Características Generales de los Gases

TEMA II

                                       ESTADO GASEOSO

Características  Generales de los Gases

Los gases se definen como el estado físico de la materia que tiende a expandirse y comprimirse fácilmente, también se caracteriza por tener bajas densidades. Los gases se estudian generalmente sobre variables macroscópicas tales como: Volumen, temperatura, presión, cantidad de materia, etc.

Los gases, igual que los líquidos, no tienen forma fija pero, a diferencia de éstos, su volumen tampoco es fijo. También son fluidos, como los líquidos. En los gases, las fuerzas que mantienen unidas las partículas son muy pequeñas. En un gas el número de partículas por unidad de volumen es también muy pequeño.

Las partículas se mueven de forma desordenada o aleatorias, se decir tienen libertad de movimiento en el espacio  debido a la gran cantidad de espacios vacíos que existen entre ellas, produciendo  choques  elásticos entre ellas  mismas y con las paredes del recipiente que los contiene. Esto explica las propiedades de expansibilidad y compresibilidad que presentan los gases. La compresibilidad tiene un límite, si se reduce mucho el volumen en que se encuentra confinado un gas éste pasará a estado líquido.

 En cuanto a la miscibilidad, normalmente dos o más gases no reactivos se mezclan por completo de una manera uniforme cuando se ponen en contacto entre sí. Al aumentar la temperatura en los gases las partículas tienen mayor movimiento  y chocan con más energía contra las paredes del recipiente, por lo que aumenta la presión.

Las densidades de los gases son muy bajas, porque sus moléculas se encuentran muy separadas lo que hace que ocupen un volumen grande. El volumen es inversamente proporcional a la densidad. La presión al igual que la densidad, es una de las propiedades que mayormente permite diferenciar al estado gaseoso de los demás estados físicos.

Estas  características de los gases  se derivan de la teoría cinética, la cual también se adapta, aunque de manera diferente, tanto a  sólidos como a  líquidos. En esencia, la teoría cinética establece que el calor y el movimiento están relacionados, que las partículas de toda la materia están en movimiento hasta ciertas condiciones de presión y temperaturas.

Para los gases esta teoría recibe el nombre de teoría cinética molecular de los gases. La teoría cinética molecular de los gases se explica mas adelante en este mismo tema de este material de fisicoquímica para estudiantes de bioanálisis.

Existen Tres Tipos de Presiones:

Presión atmosférica: es la fuerza que ejerce la atmosfera sobre la superficie por unidad de área. Esta presión varía con relación a la altitud sobre el nivel del mar debido a la fuerza de gravedad, ya que las moléculas de los gases que forman la atmosfera están sujetas a la atracción gravitacional de la tierra; por consiguiente la atmosfera es  menos densa a mayor altitud y por ende menos presión. De hecho la densidad del aire disminuye muy rápido al alejarnos del núcleo de la tierra y, cuanto menos denso sea el aire menor es la presión que ejerce.

Dicho de otra forma, la presión atmosférica es una medida que especifica la presión que ejerce la atmósfera de la tierra. Su valor real depende de la localización, la temperatura y las condiciones climáticas de los espacios geográficos.

La atmosfera físicamente es una capa de gases que rodea la tierra los cuales son atraídos por la gravedad dependiendo de la altura. La atmosfera presenta una altura mayor de 100 Km pero más de la mitad de su masa se concentra en los 6 primeros kilómetros.

Los gases que forman la atmosfera tienen una composición porcentual en volumen de 78% de Nitrógeno, 21% de oxigeno y 1% de otros gases. Esta mezcla de gases es lo que constituye el aire. Cabe destacar que esta mezcla de gases vitales, actualmente es tema de preocupación debido a los afectos perjudiciales de sustancias que ocasionan alteraciones en su composición. Tales alteraciones nocivas es lo que se conoce como contaminación atmosférica. El instrumento para medir la presión atmosférica se denomina barómetro. El italiano Torricelli fue el primero en medirla, el valor que él obtuvo fue 760mm de mercurio al nivel del mar.

Presión del gas: es la fuerza ejercida por el gas sobre la unidad de superficie de las paredes del recipiente que lo contiene. Esta presión puede ser mayor o menor que la atmosférica. Si la presión es mayor se dice que es positiva, si por el contrario es menor se dice que es negativa.  El instrumento para medir esta presión se denomina manómetro.

Presión Absoluta del gas: es la  suma de la presión atmosférica con la presión del gas. Si la presión del gas es positiva se suma pero si es negativa se resta. Ejemplo:

Presión Absoluta =  presión Atmosférica + Presión del  gas

Presión Absoluta =  presión Atmosférica - Presión del  gas

Tipos de Manómetros

1.- Manómetros de tubo cerrado: se usa para medir presiones  menores a la presión atmosférica.

2.- Manómetros de tubo abierto: se usa para medir presiones  iguales o mayores a la presión atmosférica.

Gases Ideales

Un gas ideal es aquel donde se asume que:

1. El volumen de las moléculas que conforman un gas es muy pequeño y, por lo tanto, despreciable en comparación con el volumen del recipiente que lo contiene.
2.  Las fuerzas que actúan entre las moléculas que conforman el gas son muy pequeñas. Es decir que se asume, que las moléculas en estado gaseoso no ejercen fuerza alguna entre ellas, ni de atracción ni de  repulsión.
3. Las colisiones de las moléculas son perfectamente elásticas.

Como consecuencia de lo expresado en los párrafos anteriores se ha establecido la ecuación que se conoce con el nombre de Ecuación de los Gases Ideales:  

P V = n R T

           P = presión                 V= volumen del gas          n=  mol del gas

T= temperatura         R (constante de los gases) = 0,082   [pic 1]

El valor de R se obtiene asumiendo que el gas tiene las siguientes condiciones:

P = 1 atm    V = 22,4 L      T = 0 ºC      y     n = 1 mol

Es preciso aclarar que esas condiciones son teóricas, ya que para cada experiencia o ejercicio se tendrán los valores que se obtienen  experimentalmente y que al ser sustituidos en la Ecuación de los Gases Ideales debe dar como resultado  R, el valor señalado anteriormente.

El hidrógeno, oxígeno, nitrógeno  y los gases inertes (He, Ne, Ar, Kr, Xe y Rn elementos ubicados en el grupo VIII-A de la tabla periódica) son los gases que tienden a tener un mejor comportamiento ideal. Y de todos ellos el que más tiende al comportamiento ideal  es el Helio (He).

Los gases que menos tienden a tener  un comportamiento ideal son: CO2 NH3; SO2 y H2O (v)

Es importante destacar que los gases que presentan buen comportamiento ideal si son sometidos a altas presiones  y bajas temperaturas dejan de ser ideales. Ya que se han encontrados grandes desviaciones entre los resultados teóricos y los resultados experimentales.

Leyes de los Gases

El comportamiento de los gases se analiza a través de variables macroscópicas, de acuerdo a leyes que surgieron de las frecuencia de los experimentos, es decir  productos de las experiencias, son leyes empíricas (no se deducen). Generalmente cuando se aplican estas leyes se asume que siguen los gases un comportamiento ideal.

Ley de Boyle.( Robert Boyle)

Esta ley fue anunciada por Boyle en 1662, la cual establece que:

“Cuando una cantidad fija de un gas a temperatura constante se presenta a       diferentes presiones es por que su volumen a variado en proporciones inversas”

En otras palabras el volumen de una cantidad fija de un gas a temperatura constante es inversamente proporcional a su presión.

De donde:  P α              (i)         o      P  =    = P V  (ii)[pic 2][pic 3]

K = constante de proporcionalidad

Entonces como PV = nRT   se deduce que  K = nRT.  (iii)

La ecuación (i)  obedece a un a recta de pendiente positiva que pasa por el origen o punto (o,o)  de un  sistema de coordenadas cartesianas. Donde:

 P (presión) es la variable dependiente

             = (inverso del volumen) es la variable independiente[pic 4]

 Esta recta recibe el nombre de isotérmica. [pic 5]

          P[pic 6]

                                                       [pic 7]

                                                        [pic 8]

La  ecuación de la recta se conoce como:  Y = mX + b        (iv)

Al representar gráficamente los valores de la presión en función del inverso del volumen en un sistema de coordenadas cartesiana, la ecuación (iv) se transforma en:   P = k     +   b[pic 9]

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