viernes, 18 de junio de 2021

9. La ley de Boyle, T constante | 🎈 Química de gases | Joseleg

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Las leyes de los gases fueron desarrolladas a lo largo del siglo XVII, XVIII y XIX cuando los científicos determinaron las relaciones entre presión, volumen, temperatura, cantidad de materia y energía de los gases, y mucho más importante, se desarrollaron por técnicas experimentales y matemáticas para formular las primeras leyes científicas expresadas como fórmulas matemáticas simples, aunque no necesariamente en su forma algebraica moderna, ya que nuestro lenguaje moderno es bastante reciente cuando lo comparamos con las propias leyes. Históricamente las leyes individuales de los gases fueron propuestas antes de la ley de los gases ideales, siendo empíricas, pero a través de esta última podemos recordar las demás a un nivel práctico cuando vamos a resolver los ejercicios de lápiz y papel. Esto se debe a que los ejercicios, y por extensión en los experimentos, lo que nos interesa es crear un modelo que nos permita identificar cuales términos son constantes, cuales son variables y cuales son datos medibles, un proceso semejante al que se hizo con la geometría analítica y el álgebra durante la edad media.

Figura 91.  Robert Boyle. (Waterford, 25 de enero de 1627-Londres, 31 de diciembre de 1691)1 fue un filósofo natural, químico, físico e inventor.  Es conocido principalmente por la formulación de la ley de Boyle.  además de que es generalmente considerado hoy como el primer químico moderno y por lo tanto uno de los fundadores de la química moderna. Su obra The Sceptical Chymist (El químico escéptico) es considerada una obra fundamental en la historia de la química.

Robert Boyle, también conocido como "el padre de la química", nació el 25 de enero de 1625 en el castillo de Lismore, Munster, Irlanda, y era el decimocuarto hijo de su padre, Sir Richard Boyle. Boyle era anglicano / episcopal en religión y de niño; Boyle había aprendido a hablar los idiomas latin y francés. El primer libro publicado por Boyle (New Experiments Physico-Mechanicall, Touching the Spring of the Air and Its Effects (1660) explicó las propiedades físicas del aire. Fue en este libro que mostró una serie de experimentos usando una bomba de aire para crear un vacío. La segunda parte de este libro fue el primer documento que muestra lo que ahora conocemos como 'Ley de Boyle' (Reville, 2001) donde: “el volumen de una cantidad dada de gas mantenida a temperatura constante varía inversamente con la presión aplicada cuando la temperatura y la masa es constante”.

Esto dio una comprensión hacia la ciencia sobre la naturaleza de los gases al mostrar que, si una cierta cantidad de gas tiene un gran volumen, tendrá una presión baja, pero si el volumen de ese mismo gas es pequeño, la presión será mayor. Boyle escribió otro libro titulado El químico escéptico en 1661 donde 'atacó' la teoría de Aristóteles de que todo estaba compuesto de cuatro elementos (fuego, agua, aire y tierra), pero en cambio describe elementos como: "cierto principio simple, o cuerpos perfectos no mezclados”.

Figura 92.  El químico escéptico: o las dudas y paradojas quimio-físicas (en inglés, The sceptical chymist: or chymico-physical doubts & paradoxes, touching the spagyrist's principles commonly call'd hypostatical; as they are wont to be propos'd and defended by the generality of alchymists) es el título de la principal obra científica de Robert Boyle, publicada en Londres en 1661, y por la que ha sido llamado «fundador de la química moderna». (Boyle, 1911)

Durante sus estudios en Oxford, Boyle pudo explicar que los gases pueden comprimirse ya que hay espacio entre cada uno de los átomos o moléculas, por lo que cada molécula del gas podría presionarse más y más. Boyle también dijo que no debe haber mucho espacio entre las moléculas en líquidos y sólidos, ya que son mucho más difíciles de comprimir. Otras partes de la ciencia a las que contribuyó Boyle fueron que mostró cómo se necesitaba aire para que se produzca la combustión, para que los animales respiren y para la transmisión del sonido.

La ley de Boyle es una expresión matemática entre la presión y el volumen que fue inicialmente notada por Richard Towneley y Henry Power, Robert Boyle la confirmó mediante experimentos y un procesamiento matemático y publicó los resultados en 1662 obteniendo la prioridad del descubrimiento (Pickover, 2008). De acuerdo con Robert Gunther, fue el asistente de Boyle llamado Robert Hooke quien construyó el diseño experimental. Esta ley tiene una enorme importancia en la historia de las ciencias, y posiblemente podría ser catalogada como la primera ley de la ciencia moderna ya que es la primera relación entre dos variables simples en ser expresada matemáticamente de manera reconocida (Schofield, 2015), además de corresponder a un modelo matemático muy usado actualmente, el modelo lineal que relaciona dos variables con una constante de proporcionalidad.

En ese momento, el aire todavía era visto como uno de los cuatro elementos, pero Boyle no estaba de acuerdo. El interés de Boyle probablemente fue entender el aire como un elemento esencial de la vida; por ejemplo, publicó trabajos sobre el crecimiento de plantas sin aire. Boyle usó un tubo cerrado en forma de J y después de verter mercurio, por un lado, obligó al aire del otro lado a contraerse bajo la presión del mercurio.

Figura 93. El manómetro de Huygens. La cantidad de mercurio y por ende la masa que ejerce sobre el aire comprimido en la cola izquierda del tubo es mayor en el tubo de la derecha.

Después de repetir el experimento varias veces y usar diferentes cantidades de mercurio, descubrió que, bajo condiciones controladas, la presión de un gas es inversamente proporcional al volumen ocupado por él. El físico francés Edme Mariotte (1620–1684) descubrió la misma ley independientemente de Boyle en 1679, pero Boyle ya la había publicado en 1662. Sin embargo, Mariotte descubrió que el volumen de aire cambia con la temperatura. Por lo tanto, esta ley a veces se conoce como la ley de Mariotte, especialmente en Francia, o la ley de Boyle-Mariotte. Más tarde, en 1687 en Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, Newton demostró matemáticamente que en un fluido elástico que consiste en partículas en reposo, entre las cuales hay fuerzas repulsivas inversamente proporcionales a su distancia, la densidad sería directamente proporcional a la presión, pero este tratado matemático no es la explicación física de la relación observada. En lugar de una teoría estática, se necesita una teoría cinética, que fue proporcionada dos siglos después por Maxwell y Boltzmann, y ambas a su vez descansando en la teoría atómica, la idea de que los gases no son realmente fluidos continuos, sino conjuntos de partículas discretas y contables individualmente.

Deducción de la ley de Boyle

🔎 DEMOSTRACIÓN. Deducir la ley de Boyle a partir de P V = n R T

En consecuencia, la ley de Boyle posee dos formas, la estática y la dinámica:

Ejemplo.  Hallar V2 de un gas ideal a 12.3 L y 40 mmHg que pasa a estar a 60 mmHg || química de gases

Ejemplo.  Hallar P2 de un gas a 400 ft3 y 1 atm que debe pasa a 3.00 ft3 || química de gases

Matamala y Gonzalez

Ejercicio 7.1. Cierta masa de gas ocupa 45 ml a 0°C y 650 mm de Hg. ¿Qué volumen ocuparía en CN?

Química de Chang 10

Ejemplo 5.5. Se permite que un globo de helio inflado con un volumen de 0.55 L al nivel del mar (1.0 atm) se eleve a una altura de 6.5 km, donde la presión es de aproximadamente 0.40 atm. Suponiendo que la temperatura permanece constante, ¿cuál es el volumen final del globo?

Práctica 5.5. Una muestra de cloro gaseoso ocupa un volumen de 946 mL a una presión de 726 mmHg. Calcule la presión del gas (en mmHg) si el volumen se reduce a temperatura constante a 154 mL

Problema-5.19. Un gas que ocupa un volumen de 725 mL a una presión de 0.970 atm se deja expandir a temperatura constante hasta alcanzar una presión de 0.541 atm. ¿Cuál es su volumen final?

Problema-5.20. Una muestra de amoniaco gaseoso ejerce una presión de 5.3 atm a 468C. ¿Cuál es la presión cuando el volumen del gas se reduce a una décima parte (0.10) de su valor inicial a la misma temperatura?

Problema-5.21. El volumen de un gas es de 5.80 L, medido a 1.00 atm. ¿Cuál es la presión del gas en mmHg si el volumen cambia a 9.65 L? (La temperatura permanece constante.)

Problema-5.22a.  Una muestra de aire ocupa un volumen de 3.8 L cuando la presión es de 1.2 atm. a) ¿Qué volumen ocuparía a 6.6 atm? (La temperatura se mantiene constante.)

Problema-5.22b.   Una muestra de aire ocupa un volumen de 3.8 L cuando la presión es de 1.2 atm. b) ¿Cuál es la presión requerida para comprimirlo a 0.075 L? (La temperatura se mantiene constante.)

Química la ciencia central 13

Ejercicio 10.25a.  Tiene un gas a 25 °C confinado a un cilindro con un pistón móvil. ¿Cuál de las siguientes acciones duplicaría la presión del gas? (a) Levantar el pistón para duplicar el volumen mientras se mantiene constante la temperatura.

Ejercicio 10.25c.  Tiene un gas a 25 °C confinado a un cilindro con un pistón móvil. ¿Cuál de las siguientes acciones duplicaría la presión del gas? (c) Empujar hacia abajo el pistón para reducir a la mitad el volumen mientras se mantiene constante la temperatura.

Ejercicio 10.26a. Una cantidad fija de gas a 21 °C exhibe una presión de 752 torr y ocupa un volumen de 5.12 L. (a) Calcule el volumen que ocupará el gas si la presión se incrementa a 1.88 atm mientras la temperatura se mantiene constante.

Ejercicio 10.61a. Considere el aparato que se muestra en el siguiente dibujo. Cuando se abre la válvula entre los dos recipientes y se permite que los gases se mezclen, ¿cómo cambia el volumen ocupado por el gas N2? ¿Cuál es la presión parcial del N2 después de mezclar?

Ejercicio 10.61a. Considere el aparato que se muestra en el siguiente dibujo. ¿Cómo cambia el volumen del gas O2 cuando los gases se mezclan? ¿Cuál es la presión parcial de O2 en la mezcla?

Hipertexto

Ejemplo 1. En un recipiente se tienen 30 litros de nitrógeno a 20 °C y a una atmósfera de presión. ¿A qué presión es necesario someter el gas para que su volumen se reduzca a 10 litros? 3 atm

Ejemplo 2. ¿Cuál será el volumen final ocupado por 50 litros de oxígeno cuya presión inicial es de 560 mm de Hg y es comprimido hasta que la presión es de 2 atm? 18.42 L

✔ Problemas de profundización 16. En la fabricación de los bombillos eléctricos se adiciona una pequeña cantidad de argón para disminuir la vaporización del tungsteno del filamento. ¿Qué volumen de argón a 650 torr se requiere para llenar un bombillo de 1.50 L a 1 atm de presión?

La constante molar de Boyle

Dado que la constante de Boyle es el producto de la cantidad de sustancia, la temperatura y la constante R. Podemos obtener su forma molar para valores estándar como 1 mol y 273 K

🔎 DEMOSTRACIÓN. Calcular la constante de la ley de Boyle a 273 K y 1 mol de gas

Con lo que obtenemos un valor de 22.4 atm L, y con esta constante, es posible crear una gráfica predictiva.

Grafica de la ley de Boyle

Si asumimos una situación experimental como un émbolo o un pistón de vapor en el que se manipula la presión para obtener un volumen, podemos determinar que la presión es la variable independiente y el volumen la dependiente. Dado que es una constante y no un problema de lápiz y papel, usaremos la calculadora. Con la constante molar de Boyle podemos graficar, asumamos una mol de gas en condiciones estándar de temperatura, pero presión variable.

Figura 94.   Curva de la ley de Boyle. Se obtiene al graficar la ecuación 6.1, con la constante 22.4 atm L. Tenga en cuenta que la única diferencia con el volumen molar, son sus unidades, pues en el volumen molar lo que tenemos es 22.4 L / mol.

Es posible predecir la gráfica sin el valor de la constante, pues se tiene una ecuación de la forma y=1/x, que en cálculo se sabe que arroja una curva inversa.


Figura 95.   En matemáticas puras y = 1/x posee dos imágenes que son sus respuestas correctas, una para las soluciones positivas y otra para las respuestas negativas. Como químicos solo nos interesa las soluciones negativas, ya que en nuestro universo los volúmenes y presiones negativos no existen.

De hecho, la ley de Boyle es la única de las leyes de los gases que tiene esta forma notable.

Aplicaciones de la ley de Boyle

La ley de Boyle se usa a menudo como parte de una explicación sobre cómo funciona el sistema de respiración en el cuerpo humano. Esto comúnmente implica explicar cómo se puede aumentar o disminuir el volumen pulmonar y, por lo tanto, causar una presión de aire relativamente más baja o más alta dentro de ellos (de acuerdo con la ley de Boyle). Esto forma una diferencia de presión entre el aire dentro de los pulmones y la presión del aire ambiental, que a su vez precipita la inhalación o la exhalación a medida que el aire se mueve de alta a baja presión.

Durante la inhalación el volumen de expande, la presión interna de los pulmones disminuye, y por difusión el aire se mueve hacia ellos para intentar igualar la presión. Esto permite que los pulmones se llenen. Durante la exhalación, los pulmones se contraen, disminuyendo el volumen y aumentando la presión interna, por lo que el aire es expulsado al ambiente externo.

 

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