Las propiedades de los gases

¿Para qué sirve esto?

Inflas un balón, destapas una gaseosa, cocinas en una olla a presión o simplemente respiras: en todos esos casos hay un gas encerrado o en movimiento. Un balón se ablanda en una noche fría, una jeringa tapada se resiste cuando empujas el émbolo y un aerosol advierte que no se debe dejar cerca del fuego. Detrás de las tres cosas están las mismas ideas.

En esta unidad vas a predecir con números qué le pasa a un gas cuando cambias una de sus condiciones. Esta primera lección pone las bases: qué cantidades describen un gas, en qué unidades se miden, cómo se pasa de una unidad a otra y qué imagen de las partículas explica lo que observas.

Antes de empezar necesitas recordar qué es un mol, cómo se calcula la masa molar de una sustancia a partir de su fórmula y cómo se usa un factor de conversión.

Cómo es un gas por dentro

Un gas no se ve, pero su comportamiento se explica muy bien con un modelo sencillo, la teoría cinética. Dice cuatro cosas:

• Las partículas del gas (átomos o moléculas) están muy separadas unas de otras. Casi todo el recipiente es espacio vacío. Por eso un gas se comprime con facilidad y un líquido no: en el líquido las partículas ya están juntas.
• Las partículas se mueven sin parar, en línea recta y en todas las direcciones, hasta que chocan con otra partícula o con una pared. Por eso un gas ocupa todo el recipiente que lo contiene.
• Las atracciones entre partículas son tan débiles que casi no cuentan.
• La energía cinética promedio de las partículas depende solo de la temperatura: a mayor temperatura, más rápido se mueven en promedio.

Un gas que cumple el modelo al pie de la letra se llama gas ideal. Los gases reales se le parecen mucho a presiones bajas y temperaturas no muy frías, que son las condiciones de esta unidad.

La presión

Cada vez que una partícula choca contra la pared, la empuja un poco. Son tantísimos choques por segundo, repartidos sobre toda la superficie, que el efecto se siente como un empuje parejo: la presión es esa fuerza dividida entre el área, $P = F/A$. Así, la presión de un gas encerrado sale de los choques de sus partículas: si hay más choques por segundo, o si cada choque es más fuerte, la presión sube.

El aire que nos rodea también ejerce presión, la presión atmosférica. En una ciudad alta es menor que a la orilla del mar, porque encima hay menos aire.

La presión se mide en varias unidades. El pascal (Pa) es un newton por metro cuadrado; como es una unidad pequeña, se usa el kilopascal (kPa). La atmósfera (atm) es la presión típica del aire a nivel del mar. Los milímetros de mercurio (mmHg) vienen del barómetro de mercurio: la presión se mide por la altura de la columna de mercurio que sostiene. Como valores de referencia, en esta unidad usamos

$$1\ \text{atm} = 760\ \text{mmHg} = 101{,}3\ \text{kPa}$$

(el valor en kilopascales está redondeado a un decimal). Para convertir se usa un factor de conversión, una fracción que vale uno porque arriba y abajo hay la misma presión: $\dfrac{1\ \text{atm}}{760\ \text{mmHg}}$ o $\dfrac{101{,}3\ \text{kPa}}{1\ \text{atm}}$. La unidad que quieres eliminar va abajo.

Algunos medidores de llanta marcan cuánto supera la presión de adentro a la del aire de afuera. En esta unidad, en cambio, la presión de un gas es siempre su presión total.

El volumen

Como el gas llena todo el recipiente, su volumen es el volumen del recipiente. En química se mide en litros (L) o en mililitros: $1\ \text{L} = 1\,000\ \text{mL}$, y un mililitro es lo mismo que un centímetro cúbico.

La temperatura y la escala kelvin

Si enfrías un gas, sus partículas van cada vez más despacio. Hay una temperatura en la que ya no se puede quitar más energía: el cero absoluto. La escala kelvin pone su cero allí, en $-273\ °\text{C}$ (redondeado), y avanza con pasos del mismo tamaño que los grados Celsius. Por eso la conversión es una suma:

$$T\ (\text{K}) = t\ (°\text{C}) + 273$$

En kelvin no hay temperaturas negativas, y se escribe K sin el símbolo de grado.

En las cuentas con gases la temperatura va siempre en kelvin. La razón es de fondo: la energía de las partículas es proporcional a la temperatura absoluta, la que se cuenta desde el cero absoluto. El cero de la escala Celsius es solo el punto de congelación del agua, y no tiene nada de especial para un gas. Por eso pasar de 20 °C a 40 °C no duplica la temperatura del gas, como verás en un ejemplo.

La cantidad de gas

La cuarta cantidad es cuántas partículas hay, y se mide en moles ($n$). Si conoces la masa, los moles salen de la masa molar: $n = m/M$. Con más partículas en el mismo recipiente y a la misma temperatura hay más choques contra las paredes, y la presión es mayor.

Presión, volumen, temperatura y cantidad no son independientes: si cambias una, cambian otras. Las próximas lecciones dicen exactamente cómo. Las presiones y los volúmenes de los ejemplos y de los ejercicios son inventados para practicar.

En resumen

• Un gas se describe con cuatro cantidades, presión, volumen, temperatura y moles, que dependen unas de otras.

• Según la teoría cinética, las partículas de un gas están muy separadas y se mueven sin parar; la presión sale de sus choques contra las paredes.

• Las presiones se convierten con 1 atm = 760 mmHg = 101,3 kPa (valores de referencia), con la unidad que se elimina abajo en el factor.

• La temperatura de un gas se pasa a kelvin sumando 273; en kelvin no hay valores negativos, y duplicar los °C no duplica la temperatura absoluta.

• Los moles de un gas salen de su masa dividida entre su masa molar.

Vocabulario

Presión

Fuerza que se ejerce sobre cada unidad de área. En un gas encerrado sale de los choques de sus partículas contra las paredes.

Teoría cinética

Modelo que describe un gas como partículas muy separadas que se mueven sin parar, en todas las direcciones, y chocan entre sí y con las paredes.

Cero absoluto

La temperatura más baja posible: 0 K, que en la escala Celsius es −273 °C (valor redondeado).

Escala kelvin

Escala de temperatura que empieza en el cero absoluto. Un kelvin tiene el mismo tamaño que un grado Celsius, y T = t + 273.

Mol

Unidad de la cantidad de sustancia. Los moles de un gas se calculan dividiendo su masa entre su masa molar.