El gas tiene una alta reactividad en comparación con los cuerpos líquidos y sólidos debido a la gran área de su superficie activa y la alta energía cinética de las partículas que forman el sistema. En este caso, la actividad química del gas, su presión y algunos otros parámetros dependen de la concentración de moléculas. Consideremos en este artículo cuál es este valor y cómo se puede calcular.
¿De qué gas estamos hablando?
Este artículo considerará los llamados gases ideales. Desprecian el tamaño de las partículas y la interacción entre ellas. El único proceso que ocurre en los gases ideales son las colisiones elásticas entre las partículas y las paredes del recipiente. El resultado de estas colisiones es una presión absoluta.
Cualquier gas real se acerca al ideal en sus propiedades si se reduce su presión o densidad y se aumenta su temperatura absoluta. Sin embargo, existen productos químicos que, incluso a bajas densidades y altaslas temperaturas están lejos del gas ideal. Un ejemplo llamativo y bien conocido de tal sustancia es el vapor de agua. El hecho es que sus moléculas (H2O) son muy polares (el oxígeno extrae la densidad electrónica de los átomos de hidrógeno). La polaridad conduce a una interacción electrostática significativa entre ellos, lo que es una grave violación del concepto de gas ideal.
Ley universal de Clapeyron-Mendeleev
Para poder calcular la concentración de moléculas de un gas ideal, uno debe familiarizarse con la ley que describe el estado de cualquier sistema de gas ideal, independientemente de su composición química. Esta ley lleva los nombres del francés Emile Clapeyron y del científico ruso Dmitri Mendeleev. La ecuación correspondiente es:
PV=nRT.
La igualdad dice que el producto de la presión P y el volumen V siempre debe ser directamente proporcional al producto de la temperatura absoluta T y la cantidad de sustancia n para un gas ideal. Aquí R es el coeficiente de proporcionalidad, que se llama la constante universal de los gases. Muestra la cantidad de trabajo que hace 1 mol de gas como resultado de la expansión si se calienta 1 K (R=8, 314 J/(molK)).
Concentración de moléculas y su cálculo
Según la definición, la concentración de átomos o moléculas se entiende como el número de partículas en el sistema, que cae por unidad de volumen. Matemáticamente, puedes escribir:
cN=N/V.
Donde N es el número total de partículas en el sistema.
Antes de escribir la fórmula para determinar la concentración de moléculas de gas, recordemos la definición de la cantidad de sustancia n y la expresión que relaciona el valor de R con la constante de Boltzmann kB:
n=N/NA;
kB=D/NA.
Usando estas igualdades, expresamos la relación N/V a partir de la ecuación de estado universal:
PV=nRT=>
PV=N/NART=NkBT=>
cN=N/V=P/(kBT).
Así que obtuvimos la fórmula para determinar la concentración de partículas en un gas. Como puede ver, es directamente proporcional a la presión en el sistema e inversamente proporcional a la temperatura absoluta.
Dado que el número de partículas en el sistema es grande, la concentración cNes inconveniente de usar cuando se realizan cálculos prácticos. En cambio, la concentración molar c se usa con más frecuencia. Se define para un gas ideal como sigue:
c=n/V=P/(R T).
Problema de ejemplo
Es necesario calcular la concentración molar de moléculas de oxígeno en el aire en condiciones normales.
Para solucionar este problema, recuerda que el aire contiene un 21% de oxígeno. De acuerdo con la ley de D alton, el oxígeno crea una presión parcial de 0,21P0, donde P0=101325 Pa (una atmósfera). Las condiciones normales también asumen una temperatura de 0 oC(273.15 K).
Conocemos todos los parámetros necesarios para calcular la concentración molar de oxígeno en el aire. Obtenemos:
c(O2)=P/(R T)=0,21101325/(8,314273, 15)=9,37 mol/m3.
Si esta concentración se reduce a un volumen de 1 litro, entonces obtenemos el valor 0.009 mol/L.
Para entender cuántas moléculas O2 hay en 1 litro de aire, multiplique la concentración calculada por el número NA. Después de completar este procedimiento, obtenemos un valor enorme: N(O2)=5, 641021moléculas.
