UNEFM, Ing. química, Química I, Naturaleza de los gases

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Las Propiedades de los Gases
Naturaleza de los gases
En ciertas condiciones de presión y temperatura, la mayoría de las
sustancias pueden existir en cualquiera de los tres estados de la
materia: sólido, líquido, o gaseoso. En este último estado se
encuentran las sustancias que denominamos comúnmente gases. Un
gas es una sustancia en uno de los tres estados diferentes de la
materia, en el cual las fuerzas de atracción intermoleculares son tan
pequeñas que permiten movimientos rápidos e independientes de las
moléculas.
Los gases presentan las siguientes características:
• Se pueden comprimir a volúmenes más pequeños
• Se expanden sin límite
• Ejercen presión sobre sus alrededores
• Se difunden entre sí
• Las cantidades y propiedades de los gases son independientes
de su composición química, y se definen en función de
temperatura, presión, volumen ocupado y número de moles
presentes
Dado que el estado gaseoso, por numerosa razones, es el más
sencillo (el movimiento molecular de los gases es totalmente
aleatorio y las fuerzas de atracción entre sus moléculas son tan
pequeñas que cada una de ellas se mueve en forma libre y en esencia
independiente de las otras), será en este capítulo nuestro objeto de
estudio.
Nuestra marcha general consistirá en definir ante todo los conceptos
que se usan en el estudio de los gases; luego examinaremos las leyes
en que se sintetiza su comportamiento, para finalmente ocuparnos de
las teorías propuestas como explicación de los hechos observados.

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Propiedades de los gases
Para entender las propiedades de los gases, hace falta primero
repasar ciertos conceptos básicos que nos ayudarán a entender el
comportamiento de las sustancias en este estado.
Volumen
Se denomina volumen de una sustancia al espacio que ocupa. En el
caso de un gas, es igual al del recipiente que lo contiene, y suele
expresarse en litros (L), mililitros (mL) o centímetro cúbicos (cm3
).
Esta última unidad es el volumen de un cubo cuya arista mide un
centímetro.
1 cm
El litro no se deriva de las unidades de longitud, sino que lo definían
antiguamente como el volumen ocupado por un kilogramo de agua a
la temperatura de su máxima densidad, unos 4 o
C.
Un litro contiene casi exactamente 1000 cm3
, y en la mayoría de las
circunstancias se puede considerar a un mililitro (la milésima parte de
un litro) como un centímetro cúbico, aunque en realidad vale
1.000027 cm3
.
El volumen de un líquido o un sólido apenas varía al modificar la
presión o la temperatura, más no es así para los gases. Por ejemplo,
un número fijo de moles de hidrógeno a presión y temperatura
determinada posee un volumen, pero éste toma otro valor cuando
aquellas condiciones cambian. Es por ello que es necesario conocer la
temperatura y la presión a la que se encuentran los gases para poder
conocer el volumen que ocupa una masa dada de gas, o viceversa.

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Cuando se mezclan sólidos o líquidos el volumen final es
sencillamente la suma de los volúmenes de las sustancias mezcladas.
Pero esto no es cierto si se trata de gases; por ejemplo, si se inyecta
hidrógeno en un recipiente que contiene aire, aquel gas se expande
por todo el recipiente, de forma que el aire y el hidrógeno ocupan el
mismo volumen que antes ocupaba el aire solo. Los gases se pueden
mezclar en cualquier proporción, por lo que se dice que son
miscibles.
Los gases son miscibles en todas proporciones y ocupan el espacio
total del recipiente que los contiene.
Figura 1. Cilindro con una mezcla de gases.
El volumen que ocupan 6,022 x1023
moléculas de cualquier gas en
condiciones normales, se denomina Volumen Molar; este tiene un
valor de 22,4 L (el cual resulta de sustituir en la ecuación de estado
las condiciones de temperatura y presión normales)
Temperatura
Nos referimos a la temperatura como la magnitud que mide el nivel
calorífico de una sustancia. Cuando se ponen en contacto dos
sustancias, una más caliente y otra más fría, ambas cambian, en el
sentido de que la segunda se calienta mientras que la primera se
enfría. Este hecho se puede interpretar como un paso de energía
calórica del primer cuerpo al segundo. Así, la temperatura determina

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el sentido del flujo de calor, siempre de la región donde aquella es
más alta a la región donde es más baja.
Las escalas cuantitativas para medir esta magnitud se basan en
ciertas propiedades de la materia que dependen de los cambios de
temperatura, como, por ejemplo, la dilatación. Existen la escala
Centígrada, la escala Fahrenheit y las absolutas (Kelvin y Rankin). La
primera se construye estableciendo dos puntos arbitrarios: el cero
como punto de congelación normal del agua, y el ciento como punto
de ebullición normal dicha sustancia. Debido a la elección arbitraria
del punto cero, son posibles en la escala centígrada temperaturas
negativas. Esta escala no se extiende indefinidamente, sino que tiene
un límite inferior igual a -273.15 º
C, el cual constituye el cero de una
escala absoluta de temperatura. Con frecuencia esta escala absoluta
se denomina Kelvin, por haber sido Lord Kelvin quien la propuso en
1848.
Para pasar de Kelvin a grados Celsius se tiene que:
15.273+C°=K
Para convertir las temperaturas de grados Celsius a Fahrenheit se
emplea la siguiente relación:
32+
5
9
×C=F oo
Para convertir o
F a O
R:
460+F=R oo

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La siguiente tabla resume las ecuaciones que vas a utilizar para las
conversiones entre las unidades de temperatura.
Tabla 1. Ecuaciones que relacionan las escalas de temperatura.
Ejemplo: Si el pronóstico del clima para el día indica que la
temperatura llegará a 30ºC. ¿Cuál es la temperatura que se predice
(a) en K; (b) en ºF?
Solución: Aplicando las ecuaciones correspondientes:
15.273+C°=K
K= 30 + 273.5 = 303.15 K
32+
5
9
×C=F oo
ºF= 30 x (1.8) + 32 = 86ºF.
Ejercicio: El etilenglicol es el ingrediente más importante de un
anticongelante, hierve a 199ºC. ¿Cuál es el punto de ebullición en:
(a) K; (b) ºF?
Presión
Es una propiedad que define el sentido del flujo de masa, así como la
temperatura determina el sentido del flujo de calor. A menos que otra
causa lo impida, la materia tiende siempre a desplazarse desde donde
De a Fahrenheit A Celsius a Kelvin
ºF F (ºF - 32)/1.8 (ºF-32)*5/9+273.15
ºC (ºC * 1.8) + 32 C ºC + 273.15
K (K-273.15)*9/5+32 K - 273.15 K

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está sometida a mayor presión hacia donde la presión es más baja.
Un ejemplo claro los suministra el aire que escapa de un neumático
de un automóvil: se desplaza desde el interior, donde la presión es
mayor, al exterior, donde es menor.
La presión se define cuantitativamente como la fuerza por unidad de
superficie.
Los gases ejercen presión sobre cualquier superficie con la que estén
en contacto. Por ejemplo, el gas dentro de un globo ejerce una
presión sobre la superficie interna del mismo.
Para entender mejor el concepto de presión y las unidades en las
que se expresa, consideremos el caso de un cilindro metálico como el
que muestra la figura.
0.1 m
0.05m
Fuerza gravitacional
Figura 2. Un cilindro de diámetro 0.1 m y de altura 0.05m, de masa
1.06 Kg
Debido a la gravedad, el cilindro ejerce una fuerza sobre la superficie
en la cual descansa. La fuerza ejercida por el cilindro es el producto
de su masa, m, multiplicada por la aceleración, a; en la tierra la
aceleración gravitacional es 9.81 m/s2
; esto es:
F= m x a = 1.06 Kg x 9.81 m/s2
= 10.4 Kg-m/s2
= 10.4 N
rea
uerza
Á
F
=P

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El cilindro tiene un área ( x r2
) de 7.85 x 10-3
m2
; la presión ejercida
por el cilindro es:
rea
uerza
Á
F
=P
2
3
2-3
m
N
10×32.1=
m10×85.7
N4.10
=P
Un N/m2
es la unidad SI de fuerza; se denomina pascal (Pa) y la
equivalencia es 1 Pa = 1 N/m2
.
Presión atmosférica y el barómetro
La presión atmosférica es la presión que ejerce una columna de
aire encima de la tierra.
Figura 3. Ilustración de la forma en la cual la atmósfera de la tierra
ejerce presión en la superficie del planeta.

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La atmósfera también es atraída por la tierra por atracción
gravitacional. Una columna de aire de 1 m2
de sección transversal
tiene una masa aproximada de 10000 Kg y produce una presión de
101.325 KPa. Su valor depende de la localización, la temperatura y
las condiciones climáticas.
También es llamada presión barométrica, porque se mide con un
barómetro. Este es un instrumento para medir la presión atmosférica.
La forma más fácil de medir la presión atmosférica es observar la
altura de una columna de líquido cuyo peso compense exactamente el
peso de la atmósfera. Un barómetro de agua sería demasiado alto
para resultar cómodo. El mercurio, sin embargo, es 13,6 veces más
denso que el agua, y la columna de mercurio sostenida por la presión
atmosférica normal tiene una altura de sólo 760 milímetros.
Figura 4. Barómetro de mercurio inventado por Torricelli. El espacio
en la parte superior está vacío; sólo ocupado por una pequeña
cantidad de vapor de mercurio.

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Barómetro de Mercurio
Un barómetro de mercurio ordinario está formado por un tubo de
vidrio de unos 850 mm de altura, cerrado por el extremo superior y
abierto por el inferior. Cuando el tubo se llena de mercurio y se
coloca el extremo abierto en un recipiente lleno del mismo líquido, el
nivel del tubo cae hasta una altura de unos 760 mm por encima del
nivel del recipiente y deja un vacío casi perfecto en la parte superior
del tubo. Las variaciones de la presión atmosférica hacen que el
líquido del tubo suba o baje ligeramente; al nivel del mar no suele
caer por debajo de los 737 mm ni subir más de 775 mm. Cuando el
nivel de mercurio se lee con una escala graduada denominada nonius
y se efectúan las correcciones oportunas según la altitud y la latitud
(debido al cambio de la gravedad efectiva), la temperatura (debido a
la dilatación o contracción del mercurio) y el diámetro del tubo (por
los efectos de capilaridad), la lectura de un barómetro de mercurio
puede tener una precisión de hasta 0,1 milímetros.
Barómetro Aneroide
Un barómetro más cómodo (y casi tan preciso) es el llamado
barómetro aneroide, en el que la presión atmosférica deforma la
pared elástica de un cilindro en el que se ha hecho un vacío parcial, lo
que a su vez mueve una aguja. A menudo se emplean como
altímetros (instrumentos para medir la altitud) barómetros aneroides
de características adecuadas, ya que la presión disminuye
rápidamente al aumentar la altitud. Para predecir el tiempo es
imprescindible averiguar el tamaño, forma y movimiento de las
masas de aire continentales; esto puede lograrse realizando
observaciones barométricas simultáneas en una serie de puntos
distintos. El barómetro es la base de todos los pronósticos
meteorológicos.

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Figura 5. Barómetro Aneroide.
La presión atmosférica estándar es la que se mide a nivel del mar
a 0°C y es la presión que soporta una columna de mercurio de 760
milímetros de alto, y se emplea para definir la atmósfera como una
unidad de medida.
La presión en milímetros de mercurio (mmHg) es conocida también
como Torr, en honor a Torricelli quien inventó el barómetro. En el
sistema inglés la unidad de presión es el psi (pound square inches)
que significa libras fuerza sobre pulgada cuadrada, y 14.7 psi es
equivalente a 1 atm y a 760 mmHg.
Ejemplo: convertir 0.605 atm a mmHg. b) convertir 3.5 x 10-4
mmHg a psi.
Solución:
a) se debe multiplicar el número de atm por el factor 760 mmHg:
mmHg460=
atm1
mmHg760
×atm605.0
b) para convertir de mmHg a psi multiplicar por 14.7 psi:
=
mmHg760
psi7.14
×mmHg10×5.3 4
5.15 x 10-3
psi

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Pgas = PLiqh
Presiones de gases en recipientes cerrados: manómetros
Se emplean diversos dispositivos para medir las presiones de gases
encerrados en un recipiente. En los laboratorios se utiliza un
dispositivo sencillo llamado manómetro.
La presión Manométrica es la presión medida con un manómetro.
Existen dos tipos: manómetro de rama cerrada y el de rama
abierta.
Manómetro de rama cerrada: para medir presiones inferiores a la
presión atmosférica. La presión se mide como la diferencia de las
alturas h de los niveles de mercurio en las dos ramas:
Se cumple que:
Donde:
Siendo d la densidad del líquido y g la aceleración de la gravedad.
Figura 5. Manómetro de rama cerrada
Manómetro de rama abierta: se emplea para medir las presiones
cercanas a la atmosférica. La diferencia de altura h entre las dos
ramas del manómetro relaciona la presión del gas con la atmosférica.
Liquidogas P=P
h×g×d=PLiq

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La diferencia entre las alturas de los niveles de mercurio en los dos
brazos del manómetro relaciona la presión del gas con la presión
atmosférica. Si la presión del gas confinado es la misma que la
atmosférica, los niveles en las dos ramas son iguales. Si la presión
del gas es mayor, el mercurio sube a una mayor altura en la rama
expuesta a la presión atmosférica. Por otro lado, si la presión del gas
es menor, el mercurio sube en la rama expuesta al gas. No solo se
emplea mercurio, también otros líquidos.
En general se cumple:
Liquidoalturaatmgas P+P=P
Si h = 0
atmgas P=P
Figura 6. Manómetro de rama abierta en dos condiciones.
Ejemplo: Considere un recipiente de gas que tiene adaptado un
manómetro de tubo abierto. El manómetro está lleno con mercurio,
cuya densidad es 13.6 g/mL. Si la rama expuesta a al atmósfera es la
de mayor altura = 12.2 cm, a una presión atmosférica de 0.964 atm
¿cuál es la presión del gas contenido en mmHg?
Solución:
Debemos convertir la presión atmosférica a mmHg:
Las mismas alturas
de líquido en las
ramas...
P atm
Altura mayor en la
rama expuesta a la
atmósfera.
P atm

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mmHg733=
atm1
mmHg760
×atm964.0
Como la presión del gas confinado debe ser mayor que la presión
atmosférica, se cumple:
alturaatmgas P+P=P
Pgas= 733 mmHg + 122 mmHg = 855 mmHg
En la industria para medir presión se utilizan con frecuencia
manómetros de Bourdon. Estos se encuentran en el mercado con
una gran variedad de intervalos de medición.
Es decir, se pueden medir con algunos de ellos presiones tan
elevadas como 5.000 psi y con otros presiones de vacío. Para tener
una idea, la presión de los radiadores de los vehículos es del orden de
los 13 psi más o menos la presión que siente en el cuerpo un buzo a
10 m por debajo de la superficie del mar. Usualmente estos
instrumentos expresan la presión en psi o en bar.
Figura 7. Manómetro de bourdon.
Es necesario señalar que la presión de un sistema dado puede
expresarse de dos formas: La primera se conoce como presión
10
20
30
40
50
60Psi0
10
20
30
40
50
60Psi0

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10
20
30
40
50
60Psi0
manométrica y la segunda como presión absoluta. Para entender la
diferencia entre ambas supongamos tener un manómetro de
bourdon. Si éste se encuentra desconectado y al aire libre en la
orilla del mar, la presión que indica su aguja es cero, pero en realidad
se encuentra sometido a la presión atmosférica. La lectura del
instrumento no toma en cuenta la presión atmosférica por lo que se
dice que la presión que éste reporta es 0 psi manométrica. Sin
embargo, la presión absoluta es 1 atm o 14,7 psi.
Ahora bien, si conectamos el manómetro de bourdon a una
bombona de gas, él reportará una presión, en este caso indica 40 psi,
que es el valor de la presión manométrica. La presión absoluta del
gas que se encuentra en la bombona es 40 psi + 14,7 = 54,7 psi. Por
tal razón, es necesario preguntarse siempre que se hable de la
presión de un gas si ésta es manométrica o absoluta. Para solucionar
el problema en el sistema inglés se utiliza psia y psig para referirse a
la presión absoluta y manométrica respectivamente.
Figura 9. Manómetro de bourdon conectado a una bombona de gas.