Gases

LABORATORIO E INTRODUCCIÓN

TEMÁTICA: GASES

En esta nueva sesión complementaremos nuestro aprendizaje químico con una nueva temática: GASES, para ello explicaremos cada una de las leyes, conceptos e influencias de esta. Ademas realizaremos un laboratorio virtual así como diversos ejercicios con el propósito de dejar claro cada uno de los ejercicios y aplicaciones.

OBJETIVOS

Conocer y poner en practica cada uno de los conceptos y leyes que rigen esta temática

Identificar las propiedades y características de los gases

Utilizar los pre-saberes matematicos y químicos para la correcta solución de los ejercicios propuestos

Diferenciar e identificar cada ley para su correcta aplicación

MARCO TEÓRICO

Estados de agregación de la materia

Una de las propiedades más evidentes de las sustancias es la que pueden existir como sólidos, líquidos o gases. Se dice habitualmente que éstos son los tres estados de agregación de la materia. Muchas sustancias, bajo las condiciones apropiadas, pueden existir en los tres estados. Cuando se enfría un gas, se condensa para formar un líquido, y finalmente se congela para dar un sólido, pero en todos estos cambios, continúa siendo la misma sustancia. El agua existe en los tres estados en la Tierra. El agua gaseosa (vapor de agua) esta presente en la atmósfera, el agua líquida forma ríos, lagos y océanos y el agua sólida (hielo) se encuentra como nieve, en los glaciares y en las superficies heladas de lagos y océanos.

Vaporización = Ebullición

Evaporación: Afecta sólo a la superficie libre del líquido y tiene lugar a cualquier temperatura
Ebullición: Afecta a todo el líquido y tiene lugar a una cierta temperatura, aunque ésta depende de la presión exterior.

Las características de los tres estados basadas en descripciones macroscópicas, es decir, que pueden constatarse sin utilizar más que los propios sentidos humanos sin ayudas auxiliares, son las siguientes:

Solidos: Tienen forma propio, tienen un volumen definido y no son compresibles ni expansibles, a no ser que se ejerza sobre ellos fuerzas de gran intensidad. En el estado solido los átomos o moléculas ocupan posiciones fijas aunque se encuentran vibrando en esas posiciones con una capacidad de movimiento limitada.

Líquidos: Carecen de forma definida,poseen su propio volumen definido y son poco o nada compresibles y expansibles.En el estado líquido la fuerza de cohesión que mantiene unidas a las moléculas es mucho menor.En un líquido las moléculas tienen una cierta capacidad de movimiento que, en gran medida, está limitada por las otras moléculas que tienen alrededor.

Gases: Carecen de forma definida,no poseen un volumen propio y son expansibles y compresibles, es decir, tienden a ocupar totalmente el recipiente en el que se introduzcan, y si se reduce el volumen del recipiente, el gas se comprime fácilmente y se adapta al menor volumen. En un gas las moléculas se encuentran muy lejanas unas de otras y se mueven en todas direcciones con libertad absoluta.

Tanto los gases como los líquidos tienen la propiedad de adaptarse a la forma del recipiente que los contienen, así como la de escapar por un orificio que se practique en el recipiente, por lo que reciben el nombre de fluidos. Normalmente, un líquido tiene una densidad mucho mayor ( 700 a 1.700 veces) que un gas, mientras que un sólido tiene una densidad ligeramente mayor que un líquido.

TEMPERATURA

Según la teoría cinética, la temperatura es una medida de la energía cinética media de los átomos y moléculas que constituyen un sistema. Dado que la energía cinética depende de la velocidad, podemos decir que la temperatura está relacionada con las velocidades medias de las moléculas del gas.

Hay varias escalas para medir la temperatura; las más conocidas y utilizadas son las escalas Celsius (ºC), Kelvin (K) y Fahrenheit (ºF).

La Temperatura es una propiedad de la materia que está relacionada con la sensación de calor o frío que se siente en contacto con ella. Cuando tocamos un cuerpo que está a menos temperatura que el nuestro sentimos una sensación de frío, y al revés de calor. Sin embargo, aunque tengan una estrecha relación, no debemos confundir la temperatura con el calor.

¿Como se mide la temperatura?

La temperatura de un cuerpo produce diversas manifestaciones en él que guardan estrecha relación con el valor de esta. Determinando las magnitudes de estas manifestaciones con algún instrumento de medición podemos conocer de manera indirecta el valor de la temperatura del cuerpo. Este instrumento se llama termómetro.

Los termómetros deben estar en la zona de medición el tiempo necesario para que alcancen el valor de la temperatura a medir y su influencia en el medio debe ser lo suficientemente pequeña para que no cambien de manera notable esta temperatura

¿ Como se calibra un termómetro?

Mientras se está produciendo un cambio de estado la temperatura permanece constante y por ello consideramos los cambios de estado del agua (a 1 atm) como puntos de referencia

Punto de fusión del agua:

La fase líquida se encuentra en equilibrio con la fase sólida y la temperatura permanece constante. Los valores otorgados a este punto en cada escala son:

Celsius: 0

Kelvin: 273.15

Fahrenheit: 32

Punto de ebullición del agua:

La fase líquida se encuentra en equilibrio con la fase gaseosa y la temperatura permanece constante.

Los valores otorgados a este punto en cada escala son

Celsius:100

Kelvin: 373.15

Fahrenheit: 212

En el intervalo de temperatura comprendido entre los puntos de fusión y ebullición, el agua permanece líquida. Este intervalo se divide en 100 partes en las escalas Celsius y Kelvin, mientras que en la escala Fahrenheit se divide en 180 partes.

Conversiones de unidades de temperatura

Observa el siguiente vídeo, en el te enseñaran como pasar transformar las unidades de temperatura entre si.

PRESIÓN

La presión es la magnitud escalar que relaciona la fuerza con la superficie sobre la cual actúa, es decir, equivale a la fuerza que actúa sobre la superficie. Se le llama Presión, a la reacción inmediata que ejerce un cuerpo sobre otro en relación de peso o fuerza. La presión técnicamente se refiere a dos tipos fundamentales, opresión y compresión, la opresión es comúnmente asociada a la falta de libertad de un sujeto para movilizarse con plena independencia, y la compresión se refiere al esfuerzo o impedimento que realiza un cuerpo sobre otro impidiendo su salida de algún sitio.

La presión de cierto vapor o gas puede provocar la ruptura de algún reactor, así como también en algún instrumento de medición puede arrojar datos relevantes de cualquier estudio. La presión es básicamente usada para determinar procesos en los que la temperatura juega un papel fundamental en la realización de algún experimento con una reacción química.
La presión de un gas se observa mediante la medición de la presión externa que debe ser aplicada a fin de mantener un gas sin expansión ni contracción.

¿ Como se mide la presión?

Un barómetro es un instrumento que se utiliza para medir la presión ejercida por la atmósfera. Un barómetro sencillo consta en un tubo largo de vidrio, cerrado de un extremo y lleno de mercurio. Si el tubo se invierte con cuidado y lo colocamos verticalmente sobre un recipiente que contenga mercurio, de manera que no entre aire en el tubo. El nivel del mercurio en el tubo desciende hasta una altura determinada y se mantiene en ese nivel creando un vacío en el extremo superior

Unidades de presión

Dado que en el Sistema Internacional la unidad de fuerza es el newton (N) y la de superficie es el metro cuadrado (m2), la unidad resultante para la presión es el newton por metro cuadrado (N/m2) que recibe el nombre de pascal (Pa)

Otra unidad muy utilizada para medir la presión, aunque no pertenece al Sistema Internacional, es el milímetro de mercurio (mm Hg) que representa una presión equivalente al peso de una columna de mercurio de 1 mm de altura. Esta unidad está relacionada con la experiencia de Torricelli que encontró, utilizando un barómetro de mercurio, que al nivel del mar la presión atmosférica era equivalente a la ejercida por una columna de mercurio de 760 mm de altura.

Según la teoría cinética, la presión de un gas está relacionada con el número de choques por unidad de tiempo de las moléculas del gas contra las paredes del recipiente. Cuando la presión aumenta quiere decir que el número de choques por unidad de tiempo es mayor.

Observa el siguiente vídeo y aprende a realizar conversiones según las unidades de presión

VOLUMEN

El volumen es el espacio que ocupa un sistema. Recuerda que los gases ocupan todo el volumen disponible del recipiente en el que se encuentran. Decir que el volumen de un recipiente que contiene un gas ha cambiado es equivalente a decir que ha cambiado el volumen del gas.

El volumen corresponde a la medida del espacio que ocupa un cuerpo. La unidad de medida para medir volumen es el metro cubico (m3), sin embargo generalmente se utiliza el Litro (L).
El metro cubico corresponde a medir las dimensiones de un cubo que mide 1 m de largo, 1 m de ancho y 1 m de alto.
La temperatura influye directamente sobre el volumen de los gases y los líquidos:

Si la temperatura aumenta, los sólidos y los líquidos se dilatan.

Si la temperatura disminuye, los sólidos y los líquidos se contraen.

CANTIDAD DE GAS

Otro parámetro que debe considerarse al estudiar el comportamiento de los gases tiene que ver con la cantidad de un gas la cual se relaciona con el número total de moléculas que la componen.

Para medir la cantidad de un gas usamos como unidad de medida el mol .

Como recordatorio diremos que un mol (ya sea de moléculas o de átomos) es igual a 6,022 por 10 elevado a 23

La masa molar de una sustancia pura es la masa que corresponde a 1 mol de dicha sustancia:

LEY DE AVOGADRO
Relación entre la cantidad de gas y su volumen

Esta ley, descubierta por Avogadro a principios del siglo XIX, establece la relación entre la cantidad de gas y su volumen cuando se mantienen constantes la temperatura y la presión. Recuerda que la cantidad de gas la medimos en moles.

Químico y físico italiano. Nació el 9 de junio de 1776 en Turín, Italia y murió el 9 de julio de 1856.

En 1792 se graduó como doctor en derecho canónico, pero no ejerció. En vez de ello, mostró verdadera pasión por la física y la química, y una gran destreza para las matemáticas.

¿Porque ocurre esto?

Ejemplo

Sabemos que 3.50 L de un gas contienen 0.875 mol. Si aumentamos la cantidad de gas hasta 1.40 mol, ¿cuál será el nuevo volumen del gas? (a temperatura y presión constantes)

Solución: Usamos la ecuación de la ley de Avogadro y sustituimos los datos conocidos

3.50L⋅1.4mol=V2⋅0.875mol

Y despejamos V2: V2=5.60L

LEY DE BOYLE

Relación entre la presión y el volumen de un gas cuando la temperatura es constante

Fue descubierta por Robert Boyle en 1662. Edme Mariotte también llegó a la misma conclusión que Boyle, pero no publicó sus trabajos hasta 1676. Esta es la razón por laque en muchos libros encontramos esta ley con el nombre de Ley de Boyle y Mariotte.

Definió la Química como una ciencia y enunció la primera definición moderna de elemento químico, como sustancia que no es posible descomponer en otras

Explicación y ejemplos

LEY DE CHARLES

Relación entre la temperatura y el volumen de un gas cuando la presión es constante

En 1787, Jack Charles estudió por primera vez la relación entre el volumen y la temperatura de una muestra de gas a presión constante y observó que cuando se aumentaba la temperatura el volumen del gas también aumentaba y que al enfriar el volumen disminuía.

Cuando aumentamos la temperatura del gas las moléculas se mueven con más rapidez y tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente. Esto quiere decir que el número de choques por unidad de tiempo será mayor. Es decir se producirá un aumento (por un instante) de la presión en el interior del recipiente y aumentará el volumen (el émbolo se desplazará hacia arriba hasta que la presión se iguale con la exterior).
Lo que Charles descubrió es que si la cantidad de gas y la presión permanecen constantes, el cociente entre el volumen y la temperatura siempre tiene el mismo valor.

V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}

Explicación y ejercicios

LEY DE GAY-LUSSAC

Relación entre la presión y la temperatura de un gas cuando el volumen es constante

Fue enunciada por Joseph Louis Gay-Lussac a principios de 1800.
Establece la relación entre la temperatura y la presión de un gas cuando el volumen es constante.Para una cierta cantidad de gas, al aumentar la temperatura, las moléculas del gas se mueven más rápidamente y por lo tanto aumenta el número de choques contra las paredes por unidad de tiempo, es decir, aumenta la presión ya que el recipiente es de paredes fijas y su volumen no puede cambiar. Gay-Lussac descubrió que, en cualquier momento del proceso, el cociente entre la presión y la temperatura absoluta tenía un valor constante.

Explicación y ejercicios

LEY DE LOS GASES IDEALES

Se define como gas ideal, aquel donde todas las colisiones entre átomos o moléculas son perfectamente elásticas, y en el que no hay fuerzas atractivas inter-moleculares. Se puede visualizar como una colección de esferas perfectamente rígidas que chocan unas con otras pero sin interacción entre ellas. En tales gases toda la energía interna está en forma de energía cinética y cualquier cambio en la energía interna va acompañada de un cambio en la temperatura.
La ley del gas ideal puede ser vista como el resultado de la presión cinética de las moléculas del gas colisionando con las paredes del contenedor de acuerdo con las leyes de Newton. Pero tambien hay un elemento estadístico en la determinación de la energía cinética media de esas moléculas. La temperatura se considera proporcional a la energía cinética media; lo cual invoca la idea de temperatura cinética

LEY GENERAL O COMBINADA DE GASES

La ley combinada de los gases o ley general de los gases es una ley de los gases que combina la ley de Boyle, la ley de Charles y la ley de Gay-Lussac. Estas leyes matemáticamente se refieren a cada una de las variables termodinámicas con relación a otra mientras todo lo demás se mantiene constante. La ley de Charles establece que el volumen y la temperatura son directamente proporcionales entre sí, siempre y cuando la presión se mantenga constante. La ley de Boyle afirma que la presión y el volumen son inversamente proporcionales entre sí a temperatura constante. Finalmente, la ley de Gay-Lussac introduce una proporcionalidad directa entre la temperatura y la presión, siempre y cuando se encuentre a un volumen constante. La interdependencia de estas variables se muestra en la ley de los gases combinados, que establece claramente que:
La relación entre el producto presión-volumen y la temperatura de un sistema permanece constante.

LABORATORIO DE GASES

En el siguiente vídeo podrás ver como se efectuó el laboratorio de gases, según la actividad interactiva brindada por http://www.educaplus.org/gases/index.html

EJERCICIOS

Ley de avogadro

Ley de Boyle

$V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}$
$V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}$
$V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}$

$V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}$
$V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}$ $V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}$ $V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}$ $V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}$ $V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}$ $V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}$ $V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}$ $V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}$ $V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}$ $3.50 L \cdot 1.4 m o l = V_{2} \cdot 0.875 m o l$ $3.50 L \cdot 1.4 m o l = V_{2} \cdot 0.875 m o l$ $3.50 L \cdot 1.4 m o l = V_{2} \cdot 0.875 m o l$
$3.50 L \cdot 1.4 m o l = V_{2} \cdot 0.875 m o l$ $3.50 L \cdot 1.4 m o l = V_{2} \cdot 0.875 m o l$ $3.50 L \cdot 1.4 m o l = V_{2} \cdot 0.875 m o l$

V_{2}

V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}

V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}

V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}

V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}

V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}

V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}

V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}

V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}

V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}

V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}

V_{1} \cdot n_{2} = V_{2} \cdot n_{1}

V_{2}

V_{2}

V_{2}

V_{2}

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