Propiedades De Los Gases

PROPIEDADES DE LOS GASES

Muchas sustancias familiares para nosotros existen a temperatura y presión normal en forma gaseosa, éstas incluyen muchos elementos (H2, N2, O2, F2, Cl2 y gases nobles) y una gran variedad de compuestos. En condiciones apropiadas las sustancias que ordinariamente son líquidos o sólidos también pueden existir en estado gaseoso y se conocen como vapores. Por ejemplo, la sustancia H2O es común encontrarla como agua líquida, hielo o vapor de agua. Un envase térmico puede contener una mezcla de hielo y agua a 0 C y tener una cierta presión de vapor de agua en la fase gaseosa sobre el líquido y la fase sólida.

Los gases se diferencian en forma marcada de los sólidos y los líquidos en varios aspectos. Un gas se expande hasta llenar el recipiente en el cual está contenido. En consecuencia, el volumen de un gas es dado al especificar el volumen del recipiente que lo contiene. El volumen de los sólidos y los líquidos no está determinado por el recipiente. La conclusión acerca de esto es que los gases son altamente compresibles. Cuando se aplica una presión a un gas su volumen se contrae con facilidad. Los líquidos y los sólidos, no son muy compresibles.

Dos o más gases forman mezclas homogéneas en todas proporciones, independientemente de que tan diferentes sean los gases entre sí. Los líquidos por otra parte, con frecuencia no forman mezclas homogéneas. Por ejemplo, cuando se mezclan el agua y la nafta en una botella, el vapor de agua y el vapor de la nafta forman una mezcla homogénea de gas. Por el contrario, los dos líquidos quedan separados; cada uno se disuelve poco en el otro. Las propiedades características de los gases son explicables en base a las moléculas individuales que se encuentran relativamente separadas unas de otras. En un líquido, las moléculas individuales se encuentran más cercanas una de la otra. En los líquidos, las moléculas están constantemente en contacto con las moléculas vecinas. Estas moléculas experimentan fuerzas de atracción entre sí y tratan de mantenerse unidas dentro del líquido. Sin embargo, cuando un par de moléculas se acercan mucho, las fuerzas de repulsión evitan que se aproximen demasiado. Estas fuerzas de atracción y repulsión difieren de una sustancia a otra. El resultado es que distintos líquidos se comportan de manera diferente. Por el contrario, las moléculas de un gas están bien separadas y no sufren muchas influencias entre sí. Como veremos en forma más detallada, las moléculas de un gas se encuentran en movimiento constante y chocan con frecuencia. Así en el aire la distancia promedio entre las moléculas es 10 veces el tamaño de las mismas. Cada molécula en este estado tiende a comportarse como si no hubiera otras. El grado relativo de aislamiento de las moléculas hace que los diferentes gases se comporten en forma similar, aún cuando se trate de moléculas diferentes.

Presión y temperatura

Entre las propiedades que se pueden medir con más facilidad en un gas están: la temperatura, el volumen y la presión. Esto no es sorprendente, debido a que muchos de los primeros estudios que se hicieron acerca de los gases fueron para ver las relaciones de estas propiedades.

a) Presión

En términos generales, la presión puede relacionarse con la idea de fuerza, o sea algo que tiende a mover un objeto en una dirección determinada. La presión es, de hecho, la fuerza que actúa sobre un área determinada (P=F/A). Los gases ejercen una presión sobre cualquier superficie con la cual están en contacto; por ejemplo, el gas en un globo inflado ejerce una presión sobre la superficie interna del globo.

Para comprender mejor el concepto de presión y las unidades en las cuales se mide, consideremos un cilindro de aluminio. Debido a la fuerza gravitacional, este cilindro ejerce una presión hacia abajo sobre la superficie en la que se encuentra apoyado. De acuerdo con la segunda ley del movimiento de Newton, la fuerza ejercida por un objeto es el producto de su masa, m, por la aceleración, a: F = m.a. La aceleración debida a la fuerza de gravedad de la Tierra es 9,8 m/seg2, si la masa del cilindro es 1,06 kg; la fuerza con que la Tierra lo atrae es:

(1,06 kg) . (9,8 m/seg2 ) = 10,4 kg.m/seg2 = 10,4 Newton

Un kg.m/seg2 es la unidad de fuerza en el sistema internacional (SI) y se llama Newton, abreviado 1 N = 1 kg.m/seg2 .

Si el área de una sección transversal del cilindro es 7,85.10-3 m2; la presión ejercida por el cilindro es:

La unidad estándar de presión en el SI es N/m2 y recibe el nombre de Pascal (Blas Pascal, 1623-1662, matemático y científico francés): 1 Pa = 1 N/m2 .

En la misma forma que el cilindro de aluminio que hemos utilizado en nuestro ejemplo, la atmósfera terrestre también realiza una presión sobre la tierra mediante la atracción de la gravedad. Una columna de aire con sección transversal de 1 m2 que se extienda por la atmósfera tiene una masa aproximada de 10.000 Kg. y produce una presión resultante de 100 KPa :

Por supuesto, la presión atmosférica real en cualquier punto depende de la altura y las condiciones atmosféricas.

La presión atmosférica puede medirse utilizando un barómetro de mercurio como el que se ilustra en la siguiente figura:

Este aparato está formado por un tubo de vidrio de longitud mayor a 76 cm que se encuentra cerrado en uno de sus extremos. El tubo se llena con mercurio y se invierte sumergiéndolo en un recipiente con este metal. Se debe tener cuidado para que al realizar la operación no entre aire al tubo. Cuando el tubo se invierte de esta manera, parte del mercurio sale del tubo, pero parte permanece dentro de la columna.

La superficie de mercurio que se encuentra fuera del tubo sufre la fuerza completa de la atmósfera terrestre por cada unidad de área. Sin embargo, la atmósfera no está en contacto con la superficie de mercurio dentro del tubo. La atmósfera empuja al mercurio haciendo que suba hasta la presión debida al peso del mercurio se iguale a la presión atmosférica. La presión atmosférica estándar que corresponde a la presión característica al nivel del mar, se define como la presión suficiente para soportar una columna de mercurio de 760 mm. de altura. Esta presión que corresponde a 1,01325 . 105 Pa, se utiliza para definir otra unidad de uso común que es una atmósfera (abreviado atm):

1 atm = 760 mmHg = 1,01325 . 105 Pa = 101.325 kPa

Una presión de 1 mm. Hg también se conoce como Torr, en honor al científico italiano Evangelista Torricelli (1608-1647), quien inventó el barómetro: 1 mmHg = 1 torr.

Se usa un aparato denominado manómetro, cuyos principios de operación son similares a los del barómetro, para medir la presión de gases que se encuentran en espacios cerrados. La figura (a) muestra un manómetro de tubo cerrado, éste se utiliza para medir presiones por debajo de la presión atmosférica. La presión es justamente la diferencia en la altura del nivel de mercurio en las dos ramas.

Un manómetro de tubo abierto tal como el que se muestra en la Figura (b) y (c) se utiliza con frecuencia para medir las presiones de gases cercanas a la presión atmosférica. La diferencia en la altura de las columnas de mercurio en los dos brazos del manómetro relaciona la presión del gas con la presión atmosférica. Si la presión del gas que se encuentra encerrado es la misma que la presión atmosférica, el nivel en los dos brazos es el mismo. Si la presión del gas encerrado es menor que la presión atmosférica, el mercurio se encuentra a una altura menor en el brazo que está expuesto a la atmósfera, tal como se ilustra en la Figura (b). Si la presión atmosférica es menor que la presión del gas, el mercurio alcanza un nivel inferior en el brazo que está en contacto con el gas, como se muestra en la Figura (c).

EJERCICIO RESUELTO

Considere un recipiente de gas conectado con un manómetro de tubo abierto. El manómetro no está lleno de mercurio sino de un líquido no volátil, L. La densidad del mercurio es 13,6 g/ml; la de L es 1,05 g/ml. Si las condiciones son similares a las de la Figura (c) con h=12,2 cm cuando la presión atmosférica es 0,964 atm, ¿cuál es la presión del gas que se encuentra encerrado, expresada en mmHg?

Solución: Convirtiendo la presión atmosférica a mmHg tenemos:

760 mm Hg ________ 1 atm

733 mm Hg ________ x = 0,964 atm

La presión que se asocia con una columna de un fluído es: P  . g h . Aplicada al líquido L : PL= 1,05 g/ml . g . 12,2 cm

para expresarla en altura de Hg : PHg = 13,6 g/ml . g .h

Como ambas presiones son iguales, los segundos miembros también lo serán :

1,05 g/ml . g . 12,2 cm = 13,6 g/ml . g .h

Si la situación es similar a la presentada en la Figura (c), la presión del gas encerrado es mayor que la presión atmosférica en la siguiente cantidad:

P = 733 mm. Hg + 9 mm. Hg = 742 mm. Hg

b) Temperatura

La temperatura de un sistema mide el vigor del movimiento de todos los átomos y moléculas del mismo. Así, cuando aumenta la temperatura, también lo hace la violencia de los movimientos moleculares de toda clase.

Existen distintas escalas para la determinación de la temperatura, entre ellas la Celsius y la Kelvin o absoluta (T).

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