Fisicoquímica: Leyes y Propiedades de los Gases

Fichas de vocabulario y conceptos fundamentales sobre leyes de los gases, constantes, ecuaciones de estado y desviaciones reales, basadas en el temario de fisicoquímica para olimpiadas de química.

Presión ($P$)

Variable que representa el resultado de los choques continuos de las partículas de un gas contra las paredes del recipiente que lo contiene. Sus unidades habituales son $\text{atm}$, $\text{kPa}$ y $\text{mmHg}$, donde $1\,\text{atm} = 760\,\text{mmHg} = 101.325\,\text{kPa}$.

Temperatura absoluta ($T$)

Magnitud física relacionada con la energía cinética promedio de las partículas de un gas, expresada siempre en kelvin ($\text{K}$). Se calcula mediante la conversión $T(\text{K}) = T(^\circ\text{C}) + 273.15$.

Modelo de gas ideal

Modelo matemático teórico en el cual se considera que las partículas son puntuales, carecen de volumen propio apreciable, no experimentan fuerzas atractivas o repulsivas intermoleculares y presentan únicamente choques perfectamente elásticos.

Gas real

Gas cuyas moléculas sí poseen un volumen propio y experimentan interacciones intermoleculares; su comportamiento se aproxima al modelo ideal en condiciones de baja presión ($P$) y alta temperatura ($T$).

Ley de Boyle

Principio atribuido a Robert Boyle (s. XVII) que establece que, a temperatura ($T$) y cantidad de sustancia ($n$) constantes, la presión ($P$) y el volumen ($V$) son inversamente proporcionales: $P_1V_1 = P_2V_2$.

Ley de Charles

Principio atribuido a Jacques Charles (s. XVIII) que describe que, a presión ($P$) y cantidad de sustancia ($n$) constantes, el volumen ($V$) de un gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta en kelvin: $\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}$.

Ley de Gay-Lussac

Ley (también vinculada a Amontons) que establece que en un recipiente rígido, donde el volumen ($V$) y la cantidad de sustancia ($n$) permanecen constantes, la presión ($P$) es directamente proporcional a la temperatura absoluta en kelvin: $\frac{P_1}{T_1} = \frac{P_2}{T_2}$.

Ley combinada de los gases

Ecuación aplicable cuando la cantidad de gas ($n$) permanece constante, permitiendo la variación simultánea de presión ($P$), volumen ($V$) y temperatura ($T$): $\frac{P_1V_1}{T_1} = \frac{P_2V_2}{T_2}$.

Ley del gas ideal

Relación de estado global descrita por la ecuación $PV = nRT$, la cual relaciona simultáneamente la presión ($P$), el volumen ($V$), la cantidad de sustancia ($n$) y la temperatura absoluta ($T$) mediante la constante universal de los gases ($R$).

Constante universal de los gases ($R$)

Factor de proporcionalidad en la ecuación del gas ideal cuyo valor es $0.082057\,\text{L}\cdot\text{atm}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$ para operaciones con presión en $\text{atm}$ y volumen en $\text{L}$, o bien $8.314\,\text{kPa}\cdot\text{L}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$ ($8.314\,\text{J}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$).

Ley de Avogadro

Principio que establece que, a presión ($P$) y temperatura ($T$) constantes, el volumen de un gas es directamente proporcional al número de moles: $\frac{V}{n} = \text{constante}$.

Volumen molar a condiciones estándar

Espacio que ocupa un mol de gas ideal a $0\,^\circ\text{C}$, correspondiente aproximadamente a $22.4\,\text{L}$ a una presión de $1\,\text{atm}$, y a $22.7\,\text{L}$ a una presión de $1\,\text{bar}$.

Ley de Dalton

Principio formulado por John Dalton que sostiene que la presión total de una mezcla de gases ideales que no reaccionan entre sí equivale a la suma de las presiones parciales ejercidas por cada uno de sus componentes: $P_{\text{total}} = P_A + P_B + \dots$.

Fracción molar ($X_A$)

Proporción adimensional entre $0$ y $1$ que representa el cociente de los moles de un componente particular entre los moles totales de la mezcla: $X_A = \frac{n_A}{n_{\text{total}}}$. La presión parcial del gas se calcula como $P_A = X_A P_{\text{total}}$, y la suma de todas las fracciones molares es igual a $1$.

Recolección de gas sobre agua

Método de laboratorio en el cual el gas recogido se mezcla con vapor de agua; la presión del gas seco se determina restando la presión de vapor de agua a la presión total de la mezcla: $P_{\text{gas seco}} = P_{\text{total}} - P_{\text{vapor de agua}}$.

Masa molar a partir del gas ideal ($M$)

Propiedad de una sustancia gaseosa expresada en $\text{g/mol}$ que se determina midiendo masa ($m$), volumen ($V$), presión ($P$) y temperatura ($T$) mediante la expresión deducida $M = \frac{mRT}{PV}$.

Densidad de un gas ideal ($\rho$)

Relación entre la masa del gas y el volumen que ocupa ($\rho = \frac{m}{V}$), formulada a partir de las leyes de los gases como $\rho = \frac{PM}{RT}$, donde a mayor temperatura ($T$) con presión constante, la densidad disminuye.

Desviación del comportamiento ideal

Condición en la que un gas real se aparta marcadamente del modelo ideal, presentándose comúnmente a presiones altas y temperaturas bajas debido al volumen propio de las moléculas y a la relevancia de sus atracciones intermoleculares, lo cual puede conducir a condensación.