Química Esencial: Estados de la Materia, Leyes de los Gases y Cálculos de Disoluciones

Fundamentos de la Materia: Estados, Leyes de los Gases y Disoluciones

Los Estados de la Materia

La materia se presenta en diferentes estados, cada uno con propiedades físicas distintivas:

Sólidos

• Tienen forma y volumen constantes.
• No se expanden ni se comprimen significativamente.

Líquidos

• Tienen forma variable (adoptan la del recipiente) pero volumen constante.
• No se expanden.
• Se comprimen muy poco.

Gases

• Tienen forma y volumen variables (ocupan todo el recipiente que los contiene).
• Se expanden y se comprimen fácilmente.

Leyes Fundamentales de los Gases

El comportamiento de los gases ideales se describe mediante varias leyes que relacionan presión (P), volumen (V) y temperatura (T).

Ley de Boyle-Mariotte

A temperatura constante, el volumen de una masa fija de gas es inversamente proporcional a la presión que ejerce.

P₁V₁ = P₂V₂

Ley de Charles

A presión constante, el volumen de una masa fija de gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

V₁/T₁ = V₂/T₂

Donde:

• V = Volumen (L)
• P = Presión (atm o 760 mmHg)
• T = Temperatura (K)

Ley de Gay-Lussac

A volumen constante, la presión de una masa fija de gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

P₁/T₁ = P₂/T₂

Ecuación General de los Gases Ideales

Combina las leyes de Boyle, Charles y Gay-Lussac, aplicable cuando la cantidad de gas es constante.

(P₁V₁)/T₁ = (P₂V₂)/T₂

Ecuación de Estado de los Gases Ideales

Relaciona la presión, volumen, temperatura y cantidad de sustancia de un gas ideal.

PV = nRT

Donde:

• R = Constante de los gases ideales (0,082 atm·L/(mol·K))
• n = Moles de gas

Las Disoluciones Químicas

Las disoluciones son mezclas homogéneas de dos o más sustancias.

Componentes de una Disolución

• Soluto: Componente que se encuentra en menor proporción y se disuelve.
• Disolvente: Componente que se encuentra en mayor proporción y disuelve al soluto.

Tipos de Disoluciones según su Concentración

• Una disolución diluida es aquella que contiene una pequeña cantidad de soluto en relación con la cantidad de disolvente.
• Una disolución concentrada es aquella que contiene una gran cantidad de soluto en relación con la cantidad de disolvente.

La Teoría Cinético-Molecular de los Gases

Esta teoría explica el comportamiento macroscópico de los gases a partir de las propiedades de sus partículas constituyentes.

• Los gases están formados por partículas muy pequeñas que se mueven de forma aleatoria y aisladas unas de otras por todo el recipiente que las contiene.
• El volumen que ocupan las partículas de gas es despreciable en comparación con el volumen total del recipiente.
• No existen fuerzas de unión significativas entre las partículas de un gas, por lo que se mueven con total libertad.
• Las partículas del gas se mueven en línea recta hasta que chocan entre sí o con las paredes del recipiente.
• La presión que ejerce un gas es una medida del número de choques por segundo de sus partículas contra las paredes del recipiente.
• La velocidad promedio de las partículas del gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la velocidad de las partículas.

Cálculo de Molaridad: Ejemplos Prácticos

La molaridad (M) es una medida de concentración que expresa los moles de soluto por litro de disolución.

1. Cálculo de Molaridad Usando Porcentaje en Masa y Densidad

Este método detalla los pasos para calcular la molaridad a partir de datos de porcentaje en masa y densidad de una disolución.

1. Partimos de 100 g de disolución (base de cálculo conveniente):

   • Masa de soluto = 35,2 g (dado por el porcentaje en masa)
   • Masa de disolvente = 100 g - 35,2 g = 64,8 g

2. Calculamos el volumen de la disolución usando la densidad:

   V = masa total / densidad V = 100 g / 1,175 g/mL = 85,11 mL = 0,08511 L

3. Calculamos los moles de soluto:

   moles = masa de soluto / masa molar moles = 35,2 g / 36,5 g/mol = 0,9644 moles

4. Calculamos la molaridad:

   M = moles de soluto / volumen de disolución en litros M = 0,9644 moles / 0,08511 L = 11,33 M

2. Método Alternativo Directo para Calcular Molaridad

Una fórmula simplificada para calcular la molaridad cuando se conocen el porcentaje en masa, la densidad y la masa molar del soluto.

M = (% m/m × d × 10) / masa molar soluto M = (35,2 × 1,175 × 10) / 36,5 = 11,33 M

Nota: El factor 10 convierte g/mL a g/L, asumiendo que el porcentaje en masa está en base 100 y la densidad en g/mL.

3. Importancia de la Densidad en Estos Cálculos

La densidad es una propiedad física fundamental que facilita la conversión entre masa y volumen en cálculos de concentración.

• La densidad nos permite convertir entre masa y volumen de una disolución.
• Es crucial para calcular el volumen de la disolución cuando se conoce su masa.
• Permite expresar la concentración en términos de volumen (como la molaridad) cuando la información inicial se da en términos de masa (como el porcentaje en masa).