 = 980 𝑚𝑚𝐻𝑔 𝑃2 = 350 𝑚𝑚𝐻𝑔 𝑉1 = 70 𝑚𝑙 = 0,07 𝐿 𝑉2 = ? Despejamos V2 que es el volumen que necesitamos hallar 𝑉2 = 𝑃1 ∗

𝑉1 𝑃2

0,07𝐿 = 0,196𝐿 350𝑚𝑚𝐻𝑔 3. La temperatura y presión en un lago es de 6°C y 8 atm. Una burbuja 0,015mm de diámetro asciende desde el fondo del lago a la superficie donde la temperatura es de 20°C y 1 atm de presión. Calcule el volumen de inicial de burbuja en ml. Solución 𝑇1 = 6°𝐶 + 273 = 279𝐾 𝑃1 = 8 𝑎𝑡𝑚 𝑇2 = 20°𝐶 + 273 = 293𝐾 𝑃2 = 1 𝑎𝑡𝑚 𝑑 = 0,015𝑚𝑚 𝑉1 = ? 𝑉2 = 𝑒𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑢𝑟𝑏𝑢𝑗𝑎 𝑉2 = 980𝑚𝑚𝐻𝑔 ∗

Hallamos el volumen 2 mediante la siguiente ecuación 4 𝑉 = 𝜋 ∗ 𝑟3 3 𝑑 = 0,015𝑚𝑚

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𝑑 2

→

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0,015𝑚𝑚 = 0,0075𝑚𝑚 2

Aplicamos la ecuación 4 𝑉 = 𝜋 ∗ (0,0075)3 3

4 𝑉 = 𝜋 ∗ 0.000000421875 𝑚𝑚3 3 𝑉 = 0.00000176715 𝑚𝑚3 Pasamos a mililitro 1𝑚𝑚3 = 0,001𝑚𝑙 0,001𝑚𝑙 0.00000176715 𝑚𝑚3 ∗ = 1,76715𝑥109 𝑚𝑙 1𝑚𝑚3 𝑉2 = 1,76715 𝑥109 𝑚𝑙 Hallamos el volumen 1 mediante la fórmula general de los gases ideales relacionando la presión, volumen y temperatura. 𝑃1 𝑉1 𝑃2 𝑉2 = 𝑇1 𝑇2 𝑃2 ∗ 𝑉2 ∗ 𝑇1 𝑇2 ∗ 𝑃1 1 𝑎𝑡𝑚 ∗ 1,76715𝑥109 𝑚𝑙 ∗ 279𝐾 𝑉1 = = 𝑚𝑙 293𝐾 ∗ 8 𝑎𝑡𝑚 𝑉1 =

𝑉1 = 2,1033𝑥10−10 𝑚𝑙 4. La contaminación del aire se debe principalmente al smog, que es un tipo de polución atmosférica con concentraciones de óxido de sulfuro y óxido de nitrógeno, hidrocarburos, partículas de plomo, manganeso, cobre, níquel, zinc y carbón. El smog fotoquímico se genera por la interacción con óxidos de nitrógeno siguiendo la reacción: 𝑁𝑂(𝑔) + 𝑂3(𝑔) ↔ 𝑁𝑂2 (𝑔) + 𝑂2 (𝑔) Considerando que se ha comprobado la reacción es de primer orden con respecto a los dos reactivos (monóxido de nitrógeno y ozono), cuya constante de velocidad es 2,3 x 107 mol L-1. Determine la concentración de NO2 formada por segundo, en un aire contaminado donde la concentración de O3 es 1,0 x 10-8 mol L-1, y la de NO es 3,1 x 10-8 mol L-1. 𝐾 = 2.3 ∗ 107 𝐿⁄𝑚𝑜𝑙 Formula de velocidad de reacción

Remplazamos

𝑉 = 𝐾[𝑁𝑂2 ][𝑂2 ] 𝑉𝑁𝑂2 = 2.3 ∗ 107 𝐿⁄𝑚𝑜𝑙 ∗ 3.1 ∗ 10−8 𝑚𝑜𝑙⁄𝐿−1 ∗ 1.0 ∗ 10−8 𝑚𝑜𝑙⁄𝐿−1 𝑉𝑁𝑂2 = 7.13 ∗ 10−9 𝐿⁄𝑚𝑜𝑙

5. Los combustibles fósiles contienen mezclas de diferentes químicos incluyendo pequeñas cantidades de azufre, las cuales al reaccionar con el oxígeno forman dióxido de azufre, que es un contaminante del aire. La fuente principal de dióxido de azufre son las plantas de energía eléctrica que quema carbón, es por esto que se han visto en la necesidad de emplear diferentes técnicas para reducir estas emisiones. Una de las

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alternativas empleadas en la oxidación del dióxido de azufre para producir trióxido de azufre y posteriormente transformarlo a ácido sulfúrico. La reacción para la obtención de trióxido de azufre es: 2𝑆𝑂2 + 𝑂2

(𝑔)

↔ 2𝑆𝑂4

(𝑔)

Si esta reacción se lleva a cabo en un recipiente de 1,5 litros y alcanza el estado de equilibrio cuando el recipiente contiene: 1,4 moles de SO2(g), 0,2 moles de O2 y 2,2 moles de SO3. Calcular la constante de equilibrio. 𝑉 = 1.5𝐿 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑆𝑂2 = 1.4 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑂2 = 0.2 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑆𝑂3 = 2.2 Hallamos la molaridad para cada compuesto de la reacción química. 1.4 𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑂2 = = 0.93 𝑚𝑜𝑙⁄𝐿 1.5 𝐿 0.2 𝑚𝑜𝑙 𝑂2 = = 0.13 𝑚𝑜𝑙⁄𝐿 1.5 𝐿 2.2 𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑂3 = = 1.46 𝑚𝑜𝑙⁄𝐿 1.5 𝐿 Formula constante 𝐶 𝑐 ∗ 𝐷𝑑 𝐾𝑐 = 𝑎 𝐴 ∗ 𝐵𝑏 [𝑆𝑂3 ]2 𝐾𝑐 = [𝑆𝑂2 ]2 ∗ [𝑂2 ]2 2 [1.46 𝑚𝑜𝑙⁄𝐿] 𝐾𝑐 = 2 2 [0.93 𝑚𝑜𝑙⁄𝐿] ∗ [0.13 𝑚𝑜𝑙⁄𝐿] 𝐾𝑐 =

[2.1316 𝑚𝑜𝑙⁄𝐿] 2

2

2

[0.8649 𝑚𝑜𝑙⁄𝐿] ∗ [0.0169 𝑚𝑜𝑙⁄𝐿] 𝐾𝑐 = 145.83 𝑚𝑜𝑙⁄𝐿

6. Se recomienda que el aire de una llanta de automóvil sea de 30psig. Si una llanta con un volumen de 0,71 ft3 se encuentra a 80°F y 25 psig. Determine la cantidad de aire que debe agregarse para alcanzar el recomendado. Suponga que la temperatura y el volumen son constantes y que la presión atmosférica es de 22,6 psi. P1 = 25+22.6 = 47.6psig P2 = 30+22.6 = 52.6psig Se convierten To a Rankine °R °R = °F+459.67 °R = 80+459.67 °R = 539.67 La constante R es el aire 10.73 ∗ 𝑓𝑡³ 𝑅= 𝐿𝑏 ∗ 0 𝑅 Aplicamos la ley general de los gases ideales Pv= mRT

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Encontramos la masa m1 𝑚1 =

𝑚1 =

𝑃1 ∗ 𝑣 𝑅 ∗ 0𝑅

47.6𝑝𝑠𝑖 ∗ 0.71 𝑓𝑡³ 10.73 𝑝𝑠𝑖 ∗ 𝑓𝑡³ ∗ 539,67 0 𝑅 𝐿𝑏 ∗ 0 𝑅 𝑚1 = 0,005835752 𝐿𝑏

Ahora calculamos la m2 𝑃2 ∗ 𝑣 𝑅 ∗ 0𝑅 52.6𝑝𝑠𝑖 ∗ 0.71 𝑓𝑡³ 𝑚2 = 10.73 𝑝𝑠𝑖 ∗ 𝑓𝑡³ ∗ 539,67 0 𝑅 𝐿𝑏 ∗ 0 𝑅 𝑚2 =

𝑚2 = 0,006448751 𝐿𝑏 𝑚2 − 𝑚1 = 0,000612999 𝐿𝑏 R/ La cantidad de aire que se le deben agregar para alcanzar el recomendado es 0,000612999 𝐿𝑏 7. La capacidad calorífica molar a presión constante Cp,m del gas metano, CH4, es 35,31 J/mol K a temperaturas cercanas a los 298 K. Calcule el cambio de la entalpía cuando 2,6 kg de metano es calentado de 300 K a 380K. Solución 𝑐𝑝 = 35,31J/mol ∗ K 𝑚 = 2,6 𝑘𝑔 → 2600𝑔 ∆𝐻 = ? 𝑇1 = 300𝐾 𝑇2 = 380𝐾 La masa es igual a 𝑚=

2600𝑔 = 162,5 𝑚𝑜𝑙 16 𝑔/𝑚𝑜𝑙

Se calcula entalpia aplicando la formula ∆𝐻 = 𝑚 ∗ 𝑐𝑝 ∗ ∆𝑇 ∆𝐻 = 162,5𝑚𝑜𝑙 ∗

35,31J ∗ 𝐾(380𝐾 − 300𝐾) = 459030𝐽 mol ∆𝐻 = 459030𝐽

8. De acuerdo con la segunda ley termodinámica, cuál es el cambio en la entropía cuando 9kJ de energía es transferida desde un sistema a sus alrededores como calor en un proceso exotérmico a 21°C? Solución

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Escuela: Ciencias Agrícolas, pecuarias y del Medio Ambiente Curso: Fisicoquímica Ambiental 𝑑𝑠 =

𝑑𝑄 𝑇

Se tiene 𝑑𝑄 = 9𝐾𝐽 𝑇 = 21°𝐶 + 273,15 =

294,15𝐾

Aplicamos la formula 𝑑𝑄 𝑑𝑠 = 𝑇 9𝑘𝐽 𝑑𝑠 = = −0,031𝑘𝐽/𝐾 294,15𝐾 𝑑𝑠 = 0,031𝑘𝐽/𝐾

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REFERENCIA BIBLIOGRAFICAS

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