UNIDAD VIIII GASES

 

GASES 

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.

Los gases poseen distintas propiedades. Sus moléculas 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 que se mueven las moléculas.

Además, los gases ocupan completamente el volumen del recipiente que los contiene, no tienen forma definida sino adoptan la de los recipientes que las contiene y pueden

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

El gas fue uno de los componentes más buscados en la tierra, en cual sus tipos son: gas, gas natural y gas oxigenado por la materia Existen diversas leyes derivadas de modelos simplificados de la realidad que relacionan la presión, el volumen y la temperatura de un gas. Una de ellas, la ley de Charles, explica que a una presión dada, el volumen ocupado por una cierta cantidad de un gas es directamente proporcional a su temperatura. 

Por otro lado, la ley de Gay-Lussac dice que la presión de una cierta cantidad de gas, que se mantiene a volumen constante, es directamente proporcional a la temperatura. Es por esto que para poder envasar gas, como el licuado, primero ha de enfriarse el volumen de gas deseado, hasta una temperatura característica de cada uno de estos, a fin de poder someterlo a la presión requerida para licuarlo sin que se sobrecaliente, y, eventualmente, explote.

Otra ley existente es la de los gases ideales, la cual 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.

Las tres leyes mencionadas pueden combinarse matemáticamente en la llamada ley general de los gases.

GASES NOBLES

Se conoce como gases nobles o gases inertes al conjunto de elementos químicos que constituyen el grupo 18 (VIIIA) de la Tabla Periódica de los elementos y que presentan una serie de características en común, siendo la más importante su bajísimo grado de reactividad, es decir, su poca capacidad para formar compuestos y estructurar moléculas complejas. Existen apenas algunos compuestos con estos elementos, que se sepa.

Los gases nobles, en condiciones de temperatura y presión normales, son sustancias gaseosas monoatómicas desprovistas de color, olor y sabor, que se hallan presentes en diversa proporción en el aire de la atmósfera y en otras situaciones de la naturaleza.

A pesar de su baja reactividad, o precisamente a consecuencia de ella, los gases nobles poseen diversas aplicaciones en las industrias humanas y son producidos masivamente.

Los gases nobles son siete:

• Helio (He). El segundo elemento más abundante en el universo, producido por reacciones nucleares en el corazón de las estrellas mediante la fusión del hidrógeno. Es muy popular porque altera la voz humana al ser inhalado y porque es mucho más liviano que el aire, por lo que tiende siempre a subir.
• Neón (Ne). Muy abundante en el universo, es lo que da el tono rojo a la luz de lámparas fluorescentes. Se usa en la iluminación por tubos (de neón) y en la tecnología de la TV.
• Argón (Ar). Común en el aire de la atmósfera, es un elemento sumamente empleado como aislante en la industria y en la obtención de láseres distintos.
• Kriptón (Kr). A pesar de ser un gas noble, se sabe que reacciona con el flúor y otras pocas sustancias que poseen fuerte electronegatividad. Tiene seis isótopos (versiones) estables y diecisiete radiactivos.
• Xenón (Xe). Un gas muy pesado, presente en la superficie terrestre apenas en trazas. Fue el primer gas noble sintetizado.
• Radón (Rn). Surge de la desintegración de elementos radiactivos como el radio o el actinio (entonces se le llama actinón), por lo que es un gas noble pero radiactivo, cuyo isótopo más estable lleva una vida media de 3,8 días y luego deviene en Polonio.
• Oganesón (Og). Llamado también eka-radón, Ununoctio (Uuo) o elemento 118, es altamente radiactivo, sintético, descubierto en 2002.

Inicialmente, al ser descubiertos, a estos elementos se los llamó gases inertes o gases raros, pues se pensaba que eran pasivos químicamente y raros en el universo.

Ambas cosas resultaron ser falsas, por lo que se prefiere el uso de “gases nobles”, traducción del término alemán con que Hugo Erdmann los bautizó en 1898: Edelgas.

Este nombre proviene en préstamo de los “metales nobles” como el oro, cuyo comportamiento químico muestra también una tendencia hacia la poca reactividad, es decir, a mantenerse puro.

COMPORTAMIENTO DE LOS GASES NOBLES

los gases nobles son poco reactivos, es decir, poco dados a las uniones entre átomos. Esto significa que no reaccionan mucho con otras sustancias, ni siquiera reaccionan entre átomos del mismo gas, como sí ocurre con gases diatómicos como el oxígeno (O2) o el hidrógeno (H2), que forman moléculas. El helio y el neón resultan particularmente inertes y les siguen el argón, kriptón, xenón y radón.

Las excepciones a esta regla son pocas, e involucran por lo general a los gases nobles más pesados, como el xenón o el radón, capaces de formar compuestos con el flúor y el oxígeno, como el hexafluoruro de kriptón (KrF6) o el ácido xénico (H2XeO4).

Bajo condiciones particulares de temperatura (-60 y -90 °C respectivamente) el kriptón puede enlazarse con el nitrógeno y el oxígeno de manera estable. Ningún compuesto de neón se ha identificado en el universo hasta la fecha.

LEY DE BOYLE 

• Boyle descubrió en 1662 que la presión que ejerce un gas es inversamente proporcional a su volumen a temperatura y cantidad de gas constante: P = k / V → P · V = k  (k es una constante).

• Por lo tanto: P₁ · V₁ = P₂ · V₂

• Lo cual tiene como consecuencia que:

• Si la presión aumenta el volumen disminuye 
• Si la presión disminuye el volumen aumenta

LEY DE CHARLES

• Charles descubrió en 1787 que el volumen del gas es directamente proporcional a su temperatura a presión constante: V = k · T (k es una constante).
• Por lo tanto: V₁ / T₁ = V₂ / T₂

• Lo cual tiene como consecuencia que:

• Si la temperatura aumenta el volumen aumenta
• Si la temperatura disminuye el volumen disminuye

LEY DE GA-LUSSAC

• Gay-Lussac descubre en 1802 que la presión del gas es directamente proporcional a su temperatura a volumen constante: P = k · T (k es una constante).

• Por lo tanto: P₁ / T₁ = P₂ / T₂

• Lo cual tiene como consecuencia que:

• Si la temperatura aumenta la presión aumenta
• Si la temperatura disminuye la presión disminuye

ECUACIÓN DEL GAS IDEAL

La ecuación conocida como ecuación del gas ideal, explica la relación entre las cuatro variables P (Presion), V (Volumen), T (Temperatura) y n (Cantidad de sustancia). Un gas ideal es un gas hipotético cuyo comportamiento de presión, volumen y temperatura se puede describir completamente con la ecuación del gas ideal.

Antes de utilizar la Ecuación necesitamos un valor numérico para R, que se denomina constante de los gases. El valor y las unidades de R dependen de las unidades de P, V, n y T. La temperatura siempre debe expresarse como temperatura absoluta. La cantidad de gas, n, normalmente se expresa en moles. Las unidades preferidas para la presión y el volumen suelen ser atm y litros, respectivamente. Sin embargo, podrían emplearse otras unidades. La manera más sencilla de obtener este valor es sustituyendo el volumen molar de un gas ideal a 0 °C y 1 atm. Sin embargo, el valor de R dependerá de las unidades utilizadas para expresar la presión y el volumen. Con un volumen molar de 22,4140 L y la presión en atmósferas se obtiene lo siguiente:

Las condiciones de 0ºC y 1 atm se denominan temperatura y presión estándar (TPE). Muchas propiedades de los gases se tabulan para estas condiciones. El volumen que ocupa un mol de un gas ideal a TPE, 22.41 L, se denomina volumen molar de un gas ideal a TPE.

ESTEQUIOMETRIA DE LOS GASES

La estequiometría de gases se aplica en aquéllos casos en los que interviene un gas o varios en la reacción, se dispondrá de datos volumínicos para determinar el volúmen de algún componente.

Hay tres tipos de problemas de Estequiometría de gases:

• Moles-Volúmen (o Volúmen-Moles)
• Peso-Volúmen (o volúmen-peso)
• Volúmen-Volúmen

POR EJEMPLO

1.- Calcular el volumen de O2 (en litros) a TPE que se requieren para completar la combustión de 2.65 L de acetileno (C2H2) a TPE.

Analizando el problema podemos darnos cuenta de que la temperatura y la presión permanecen constantes, por lo cual lo único que puede llegar a cambiar son los moles y el volumen.

Para encontrar los moles, vamos a balancear la ecuación química:

Por lo tanto, este problema podríamos resolverlo con la ley de Avogadro de la siguiente forma:

Pero para efectos de este tema, podemos resolver por medio de estequiometría de la siguiente forma:

LEY DE DALTON DE LAS PRESIONES PARCIALES

La ley de las presiones parciales (conocida también como ley de Dalton) fue formulada en el año 1802 por el físico, químico y matemático británico John Dalton. Establece que la presión de una mezcla de gases, que no reaccionan químicamente, es igual a la suma de las presiones parciales que ejercería cada uno de ellos si sólo uno ocupase todo el volumen de la mezcla, sin variar la temperatura. La ley de Dalton es muy útil cuando deseamos determinar la presión total de una mezcla.

La ley de las presiones parciales de Dalton se expresa básicamente con el siguiente enunciado:

La presión total de una mezcla es igual a la suma de las presiones parciales de sus componentes.

Esto significa que la presión total ${\displaystyle p}$ se puede expresar tal que

${\displaystyle p=\sum _{i=1}^{n}{p_{i}}=p_{1}+p_{2}+...+p_{n}}$

Donde ${\displaystyle p_{i}}$ representa la presión parcial del i-ésimo componente en la mezcla. Se asume que los gases no tienen reacciones químicas entre ellos, el caso más ideal es con gases nobles.

${\displaystyle \ p_{i}=y_{i}\cdot p}$

donde ${\displaystyle y_{i}}$ es la fracción molar del i-ésimo componente de la mezcla gaseosa de n componentes.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 

1. Aula Fácil (2018) Estequiometria con gases. https://www.aulafacil.com/cursos/quimica/problemas-de-quimica-general-para-universitarios/estequiometria-con-gases-l40268 
2. Laboratorio Químico (2019) Leyes de los gases ideales. https://www.tplaboratorioquimico.com/quimica-general/gases/las-leyes-elementales-de-los-gases/la-ecuacion-del-gas-ideal.html 
3. Juárez Guzmán (2020) Química y ley de gases. https://www.quimicas.net/2015/06/leyes-de-los-gases.html 
4. Posada Mendoza (2020) Gases nobles y propiedades. https://www.caracteristicas.co/gases-nobles/ 
5. Jimenez Judith (2019) Gases en quimica. https://www.revistapetroquimica.com/gas/ 
6. Lice AGB (2020) Gases, ley de presiones parciales. https://www.liceoagb.es/quimigen/gas6.html 
7. Morán Cardona (2019) Ley de Dalton. https://www.aulafacil.com/cursos/quimica/problemas-de-quimica-general-para-universitarios/ley-de-dalton-o-de-las-presiones-parciales-l40269