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INSTITUCIÓN EDUCATIVA DISTRITAL
TÉCNICO INDUSTRIAL
Ciencia,
Técnica y Valores Humanos
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Plan de clase de química. Segundo
periodo
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UNIDAD N°2. TEMA N°1: LEYES DE LOS GASES
LOGROS:
Ø
Explica
y comunica las propiedades de los gases
Ø Realiza cálculos a partir de ecuaciones
matemáticas que explican las leyes de los gases.
INDICADORES DE LOGROS:
- Comprender
las propiedades de los gases y cómo se diferencian de los estados sólido y
líquido
- aplicar la
teoría cinética de los gases para explicar su comportamiento
COMPETENCIAS:
v Científica. Comprender las leyes de los gases
(Boyle, Charles, Avogadro y la ley de los gases ideales) y aplicarlas en
situaciones prácticas y teóricas.
v Comunicativa. Explica tanto de manera oral como
escrita, las leyes de los gases, cómo se aplican en diferentes situaciones y
los resultados obtenidos de experimentos.
DBA 3: Comprende que el
comportamiento de un gas ideal está determinado por las relaciones entre
Temperatura (T), Presión (P), Volumen (V) y Cantidad de sustancia (n).
Evidencia de aprendizaje:
Explica eventos cotidianos, (funcionamiento de un globo aerostático, pipetas de
gas, inflar/ explotar una bomba), a partir de relaciones matemáticas entre
variables como la presión, la temperatura, la cantidad de gas y el volumen,
identificando cómo las leyes de los gases (Boyle Mariotte, Charles, Gay-Lussac,
Ley combinada, ecuación de estado) permiten establecer dichas relaciones.
ACTIVIDAD DE INICIO. Descubriendo presaberes o
preconceptos
Los gases están presentes en muchas partes de
la naturaleza y desempeñan un papel fundamental en diversos procesos que
ocurren a nuestro alrededor. En la atmósfera, por ejemplo, los gases como el
oxígeno, el nitrógeno, el dióxido de carbono y el vapor de agua son esenciales
para la vida en la Tierra. Estos gases permiten que los seres vivos respiren,
que las plantas realicen la fotosíntesis, y que el clima se regule.
El dióxido de carbono (CO₂), por ejemplo, es
un gas importante en el proceso de fotosíntesis, donde las plantas lo toman del
aire y lo convierten en oxígeno. Sin embargo, este gas también juega un papel
clave en el cambio climático. El aumento de CO₂ en la atmósfera, causado por
actividades humanas como la quema de combustibles fósiles, contribuye al
calentamiento global.
Pregunta para
reflexionar:
¿De qué manera crees que el aumento de los gases como el dióxido de carbono
podría afectar el equilibrio natural del planeta?
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1. ACTIVIDAD DE DESARROLLO. Anota en tu cuaderno o fotocopia esta sección para
que la estudies y puedas argumentar en clase durante la discusión del tema.
Contextualización.
Las leyes de los gases son principios
fundamentales de la química y la física que describen el comportamiento de los
gases ideales bajo diferentes condiciones. Estas leyes se derivan de
experimentos realizados por varios científicos en los siglos XVII y XIX y
siguen siendo esenciales para el estudio de la termodinámica y la teoría
cinética de los gases. Comprender estas leyes permite a los científicos y
estudiantes prever cómo un gas reaccionará al cambiar una o más de sus
variables: presión, volumen, temperatura, o cantidad de sustancia (moles).
Cada ley de los gases analiza la relación
entre dos de estas variables mientras se mantienen constantes las demás. Estas
leyes se agrupan en un solo modelo bajo la Ecuación de Estado de los Gases Ideales.
A continuación, leyes de los gases.
1.
Ley de Boyle: Relación entre Presión y Volumen
La Ley
de Boyle fue formulada por Robert Boyle en 1662 y describe la relación
entre la presión y el volumen de un gas cuando su temperatura y cantidad de
sustancia se mantienen constantes. Boyle descubrió que, si un gas se mantiene a
temperatura constante, el producto de la presión y el volumen es constante.
Ecuación
de ley de Boyle:
- P es la
presión del gas,
- V es el
volumen del gas
Interpretación
de la Ley de Boyle
Según
esta ley:
- Si se aumenta
la presión sobre el gas, el volumen disminuirá en la misma proporción, y
viceversa.
- Esta relación
es una proporción inversa: al duplicar la presión, el volumen
se reduce a la mitad (siempre y cuando la temperatura no cambie).
2.
Ley de Charles: Relación entre Volumen y Temperatura
La Ley de Charles, formulada por el
científico francés Jacques Charles a finales del siglo XVIII, describe cómo
varía el volumen de un gas en función de la temperatura, manteniendo constante
la presión. Según la Ley de Charles, si la presión es constante, el volumen de
un gas es directamente proporcional a su temperatura en escala Kelvin.
donde:
- V es el volumen
del gas,
- T es la
temperatura en Kelvin,
Interpretación
de la Ley de Charles
Según
esta ley:
- Si se
calienta el gas (aumentando la temperatura), su volumen aumentará proporcionalmente,
siempre que la presión se mantenga constante.
- Si se enfría,
el volumen disminuirá, manteniendo la presión constante.
Nota
Importante: La Escala Kelvin
La
Ley de Charles se aplica cuando la temperatura se mide en Kelvin, pues el
volumen y la temperatura son directamente proporcionales solo en esta escala.
La conversión de Celsius a Kelvin se realiza sumando 273.15 a la temperatura en
grados Celsius.
3.
Ley de Gay-Lussac: Relación entre Presión y
Temperatura
La Ley
de Gay-Lussac, formulada por Joseph Louis Gay-Lussac en 1802, establece que
la presión de un gas es directamente proporcional a su temperatura, siempre que
el volumen y la cantidad de gas se mantengan constantes.
Expresión
de la Ley de Gay-Lussac
- P es la presión
del gas,
- T es la
temperatura en Kelvin,
Interpretación
de la Ley de Gay-Lussac
Según
esta ley:
- Si la
temperatura aumenta (manteniendo constante el volumen), la presión
aumentará proporcionalmente.
- Si la
temperatura disminuye, la presión también disminuye.
La
Ecuación de Estado de los Gases Ideales
Las
leyes de Boyle, Charles, Gay-Lussac y Avogadro se combinan en una sola ecuación
que describe el comportamiento de un gas ideal:
- P es la
presión,
- V es el
volumen,
- n es el número
de moles del gas,
- R es la
constante de los gases
ideales (0.0821L·atm/(mol·K) o 8.314J/(mol·K)),
- T es la
temperatura en Kelvin.
¿Cómo
se obtiene R de la ley de los gases ideales?
Para que podamos calcular el valor de R ,
tenemos que considerar que un mol de cualquier gas ideal y en condiciones
normales de temperatura y presión, es decir a una atmósfera y 273 K, ocupa un
volumen de 22.413 litros.
Por lo tanto, al
despejar R de la ecuación anterior, tenemos:
Qué también es
equivalente a: R = 8.32 J/mol K
Esta
ecuación permite calcular cualquier variable si se conocen las demás y es
fundamental para el estudio de la termodinámica.
Propiedades de los gases
Los gases poseen varias
propiedades que los distinguen de otros estados de la materia. Algunas de las
propiedades más importantes son:
- Expansibilidad: Los gases tienen la capacidad de expandirse para ocupar todo
el espacio disponible.
- Compresibilidad: Los gases pueden ser comprimidos, es decir, reducir su
volumen mediante la aplicación de presión.
- Difusión: Los gases se mezclan y se dispersan fácilmente entre sí.
- Presión: La presión de un gas es el resultado de las colisiones de las
partículas del gas contra las paredes del recipiente.
- Temperatura: La temperatura de un gas está relacionada con la energía
cinética promedio de sus partículas.
Aplicaciones
de las leyes de lo gases
- Aerosoles y
Cilindros de Gas: El aumento de temperatura en estos dispositivos
provoca un aumento de presión según la Ley de Gay-Lussac, lo que puede
llevar a riesgos de explosión si no se controla.
- Industria: Las leyes de los
gases se utilizan para el diseño y la operación de sistemas de
refrigeración, compresión de aire, producción de energía y procesos
químicos.
- Medicina: En la medicina, las leyes
de los gases son fundamentales para comprender la respiración, el
transporte de oxígeno en el cuerpo y la administración de gases
medicinales.
- Atmósfera y clima: Las leyes
de los gases ayudan a comprender el comportamiento de la atmósfera, la
formación de nubes, el ciclo del agua y el cambio climático.
▷6.4
Leyes de los Gases: Boyle, Charles, Gay-Lussac y Avogadro
4.
ACTIVIDAD DE CIERRE.
v Ley de Boyle:
Ejercicio1:
Un gas ocupa un volumen de 10 L a una presión de 2
atmósferas. Si el volumen disminuye a 5 L, ¿qué
sucederá con la presión, manteniendo la temperatura constante?
Ejercicio2:
Si un gas está a 3 atmósferas de presión y ocupa un volumen de
8 L, ¿qué volumen ocupará el gas si la presión se reduce a 1
atmósfera, manteniendo la temperatura constante?
v
Ley de Charles
Ejercicio1:
Un gas ocupa un volumen de 5 L a 300 K. ¿Qué
volumen ocupará si la temperatura aumenta a 600 K, manteniendo
la presión constante?
Ejercicio 2:
Se tiene un gas a una presión
constante de 560 mm de Hg, el gas ocupa un volumen de 23 cm³ a una temperatura
que está en 69°C . ¿Qué volumen ocupará el gas a una temperatura de 13°C?
▷ Ley de Charles -
Ejercicios resueltos 【 Paso a Paso 】
v Ley de Gay-Lussac
Ejercicio 1:
Un gas, a una
temperatura de 35°C y una presión de 440 mm de Hg, se calienta hasta que su
presión sea de 760 mm de Hg. Si el volumen permanece constante, ¿Cuál es la
temperatura final del gas en °C?
Ejercicio 2:
La presión del
aire en un matraz cerrado es de 460 mm de Hg a 45°C. ¿Cuál es la presión del
gas si se calienta hasta 125°C y el volumen permanece constante?
v Ecuación de Estado
de los Gases Ideales
Ejercicio 1:
Una masa de hidrógeno gaseoso
ocupa un volumen de 230 litros en un tanque a una presión de 1.5 atmósferas y a
una temperatura de 35°C. Calcular, a) ¿Cuántos moles de hidrógeno se tienen?,
b) ¿A qué masa equivale el número de moles contenidos en el tanque?
Ejercicio 2:
El
hexafluoruro de azufre (SF6) es un gas incoloro e inodoro muy poco reactivo.
Calcule la presión (en atm) ejercida por 2.35 moles del gas en un recipiente de
acero de 5.92 litros de volumen a 71.5°C
Actividad
2:
Se presenta la siguiente actividad en formato
de guía para la explicación y practica de los contenidos abordados en la sesión
de este guía de ley de los gases en un simulador PhET.
DEMOSTRACIÓN
DE LAS LEYES DE LOS GASES POR MEDIO DEL SIGUIENTE SIMULADOR.
https://phet.colorado.edu/sims/html/gas-properties/latest/gas-properties_all.html?locale=es
