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Leyes y propiedades de los gases
OBJETIVOS
1.1. Objetivos Generales
Analizar los conceptos, características y propiedades sobre la teoría cinética de gases ideales. Identificar las unidades de medida de presión, volumen y temperatura de los gases.
1.2. Objetivos Específicos
Conocer las leyes y aplicaciones de los gases ideales. Determinar mediante cálculos la presión y volumen de un gas ideal.
INTRODUCCIÓN
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. 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, presión, y volumen. Para un volumen dado bajo condiciones de temperatura y presión determinadas, 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.
MARCO TEÓRICO
Capítulo I
1.1. Gas
1.1.1. Definición
Según Carrasco (2020) se denomina gas, al estado de agregación de la materia que no tiene forma ni volumen propio. Su principal composición lo constituyen moléculas no unidas, expandidas y con poca fuerza de atracción, lo cual provoca que no tengan volumen y forma definida, haciendo que este se expanda para ocupar todo el volumen del recipiente que la contiene.
1.1.2. Características
Los gases son sustancias que se encuentran en estado gaseoso. Puede tratarse de sustancias puras, como el gas natural, o de mezclas como el aire. En realidad, toda la materia es capaz de presentarse en este estado de agregación, sólo que en determinadas condiciones. Sin embargo, es más fácil determinar las propiedades generales de los gases que lo son a temperatura ambiente. Según la Universidad de Cuenca (2020), entre las características más importantes de los gases se encuentran:
Viscosidad muy baja Densidad muy baja Tienen el volumen del recipiente que los contiene Su volumen se puede variar con la presión y la temperatura Difusividad alta Compresibilidad alta Expansibilidad alta Energía cinética alta Fuerzas intermoleculares muy baja Necesitan catalizadores para reaccionar
1.1.3. Propiedades
Según Carrasco (2020), las principales propiedades de los gases son:
Temperatura Volumen Presión Presión barométrica Presión manométrica Efusión y Difusión
Capítulo II
2.1. Leyes de los gases
2.1.1. Relación presión-volumen: ley de Boyle-Mariotte
Proceso isotérmico: Es un proceso gaseoso donde la temperatura permanece constante; la presión absoluta del gas es inversamente proporcional a su volumen.
(P1 * V1) = (P2 * V2)
2.1.2. Relación presión-temperatura: ley de Gay-Lussac
Proceso isobárico: Es un proceso gaseoso donde la presión permanece constante; la presión absoluta del gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta.
(P1 / T1) = (P2 / T2)
3.3. Características de la presión de un Gas Ideal
La presión de un gas ideal es inversamente proporcional a su volumen (Ley de Boyle-Mariotte) La presión de un gas ideal es directamente proporcional a su temperatura absoluta (Ley de Gay-Lussac)
Capítulo IV
4.1. Gases Monoatómicos
4.1.1. Tipos
Los principales gases monoatómicos son: - Helio (He) - Neón (Ne) - Argón (Ar) - Kriptón (Kr) - Xenón (Xe) - Radón (Rn)
4.1.2. Propiedades termodinámicas
Tienen una capacidad calorífica molar constante (Cv = 3/2 R) Tienen una relación de capacidades caloríficas (γ = Cp/Cv) de 5/
4.2. Gases Diatómicos
4.2.1. Características
Los gases diatómicos están formados por moléculas compuestas por dos átomos del mismo elemento.
4.2.2. Propiedades termodinámicas
Tienen una capacidad calorífica molar constante (Cv = 5/2 R) Tienen una relación de capacidades caloríficas (γ = Cp/Cv) de 7/
4.3. Gases Poliatómicos
Los gases poliatómicos están formados por moléculas compuestas por más de dos átomos. Algunos ejemplos de gases poliatómicos son: - Dióxido de carbono (CO2) - Metano (CH4) - Amoníaco (NH3) - Vapor de agua (H2O)
REFERENCIAS
Carrasco, J. (2020). Propiedades de los gases. Universidad Nacional Mayor de San Marcos.
Universidad de Cuenca. (2020). Características de los gases. Facultad de Ciencias Químicas.
Cartwright, M., & Carpi, A. (2016, septiembre 18). Temperatura. Visionlearning.
Netto, R. S. (2000, mayo 1). Propiedades de los gases. Química General.
Obarti, J. (2017, febrero 9). Barómetro de mercurio de Torricelli. Física y Química.
Ullar, N. (2021, mayo 3). Presión manométrica. Instrumentación Industrial.
ANEXOS: EJERCICIOS
[Aquí se pueden incluir algunos ejercicios de aplicación de las leyes y conceptos de gases ideales]
Relación presión-temperatura: ley de Gay-
Lussac
Proceso isométrico o isocórico
Es un proceso gaseoso donde el volumen del gas permanece constante, la presión absoluta del gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta. (𝑉1 = 𝑉2)
𝑃1/𝑇1 = 𝑃2/𝑇
Figura 6. Gráfico de la presión vs temperatura de un gas ideal a volumen constante
Relación volumen-temperatura: ley de Charles
Proceso isobárico
Es un proceso gaseoso donde la presión del gas permanece constante; el volumen del gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta.
𝑉1/𝑇1 = 𝑉2/𝑇
Figura 7. Gráfico del volumen vs temperatura de un gas ideal a presión constante
Ley combinada de los gases
El volumen de una masa determinada de gas es inversamente proporcional a la presión y es directamente proporcional a la temperatura absoluta a que es sometido.
𝑃1 ∙ 𝑉1/𝑇1 = 𝑃2 ∙ 𝑉2/𝑇
"La presión total de una mezcla gaseosa es igual a la suma de las presiones parciales de los gases que la componen" (𝑃total= 𝑃1 + 𝑃2 + 𝑃3+ ...)
Unidades de volumen: 𝑑𝑚3, 𝑐𝑚3, 𝑚3, 𝑙𝑡, 𝑚𝑙
Constante R en diferentes unidades
Valor | Unidades --- | --- 8,3145 | 𝐽 𝑚𝑜𝑙−1𝐾−1 8,3145 | 𝐾𝑃𝑎 𝐿 𝑚𝑜𝑙−1𝐾− 8,3145 | 𝑃𝑎 𝑚3 𝑚𝑜𝑙−1𝐾−1 0,082057 | 𝑎𝑡𝑚 𝐿 𝑚𝑜𝑙−1𝐾−1 0,083145 | 𝑏𝑎𝑟 𝐿 𝑚𝑜𝑙−1𝐾−1 62,364 | 𝑚𝑚𝐻𝑔 𝐿 𝑚𝑜𝑙−1𝐾−1 1,9872 | 𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙−1𝐾−
Características de la presión de un Gas Ideal
La presión es proporcional a la temperatura absoluta. Si duplicamos la temperatura absoluta, manteniendo constantes el volumen y el número de moles, la presión se duplica.
El volumen varía inversamente con la presión absoluta P. Si duplicamos la presión manteniendo constantes la temperatura T y el número de moles n, el gas se comprime a la mitad de su volumen inicial.
Gases Monoatómicos
El término monoatómico es usado en la física y en la química, proviene del griego y significa 'un sólo átomo', término usualmente utilizado en los gases. Un gas monoatómico es un gas en el cual sus constituyentes son átomos que se encuentran aislados, todos pertenecientes al mismo elemento químico, los átomos actúan como partículas y no existen enlaces químicos entre átomos.
Figura 8. Gas monoatómico
Tipos
Los gases monoatómicos se dividen en tres tipos:
Los gases nobles: En condiciones normales de presión y temperatura estos elementos son monoatómicos y gaseosos, estos gases solo pueden licuarse a muy baja temperatura. Estos elementos son los del grupo 18 de la tabla periódica: He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn y Og.
Los no metálicos (H, C, N, P, O, S, As) y los halógenos (F, Cl, Br, I): A presión baja y temperatura muy elevada. A condiciones normales de presión temperatura se encuentran en estado sólido (C, P, S, Se, I), en estado líquido (Br) y en gaseoso molecular (H₂, N₂, O₂, Cl₂).
Los metaloides (B, If, Ge, As, Sb, Te, As), y metales: En condiciones normales de presión y temperatura estos elementos se encuentran en su mayoría a estado sólido, se vaporizan solo a temperaturas muy altas, y el gas producido de este es monoatómico.
Propiedades termodinámicas
Los átomos de estos gases poseen una libertad de traslación de 3°, mientras sus moléculas también poseen grados de libertad de traslación y rotación. Este tipo de gas posee ciertas condiciones:
Capacidad calorífica isocórica Capacidad calorífica isobárica Índice adiabático
Gases Diatómicos
El término diatómico viene del griego y significa 'dos átomos', los gases diatómicos son aquellos que están formados por dos átomos pertenecientes al mismo elemento químico, debido a la existencia de un mínimo en el potencial al cuál ambos átomos se encuentran sometidos. La energía total en estos gases puede encontrarse en forma de energía cinética de traslación y también en energía cinética de rotación, tienen la capacidad de almacenar más energía a una temperatura constante.
Figura 9. Gas diatómico
Características
Son inertes, poco reactivos, además son transparentes a la luz visible y a la luz infrarroja, no absorben calor. Sus condiciones son de 100 000 Pa (1 bar) y 298 K (25°C). Los elementos que los comprenden son: H₂, O₂, N₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂. Los gases diatómicos no pueden ser gases nobles, explicado en la teoría orbital molecular.
Propiedades termodinámicas
Capacidad calorífica isocórica Capacidad calorífica isobárica Índice adiabático
Gases Poliatómicos
Son moléculas formadas por tres átomos a más. Este grupo de gases los conforman los gases de efecto invernadero como el CO₂, N₂O, H₂O y CH₄. Estos gases son también biológicamente activos ya que se encuentran presentes en la atmósfera debido a procesos biológicos naturales.
Figura 10. Gas poliatómico
