LOS GASES Y SUS LEYES

Introducción

Los seres humanos vivimos rodeados de una mezcla gaseosa conocida como la atmósfera. La atmósfera contiene un 21% de oxígeno (O2, 78% de nitrógeno (N2 y el resto de gases por argón (Ar), dióxido de carbono (CO2) y vapor de agua (H2O).El oxígeno es esencial para la vida de las plantas y de los animales. El ozono se forma en la atmósfera superior al reaccionar oxígeno con la luz ultravioleta. El ozono nos protege de los efectos dañinos de la luz ultravioleta en el DNA de la piel. El dióxido de carbono es un producto de la combustión y del metabolismo, es usado por las plantas en el proceso de fotosíntesis, un proceso que produce oxígeno el cual es esencial para la vida de las plantas y de los animales. El conocimiento de los gases y de las leyes que gobiernan al comportamiento de los gases nos puede ayudar a entender la naturaleza de la materia y nos permitirá hacer las decisiones concernientes a los temas importantes del ambiente y de la salud. 

Objetivos

Al finalizar la unidad de Gases el estudiante:

·         describirá la teoría cinética molecular.

·         describirá las unidades de medida de la presión.

·         convertirá de una unidad de presión a otra.

·         usará la relación de presión-volumen para determinar la presión o el volumen de una cierta cantidad   de gas a temperatura constante.

·         usará la relación de temperatura-volumen para determinar la temperatura o el volumen de una cierta   cantidad de gas a presión constante.

·         usará la relación de presión-temperatura para determinar la presión o la temperatura de una cierta       cantidad de gas a volumen constante.

·         usará la ley combinada de los gases para calcular la presión, el volumen o la temperatura de un gas   se dan los cambios en dos de dichas propiedades.

Gases

Se denomina gas al estado de agregación de la materia en el cual, bajo ciertas condiciones de temperatura y presión, sus moléculas interaccionan solo débilmente entre sí, sin formar enlaces moleculares, adoptando la forma y el volumen del recipiente que las contiene y tendiendo a separarse, esto es, expandirse, todo lo posible por su alta concentración de energía cinética. Los gases son fluidos altamente compresibles, que experimentan grandes cambios de densidad con la presión y la temperatura. Las moléculas que constituyen un gas casi no son atraídas unas por otras, por lo que se mueven en el vacío a gran velocidad y muy separadas unas de otras, explicando así las propiedades:

·         No tienen forma propia: No tienen forma propia, pues se adaptan al recipiente que los contiene.

·         Se dilatan y contraen como los sólidos y líquidos.

·        Fluidez: Es la propiedad que tiene un gas para ocupar todo el espacio debido a que, prácticamente, no posee fuerzas de unión entre las moléculas que lo conforman.

·        Difusión: Es el proceso por el cual un gas se mezcla con otro debido únicamente al movimiento de sus moléculas.

·     Compresión: La compresión es la disminución del volumen de un gas porque sus moléculas se acercan entre sí, debido a la presión aplicada.

·         Resistencia: Es la propiedad de los gases de oponerse al movimiento de los cuerpos por el aire. Esto se debe a una fuerza llamada fuerza roce. A mayor tamaño y velocidad del cuerpo mayor es la resistencia.

    Volumen: El volumen corresponde a la medida del espacio que ocupa un cuerpo. La unidad de medida para medir volumen es el metro cubico (m3), sin embargo generalmente se utiliza el Litro (L).

El metro cubico corresponde a medir las dimensiones de un cubo que mide 1m de largo, 1m de ancho y 1m de alto.

Temperatura: La temperatura indica el grado de movimiento de las partículas de un cuerpo (Energía Cinética de las partículas). La unidad de medida establecida por el Sistema Internacional (SI) es el Kelvin (K). Sin embargo, se utiliza generalmente los grados Celsius (°C). El instrumento que se utiliza para medir la temperatura es el termómetro. 

 

Presión: La presión (símbolo p) es una magnitud física que mide la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza resultante sobre una línea. 

     

   Teoría cinética de los gases

La teoría cinética de los gases explica las características y propiedades de la materia en general, y establece que el calor y el movimiento están relacionados, que las partículas de toda materia están en movimiento hasta cierto punto y que el calor es una señal de este movimiento.

La teoría cinética de los gases considera que los gases están compuestos por las moléculas, partículas discretas, individuales y separadas. La distancia que existe entre estas partículas es muy grande comparada con su propio tamaño, y el volumen total ocupado por tales corpúsculos es sólo una fracción pequeña del volumen ocupado por todo el gas. por tanto, al considerar el volumen de un gas debe tenerse en cuenta en primer lugar un espacio vacío en ese volumen.

    Ley de boyle

Relación entre la presión y el volumen de un gas cuando la temperatura es constante

Fue descubierta por Robert Boyle en 1662. Edme Mariotte también llegó a la misma conclusión que Boyle, pero no publicó sus trabajos hasta 1676. Esta es la razón por la que en muchos libros encontramos esta ley con el nombre de Ley de Boyle y Mariotte.

La ley de Boyle establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante.

El volumen es inversamente proporcional a la presión:

·         Si la presión aumenta, el volumen disminuye.

·         Si la presión disminuye, el volumen aumenta.

     ¿Por qué ocurre esto?

Al aumentar el volumen, las partículas (átomos o moléculas) del gas tardan más en llegar a las paredes del recipiente y por lo tanto chocan menos veces por unidad de tiempo contra ellas. Esto significa que la presión será menor ya que ésta representa la frecuencia de choques del gas contra las paredes.

Cuando disminuye el volumen la distancia que tienen que recorrer las partículas es menor y por tanto se producen más choques en cada unidad de tiempo: aumenta la presión.

Lo que Boyle descubrió es que si la cantidad de gas y la temperatura permanecen constantes, el producto de la presión por el volumen siempre tiene el mismo valor.

Como hemos visto, la expresión matemática de esta ley es:

P⋅V=k

(El producto de la presión por el volumen es constante)

Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V1 que se encuentra a una presión P1 al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V2, entonces la presión cambiará a P2, y se cumplirá:

P1⋅V1=P2⋅V2

Que es otra manera de expresar la ley de Boyle.

Ley de charles

Relación entre la temperatura y el volumen de un gas cuando la presión es constante

En 1787, Jack Charles estudió por primera vez la relación entre el volumen y la temperatura de una muestra de gas a presión constante y observó que cuando se aumentaba la temperatura el volumen del gas también aumentaba y que al enfriar el volumen disminuía.

El volumen es directamente proporcional a la temperatura del gas:

·         Si la temperatura aumenta, el volumen del gas aumenta.

·         Si la temperatura del gas disminuye, el volumen disminuye.

¿Por qué ocurre esto?

Cuando aumentamos la temperatura del gas las moléculas se mueven con más rapidez y tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente. Esto quiere decir que el número de choques por unidad de tiempo será mayor. Es decir se producirá un aumento (por un instante) de la presión en el interior del recipiente y aumentará el volumen (el émbolo se desplazará hacia arriba hasta que la presión se iguale con la exterior).

Lo que Charles descubrió es que si la cantidad de gas y la presión permanecen constantes, el cociente entre el volumen y la temperatura siempre tiene el mismo valor.

Matemáticamente podemos expresarlo así:

V/T=k

(El cociente entre el volumen y la temperatura es constante)

Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V1 que se encuentra a una temperatura T1 al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V2, entonces la temperatura cambiará a T2, y se cumplirá:

V1/T1=V2/T2

Que es otra manera de expresar la ley de Charles.

Esta ley se descubre casi ciento cuarenta años después de la de Boyle debido a que cuando Charles la enunció se encontró con el inconveniente de tener que relacionar el volumen con la temperatura Celsius ya que aún no existía la escala absoluta de temperatura.

Ley combinada de los gases

La ley general de los gases o ley combinada dice que una masa de un gas ocupa un volumen que está determinado por la presión y la temperatura de dicho gas. Estudia el comportamiento de una determinada masa de gas si ninguna de esas magnitudes permanece constante.

Esta ley se emplea para todos aquellos gases ideales en los que el volumen, la presión y la temperatura no son constantes. Además la masa no varía. La fórmula de dicha ley se expresa:

(V1 * P1) / T1 = (V2 * P2) / T2

Es decir, el volumen de la situación inicial por la presión original sobre la temperatura es igual a él volumen final por la nueva presión aplicada sobre la temperatura modificada.

La presión es una fuerza que se ejerce por la superficie del objeto y que mientras más pequeña sea ésta, mayor presión habrá.

A partir de la ley combinada podemos calcular la forma como cambia el volumen o presión o temperatura si se conocen las condiciones iniciales (Pi,Vi,Ti) y se conocen dos de las condiciones finales (es decir, dos de las tres cantidades Pt, Vt, Tf).

Ecuación de estado o ley de los gases ideales

La ley de boyle, la ley de charles y el principio de Avogadro son afirmaciones de proporcionalidad que describen los gases ideales y se combinan adecuadamente estas proporciones, se obtiene una expresión que relaciona volumen, temperatura,  presión y numero de moles (n).

A esta introducimos una constante de proporcionalidad (R) y obtenemos la igualdad:

PV=nRT

El valor de R se determina a partir de valores o condiciones estándar o normales donde el volumen es igual a 22,4L; la presión 1atm; la temperatura 273 °K y numero de moles 1mol.

A partir de la ecuación de estado podemos dar solución a otros problemas relativos a masa molecular o densidad para los gases a unas condiciones dadas. Para ello se calculó el número de moles en una muestra de gas dividiendo la masa de la muestra (m) por la masa molecular (M) del gas así:

n=m/M

Remplazando este valor n en la ecuación de estado de los gases y ordenando la igualdad quedad:

n=m/M 

Pm=m/V * RT

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PM=dRT