Características físico-químicas de los gases
El estado gaseoso se caracteriza por el hecho de que la energía cinética media de las moléculas supera la energía de su atracción mutua. Como resultado, las partículas se mueven de forma caótica y las distancias entre ellas son muchas veces mayores que sus propias dimensiones.
Las unidades estructurales de la mayoría de los gases (por ejemplo, oxígeno, nitrógeno, metano) son las moléculas. La excepción son los gases nobles (helio, neón, argón, etc.), que existen en forma de átomos individuales.
Los gases poseen una capacidad ilimitada de mezcla mutua. Al mismo tiempo, algunos de ellos (cloro, amoníaco) son tóxicos, lo que requiere el control instrumental u organoléptico de la composición del aire en las instalaciones de producción para evitar la intoxicación por inhalación.
Leyes principales y cálculos
El comportamiento de los gases reales dentro de ciertos límites se describe mediante el modelo de gas ideal. Un concepto clave para los cálculos es la ley de Avogadro (1811), de la cual se deduce que la relación entre el volumen y la cantidad de sustancia es una constante para todos los gases.
Para calcular la cantidad de sustancia ($n$) se emplean dos fórmulas principales:
- En condiciones normales (c.n.): se utiliza el volumen molar del gas ($22,4$ l/mol).
- A cualquier valor de temperatura y presión: se aplica la ecuación de Clapeyron-Mendeleev ($pV = nRT$).
La constante universal de los gases ($R$) en el Sistema Internacional es $8,31$ J/(mol·K). En los cálculos también se utiliza activamente el concepto de densidad relativa del gas, que es igual a la relación entre las masas molares del gas investigado y un gas de referencia (por ejemplo, respecto al hidrógeno).
Composición de mezclas gaseosas y presión parcial
Las mezclas gaseosas se describen mediante las fracciones másicas ($\omega$) y volumétricas ($\varphi$) de los componentes. Una propiedad importante de los gases es que la fracción volumétrica coincide numéricamente con la fracción molar.
Cada gas en una mezcla ejerce una presión independiente de la presencia de otros componentes. Esta es la presión parcial. Según la ley de Dalton, la presión total de la mezcla es igual a la suma de las presiones parciales de todos los gases. La presión parcial de un componente deseado se puede calcular multiplicando la presión total por su fracción volumétrica.
Para las mezclas también se calcula la masa molar media ($\bar{M}$). Por ejemplo, para el aire este valor calculado es de $28,8$ g/mol, pero teniendo en cuenta las impurezas (dióxido de carbono, argón), el valor real se toma como $\approx 29$ g/mol.
Cambio de volumen durante las reacciones
A temperatura y presión constantes, el cambio de volumen del sistema que reacciona depende exclusivamente del cambio en el número de moles de los participantes gaseosos de la reacción. Los volúmenes de las sustancias sólidas y líquidas en este tipo de problemas se desprecian.
- Si el número de moles de los productos gaseosos es mayor que el de los reactivos (por ejemplo, durante la descomposición de sustancias sólidas con desprendimiento de gas), el volumen total aumenta.
- Si los gases se combinan en compuestos sólidos (como en la reacción del amoníaco con el cloruro de hidrógeno para formar cloruro de amonio sólido), el volumen del sistema disminuye drásticamente. Al final del proceso, el volumen real estará determinado únicamente por el exceso de uno de los gases iniciales.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Qué gases tóxicos requieren un control obligatorio de la composición del aire en las zonas de producción?
Se utiliza un control instrumental especial de la pureza del aire en las fábricas y laboratorios para detectar impurezas peligrosas.
Los gases peligrosos indicados en las fuentes incluyen:
- Cloro (Cl2) — un gas tóxico; algunas impurezas de cloro pueden detectarse por su olor.
- Amoníaco (NH3) — un gas tóxico; algunas impurezas de amoníaco pueden detectarse por su olor.
- Metano (CH4) — indicado como gas tóxico; asimismo, el metano combustible forma mezclas explosivas con el aire.
También se clasifican como sustancias peligrosas los líquidos volátiles: cianuro de hidrógeno (HCN) y disulfuro de carbono (CS2). La vía de entrada de estas sustancias al organismo es la inhalación, al respirar involuntariamente la sustancia mezclada con el aire.
¿Qué gases se consideran gases permanentes?
Los gases permanentes son sustancias que no se convierten en líquido exclusivamente al aumentar la presión.
Este grupo incluye:
- Oxígeno (O2) — gas permanente.
- Nitrógeno (N2) — gas permanente.
- Hidrógeno (H2) — gas permanente.
- Меtano (CH4) — gas permanente.
- Helio (He) — gas noble permanente.
Para licuar estos gases, es obligatorio disminuir previamente la temperatura por debajo del punto crítico y solo después un aumento de la presión provocará su transición al estado líquido.
¿Qué mezclas de gases se utilizan en la práctica médica para la anestesia por inhalación?
En la práctica médica, se utilizan mezclas de anestésicos vaporizables con gases médicos para la anestesia por inhalación.
Las combinaciones más frecuentes son:
- Halotano — se utiliza en combinación con óxido nitroso y oxígeno.
- Enflurano — se utiliza en combinación con óxido nitroso y oxígeno.
- Sevoflurano — se administra en combinación con óxido nitroso y oxígeno.
Asimismo, la mezcla de óxido nitroso y oxígeno se emplea en la ataralgesia con ventilación pulmonar espontánea y se combina con anestésicos intravenosos (GHB, etomidato, propofol con ketamina) para la anestesia general combinada.
¿Cuál es el mecanismo de acción tóxica del monóxido de carbono en el organismo humano?
El mecanismo de acción tóxica del monóxido de carbono se basa en la alteración del transporte de oxígeno y de la respiración celular.
El efecto tóxico se manifiesta a través de los siguientes procesos:
- Formación de carboxihemoglobina (HbCO) — el monóxido de carbono se une a la hemoglobina, bloqueando el transporte de oxígeno a los tejidos, lo que causa privación de oxígeno (anoxemia).
- Bloqueo de la citocromo c oxidasa — se produce la inhibición del complejo IV de la cadena de transporte de electrones, lo que conduce al desarrollo de hipoxia tisular.
Un aumento en el nivel de carboxihemoglobina del 70–75% causa hipoxia grave y la muerte.
Para no confundir la fracción volumétrica con la másica en las mezclas gaseosas, recuerda la regla: «El volumen de un gas es un mol». La fracción volumétrica es numéricamente igual a la fracción molar, ya que según la ley de Avogadro el volumen depende únicamente del número de partículas y no de su masa.
Preguntas de clases y exámenes
¿Por qué el aire húmedo es más ligero que el seco a presión constante?
Volúmenes iguales contienen un número igual de partículas. Las moléculas de agua tienen una masa de 18 g/mol, y cuando reemplazan a las moléculas más pesadas de nitrógeno y oxígeno (masa media de 29 g/mol), la densidad total del aire disminuye.
¿Cuál es la diferencia entre un gas y un líquido volátil?
Los gases pasan al estado líquido a temperatura ambiente solo a presiones superiores a 1 atmósfera. Los líquidos volátiles (por ejemplo, el éter medicinal) existen en forma líquida en condiciones normales, pero tienen una presión de vapor saturado alta (a partir de 0,1 atm).
¿En qué se diferencia el vapor de un gas permanente en el contexto de la licuefacción?
Los vapores (por ejemplo, el amoníaco o el dióxido de carbono) se pueden convertir en líquido simplemente aumentando la presión. Los gases permanentes (hidrógeno, oxígeno) deben enfriarse primero por debajo de su temperatura crítica; de lo contrario, la compresión no conducirá a la licuefacción.
Qué más repasar sobre el tema
- Cálculo de la masa de un reactivo sólido a partir del volumen del gas liberado
- Determinación de un gas desconocido mediante la densidad relativa
- Algoritmos para resolver problemas de reactivo limitante y en exceso en mezclas
- Cálculo de la masa molar promedio de la mezcla inicial a partir de los productos de combustión
- Toxicología de gases y métodos de control de la pureza del aire
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