Leyes de los gases: Definición y fórmulas

Leyes de los gases en química

Las leyes de los gases en química son ecuaciones que expresan la relación entre cuatro variables. Estas cuatro variables definen la condición física de un gas. La temperatura (T), la presión (P), el volumen (V) y la cantidad de gas (n) son las cuatro variables de gas. Una ley de los gases expresará la relación entre dos o más de estas variables, manteniendo constantes las otras variables. Las siguientes cuatro leyes de los gases expresan las relaciones entre las variables de los gases:

• Ley de Charles – Una ley que habla de la relación entre la temperatura y el volumen de un gas.
• Ley de Boyle – La relación de presión y volumen de un gas se expresa en esta ley.
• Ley de Gay-Lussac – Esta ley se ocupa de la relación entre la presión y la temperatura en un gas.
• Ley de Avogadro – El número de moles de un gas y su relación de volumen se expresa en esta ley.

Fórmula de la ley de Charles (Relación entre presión, volumen y temperatura)

La relación entre el volumen y la temperatura de un gas fue descubierta por el científico francés Jacques Charles. Al realizar experimentos con gases, Charles descubrió que, a presión constante, un gas fijo tendrá una relación lineal entre el volumen y la temperatura. A -273 C, se propone que un gas tenga un volumen de cero. En realidad, esta condición no ocurre porque todos los gases se licuan o solidifican antes de alcanzar esta temperatura. William Thomson (Lord Kelvin) propuso la escala de temperatura absoluta en 1848, que ahora se conoce como escala Kelvin. En la escala de Kevin -273,15 C es igual a cero absoluto. La escala de Kevin se usa para expresar la ley de Charles porque Kevin es la unidad que se usa para la temperatura. Ley de charles – establece que cuando la presión es constante, el volumen de un gas fijo será directamente proporcional a su temperatura absoluta. Si la temperatura absoluta de un gas se duplica (por ejemplo, 200 K a 400 K), esto hará que el volumen del gas también se duplique. La expresión matemática de la ley de Charles es la fórmula de la ley de Charles:

• V = tiempo constante T
• También expresado como V/T = constante
• “T” es la temperatura del gas
• “V” es el volumen del gas
• Las variables de presión y cantidad de gas permanecen constantes.

Un gran experimento para atestiguar la ley de Charles es verter nitrógeno líquido (-196 C) sobre un globo. A medida que la temperatura absoluta del gas en el globo disminuye, el volumen del globo también disminuirá. Este pequeño experimento demuestra la relación directa entre la temperatura y el volumen de un gas.

Fórmula de la ley de Boyle

El químico británico Robert Boyle descubrió la relación entre la presión y el volumen de un gas. En sus experimentos con gases, Boyle usó un tubo en forma de J y atrapó el gas en el tubo añadiendo mercurio para bloquear la salida del gas. Boyle podría cambiar la presión del gas agregando más mercurio al tubo. Al agregar más mercurio, el volumen del gas disminuiría. La ley de Boyle establece que el volumen de una cantidad fija de gas a una temperatura constante es inversamente proporcional a la presión. La fórmula de la ley de Boyle expresa la ley de Boyle en términos matemáticos:

• V = tiempos constantes (1/P)
• También expresado como PV = constante
• “P” es la presión del gas
• “V” es el volumen de gas
• Tanto los moles de gas como la temperatura del gas se mantienen constantes.

El acto de respirar es una demostración de la ley de Boyle. Durante la inhalación, los pulmones se expanden, lo que aumenta el volumen. Esto hace que la presión del gas en los pulmones disminuya. La presión atmosférica forzará el ingreso de aire a los pulmones hasta que se alcance cierto punto. Ese punto es cuando la presión en los pulmones es igual a la presión atmosférica. En la exhalación hay una disminución en el volumen de los pulmones. El aire es expulsado de los pulmones por un aumento de presión causado por una reducción de volumen.

Ley de Gay-Lussac

El químico francés Joseph Gay-Lussac investigó la relación entre la presión y la temperatura de un gas. Encontró que la presión de un gas a volumen constante es directamente proporcional a la temperatura del gas. Si se calienta un gas en un volumen fijo, las moléculas del gas tendrán más energía y se moverán más rápido. Las moléculas de gas que se mueven a mayor velocidad causarán más colisiones, lo que a su vez aumenta la presión del gas. Si se enfría el gas a volumen constante, esto hará que las moléculas de gas tengan menos energía y disminuyan su velocidad. Enfriar el gas conducirá a que las moléculas de gas se muevan menos, por lo que habrá menos colisiones. Cuando hay menos colisiones, esto hace que la presión del gas disminuya. Ley de Gay-Lussac – establece que la presión de un gas a un volumen fijo será directamente proporcional a la temperatura del gas. La temperatura del gas debe expresarse en Kelvin en esta ley. La ecuación de la ley de Gay-Lussac se ocupa de cambiar la temperatura de un gas y qué efecto tendrá este cambio en la presión del gas:

• PAGS 1 / T 1 = PAGS 2 / T 2
• “P 1 ” es la presión inicial del gas en “T 1 ” que es la temperatura
• “P 2 ” es la presión final del gas a una temperatura diferente llamada temperatura final (“T 2 “)

La relación entre la presión y la temperatura de un gas no fue la única contribución que hizo Gay-Lussac para los gases. En 1808, mientras experimentaba con globos más ligeros que el aire, Gay-Lussac observó la ley de combinación de volúmenes de gas. A presión y temperatura fijas, los volúmenes de los gases que reaccionan están en pequeñas proporciones de números enteros. La producción de vapor de agua es un gran ejemplo de esto. Dos volúmenes de hidrógeno gaseoso reaccionarán con un volumen de oxígeno gaseoso para formar dos volúmenes de vapor de agua. Tres años después de este descubrimiento, Amadeo Avogadro interpretó la ley de combinación de volúmenes de gas de Gay-Lussac y planteó una hipótesis que conducirá a otra ley de gas.

Ley de Avogadro

El científico italiano Amedeo Avogadro ideó la hipótesis de Avogadro, que establece que volúmenes iguales de gases a presión y temperatura constantes contendrán el mismo número de moléculas. Los datos experimentales han demostrado que cualquier gas con un volumen de 22,4 litros a una temperatura constante de 0C y una presión constante de una atmósfera (atm) contendrá 6,02 X 10^23 moléculas de gas. Este valor de las moléculas de gas es igual a un mol. La ley de Avogadro, que sigue la hipótesis de Avogadro, establece que el volumen de un gas mantenido a presión y temperatura constantes será directamente proporcional al número de moles del gas. La fórmula matemática de la ley de Avogadro trata sobre el volumen y el número de moles del gas:

• V = tiempos constantes n
• “V” es el volumen del gas
• El número de moles del gas está representado por “n”.
• La temperatura y la presión del gas deben permanecer constantes.

El volumen del gas se duplicará si se duplica el número de moles del gas. Esto es cierto solo si la temperatura y la presión del gas son constantes. Reducir el número de moles del gas a la mitad hará que el volumen del gas disminuya a la mitad.

Ley de los gases combinados

La ley combinada de los gases es una combinación de la ley de Boyle, la ley de Charles y la ley de Gay-Lussac, donde existen condiciones iniciales y finales. Esta ley combinada de los gases trata con una cantidad fija de gas. La ecuación de la ley combinada de los gases se puede usar cuando la presión, la temperatura y el volumen de un gas están cambiando:

• PAGS 1 V 1 / T 1 = PAGS 2 V 2 / T 2
• “P 1 ” es la presión inicial del gas
• “V 1 ” es el volumen inicial del gas
• “T 1 ” es la temperatura inicial del gas
• “P 2 ” es la presión final del gas
• “V 2 ” es el volumen final del gas
• “T 2 ” es la temperatura final del gas

Si los volúmenes inicial y final son constantes, la ecuación combinada de la ley de los gases se parecerá a la ecuación de la ley de Gay-Lussac. Cuando las presiones inicial y final son iguales, entonces la ecuación de la ley de los gases combinados solo se ocupa de la relación entre el volumen y la temperatura, por lo que la ley de Charles. En ciertas situaciones, la ley de los gases combinados solo se ocupa de la ley de Boyle. Esta situación determinada es cuando las temperaturas inicial y final permanecen constantes y solo cambian la presión y el volumen.

Ley de los gases ideales

Cuando se combinan la ley de Avogadro, la ley de Boyle y la ley de Charles, se forma la ley de los gases ideales. Esta ley muestra la relación entre la presión, el volumen, la temperatura y la cantidad de un gas. El volumen de un gas es proporcional a la cantidad de gas multiplicada por la temperatura del gas dividida por la presión del gas en la ley de los gases ideales. Si se utiliza la constante de proporcionalidad (“R”), la ley de los gases ideales se puede reorganizar en las siguientes expresiones, que son formas diferentes de la ecuación de la ley de los gases ideales:

• V = R(nT/P)
• VP = nRT
• “R” es la constante de gas cuyas unidades dependen de las unidades utilizadas para presión, temperatura, volumen y cantidad de gas.
• La temperatura (“T”) debe expresarse como temperatura absoluta, por lo que se utiliza la escala Kelvin.
• La cantidad de gas (“n”) se expresa como moles de gas.

Un gas hipotético cuyo comportamiento en términos de presión, volumen y temperatura está completamente descrito por la ecuación del gas ideal se llama gas ideal. La ecuación del gas ideal no siempre se cumple para los gases reales. Esta pequeña diferencia bajo temperatura y presión estándar (STP) entre la ley del gas ideal y los valores medidos de los gases reales es tan pequeña que normalmente se ignora.

Resumen de la lección

Las relaciones entre presión, temperatura, volumen y cantidad de gas se expresan en las leyes de los gases. La ley de Boyle trata de la relación inversa entre la presión y el volumen de un gas fijo, mientras que la temperatura es constante. En la ley de Charles existe una relación directa entre el volumen de un gas fijo y la temperatura absoluta del gas. La presión de un gas fijo a un volumen fijo es directamente proporcional a la temperatura del gas; esta ley se llama ley de Gay-Lussac. Calentar un gas provocará más colisiones con las moléculas del gas, lo que conduce a un aumento de la presión. ley de avogadroestablece que el volumen de un gas es directamente proporcional al número de moles del gas, mientras que la presión y la temperatura son constantes.

La ley de Boyle, la ley de Charles y la ley de Gay-Lussac se combinan para formar la ley combinada de los gases. En el gas combinado se tratan las condiciones iniciales y finales de un gas. La ecuación de la ley de los gases ideales se forma utilizando la ley de Avogadro, la ley de Boyle y la ley de Charles. Los gases reales tienden a no ser descritos con precisión por la ecuación de la ley de los gases ideales, pero la diferencia entre el comportamiento ideal y el real es tan pequeña que se ignora.