Title: Unidad 5
Course: Química Plus + 2 BGU

Los gases

Durante mucho tiempo, la humanidad creía que el aire, al igual que el agua, la tierra y el fuego era un elemento. Al ser casi intangible e invisible, al ser humano se le olvidaba la existencia del aire, recordando su presencia únicamente cuando sentía la fortaleza del viento o le faltaba la respiración.

Solo hasta hace unos pocos siglos se comprendió que el aire era un conjunto de sustancias llamadas gases. Incluso en la actualidad se cree que el espacio que rodea los cuerpos y los objetos que están en la Tierra está vacío; sin embargo, ese espacio está lleno de millones de partículas inquietas, que se mueven constantemente y chocan todo el tiempo.

   Objetivos

1. O.CN.Q.5.1. Reconocer la importancia de la Química dentro de la ciencia y su impacto en la sociedad industrial y tecnológica, para promover y fomentar el Buen Vivir asumiendo responsabilidad social.
2. O.CN.Q.5.2. Demostrar conocimiento y comprensión de los hechos esenciales, conceptos, principios, teorías y leyes relacionadas con la Química a partir de la curiosidad científica, generando un compromiso potencial con la sociedad.
3. O.CN.Q.5.11. Evaluar, interpretar y sintetizar datos e información sobre las propiedades físicas y las características estructurales de los compuestos químicos, para construir nuestra identidad y cultura de investigación científica.

   La Química y las profesiones

El bioquímico clínico

Este profesional realiza análisis investigativo relacionado con la microbiología, inmunología, hematología, parasitología. Puede adaptar la tecnología existente en función de las necesidades, además de crear nuevas tecnologías de análisis para muestras humanas y de animales. Contribuye en programas de prevención de salud.

También trabaja en control de calidad de los procesos de laboratorio, en la correcta adaptación de las tecnologías empleadas y en la publicación de investigaciones científicas que mejoran la calidad de la vida humana.

Universidades que ofertan esta carrera: Universidad Central del Ecuador, PUCE y Universidad Internacional.

Conocer más acerca de esta carrera en:

www.mayedu.ec/quim2/p141

Los gases y los otros estados de agregación de la materia

I CN.Q.5.1.1. Analizar y clasificar las propiedades de los gases que se generan en la industria y aquellos que son más comunes en la vida y que inciden en la salud y el ambiente.

D CN.Q.5.1.2. Examinar las leyes que rigen el comportamiento de los gases desde el análisis experimental y la interpretación de resultados, para reconocer los procesos físicos que ocurren en la cotidianidad.

● Los gases y los otros estados de agregación de la materia

Saberes previos

¿Por qué cuando hay un escape de gas, este puede copar una habitación en pocos minutos?

Desequilibrio cognitivo

¿Cómo se puede estudiar algo que no tiene forma y que no se ve?

En la naturaleza encontramos a la materia en diferentes estados de agregación:

- Sólido. Los cuerpos sólidos poseen forma definida, la atracción entre las moléculas es fuerte y permite solo una mínima movilidad entre ellas.
- Líquido. Los cuerpos líquidos pueden adaptar la forma al recipiente que los contiene, las fuerzas de atracción están en equilibrio a las fuerzas de repulsión, lo que permite movilidad entre las moléculas y al mismo tiempo logran mantenerlas unidas.
- Gaseoso. Los cuerpos en estado gaseoso no poseen forma, las moléculas parecen no atraerse y tienden a distanciarse unas de otras; su movimiento es al azar.
- Plasma. Los materia en estado de plasma poseen altas energías, sus moléculas son iones libres que vibran con altas frecuencias. La mayor parte de la materia del Universo se halla en estado de plasma.
- Bose-Einstein. Los cuerpos se hallan en un estado de mínima energía, llamado estado fundamental; su temperatura es cercana al cero absoluto; fluyen sin ser afectados por la gravedad.

Estrategias para resolver problemas

Uno de los momentos más importantes para resolver un problema es analizar, explorar y razonar. Tómate un tiempo adecuado para ello.

Existen sustancias que pueden presentarse en varios estados de agregación y otras que solo pueden existir en uno o dos de los estados de agregación.

▲ Cuerpo gaseoso conformado por moléculas en movimiento al azar.

Postulados de la Teoría Cinético-molecular de los gases

La teoría Cinético-molecular propone que las moléculas que forman los cuerpos están en constante movimiento.

1. Las moléculas o átomos que componen un cuerpo gaseoso son partículas muy pequeñas, en relación a su tamaño; se hallan a grandes distancias unas de otras.

Cuando se observa un cuerpo gaseoso, las moléculas o átomos que lo constituyen se comportan de forma similar, siguiendo leyes establecidas, es por eso que se las considera partículas, no importando en dicho comportamiento su composición química. El hecho de que existan esas grandes distancias entre las moléculas de los gases hace que ellos presenten la propiedad de ser compresibles, es decir, que se los pueda comprimir o reducir su volumen.

1. Las partículas gaseosas se hallan en continuo movimiento rectilíneo. Este movimiento es rápido y al azar.

Laboratorio casero

Durante una semana, observa a tu alrededor, ¿qué cuerpos gaseosos y vapores están en contacto contigo? Realiza en tu cuaderno de asignatura una lista con sus nombres, puedes emplear nombres comunes como humo de cigarrillo.

La trayectoria que sigue una partícula gaseosa es rectilínea. La dirección y sentido varía luego de un choque contra otra partícula u objeto que se halle en su trayectoria.

1. Las fuerzas de atracción entre las partículas es casi nula.

Entre las partículas de los gases casi no existe atracción, en la mayoría de veces debido a que las moléculas presentan ausencia de polaridad.

1. Los choques que se producen entre las partículas, con otros objetos o recipientes que contienen a los gases, son perfectamente elásticos.

Cuando las partículas de los gases se chocan, la cantidad de movimiento entre ellas se conserva, nunca se detienen.

1. En los cuerpos gaseosos, la presión del gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta.

Laboratorio casero

En una botella PET coloca un cuarto de agua, lo más caliente posible, sin que esa temperatura deforme la botella. Luego desaloja toda el agua y tapa la botella.

Observa la botella luego de 10 minutos. Describe qué sucede con el volumen del gas que se hallaba dentro de ella.

Los vapores y los gases

Cuando se eleva la temperatura, muchas sustancias se convierten en vapor antes de alcanzar el estado gaseoso, otras solo pueden alcanzar el estado de vapor antes de convertirse en otra sustancia. Los vapores son cuerpos muy parecidos a los gases, en general se comportan obedeciendo las mismas leyes; la principal diferencia radica en que un vapor al disminuir la temperatura se condensa, y un gas real no lo hace. Para alcanzar el estado líquido, un gas requiere de muy bajas temperaturas y enormes presiones.

Las variables de los gases

Cuando se estudia o analiza un cuerpo gaseoso, se pueden tomar medidas del volumen que ocupa, la temperatura que presenta y de la presión que ejerce. A estas tres magnitudes se las denomina variables de los gases.

El volumen de un gas

El cuerpo gaseoso está constituido de moléculas que presentan fuerzas de atracción casi nulas, esto hace que las partículas tiendan a distanciarse entre ellas, provocando que el cuerpo gaseoso ocupe todo el espacio disponible.

Al mismo tiempo, el hecho de que las distancias entre las moléculas de los gases sean enormes en comparación al tamaño de las partículas, hace que los gases presenten dos propiedades exclusivas:

- Ser compresibles, es decir, que se los pueda comprimir o reducir su volumen.
- Pueden ser licuados, o sea, reducir su volumen hasta conseguir que el gas se presente en estado líquido, mediante la aplicación de grandes presiones y bajas temperaturas. Las moléculas de un gas licuado siempre tienden a volver a su estado caótico, es por este motivo que las bombonas de gas debe ser tratadas con ciertas precauciones, como no calentarlas, golpearlas, perforarlas, rodarlas.

▲ Las bombonas de gas de uso doméstico, industrial o médico, contienen gas licuado. Ellas pueden contener metano, acetileno, nitrógeno, helio, oxígeno.

Los gases, al igual que los cuerpos en otro estado de agregación, ocupan un volumen. El volumen de los gases puede ser medido en diferentes unidades. Para el estudio de este tema, se utilizará la unidad de litro (L), por lo tanto es conveniente aprender a convertir otras unidades en litros.

Equivalencias del litro y conversión de unidades

1 litro
1 000 mL | 1 000 cm^3 | 1 dm^3 | 1 x 10^–3 m^3

Otra unidad de volumen empleada es el metro cúbico (m^3), cuya equivalencia es 1 000 litros o 1 000 dm^3.

Problema resuelto y propuesto

a) Convertir 5,4 galones a litros.

b) Convierte a litros 1,2 m^3.

Masa molar y condiciones normales

D CN.Q.5.1.2. Examinar las leyes que rigen el comportamiento de los gases desde el análisis experimental y la interpretación de resultados, para reconocer los procesos físicos que ocurren en la cotidianidad.

I CN.Q.5.2.10. Calcular y establecer la masa molecular de compuestos simples a partir de la masa atómica de sus componentes, para evidenciar que estas medidas son inmanejables en la práctica y que por tanto es necesario usar unidades de medida mayores, como el mol.

I CN.Q.5.2.11. Utilizar el número de Avogadro en la determinación de la masa molar de varios elementos y compuestos químicos, y establecer la diferencia con la masa de un átomo y una molécula.

● Masa molar y condiciones normales

Saberes previos

¿Qué ocurre si se arroja un desodorante en spray al fuego, luego de pocos minutos?, ¿por qué ocurre eso?

Desequilibrio cognitivo

¿Será posible conocer el comportamiento de los gases y predecir qué volumen van a ocupar cuando la temperatura se aproxime al "\( \oslash \)" absoluto?

Antes de explicar lo que son las condiciones normales o estándar de los gases, debemos comprender dos conceptos importantes en el estudio de los gases: la temperatura absoluta y la presión de un gas.

Temperatura absoluta

La temperatura es una medida de la energía cinética de las moléculas, es decir que mientras más movimiento presenten las moléculas dentro de un cuerpo, más elevada será su temperatura.

En nuestro país la temperatura se la mide en la escala Celsius (°C); por ejemplo, decimos que el agua hierve a 100°C. Para la percepción de nuestros sentidos 0,0°C es una temperatura muy baja, esto se debe a que somos organismos vivos y requerimos de ciertas temperaturas ambientales para funcionar adecuadamente; sin embargo para el Universo 0,0 °C representa 273 grados contados desde el cero absoluto. Cero absoluto quiere decir que los átomos, moléculas y partículas no poseen energía cinética. Cuando la temperatura es medida desde el cero absoluto, se la denomina temperatura absoluta y la unidad de medida es el Kelvin (K).

Problema resuelto y propuesto

1. La temperatura corporal del ser humano es 97,7°F, expresa esta medida en la escala Celsius y Kelvin.
2. La temperatura promedio del Universo es 3 K, establece este valor en la escala Celsius y Fahrenheit.

Existen otras escalas de temperatura, entre ellas está la escala Fahrenheit (°F). En el estudio de los gases se utilizará la escala Kelvin o temperatura absoluta.

Fórmulas para transformar escalas de temperatura | Punto de ebullición y congelación del agua en las diferentes escalas termométricas, y en relación con el cero absoluto
°F = (1,8 × °C) + 32 |
°K = °C + 273
°C = K – 273

Interdisciplinariedad

Química y deporte

En el año 2007, se había puesto sobre discusión si las ciudades que se hallan a grandes alturas sobre el nivel del mar, como Quito, Cusco, Bogotá y La Paz, debían ser sedes para los partidos internacionales de fútbol. Esto se debía a que los jugadores de países con alturas bajas, como Argentina, Brasil y Holanda, presentaban poca resistencia al cambio de presión atmosférica.

Comenta con tus compañeros qué opinan sobre esta discusión.

La presión del gas

En un gas cada partícula está chocando constantemente. Varios de estos choques se producen contra el recipiente que contiene el gas o contra los objetos que se hallan en contacto con el gas. Los choques ejercen una fuerza sobre las superficies; a la sumatoria de estas minúsculas fuerzas ejercidas sobre la superficie donde se realizan los choques se denomina presión del gas.

Una de las presiones gaseosas más conocidas es la presión atmosférica, cuyo valor a nivel del mar es de una atmósfera  (1 atm).

A medida que se asciende, la presión atmosférica va disminuyendo, por ejemplo en Quito su valor aproximado puede ser 0,69 atm.

La unidad más común para medir la presión de los gases es la atmósfera (atm), por tanto se hace necesario convertir las otras unidades de presión en atmósferas de presión.

Problema resuelto y propuesto

1. La presión atmosférica de Quito es aproximadamente 71 770 Pa. Expresar la presión en atm.
Factor de conversión.

1. La presión promedio que ejercen los alveolos pulmonares en la inspiración es de 757 mmHg, establece este valor en atm.

Cuadro de equivalencias de unidades de presión
1 atm equivale a:
760 mmHg | 760 Torr | 14,7 lb/pie^2 | 1,01 x 10^5 Pa
Milímetros de mercurio | Torricellis | Libra por pie^2 | Pascales

Condiciones normales o estándar

Cuando se miden magnitudes de fenómenos físicos, químicos o biológicos, como el volumen, densidad, puntos de ebullición, entre otros, estos varían de acuerdo con las condiciones de presión y temperatura; por tal motivo, se ha establecido convencionalmente ciertas condiciones que permitan obtener mediciones más precisas y de referencia para todos los campos en que se requiera contrastar información científica.

A estas condiciones se las denomina condiciones estándar de presión y temperatura (TPE) o condiciones normales (CN); su uso es muy extendido en diversos campos; los valores se detallan en el siguiente cuadro:

Presión estándar o normal | 1 atm
Temperatura estándar o normal | 273 K

Humor

Fuente: http://subcultura.es/webcomics/cuadernodebitacora/194267.png

Condiciones normales de los gases y masa molar

Ley de Avogadro

“El volumen de un gas a temperatura y presión constante es proporcional al número de moles (n)” (Burns, 2011, pág. 357).

La Ley de Avogadro nos indica que el volumen que presenta un gas solo dependerá de la cantidad de moles que contenga, si, y solo si, las condiciones de temperatura y presión no cambien.

Volumen molar de los gases

Si un mol de cualquier gas es sometido a condiciones de presión y temperatura estándar, ocupa un espacio de 22,4 L. A este volumen se conoce como volumen molar; además, este valor nos permite calcular el volumen de cualquier masa gaseosa en TPE.

Para calcular el volumen de una determinada masa gaseosa en TPE se utiliza la proporción 1 mol: 22,4 L.

Recordemos que un mol de cualquier sustancia contiene 6,023 x 10^23 entidades fundamentales (moléculas, gramos, iones, entre otros), por lo tanto el volumen molar también contiene este mismo valor de entidades fundamentales.

Problema propuesto

Determina: ¿cuántos gramos de dióxido de carbono se hallan contenidos en un tanque de 60 L de capacidad, que se halla a TPE?

Problema resuelto

Determinar el volumen que ocupan 30,0 g de amoniaco en condiciones estándar y el número de moléculas contenidas en esa cantidad de sustancia.

Datos | Resolución
mNH_3:
30,0 g
TPE
1. Convertimos los gramos a moles de NH_3
2. Calculamos el volumen del NH_3 usando el volumen molar.
^
3. Calculamos el número de moléculas
^

Leyes de los gases

I CN.Q.5.1.1. Analizar y clasificar las propiedades de los gases que se generan en la industria y aquellos que son más comunes en la vida y que inciden en la salud y el ambiente.

D CN.Q.5.1.2. Examinar las leyes que rigen el comportamiento de los gases desde el análisis experimental y la interpretación de resultados, para reconocer los procesos físicos que ocurren en la cotidianidad.

● Leyes de los gases

Saberes previos

Un cilindro de gas de 15 kg
abastece a 3 personas que cocinan a diaro por un mes. ¿Cómo puede rendir tanto si el cilindro es pequeño?

Desequilibrio cognitivo

¿Qué variable hace que el volumen de un gas aumente o disminuya?

El comportamiento de un cuerpo gaseoso se puede observar a través de su presión, temperatura y volumen. Las leyes de los gases pretenden determinar cómo se comporta el gas cuando estas variables se alteran o permanecen constantes.

Ley de Boyle o isotérmica

El físico irlandés Robert Boyle (1627-1691), luego de realizar varios experimentos, estableció la relación que existe entre el volumen y la presión de un gas. Cuando un gas se mantiene a temperatura constante, el volumen aumenta si la presión disminuye; si la condición es contraria, al aumentar la presión, el volumen disminuirá. Esta ley se enuncia de la siguiente manera:

“A temperatura constante, el volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión”.

TIC

Ingresa link y practica ejercicios sobre la Ley de Boyle:

www.mayedu.ec/quim2/p150

Relación: inversamente proporcional | La ecuación matemática incluye una constante (k) de proporcionalidad

▲ Gráfico de la presión en función del volumen P_(v).

Ecuación de la ley de Boyle

V_1 P_1 = V_2 P_2

Problema propuesto

Un volumen de 300 L
de neón, se halla sometido a
4 atm. Si el volumen fue comprimido a 50 L, ¿cuál fue la presión aplicada en el proceso?

Problema resuelto

Se llena a nivel del suelo un globo de látex con 1,8 L de helio, a ese nivel la presión que experimenta el globo es de 700 mmHg. El globo es soltado y mientras se eleva, su volumen va aumentando por disminución de la presión. ¿Cuál será la presión a la que se somete el globo cuando su volumen ha alcanzado los 2,5 L?

Datos | Resolución
V_1: 1,8 L

P_1 : 700 mmHg = 0,92 atm
​V _2: 2,5 L
P _2: ¿?
V_1 P_1 = V_2 P_2
1,8 L × 0,92 atm = 2,5 L × P_2

▲ Gráfico del volumen en función de la temperatura.

Ley de Charles o isobárica

El físico francés Jacques Charles (1746-1823) estudió la relación que existe entre el volumen y la temperatura de un gas. Los resultados de sus experimentos indicaban que si a un cuerpo gaseoso se le incrementa la temperatura, su volumen también lo hace.

La Ley de Charles se enuncia de la siguiente manera:

“A presión constante, el volumen que ocupa una muestra de gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta”.

Relación: directamente proporcional | La ecuación matemática incluye una constante (k) de proporcionalidad
V α T | V = kT

TIC

Ingresa en el siguiente enlace y observa cómo se modifica el volumen del gas al aumentar la temperatura.
www.mayedu.ec/quim2/p151

▲ Ley de Charles. V = kT

El gráfico muestra el comportamiento de un gas cuando la presión se mantiene constante, el volumen se incrementa en proporción al aumento o disminución de la temperatura.

Al despejar k en los dos momentos:

Si igualamos, obtenemos la ecuación de la Ley de Charles.

Problema propuesto

Un volumen de 3,5 L de gas amoniaco se hallaba a 14°C. Al elevarse la temperatura el volumen aumentó a 4,2 L. Si la presión se mantuvo constante, ¿cuál fue el incremento de la temperatura?

Problema resuelto

Un recipiente contiene 450 mL de gas cloro a 20°C. Si la temperatura disminuye a 0°C, ¿cuál será el nuevo volumen en litros?

Datos | Resolución
V_1: 450 mL =
        0,45 L
V _2: ¿?
T _1: 20°C
T _2: 0°C
1. Calculamos la temperatura absoluta para T_1 y T_2:
T _1: K = 20 + 273 = 293 K
T _2: K = 0 + 273 = 273 K
2. Aplicamos la ecuación de la Ley de Charles:

Interdisciplinariedad

Química y Nutrición
El aumento de la presión atmosférica incrementa el punto de ebullición, es por esto que en la olla de presión el agua hierve a 120°C, y puede cocer los alimentos más rápidamente; sin embargo a mayor temperatura de cocción, también existe una mayor pérdida de la calidad nutricional de los alimentos, sobre todo de los vegetales.

Ley de Gay-Lussac o Isocora

El químico francés Joseph Gay-Lussac (1778-1850) realizó investigaciones sobre la relación que existe entre la presión y la temperatura de un gas. Él observó que al aumentar la temperatura de un gas, la presión de este también aumentaba, y si se disminuía la temperatura, la presión también lo hacía.

La Ley de Gay-Lussac se enuncia de la siguiente manera:

"Cuando el volumen de una masa gaseosa permanece constante, la presión del gas es directamente proporcional a la temperatura".

Relación: directamente proporcional | La ecuación matemática incluyeuna constante (k) de proporcionalidad
P α T | P = kT

El gráfico muestra que el volumen del gas se mantiene constante. Por otra parte, la presión se incrementa a medida que se incrementa la temperatura.

Al despejar k en los dos momentos:

Si igualamos, obtenemos la ecuación de la Ley de Charles.

Problema propuesto

Si dentro de una olla de presión, el aire del interior posee una presión de 0,92 atm a temperatura ambiente de 18°C, ¿qué presión ejercerá el aire al interior de la olla si la temperatura se eleva a 90°C?

Problema resuelto

A 30°C, un volumen constante de gas experimenta una presión de 1,3 atm. Si la temperatura aumenta a 45°C, ¿cuál será la presión del gas?

Datos | Resolución
P_1: 1,3 atm
P _2: ¿?
T _1: 30°C
T _2: 45°C
1. Calculamos la temperatura absoluta para T_1 y T_2:
T _1: K= 30 + 273 = 303 K
T _2: K= 45 + 273 = 318 K
2. Aplicamos la ecuación de la Ley de Charles:

Ley combinada

I CN.Q.5.1.1. Analizar y clasificar las propiedades de los gases que se generan en la industria y aquellos que son más comunes en la vida y que inciden en la salud y el ambiente.

D CN.Q.5.1.2. Examinar las leyes que rigen el comportamiento de los gases desde el análisis experimental y la interpretación de resultados, para reconocer los procesos físicos que ocurren en la cotidianidad.

● Ley combinada

Saberes previos

Identifica, cuál de estas palabras no es una variable de un gas:

- Volumen
- Masa
- Presión
- Temperatura

Desequilibrio cognitivo

¿Por qué la presión atmosférica en la ciudad de Ibarra es menor que en la ciudad de Manta?

Hasta ahora se ha analizado la relación entre dos variables de los gases; sin embargo en la naturaleza, los gases generalmente experimentan la modificación de las tres variables al mismo tiempo.

Para establecer el incremento que sufre una de las variables cuando las otras dos se modifican, se ha establecido la Ley combinada de los gases.

La ecuación de la Ley combinada de los gases parte de las tres leyes estudiadas en la lección anterior y se asienta en el caso de que no cambie el número de moles de la masa gaseosa.

Ley | Se mantiene constante | Relación | Ley combinada de los gases
Ley de Boyle | T | V α P |
Ley de Charles | P | V α T
Ley de Gay-Lussac | V | P α T

Ejes transversales

Ciudadanía

La Constitución de la República del Ecuador establece:

Art.- El territorio del Ecuador constituye […] y el espacio suprayacente continental, insular y marítimo…

Esto significa que ejercemos derechos sobre las capas atmosféricas que se hallan sobre nuestro territorio, por ejemplo el uso de la ionósfera para poder emitir mensajes radiales.

Comenta con tus compañeros sobre cómo podemos evitar la contaminación de la atmósfera que nos pertenece.

^

De la ecuación de la Ley combinada de los gases se puede llegar a las ecuaciones de las otras tres leyes, solo se elimina la variable que no altera su valor.

Ley | Se mantiene constante | Ley combinada de los gases | Ecuación
Ley de Boyle Isotérmica | T |  | P_1 V_1 = P_2 V_2
Ley de Charles Isobárica | P |  |
Ley de Gay-Lussac Isocora | V |  |

Ejemplo: ¿Qué volumen tendrá una burbuja de dióxido de carbono que parte del fondo de un vaso de gaseosa, con un volumen de 0,002 L, a una temperatura de 11°C y una presión de 1,3 atm? Al llegar a la superficie la temperatura es de 15°C y la presión es de 1,1 atm.

Datos | Resolución
V_1: 0,002 L
V _2: ¿?
P _1: 1,3 atm
P _2: 1,1 atm
T _1: 11°C = 284 K
T _2: 15°C = 288 K

Ley Dalton de las presiones parciales

Al físico y químico británico John Dalton (1766-1844) se le reconoce porque formuló el principio de la moderna Teoría atómica y también la Ley de las presiones parciales de los gases.

Tabla de presiones de vapor a diferentes temperaturas
T_(°C) | P_mmHg
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
25
26
27
28
29
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
4,6
4,9
5,3
5,7
6,1
6,5
7,0
7,5
8,0
8,6
9,2
9,8
10,5
11,2
12,0
12,8
23,8
25,2
26,7
28,3
30,0
31,8
42,2
54,3
71,9
92,5
118,0
149,4
187,5
233,7
289,1
355,1

En sus investigaciones descubrió que la presión que presentaba una mezcla gaseosa era igual a la suma de las presiones de cada gas que la conformaban. La Ley de Dalton se enuncia así:

“La presión total de una mezcla gaseosa es igual a la suma de las presiones parciales de cada gas que conforma la mezcla”.

P_T = P_1 + P_2 + ... P_n

La Ley de Dalton se aplica generalmente cuando se desea establecer la presión de un gas que ha sido recolectado sobre agua.

En la técnica que se muestra en el gráfico inferior de recolección de gases sobre agua, es conocida la presión total, debido a que su valor es igual a la presión atmosférica; se resta la presión que ejerce el vapor de agua y se obtiene la presión del gas seco.

P_gas seco = P_T – P_H_2_O(v)

Problema propuesto

En un laboratorio se recolecta oxígeno sobre agua a 25°C y 580 mmHg. ¿Cuál es la presión del oxígeno seco?

Problema resuelto

¿Cuál será la presión del hidrógeno seco, si se recolecta este gas a partir de la acción del ácido clorhídrico sobre el zinc, en condiciones TPE?

Datos | Resolución
TPE:
- P: 1 atm = 760,0 mmHg
- T: 273K = 0°C
P _H2O(v): 4,50 mmHg
P_T = P_H2 + P_H2O(v)
P _H_2 = P_T – P_H2O(v)
P _H_2 = 760,0 mmHg – 4,5 mmHg
P _H_2 = 755,5 mmHg

Presiones parciales y fracción molar

● Presiones parciales y fracción molar

▲ En una mezcla gaseosa cada gas ejerce su propia presión.

Problema propuesto

Establezca la presión parcial de cada gas que compone una mezcla gaseosa, cuya presión total es 1 200 mmHg. La fracción molar de cada gas es: amoniaco 0,65; metano 0,28; vapor de agua 0,07.

La presión parcial que ejerce un determinado gas en una mezcla gaseosa puede ser calculada multiplicando la presión parcial por la fracción molar del gas.

La fracción molar (X) de una solución es una medida de la concentración de moles de un componente determinado para el total de moles que conforman la mezcla. Matemáticamente corresponde al tanto por uno, su fórmula es:

Ejemplo: Si en una solución gaseosa encontramos 5,0 moles de helio, 3,2 moles de neón y 1,3 moles de argón, la fracción molar de cada uno será:

Moles totales (n_T) | n_T = 5,0 mol He + 3,2 mol Ne + 1,3 mol Ar n_T = 9,5 mol totales
Fracción molar He |
Fracción molar Ne |
Fracción molar Ar |

Problema resuelto

Establezca la presión parcial de cada gas que compone una mezcla gaseosa, cuya presión total es 800 mmHg, y la masa presente de cada gas es: nitrógeno 4,78 g; oxígeno 3,21 g; vapor de agua 1,01 g.

Datos | Resolución
m_N_2: 4,78 g
m _O_2: 3,21 g
m _H_2_O (V): 1,01 g

P_T = 800 mmHg
1. Se calcula los moles de cada gas, utilizando la masa molar:
2. Se calculan los moles totales: n_T = n_N_2 + n_O_2 + n_H_2_O (V)
n _T = 0,17 mol + 0,10 mol + 0,06 mol = 0,33 mol
3. Se calcula la fracción molar de cada gas:
4. Se calcula la presión parcial de cada gas:

Ecuación general del estado gaseoso

D CN.Q.5.1.2. Examinar las leyes que rigen el comportamiento de los gases desde el análisis experimental y la interpretación de resultados, para reconocer los procesos físicos que ocurren en la cotidianidad.

I CN.Q.5.2.10. Calcular y establecer la masa molecular de compuestos simples a partir de la masa atómica de sus componentes, para evidenciar que estas medidas son inmanejables en la práctica y que por tanto es necesario usar unidades de medida mayores, como el mol.

I CN.Q.5.1.11. Establecer y diferenciar las fuerzas intermoleculares partiendo de la descripción del puente de hidrógeno, fuerzas de London y de Van der Waals, y dipolo-dipolo.

● Ecuación general del estado gaseoso

Saberes previos

El gas licuado de petróleo (GLP) que usamos en nuestros hogares en estado gaseoso, es más pesado que el aire. Por ello, en caso de fugas, ¿qué no se debe hacer?

Desequilibrio cognitivo

¿Es posible que los gases puedan incumplir las leyes establecidas? Si es así ¿en qué condiciones lo hacen?

Recordemos que la relación entre presión, volumen y temperatura requería de una constante de proporcionalidad k.

En los problemas analizados en las lecciones anteriores, se requería que el número de moles (n) no cambie. Pero si analizamos los casos en que el número de moles varía, observaremos que la relación: presión, volumen y temperatura es igual al producto de la constante k por el número de moles.

En un mol de gas a condiciones TPE, podremos calcular el valor de la constante k. Para todos los casos en que se requiera su uso y por convención internacional, a esta constante se la ha denominado constante universal de los gases y se la designa con la letra R.

Condiciones TPE | Cálculo del valor de R Constante universal de los gases
T = 273 K
P = 1 atm
n = 1 mol
V = 22,4 L

Mediante esta misma ecuación matemática y conociendo el valor de la constante universal de los gases R, se logra establecer una de las más importantes fórmulas científicas: la ecuación general del estado gaseoso.

PV = nRT

El valor de R en el sistema internacional de unidades SI, es 8,31 J/mol K.

Problema propuesto

¿Cuál es el número de moles de 1,5 L de dióxido de azufre, que se hallan a una presión de 2 atm y 17°C?

Problema resuelto

¿Cuál es el volumen de 20,3 g de trióxido de dicloro que se hallan a 27°C y 700 mmHg de presión?

Datos | Resolución
T = 27°C
P = 700 mmHg
m = 20,3 g Cl_2O_3
M Cl_2O_3 = 118,8 g/mol
V = ¿?
R = 0,08205 atmL/molK
1. Se convierten todas las unidades a las unidades de R:
T = 27°C = 300 K  P = 700 mmHg = 0,92 atm
m = 20,3 g Cl_2O_3 = 0,17 mol
2. Despejamos la fórmula y reemplazamos valores:
^

▲ El gas helio debido a su densidad inferior al aire, se lo comercializa principalmente para llenar globos y dejarlos flotar.

Masa molecular de los gases

A partir de la ecuación general del estado gaseoso, se puede calcular la masa molecular (M) de un gas.

Ecuaciones | Sustitución
1) PV = nRT

2)
1. Sustituimos la ecuación 2 en la ecuación 1:

2. Despejamos la masa molar (M):

Con la ecuación de estado también podemos encontrar la densidad (\( \delta \)) de un gas.

Ecuaciones | Sustitución
1)

2)
  1. Sustituimos la ecuación 2 en la ecuación 1:

  2. Despejamos la densidad (r):

Problema propuesto

¿Cuál es la densidad del dióxido de carbono, a 0,8 atm y 20°C?

Problema resuelto

Se tiene en un recipiente una muestra de un gas noble, su densidad en CTE es 0,179 g/L. Establece de qué gas se trata.

Datos | Resolución
T = 273 K
P = 1 atm
ρ = 0,179 g/L
R = 0,08205 atmL/molK
  1. Identificamos la fórmula que nos ayudará a resolver el problema:

  2. Reemplazamos valores:

  3. Contrastamos el valor obtenido con las masas molares de los gases nobles:
El He posee una masa molar de 4,00 g/mol, por lo tanto, el gas contenido en el recipiente es helio.

Laboratorio casero

Compara cómo flota una gota de aceite en el agua y un globo de helio en el aire.

Describe en tu cuaderno las semejanzas en sus movimientos.

Humor

Los gases ideales y los gases reales

El comportamiento de un gas ideal se puede explicar a través de la teoría cinética–molecular, en donde se manifiesta que la atracción entre las partículas de los gases es casi nula y que el volumen y la presión de un gas son directamente proporcionales a la temperatura absoluta. Un gas ideal cumple estrictamente con las leyes del estado gaseoso. Sin embargo, los gases reales sufren ciertas desviaciones con respecto al cumplimiento de esta teoría.

Recordemos que en un gas el tamaño de las moléculas es ínfimo en comparación con el volumen del cuerpo gaseoso; las moléculas se mueven a través de las grandes distancias entre ellas, desplazándose por todo el espacio libre que ocupa el cuerpo gaseoso. Son precisamente las grandes distancias las que causan la poca interacción entre las moléculas gaseosas.

▲ En la cocina molecular se utilizan gases licuados para la preparación de alimentos.

Cuando a un gas real se le somete a muy bajas temperaturas y altas presiones, su volumen se modifica, las distancias entre las partículas es mucho menor, disminuyéndose la fuerza de los choques y, por lo tanto, también la presión del gas. En esas condiciones un gas real, desobedece la Ley de Boyle, el producto del volumen por la presión no es igual a la constante de proporcionalidad k.

A altas presiones y bajas temperaturas
V × P ≠ K

▲ El manejo del nitrógeno líquido y las técnicas criogénicas que usan sustancias gaseosas se basan en las leyes de los gases ideales.

Sucede que cuando las distancias entre las moléculas gaseosas son más pequeñas, empiezan a actuar entre ellas pequeñas fuerzas de atracción denominadas Fuerzas de Van Der Waals. Debido a estas fuerzas, se pueden licuar los gases.

El comportamiento de los gases nobles: helio, neón, argón, xenón es muy cercano al comportamiento de un gas ideal.

Los gases ideales no existen, sin embargo entre ciertos intervalos de presión y temperatura, las leyes de los gases se cumplen y nos permiten predecir varios comportamientos generales de estas sustancias, además de determinar con bastante precisión resultados que son útiles para su manejo y aprovechamiento en el laboratorio, la industria y la vida cotidiana.

Los gases: Ley de Graham de la difusión de los gases

I CN.Q.5.1.1. Analizar y clasificar las propiedades de los gases que se generan en la industria y aquellos que son más comunes en la vida y que inciden en la salud y en el ambiente.

D CN.Q.5.3.13. Examinar y comunicar los contaminantes y los efectos que producen en el entorno natural y la salud humana basándose en su toxicidad y su permanencia en el ambiente; y difundir el uso de prácticas ambientalmente amigables que se pueden utilizar en la vida diaria.

● Los gases: Ley de Graham de la difusión de los gases

Saberes previos

¿En qué casos la capacidad de difusión de un gas es algo positivo para la humanidad?, ¿en qué casos es algo negativo?

Desequilibrio cognitivo

¿A qué se debe que los globos llenos de helio se desinflen más rápido que los globos llenos de aire?

Problema propuesto

Determina: si los gases que se encuentran en el gráfico superior se hallan a TPE, ¿qué gas se difunde con mayor velocidad?

La difusión es un proceso físico en el cual una sustancia tiende a dispersarse y ocupar de forma uniforme todo el espacio disponible en un medio determinado.

En el caso de los cuerpos gaseosos, la energía cinética (Ec) de las partículas gaseosas produce dos fenómenos.

- La difusión de un gas, que es la dispersión de un gas en otro gas.
- La efusión es un proceso en donde un gas se escapa de un recipiente a través de un poro o abertura pequeña.

El químico británico Thomas Graham (1805-1869) observó que la velocidad a la que se difunden los gases estaba relacionada con “el peso molecular” y por lo tanto con la densidad del gas: “La velocidad de difusión de un gas es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su peso molecular”. La Ley de Graham se resume en las siguientes fórmulas en función de su masa molar y su densidad:

En el gráfico se puede observar que el amoniaco se difunde con mayor velocidad, que el cloruro de hidrógeno.

Problema resuelto

Si se conoce que en TPE la densidad del amónico es 0,76 g/L y la densidad del cloruro de hidrógeno es 1,63 g/L, establece ¿qué gas se difunde con mayor velocidad?

Datos | Resolución |
d_NH_3 = 0,76 g/L d_HCl = 1,63 g/L |  | El metano se difunde 1,14 veces más veloz que el cloruro de Hidrógeno.

Ejes transversales

Derechos

En la Constitución de la República, en la Sección segunda, Ambiente sano, dice:

Art.14.- Se reconoce el derecho a la población a vivir en un ambiente sano y ecológicamente equilibrado…

Reflexiona con tus compañeros, cómo los ecuatorianos lograremos conservar el ambiente sano.

▲ Plantaciones quemadas por la disminución en la capa de ozono.

Química de disoluciones y sistemas dispersos: contaminantes atmosféricos y sus efectos

La propiedad de difusión y efusión de los gases es muy útil para las diversas actividades del ser humano, como la difusión del vapor de agua junto con los aceites esenciales dentro de un baño turco, o la efusión del butano a través de los poros de las hornillas de la cocina, lo cual nos proporciona un fuego uniforme.

▲ Los gases que se difunden y efunden pueden ser parte importante del escenario en los conciertos y obras teatrales.

Sin embargo, esta misma propiedad de los gases que nos proporciona beneficios, también nos ocasiona problemas, por ejemplo el humo de la combustión de los autobuses que se difunde por toda la ciudad.

▲ La difusión y efusión de los gases producto de la combustión de automotores y emisiones industriales es un fenómeno casi incontrolable, a esta propiedad le debemos la neblina grisácea que cubre las grandes ciudades.

En lecciones anteriores hemos conocido sobre el problema de la lluvia ácida y de otros problemas ambientales de forma general, pero la contaminación atmosférica no solo produce cambios en el clima, también afecta de forma directa a la salud humana, animal y vegetal; también altera otros componentes atmosféricos importantes e indispensables para la vida en el planeta, como son el aumento de gases invernadero, el aumento de gases aerosol, el aumento de acidez en el agua de las lluvias, aumento de partículas sólidas suspendidas en el aire que respiramos, la disminución de aire puro, la disminución de la capa de ozono.

Los gases CFC y la capa de ozono

▲ La capa de ozono se encuentra en la estratósfera, ubicada entre los 20 y 40 km de altura.

Los clorofluorocarbonos o gases CFC son gases creados por el ser humano que se los emplea en diversos aparatos para producir aire acondicionado, en el gas congelante de las neveras y en diversos procesos industriales. Aproximadamente a finales de los años cincuenta del siglo XX, a los CFC se los utilizaba como gases propulsores en los envases denominados espray o aerosol, que contenían desodorantes, fijadores de cabello e inhaladores.

▲ Hueco de ozono en la Antártida

TIC

Ingresa en el siguiente enlace y utiliza el simulador de riesgo UV.

www.mayedu.ec/quim2/p164

Tras varios estudios, se descubrió que estos gases interactuaban con las capas atmosféricas bajas, específicamente reaccionaban con la capa de ozono, la cual mostró una considerable disminución hacia finales de la década de los sesenta e inicios de los setenta. En 1985 se descubrió en la Antártida el agujero de ozono. La capa de ozono es parte de las capas atmosfericas, se halla entre los 15 a 50 km sobre la superficie de la Tierra.

“El agujero es tan extenso como los Estados Unidos de América y tan profundo como el Monte Everest. Ha crecido casi todos los años desde 1979. Los países más afectados en la región son: Argentina, Chile y Uruguay” (PNUMA, 2016).

El ozono es un gas conformado por moléculas de tres oxígenos (O_3). Es uno de los filtros atmosféricos que detiene determinadas radiaciones solares peligrosas como los rayos UV_B y UV_C, causantes del cáncer a la piel, cataratas en las personas, y de otros daños como disminución de fitoplancton, la quemadura del follaje vegetativo en los ecosistemas.

Fue solo hasta 1996 en que se determinó la prohibición de utilizar este gas en los diversos aparatos producidos por el ser humano.

Las medidas ecológicas tomadas para restablecer la capa de ozono han dado resultados favorables, se ha desacelerado el deterioro de esta capa. No obstante, en países como Chile, que se hallan cerca del agujero de ozono, suelen suspenderse todas las actividades escolares y laborarles cuando la radiación UV sobrepasa los rangos tolerables para el cuerpo humano.

Ciencia, tecnología y sociedad

Ciencia, tecnología y sociedad

¿Cómo se investiga en Química?

¿Cómo se investiga en Química?

Selección de variables

Cuando ya se ha elegido el tema de investigación, se debe indicar la variable o variables elegidas para la investigación. En las ciencias experimentales como la Química, a diferencia de otras asignaturas, se deben considerar tres variables.

Variable independiente | Es la que puede ser manipulada o modificada a lo largo de la experiencia; esta variable es escogida por la persona que realiza la investigación.

Variable dependiente | Es la variable que se modifica en relación con los cambios que experimenta la variable independiente. De esta variable se toman las medidas y datos que otorga su modificación.

Variable controlada | Es la o las variables que conservan su valor para no afectar en los resultados obtenidos entre las variables.

Por ejemplo, cuando se realizan las mediciones para calcular la densidad de un gas problema, los científicos toman en cuenta las siguientes variables:

¿Cuál será la densidad de 22,0 g de una masa gaseosa, que ocupa 11,2 L a temperatura y presión estándar?

Variable independiente
- La masa del gas problema.
- Se especifican las unidades: masa (g).
- Gas problema: 22,0 g

Variable dependiente
- El volumen del gas problema.
- Se especifican las unidades: volumen (L).
- Gas problema: 11,2 L

Variable controlada
- La presión y la temperatura.
- Se especifican las condiciones en las cuales se realiza la investigación, ejemplo TPE.
- Gas problema: 1 atm; 273K

En una investigación es importante que se realice un esquema previo para tener claro cómo se va a realizar el control de las variables:

Explicar cómo se va a manipular la variable independiente, para lograr la mayor precisión.

Para la variable controlada se debe especificar cómo se va a lograr mantenerlas un único valor durante toda la experimentación y toma de datos.

Tarea
Forma grupos de discusión con tus compañeros y propongan cuáles serían las variables cuando se investiga la Ley de Graham.

Laboratorio 5

Laboratorio 5

Recolección de gases sobre agua

Datos informativos
Institución educativa:
Nombre del estudiante: ​
Curso y paralelo: ​                                                           Fecha: ​

Reactivos

- 10 mL de ácido clorhídrico 1M
- 1 g de cinta de magnesio
- Agua destilada

Materiales

- Tubo de ensayo con tapón mono-horadado
- Tubo de desprendimiento con manguera
- Matraz Erlenmeyerde 500 mL
- Cuba de vidrio
- Termómetro
- Barómetro
- Vidrio reloj
- Balanza

Equipo

Objetivos

1. Familiarizarse con la técnica de recolección de gases sobre agua.
2. Medir diferentes variables que permitan calcular la masa del gas recolectado.

Procedimiento

Primera parte:

1. Medir la capacidad real del matraz Erlenmeyer; registrar los datos en la Tabla 1.
2. Masar el matraz junto con el vidrio reloj; registrar los datos en la Tabla 2.
3. Armar el equipo para recolección de gases sobre agua.
4. Llenar el matraz con agua y colocarlo de forma invertida. Procurar que no queden burbujas dentro del matraz.

Segunda parte:

1. Colocar el ácido en el tubo de ensayo y la cinta de magnesio, taponar enseguida y empezar a recolectar el gas. Escribir la ecuación de la reacción.
2. Medir la temperatura del agua y la presión atmosférica al momento que se recolecta el gas. Registrar los datos en la Tabla 1.

Tercera parte:

1. Cuando el matraz esté lleno del gas, sin retirar de la cuba, tapar con el vidrio reloj.
2. Voltear con cuidado el matraz tapado con el vidrio reloj y masar inmediatamente. Registrar los datos en la Tabla 2.

Seguridad y recomendaciones

1. Verificar que no haya fuga de gases y que las conexiones sean herméticas.
2. Comprobar que el matraz y el vidrio reloj se hallen secos cuando vayas a masarlos por segunda ocasión. No permitas que se escape el gas.

Gráfico

Observaciones:

Ecuación de la reacción:

NaHCO_3 + HCl →

Identificación del gas recolectado:

Resultado de las observaciones

Tabla 1:

Mediciones | Voltaje
Volumen del gas recolectado (volumen real del matraz): |
Temperatura:
Presión atmosférica:
Presión del gas seco:
Masa molar del gas recolectado:

Tabla 2:

Mediciones | Cálculo de la masa del gas por diferencia de masas
Masa (A) matraz y vidrio reloj: | m = m_B – m_A
Masa (B) matraz, vidrio reloj y gas:

Conclusiones

Contrasta las dos masas obtenidas del gas y emite tus conclusiones.

Proyecto de emprendimiento

Proyecto de emprendimiento ^

Tema: Globos de papel

Justificación

Los globos de papel son un atractivo muy simpático en todas las festividades, fiestas de fundación, fiestas patronales, juramentos a la bandera, graduaciones…

En muchas ocasiones, es muy difícil conseguirlos, por lo tanto producir estos hermosos objetos es una actividad que dará muchos réditos.

Objetivos

1. Producir globos de papel para comercializarlos en la comunidad.
2. Contribuir con objetos coloridos para amenizar los diferentes actos festivos y ceremonias.

Materiales

- 8 pliegos de papel cometa o chino de diferente color
- Pegamento de madera
- Papel aluminio
- Alambre de aluminio delgado
- Tela de algodón, reciclada de ropa vieja
- Velas
- Alcohol
- Tijeras, alicate
- Puedes revisar el siguiente tutorial en YouTube para su elaboración: www.mayedu.ec/quim2/p170

Producción

- Recortar los pliegos en diagonal, se obtienen dos triángulos.
- Combinar los triángulos en parejas de colores y pegar por el cateto más largo, nos quedará un triángulo más grande.
- Pegar en pareja los triángulos formados en el paso 2, por la base más larga, se formará un rombo.
- Doblar 1 cm dos lados contiguos del rombo, colocar el otro rombo dentro del doblez y pegar uno a uno los rombos.
- Para la mecha empapar tiras de tela de algodón en la parafina de las velas y hacer un rollo.
- Con el alambre hacer un esqueleto de pirámide y sujetar encima la mecha.
- Definir lugar y fechas de exhibiciones y demostración.

Comercialización

- Hacer volantes o tarjetas de presentación.
- Difundir por redes sociales y otros medios.

Conclusiones:

- ¿Cómo pueden mejorar su estrategia de ventas?
- ¿Qué más se podría hacer para garantizar la calidad de su producto?

Evaluación del proyecto | Sí | No | En parte
Se cumplieron los objetivos. |  |  |
Los clientes quedaron satisfechos. |  |  |
Hubo ganancias en cada venta. |  |  |

Autoevaluación | Sí | No | En parte
Fuiste amable y trataste con atención y calidez a tus clientes. |  |  |
Pudiste trabajar en equipo sin dificultad. |  |  |
Escuchaste las sugerencias de los clientes. |  |  |

Tecnologías de la Información y la Comunicación

Tecnologías de la Información y la Comunicación

Simulador de las propiedades de los gases

1. Ingresa a ​https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/gas-properties y descarga la aplicación de un simulador para observar las propiedades de los gases.
2. Elige la constante de acuerdo a la ley que quieras experimentar, si quieres observar el comportamiento de un gas con todas las constantes elige "ninguno".
3. Elige una de las especias, puede ser gas ligero o gas pesado. Si deseas puedes añadir la gravedad como un factor.

1. Da clic en la caja de herramientas para poder modificar la presión y/o observar el fenómeno de efusión.
2. Da clic en los histogramas de energía para que puedas apreciar la variación de la energía cinética y la velocidad de las moléculas.
3. Intenta modificar la cantidad de moléculas, el número de colisiones y la temperatura.

Observa qué sucede con la energía cinética media de diferentes gases que se hallan en las mismas condiciones de presión y temperatura.

Comparte tus conclusiones con tus compañeros.