Conceptos Clave de la Química: Desde la Teoría Cinética hasta las Leyes de los Gases

Teoría Cinética de la Materia y sus Estados de Agregación

Mediante esta teoría se intenta expresar cómo se encuentran las partículas que componen la materia en cada estado de agregación:

• Sólido

  • Está compuesto por átomos.
  • Distancia entre átomos constante.
  • Fuerza entre los átomos muy grande.
  • Movimiento de los átomos solo de vibración.
  • Energía mínima.

• Líquido

  • Distancia entre moléculas es constante.
  • Fuerza de atracción entre moléculas es muy grande.
  • Energía intermedia.

• Gas

  • Distancia entre moléculas no es constante.
  • Movimiento de moléculas en vibración y traslación.
  • Energía máxima.

La Temperatura y su Medición

La temperatura de los cuerpos es una medida de la energía cinética promedio de sus partículas.

• Se mide de forma relativa y para ello se usan los termómetros.

• Termómetro de Mercurio

  Se trata de un capilar que contiene mercurio; al aumentar la temperatura de los cuerpos, el mercurio se dilata.

Escalas de Temperatura

Existen dos escalas principales para medir la temperatura:

• Celsius

  Su unidad es el grado Celsius (°C).

  El punto de fusión del hielo toma el valor de 0 °C y el punto de ebullición del agua 100 °C.

• Kelvin

  Su unidad es el kelvin (K).

  El punto de fusión del hielo toma el valor de 273 K y el punto de ebullición del agua 373 K.

  A la temperatura de 0 K (cero absoluto), las partículas de un cuerpo están en reposo absoluto.

Calor Latente de Fusión

• Es la cantidad de calor necesaria para que cambie de estado un kilogramo (kg) de sustancia (Lf).
• Es un valor calculado para cada sustancia. Para calcular el calor total involucrado en un cambio de estado, se usa la fórmula: Q = Lf · m.

Efecto de la Presión en el Cambio de Estado

• La presión atmosférica es la fuerza debida al peso de la atmósfera (aire) sobre la superficie terrestre.
• En un día despejado y a nivel del mar, la presión es de una atmósfera.
• En los cambios de estado, cuando la presión exterior aumenta, la dificultad de las partículas para escapar será mayor y el cambio de estado ocurrirá a mayor temperatura.

Vaporización: Paso de Líquido a Gas

La vaporización ocurre de dos formas:

• Ebullición

  Afecta a toda la masa líquida, que se agita por las burbujas de gas que escapan, y ocurre a temperatura constante.

• Evaporación

  Afecta solo a la superficie del líquido y ocurre a cualquier temperatura. Las moléculas que están en la superficie adquieren energía y escapan.

  Ejemplo de cálculo de calor de vaporización (Q = Lf · m):

  Q = 400000 J/kg * 0.3 kg = 1.2 x 10⁵ J

Estudio de los Gases Ideales

Cualquier gas tiene un estado determinado debido a tres variables principales: Presión, Volumen y Temperatura.

Leyes de los Gases

• Ley de Boyle y Mariotte

  Estudia cómo se comporta un gas manteniendo la temperatura constante, llegando a la siguiente conclusión: a temperatura constante, el producto de la presión por el volumen de un gas es constante.

  P₁V₁ = P₂V₂ (a T constante)

• Leyes de Gay-Lussac y Charles

  Si se mantiene un gas a un volumen constante, la presión que ejerce es proporcional a la temperatura absoluta.

  P₁/T₁ = P₂/T₂ (Ley de Gay-Lussac, a V constante)

  Si se mantiene un gas a presión constante, el volumen que ocupa es proporcional a la temperatura absoluta.

  V₁/T₁ = V₂/T₂ (Ley de Charles, a P constante)

Ecuación de Estado de los Gases Ideales

El estado de cualquier gas viene determinado cuando se fijan dos de las variables mencionadas. La relación entre ellas se describe mediante la Ecuación de Estado de los Gases Ideales:

PV = nRT

• P: Presión (en atmósferas, atm)
• V: Volumen (en litros, L)
• n: Cantidad de sustancia (en moles, mol)
• R: Constante de los gases ideales (0.082 L·atm/(mol·K))
• T: Temperatura (en Kelvin, K)