Leyes de Gas

Habilidades para Desarrollar

• Explicar las siguientes leyes dentro de la Ley de Gas Ideal

Ley de Boyle

Boyle era un noble irlandés que a menudo se describe como uno de los primeros químicos modernos, a diferencia de los antiguos alquimistas. Sin embargo, muchas de sus ideas y experimentos provinieron de químicos/alquimistas anteriores.

Boyle observó que para una muestra particular de gas a temperatura constante, si se cambia la presión o el volumen, se relacionan la presión inicial y final y el volumen:

\[P_{0}V_{0} = P_{1}V_{1}\]

Esto ahora se llama Ley de Boyle. Posteriormente se demostró que la ley de Boyle es una ley aproximada, no una ley exacta. La mayoría de los gases lo siguen bastante de cerca a presiones normales, pero menos de cerca a presiones grandes.

Un modelo que demuestra cómo el volumen disminuye a medida que aumenta la presión.

Ley de Charles y Temperatura Absoluta

Charles realizó el primer vuelo en solitario en un globo aerostático lleno de hidrógeno. También observó que a presión constante, el volumen de un gas aumenta linealmente con la temperatura. Esto se puede escribir

\[V = kT\]

En particular, aunque no pudo medir volúmenes a temperaturas muy bajas, todas las líneas para diferentes gases apuntaban al mismo punto de temperatura. La temperatura a la que se predijo que cada gas tendría V = 0 fue la misma, aunque las pendientes fueron diferentes. Esta temperatura ahora se llama 0 K = -273 °C, o cero absoluto. Dado que los gases no pueden tener volumen negativo, esta temperatura parece ser especial: la temperatura más baja posible. Aunque de hecho los gases no tendrán volumen cero en cero absoluto (serán sólidos y los sólidos tienen volumen), la teoría moderna todavía considera el cero absoluto especial. De hecho, tenemos que usar la temperatura en Kelvin para cualquier problema de ley de gas.

Un diagrama que muestra cómo aumenta el volumen a medida que aumenta la temperatura.

Hipótesis de Avogadro

Ya lo discutimos antes. Aunque a menudo se llamaba Ley de Avogadro, en realidad era una hipótesis. La hipótesis es que a la misma temperatura y presión, todos los gases tienen el mismo número de partículas (moléculas). Avogadro supuso que esto era cierto basado en la ley de Gay-Lussac, pero no tenía forma de medirlo directamente, por lo que realmente no podía llamarse ley. No obstante, ahora podemos estar bastante seguros de que es aproximadamente cierto.

Ley de Gas Ideal

La Ley de Gas Ideal combina las leyes de Boyle, Charles y Avogadro. La Ley de Gas Ideal dice que

\[PV = nRT\]

donde P es presión, V es volumen, T es temperatura, n es el número de moles y R es la constante molar de gas. Podemos expresarlo de otra manera también:

\[PV = nk_{B}T\]

donde todo es igual excepto n es ahora el número de partículas, y k _B es la constante de Boltzmann. Como puede ver, la constante de gas R es solo la constante de Boltzmann multiplicada por el número de Avogadro (el número de partículas en un mol). La constante de Boltzman proporciona esencialmente un factor de conversión entre la temperatura en K y la energía en J. Debido a que la temperatura y la energía están estrechamente conectadas, k _B aparece en muchas ecuaciones importantes.

Puedes usar la Ley de Gas Ideal para hacer predicciones sobre cómo reaccionarán los gases cuando cambies de presión, volumen o temperatura. Te da una buena intuición para lo que hacen los gases. Las predicciones que hace no siempre son muy precisas: son bastante buenas a temperatura y presión normales, pero en realidad para la mayoría de los trabajos de ingeniería no son lo suficientemente buenas, por lo que la gente usa otras ecuaciones o tablas de datos en su lugar. La Ley del Gas Ideal es una ley científica: describe matemáticamente lo que ocurre bajo ciertas condiciones, en este caso baja presión. En la siguiente sección describiremos la teoría que explica el comportamiento de los gases, que también nos dirá cuándo debemos esperar que la Ley de Gas Ideal sea inexacta.

Se puede utilizar la ley de gas ideal para realizar diversos cálculos, incluso con densidad y masa molar. Tenemos que tener cuidado con las unidades, porque hay tantas unidades de presión. Comprueba que tu valor de R tenga la unidad adecuada para la presión y no esté usando una unidad de energía (porque a veces es conveniente usar unidades de energía para R, pero no en la ecuación de gas ideal). También asegúrate de usar temperatura en K. Por ejemplo de un cálculo, la ley de gas ideal dice que el volumen molar de cualquier gas debe ser casi el mismo, y en condiciones estándar (1 atm y 0 °C) debe estar cerca de 22.4 L.

Enlaces externos

• Khan Academy: Ecuación de gas ideal (10 min)
• Khan Academy: Ecuación de Gas Ideal Ejemplo 1 (10 min)
• CrashCourse Quimitry: Ley de Gas Ideal (12 min)
• CrashCourse Química: Problemas de Gas Ideal (12 min)

Colaboradores y Atribuciones

• Emily V Eames (City College of San Francisco)