Laboratorio quimica para el 15
- 1. GASES
- 2. TABLA DE CONTENIDO ● INTRODUCCIÓN………………………………………………………………… …… ● OBJETIVOS……………………………………………………………………… ……. ● LEY DE BOYLE……………………………………………………………………… ● LEY DE CHARLES…………………………………………………………………….. ● EJERCICIOS…………………………………………………………………… …….. 1. INTRODUCCIÓN El gas es el estado de agregación de la materia que no tiene forma ni volumen propio, es decir, bajo ciertas condiciones de temperatura y presión permanece en estado gaseoso. Principalmente se compone por moléculas que no son atraídas unas por otras, por lo que se mueven en el vacío a gran velocidad y muy separadas unas de otras. Por esta razón es necesario saberlos identificar y ejecutar. 2. OBJETIVOS ● Reconocer cada uno de los gases. ● Saber diferenciarlos y ejecutar la operación correctamente. ● Qué clase de gas corresponde.
- 3. ● Aprender más sobre los gases. ● Plantear fórmulas correctamente. MARCO TEORICO En el presente trabajo se hablará de las leyes de lo gases, principalmente la ley de Boyle Y Charles, haciendo un recorrido por ambas salas. Se verán también los estados de agregación; las condiciones de los átomos o moléculas en los estados líquido, solido y gaseoso. Términos como temperatura, presión, volumen, y la cantidad de gas, serán expuestos con sus correspondientes fórmulas o medidas en las que se trabajan. Marco Teórico LOS ESTADOS DE AGREGACIÓN Los estados de agregación, sólido, líquido y gaseoso, dependen de las condiciones de presión y temperatura a las que estén sometidos. LEY DE BOYLE Relación entre la presión y el volumen de un gas cuando la temperatura es constante Fue descubierta por Robert Boyle en 1662. Edme Mariotte también llegó a la misma conclusión que Boyle, pero no publicó sus trabajos hasta 1676. Esta es la razón por la que en muchos libros encontramos esta ley con el nombre de Ley de Boyle y Mariotte. La ley de Boyle establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante. El volumen es inversamente proporcional a la presión: ● Si la presión aumenta, el volumen disminuye. ● Si la presión disminuye, el volumen aumenta.
- 4. ¿Por qué ocurre esto? 1. Al aumentar el volumen, las partículas (átomos o moléculas) del gas tardan más en llegar a las paredes del recipiente y por lo tanto chocan menos veces por unidad de tiempo contra ellas. Esto significa que la presión será menor ya que ésta representa la frecuencia de choques del gas contra las paredes. 2. Cuando disminuye el volumen la distancia que tienen que recorrer las partículas es menor y por tanto se producen más choques en cada unidad de tiempo: aumenta la presión. 3. Lo que Boyle descubrió es que si la cantidad de gas y la temperatura permanecen constantes, el producto de la presión por el volumen siempre tiene el mismo valor. Fórmulas de la ley de Boyle Esta ley se puede expresar de forma matemática como: P · V = k P es presión V es Volumen (k es una constante cuando Temperatura y masa son constantes). Esta fórmula se puede utilizar para determinar el cambio de presión o temperatura durante una transformación isotérmica de la siguiente manera: P1 · V1 = P2 · V2 Es decir, que el producto entre la presión inicial y el volumen inicial es igual al producto de la presión final por el volumen final. Por ejemplo, si se desea determinar el volumen final, será suficiente dividir P1V1 entre P2. (P1 · V1)/ P2 = V2 Como se puede observar en la siguiente animación, cuando aumenta la presión, el volumen baja y viceversa.
- 5. En este otro gráfico se puede observar que cuando la temperatura disminuye, la hipérbole equilátera (llamada isoterma) “se mueve” hacia la izquierda. Explicación cinética de la Ley de Boyle Cuando aumenta el volumen del recipiente que contiene el gas, la distancia que las partículas deben recorrer antes de colisionar contra las paredes del recipiente aumentan. Esta aumento de distancia hace que las colisiones (choques) sean menos frecuentes, y por lo tanto la presión ejercida sobre las paredes es inferior a la ejercida anteriormente cuando el volumen era inferior. Ejercicios sobre la ley de Boyle 1) Un determinado gas con una presión de 1,8 atm ocupa un volumen de 0,9L. Manteniendo constantes la temperatura, se aumenta la presión del gas a 4,1 atm. Calcular el volumen ocupado por el gas. Teniendo en cuenta la fórmula de la ley de Boyle planteada anteriormente P1 · V1 = P2 · V2 se realizan los cálculos necesarios. (P1 · V1)/ P2 = V2 (1,8atm · 0,9L)/ 4,1 atm = V2 = 0,395L Respuesta: El nuevo volumen ocupado por el gas será 0,395L 2) Un gas que ocupaba 4L de volumen, ha pasado a ocupar un volumen de 3L luego de que la presión ha sido aumentada a 800 mmHg. ¿Cuál era la presión inicial a la que se encontraba el gas? P1 · V1 = P2 · V2 De la cual nos interesa despejar P1. P1 = (P2 · V2) / V1 Sustituimos con los datos proporcionados: P1 = (800 mmHg · 3L) / 4L P1 = 600 mmHg LEY DE CHARLES Relación entre la temperatura y el volumen de un gas cuando la presión es constante ● En 1787, Jack Charles estudió por primera vez la relación entre el volumen y la temperatura de una muestra de gas a presión constante y observó que cuando se aumentaba la temperatura el volumen del gas también aumentaba y que al enfriar el volumen
- 6. disminuía. El volumen es directamente proporcional a la temperatura del gas: Si la temperatura aumenta, el volumen del gas aumenta. Si la temperatura del gas disminuye, el volumen disminuye. ¿Por qué ocurre esto? Cuando aumentamos la temperatura del gas las moléculas se mueven con más rapidez y tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente. Esto quiere decir que el número de choques por unidad de tiempo será mayor. Es decir se producirá un aumento (por un instante) de la presión en el interior del recipiente y aumentará el volumen (el émbolo se desplazará hacia arriba hasta que la presión se iguale con la exterior). Lo que Charles descubrió es que si la cantidad de gas y la presión permanecen constantes, el cociente entre el volumen y la temperatura siempre tiene el mismo valor. De acuerdo con el enunciado, la ley de Charles puede expresarse matemáticamente de la siguiente manera: V1 / T1 = K V = volumen T = temperatura K = Constante que se puede expresar como V1 = K . T1 como se puede observar en la última fórmula, en condiciones de presión constante y número de moles constante, el volumen es directamente proporcional a la temperatura. Si la temperatura aumenta, también aumenta el volumen. Fórmula de la ley de Charles Cuando se desean estudiar dos diferentes estados, uno inicial y una final de un gas y evaluar el cambio de volumen en función de la temperatura o viceversa, se puede utilizar la fórmula: V1 / T1 = V2 / T2 y despejar según la incógnita que se desee resolver. Ejercicios sobre la ley de Charles 1) Si se tienen 0,2 litros de un gas a 30 °C y 1 atm de presión ¿Qué temperatura debería alcanzar para que aumente a 0,3 litros? Los datos son: V1 = 0,2L
- 7. T1 = 30 °C = 303,15 K (que se obtiene sumando 30 + 273,15) P1 = P2 = 1 atm V2 = o,3L T2 = ? T1 . V2 / V1 = T2 (303,15 K . 0.3L) / 0,2L = T2 = 454,7 K = (454,7 – 273,15) = 181,55°C 2) Un gas a una temperatura de -164 ºC, ocupa un volumen de 7,5 litros . Si la presión permanece constante, calcular el volumen inicial sabiendo que la temperatura inicial era de -195 ºC. V1 / T1 = V2 / T2 V1 = ? T1 = -195 ºC = 78,15 K V2 = 7,5 L T2 = -164 ºC = 109,15 K V1 = V2 . T1 / T2 (7,5 . 78,15) / 109,15 = 5,35 L ¿Cómo Resolverlo? Ley de boyle Si la temperatura permanece constante, el volumen de una masa gaseosa es inversamente proporcional a la presión que se le aplica. Es muy probable que al leer el enunciado citado arriba, no lo entiendas del todo, y te doy la razón, está confuso en principio, pero aquí te diré que nos quiere dar a entender. Vamos a establecer matemáticamente el enunciado. Despejando, de tal forma que nos quede la unidad en el miembro derecho, tendremos algo así.
- 8. Introduciendo la constante de proporcionalidad, nos queda que: Ahora, si queremos ver los cambios que experimentará un gas, comúnmente se hace en un estado inicial y final, por lo que la expresión matemática o fórmula de Boyle-Mariotte queda de la siguiente forma. Dónde Presión inicial Volumen Inicial Presión Final Volumen Final Ejemplo: Un gas ocupa 1.5 litros a una presión de 2.5 atm. Si la temperatura permanece constante, ¿Cuál es la presión en mm de Hg, si se pasa a un recipiente de 3 litros? Solución: Al igual que el problema anterior lo que necesitamos es conocer nuestros datos, sin los datos no podemos hacer absolutamente nada, ahora hagamos de nuevo un listado de nuestros datos. 1.5 litros 2.5 atm. ? 3 l Observamos que lo que nos falta es la presión final, por lo que vamos a despejar de la fórmula. Despejando >> Sustituyendo nuestros datos. Tenemos que 1.25 atm. es la presión final de lo que nos pide nuestro problema, sin embargo el mismo problema dice que tenemos que convertir las unidades de
- 9. presión, en este caso atmósferas a mm de Hg para ello haremos una regla de tres. Si 1 atm equivale a 760 mm de Hg, 1.25 atm ¿a cuántos mm de Hg equivaldría? 1 atm ———– 760 mm de Hg 1.25 atm ———— x mm de Hg por lo que 950 mm de Hg es la presión final obtenida en un recipiente de 3 litros. LEY DE CHARLIES Al someter cierta masa de gas a presión constante y la temperatura en aumento, el volumen aumentará, y al disminuir la temperatura, también el volumen disminuirá. Lo he colocado así, para que se entienda lo que el autor intenta explicar, ahora intentemos enfocarnos en la fórmula. Si la presión es constante entonces de la ley general en estado gaseoso tendrá el siguiente cambio: Dónde: T1 = Temperatura inicial
- 10. T2 = Temperatura final V1 = Volumen inicial V2 = Volumen final ¡Muy importante! La temperatura la vamos a medir en grados Kelvin, y el volumen en Te podría decir que hasta acá hemos comprendido la teoría que nos importa o interesa, pero para entender la teoría hay que apoyarnos sin duda de la práctica, es por ello que vamos a ver algunos ejemplos relacionados a esta ley, no sin antes ver cómo se comporta la Ley de Charles en una gráfica. EJEMPLO: Se tiene un gas a una presión constante de 560 mm de Hg, el gas ocupa un volumen de 23 cm³ a una temperatura que está en 69°C . ¿Qué volumen ocupará el gas a una temperatura de 13°C? Análisis: Si nos dice, que es un gas sometido a presión constante, entonces estamos hablando de la Ley de Charles, para esa ley necesitamos dos cosas fundamentales, que serán nuestros datos, que son temperaturas y volúmenes. Datos: V1: El volumen inicial nos dice que son de T1: La temperatura inicial es de 69°C T2: La temperatura final es de 13°C Solución: Para dar inicio a este problema, nos damos cuenta que lo que nos hace falta es el volumen final, o V2, para poder llegar a ello, solamente tenemos que despejar de la fórmula original y ver lo que obtenemos: y aquí algo totalmente importante, y que coloqué de rojo texto atrás, Los problemas de Charles se trabajan en escala absoluta, es decir la temperatura debe estar en grados Kelvin, para ello no es gran ciencia, solo debemos sumar 273 a las temperaturas que tenemos en grados Celcius también conocido como centígrados, quedando de la siguiente forma, Ahora solo nos queda reemplazar en la fórmula de la ley de charles, quedando lo siguiente: Ahora podemos analizar, que mientras la temperatura baje, el volumen disminuirá.
- 11. EJERCICIOS LEY DE BOYLE
- 13. EJERCICIOS LEY DE CHARLES
- 18. LEY DE GASES