Los Gases y la Teoría Cinética

El Estado Gaseoso

El estado gaseoso es el estado de la materia cuando sus partículas tienen total libertad de movimiento. La cantidad de gas de un recipiente se averigua de forma indirecta midiendo el volumen, la temperatura y la presión.

• Volumen: Se mide en L o en m³ (SI).
• Temperatura: A la que se encuentra se mide en °C o K en el SI (0°C = 273K).
• Presión: Se mide en el SI con Pa, pero ahora usamos atm o mmHg. Torricelli midió la presión que ejerce la atmósfera a nivel del mar (1 atm = 760 mmHg = 101325 Pa).

Teoría Cinética para Gases

La presión depende del volumen del recipiente y de la temperatura a la que se encuentra. Para explicarlo, se formuló la teoría cinética, que explica todos los estados.

La Teoría Cinética de los Gases:

• Los gases están formados por partículas pequeñas y separadas que se mueven constantemente.
• Ocupan todo el volumen del recipiente.
• Ejercen presión sobre las paredes del recipiente debido a los choques de las partículas contra la pared.
• Cuanto más rápido se muevan las partículas, mayor será la temperatura.

El Cero Absoluto

Si las partículas se mueven más lento, la temperatura disminuye. El límite es la temperatura más baja posible, el cero absoluto (0K).

Ley de Boyle-Mariotte (P₁ x V₁ = P₂ x V₂)

Estudia las variaciones de la presión al modificar el volumen, manteniendo la temperatura constante.

• A más volumen, menos presión, y viceversa.
• P y V son inversamente proporcionales.
• Cuando un gas experimenta transformaciones a temperatura constante, el producto de P x V permanece constante.

Explicación según la Teoría Cinética:

Si el gas mantiene su temperatura, sus partículas se mueven con la misma velocidad. Al reducir el volumen, aumenta la presión. Si aumentamos el volumen, las partículas tardan más en chocar y la presión es menor.

Ley de Gay-Lussac (P₁/T₁ = P₂/T₂)

Estudia las variaciones de la presión al modificarse la temperatura, manteniendo el volumen constante.

• A más temperatura, más presión, y a menos temperatura, menos presión.
• P y T son directamente proporcionales.
• Cuando un gas experimenta transformaciones a volumen constante, el cociente P/T es constante.

Explicación según la Teoría Cinética:

Si aumenta la temperatura, sus partículas se mueven más rápido. Cuando aumenta la velocidad y el volumen es constante, las partículas chocan antes y aumenta la presión. Si el recipiente se enfría, las partículas van más lento, tardan más en chocar y disminuye la presión.

Ley de Charles (V₁/T₁ = V₂/T₂)

Estudia las variaciones del volumen cuando varía la temperatura y la presión es constante.

• T y V son directamente proporcionales.
• Cuando un gas experimenta transformaciones a presión constante, el cociente V/T es constante.

Explicación según la Teoría Cinética:

Si sube la velocidad, la temperatura también. Si la presión es constante, al subir la temperatura, el volumen también sube, y el ritmo se mantiene constante, y viceversa. Las partículas se mueven más lento al reducir el volumen, manteniendo así el número de choques constante.

Aplicación del Método Científico al Estudio de Gases

Experimentación de variables P, V y T, análisis de datos obtenidos para poder llegar a leyes. Debe ser capaz de predecir nuevos fenómenos no vistos.

• Observación
• Hipótesis
• Documentación
• Experimentación
• Análisis de datos
• Conclusiones
• Publicación
• Nuevas preguntas

La Teoría Cinética para los Estados de la Materia

La materia está formada por partículas que están más o menos unidas dependiendo del estado. Si las partículas se mueven más rápido, la temperatura es mayor.

Estructura Interna de los Sólidos

• No se expanden ni se comprimen.
• Tienen forma y volumen constante.
• Sus partículas están muy unidas formando una estructura muy rígida.
• Su mayor densidad se debe a que las partículas están muy próximas y ocupan poco volumen.
• Cuando la temperatura aumenta, el volumen también aumenta ligeramente (se dilatan).

Estructura Interna de los Líquidos

• No se expanden, se comprimen con dificultad.
• Tienen volumen constante pero forma variable.
• Las partículas están más separadas y se deslizan unas sobre otras.
• Su volumen es constante, pero la estructura no es rígida y tienen menos densidad que los sólidos.
• Cuando aumenta la temperatura, se dilatan más que los sólidos.

Estructura Interna de los Gases

• Se expanden y se comprimen.
• Tienen forma y volumen variable.
• Sus partículas están separadas con total libertad de moverse, lo que hace que ocupen todo el volumen disponible.
• Podemos hacer que sus partículas estén más próximas y ocupen menos volumen.
• Tienen la menor densidad, ya que sus partículas están separadas al máximo.

Los Cambios de Estado

Son un ejemplo de fenómeno físico, pues no se altera la naturaleza de la sustancia, sino el estado en que se encuentra. En el cambio de gas a sólido se pierde energía, por lo que se necesita energía para que ocurra el cambio inverso. Mientras se produce el cambio de estado, la temperatura es constante. Los puntos de fusión y ebullición son temperaturas características de cada sustancia.

• Punto de fusión: Temperatura a la cual se produce el cambio de sólido a líquido. Coincide con el punto de solidificación.
• Punto de ebullición: Temperatura a la cual se produce el cambio de líquido a gas. Coincide con el punto de condensación.

Teoría Cinética y Cambios de Estado

En estado sólido, las partículas vibran, pero su movimiento es limitado. El calor que se aporta hace que vibren más y aumente la temperatura. Se produce el cambio de sólido a líquido. Toda la energía se invierte en vencer las fuerzas que mantienen unidas a las partículas del sólido para llegar al estado líquido, donde las partículas están menos unidas. En el cambio de estado, la temperatura es constante. Una vez que todo está en estado líquido, el calor se invierte en aumentar el movimiento de las partículas y la temperatura aumenta. Se produce el cambio de líquido a gas. El calor se invierte en separar las partículas. Una vez que todo es gaseoso, el calor se invierte en aumentar la velocidad de las partículas y aumenta su temperatura. Si el gas tiene un volumen constante, aumenta su presión.

Cambios de Estado bajo Ciertas Condiciones

La temperatura a la que se produce un cambio de estado depende de las condiciones en que se encuentra la sustancia. Un aumento de la presión exterior hace que la temperatura de ebullición se eleve.

• Evaporación: Es el cambio de estado líquido a gas que se produce solo en la superficie del líquido.
• Ebullición: Es el cambio de estado líquido a gas en toda la masa del líquido.

La evaporación se produce en mayor o menor medida a cualquier temperatura, mientras que la ebullición sucede solo a la temperatura de cambio de estado. La evaporación depende de la superficie libre del líquido y del viento, que hacen que las partículas de agua se separen de la superficie del líquido.