28 Jun
Modelos del Estado Gaseoso
El primer intento de explicar la constitución de la materia se realizó con los gases por tener una estructura más sencilla.
Modelos Históricos de los Gases
Un primer modelo de los gases, denominado modelo estático, estuvo ligado a la teoría del calórico. Se suponía que el calor era una sustancia llamada calórico. Al calentar un gas, sus partículas aumentaban de volumen porque el calórico se colocaba alrededor de ellas, aumentando su tamaño y, como consecuencia, su volumen.
El irlandés Robert Boyle propuso el modelo cinético para explicar las propiedades de los gases. Este modelo fue completado en 1738 por el físico Daniel Bernoulli y consistía en suponer que el gas está formado por partículas que se movían rápidamente en todas direcciones. Este modelo se apoyaba en evidencias experimentales.
Evidencias Experimentales del Modelo Cinético
Las siguientes observaciones experimentales respaldan el modelo cinético de los gases:
- Los gases ocupan todo el recipiente que los contiene.
- Los gases se expanden y se comprimen con facilidad.
- Los gases ejercen igual presión sobre todas las paredes del recipiente.
- Los gases se difunden, es decir, pasan a través de orificios.
Para explicar este comportamiento, se desarrolló la Teoría Cinético-Molecular, que puede resumirse en los siguientes postulados:
Partículas en Movimiento
Los gases están formados por un conjunto de partículas individuales que se mueven en distintas direcciones y chocan unas con otras y con las paredes del recipiente sin perder energía (movimiento rectilíneo al azar).
Volumen de las Partículas
Las partículas individuales tienen un volumen extremadamente pequeño en comparación con el volumen del recipiente que las contiene. El modelo representa a las partículas como si tuvieran masa pero no volumen.
Fuerzas entre Partículas
El movimiento y la disposición de las partículas quedan determinados por dos tipos de fuerzas: unas atractivas o fuerzas de cohesión y otras repulsivas o fuerzas de dispersión.
Modelos para Líquidos y Sólidos
El modelo cinético es también aplicable a los sólidos y a los líquidos.
En los Líquidos
En los líquidos, las fuerzas de atracción entre partículas son lo bastante fuertes para mantenerlas juntas, por eso los líquidos son mucho más densos y menos compresibles que los gases. Aunque tienen un volumen definido, las fuerzas de atracción no pueden evitar que las partículas se deslicen unas respecto a otras y por eso los líquidos se vierten y adoptan la forma del recipiente.
En los Sólidos
En los sólidos, las fuerzas de atracción son tan intensas que fijan las partículas a sus posiciones; por eso los sólidos son rígidos. Los que poseen estructuras muy ordenadas se llaman cristales y los que son desordenados se llaman amorfos.
Teoría Cinética y Temperatura
Los gases son fáciles de describir desde el punto de vista de la teoría cinética. En un recipiente, sus partículas se mueven en línea recta de un lado para otro, chocando con el recipiente y con las demás partículas. Este movimiento se llama movimiento térmico. Si se aporta energía a un gas, la velocidad media de sus partículas aumenta y, por lo tanto, la energía cinética media (EC = ½ mv²). Como consecuencia de ello, aumenta su temperatura.
La temperatura de un sistema material es proporcional a la energía cinética media de sus partículas.
La escala absoluta o escala Kelvin tiene el Kelvin como unidad (K). El cero absoluto se encuentra a –273,15 ºC. A esa temperatura, las partículas de cualquier sistema material están inmóviles.
Teoría Cinética y Presión
Las partículas de un gas chocan constantemente contra las paredes del recipiente en el que se encuentra y en cada choque ejercen fuerza.
La presión que ejerce un gas es consecuencia de los choques de sus partículas contra las paredes del recipiente.
Cambios de Estado según la Teoría Cinética
Efecto de la Temperatura
En los sólidos, al aumentar la temperatura, aumenta la vibración de sus partículas y la estructura pierde fortaleza y rigidez. En los líquidos, al aumentar la temperatura y la vibración de las partículas, estas pueden alejarse con más facilidad de las partículas vecinas.
Efecto de la Presión
En general, el aumento de la presión aumenta el acercamiento de las partículas, con lo cual aumenta la fuerza de cohesión.
El aumento de temperatura de un sistema material aumenta la energía cinética media de sus partículas y su movilidad, lo que favorece un cambio progresivo S-L-G (Sólido a Líquido a Gaseoso).
El aumento de presión aumenta la fuerza de cohesión y favorece el cambio regresivo G-L-S (Gaseoso a Líquido a Sólido).
Leyes Fundamentales de los Gases
Las evidencias experimentales de Robert Boyle y Edme Mariotte fueron mejoradas un siglo después por Jacques Charles y Joseph Louis Gay-Lussac.
Demostraron que la presión, temperatura y volumen de una masa fija de gas eran variables relacionadas entre sí. Establecieron varias leyes que llevan su nombre.
Ley de Boyle-Mariotte: Relación Presión-Volumen
Esta ley forma una parte especial de la historia por su sencillez. Realizaban cambios sistemáticos en una variable para ver el cambio que experimentaba la otra.
Boyle usó un tubo en forma de J con una muestra de aire. Introdujo mercurio por la parte abierta del tubo y la presión aumentó en la rama derecha y el volumen del gas en la rama izquierda.
Registró los datos de volumen (V) frente a la altura del mercurio (P) y comprobó que el producto de ambas (PV) se mantenía aproximadamente constante.
Ley de Boyle-Mariotte: Para una masa determinada de gas a temperatura constante, el volumen del gas es inversamente proporcional a su presión.
PV = constante (o P ∝ 1/V)
Leyes de Charles y Gay-Lussac
Primera Ley (Ley de Charles): Relación Volumen-Temperatura
Al encerrar en un émbolo una cantidad de gas fija a una presión constante, al ir aumentando la temperatura observamos que el volumen aumenta de manera proporcional.
Ley de Charles: El volumen de una cantidad fija de gas a presión constante es directamente proporcional a la temperatura absoluta.
V₁/T₁ = V₂/T₂ = constante (o V ∝ T)
Segunda Ley (Ley de Gay-Lussac): Relación Presión-Temperatura
Si encerramos una cantidad fija de gas en un émbolo a volumen fijo y se aumenta la temperatura, se observa que la presión aumenta de manera proporcional.
El aumento de temperatura hace que la velocidad media de las partículas aumente y con ello aumenta la frecuencia de choques contra la pared del recipiente. Puesto que el volumen es constante, la consecuencia de este aumento de frecuencia de choque es que aumente la presión.
Ley de Gay-Lussac: La presión de una cantidad fija de gas a volumen fijo es directamente proporcional a la temperatura absoluta.
P₁/T₁ = P₂/T₂ = constante (o P ∝ T)
Deja un comentario