Resúmen de química general

Gases II: Leyes de los gases

Introducción

En este artículo estudiaremos las leyes de los gases. Estas leyes han sido el resultado de años de trabajos de investigación, siendo cada una de estas un gran paso en el estudio del comportamiento de los gases.

Ley de Boyle

Esta ley enuncia: la presión de una cantidad fija de un gas a temperatura constante es inversamente proporcional al volumen del gas.

Lo anterior significa que mientras mayor sea la presión, el volumen que ocupa el gas disminuirá,  y viceversa,  siempre y cuando la temperatura sea constante.

Tabla 1. Relación de los valores de presión y volumen obtenidos por Boyle

Presión (mmHg)724869951998123018932250
Volumen (unidades arbitrarias)
1.501.331.221.180.940.610.58

Conforme aumenta la presión disminuye  el volumen, observándose dicha relación hacia la izquierda.

Esta relación se puede escribir matemáticamente de esta forma:

P α 1/V

Recuerda que el símbolo α representa una proporcionalidad la cual  podemos convertir en una ecuación introduciendo una constante de proporcionalidad como se muestra a continuación:

P = k1 * 1/V

Reorganizando la ecuación obtenemos algo como:

PV=k1

Esta forma de la ley de Boyle nos dice que el producto de la presión por el volumen es constante. Como ejercicio de comprensión puedes multiplicar los valores de presión y  volumen de la tabla 1. ¿Qué observas?, ¿ la expresión de la ley de Boyle se cumple?

De lo anterior tenemos que para una muestra de gas sometida a dos conjuntos de condiciones diferentes a una temperatura constante queda:

P1 V1 = P2 V2

Siendo los volúmenes 1 y 2 resultado de las presiones 1 y 2 respectivamente.

 

Ley de Charles y de Gay-Lussac

En el titulo anterior estudiamos una ley donde la temperatura es constante, ahora ¿qué crees que pasaría si comienzas a modificar esta variable?

Fueron los científicos Jacques Charles y Joseph Gay-Lussac quienes estudiaron por primera vez los gases jugando con la modificación de la temperatura llegando a la conclusión que a presión constante y conforme aumentamos la temperatura el gas se expande, o sea, aumenta su volumen y al disminuir la temperatura el gas se contrae o disminuye su volumen.

Al igual que la ley de Boyle podemos jugar con las relaciones para llegar a la expresión que va a describir mejor el fenómeno, primero comenzamos con la relación proporcional de temperatura y volumen.

V α T

 V = k2 T

V/T = k2

La tercera ecuación se conoce como Ley de Charles (también es conocida como Ley de Charles y de Gay-Lussac) y la ley nos dice: que el volumen de una cantidad fija de gas mantenido a presión constante es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas.

Tal como lo describimos la ley de Boyle, podemos comparar dos condiciones de volumen-temperatura para una muestra  un gas a presión constante.

V1/T1 = V2/T2

La ley de Charles no solo expresa la relación volumen-temperatura, también podemos jugar con ella para estudiar una relación presión-temperatura a volumen constante.

P/T = k3

P1/T1 = P2/T2

Ley de Avogadro

La ley de Avogadro establece que a presión y temperatura constantes, el volumen de un gas es directamente proporcional al número de moles del gas presente.

Esto quiere decir que si tenemos presión y temperaturas iguales y constantes, y dos gases que tienen el mismo volumen, estos contienen el mismo número de partículas ( átomos o moléculas).

V= k4n

Donde n es el número de moles.

Consideremos el siguiente ejemplo:

 

3H2 (g) + N2 (g) ———–>2NH3 (g)

3 mol    1 mol                         2 mol

Dado que la ley de Avogadro dice que a presión y temperatura constantes los volúmenes de dos gases son iguales a la cantidad de partículas (mol), tenemos que hay 3 volúmenes para el hidrógeno, 1 volumen para nitrógeno y 2 volúmenes para amoniaco

Conviene que veas el Apéndice A  donde podrás ver los valores de las constantes de proporción utilizadas en este articulo.

Apéndice A

Valor de las constantes de proporcionalidad de cada una de las leyes estudiadas.

Ley de Boyle

k1 = nRT

Donde n es el número de Moles y T es la temperatura dada en grados kelvin ( ver apéndice B)

Ley de Charles para volumen

k2 = nR/P

Ley de Charles para presión

k3= nR/V

Ley de Avogadro

k4 = RT/P

Apéndice B

El cero absoluto

De la ley de Charles se observa que al disminuir la temperatura los gases se condensan hasta ser líquidos.

En 1848 Lord Kelvin identificó la temperatura de -273.15 °C como el cero absoluto, la cual es la temperatura mas baja posible de alcanzar, a partir de esta temperatura construyó una escala de temperaturas absoluta, también llamada escala Kelvin cuya unidad es el kelvin (K).

Los estudios sobre gases donde esta implicada la variación de temperatura se llevan a cabo tomando en cuenta esta escala, es por ello que conviene que sepas la relación entre grado celsius-kelvin a fin que puedas realizar tus conversiones.

0 K = -273.15 °C

Fuente

  1. Chang, Raymond, Química, 10ª Edición, McGraw Hill, México, 2010, Pág. 179-185

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