Pin
Send
Share
Send


Gas Es uno de los cuatro estados o fases principales de la materia, junto con el sólido, el líquido y el plasma. Cada estado se caracteriza por distintas propiedades físicas que explica la ciencia moderna en términos de la energía de los átomos o moléculas que comprenden la materia. La materia en estado gaseoso no tiene característicamente forma o volumen independientes y tiende a expandirse para llenar cualquier tamaño o forma de contenedor.

El gas existe en medio de un continuo de calentamiento en el que el calentamiento del gas puede hacer que sus átomos o moléculas se ionicen (total o parcialmente), convirtiendo el gas en plasma. Enfriar el gas eventualmente hará que se licue o, en algunos casos, se solidifique. El agua es el material de ejemplo clásico que representa los cambios de fase entre sólido (hielo), líquido (agua) y gas (vapor). El "hielo seco" (dióxido de carbono congelado), que se evapora o sublima directamente a un gas, modela otro modo de cambio de fase.

Los elementos que existen como gases en las condiciones normales de temperatura y presión en la tierra desempeñan muchos papeles valiosos para los sistemas vivos y el medio ambiente. Por ejemplo, oxígeno diatómico (O2) es esencial para respirar; ozono (O3) en la estratosfera impide que la radiación ultravioleta (UV) dañina llegue a la Tierra; metano (CH4), el componente principal del gas natural, es un combustible útil; dióxido de carbono (CO2) es esencial para el crecimiento de las plantas a través de la fotosíntesis, y es un importante gas de efecto invernadero que ayuda a mantener el calor de la Tierra; neon (Ne) es útil para luces publicitarias; y helio (He) se usa para inflar globos y como escudo durante la soldadura por arco.

Etimología

La palabra "gas" aparentemente fue propuesta por el químico flamenco del siglo XVII Jan Baptist van Helmont, como una ortografía fonética de su pronunciación holandesa de la palabra griega "caos", que se usó desde 1538, después de Paracelso para "aire".1

Historia

Aunque Aristóteles, en la antigua Grecia, clasificó el aire como uno de los cuatro elementos, los gases no fueron estudiados o entendidos seriamente hasta los últimos doscientos años. Antes de 1727, todavía se pensaba que los gases eran generalmente de la misma naturaleza que el aire atmosférico normal. (Aunque Robert Boyle, sin saberlo, había preparado gases de hidrógeno y óxido nítrico ya en 1659, todavía no reconocía que estos fueran de naturaleza diferente al aire atmosférico). En 1727, Stephen Hales se dio cuenta de que este no era el caso en absoluto. Desarrolló técnicas de manejo que sentaron las bases para la química neumática actual.

En la década de 1750, Joseph Black fue el primer científico en preparar e identificar un gas (lo que llamó "aires facticios"): dióxido de carbono. Su tesis doctoral de 1754 describió cómo se había liberado el gas cuando calentó el carbonato de magnesio básico.

Durante los siguientes 20 años, un intenso período de actividad en el área resultó en la identificación de prácticamente todos los gases permanentes comunes por parte de científicos como Henry Cavendish, Joseph Priestley y Carl Wilhelm Scheele. El oxígeno fue descubierto en este momento, primero por Scheele en 1773, y de forma independiente por Lavoisier y Priestley en 1774.

Desde la década de 1770 hasta la década de 1850, el teoría calórica fue la teoría comúnmente aceptada sobre el comportamiento del gas. Sus dos características distintivas fueron que las partículas de gases fueron concebidas para ser estacionarias, mantenidas en posición por fuerzas repulsivas que se cree que existen entre ellas; y que estas fuerzas repulsivas se atribuyeron a la presencia de un fluido de calor sutil, liviano y altamente elástico ("fuego líquido") conocido como calórico.

Alrededor del cambio de siglo (1798), el Conde Rumford cuestionó la relación entre el gas y la producción de calor por fricción, teorizando que la ausencia sospechosa de un cambio en el calor específico del gas significaba que el modelo aceptado de un gas estaba equivocado. Aunque la mayoría de los científicos ignoraron o refutaron su argumento, la semilla de la duda había sido plantada.

En las siguientes décadas, la teoría calórica se debatió acaloradamente, y se realizó mucha investigación durante este período. De particular interés es el descubrimiento de John Dalton de difusión en 1808, atrayendo la atención mundial. También hizo un trabajo notable en la expansión de gas, al igual que Joseph Louis Gay-Lussac. Sin embargo, las grietas realmente serias en la teoría calórica comenzaron a aparecer después de 1815, con el trabajo de Jean Baptiste Joseph Fourier, Dominique Francois Jean Arago, Pierre Louis Dulong, Augustin-Jean Fresnel y Alexis Therese Petit. Cada joven, representante de la nueva generación de la ciencia, tenía su propia teoría rival con la existente, lo que generó aún más debate.

A partir de mediados de la década de 1850, el teoría cinética del gas comenzó a aumentar en popularidad. Esta teoría, comúnmente aceptada hoy, establece que, en lugar de permanecer estáticas, las moléculas de gas están en movimiento. Cómo y por qué se produjo este cambio es un tema vivo entre los historiadores. Después de esto, la teoría del gas como se la conoce comenzó a aparecer.

Física

Los átomos o las moléculas en estado gaseoso básicamente se mueven independientemente uno del otro, sin fuerzas que los mantengan juntos o los separen. Sus únicas interacciones son colisiones raras y aleatorias. Las partículas se mueven en direcciones aleatorias, a alta velocidad. El rango de velocidad depende de la temperatura. Siguiendo la segunda ley de la termodinámica, las partículas de gas se difundirán inmediatamente para distribuirse homogéneamente en cualquier forma o volumen de espacio definido por un límite de material o barrera de energía potencial.

El estado termodinámico de un gas se caracteriza por su volumen, su temperatura, que está determinada por la velocidad promedio o la energía cinética de las moléculas, y su presión, que mide la fuerza promedio ejercida por las moléculas que chocan contra una superficie. Estas variables están relacionadas por las leyes fundamentales de los gases, que establecen que la presión en un gas ideal es proporcional a su temperatura y número de moléculas, pero inversamente proporcional a su volumen.

Al igual que los líquidos y el plasma, los gases fluyen y fluyen libremente: tienen la capacidad de fluir y no tienden a volver a su configuración anterior después de la deformación, aunque tienen viscosidad. Sin embargo, a diferencia de los líquidos, los gases no restringidos no ocupan un volumen fijo, sino que se expanden para llenar cualquier espacio disponible para ellos según lo definido por los límites materiales o las barreras de energía potencial. La energía cinética por molécula en un gas es el segundo mayor de los estados de la materia (después del plasma). Debido a esta alta energía cinética, los átomos y las moléculas de gas tienden a rebotar de cualquier superficie que los contenga y entre sí, cuanto más poderosamente aumenta la energía cinética. Una idea errónea común es que las colisiones de las moléculas entre sí son esenciales para explicar la presión del gas, pero en realidad sus velocidades aleatorias son suficientes para definir esa cantidad; las colisiones mutuas solo son importantes para establecer la distribución de Maxwell-Boltzmann.

Las partículas de gas normalmente están bien separadas, a diferencia de las partículas líquidas, que están en contacto. Una partícula material (digamos una mota de polvo) en un gas se mueve Movimiento browniano, El movimiento incesante de partículas finamente divididas en suspensión. Dado que está al límite (o más allá) de la tecnología actual para observar partículas de gas individuales (átomos o moléculas), solo los cálculos teóricos dan sugerencias sobre cómo las partículas de gas se mueven realmente. es Sin embargo, su movimiento es diferente del movimiento browniano. La razón es que Brownian Motion implica un arrastre suave debido a la fuerza de fricción de muchas moléculas de gas, puntuada por colisiones violentas de una (s) molécula (s) de gas individual (es) con la partícula. La partícula (generalmente compuesta por millones o miles de millones de átomos) se mueve así en un curso irregular, pero no tan irregular como cabría esperar si uno pudiera examinar una molécula de gas individual.

Gas ideal

Un gas ideal o gas perfecto es un gas hipotético que consiste en una gran cantidad de partículas idénticas, cada una de volumen cero, distribuidas uniformemente en densidad, sin fuerzas intermoleculares. Además, las moléculas o átomos del gas tienen una aleatoriedad completa de dirección y velocidad, y sufren colisiones perfectamente elásticas con las paredes del recipiente. Las moléculas de un gas ideal a menudo se comparan con las bolas de billar, ya que ambas son esferas rígidas y elásticas. Gases reales no exhiben estas propiedades exactas, aunque la aproximación a menudo es lo suficientemente buena como para describir gases reales, excepto a presiones muy altas y temperaturas muy bajas. Existen tres tipos básicos de gas ideal:

  • El gas ideal clásico o Maxwell-Boltzmann
  • El gas Bose cuántico ideal, compuesto de bosones
  • El gas Fermi cuántico ideal, compuesto de fermiones.

El gas ideal clásico se puede separar en dos tipos: el gas ideal termodinámico clásico y el gas de Boltzmann cuántico ideal. Ambos son esencialmente lo mismo, excepto que el gas ideal termodinámico clásico se basa solo en la termodinámica clásica, y ciertos parámetros termodinámicos como la entropía solo se especifican dentro de una constante aditiva indeterminada. El gas de Boltzmann cuántico ideal supera esta limitación al tomar el límite del gas Bose cuántico y el gas Fermi cuántico en el límite de alta temperatura para especificar estas constantes aditivas. El comportamiento de un gas cuántico de Boltzmann es el mismo que el de un gas ideal clásico, excepto por la especificación de estas constantes. Los resultados del gas cuántico de Boltzmann se utilizan en varios casos, incluida la ecuación Sackur-Tetrode para la entropía de un gas ideal y la ecuación de ionización Saha para un plasma débilmente ionizado.

Gas ideal termodinámico clásico

Las propiedades termodinámicas de un gas ideal se pueden describir mediante dos ecuaciones. La ecuación de estado de un gas ideal clásico viene dada por la ley del gas ideal:

La energía interna de un gas ideal viene dada por:

dónde:

  • es una constante (por ejemplo, igual a 3/2 para un gas monoatómico)
  • U es energía interna
  • PAGS es la presión
  • V es el volumen
  • norte es la cantidad de gas (moles)
  • R es la constante de gas, 8.314J • K-1mol-1
  • T es la temperatura absoluta
  • norte es la cantidad de partículas
  • k es la constante de Boltzmann, 1.381x10-23J • K-1

La distribución de probabilidad de partículas por velocidad o energía viene dada por la distribución de Boltzmann.

La ley del gas ideal es una extensión de las leyes del gas descubiertas experimentalmente. Los fluidos reales a baja densidad y alta temperatura, aproximan el comportamiento de un gas ideal clásico. Sin embargo, a temperaturas más bajas o mayor densidad, un fluido real se desvía fuertemente del comportamiento de un gas ideal, particularmente cuando se condensa de un gas a un líquido o sólido.

Ley de Boyle

A medida que un gas se comprime en un volumen más pequeño, la temperatura se mantiene constante, la densidad aumenta y las moléculas hacen colisiones más frecuentes con las paredes, lo que aumenta la presión. La ley de Boyle describe este comportamiento, indicando que para una masa de gas dada a una temperatura fija, el producto de presión y volumen es constante.

Ley de Charles

La ley de Charles establece que para una masa de gas dada, si la presión se mantiene constante, el volumen aumenta linealmente con la temperatura.

Ley de avogadro

La ley de Avogadro establece que a temperatura constante, la presión por el volumen tendrá el mismo valor para todos los gases, siempre que contengan la misma cantidad de moléculas. Esto se basa en la suposición de que dos gases diferentes a la misma temperatura deben tener la misma energía cinética molecular promedio, ya que cada uno de ellos está en equilibrio individualmente con las paredes del recipiente.

Ley de Dalton

La ley de presión parcial de Dalton establece que a una temperatura fija, la presión de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones que ejercería cada gas por separado, si los otros componentes no estuvieran allí.

Gases cuánticos ideales

En la ecuación Sackur-Tetrode mencionada anteriormente, se descubrió que la mejor opción de la constante de entropía es proporcional a la longitud de onda térmica cuántica de una partícula, y el punto en el que el argumento del logaritmo se convierte en cero es aproximadamente igual al punto en el que la distancia promedio entre partículas se vuelve igual a la longitud de onda térmica. De hecho, la teoría cuántica misma predice lo mismo. Cualquier gas se comporta como un gas ideal a una temperatura suficientemente alta y una densidad lo suficientemente baja, pero en el punto donde la ecuación de Sackur-Tetrode comienza a descomponerse, el gas comenzará a comportarse como un gas cuántico, compuesto de bosones o fermiones.

Gas ideal de Boltzmann

El gas de Boltzmann ideal produce los mismos resultados que el gas termodinámico clásico, pero realiza la siguiente identificación para la constante indeterminada Φ:

donde Λ es la longitud de onda térmica de Broglie del gas y sol Es la degeneración de los estados.

Gases Bose y Fermi ideales

Un gas ideal de bosones (por ejemplo, un gas de fotones) se regirá por las estadísticas de Bose-Einstein y la distribución de energía será en forma de distribución de Bose-Einstein. Un gas ideal de fermiones se regirá por las estadísticas de Fermi-Dirac y la distribución de energía será en forma de distribución de Fermi-Dirac.

Gas real

Como se señaló anteriormente, gases reales, o gases imperfectos, no exhiben las propiedades exactas de los gases ideales, aunque la aproximación es lo suficientemente buena como para usarla a menudo para describirlos. La aproximación realmente se rompe a altas presiones y bajas temperaturas, donde las fuerzas intermoleculares juegan un papel más importante en la determinación de las propiedades del gas. En estas condiciones, el modelo de una molécula como "bola de billar" se vuelve demasiado crudo y requiere un modelo más realista. En estos casos, se deben usar ecuaciones más complicadas para describir con mayor precisión su movimiento. Van der Waals Aquí también entran en juego fuerzas que describen las fuerzas de atracción entre los átomos.

También hay que señalar que los gases reales son no esferas perfectas, y que están rodeadas por campos de fuerza de corto alcance. Aún así, incluso utilizando la teoría cinética, es necesario suponer que el campo de fuerza alrededor de una molécula es esféricamente simétrico, o de lo contrario los cálculos se vuelven simplemente intratables.

Roles biológicos y ambientales.

Como un estado natural de la materia, los roles de los gases en los roles biológicos y ambientales son variados. Algunos ejemplos de gases en la naturaleza incluyen:

Aire es una mezcla de gases, compuesta en gran parte de nitrógeno y oxígeno diatómico (O2) Clave para soportar gran parte de la vida de la Tierra, todas las plantas que dependen de la fotosíntesis requieren aire, así como muchas formas de bacterias, insectos y otros animales.

Nubes y niebla, ambos compuestos de vapor de agua (la fase gaseosa del agua).

Gases de invernadero tales como dióxido de carbono, vapor de agua, metano, óxido nitroso y ozono, todos contribuyen al efecto invernadero o al calentamiento de la atmósfera de la Tierra.

Dióxido de carbono (CO2) se libera a la atmósfera cuando se queman combustibles fósiles que contienen carbono, como el petróleo, el gas natural y el carbón; los humanos también producen naturalmente el gas a través de la respiración cuando respiran. El dióxido de carbono es esencial para la fotosíntesis en plantas y otros fotoautótrofos.

Ozono (O3) es una forma de gases de oxígeno elementales, que se produce naturalmente en pequeñas cantidades en la estratosfera de la Tierra, a 15-55 km sobre la superficie de la Tierra). Aquí filtra la radiación ultravioleta dañina de la luz solar. El ozono también se puede formar cuando una mezcla de (O2) y no2) está expuesto a la luz brillante, una ocurrencia común en el aire contaminado de las grandes ciudades. Un exceso de ozono puede ser peligroso para las plantas y los animales, además de dañar materiales poliméricos como el caucho y los plásticos, lo que puede deteriorarlos prematuramente.

Aplicaciones

Propulsor de aerosol, utilizado en botes de crema batida o spray para cocinar, es un gas. El óxido nitroso se usa comúnmente. Los clorofluorocarbonos (CFC) también se han utilizado tradicionalmente, pero se han eliminado en todo el mundo debido a los efectos negativos que tienen los CFC en la capa de ozono de la Tierra.

El óxido nitroso también se usa en gas de la risa, Un anestésico. Es una droga disociativa que puede causar analgesia, euforia, mareos, rebordear el sonido y alucinaciones leves. Usado con mayor frecuencia en procedimientos dentales, proporciona sedación por inhalación y reduce la ansiedad del paciente.

los Gases nobles o gases inertes (elementos del grupo 18) se usan comúnmente en iluminación. El argón se usa a menudo como una atmósfera segura para el interior de las bombillas de filamento. Krypton también se usa en láseres que utilizan los médicos para la cirugía ocular.

Los gases también se usan en la guerra química como un arma terrorista, con el fin de infundir confusión y pánico entre el enemigo. Sulfuro de dicloroetilo, o gas mostaza, por ejemplo, se usó en la Primera Guerra Mundial, produciendo grandes ampollas similares a quemaduras dondequiera que entrara en contacto con la piel. Otro ejemplo de gas en la guerra química es el cianuro de hidrógeno (HCN), infamemente empleado por el régimen nazi en la Segunda Guerra Mundial como método de asesinato en masa.

Propano, naturalmente, un gas, pero comúnmente comprimido en un líquido para el transporte, se usa como combustible para motores, barbacoas y sistemas de calefacción domésticos. Por lo general, se mezcla con pequeñas cantidades de propileno, butano y butileno, y se vende como gas licuado de petróleo (GLP).

Metano, El componente principal del gas natural, se usa comúnmente como combustible después de la síntesis comercial a través de la destilación de carbón bituminoso y el calentamiento con una mezcla de carbono e hidrógeno. Alternativamente, puede descubrirse naturalmente y luego procesarse para eliminar los hidrocarburos más pesados, como el propano y el butano. La combustión del metano es altamente exotérmica.

Ver también

Notas

  1. ↑ Robert Fox La teoría calórica de los gases de Lavoisier a Regnault (Oxford: Oxford University Press, 1971), 6-103.

Referencias

  • Fox, Robert. La teoría calórica de los gases de Lavoisier a Regnault. Oxford: Oxford University Press, 1971. ISBN 978-0198581314.
  • Hanlon, Mike. Guerra de gas. Trincheras en la Web. Consultado el 29 de agosto de 2017.
  • Presente, R.D. Teoría cinética de los gases.. McGraw-Hill Book Company, Inc., 1958.
  • Ramanujan, Krishna. "Los impactos del metano en el cambio climático pueden ser dos veces estimados anteriores". NASA, 18 de julio de 2005. Consultado el 29 de agosto de 2017.
  • Shakhashiri, Bassam Z. "Gases del aire". La ciencia es divertido. Consultado el 29 de agosto de 2017.
  • Shakhashiri, Bassam Z. "Metano". La ciencia es divertido. Consultado el 29 de agosto de 2017.
  • Shakhashiri, Bassam Z. //www.scifun.org/CHEMWEEK/Ozone2017.pdf "Ozono". Consultado el 29 de agosto de 2017.
  • Tabor, David. Gases, líquidos y sólidos y otros estados de la materia, 3a edición. Baltimore: Penguin Books, Inc., 1969. ISBN 978-0521406673.
  • WebElements. Tabla periódica. Consultado el 29 de agosto de 2017.

Enlaces externos

Todos los enlaces recuperados el 29 de agosto de 2017.

  • Chemtutor - Gases
  • Iluminación - Transición - Historia del gas del Tercer Milenio en línea
  • Teoría cinética de los gases: una breve revisión por Michael Fowler, Universidad de Virginia

Ver el vídeo: Sevn Alias - Gass ft. Jason Futuristic, BKO & Jairzinho Prod. WillyBeatsz GATE 16 on Spotify! (Septiembre 2020).

Pin
Send
Share
Send