Modelo de gas ideal y patrones de comportamiento de gases realesGases

Entendamos la diferencia entre las propiedades de los sólidos, líquidos y gases. Estos tres son estados intercambiables de la materia. Sólidos. Sólido es aquel estado de la materia que tiene una forma fija porque todos sus átomos están fuertemente unidos entre sí. Los átomos no se mueven libremente. Debido a su forma fija, su volumen también es fijo. La fuerza intermolecular entre las partículas de los sólidos es máxima. Por lo tanto, el espacio intermolecular entre las partículas de sólidos es mínimo.

La distancia entre las partículas de los sólidos es pequeña. Esto se debe a que las partículas están dispuestas de forma compacta unas cerca de otras. Estas partículas espaciales intermoleculares estrechamente empaquetadas dan a los sólidos altas densidades. Los átomos en los sólidos están unidos por enlaces fuertes. Por eso los sólidos no son compresibles. ¿Sabes qué es la compresibilidad? La compresibilidad es la medida de cuánto disminuye un volumen dado de materia cuando se coloca bajo presión. Si aplicamos presión sobre los sólidos, prácticamente no hay cambio en el volumen.

Tomemos un ejemplo. Aquí vemos un ladrillo. Tiene una forma definida y un volumen fijo. Los átomos están dispuestos de una manera definida. No se puede comprimir porque no tiene espacio intermolecular libre. Es por eso que el ladrillo tiene alta densidad. Tomemos otro ejemplo. La arena también es sólida ya que tiene una forma y un volumen fijos. Su densidad es alta. Al aplicar presión su volumen no disminuye. Por lo tanto no es comprimible.

Líquidos. Las partículas líquidas están en estrecho contacto. Su espacio intermolecular es menor que el de los gases. Por eso tiene un volumen definido. Pero las partículas líquidas pueden moverse libremente. Por lo tanto no tienen una forma definida. Los líquidos fluyen y llenan la parte inferior del recipiente, tomando su forma. Sin embargo, esto no cambia el volumen. Las partículas líquidas pueden moverse y deslizarse unas sobre otras con mucha facilidad. Por lo tanto toman la forma de la parte del recipiente que ocupan. Las partículas de líquido permanecen cerca unas de otras. Por lo tanto, sólo hay un pequeño aumento de volumen en los líquidos en comparación con los sólidos. ¿Qué opinas de la densidad y compresibilidad de los líquidos?.

La misma masa de líquido tendrá un volumen ligeramente mayor que los sólidos. Esta es la razón por la que un líquido tiene una densidad ligeramente menor que su estado sólido. Pero los líquidos tienen una densidad mucho mayor que la densidad de su estado gaseoso correspondiente. Aunque las partículas están dispuestas aleatoriamente, están muy compactas. Esto da a los líquidos densidades altas pero ligeramente inferiores a las de los sólidos. La compresibilidad es un cambio de volumen con un aumento de presión. Entonces, el volumen de los líquidos disminuye al aplicar presión. Pero esto ocurre en una fracción muy pequeña. Las partículas de líquido están compactadas, aunque un poco sueltas, por lo que se pueden comprimir. Por lo tanto los líquidos son ligeramente compresibles.

Ejemplo 1. El agua es un líquido con volumen fijo pero con una forma definida. Si se coloca en un vaso, toma la forma del vaso. Si se coloca en la botella toma la forma de la botella. Tiene una alta densidad. La leche también es comprimible pero el cambio o disminución de volumen es muy bajo. Ejemplo 2. La sangre también es líquida, no tiene forma y contiene la forma de las arterias que ocupa. Tiene una densidad de 1 g/m, más alta que la de cualquier céspedTambién es comprimible.

Gases. Un gas tiene un espacio intermolecular máximo. Por eso no tiene un volumen definido. Debido a que sus partículas no están compactas, se mueven libremente. Por lo tanto, un gas no tiene una forma definida. Un gas toma la forma del recipiente que lo ocupa. En la mayoría de los casos, no existen fuerzas de atracción entre partículas. Esto significa que un gas no tiene nada que le permita mantener una forma o volumen específico.

La densidad es la masa que ocupa una unidad de volumen a una presión y temperatura específicas. Un gas tiene una densidad despreciable. Es 1000 veces menor que la densidad de un sólido o un líquido. Por lo tanto, los gases suelen tener densidades excepcionalmente bajas. Los gases son altamente compresibles porque la mayor parte del volumen del gas está compuesto de grandes cantidades de espacio entre las partículas del gas. Al aplicar presión el volumen de los gases disminuye.

Ejemplos. Tomemos como ejemplo la soda. En los refrescos hay gas de dióxido de carbono. Este gas también toma forma de botella y volumen donde no hay refresco líquido. Tiene una densidad baja y reside en una botella de refresco por compresión. ¿Sabías que los cables WiFi contienen gas helio? Este gas helio en los cables WiFi toma la forma y el volumen del cable que ocupa. Tiene la densidad más baja y reside en esos cables en forma comprimida.

La ecuación del gas ideal. La ecuación del gas ideal se formula como PV=nRT. También se llama ley de los gases ideales. Es la ecuación de un gas ideal hipotético. Indica una aproximación del comportamiento de muchos gases bajo muchas condiciones. También existen algunas limitaciones. Es una combinación de leyes empíricas como la ley de Charles y la ley de Boyle. Nos ayuda a describir los gases en condiciones particulares. Se aplica para encontrar el volumen y la densidad de los gases.

Esta ecuación también se utiliza para realizar conversiones entre cantidades molares y volúmenes en una ecuación de reacción química. Un gas ideal es un gas hipotético que no se ve en la realidad. Su propósito es simplificar los cálculos. En un escenario de gas ideal, las moléculas o partículas de gas se mueven libremente en todas las direcciones con la colisión elástica entre ellas. En condiciones de gas ideal, no hay pérdida de energía cuando las partículas chocan entre sí.

En realidad no existe tal gas ideal. Todos los gases reales intentan alcanzar propiedades de gas ideales a una densidad suficientemente baja. Las moléculas de gas están muy alejadas unas de otras y no interactúan, lo que ayuda en un caso de baja densidad. Entonces, la hipótesis del gas ideal se utiliza para comprender los gases reales. Si queremos estudiar los gases, necesitamos un gas estándar. Utilizándolo comparamos todos los demás gases y estudiamos sus propiedades. Digamos que queremos estudiar hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, helio o cualquier otro gas. Tomamos un mol de ese gas y lo ponemos en un recipiente. También mantuvimos su temperatura y presión. Luego, a baja densidad, también desaparecen las pequeñas diferencias de medición.

Está demostrado que a bajas densidades los gases reales tienden a comportarse como un gas ideal y obedecen una ley universal conocida como ley de los gases ideales. Esta ley se presenta mediante una ecuación llamada ecuación del gas ideal. PV=nRT. Aquí P es la presión y V es el volumen de los gases ideales. n representa los moles de un gas ideal. T es la temperatura y R es la constante del gas. R tiene un valor fijo de 8.3144(48)JK⁻¹mol⁻¹.

La ley de los gases ideales tiene varias limitaciones. Sólo es aplicable cuando la densidad es baja. A altas densidades, los gases reales se desvían de la ley de los gases ideales. En la ecuación del gas ideal, n representa el total de moles de partículas de gas en una mezcla dada. Mientras que en la ecuación de estados de un gas ideal existe una relación entre propiedades simples que son muy genéricas. La simple ecuación de estado del gas se conoce como ecuación de estado del gas ideal. ¿Puedes calcular el volumen o la presión a partir de la ecuación del gas ideal?.

Ejemplo 1. ¿Cuál será el volumen de gas ocupado por 5 gramos de dióxido de carbono a temperatura y presión estándar? Primero, escribe la ecuación del gas ideal y reorganízala para determinar el volumen. V=nRT/P. Luego calculamos como se ve aquí. Ejemplo 2. Veamos otro ejemplo de búsqueda de temperatura. En estos 0,8 moles de gas oxígeno ocupan 15 litros de 2 atmósferas. Para determinar la temperatura reordenemos la ecuación del gas ideal. T = PV/nR