LABORATORIO DE GASES

GASES

INTRODUCCIÓN:

En esta ocasión nos centraremos en el tema de los gases, para ello realizaremos un laboratorio en el cual podremos observar y practicar sus diversas aplicaciones, además de conocer las diferentes leyes y conceptos vitales para realizar los ejercicios correctamente.

Como experimentaremos en esta unidad los gases son fluidos altamente compresibles, que experimentan grandes cambios de densidad con la presión y la temperatura, lo que los conduce a adoptar la forma y el volumen del recipiente que los contiene.

JUSTIFICACIÓN:

El siguiente blog será de aprendizaje, es decir una forma práctica para que el alumno aprenda y demuestre sus conocimientos por medio de actividades y ejemplos claros sobre los gases.

OBJETIVOS:

• ·        Conocer y diferenciar los diversos conceptos de gases.
• ·        Conocer y diferenciar las Leyes de los Gases.
• ·        Saber ante qué circunstancias se debe aplicar cada Ley.
• ·        Conocer las propiedades de los gases.
• ·        Realizar correctamente cada ejercicio de acuerdo a las indicaciones y características que presente el gas para así mismo hallar la variable que se nos está solicitando.
• ·        Conocer y diferenciar las fórmulas de cada Ley.
• ·        Emplear principios matemáticos básicos (despejar ecuaciones).
• ·        Utilizar correctamente la calculadora y reconocer sus respectivas funciones.
• ·        Reforzar los conocimientos previos acerca de estas Leyes.

MARCO TEÓRICO:

• ·        Qué es un gas? ¿Cuáles son sus propiedades?

Se denomina gas al estado de agregación de la materia en el cual, bajo ciertas condiciones de temperatura y presión, sus moléculas interaccionan solo débilmente entre sí, sin formar enlaces moleculares, adoptando la forma y el volumen del recipiente que las contiene y tendiendo a separarse, esto es, expandirse, todo lo posible por su alta concentración de energía cinética. Las moléculas que constituyen un gas casi no son atraídas unas por otras, por lo que se mueven en el vacío a gran velocidad y muy separadas unas de otras, explicando así las propiedades:

1.    Las moléculas de un gas se encuentran prácticamente libres, de modo que son capaces de distribuirse por todo el espacio en el cual son contenidos. Las fuerzas gravitatorias y de atracción entre las moléculas son despreciables, en comparación con la velocidad a la que se mueven sus moléculas.

2.    Los gases ocupan completamente el volumen del recipiente que los contiene.

3.    Los gases no tienen forma definida, adoptando la de los recipientes que las contiene.

4.    Pueden comprimirse fácilmente, debido a que existen enormes espacios vacíos entre unas moléculas y otras.

A temperatura y presión ambientales los gases pueden ser elementos como el hidrógeno, el oxígeno, el nitrógeno, el cloro, el flúor y los gases nobles, compuestos como el dióxido de carbono o el propano, o mezclas como el aire.

·        ¿Cómo es el comportamiento de un gas?

Para el comportamiento térmico de partículas de la materia existen cuatro cantidades medibles que son de gran interés: presión, volumen, temperatura y masa de la muestra del material.

Para entender mejor el comportamiento de un gas siempre se realizan estudios con respecto al gas ideal aunque este en realidad nunca existe y las propiedades de este son:

1.    Un gas está constituido por moléculas de igual tamaño y masa, pero una mezcla de gases diferentes, no. 

2.    Se le supone con un número pequeño de moléculas, así su densidad es baja y su atracción molecular es nula. 

3.    El volumen que ocupa el gas es mínimo, en comparación con el volumen total del recipiente. 

4.    Las moléculas de un gas contenidas en un recipiente, se encuentran en constante movimiento, por lo que chocan, ya entre sí o contra las paredes del recipiente que las contiene.

·        Conceptos importantes a tener en cuenta:

           

*Estados de Agregación: 

La materia se presenta en tres estados o formas de agregación: sólido, líquido y gaseoso.

Dadas las condiciones existentes en la superficie terrestre, sólo algunas sustancias pueden hallarse de modo natural en los tres estados, tal es el caso del agua.

La mayoría de sustancias se presentan en un estado concreto. Así, los metales o las sustancias que constituyen los minerales se encuentran en estado sólido y el oxígeno o el CO2 en estado gaseoso:

Los sólidos: Tienen forma y volumen constantes. Se caracterizan por la rigidez y regularidad de sus estructuras.

Los líquidos: No tienen forma fija pero sí volumen. La variabilidad de forma y el presentar unas propiedades muy específicas son características de los líquidos.

Los gases: No tienen forma ni volumen fijos. En ellos es muy característica la gran variación de volumen que experimentan al cambiar las condiciones de temperatura y presión.

 *Temperatura: 

La Temperatura es una propiedad de la materia que está relacionada con la sensación de calor o frío que se siente en contacto con ella. Cuando tocamos un cuerpo que está a menos temperatura que el nuestro sentimos una sensación de frío, y al revés de calor. Sin embargo, aunque tengan una estrecha relación, no debemos confundir la temperatura con el calor.

Cuando dos cuerpos, que se encuentran a distinta temperatura, se ponen en contacto, se producen una transferencia de energía, en forma de calor, desde el cuerpo caliente al frío, esto ocurre hasta que las temperaturas de ambos cuerpos se igualan. En este sentido, la temperatura es un indicador de la dirección que toma la energía en su tránsito de unos cuerpos a otros.

Como convertir temperaturas:

°K= °C + 273 (Grados Celsius a grados Kelvin)
°F= 9/5 °C + 32 (Grados Centígrados a grados Fahrenheit)
°C= 5/9 °F - 32 (Grados Fahrenheit a grados Celsius)
R= °C +453 (Grados Celsius a Rankine) 

*Presión:

Se le llama Presión, a la reacción inmediata que ejerce un cuerpo sobre otro en relación de peso o fuerza. La presión técnicamente se refiere a dos tipos fundamentales, opresión y compresión, la opresión es comúnmente asociada a la falta de libertad de un sujeto para movilizarse con plena independencia, y la compresión se refiere al esfuerzo o impedimento que realiza un cuerpo sobre otro impidiendo su salida de algún sitio.

La presión de cierto vapor o gas puede provocar la ruptura de algún reactor, así como también en algún instrumento de medición puede arrojar datos relevantes de cualquier estudio. La presión es básicamente usada para determinar procesos en los que la temperatura juega un papel fundamental en la realización de algún experimento con una reacción química.

La presión de un gas se observa mediante la medición de la presión externa que debe ser aplicada a fin de mantener un gas sin expansión ni contracción.

Efecto de la presión en el volumen de un gas:

Propiedades de la presión en un medio fluido:

1.    La fuerza asociada a la presión en un fluido ordinario en reposo se dirige siempre hacia el exterior del fluido, por lo que debido al principio de acción y reacción, resulta en una compresión para el fluido, jamás una tracción.

2.    La superficie libre de un líquido en reposo (y situado en un campo gravitatorio constante) es siempre horizontal. Eso es cierto solo en la superficie de la Tierra y a simple vista, debido a la acción de la gravedad constante. Si no hay acciones gravitatorias, la superficie de un fluido es esférica y, por tanto, no horizontal.

3.    En los fluidos en reposo, un punto cualquiera de una masa líquida está sometida a una presión que es función únicamente de la profundidad a la que se encuentra el punto. Otro punto a la misma profundidad, tendrá la misma presión. A la superficie imaginaria que pasa por ambos puntos se llama superficie equipotencial de presión o superficie isobárica

.

*Volumen:

El volumen corresponde a la medida del espacio que ocupa un cuerpo. La unidad de medida para medir volumen es el metro cubico (m3), sin embargo generalmente se utiliza el Litro (L).

El metro cubico corresponde a medir las dimensiones de un cubo que mide 1 m de largo, 1 m de ancho y 1 m de alto.

La temperatura influye directamente sobre el volumen de los gases y los líquidos:

·        Si la temperatura aumenta, los sólidos y los líquidos se dilatan.

·        Si la temperatura disminuye, los sólidos y los líquidos se contraen.

Medición de Volumen:

Existen variadas formas de medir volúmenes:

Para medir el volumen de un líquido se pueden utilizar instrumentos como un vaso

Precipitado, probeta, pipeta, matraces, entre otros.

1.    Para medir el volumen de un sólido irregular, se puede utilizar el método por inmersión en agua. Así el volumen del solido será la diferencia entre el volumen final, que se mide cuando el objeto está dentro de una probeta, menos el volumen inicial.

2.    Para medir el volumen de un sólido geométrico se suelen utilizar fórmulas matemáticas. Por ejemplo para medir el volumen de una esfera, un cubo, o un cilindro se utilizan las siguientes formulas.

*Cantidad de gas:

·        Leyes de los gases

                 

-Avogadro:

No fue hasta 1814 cuando Avogadro admitió la existencia de moléculas gaseosas formadas por dos o más átomos iguales. Según Avogadro, en una reacción química una molécula de reactivo debe reaccionar con una o varias moléculas de otro reactivo, dando lugar a una o varias moléculas del producto, pero una molécula no puede reaccionar con un número no entero de moléculas, ya que la unidad mínima de un reactivo es la molécula. Debe existir, por tanto, una relación de números enteros sencillos entre las moléculas de los reactivos, y entre estas moléculas y las del producto.

Según la Ley de los volúmenes de combinación esta misma relación es la que ocurre entre los volúmenes de los gases en una reacción química. Por ello, debe de existir una relación directa entre estos volúmenes de gases y el número de moléculas que contienen.

La ley de Avogadro dice que:

Volúmenes iguales de distintas sustancias gaseosas, medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura, contienen el mismo número de moléculas.

El valor de este número, llamado número de Avogadro es aproximadamente 6,022 × 1023 y es también el número de átomos que contiene un mol de un elemento.

Ejemplo:

Sabemos que 3.50 L de un gas contienen 0.875 mol. Si aumentamos la cantidad de gas hasta 1.40 mol, ¿cuál será el nuevo volumen del gas? (a temperatura y presión constantes)

Solución:
Usamos la ecuación de la ley de Avogadro: V1⋅n2=V2⋅n1

Sustituimos los datos conocidos:
3.50L⋅1.4mol=V2⋅0.875mol

Y despejamos V2:
V2=5.60L

-Boyle:

Ejemplo:

4.0 L de un gas están a 600 mmHg de presión. ¿Cuál será su nuevo volumen si aumentamos la presión hasta 800 mmHg?

Solución:
Sustituimos los valores en la ecuación P1⋅V1=P2⋅V2 y tenemos:
600mmHg⋅4L=800mmHg⋅V2

Y despejando:
V2=3L

-Charles:

Ejemplo:

Un gas tiene un volumen de 2.5 L a 25 °C. ¿Cuál será su nuevo volumen si bajamos la temperatura a 10 °C?

Solución:

Primero expresamos la temperatura en kelvin:

T1 = (25 + 273) K= 298 K

T2 = (10 + 273) K= 283 K

Ahora sustituimos los datos en la ecuación: V1T1=V2T2

2.5L298K=V2283K

Y despejando:

V2=2.37L

-Gay-Lussac:

Ejemplo:

Cierto volumen de un gas se encuentra a una presión de 970 mmHg cuando su temperatura es de 25.0°C. ¿A qué temperatura deberá estar para que su presión sea 760 mmHg? Cierto volumen de un gas se encuentra a una presión de 970 mmHg cuando su temperatura es de 25.0°C. ¿A qué temperatura deberá estar para que su presión sea 760 mmHg?

Solución:

Primero expresamos la temperatura en kelvin:

T1 = (25 + 273) K= 298 K

Ahora sustituimos los datos en la ecuación: P1T1=P2T2P1T1=P2T2

970mmHg298K=760mmHgT2970mmHg298K=760mmHgT2

Si despejas sale T2=233.5K o lo que es lo mismo -39.5 °C.

Gases Ideales:

La ley de los gases ideales es la ecuación de estado del gas ideal, un gas hipotético formado por partículas puntuales sin atracción ni repulsión entre ellas y cuyos choques son perfectamente elásticos (conservación de momento y energía cinética). La energía cinética es directamente proporcional a la temperatura en un gas ideal.

Los científicos empezaron a darse cuenta de que en las relaciones entre la presión, el volumen y la temperatura de una muestra de gas, en un sistema cerrado, se podría obtener una fórmula que sería válida para todos los gases. Estos se comportan de forma similar en una amplia variedad de condiciones debido a la buena aproximación que tienen las moléculas que se encuentran más separadas, y hoy en día la ecuación de estado para un gas ideal se deriva de la teoría cinética. Ahora las leyes anteriores de los gases se consideran como casos especiales de la ecuación del gas ideal, con una o más de las variables mantenidas constantes.

Combinando todas las leyes anteriores se llega a la expresión:

P1 V1 / T1 = P2V2 / T2

Que es la ecuación general de los gases ideales.

Si la cantidad de materia que tenemos es 1 mol en condiciones normales (1atm y 0K) ocupará un volumen de 22,4 L. Esto significa que el producto:

P0 V0 / T0 = 1atm·22,4L / 273 Kmol = 0,082 atm L K-1mol-1 = R

Por esta razón y para n moles siendo las condiciones de presión y temperatura cualesquiera podemos poner que:

Ejemplo: 

Calcular el volumen de 6,4 moles de un gas a 210ºC sometido a 3 atmósferas de presión.

Solución:

Estamos relacionando moles de gas, presión, temperatura y volumen por lo que debemos emplear la ecuación P · V = n · R · T 

V = n · R · T / P = 6,4 · 0,0821 · (273 + 210) / 3 = 84,56 litros

• Ley Generalizada:
• 

La ley combinada de los gases o ley general de los gases es una ley de los gases que combina la ley de Boyle, la ley de Charles y la ley de Gay-Lussac. Estas leyes matemáticamente se refieren a cada una de las variables termodinámicas con relación a otra mientras todo lo demás se mantiene constante. La ley de Charles establece que el volumen y la temperatura son directamente proporcionales entre sí, siempre y cuando la presión se mantenga constante. La ley de Boyle afirma que la presión y el volumen son inversamente proporcionales entre sí a temperatura constante. Finalmente, la ley de Gay-Lussac introduce una proporcionalidad directa entre la temperatura y la presión, siempre y cuando se encuentre a un volumen constante. La interdependencia de estas variables se muestra en la ley de los gases combinados, que establece claramente que:

La relación entre el producto presión-volumen y la temperatura de un sistema permanece constante.

·        P es la presión

·        V es el volumen

·        T es la temperatura absoluta (en kelvins)

·        K es una constante (con unidades de energía dividido por la temperatura) que dependerá de la cantidad de gas considerado

·        Ejemplo: un gas tiene una presión de 600 mmHg, un volumen de 670 ml y una temperatura de 100ºC. Calcular su presión a 200ºC en un volumen de 1,5 litros.

Solución: Tenemos masa constante de gas por lo que podemos aplicar la Ley General de los Gases: P1 · V1/ T1 = P2 · V2 / T2 , donde:

·        P1 = 650 mmHg

·        V1 = 670 ml = 0,67 litros

·        T1 = 100ºC = 373ºK

·        P2 = ?

·        V2 = 1,5 litros

·        T2 = 200ºC = 473ºK

Despejamos P2 :

·        P2 = (P1 · V1 / T1 ) · (T2 / V2)

·        P2 = (650 · 0,67 / 373) · (473 / 1,5) = 368 mmHg

-DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD:

CONCLUSIONES:

  ü Estas leyes son importantes ya que podemos saber diferenciar la presión, la temperatura y el volumen de cualquier cuerpo en estado gaseoso.

ü Este laboratorio nos ayudó por que se aprendieron conceptos y también como aplicarlos.

ü Los ejercicios nos ayudan a reforzar nuestros conocimientos previos.