Química 11.º

La ley combinada y la ecuación de estado

55 min · DBA

Lo que vas a aprender
  • Calcular una propiedad final de un gas cuando cambian a la vez la presión, el volumen y la temperatura, con la ley combinada.
  • Usar la ecuación de estado PV = nRT para hallar la presión, el volumen, la temperatura o los moles de un gas.
  • Calcular el volumen de un gas a partir de su masa y la masa molar de un gas a partir de sus condiciones.
  • Explicar de dónde sale el volumen molar de 22,4 L en condiciones normales y por qué cambia cuando cambian la temperatura o la presión.

Para qué

¿Para qué sirve esto?

En la vida real casi nunca cambia una sola cosa. Un globo que sube por una montaña encuentra menos presión y, a la vez, aire más frío. El aire que entra a una bomba de bicicleta se comprime y se calienta al mismo tiempo. Las leyes de la lección anterior fijaban dos cantidades; ahora vas a juntarlas en una sola ecuación que deja cambiar todo a la vez.

Además, vas a conocer la ecuación más usada de la química de gases, $PV = nRT$. Con ella se puede saber cuántos moles hay en un recipiente sin pesarlos, o qué volumen ocupará el gas que sale de una reacción, que es el tema de la próxima lección.

Antes de empezar necesitas las leyes de Boyle, Charles y Gay-Lussac, la conversión de °C a kelvin y el cálculo de moles con la masa molar.

Explicación

La ley combinada

Las tres leyes de la lección anterior dicen que, para una misma cantidad de gas, $PV$ es constante si $T$ no cambia, $V/T$ es constante si $P$ no cambia y $P/T$ es constante si $V$ no cambia. Las tres caben en una sola expresión: el cociente $\dfrac{PV}{T}$ no cambia mientras no cambien los moles. Es la ley combinada:

$$\frac{P_1V_1}{T_1} = \frac{P_2V_2}{T_2} \qquad (n \text{ constante})$$

Si tachas la cantidad que se mantiene fija, recuperas cada ley: sin las $T$ queda la de Boyle, sin las $P$ la de Charles y sin las $V$ la de Gay-Lussac. Por eso basta aprender esta. Las reglas son las mismas de antes: la temperatura en kelvin, y las presiones de los dos estados en la misma unidad, igual que los volúmenes.

La ecuación de estado

Falta la cuarta cantidad, los moles. A la misma presión y temperatura, el doble de gas ocupa el doble de volumen; es la ley de Avogadro: volúmenes iguales de gases distintos, a la misma presión y temperatura, contienen el mismo número de moles. Con eso, el cociente $\dfrac{PV}{T}$ resulta proporcional a $n$, y la constante de proporcionalidad es la misma para cualquier gas ideal. Se llama $R$:

$$PV = nRT$$

Esta es la ecuación de estado del gas ideal. En esta unidad usamos el valor redondeado $R = 0{,}082\ \text{atm·L/(mol·K)}$. Las unidades de $R$ mandan: para usarla, la presión va en atm, el volumen en litros, la cantidad en moles y la temperatura en kelvin. Si un dato viene en mmHg o en mL, se convierte primero.

Fíjate en que la ecuación no pregunta de qué gas se trata. Un mol de oxígeno y un mol de helio, en recipientes iguales y a la misma temperatura, ejercen la misma presión: la presión depende de cuántas partículas chocan, no de cuáles son. Lo que sí depende del gas es la masa: si el dato viene en gramos, los moles salen de la masa molar, $n = m/M$.

Las condiciones normales y el volumen molar

Se llaman condiciones normales a $0\ °\text{C}$ ($273\ \text{K}$) y $1\ \text{atm}$. Con $PV = nRT$ se calcula cuánto ocupa un mol de gas en esas condiciones, y el resultado es aproximadamente $22{,}4\ \text{L}$, el volumen molar en condiciones normales.

Ese número es el de 0 °C y 1 atm. Si cambia la temperatura y la presión no, o al revés, el volumen de un mol cambia: a una temperatura mayor el mismo mol ocupa más; a una presión mayor, menos. Usar 22,4 L por mol en un laboratorio a temperatura ambiente y a la presión del aire es un error de concepto, aunque la cuenta parezca más corta. Fuera de las condiciones normales, lo seguro es $PV = nRT$.

Algunos libros toman como referencia 0 °C y 1 bar, una presión un poco menor que 1 atm, y dan unos 22,7 L por mol. En este curso usamos 1 atm y 22,4 L.

¿Cuál de las dos ecuaciones uso?

  • Si el problema habla de dos estados de la misma muestra de gas (antes y después) y no menciona moles ni gramos, usa la ley combinada. Ahí las presiones y los volúmenes pueden ir en cualquier unidad, siempre que sea la misma en los dos estados; solo la temperatura tiene que ir en kelvin.
  • Si el problema habla de un solo estado y aparecen moles o gramos, o te los piden, usa PV = nRT. Ahí todas las unidades quedan fijadas por $R$.

Antes de reemplazar, haz una tabla con los datos ya convertidos. Al final, revisa si el resultado tiene sentido: un gas que se comprime y se enfría tiene que ocupar menos, y más moles en el mismo recipiente tienen que dar más presión.

Los datos de los problemas son inventados para practicar.

501001502002503003504005101520253035T (K)V (L)0 °C27 °C

Volumen de 1 mol de gas ideal a 1 atm según PV = nRT: V = 0,082·T, con T en kelvin. A 273 K (0 °C) ocupa unos 22,4 L; a 300 K (27 °C) ya ocupa 24,6 L.

Presión fija · Se calienta de 0 °C a 100 °CAntesPresión ×1 · Volumen ×1 · 0 °CDespuésPresión ×1 · Volumen ×1,37 · 100 °C

Un mol de gas a 1 atm, como en la figura, empieza a 0 °C (273 K), donde ocupa unos 22,4 L. Calienta hasta 27 °C (300 K): el volumen queda multiplicado por 1,10 y llega a unos 24,6 L. Por eso el volumen molar cambia con la temperatura.

Ejemplo resuelto

Cambian la presión y la temperatura a la vez

Un gas ocupa 9 L a 1 atm y 27 °C. ¿Qué volumen ocupa a 3 atm y 127 °C?

Ver la solución paso a paso
  1. Cambian las tres cantidades y los moles no: es la ley combinada, con las temperaturas en kelvin. $\frac{1 \cdot 9}{27 + 273} = \frac{3V}{127 + 273}$

  2. Sumamos: $\frac{9}{300} = \frac{3V}{400}$

  3. Despejamos el volumen: $V = \frac{9 \cdot 400}{300 \cdot 3}$

  4. El volumen final, en litros: $V = 4$

  5. Tiene sentido: triplicar la presión lo comprime y calentarlo lo expande; gana la compresión, y el volumen baja de 9 L a 4 L.

    $$4 < 9$$

Respuesta: El gas ocupa 4 L.

Ejemplo resuelto

La presión a partir de la masa

Un recipiente de 8,2 L contiene 16 g de oxígeno, O₂, a 27 °C. ¿Qué presión ejerce? Usa R = 0,082 atm·L/(mol·K).

Ver la solución paso a paso
  1. El dato viene en gramos, así que primero calculamos los moles con la masa molar del O₂, 2 · 16 = 32 g/mol:

    $$\frac{16}{M_m\left(\mathrm{O_{2}}\right)}$$

  2. Hay $0{,}5$ mol de O₂.

  3. Planteamos PV = nRT con la temperatura en kelvin: $P \cdot 8{,}2 = 0{,}5 \cdot 0{,}082 \cdot \left(27 + 273\right)$

  4. Multiplicamos el lado derecho: $8{,}2P = 12{,}3$

  5. Dividimos entre 8,2: $P = 1{,}5$

Respuesta: El oxígeno ejerce 1,5 atm.

Ejemplo resuelto

El volumen de un mol, en condiciones normales y fuera de ellas

¿Qué volumen ocupa 1 mol de gas a 0 °C y 1 atm? ¿Y a 25 °C y 1 atm?

Ver la solución paso a paso
  1. Despejamos V en PV = nRT, con la temperatura en kelvin: $1V = 1 \cdot 0{,}082 \cdot \left(0 + 273\right)$

  2. El volumen, en litros: $V = 22{,}386$

  3. Redondeado a un decimal son 22,4 L: el volumen molar en condiciones normales.

    $$22{,}35 < 0{,}082 \cdot \left(0 + 273\right) < 22{,}45$$

  4. A 25 °C, con la misma presión: $1V = 1 \cdot 0{,}082 \cdot \left(25 + 273\right)$

  5. El volumen, en litros: $V = 24{,}436$

  6. Son unos 24,4 L, no 22,4 L: a 25 °C y 1 atm el volumen molar es otro.

    $$24{,}35 < 0{,}082 \cdot \left(25 + 273\right) < 24{,}45$$

Respuesta: A 0 °C y 1 atm ocupa unos 22,4 L; a 25 °C y 1 atm, unos 24,4 L.

Ejemplo resuelto

Identificar un gas por su masa molar

Una muestra de 2,8 g de un gas ocupa 2,46 L a 1 atm y 27 °C. ¿Cuál es su masa molar?

Ver la solución paso a paso
  1. Primero los moles, despejando n en PV = nRT: $1 \cdot 2{,}46 = n \cdot 0{,}082 \cdot \left(27 + 273\right)$

  2. El lado derecho es 24,6 n: $2{,}46 = 24{,}6n$

  3. La muestra tiene $n = 0{,}1$ mol.

  4. La masa molar es la masa dividida entre los moles, en g/mol:

    $$\frac{2{,}8}{0{,}1}$$

  5. Es $28$ g/mol.

  6. Es la masa molar del nitrógeno, N₂; con este dato el gas podría ser nitrógeno.

    $$M_m\left(\mathrm{N_{2}}\right) = 28$$

Respuesta: La masa molar es 28 g/mol.

Práctica

Un gas ocupa 2 L a 1 atm y 27 °C. ¿Qué volumen ocupa a 2 atm y 327 °C, en litros?

Un gas ocupa 5 L a 1 atm y 7 °C. Se comprime hasta 2 L y se calienta hasta 147 °C. ¿Qué presión tiene, en atm? Escribe el número con coma decimal.

Un recipiente de 4,1 L tiene gas a 3 atm y 27 °C. ¿Cuántos moles de gas contiene? Usa R = 0,082 atm·L/(mol·K) y escribe el número con coma decimal.

¿Qué volumen ocupan 2 mol de gas a 2 atm y 127 °C? Usa R = 0,082 atm·L/(mol·K) y escribe el número con coma decimal.

¿Qué volumen ocupan 22 g de CO₂ a 0 °C y 1 atm? Usa R = 0,082 atm·L/(mol·K) y redondea a un decimal.

Un mol de gas ocupa 24,6 L a 1 atm. ¿A qué temperatura está, en °C? Usa R = 0,082 atm·L/(mol·K).

¿Qué presión ejercen 8 g de metano, CH₄, en un recipiente de 4,1 L a 27 °C? Usa R = 0,082 atm·L/(mol·K).

¿Verdadero o falso? A 25 °C y 1 atm, un mol de gas ideal ocupa 22,4 L. Usa R = 0,082 atm·L/(mol·K).

¿Verdadero o falso? Un gas ocupa 3 L a 1 atm y 300 K; a 2 atm y 600 K vuelve a ocupar 3 L.

¿En cuál de estas condiciones ocupa un mol de gas aproximadamente 22,4 L?

Vas a usar PV = nRT con R = 0,082 atm·L/(mol·K). Te dan la presión en mmHg, el volumen en mL y la temperatura en °C. ¿Qué tienes que hacer antes de reemplazar?

Reto

Completa el volumen de un mol.

Usa V = nRT/P con n = 1 mol, R = 0,082 atm·L/(mol·K) y la temperatura en kelvin.

Reto

Abre el candado de la ecuación de estado.

Cada respuesta es una cifra del código. Usa R = 0,082 atm·L/(mol·K) y la temperatura en kelvin.

Cierre

En resumen

  • Ley combinada: para una cantidad fija de gas, P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂, con la temperatura en kelvin; de ella salen las leyes de Boyle, Charles y Gay-Lussac.

  • Ecuación de estado: PV = nRT, con R = 0,082 atm·L/(mol·K); P en atm, V en litros, n en moles y T en kelvin.

  • Si la cantidad de gas viene en gramos, los moles salen de la masa molar; y con los moles y la masa se calcula la masa molar de un gas desconocido.

  • En condiciones normales (0 °C y 1 atm) un mol de gas ocupa aproximadamente 22,4 L; fuera de ellas, lo seguro es PV = nRT.

Vocabulario

Ley combinada

Para una cantidad fija de gas, P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂, con la temperatura en kelvin.

Ecuación de estado del gas ideal

PV = nRT: relaciona la presión, el volumen, los moles y la temperatura absoluta de un gas.

Constante de los gases

R = 0,082 atm·L/(mol·K), redondeada; con ese valor, P va en atm, V en litros, n en moles y T en kelvin.

Condiciones normales

0 °C (273 K) y 1 atm. En ellas un mol de gas ideal ocupa aproximadamente 22,4 L.

Volumen molar

Volumen que ocupa un mol de gas a una presión y una temperatura dadas.

Guía para el docente

Tiempos

Preguntas para el salón

Errores típicos

Tarea sugerida

Calcular la presión de 4 g de helio (He) en un recipiente de 12,3 L a 27 °C, y el volumen que ocuparían a 0 °C y 1 atm, por PV = nRT y con el volumen molar; comparar los dos resultados.