Química de Joseleg La Materia: 5. Volumen de un gas | 🎈 Química de gases

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El volumen es una cantidad escalar que expresa la cantidad de espacio tridimensional encerrado por una superficie cerrada. Por ejemplo, el espacio que ocupa o contiene una sustancia (sólido, líquido, gas o plasma) o una forma tridimensional.

El volumen a menudo se cuantifica numéricamente utilizando la unidad derivada del SI, el metro cúbico. El volumen de un contenedor se entiende generalmente como la capacidad del contenedor; es decir, la cantidad de fluido (gas o líquido) que podría contener el contenedor, en lugar de la cantidad de espacio que desplaza el contenedor en sí. A las formas matemáticas tridimensionales también se les asignan volúmenes. Los volúmenes de algunas formas simples, como las formas regulares, de bordes rectos y circulares, se pueden calcular fácilmente usando fórmulas aritméticas. Los volúmenes de formas complicadas se pueden calcular con cálculo integral si existe una fórmula para el límite de la forma. A las figuras unidimensionales (como las líneas) y las formas bidimensionales (como los cuadrados) se les asigna un volumen cero en el espacio tridimensional.

El volumen de un sólido (ya sea de forma regular o irregular) se puede determinar mediante el desplazamiento de un fluido. El desplazamiento de líquido también se puede utilizar para determinar el volumen de un gas. El volumen combinado de dos sustancias suele ser mayor que el volumen de una sola de las sustancias. Sin embargo, a veces una sustancia se disuelve en la otra y en tales casos el volumen combinado no es aditivo.

Diseños experimentales

Hasta este punto es evidente que medir el volumen de un gas es importante para poder determinar su presión como lo hizo Torricelli, sin embargo, vale la pena evaluar otros diseños experimentales para su evaluación. La medición del volumen de gas contribuye a los estudios sobre las velocidades de reacción y la viabilidad comercial de los procesos químicos y bioquímicos en los que un gas es un subproducto. Además, también se requiere la medición de volúmenes de vapores para la determinación de pesos moleculares de líquidos volátiles mediante el método Victor-Meyer.

En comparación, la medición de volúmenes de líquidos es más simple, ya que un líquido se puede medir con un cilindro graduado, un matraz volumétrico, un balón aforado, una bureta, una pipeta o un vial graduado. Esto es posible porque los líquidos adquieren la forma del recipiente de medición y el nivel del menisco se puede observar con precisión y sin dificultad, pues, aunque muchos son volátiles, la pérdida de volumen solo se aprecia después de que ha pasado mucho tiempo, de horas a días. Los volúmenes de líquido se ven influidos de manera insignificante por los cambios de presión, pero los cambios de temperatura tienen un efecto significativo, por lo que es esencial especificar la temperatura de medición.

Las mediciones de volumen de gases, por otro lado, no son tan simples ya que la mayoría de los gases son invisibles y sus volúmenes dependen significativamente tanto de la temperatura como de la presión, el problema más grave es que los gases se escapan, por lo que es fundamental diseñar un cierre hermético que impida el escape. El volumen de gas informado sin especificar estos dos parámetros no tiene significado.

Desplazamiento

Imagina que necesitas hacer un experimento de laboratorio donde se genera gas hidrógeno y necesitas medir su volumen, pero dado que es un gas, no lo puedes medir con un instrumento volumétrico a menos que resuelvas inconvenientes como:

👉 Sellar herméticamente el hidrógeno,

👉 pero de una manera que permita medir su expansión,

👉 y con una manera de trasladar el hidrógeno desde el reactor hasta el instrumento de medición

La técnica de desplazamiento usa agua como medio sellante, y su afore con respecto a una burbuja de gas formada en su interior a medida que transcurre la reacción como medio de medición, y una manguera de volumen despreciable que permite transferir el gas formado desde el reactor hasta la burbuja en formación.

Figura 5‑1. Montaje básico para la medición de un volumen de gas producido por una reacción química empleando instrumentos modernos.

La burbuja puede formarse dentro de un instrumento volumétrico graduado como una probeta invertida. Debe tenerse en cuenta que el gas acumulado en la probeta estará contaminado por una fracción de vapor de agua, la cual debe medirse en experimentos de estandarización. En la sección de gases húmedos veremos cómo se efectúan esos cálculos.

Sabemos que este diseño experimental estaba disponible para los filósofos naturales y alquimistas, como mínimo, para el siglo XVII debido a que una variación de él fue empleada para determinar la producción de gas por parte de las plantas como producto natural del proceso de fotosíntesis y que recibe el nombre de experimento de Senebier (Farmer, 2010).

Figura 5‑2. En el experimento de Senebier el reactor es la propia planta que produce el oxígeno, pero el mecanismo de medición sigue siendo el mismo, el volumen de la burbuja que desplaza el volumen de agua.

Tratar de comprender qué obtenían las hojas del agua en la que estaban sumergidas requería más que observación: se necesitaban experimentos. Aquí iba a ser el interés de Senebier por la química y su voluntad de experimentar con productos químicos lo que proporcionó la clave de su éxito. Así queda patente en sus Mémoires Physico-chimiques (1782), más aún en sus Recherches (1783), y también en un tercer libro publicado cinco años después.

Más interesante aún, la lectura de este libro ilustra que la propia forma de Senebier de hacer experimentos ayudó a abrir una nueva forma de investigar un sistema vivo (la hoja) al someterlo a tratamientos químicos. El enfoque de Senebier equivalía a algo que uno podría denominar "fisiología química" (Farmer, 2010).

Con el tiempo, y para medir la cantidad de gas que despedían las hojas, Senebier empleó recipientes de vidrio de varios tipos. Quizás el más útil de estos vasos se parecía a un embudo invertido con un cuello cerrado y graduado (Figura 5‑2 Izquierda). Para cada experimento, hojas sanas recién cortadas en la base de sus pecíolos se colocaron en el recipiente lleno de agua que luego se sumergió en un baño de agua más grande para eliminar todas las burbujas de aire. Luego, se podría colocar una base similar a un platillo sobre el embudo. Entonces, el aparato habría sido sacado del baño de agua e invertido como se muestra en la (Figura 5‑2 Izquierda). Finalmente, el platillo se llenó con agua y luego se expuso el recipiente a la luz solar. A medida que pasaba el tiempo, la hoja liberaba gas y la cantidad producida podía leerse en las graduaciones del cuello del aparato. El gas obtenido era de hecho, una mezcla de oxígeno gaseoso y agua (Farmer, 2010).

El agua no es el único líquido desplazable, otros montajes emplean mercurio o instrumentos mecánicos como émbolos en pistones móviles, pero la idea es la misma, a medida que aumenta la cantidad de gas, la burbuja se expande ejerciendo una fuerza que da movimiento al objeto de medición.

Interpretación moderna

El volumen de gas es igual al tamaño del contenedor en el que se coloca el gas. Cuando infla un neumático o una pelota de baloncesto, está agregando más partículas de gas. El aumento en el número de partículas que golpean las paredes del neumático o el baloncesto aumenta el volumen. A veces, en una mañana fría, una llanta se ve plana. El volumen del neumático ha disminuido porque una temperatura más baja disminuye la velocidad de las moléculas, lo que a su vez reduce la fuerza de sus impactos sobre las paredes del neumático. Las unidades más comunes para la medición de volumen son litros L y mililitros mL.

Unidades de volumen

Sin embargo, las unidades de volumen tienen varios trucos, el primera el símbolo del volumen litro puede ser L cuando está solo o l cuando está acompañado de un prefijo como en mililitros ml. El otro problemilla concierna a las equivalencias con el metro cúbico, aunque 1 ml = cm³ que llamaremos igualdad de medidas largas, 1 L ≠ 1 m³, de denominaremos como la desigualdad de las medidas largas.

✔ Ejemplo. Demuestre la relación entre litros y metros cúbicos por factor de conversión y reemplazo algebraico.

Lo que hace que un metro cúbico sea una medida masiva de volumen cuando la comparas con el humilde litro.