Unidad 02: Las Leyes de los Gases PDF

LOS GASES Los gases se caracterizan por ocupar todo el volumen del recipiente que los contiene, y adaptarse a su forma. Con la palabra gas nos referimos a la materia que se encuentra en estado gaseoso. El volumen que ocupa una determinada cantidad de gas es variable, depende del recipiente que la c...

LOS GASES Los gases se caracterizan por ocupar todo el volumen del recipiente que los contiene, y adaptarse a su forma. Con la palabra gas nos referimos a la materia que se encuentra en estado gaseoso. El volumen que ocupa una determinada cantidad de gas es variable, depende del recipiente que la contiene. Pero esta no es la única propiedad de un gas que puede cambiar: la temperatura a la que se encuentra y la presión que ejerce también son variables. El volumen, la temperatura y la presión de un gas están estrechamente relacionados. Volumen Temperatura Presión El volumen de los gases La temperatura de un gas Un gas ejerce presión es variable: se comprimen también es variable: pode- sobre las paredes del reci- y se expanden, hasta ocu- mos hacer que aumente si piente que lo contiene. La par siempre todo el espa- lo calentamos o que dismi- presión es consecuencia cio del que disponen. nuya si lo enfriamos. de la fuerza que ejerce el El volumen puede medirse Solemos medir la tempera- gas sobre la superficie in- en metros cúbicos (m3) o en tura en grados Celsius (°C) terior del recipiente y pue- litros (L) y sus respectivos aunque en ámbitos científi- de variar. múltiplos y submúltiplos cos es muy habitual utilizar La presión puede medirse en (dm3, mL…). la escala de temperatura pascales (Pa) o en atmósfe- absoluta o kelvin (K). ras (atm). 1  MODELO CINÉTICO-CORPUSCULAR DE LOS GASES La temperatura La temperatura y el modelo cinético- Según el modelo cinético-corpuscular, la materia está corpuscular formada por multitud de partículas muy pequeñas entre las cuales solo hay espacio vacío. En algunas sustancias estas partículas son átomos, pero en otras son moléculas formadas por dos o más átomos. En los gases, las partículas se mueven de forma desordenada, a diferentes velocidades y en todas direcciones, chocando entre ellas y contra las paredes del recipiente que los contiene. La temperatura de un gas está relacionada con la velocidad —y la energía cinética— de sus partículas. Cuanto más caliente está un gas, mayor es la energía cinética de sus partículas y mayor es la velocidad con que se mueven. La energía cinética (Ec) de una partícula es la energía relacionada con la velocidad a la que se mueve. La presión La presión y el modelo cinético- Cuando cada una de las partículas de un gas colisiona corpuscular contra la pared del recipiente que lo contiene, ejerce una fuerza minúscula sobre ella. Pero el número de partículas en un gas es enorme. Por ejemplo, en tan solo 1 g de aire hay más de 20.000.000.000.000.000.000.000 partículas. Velocidad de las partículas Velocidad de las partículas Así pues, continuamente se están produciendo colisiones de Número de Número de partículas sobre las paredes del recipiente. colisiones colisiones Las fuerzas que ejercen todas estas partículas se reparten por la superficie de las paredes del recipiente y dan lugar a la presión del gas. La presión de un gas depende de la velocidad con que Velocidad de Velocidad de colisionan sus partículas y del número de colisiones: las partículas las partículas Número de Número de Cuanto mayor es la velocidad con que las partículas coli- colisiones colisiones sionan, mayor es la presión. La presión de un gas depende de la Cuanto mayor es el número de colisiones, mayor es la velocidad con que colisionan sus par- presión. tículas y del número de colisiones. 16 2 LAS LEYES DE LOS GASES En los gases, la presión, el volumen y la temperatura están estrechamente relacionados: no es posible modificar una de estas magnitudes sin provocar cambios en alguna de las otras. En el siglo XVII, con la invención de los primeros instrumentos para medir la presión y la temperatura, la Al calentar el matraz, el aire en su in- comunidad científica pudo empezar a investigar con detalle terior se dilata: su volumen aumenta. cómo se comportaban estas magnitudes en los gases. Al enfriarse, el volumen disminuye. Así, se descubrió que las relaciones entre estas tres magnitudes están gobernadas por leyes muy sencillas, conocidas como leyes de los gases. Cada una de estas leyes es conocida por el nombre de los científi- cos que la descubrieron. La presión del aire dentro del balón Las leyes de los gases describen la relación matemática en- cambia con la temperatura: disminu- tre dos de estas tres magnitudes, cuando la tercera se man- ye cuando lo enfriamos. tiene constante, y siempre que la cantidad de gas no varíe. Por ejemplo, la ley de Boyle y Mariotte describe cómo cambia la presión de un gas al modificar su volumen, mientras la temperatura se mantiene fija. LEY DE BOYLE Y MARIOTTE Relación entre la presión y el volumen de un gas La ley de Boyle y Mariotte describe la relación entre el volu- men y la presión de un gas cuando la temperatura no varía. A temperatura constante, la presión y el volumen de una cantidad de gas son inversamente proporcionales. Al duplicar el volumen de un gas, su presión se divide por dos, y viceversa, si el volumen se reduce a la mitad, su presión se , duplica. , Esto implica que, para una misma cantidad de gas y a una misma temperatura, el resultado de multiplicar la presión por el volumen es siempre el mismo. El recipiente que contiene el gas está rodeado de agua y hielo, para mante- ner la temperatura constante a 0°C p · V = constante (273 K). 3  Interpretación cinético-corpuscular V p V p Podemos explicar la relación entre la presión y el volumen de un gas a una misma temperatura mediante el modelo cinético-corpuscular. Al variar el volumen de un gas, el espacio por el que pueden T constante moverse sus partículas varía, lo que conlleva cambios en el número de colisiones que estas sufren. Cuanto mayor es el volumen, menor es el número de colisiones de las par- Al aumentar el volumen, las partículas disponen de más tículas de gas con las paredes del re- espacio y el número de colisiones se reduce. Por eso la cipiente. presión disminuye. Al reducir el volumen, las partículas disponen de menos espacio y el número de colisiones incrementa. Por eso la presión aumenta. En estas situaciones la velocidad de las partículas (en promedio) no varía, ya que la temperatura es la misma. LEY DE GAY-LUSSAC Relación entre la temperatura y la presión de un gas La ley de Gay-Lussac describe la relación entre la temperatura y la presión de un gas cuando su volumen se mantiene constante. Si el volumen de un gas no varía, su temperatura y la presión que ejerce son directamente proporcionales. Al triplicar la temperatura de un gas, se triplica su presión; si la , temperatura se reduce a la mitad, su presión también. Así, al dividir la presión de un gas por su temperatura, se obtiene un mismo valor, siempre que el volumen sea el mismo. Hemos fijado el émbolo en el recipien- te, de modo que podemos garantizar p que el volumen ocupado por el gas (6 = constante T L) no variará. Para que se cumpla esta ley, la temperatura debe expresarse en la escala Kelvin (K). 18 4 Interpretación cinético-corpuscular El modelo cinético-corpuscular nos puede ayudar a T p T p comprender la relación entre la presión y la temperatura de un gas que ocupa un volumen constante. Cuando calentamos o enfriamos un gas, estamos modificando la velocidad y la energía cinética de sus V constante partículas. Al aumentar la temperatura, las par- Al calentar el gas, aumenta la velocidad de las partículas tículas del gas cada vez se mueven y, por tanto, la fuerza con que impactan en las paredes más deprisa, de modo que se produ- del recipiente. Por eso la presión aumenta. cen más colisiones y con más ener- gía, por lo que la presión aumenta. Al enfriarlo, disminuye la velocidad de las partículas y, por tanto, la fuerza con que impactan en las paredes. Por eso la presión disminuye. En estas situaciones, el espacio por el que pueden moverse las partículas no varía, ya que el volumen del gas es el mismo. LEY DE CHARLES Y GAY-LUSSAC Relación entre la temperatura y el volumen de un gas Esta ley describe la relación entre el volumen de un gas y su temperatura cuando son medidos a una misma presión. A presión constante, la temperatura de un gas y el volumen que ocupa son directamente proporcionales. Al duplicar la temperatura de un gas, se duplica su volumen; y si la temperatura se reduce a la mitad, el volumen también. , Así pues, a una misma presión, la razón entre el volumen , y la temperatura de una determinada cantidad de gas es constante. Sobre el émbolo hemos situado unas V = constante pesas que garantizan que la presión T sobre el gas es constante (1,142 atm). Para que se cumpla esta ley la temperatura debe expresarse en la escala Kelvin (K). 5  Interpretación cinético-corpuscular T V T V El modelo cinético-corpuscular nos ayuda a entender la relación entre la temperatura y el volumen de un gas conte- nido en un recipiente de paredes móviles, bajo una presión que se mantiene constante. p constante La presión de un gas depende tanto de la velocidad a la que se mueven las partículas como del espacio disponible. Al aumentar la temperatura del gas, sus partículas se aceleran y ejercen Al calentar un gas, la velocidad de sus partículas y la fuerza fuerzas cada vez mayores al chocar. que ejercen al chocar contra el recipiente aumentan. Por Estas fuerzas desplazan el émbolo y eso, por un instante, aumenta la presión del gas sobre las hacen que el espacio por el que se mueven las partículas aumente. Esto paredes del recipiente: el gas las empuja y se expande. reduce el número de colisiones y Gracias al aumento del espacio disponible para las partí- compensa el hecho de que sean más intensas, por lo que la presión, en de- culas, la presión del gas disminuye y vuelve a ser igual a la finitiva, no cambia. presión inicial: la temperatura y el volumen han aumentado, pero la presión es la misma que al inicio. LOS LÍMITES DE LAS LEYES DE LOS GASES Las leyes de los gases solo se cumplen cuando sus partículas se mueven de En condiciones de presión muy elevada y forma desordenada e independiente. Pero temperatura muy baja, el comportamiento las partículas pueden establecer fuerzas normal de los gases cambia. atractivas entre sí que les impiden moverse libremente en determinadas condiciones. En estas condiciones, los gases pueden su- frir cambios de estado y pasar así al estado Cuando la temperatura es muy baja, es líquido o incluso sólido. decir, cuando las partículas se mueven lentamente. La condensación de un gas hasta el estado líqui- do tiene lugar más fácilmente cuando la presión Cuando la presión es muy alta y, por tan- es elevada. to, las partículas están muy cerca unas de otras la mayor parte del tiempo. Punto de ebullición y presión El punto de ebullición de una sustancia es Los puntos de ebullición que conocemos suelen aquella temperatura por encima de la cual hacer referencia a una presión de 1 atm. dicha sustancia no puede permanecer en estado líquido y se vaporiza, es decir, pasa a El punto de ebullición de una sustancia au- estado gaseoso. menta con la presión. El punto de ebullición es una propiedad ca- El punto de ebullición del agua es de 100 ºC racterística de cada sustancia pero, en reali- a 1 atm de presión, pero en la cima del mon- dad, no es un único valor. El valor del punto te Everest, a 0,34 atm de presión, el agua de ebullición depende de la presión a la que hierve a solo 71 ºC. se encuentra la sustancia. 20 6