Leyes de los gases: características, problemas, experimentos, y más

Los gases son compuestos muy importantes para mantener la vida en la tierra, por ejemplo, el oxígeno que respiramos. Por otro lado, también son responsables de contaminar la atmósfera y sus consecuencias, como el efecto invernadero, el calentamiento global y la lluvia ácida. En esta oportunidad vamos a abordar en este mundo de los gases y vamos a conocer específicamente las leyes de los gases. Acompaños a continuación a descubrir todas las maravillas que hay.

¿Qué son leyes de los gases?

Los gases que se ajustan a estos supuestos se denominan gases ideales y aquellos que no se denominan gases reales, es decir, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y otros mas.

1.- Un gas está formado por muchas partículas, que estas son llamadas moléculas. Dependiendo del tipo de gas que estemos estudiando, cada molécula está formada por un átomo o grupo de átomos. Si el gas es un elemento o compuesto en su estado estable, consideramos que todas sus moléculas son idénticas.

2.- Las moléculas están animadas por un movimiento aleatorio y obedecen las reglas de movimiento de Newton. Las moléculas se mueven en todas direcciones y a diferentes velocidades. Al calcular las características de movimiento, asumimos que la mecánica newtoniana se puede aplicar a nivel microscópico. Con respecto a todos nuestros supuestos, esto se mantendrá o descartará, dependiendo de si los hechos experimentales indican o no que nuestras predicciones son correctas.

3.- El número total de moléculas es grande. La dirección y la velocidad del movimiento de cualquiera de las moléculas pueden cambiar repentinamente en las colisiones con las paredes o con otras moléculas. Cualquiera de las moléculas en particular seguirá un camino en zigzag debido a tales choques. Sin embargo, dado que hay muchas moléculas, asumimos que el gran número resultante de choques mantiene una distribución total de las tasas moleculares con un movimiento promedio aleatorio. (ver artículo: Tiburones Más Grande del Mundo).

4.- El volumen de las moléculas es una pequeña fracción despreciable del volumen absorbido por el gas. Aunque hay muchas moléculas, son realmente diminutas. Sabemos que el volumen absorbido por un gas puede cambiarse en un área muy amplia con poca dificultad y que cuando se condensa un gas, el volumen ocupado por el gas es comprimido, hasta que lo deja en forma líquida puede ser miles de veces menor. Por ejemplo, un gas natural se puede mover y reducir en 600 veces su volumen, algo impresionante.

5. – No aparecen fuerzas notables en las moléculas, excepto durante las colisiones. En la medida en que esto sea cierto, una molécula se moverá con un impacto uniforme. Dado que hemos asumido que las moléculas son tan pequeñas, la brecha media entre ellas es alta en comparación con el tamaño de una de las moléculas. Supongamos que las fuerzas moleculares son comparables al tamaño molecular.

6.- Los choques son elásticos y de longitud despreciable. En las colisiones entre las moléculas y las paredes de los vasos, el impulso y (suponemos) la energía cinética se mantienen. Como el tiempo de choque es insignificante en comparación con el tiempo entre la colisión molecular, la energía cinética que se convierte en energía potencial durante el choque vuelve a estar disponible como energía cinética, luego de un tiempo tan breve como podemos ignorar completamente este cambio.

Leyes de gases ideales

No podemos hablar de la ley general de los gases sin mencionar la Ley de Boyle-Mariotte (o Ley de Boyle), formulada por Robert Boyle y Edme Mariotte, esta es una de las leyes de los gases ideales que relacionan el volumen y la presión de una cierta cantidad de gas mantenida a una temperatura constante. La ley establece que el volumen es inversamente proporcional a la presión:

Donde K es la constante si la temperatura y la masa del gas permanecen constantes.

Cuando la presión aumenta, el volumen disminuye, mientras que la presión disminuye, el volumen aumenta. No es necesario saber el valor exacto de la constante K para hacer uso de la ley: si consideramos las dos situaciones de la figura, manteniendo constante la cantidad de gas y temperatura, el ratio deberá ser:

La ley de Charles y Gay-Lussac, o simplemente la ley de Charles, es una de las leyes de los gases ideales, de hecho es bastante utilizada por los químicos, por su simplicidad y practica. Se relaciona el volumen y la temperatura de una determinada cantidad de gas ideal, mantenida a una presión constante, por medio de una constante de proporcionalidad directa.

En esta ley, Charles nos dice que para una cierta cantidad de gas a una presión constante, a medida que la temperatura aumenta, el volumen del gas aumenta ya medida que la temperatura disminuye, el volumen del gas disminuye.

Esto ocurre porque la temperatura está directamente relacionada con la energía cinética (debido al movimiento) de las moléculas de gas. Así, para una cierta cantidad de gas a una determinada presión, cuanto mayor es la velocidad de las moléculas (temperatura), mayor el volumen del gas.

Esta ley fue publicada por primera vez por Louis Joseph Gay-Lussac en 1802, pero se refirió a la obra inédita de Jacques Charles, alrededor de 1787, lo que llevó a que la ley fuera generalmente atribuida a Charles. La relación había sido anticipada en los trabajos de Guillaume Amontons en 1702.

Por otro lado, Gay-Lussac relacionó presión y temperatura como magnitudes directamente proporcionales en la llamada “La segunda ley de Gay-Lussac”. La ley de Charles es una de las leyes más importantes sobre el comportamiento de los gases y se ha utilizado en muchas aplicaciones diferentes, desde globos de aire caliente hasta acuarios. Se expresa mediante la fórmula.

La presión atmosférica: es la importancia del aire en la superficie de la tierra y es uno de los meteorólogos más importantes y tiene un gran impacto en la vida en la tierra.

La presión puede expresarse en diferentes unidades, tales como: Kg / cm (cuadrado), psi, cm de columna con agua, pulgadas o cm de Hg, bar y como se ha llamado internacionalmente, en Pascal (Pa).

Explicación

La Ley General de todos los gases es una ley del gas que combina a Law Richard Post de Austin, Ley de Shyjah Joseph y Ley de Gay-Lussac. Estas leyes se refieren científicamente a cada una de las variables presión, volumen y temperatura.

La ley de Charles establece que el volumen y la temperatura son directamente proporcionales cuando la presión es constante. La ley de Boyle establece que la presión y el volumen son inversamente proporcionales entre sí a temperatura constante. Finalmente, el equipo de Gay-Lussac introduce una proporcionalidad directa entre la temperatura y la presión, siempre que se encuentre en un volumen constante. La dependencia interna de estas variables se establece en la Ley de gas combinado, que establece claramente que:

La relación entre el producto presión-volumen y la temperatura de un sistema permanece constante.

Fórmulas

Derivación a partir de las leyes de los gases

1. Ley de Boyle establece que el producto presión-volumen es constante:

2. Ley de Charles muestra que el volumen es proporcional a temperatura absoluta:

3. Ley de Gay-Lussac dice que la presión es proporcional a la temperatura absoluta:

4. donde P es la presión, V el volumen y T la temperatura absoluta de un gas ideal.

Mediante la combinación de (2) o (3) podemos obtener una nueva ecuación con P, V y T

5. Definiendo el producto de K2 por K3 como K4

6. Multiplicando esta ecuación por (1)

7. Definiendo k5 como el producto de k1 por k4 reordenando la ecuación

8. Sacando raíz cuadrada

9. Renombrando la raíz cuadrada de k5 como K nos queda la ecuación general de los gases

La ley de los gases combinados se puede utilizar para explicar la mecánica que se ven afectados de presión, temperatura y volumen. Por ejemplo: los acondicionadores de aire, refrigeradores y la formación de nubes.

Características

Vamos a presentar una lista con 8 características principales de los gases:

1. Sus partículas no están adheridas.
Una de las propiedades más importantes de los gases es que las partículas o moléculas que los componen no están unidas o atraídas entre sí. Se diferencian de los sólidos en los que se juntan las moléculas y no intercambian su posición entre sí.

Por el contrario, en los gases, las moléculas tienen una interacción débil entre las que están altamente dispersas entre ellas. Además, su movimiento es desordenado, constante y a gran velocidad.

Las partículas dentro de los gases están en continuo caos, donde la gravedad no tiene ningún efecto sobre ellas. No presentan una perturbación absoluta, sino en gran medida.

2. No tienen forma definida.
Dado que las partículas de gas se dispersan entre sí, las distancias entre ellas son extremadamente grandes en comparación con el tamaño de las mismas.

Esta propiedad produce los gases que tienden a ocupar todo el espacio en el contenedor donde están y adquieren la misma forma. El gas no tiene una forma definida, porque es por naturaleza que adquiere la forma del espacio en el que se encuentra.

Cuando se alimenta una masa gaseosa dentro de un recipiente de cierto tamaño y forma, las partículas en un estado de perturbación y movimiento a alta velocidad abarcarán todo el espacio dentro de él para proceder en el mismo estado.

3. Ocupan mayores volúmenes que los sólidos y líquidos.
Como producto de todas las propiedades mencionadas anteriormente, los gases también tienen la característica de que ocupan un espacio más grande, o tienen un volumen mayor que los sólidos y líquidos.

Los sólidos tienen su propio volumen, es decir, su volumen está determinado por sus propios componentes, lo que no cambia su posición.

En contraste, el volumen de gases se determina porque las partículas están separadas unas de otras por el espacio en el que se encuentran, que siempre es mayor que el tamaño total de las partículas. (Ver Artículo: Pez Gallo).

4. Tienen baja densidad.
En el material que se encuentra en estado gaseoso, la densidad es mucho menor que en estado líquido o sólido.

Recuerde que la densidad es la masa contenida en una unidad de volumen. Dado que las moléculas que constituyen la forma gaseosa se separan y dispersan entre ellas, la cantidad de moléculas o de materia presente en un volumen dado es mucho menor que en los estados líquido y sólido.

5. Son fácilmente compresibles.
Al igual que en los gases, las moléculas tienen un gran espacio que las separa, se pueden comprimir con gran facilidad, a diferencia de los sólidos.

6. Hay diferentes tipos de gases
Ciertos tipos de gases clasificados según su uso son los siguientes:

Gases inflamables: los gases cuyos componentes actúan como combustible, por lo que se utilizan para la producción de energía térmica. Algunos de ellos son gas natural, gas licuado de petróleo e hidrógeno.
Gases industriales: los gases manufacturados, que se comercializan al público para diversas aplicaciones y aplicaciones, incluidos los sectores de salud, alimentos, protección del medio ambiente, metalurgia, industria química y seguridad. Algunos de estos gases incluyen oxígeno, nitrógeno, helio, cloro, hidrógeno, monóxido de carbono, propano, metano, nitróxido.
Gases inertes: los gases bajo condiciones específicas de temperatura y presión no generan reacción química o muy baja. Son neón, argón, helio, criptón y xenón. Se utilizan en procesos químicos donde son necesarios elementos no reactivos.

7. Se consideran fluidos
Los gases, en conjunto con los líquidos, se consideran fluidos debido al comportamiento de las moléculas que los componen.

La principal característica de los fluidos es que las moléculas no son cohesivas, y por lo tanto no tienen una posición fija o estable, pero que se adapta al espacio donde se encuentran.

Las moléculas de fluido tienen la capacidad de cambiar su posición cuando una fuerza se aplica a ellas, un movimiento que se llama “fluidez”. Por lo tanto, el gas se considera un fluido.

8. Son químicamente activos
La velocidad rápida en la cual las moléculas se mueven en el estado gaseoso y el contacto entre diferentes sustancias puede ocurrir más fácilmente.

Por lo tanto, una tiende a pensar que el gas es químicamente activo como para juntar varias sustancias en el estado gaseoso aumenta la velocidad con que el contacto y, por lo tanto, aumenta la velocidad a la que una reacción química genera.

Además, los gases también se utilizan ampliamente en los procesos necesarios en la vida diaria, por ejemplo, inflado de neumáticos de automóviles, cocina y reacciones en laboratorios e industrias químicas. Sabia usted que es casi imposible que en nuestra cotidianidad no hagamos uso de algún elemento con estas propiedades.

Los gases están compuestos de pequeñas partículas, muy diminutas que pueden ser átomos o moléculas. Pero como estos componentes del gas no se pueden ver, sus comportamientos y características se basan en un modelo ideal (Teoría cinética de los gases).

Estas propiedades aparecen bastante en un gas ideal y no en un gas real porque en la práctica, cuando la presión es muy alta y / o la temperatura es muy baja, el volumen del gas disminuye y las partículas están muy cerca unas de otras, que tienen interacciones intermoleculares. Sin embargo, en el modelo de un gas ideal, estas interacciones se consideran despreciables. (Ver Articuo: Pulpo Rosa)

Experimentos sobre la ley de los gases

Materiales y reactivos

1 matraz Erlenmeyer de 250 ml.
1 vaso precipitado de 2000 ml.
1 vaso de precipitado de 1000 ml.
3 cilindros graduados de 100,500 y 1000 ml.
1 termómetro.
2 soportes universales.
1 pinza tipo nuez.
1 pinza de extensión
1 bureta de 50 ml.
1 regla de 30 cm o cinta métrica.
1 chicle
2 planchas de calentamiento
Pinza para bureta
2 globos
Etanol
Fósforos
Zinc
Ácido clorhídrico

Procedimiento Experimental

Ley de Boyle

1. Llene un tubo de ensayo de 1000 ml³ / 4 de su capacidad, invierta una bureta con la llave abierta; Cierre la llave para ¹ / 4 de su volumen con agua. La bureta debe mantenerse con la llave cerrada, asegúrese de que no hay aire contenido en la bureta.

2. Obtenga 5 lecturas de volumen y presión para el aire dentro de la bureta. La diferencia (H) mide con la regla.

3. Mida el volumen de agua contenido en la bureta, equalizando los niveles de agua en el bulbo y en la bureta, siendo la altura (h: desigualdad igual a 0, cero) Observe el volumen de agua en la bureta.

4. Levante la bureta, midiendo la altura (h: pendiente) con una regla y anote el volumen de agua contenido en la bureta.

5. Baje la bureta, midiendo la altura (h: inclinación) con una regla y anote el volumen de agua contenido en la bureta.

6. Obtenga la presión barométrica del laboratorio y el volumen Vol para la bureta.

7. Calcule el volumen de aire y presión para cada caso.

8. Calcule el volumen del aire, la presión en mmHg y determine el producto P × V para cada caso. Compare los resultados.

Ahora, vamos a comprobar utilizando esta vez la Ley o principio de Charles respecto a los gases nobles:

Ley de Charles

1. En una plancha de calentamiento colocar un vaso de precipitado de 1 litro lleno de agua.

2. Antes de que el agua ebulla colocar dentro del vaso precipitado un matraz apoyado en un soporte universal.

3. Una vez que el agua ebulla, mida la temperatura.

4. Utilizar un chicle como tapón para tapar el tubito del matraz aforado.

5. Luego con mucho cuidado retirar del baño de maría el matraz aforado y colocar de forma inversa en un vaso de precipitado de 1 litro con suficiente agua del chorro.

6. Retirar en chicle, cuando el matraz esta boca abajo dentro del agua. Medir nuevamente la temperatura.

7. Mueva el matraz de modo que los niveles dentro y fuera del matraz se igualen y tape el matraz con el dedo.

8. Mida el volumen de agua que se introdujo dentro del matraz con el cilindro graduado de 100 ml.

9. Mida posteriormente el volumen del matraz llenándolo con agua completamente y luego vertiéndola en un cilindro graduado de 500 ml. El volumen final del gas será la diferencia de estos.

Ahora bien, llegó el momento de estudiar cuales fueron los resultados que hemos obtenido y vamos a analizar cada uno de los procedimientos que hemos realizado.

Vamos a comenzar con los resultados obtenidos en la práctica de Boyle para representar gráficamente el volumen de un gas con la presión que se ejerce sobre él a una temperatura constante, pudimos ver que la presión más alta disminuyó el volumen de gas porque cuando ejercitamos una presión mayor sobre la bureta , dentro de ella, un poco más de agua fue introducida.

En caso contrario, disminuyendo la presión a la mitad (¹ / P) el volumen se dobló a medida que el agua dentro de la bureta disminuyó.

Todos los arriba mencionados ocurren porque, al aumentar el volumen, las partículas (átomos o moléculas) del gas tardan más tiempo en alcanzar 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 representa la frecuencia de choques de gas contra las paredes.

Cuando el volumen disminuye, la distancia que las partículas tienen que recorrer es menor y, por lo tanto, más choques ocurren en cada unidad de tiempo: la presión aumenta. Lo que Boyle descubrió entonces es que si la cantidad de gas y la temperatura permanecen constantes, el producto de la presión por volumen siempre tiene el mismo valor.

Cuando obtuvimos los datos experimentales y demostramos la ley de Charles, obtuvimos una tasa de error del 10,89%, pues sólo realizamos los experimentos una vez y con un gas real, podemos saber si hubo precisión o no. que no tenemos otras medidas para comparar nuestros resultados y determinar si los valores estaban cerca unos de otros.

Verificamos que el volumen es directamente proporcional a la temperatura, es decir, si la temperatura aumenta, el volumen del gas también aumentará.

Cuando aumentamos la temperatura del gas, las moléculas se mueven más rápido y tardan menos tiempo para alcanzar las paredes del recipiente. Esto significa que el número de fallos por unidad de tiempo es mayor. En otras palabras, hubo un aumento (por un momento) de la presión dentro del contenedor y un aumento en el volumen.

Como recomendación para tener más precisión y precisión en un experimento, es necesario realizar las mediciones más de una vez para comparar los resultados y reducir considerablemente todas las posibles tasas de error.

El punto cero absoluto es 273.15 ° C teóricamente la temperatura más baja posible. En la práctica, solo el volumen de un gas podría medirse dentro de un rango de temperatura limitado, ya que los gases se condensan a bajas temperaturas para formar líquidos.

Información para niños

¿Cuáles son las propiedades de los gases?

En los gases, las fuerzas de atracción son casi inexistentes, de manera que las partículas están muy separadas entre sí y se mueven más rápido y en cualquier dirección, movimiento, incluso a grandes distancias.

Esto hace que los gases tengan las siguientes propiedades:

1.- No tienen su propio camino
Tienen su propio camino, porque se adaptan al recipiente que los contiene.

1.2- Se expanden y se contraen como sólidos y líquidos.

1.3- Fluidez

Es la propiedad que tiene un gas a ocupar todo el espacio, ya que, prácticamente, no tiene ninguna unión de fuerzas entre las moléculas que lo componen.

Por ejemplo, cuando hay un gas contenido en un recipiente tal como un frasco, una pequeña abertura es suficiente para que el gas se escape.

1.4- Difusión

Es el proceso por el cual un gas se mezcla con otro debido sólo al movimiento de sus moléculas.

Por ejemplo: una fuga de gas de una bola, eso tiende a ocupar todo el espacio donde ella se está mezclando con el aire.

1.5- Compresión

La compresión es la disminución del volumen de un gas porque sus moléculas se acercan entre sí, debido a la presión aplicada.

Por ejemplo: Se puede observar cuando presionas el émbolo de una jeringa mientras tienes tapada su salida.

1.6- Resistencia

Es la propiedad de los gases de oponerse al movimiento de los cuerpos por el aire. Esto se debe a una fuerza llamada fuerza roce. A mayor tamaño y velocidad del cuerpo mayor es la resistencia.

Por ejemplo: un paracaídas o al elevar un volantín, el roce con el aire impide que el volantín caiga al suelo.

Análisis y conclusiones

1. A una presión constante el volumen de un gas se expande cuando se calienta y se contrae cuando se expande.

2. La temperatura y el número de moles para demostrar la ley de Boyle deben ser constantes.

3. La presión para demostrar la ley de charle debe ser constante.

4. Si la presión de un gas se duplica el volumen disminuye, y si la presión disminuye el volumen aumenta.