Gas Real
Los gases reales son los que en condiciones ordinarias de temperatura y presión se comportan como gases ideales; pero si la temperatura es muy baja o la presión muy alta, las propiedades de los gases reales se desvían en forma considerable de las de los gases ideales.
Gas Ideal
Los Gases que se ajusten a estas suposiciones se llaman gases ideales y aquellas que no se les llama gases reales, o sea, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y otros.
Estado Gaseoso
Los gases, aunque no se puedan ver, constituyen una gran parte de nuestro ambiente, y quehacer diario, ya que ellos son los responsables de transmitir: sonidos, olores, etc. Los gases poseen propiedades extraordinarias, como por ejemplo: que se puede comprimir a solamente una fracción de su volumen inicial, pueden llenar cualquier contenedor, o que el volumen de una gas comparado con el mismo componente, sólido o líquido tiene una diferencia de casi 800 veces la proporción. Esto hace posible de que una cantidad n de un gas puede entrar en un contenedor cualquiera y que este gas llenaría el contenedor. Temperatura Según la teoría cinética, la temperatura es una medida de la energía cinética media de los átomos y moléculas que constituyen un sistema. Dado que la energía cinética depende de la velocidad, podemos decir que la temperatura está relacionada con las velocidades medias de las moléculas del gas. Hay varias escalas para medir la temperatura; las más conocidas y utilizadas son las escalas Celsius (ºC), Kelvin (K) y Fahrenheit (ºF). El kelvin es una unidad de temperatura creada por Lord Kelvin sobre la base de la escala centígrada, estableciendo el punto cero en el cero absoluto (−273,15ºC) y conservando la misma dimensión para los grados, es la unidad de temperatura en el Sistema Internacional (SI), correspondiente a una fracción de 1/273,16 partes de la temperatura del punto triple del agua. Se representa con la letra K. A la temperatura medida en kelvin a veces se le llama “temperatura absoluta”, y es la escala de temperaturas que se usa en ciencia, especialmente en trabajos de física o química.
Factores de conversión
• Kelvin a Celsius • Celsius a kelvin • Kelvin a Fahrenheit • Fahrenheit a kelvin
El grado Celsius, denominado anteriormente como grado centígrado y representado como °C, es la unidad de temperatura creada por Anders Celsius para su escala centígrada. Es una de las unidades incluidas en el Sistema Internacional de Unidades y la más utilizada internacionalmente. Se define asignando el valor 0 °C al punto de congelación del agua, el valor 100 °C a su punto de ebullición (ambos medidos a una atmósfera de presión) y dividiendo la escala resultante en 100 partes iguales, cada una de ellas equivalente a un grado Celsius. Conversión de unidades • T (°C) = T (K) - 273,15 La conversión de grados Celsius a grados Fahrenheit se obtiene multiplicando la temperatura en Celsius por 1.8 y sumando 32: • Temp. (°F) = 1,8 x Temp. (°C) + 32 Para convertir Fahrenheit a Celsius: • Temp. (°C) = (Temp. °F - 32) / 1.8 El grado Fahrenheit es una unidad de temperatura propuesta por Gabriel Fahrenheit en 1724, cuya escala fija el cero y el cien en las temperaturas de congelación y evaporación del cloruro amónico en agua. Similar a lo que fija la escala celsius con la congelación y evaporación del agua. En la escala Fahrenheit, el punto de fusión del agua es de 32 grados, y el de ebullición es de 212 grados. Una diferencia de 1,8 grados Fahrenheit equivale a la de 1 grado centígrado. Las fórmulas de conversión a grados centígrados y kelvin son: • °F = °C • (9/5) + 32 • °C = (°F - 32) • 5/9 • °F = K • (9/5) - 459,67 • K = (°F + 459,67) • 5/9 Esta escala es actualmente utilizada en algunos países, especialmente Estados Unidos. Para uso científico tiene una compañera, la escala de Rankine, que lleva el 0 de la escala al cero absoluto, de forma similar a lo que ocurre entre la El grado Rankine tiene su punto de cero absoluto a −460°F y los intervalos de grado son idénticos al intervalo de grado Fahrenheit. La relación entre la temperatura en grados Rankine (°R) y la temperatura correspondiente en grados (°F) Fahrenheit es: ( ) ( ) 460 T R T F = + o o Presión Llamamos presión a la relación que existe entre una fuerza y la superficie sobre la que se aplica: F P S = Dado que en el Sistema Internacional la unidad de fuerza es el newton (N) y la de superficie es el metro cuadrado (m2), la unidad resultante para la presión es el newton por metro cuadrado (N/m2) que recibe el nombre de pascal (Pa) 1 Pa = 1 N/m2 Otra unidad muy utilizada para medir la presión, aunque no pertenece al Sistema Internacional, es el milímetro de mercurio (mm Hg) que representa una presión equivalente al peso de una columna de mercurio de 1 mm de altura. En este caso la fuerza es el peso (W mg = r ) de la columna de mercurio por lo que mg P S = Como la masa puede expresarse como el producto de la densidad K por el volumen V (m V = ), al sustituir tendremos: Vg P S
=
Como el volumen es el producto de la superficie de la base por la altura (V Sh = ), tenemos Shg P S
=
Que podemos simplificar quedando: P hg = que nos permite calcular la presión en función de la densidad, la intensidad del campo gravitatorio y la altura de la columna. Sustituyendo los correspondientes valores en la ecuación anterior tenemos que: P hg = = (13600 3 kg m )•(9.81 N Kg )•(0.76 m) = 101300 2 N m = 101300 Pa. Según la teoría cinética, la presión de un gas está relacionada con el número de choques por unidad de tiempo de las moléculas del gas contra las paredes del recipiente. Cuando la presión aumenta quiere decir que el número de choques por unidad de tiempo es mayor. 1 atm = 760 mm Hg Volumen El volumen es el espacio que ocupa un sistema. Recuerda que los gases ocupan todo el volumen disponible del recipiente en el que se encuentran. Unidades para medir el volumen. litro (L) y el mililitro (mL) Su equivalencia es: 1L = 1000 mL Como 1 L es equivalente a 1 dm3, es decir a 1000 cm3, tenemos que el mL y el cm3 son unidades equivalentes. Cantidad de gas La cantidad de gas está relacionada con el número total de moléculas que se encuentran en un recipiente. La unidad que utilizamos para medir la cantidad de gas es el mol. Un mol es una cantidad igual al llamado número de Avogadro: 1 mol de moléculas= 6,022•1023 moléculas 1 mol de átomos= 6,022•1023 átomos ¡¡¡ 602.200.000.000.000.000.000.000 !!! La masa molar de una sustancia pura es la masa que corresponde a 1 mol de dicha sustancia: masa en gramos masa molar cantidad de moles = LEY DE AVOGADRO Relación entre la cantidad de gas y su volumen Esta ley, descubierta por Avogadro a principios del siglo XIX, establece la relación entre la cantidad de gas y su volumen cuando se mantienen constantes la temperatura y la presión. Recuerda que la cantidad de gas la medimos 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. ¿Por qué ocurre esto? Vamos a suponer que aumentamos la cantidad de gas. Esto quiere decir que al haber mayor número de moléculas aumentará la frecuencia de los choques con las paredes del recipiente lo que implica (por un instante) que la presión dentro del recipiente es mayor que la exterior y esto provoca que el émbolo se desplace hacia arriba inmediatamente. Al haber ahora mayor distancia entre las paredes (es decir, mayor volumen del recipiente) el número de choques de las moléculas contra las paredes disminuye y la presión vuelve a su valor original. También podemos expresar la ley de Avogadro así: V k n = El cociente entre el volumen y la cantidad de gas es constante. Supongamos que tenemos una cierta cantidad de gas n1 que ocupa un volumen V1 al comienzo del experimento. Si variamos la cantidad de gas hasta un nuevo valor n2, entonces el volumen cambiará a V2, y se cumplirá: 1 2 1 2 V V n n = que es otra manera de expresar la ley de Avogadro. Ejemplo: Sabemos que 3.50 L de un gas contienen 0.875 mol. Si aumentamos la cantidad de gas hasta 1.40 mol, ¿cuál será el nuevo volumen del gas? (a temperatura y presión constantes) Solución: Usamos la ecuación de la ley de Avogadro: ( )( ) ( ) 1 2 2 1 2 2 5.6 L 3.5 L 1.4 mol 0.875 mol Vn V n V V = = = LEY DE BOYLE Relación entre la presión y el volumen de un gas cuando la temperatura es constante 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 fig.1. 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: PV 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: 1 1 2 2 PV PV = Que es otra manera de expresar la ley de Boyle. Ejemplo: 4.0 L de un gas están a 600.0 mmHg de presión. ¿Cuál será su nuevo volumen si aumentamos la presión hasta 800.0 mmHg Solución: Sustituimos los valores en la ecuación 1 1 2 2 PV PV = ( )( ) ( )( ) 2 2 600 mmHg 4 L 800 mmHg 3 L V V = = 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 fig. 2. 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).
Fig.2 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. V k T = 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: 1 2 1 2 V V T T = 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. Ejemplo: Un gas tiene un volumen de 2.5 L a 25 °C. ¿Cuál será su nuevo volumen si bajamos la temperatura a 10 °C? Recuerda que en estos ejercicios siempre hay que usar la escala Kelvin. Solución: Primero expresamos la temperatura en kelvin: ( ) ( ) 1 2 1 2 1 2 2 25 273 298 10 273 K=283 K ahora sustituimos en la ecuacion 2.37 L T K K T V V T T V = + = = + = = LEY DE GAY-LUSSAC Relación entre la presión y la temperatura de un gas cuando el volumen es constante Fue enunciada por Joseph Louis Gay-Lussac a principios de 1800. Establece la relación entre la temperatura y la presión de un gas cuando el volumen es constante. La presión del gas es directamente proporcional a su temperatura: • Si aumentamos la temperatura, aumentará la presión. • Si disminuimos la temperatura, disminuirá la presión. ¿Por qué ocurre esto? Al aumentar la temperatura las moléculas del gas se mueven más rápidamente y por tanto aumenta el número de choques contra las paredes, es decir aumenta la presión ya que el recipiente es de paredes fijas y su volumen no puede cambiar. Gay-Lussac descubrió que, en cualquier momento de este proceso, el cociente entre la presión y la temperatura siempre tenía el mismo valor: P K T = El cociente entre la presión y la temperatura es constante Supongamos que tenemos un gas que se encuentra a una presión P1 y a una temperatura T1 al comienzo del experimento. Si variamos la temperatura hasta un nuevo valor T2, entonces la presión cambiará a P2, y se cumplirá: 1 2 1 2 P P T T = que es otra manera de expresar la ley de Gay-Lussac. Esta ley, al igual que la de Charles, está expresada en función de la temperatura absoluta. Al igual que en la ley de Charles, las temperaturas han de expresarse en Kelvin. Ejemplo: Cierto volumen de un gas se encuentra a una presión de 970 mmHg cuando su temperatura es de 25.0°C. ¿A qué temperatura deberá estar para que su presión sea 760 mmHg? Solución: Primero expresamos la temperatura en kelvin: ( ) 1 1 2 1 2 2 25 273 K 298 K ahora sustituimos los datos en la ecuacion: 233.5 K T T P P T T = + = = = LEY DE DALTON La Ley de Dalton de las presiones parciales establece: la presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales ejercidas por cada uno de los gases en la mezcla Fig.3. Ptotal =pA +pB+pC
