Bajo condiciones adecuadas la mayor parte de las sustancias pueden existir como gases, líquidos y sólidos. En muchas de las reacciones químicas intervienen




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GUIA DE TRABAJO



INTRODUCCIÓN

Bajo condiciones adecuadas la mayor parte de las sustancias pueden existir como gases, líquidos y sólidos. En muchas de las reacciones químicas intervienen sustancias en estado gaseoso, tanto entre los reactivos como entre los productos. Esto es importante, por lo que las leyes físicas relacionadas con el estado gaseoso deben conocerse antes de tratar con problemas en los que intervengan cambios químicos de sustancias que se presenten en el estado gaseoso.

Los gases son el estado más simple de la materia y, por tanto, las relaciones entre las propiedades microscópicas (átomos y moléculas) y macroscópicas de una masa gaseosa son relativamente fáciles de identificar.

Todos los gases se comportan de manera similar, de modo que el mismo conjunto de ecuaciones puede ser usado para predecir su comportamiento.

El volumen de una masa de gas depende de la temperatura y la presión a las cuales se encuentra. Por lo tanto se puede describir el comportamiento físico de los gases en función de tres variables: temperatura, T; presión, P; y volumen, V. Para un volumen dado bajo condiciones de temperatura y presión determinado, un cambio de una o más de las tres variables traerá como consecuencia un cambio de las restantes de acuerdo con leyes perfectamente establecidas llamadas Leyes de los Gases.

A lo largo de esta guía se utilizaran los gases y sus propiedades en una gran variedad de reacciones químicas y para la resolución de ejercicios que involucre una masa gaseosa o mezcla de gases se necesita estar familiarizados con el sistema internacional (SI) de unidades y con el manejo de las relaciones estequiométricas.

GASES:

Se denomina gas, al estado de agregación de la materia que no tiene forma ni volumen propio. Su principal composición lo constituye moléculas no unidas, expandidas y con poca fuerza de atracción, lo cuál provoca que no tengan volumen y forma definida, haciendo que este se expanda para ocupar todo el volumen del recipiente que la contiene.

CARACTERÍSTICAS DE LOS GASES

Entre las características más importantes de los gases se encuentran las siguientes:

  • El volumen de un gas cambia significativamente con la presión.

  • El volumen de un gas cambia mucho con la temperatura

  • Los gases tienen relativamente baja viscosidad

  • La mayoría de los gases tienen densidades relativamente bajas en condiciones normales.

  • Los gases son miscibles

PROPIEDADES DE LOS GASES

Las propiedades más importantes de los gases se expresan a continuación:

  • Temperatura: es la medida de que tan frío o que tan caliente esta una sustancia con respecto a otra. Las escalas de temperatura más usadas son: Celsius, Kelvin, Fahrenheit.


Figura Nº 1: Escalas de temperatura

Fuente: Jesús Peña Cano (2008)


  • Volumen: es el espacio que ocupa un sistema. Los gases ocupan todo el volumen disponible del recipiente en el que se encuentran. Decir que el volumen de un recipiente que contiene un gas ha cambiado es equivalente a decir que ha cambiado el volumen del gas.




  • Presión: se define como la fuerza que actúa sobre una unidad de área de la superficie y se puede expresar en cualquiera de varias unidas convencionales (atm, Kpa, Bar, torr, mmHg). La presión de los gases es el resultado de los impactos de las moléculas sobre las paredes del recipiente que los contiene.




Figura Nº 2: Presión de un gas

Fuente: Silberberg. México 2002


Presión barométrica: es la fuerza que ejercen los gases atmosféricos hacia la superficie por la atracción gravitacional de la tierra. La fuerza de los gases crea una presión de 1 atm. Esta presión es medida a través de un instrumento conocido como barómetro. Los barómetros contienen mercurio en vez de otro líquido porque su alta densidad permite que el barómetro sea de un tamaño conveniente. Básicamente este instrumento es un tubo de un metro de largo, cerrado en un extremo, lleno de mercurio, e invertido sobre un plato que contiene más mercurio. Cuando el tubo está invertido algo de mercurio fluye hacia fuera formando un vacío sobre el mercurio que queda en el tubo como se muestra en la figura Nº 3 a continuación.


Figura Nº 3: Barómetro de mercurio

Fuente: Petrucci. España 2003


Presión manométrica: es la presión de un gas o mezcla de gases medida en un experimento a través de un manómetro. En la figura Nº 4 se muestran dos tipos de manómetros: (a) muestra un manómetro de extremo cerrado donde un gas ejerce presión sobre el mercurio en el brazo conectado al matraz, la diferencia de altura (ΔH) es igual a la presión del gas. (b) y (c) representan un esquema que consiste en un tubo curvo lleno de mercurio, donde uno de los extremos está abierto a la atmósfera y el otro está conectado a la muestra de gas. La atmósfera empuja sobre uno de los niveles de mercurio y el gas empuja en el otro. Ya que ΔH es igual a la diferencia entre las dos presiones, es necesario medir la presión atmosférica separadamente en un barómetro.


Figura Nº 4: Tipos de manómetros

Fuente: Silberberg. México 2002.


  • Efusión Y Difusión


El movimiento de los gases, ya sea entre ellos o hacia regiones de muy baja presión, tiene muchas aplicaciones importantes.

Efusión, es el proceso por el cual un gas escapa del recipiente que lo contiene a través de un orificio diminuto hacia un espacio evacuado. La velocidad de efusión es el número de moles (o moléculas) de gas que efusiona por unidad de tiempo.




Figura Nº 5: Proceso de efusión de un gas.

Fuente: Petruccí. España 2003


Difusión, muy relacionado al proceso de efusión está el proceso de difusión gaseosa, el movimiento de un gas a través de otro.



Figura Nº 6: Difusión de una partícula de gas a través de un espacio lleno de otras partículas.

Fuente: Petruccí. España 2003


COMPORTAMIENTO DE LOS GASES EN CONDICIONES ESTANDAR

Los químicos han seleccionado un conjunto de condiciones estándar para comprender mejor los factores que influyen en el comportamiento de los gases; a este conjunto les llaman temperatura y presión estándar (STP), por sus siglas en ingles.

STP: 0º C (273,15K) y 1 atm (760 torr)

Bajo estas condiciones, el volumen de un mol de gas ideal se denomina volumen molar estándar y es igual a 22,414 Litros.

LEYES DE LOS GASES

El estado gaseoso es el único entre los estados de la materia en la que la naturaleza química del gas no afecta significativamente su comportamiento físico. Las variables que describen el comportamiento físico de un gas son: presión, volumen, temperatura y cantidad de gas. Estas variables son interdependientes, es decir cualquiera de ella puede determinarse midiendo las otras tres. Existen relaciones claves para relacionar estas variables: las leyes de Boyle, Charles y Avogadro.

  • LEY DE BOYLE

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.


Figura Nº 7: Relación Volumen- Presión

Fuente: Petruccí. España 2003


Como se muestra en la figura Nº 7, el volumen es inversamente proporcional a la presión:

  • Si la presión aumenta, el volumen disminuye.

  • Si la presión disminuye, el volumen aumenta.

De esta forma, si la cantidad de gas y la temperatura permanecen constantes, el producto de la presión por el volumen siempre tiene el mismo valor. Entonces la expresión matemática de esta ley es:

(1)

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

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

(2)

que es otra manera de expresar la ley de Boyle

Ejercicio resuelto:

Un volumen de 380 mL de aire se midió a la presión de 640 mmHg. Calcúlese el volumen que ocupará a una presión de 760 mmHg, a temperatura constante.
Solución

Datos:

V1= 380 mL

P1= 640 mmHg

P2= 760 mmHg

V2= ?
Estrategia para resolver el ejercicio: Como se tiene temperatura constante la expresión a emplear es la Ley de Boyle (2), podemos despejar de la ecuación (2) el V2.
Entonces y sustituyendo los valores se tiene:




  • LEY DE CHARLES

La ley de Charles establece que si la cantidad de gas y la presión permanecen constantes, el cociente entre el volumen y la temperatura siempre tiene el mismo valor.



Figura Nº 8: Relación Volumen- Temperatura

Fuente: Petruccí. España 2003


Como se muestra en la figura Nº 8, 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.

Matemáticamente se puede expresar así:

(3)

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

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

(4)

que es otra manera de expresar la ley de Charles.

Ejercicio resuelto:

Se colectó un volumen de 473mL de oxígeno a 27º C. ¿Que volumen ocupará dicho oxígeno a 173º C, a presión constante?
Solución
Datos:

V1= 473mL

T1= 27º C + 273 =300 K

T2= 173º C + 273 = 446 K

V2= ?
Estrategia para resolver el ejercicio: como se tiene presión constante, la expresión a utilizar es la ley de charles (4), despejando de esta ecuación V2 se tiene:
nótese que la temperatura debe ser transformada a una escala absoluta Kelvin (K). De esta forma se obtiene:



  • LEY COMBINADA (ley de Boyle- Charles)


Esta ley establece, que los volúmenes ocupados por una masa gaseosa, son inversamente proporcionales a la presión y directamente proporcionales a la temperatura que soportan. La ecuación matemática para esta ley es la siguiente
(5)
Ejercicio resuelto:

Una muestra de freón-12 ocupa un volumen de 25,5 L a 298 K y 153, 3 Kpa.¿ Determinar su volumen a condiciones estándar?
Solución

Datos:

V1= 25,5 L

T1= 298 K

P1= 153,3 Kpa

T2= 273 k

P2= 1atm = 101,325 Kpa

V2= ?
Estrategia para resolver el ejercicio: por las condiciones que se tienen inicialmente se emplea la ley combinada para encontrar el V2. De esta forma se despeja V2 de la ecuación (5) obteniéndose:

nótese que debe transformarse la P2 a Kpa para sustituir los valores en la ecuación. El resultado obtenido es:




  • LEY DE AVOGADRO


Esta ley, descubierta por Avogadro establece la relación entre la cantidad de gas y su volumen cuando se mantienen constantes la temperatura y la presión. Recuerde que la cantidad de gas se mide en moles.

El volumen es directamente proporcional a la cantidad de gas:

  • Si aumentamos la cantidad de gas, aumentará el volumen.

  • Si disminuimos la cantidad de gas, el volumen disminuye.

Se puede expresar la ley de Avogadro así:

(6)

(el cociente entre el volumen y la cantidad de gas es constante)

Supóngase que se tiene una cierta cantidad de gas n1 que ocupa un volumen V1 al comienzo del experimento. Si se varía la cantidad de gas hasta un nuevo valor n2, entonces el volumen cambiará a V2, y se cumplirá:

(7)

que es otra manera de expresar la ley de avogadro.
Ejercicio resuelto:

Los dirigibles se consideran medios de transporte para mercancías. Un modelo a escala se llena hasta un volumen de 55 cm3. Cuando 1,10 moles de helio se adicionan al dirigible el volumen es de 26,2 cm3. Cuantos gramos de helio deben agregarse para que este se eleve. Considere que P y T son constantes.
Solución

Datos:

V1= 26,2 cm3

n1= 1,10 mol

V2= 55 cm3

n2= ?
Estrategia para resolver el ejercicio: primero se necesita encontrar n2 , dado que se tienen condiciones de P y T constantes se emplea la ley de avogadro (7), para encontrar este valor. Para encontrar la cantidad de helio adicionada se resta n1 y se convierte a gramos.
sustituyendo los valores en esta ecuación se obtiene:



Determinación de la cantidad adicional de helio: nad=n2-n1

nad= (2,31-1,10)mol= 1,21 mol



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