Guía gases

LOS GASES

Propiedades, Teoría Cinética y Leyes que rigen su comportamiento

Esp. GARY MESA GUAZO

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INSTITUCIÓN EDUCATIVA NUEVA ESPERANZA SINCELEJO – COLOMBIA

Guía de estudio: ESTADO GASEOSO ASIGNATURA: QUÍMICA GRADO: 11° (A-B-C)

Queridos estudiantes: El presente documento es una Guía de Estudio que pretende facilitar y mejorar el aprendizaje de los conceptos relacionados con los gases desde el punto de vista de la química. Esta guía es sólo una herramienta para el propósito ya mencionado; por lo tanto, lo ideal es que se emplee de la mejor manera, conjugando el contenido de la misma con las clases que se desarrollen. Sin embargo, para un mejor desempeño, se debe profundizar en la temática valiéndose de textos o la Internet. Un excelente recurso para el estudio de los gases lo pueden encontrar en el siguiente vínculo:

http://www.juntadeandalucia.es/averroes/recursos_informaticos/andared02/leyes_gases/index.html

Les deseo muchos éxitos… ¡¡¡GRACIAS TOTALES!!!

GARY MESA GUAZO

INTRODUCCIÓN Se denomina gas al estado de agregación de la materia que no tiene forma ni volumen propio. Su principal composición son moléculas no unidas, expandidas y con poca fuerza de atracción, haciendo que no tengan volumen y forma definida, provocando que este se expanda para ocupar todo el volumen del recipiente que la contiene, con respecto a los gases las fuerzas gravitatorias y de atracción entre partículas resultan insignificantes. Es considerado en algunos diccionarios como sinónimo de vapor, aunque no hay que confundir sus conceptos, ya que el término de vapor se refiere estrictamente para aquel gas que se puede condensar por presurización a temperatura constante. Los gases se expanden libremente hasta llenar el recipiente que los contiene, y su densidad es mucho menor que la de los líquidos y sólidos.

Dependiendo de sus contenidos de energía o de las fuerzas que actúan, la materia puede estar en un estado o en otro diferente: se ha hablado durante la historia, de un gas ideal o de un sólido cristalino perfecto, pero ambos son modelos límites ideales y, por tanto, no tienen existencia real.

En los gases reales no existe un desorden total y absoluto, aunque sí un desorden más o menos grande.

En un gas, las moléculas están en estado de caos y muestran poca respuesta a la gravedad. Se mueven tan rápidamente que se liberan unas de otras. Ocupan entonces un volumen mucho mayor que en los otros estados porque dejan espacios libres intermedios y están enormemente separadas unas de otras. Por eso es tan fácil comprimir un gas, lo que significa, en este caso, disminuir la distancia entre moléculas. El gas carece de forma y de volumen, porque se comprende que donde

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tenga espacio libre allí irán sus moléculas errantes y el gas se expandirá hasta llenar por completo cualquier recipiente.

1. VARIABLES QUE DETERMINAN EL COMPORTAMIENTO DE LOS GASES

VOLUMEN: es el espacio que ocupan las moléculas del gas. Como las moléculas del gas se mueven aleatoriamente, el volumen del gas corresponde al volumen del recipiente que lo contiene. Generalmente se emplea el Litro como unidad más común para denotar el volumen de un gas

PRESIÓN: Es la fuerza con que las moléculas del gas golpean una unidad de área.

P=F/A, donde P es presión, F es la fuerza y A es la unidad de área.

La unidad más usada para expresar la presión de un gas es la atmósfera (atm). Sin embargo, existen otras unidades ampliamente utilizadas. A continuación se muestran las más comunes:

UNIDADES SIMBOLOGÍA Atmosfera Atm Milímetros de mercurio mmHg Torricelli torr Bares bar Pascal pa Pounds Per Square Inch (Lb/pulg2) psi

EQUIVALENCIAS: 1atm= 760mmHg= 1,013bar= 760torr= 101325pa= 14,7psi MASA: corresponde a la cantidad de gas que se toma. Se mide en gramos o en moles TEMPERATURA: es la medida de la energía cinética de las partículas que se encuentran en el sistema. Para el caso de los gases siempre se debe expresar la temperatura en la escala Kelvin (K).

2. 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.

El gas deja muchos espacios vacíos y esto explica la alta comprensibilidad, la baja densidad y la gran miscibilidad de unos con otros.

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Hay que tener en cuenta que:

1. No existen fuerzas de atracción entre las moléculas de un gas. 2. Las moléculas de los gases se mueven constantemente en línea recta por lo que poseen

energía cinética. 3. En el movimiento, las moléculas de los gases chocan elásticamente unas con otras y con las

paredes del recipiente que las contiene en una forma perfectamente aleatoria. 4. La frecuencia de las colisiones con las paredes del recipiente explica la presión que ejercen

los gases. 5. La energía de tales partículas puede ser convertida en calor o en otra forma de energía. Pero

la energía cinética total de las moléculas permanecerá constante si el volumen y la temperatura del gas no varían; por ello, la presión de un gas es constante si la temperatura y el volumen no cambian.

3. LEYES DE LOS GASES Todos los gases, independientemente de su naturaleza química o del tamaño de sus moléculas, responden a unas leyes muy sencillas, de las cuales las principales son:

1. LEY DE BOYLE Y MARIOTTE: Establece que el volumen de una cantidad fija de un gas mantenido a temperatura constante es inversamente proporcional a la presión del gas.

2211 VPVP

Ejemplo: Un globo inflado que tiene un volumen de 0,55 L a nivel del mar (1,0 atm) se eleva a una altura de 6,5 km, donde la presión es de cerca de 0,40 atm. Suponiendo que la temperatura permanece constante, ¿Cuál es el volumen final del globo? Respuesta: Condiciones iniciales: atmP 0,11 y LV 55,01 Condiciones finales: atmP 40,02 y ?2 V Usando la ecuación de la Ley de Boyle, se despeja 2V , se tiene entonces:

2

112 *

PPVV

atmatmLV

40,00,1*55,02

LV 4,12 2. LEY DE CHARLES: Establece que el volumen de una cantidad fija de un gas mantenido a

presión constante es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas.

2

2

1

1

TV

TV

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Ejemplo: Una muestra de 452 mL de gas flúor se calienta desde 22ºC hasta 187ºC a presión constante. ¿Cuál es su volumen final?

Respuesta: Condiciones iniciales: mLV 4521 y KKT 295)27322(1 Condiciones finales: KKT 460)273187(2 y ?2 V

Usando la ecuación de la Ley de Charles y Gay Lussac, se despeja 2V , se tiene entonces:

1

212 *

TTVV

KKmLV

295460*4522

mLV 7052

3. LEY DE GAY LUSSAC Si el volumen de un gas no cambia mientras lo calentamos, la presión del gas aumenta en la misma proporción en que se incremente la temperatura.

4. LEY DE AVOGADRO: Establece que a presión y temperatura constantes, el volumen de un gas es directamente proporcional al número de moles del gas presente.

2

2

1

1

nV

nV

5. LEY COMBINADA DE LOS GASES Para una masa determinada de un gas, se cumple que el producto de la presión por el volumen dividido entre el valor de la temperatura es una constante Para lo cual se establece la siguiente ecuación:

6. LA ECUACIÓN DE LOS GASES IDEALES: Un gas ideal es un gas hipotético cuyo comportamiento de presión, volumen y temperatura se puede describir completamente por la siguiente ecuación:

nRTPV

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Donde: R es la constante de proporcionalidad R = 0,0821 L*atm/K*mol El volumen molar de un gas a temperatura y presión estándar (0ºC y 1,0 atm) es 22,41 L Ejemplo Nº3: El hexafluoruro de azufre (SF6) es un gas incoloro, inodoro y muy reactivo. Calcule la presión (en atm) ejercida por 1,82 moles del gas en un recipiente de acero de 5,43 L de volumen a 69,5ºC. Respuesta Despejando la presión (P) de la ecuación de gas ideal queda:

VnRTP

LKmolkatmLmolP

43,5)2735,69(*)*/*0821,0(*)82,1(

atmP 42,9

7. LEY DE GRAHAM O DIFUSIÓN DE LOS GASES Difusión: es el proceso de expansión a través del espacio por parte del gas.

“La velocidad de difusión de un gas es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su peso molecular”

Donde: u = velocidad de difusión

M= Peso molecular Esta expresión nos permite conocer los pesos moleculares de gases o sus densidades, a partir de medidas experimentales de velocidad o viceversa, como también determinar cuál gas difunde más rápido. Efusión: es el proceso de movimiento a través de poros pequeños por parte del gas. Se define como:

v = d/ t Donde: v = velocidad de efusión

d = Distancia t = Tiempo

8. LEY DE DALTON La presión bajo condiciones de volumen y temperatura constantes, es directamente proporcional al número de moles de gas:

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P = (RT/V)n = constante x n John Dalton fue el primero en observar que la presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presionen parciales. Siendo la presión parcial la presión ejercida por cada componente individual bajo las mismas condiciones de temperatura y volumen que la mezcla. Ptotal = P1 +P2 +P3 + …… Esta afirmación se conoce como ley de las presiones parciales de Dalton. Si los gases obedecen a la ecuación del gas ideal, se puede escribir: P1 = n1(RT/V) P2 = n2(RT/V) P3 = n3(RT/V) Ptotal =( n1 + n2 + n3 + ……) RT/V

PARA TENER EN CUENTA:

Cuando se dice que un gas está bajo condiciones normales de presión y temperatura (CNPT), significa que el valor de la presión es de 1 atm y el de la temperatura corresponde a 0°C ó 273K.

Bajo condiciones normales de presión y temperatura, 1 mol de cualquier gas ocupa un volumen de 22,4 litros. (1 mol equivale a 6,022x1023 moléculas)

4. EJERCICIOS 1. La presión del gas en una lata de aerosol es 1,5 atm a 25ºC. Considerando comportamiento

ideal, ¿cuál será la presión si la lata se calienta a 450ºC? R: 3,6 atm

2. Una cantidad de gas helio ocupa un volumen de 16,5 L a 78ºC y 45,6 atm. ¿Cuál es su volumen en CNPT? R:585L

3. Se vacía un frasco y se encuentra que pesa 134,567g. Se llena con un gas de masa molecular desconocida a una presión de 735 mmHg y 31ºC y luego se pesa de nuevo resultando 137,456g. Si el volumen del frasco es 936 cm3, ¿cuál es la masa molar molecular del gas desconocido? R: 79,7 g/mol

4. El 78% de las moléculas de aire son de nitrógeno (N2). ¿Cuál es la presión parcial del gas en el aire a una presión barométrica de 720 mmHg? R: 560 mmHg

5. Se recogen 0,200 L de oxígeno (O2) gaseoso sobre agua. La temperatura del agua y del gas es 26ºC y la presión atmosférica de 750 mmHg. A) ¿Cuántos moles de oxígeno se han recogido? B) ¿Qué volumen debe ocupar el O2 recogido cuando esté seco a la misma temperatura y presión? R:7,77 X 10-3 mol; 0,193 L

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