Apuntes Gases Ideales: Fsica - Qumica

Gases IdealesAutora: Silvia Sokolovsky

La materia puede presentarse en tres estados: slido, lquido y gaseoso. En este ltimo estado se encuentran las sustancias que denominamos comnmente "gases".

Ley de los gases IdealesSegn la teora atmica las molculas pueden tener o no cierta libertad de movimientos en el espacio; estos grados de libertad microscpicos estn asociados con el concepto de orden macroscpico. Las libertad de movimiento de las molculas de un slido est restringida a pequeas vibraciones; en cambio, las molculas de un gas se mueven aleatoriamente, y slo estn limitadas por las paredes del recipiente que las contiene.

Se han desarrollado leyes empricas que relacionan las variables macroscpicas en base a las experiencias en laboratorio realizadas. En los gases ideales, estas variables incluyen la presin (p), el volumen (V) y la temperatura (T).

La ley de Boyle - Mariotte relaciona inversamente las proporciones de volumen y presin de un gas, manteniendo la temperatura constante: P1. V1 = P2 . V2

La ley de Gay-Lussac afirma que el volumen de un gas, a presin constante, es directamente proporcional a la temperatura absoluta: *La ley de Charles sostiene que, a volumen constante, la presin de un gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta del sistema: ** En ambos casos la temperatura se mide en kelvin (273 K = 0C) ya que no podemos dividir por cero, no existe resultado.

De las tres se deduce la ley universal de los gases:

Teora Cintica de los GasesEl comportamiento de los gases, enunciadas mediante las leyes anteriormente descriptas, pudo explicarse satisfactoriamente admitiendo la existencia del tomo.

El volumen de un gas: refleja simplemente la distribucin de posiciones de las molculas que lo componen. Ms exactamente, la variable macroscpica V representa el espacio disponible para el movimiento de una molcula.

La presin de un gas, que puede medirse con manmetros situados en las paredes del recipiente, registra el cambio medio de momento lineal que experimentan las molculas al chocar contra las paredes y rebotar en ellas.

La temperatura del gas es proporcional a la energa cintica media de las molculas, por lo que depende del cuadrado de su velocidad.

La reduccin de las variables macroscpicas a variables mecnicas como la posicin, velocidad, momento lineal o energa cintica de las molculas, que pueden relacionarse a travs de las leyes de la mecnica de Newton, debera de proporcionar todas las leyes empricas de los gases. En general, esto resulta ser cierto.

La teora fsica que relaciona las propiedades de los gases con la mecnica clsica se denomina teora cintica de los gases. Adems de proporcionar una base para la ecuacin de estado del gas ideal. La teora cintica tambin puede emplearse para predecir muchas otras propiedades de los gases, entre ellas la distribucin estadstica de las velocidades moleculares y las propiedades de transporte como la conductividad trmica, el coeficiente de difusin o la viscosidad.

Densidad de un gasEn un determinado volumen las molculas de gas ocupan cierto espacio. Si aumenta el volumen (imaginemos un globo lleno de aire al que lo exponemos al calor aumentando su temperatura), la cantidad de molculas (al tener mayor espacio) se distribuirn de manera que encontremos menor cantidad en el mismo volumen anterior. Podemos medir la cantidad de materia, ese nmero de molculas, mediante una magnitud denominada masa. La cantidad de molculas, la masa, no vara al aumentar o disminuir (como en este caso) el volumen, lo que cambia es la relacin masa volumen. Esa relacin se denomina densidad (). La densidad es inversamente proporcional al volumen (al aumentar al doble el volumen , manteniendo constante la masa, la densidad disminuye a la mitad) pero directamente proporcional a la masa (si aumentamos al doble la masa, en un mismo volumen, aumenta al doble la densidad).

Hiptesis de AvogadroEsta hiptesis establece que dos gases que posean el mismo volumen (a igual presin y temperatura) deben contener la misma cantidad de molculas.

Cada molcula, dependiendo de los tomos que la compongan, debern tener la misma masa. Es as que puede hallarse la masa relativa de un gas de acuerdo al volumen que ocupe. La hiptesis de Avogadro permiti determinar la masa molecular relativa de esos gases.

Analicemos el orden lgico que sigui:

1. La masa de 1 litro de cualquier gas es la masa de todas las molculas de ese gas.

2. Un litro de cualquier gas contiene el mismo nmero de molculas de cualquier otro gas

3. Por lo tanto, un litro de un gas posee el doble de masa de un litro otro gas si cada molcula del primer gas pesa el doble de la molcula del segundo gas.

4. En general las masas relativas de las molculas de todos los gases pueden determinarse pesando volmenes equivalentes de los gases.

En condiciones normales de presin y temperatura (CNPT) [ P = 1 atm y T = 273 K ] un lito de hidrgeno pesa 0,09 g y un litro de oxgeno pesa 1,43 g. Segn la hiptesis de Avogadro ambos gases poseen la misma cantidad de molculas. La proporcin de los pesos entre ambos gases es: 1,43 : 0,09 = 15,9 (aproximadamente) 16. Es la relacin que existe entre una molcula de oxgeno e hidrgeno es 16 a 1. Las masas atmicas relativas que aparecen en la tabla peridica estn consideradas a partir de un volumen de 22,4 litros en CNPT.

Ley de los Gases GeneralizadaComo consecuencia de la hiptesis de Avogadro puede considerarse una generalizacin de la ley de los gases. Si el volumen molar (volumen que ocupa un mol de molcula de gas) es el mismo para todos los gases en CNPT, entonces podemos considerar que el mismo para todos los gases ideales a cualquier temperatura y presin que se someta al sistema. Esto es cierto por que las leyes que gobiernan los cambios de volumen de los gases con variaciones de temperatura y presin son las mismas para todos los gases ideales. Estamos relacionando proporcionalmente el nmero de moles (n), el volumen, la presin y la temperatura: P.V ~ n T. Para establecer una igualdad debemos aadir una constante (R) quedando:

P.V = n . R . TEl valor de R podemos calcularlo a partir del volumen molar en CNPT:

Por definicin n (nmero de moles) se calcula dividiendo la masa de un gas por el Mr (la masa molecular relativa del mismo).

Que es otra forma de expresar la ley general de gases ideales.