Fundamentos de Química: Concentración, Leyes de los Gases y Estructura Atmosférica

Estructura y Composición de la Atmósfera

Capas de la Atmósfera

La atmósfera terrestre se divide en varias capas definidas por sus características térmicas y de composición. A continuación, se describen las principales:

• Troposfera

  Del griego 'Tropos' (cambio). Es la capa más cercana a la Tierra. En ella ocurren los fenómenos meteorológicos y el aire es más denso que en otras capas.

• Estratósfera

  Del latín 'Strata' (capa). Es donde se localiza la Capa de Ozono ($\text{O}_3$), un gas crucial que protege la Tierra de las radiaciones ultravioleta (UV) nocivas provenientes del Sol.

• Mesosfera

  Del griego 'Meso' (medio). En esta capa, los gases están completamente mezclados. Es la capa más fría de la atmósfera y es donde la mayoría de los meteoroides se desintegran, observándose como estrellas fugaces.

• Termosfera

  Del griego 'Termo' (calor). Se caracteriza por un aumento significativo de la temperatura debido a la absorción de radiación solar de alta energía. En ella se producen las auroras boreales y australes.

• Exosfera

  Del griego 'Exo' (fuera). Es el borde mismo de la atmósfera y la última capa. En ella orbitan los satélites espaciales.

El Aire y su Composición

Se denomina aire a la disolución de gases que constituye la atmósfera terrestre, mantenida dentro del planeta por acción de la fuerza de gravedad.

Composición del Aire Seco

El aire está compuesto principalmente por los siguientes gases, siendo estos sus componentes predominantes:

• Nitrógeno ($\text{N}_2$): 78,08 %
• Oxígeno ($\text{O}_2$): 20,94 %
• Argón ($\text{Ar}$): 0,93 %
• Dióxido de carbono ($\text{CO}_2$): 0,035 %
• Vapor de agua ($\text{H}_2\text{O}$): 0,40 % (variable)

Otros elementos presentes en el aire, aunque minoritariamente, son neón (0,0018 %), helio (0,0005 %), metano (0,00017 %), kriptón (0,00014 %), hidrógeno (0,00005 %) y amoníaco (0,0003 %).

Relación Altitud-Presión: Mientras más elevado se encuentre un punto, menor presión y menor peso tendrá el aire, ya que los elementos más pesados que puede contener son atraídos con mayor fuerza por la gravedad de la Tierra, concentrándose en las capas inferiores.

Concentraciones Químicas en Disoluciones

Las siguientes unidades definen la concentración de un soluto en una disolución.

Molaridad ($ ext{M}$)

La Concentración Molar ($ ext{M}$) revela cuántos moles de soluto hay por cada litro de disolución. Es una medida de concentración que depende de la temperatura.

• $M$: Molaridad (mol/L)
• $Mm$: Masa molar (g/mol)
• $m$: Masa (g)
• $n$: Número de moles (mol)
• $V$: Volumen (L)

Fórmula General: $M = \frac{n}{V}$

Procedimiento para calcular la Molaridad (a partir de la masa)

1. Determinar el número de moles del soluto: $n = \frac{m}{Mm}$ (mol)
2. Expresar el volumen de la disolución en litros: $V_{\text{L}} = \frac{V_{\text{mL}}}{1000}$ (L)
3. Determinar la molaridad: $M = \frac{n}{V_{\text{L}}}$ (mol/L)

Normalidad ($ ext{N}$)

La Normalidad ($ ext{N}$) es la cantidad de equivalentes del soluto por cada litro de solución.

Fórmula General: $N = \frac{\text{Equivalentes de soluto}}{\text{Litro de solución}}$

Procedimiento para calcular la Normalidad

1. Determinar la masa equivalente ($ ext{Eq}$): $\text{Eq} = \frac{Mm}{\text{Número de } \text{H}^+ \text{ o valencia}}$ (g/eq)
2. Expresar el volumen en litros ($V_{\text{L}}$).
3. Determinar la normalidad: $N = \frac{\text{Masa}}{\text{Eq} \cdot V_{\text{L}}}$ (eq/L)

Normalidad a partir de la Molaridad

1. Determinar el número de hidrógenos ($ ext{H}^+$) o la valencia ($\text{Z}$).
2. Determinar la normalidad: $N = M \cdot Z$

Molalidad ($ ext{m}$)

La Molalidad ($ ext{m}$) es el número de moles del soluto en una disolución por cada 1000 g (1 kg) del disolvente. Es una medida de concentración independiente de la temperatura.

Fórmula General: $m = \frac{\text{Moles de soluto}}{\text{kg de disolvente}}$

Procedimiento para calcular la Molalidad

1. Determinar el número de moles del soluto ($n$).
2. Determinar la masa del disolvente en kilogramos ($ ext{kg}_{\text{disolvente}}$):
   1. Si el disolvente es agua ($\text{H}_2\text{O}$), se utiliza su densidad: $D_{\text{H}_2\text{O}} \approx 1 \text{ g/mL}$.
   2. Por lo tanto, $1 \text{ kg de } \text{H}_2\text{O} \approx 1 \text{ L de } \text{H}_2\text{O}$.
   3. Conversión: $\text{kg}_{\text{disolvente}} = \frac{V_{\text{mL}} \cdot 1 \text{ kg}}{1000 \text{ mL}}$
3. Determinar la Molalidad: $m = \frac{n}{\text{kg}_{\text{disolvente}}}$ (mol/kg)

Leyes Fundamentales de los Gases

Estas leyes describen el comportamiento de los gases ideales en relación con la presión ($P$), el volumen ($V$) y la temperatura absoluta ($T$).

Ley de Boyle-Mariotte

A temperatura constante (proceso isotérmico), el volumen ocupado por una masa definida de un gas es inversamente proporcional a la presión aplicada.

Relación: $P_1V_1 = P_2V_2$

Equivalencia de presión: $1 \text{ atm} = 760 \text{ mmHg}$

Ley de Charles

A presión constante (proceso isobárico), el volumen ocupado por una masa de gas definida es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

Relación: $\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}$

Nota: La temperatura debe expresarse en Kelvin ($K = \text{°C} + 273.15$).

Ley de Gay-Lussac

A volumen constante (proceso isocórico), la presión que ejerce un gas en las paredes del recipiente es directamente proporcional a la variación de la temperatura absoluta.

Relación: $\frac{P_1}{T_1} = \frac{P_2}{T_2}$

Leyes Combinadas de los Gases

Esta ley relaciona las tres variables ($P, V, T$) para una masa fija de gas.

Relación: $\frac{P_1V_1}{T_1} = \frac{P_2V_2}{T_2}$

Equivalencia de presión: $1 \text{ torr} = 1 \text{ mmHg}$

Ley de Avogadro y Ecuación del Gas Ideal

La Ley de Avogadro establece que volúmenes iguales de distintas sustancias gaseosas, medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura, contienen el mismo número de partículas (moles).

Ecuación del Gas Ideal

Esta ecuación combina las leyes anteriores y describe el estado de un gas ideal:

$$PV = nRT$$

Donde:

• $P$: Presión
• $V$: Volumen
• $n$: Número de moles
• $R$: Constante universal de los gases ideales
• $T$: Temperatura absoluta

Mnemotecnia: Pájaros Volando igual a Número de Ratones Trotando.

Constante de los Gases Ideales ($ ext{R}$)

El valor de $R$ depende de las unidades utilizadas para $P$ y $V$.

• $R = 0.082 \frac{\text{atm} \cdot \text{L}}{\text{mol} \cdot \text{K}}$

Equivalencias de volumen: $1 \text{ L} = 1 \text{ dm}^3$; $1 \text{ mL} = 1 \text{ cm}^3$.