Principios Clave de Química: Materia, Comportamiento Gaseoso y Soluciones
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Estados de la Materia y Comportamiento Gaseoso
Diagrama de fases de una sustancia pura
Es una gráfica que muestra las condiciones de presión y temperatura a las que una sustancia pura existe en sus diferentes fases (sólido, líquido, gas).
Estados de Agregación
Estado sólido
Las entidades elementales (átomos, moléculas o iones) se encuentran en contacto unas con otras y en posiciones fijas en el espacio, vibrando alrededor de estas posiciones. Esto confiere a los sólidos forma y volumen propios.
Estado líquido
Las entidades elementales no se encuentran fijas, sino que pueden moverse con cierta libertad unas en relación con otras, manteniendo el contacto. Los líquidos tienen volumen propio pero adoptan la forma del recipiente que los contiene.
Estado gaseoso
Las entidades elementales son independientes unas de otras y se mueven caóticamente. Están separadas por grandes distancias en comparación con su tamaño. Los gases no tienen forma ni volumen propios, ocupando todo el volumen del recipiente.
Leyes y Modelos de los Gases
Gas ideal
Un modelo teórico de gas en el cual las moléculas que lo componen ocupan un volumen despreciable frente al del recipiente que contiene el gas, y en el que las fuerzas de atracción o repulsión intermolecular son nulas, excepto durante las colisiones elásticas.
Ley de Boyle-Mariotte
Manteniendo constante la temperatura y la cantidad de gas (número de moles), el volumen ocupado por una masa de gas es inversamente proporcional a la presión aplicada.
P₁V₁ = P₂V₂ (para una cantidad fija de gas a T constante)
O bien, PV = k (donde k es una constante a T y n fijos).
Ley de Charles y Gay-Lussac (Primera Ley de Gay-Lussac)
Manteniendo constante la presión y la cantidad de gas, el volumen de un gas se expande al calentarlo o se contrae al enfriarlo de forma directamente proporcional a su temperatura absoluta.
V₁/T₁ = V₂/T₂ (para una cantidad fija de gas a P constante)
O bien, V = k'T (donde k' es una constante a P y n fijos).
Ley de Avogadro
A presión y temperatura constantes, volúmenes iguales de gases diferentes contienen el mismo número de moléculas. Esto implica que el volumen de un gas es directamente proporcional al número de moles (n).
V₁/n₁ = V₂/n₂ (a P y T constantes)
O bien, V = k''n (donde k'' es una constante a P y T fijos).
Ley combinada de los gases
Para una cantidad fija de gas (n constante), relaciona la presión, el volumen y la temperatura cuando cambian de un estado inicial (1) a uno final (2).
(P₁V₁)/T₁ = (P₂V₂)/T₂
O bien, el cociente PV/T permanece siempre constante para una masa dada de gas.
Ecuación de estado del gas ideal
Describe la relación entre la presión (P), el volumen (V), la cantidad de sustancia en moles (n) y la temperatura absoluta (T) de un gas ideal.
PV = nRT
Donde R es la constante de los gases ideales (R ≈ 8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹ o 0,0821 L·atm·mol⁻¹·K⁻¹).
Ecuación de Clapeyron (Forma simplificada para gas ideal)
Para una cantidad fija de gas, la relación PV/T es constante. Esto es una derivación de la ley combinada de los gases o de la ecuación de estado si nR es constante.
PV/T = K (donde K = nR)
Ley de Dalton de las presiones parciales
En una mezcla de gases no reactivos, la presión total que estos ejercen es la suma de las presiones parciales que cada gas ejercería (Pᵢ) si estuviese solo en la mezcla ocupando todo el volumen a la misma temperatura.
Ptotal = ΣPᵢ = P₁ + P₂ + P₃ + ...
Para cada gas i, Pᵢ = nᵢRT/V, por lo que Ptotal = (Σnᵢ)RT/V.
Teoría cinético-molecular de los gases
Explica el comportamiento macroscópico de los gases a partir de un modelo molecular. Sus postulados principales son:
- Los gases están formados por un gran número de moléculas (o átomos) que se mueven continuamente, rápidamente y al azar.
- El volumen de las moléculas es despreciable comparado con el volumen total del gas.
- No existen fuerzas de atracción o repulsión significativas entre las moléculas del gas, excepto durante las colisiones.
- Las colisiones entre moléculas y con las paredes del recipiente son perfectamente elásticas.
- La energía cinética promedio de las moléculas es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas. La temperatura del gas es la manifestación de este movimiento microscópico.
Disoluciones y Propiedades Coligativas
Conceptos Fundamentales de las Disoluciones
Disolución
Una mezcla íntima y homogénea a nivel molecular de dos o más sustancias puras cuya composición puede variar dentro de ciertos límites. Está formada por:
- Disolvente: Componente que se encuentra en mayor proporción o el que determina el estado físico de la disolución.
- Soluto: Componente que se encuentra en menor proporción y se disuelve en el disolvente.
Concentración de una disolución
Es la expresión cuantitativa de la cantidad de soluto disuelta en una cantidad dada de disolución o de disolvente. Algunas formas comunes de expresar la concentración son:
- Porcentaje en masa (% m/m): Indica la masa de soluto en gramos por cada 100 gramos de disolución.
% en masa = (masa de soluto (g) / masa de disolución (g)) × 100 - Molaridad (M): Indica el número de moles de soluto por cada litro de disolución.
M = moles de soluto (mol) / volumen de disolución (L)
Propiedades Coligativas de las Disoluciones
Son aquellas propiedades físicas de las disoluciones que dependen únicamente del número de partículas de soluto (moléculas o iones) presentes por unidad de volumen o por unidad de masa de disolvente, y no de la naturaleza química (tamaño, masa o forma) de dichas partículas.
Descenso de la presión de vapor (Ley de Raoult)
La presión de vapor de un líquido es la presión ejercida por su vapor cuando las fases líquida y gaseosa están en equilibrio dinámico a una temperatura dada.
La Ley de Raoult establece que, para una disolución ideal con un soluto no volátil, la disminución de la presión de vapor de la disolución (ΔP) respecto a la del disolvente puro (P°disolvente) es directamente proporcional a la fracción molar del soluto (Xsoluto).
ΔP = P°disolvente ⋅ Xsoluto
Donde ΔP = P°disolvente - Pdisolución.
Alternativamente, la presión de vapor de la disolución (Pdisolución) es igual al producto de la presión de vapor del disolvente puro y la fracción molar del disolvente (Xdisolvente):
Pdisolución = P°disolvente ⋅ Xdisolvente