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Conceptos Básicos de Gases
El movimiento molecular de los gases resulta por completo aleatorio, y las fuerzas de atracción entre sus moléculas son tan pequeñas que cada una se mueve en forma libre y fundamentalmente independiente de las otras.
Sujetos a cambios de temperatura y presión, es fácil predecir el comportamiento de los gases.
Es por ello que en este artículo nos proponemos estudiar los conceptos básicos para el estudio de los gases para luego en posteriores publicaciones explicar las leyes que norman este comportamiento y que han desempeñado una importante función en el desarrollo de la teoría atómica de la materia y la teoría cinética molecular de los gases.
¿Cómo se presenta la materia en la naturaleza?
Como sabrás la materia existe en la Tierra en tres estados físicos: sólido, líquido y gaseoso. En ciertas condiciones de presión y temperatura, es posible que la mayoría de las sustancias existan en alguno de los tres estados de la materia: sólido, líquido o gaseoso.
Veamos un ejemplo, el agua $H_{2}O$ puede estar en estado sólido como hielo, en estado líquido como agua o en estado gaseoso como vapor de agua. Las propiedades físicas de una sustancia dependen a menudo de su estado.
El aire que nos rodea y que necesitamos para vivir tiene una composición porcentual en volumen de aproximadamente 78% de $N_{2}$, 21% de $O_{2}$ y 1% de otros gases, entre los que se encuentra el $CO_{2}$.
A partir de la década de 1990 la química de esta mezcla de gases vitales se volvió un tema relevante debido a los efectos perjudiciales de la contaminación ambiental.
Sustancias que existen como gases
En la figura 1 puedes ver los elementos que son gases en condiciones atmosféricas normales. Observa que el hidrógeno, el nitrógeno, el oxígeno, el flúor y el cloro existen como moléculas diatómicas gaseosas: $H_{2}$, $N_{2}$, $O_{2}$, $F_{2}$ y $Cl_{2}$.
Un alótropo de oxígeno, el ozono ($O_{3}$), también es un gas a temperatura ambiente. Todos los elementos del grupo 8A, gases nobles, son gases monoatómicos: He, Ne, Ar, Kr, Xe y Rn.
Si quieres ver el diagrama de orbitales de los gases nobles o de todos los elementos de la tabla periódica haz click aquí.
Figura 1 Elementos que existen como gases a 25°C y 1 atm (en azul). Los gases nobles (elementos del grupo 8A) son especies monoatómicas. Fuente: Raymond Chang (2013)
Los compuestos iónicos
De acuerdo con Raymond Chang y Kenneth A. Goldsby en Química undécima edición, los compuestos iónicos no existen como gases a 25°C y 1 atm, porque los cationes y aniones en un sólido iónico se hallan unidos por fuerzas electrostáticas muy fuertes, es decir, fuerzas entre cargas positivas y negativas.
Para vencer esas atracciones necesitamos aplicar una gran cantidad de energía, que en la práctica significa calentar demasiado el sólido. En condiciones normales, lo único factible es fundir el sólido, por ejemplo, el NaCl se funde a una temperatura alta: 801°C. Para que hierva se debe elevar la temperatura a más de 1 000°C.
Los compuestos moleculares
El comportamiento de los compuestos moleculares es más variado; algunos, por ejemplo CO, $CO_{2}$, HCl, $NH_{3}$ y $CH_{4}$ (metano), son gases; no obstante, la mayoría son líquidos o sólidos a la temperatura ambiente.
Sin embargo, al calentarlos se convierten en gases con mayor facilidad que los compuestos iónicos. En otras palabras, los compuestos moleculares por lo regular hierven a temperaturas mucho más bajas que los compuestos iónicos.
No hay una regla simple que nos ayude a determinar si cierto compuesto molecular es un gas en condiciones atmosféricas normales. Para hacer tal aseveración es necesario entender la naturaleza y magnitud de las fuerzas de atracción entre las moléculas, denominadas fuerzas intermoleculares.
En general, cuanto más fuertes sean esas atracciones, menor es la posibilidad de que un compuesto exista como gas a la temperatura ordinaria.
Comparación de sólidos, líquidos y gases
La mayor parte de las sustancias, pero no todas, pueden existir en los tres estados. Cuando se calientan, la mayoría de los sólidos se convierten en líquidos y la mayoría de los líquidos se convierten en gases.
Según Kenneth Whitten, Raymond Davis en Química Octava Edición, los gases y líquidos se conocen con el nombre de fluidos porque fluyen con libertad; los sólidos y líquidos suelen llamarse fases condensadas porque tienen densidades mucho más grandes que las de los gases.
En la tabla 1 aparece la densidad de unas cuantas sustancias comunes en estado físico diferente.
Como puedes ver en la tabla 1, los sólidos y líquidos son mucho más densos que los gases; ya que las moléculas están muy separadas en los gases y mucho más cerca en los líquidos y sólidos.
Veamos por ejemplo, el volumen de un mol de agua líquida es casi de 18 mililitros, en tanto que un mol de vapor de agua ocupa casi 30 600 mililitros a 100 °C a presión atmosférica.
Algunas características de los gases
Varios científicos —en forma notable Torricelli (1643), Boyle (1660), Charles (1787) y Graham (1831)— sentaron las bases experimentales en las que se basa nuestra comprensión actual sobre los gases. Sus investigaciones mostraron que
- No tienen forma definida. Toman la forma del recipiente.
- No tienen volumen definido por eso llenan completamente el recipiente que los contiene.
- Los gases se comprimen con facilidad a volúmenes pequeños; es decir, su densidad puede acrecentarse por un aumento de presión.
- Los gases ejercen presión sobre sus alrededores.
- Tienen baja densidad.
- Los gases se difunden entre sí, de modo tal que cuando se colocan muestras de gases en el mismo recipiente se mezclan por completo; por el contrario, los diferentes gases de una mezcla no se separan en reposo.
- Constan de partículas extremadamente separadas unas de otras y muy desordenadas.
- Las partículas constituyentes se mueven aleatoriamente en las tres dimensiones.
- Las variables que caracterizan al estado gaseoso son la temperatura, el volumen, la presión y el número de moléculas presentes.
Presión
La presión está definida como fuerza aplicada por unidad de área.
Para poder comunicar alguna acción a un líquido, éste deberá estar encerrado en un recipiente, el cual tenga una pared móvil denominada émbolo (normalmente una tapa móvil) que sirve para empujar al líquido en toda su superficie, como por ejemplo una jeringa o un pistón de automóvil.
Figura 3. Al empujar el émbolo de la jeringa el fluido sale expulsado por el orificio de la aguja.
Con el ejemplo anterior, podemos decir entonces que la presión sobre un fluido se produce cuando aplicamos una fuerza perpendicular sobre una superficie, distribuida sobre el área de la misma.
La representación simbólica matemática de esta relación es:
$$ P=\dfrac{F}{A} $$
El símbolo F representa la intensidad de la fuerza aplicada perpendicular a la superficie de área A.
Presión de un gas
Los gases ejercen presión sobre cualquier superficie con la que entren en contacto, ya que las moléculas gaseosas se hallan en constante movimiento.
Unidades del Sistema Internacional (SI) para la presión
La presión es una de las propiedades de los gases que se mide con mayor facilidad. Para entender cómo se mide la presión de un gas, conviene saber cómo se obtienen las unidades de medición.
Empezaremos con la velocidad y la aceleración.
La velocidad se define como el cambio en la distancia en función del tiempo,
$$ velocidad=\dfrac{distancia \, recorrida}{tiempo \, transcurrido} $$
La unidad del SI de velocidad es m/s.
La aceleración es el cambio de velocidad en función del tiempo,
$$ aceleración = \dfrac{cambio \, en \, la \, velocidad}{tiempo \, transcurrido} $$
La aceleración se mide en $ m/s^{2} $
La segunda ley del movimiento, formulada por Newton, define otro término, llamado fuerza, del cual se derivan las unidades de presión. De acuerdo con esta ley,
$$ fuerza=masa\times aceleración $$
En este contexto, la unidad del SI de fuerza es el newton (N), donde
$$ 1\, N = 1 \, kg\, m/s^{2} $$
Por último, la presión se define como la fuerza aplicada por unidad de área:
$$ Presión=\dfrac{Fuerza}{Area} $$
La unidad SI de presión es el pascal (Pa), que se define como un newton por metro cuadrado:
$$ 1\, Pa = 1 \, N/ m^{2} $$
Unidades para la presión en otros sistemas
Otras unidades de uso frecuente para expresar la presión, en el área de la ingeniería, la tecnología, la medicina y la ciencia son las siguientes:
- 1 mmHg (milímetro de mercurio) = 133 Pa
- 1 atm (atmósfera) = 1,01x$10^{5}$ Pa
- 1 torr (torricelli) = 1 atm
- 1 kgf/$cm^{2}$ (kilogramo fuerza por centímetro cuadrado) =14,2 lb/$plg^{2}$ (libra por pulgada cuadrada)
Presión atmosférica
A partir del concepto de presión, podemos estudiar otros fenómenos. Por ejemplo sabemos que cualquier sustancia es atraída por la Tierra, incluso la atmósfera. Debido a esto, la capa atmosférica que envuelve a la Tierra y que alcanza una altura de decenas de kilómetros, ejerce una presión sobre los cuerpos inmersos dentro de esta capa.
La presión atmosférica es la presión que ejerce la atmósfera de la Tierra. El valor real de la presión atmosférica depende de la localización, la temperatura y las condiciones climáticas.
La presión atmosférica disminuye con la altura y lo podemos experimentar cuando subimos.
Por ejemplo, al Pico Bolívar (4978 metros sobre el nivel del mar) en el estado Mérida (Venezuela), a medida que estamos más alto empezamos a sentir que el aire nos falta, esto se debe a la disminución de la presión atmosférica.
En la figura 4 se puede observar cómo varía la presión atmosférica con la altura, tomando como referencia el monte Everest (8848 metros sobre el nivel del mar), el cual es el más alto de la Tierra.
¿Cómo se mide la presión atmosférica?
El barómetro de mercurio es un dispositivo sencillo para medir la presión atmosférica. Básicamente un barómetro es un tubo de vidrio lleno de mercurio e invertido cuidadosamente en un recipiente que también contiene mercurio (ver figura 5).
La presión atmosférica estándar (1 atm) es igual a la presión que ejerce una columna de mercurio exactamente de 760 mm (o 76 cm) de altura a 0°C al nivel del mar.
En otras palabras, la presión atmosférica estándar es igual a la presión de 760 mmHg, donde mmHg representa la presión ejercida por una columna de mercurio de 1 mm de altura.
La unidad de mmHg también se llama torr. Así
1 torr = 1 mmHg y
1 atm = 760 mmHg
La relación entre atmósferas y pascales es
1 atm = 101 325 Pa
1 atm = 1.01325 $\times 10^{5} $ Pa
Manómetro
Un manómetro de mercurio consiste en un tubo en forma de U que se llena en forma parcial con mercurio; un extremo está abierto a la atmosfera y el otro se conecta a un recipiente que contiene gas (vea figura 6 a y b).
Figura 6. Manómetro de mercurio
a) En esta muestra, la presión del gas dentro del matraz es mayor que la presión atmosférica externa.
A nivel de la superficie inferior de mercurio, la presión total sobre el mercurio del extremo izquierdo debe ser igual a la presión total sobre el mercurio del extremo derecho.
La presión que ejerce el gas es igual a la presión externa más la presión que ejerce la columna de mercurio de altura h mm o
Pgas (en torr) = Patm (en torr) + h torr.
b) Cuando la presión del gas que se mide en el manómetro es menor que la presión atmosférica externa, la presión que ejerce la atmosfera es igual a la presión del gas más la presión que ejerce la columna de mercurio, o
Patm = Pgas + h.
Puede hacerse el reordenamiento para escribir
Pgas (en torr) = Patm (en torr) – h torr.
Sigue atento al blog que dentro de poco estaremos publicando nuevos contenidos que contribuirán a tu formación.
En las próximas entradas haremos uso de este tema para resolver explicar las leyes que norman el comportamiento de los gases y que han desempeñado una importante función en el desarrollo de la teoría atómica de la materia y la teoría cinética molecular de los gases.
Esperamos que la información sea de tu agrado y te ayude.
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