La ley de los gases ideales

Conceptos básicos

Este tutorial te enseñará las leyes de los gases, la derivación de la ecuación de la ley de los gases ideales y cómo utilizarla. También aprenderás qué define a un gas ideal, cuál es la constante del gas ideal, las unidades de la ley de los gases ideales y qué suposiciones hacemos para llamar ideal a un gas: las propiedades del gas ideal.

Temas tratados en otros artículos

• Qué es la presión
• Medición de la presión de los gases
• Ley de Dalton de la presión parcial
• Ley de Charles
• Ley de Avogadro
• Ley de Boyle
• Ecuación de Van der Waal
• Teoría cinética de los gases
• Ley de Gay Lussac
• Ley de los gases combinados
• Ley de Henry
• Ley de Graham de la efusión

¿Qué son las leyes de los gases?

Las leyes de los gases son un conjunto de leyes que describen el comportamiento de los gases en diferentes condiciones de temperatura, presión y, por último, volumen. Estas leyes fueron desarrolladas por científicos como Robert Boyle, la Ley de Charles y la Ley de Gay-Lussac, y se basan en la idea de que las partículas de un gas están en constante movimiento e interactúan entre sí sólo mediante colisiones. Las leyes de los gases describen cómo se relacionan entre sí la presión, el volumen y la temperatura de un gas, y los químicos las utilizan para predecir el comportamiento de los gases en distintas condiciones.

¿Qué es la ley de los gases ideales?

Por ejemplo, la ley de los gases ideales establece que la presión, el volumen y la temperatura de un gas son directamente proporcionales entre sí, siempre que el número de partículas y la masa del gas permanezcan constantes. Esta ley puede utilizarse para calcular las propiedades de un gas, como su densidad o su masa molar, dada cierta información sobre su presión, volumen y temperatura. Las leyes de los gases son un concepto importante en química, y los químicos las utilizan para explicar muchas de las propiedades y el comportamiento de los gases.

La ley de los gases ideales es una ecuación de estado que describe básicamente los gases ideales y su comportamiento. Esta ecuación de estado relaciona la presión, el volumen, la temperatura y la masa de un gas, y es muy útil para describir cómo se comportarán los gases en condiciones ideales. Es la ecuación de estado más común para los gases.

Además, hay otras leyes de los gases que merece la pena conocer. Por ejemplo, la ecuación de estado de Van der Waal y la Virial son dos leyes que describen el estado de los gases en estados no ideales. Si te interesa saber más sobre la ecuación de Van der Waal, consulta nuestro artículo sobre ella además de éste.

La ecuación del gas ideal fue enunciada por primera vez por Benoît Paul Émile Clapeyron en 1834 como una combinación de la ley de Boyle, la ley de Charles, la ley de Avogadro y la ley de Gay-Lussac. Clapeyton fue un ingeniero francés y uno de los fundadores de la termodinámica.

¿Cuáles son las propiedades de los gases ideales?

Los gases están formados por un gran número de partículas que chocan constantemente entre sí de forma aleatoria. Para modelizar y predecir el comportamiento de los gases, se creó el concepto de gas ideal. Si un gas es ideal, hay que partir de algunos supuestos. Éstas también pueden considerarse las propiedades del gas ideal.

1. En primer lugar, suponemos que el volumen de las partículas de gas es insignificante. Esto significa que el volumen del recipiente es mucho mayor que el volumen de las partículas de gas.
2. En segundo lugar, suponemos que las partículas de gas tienen el mismo tamaño y no tienen fuerzas intermoleculares con otras partículas de gas.
3. En tercer lugar, suponemos que las partículas de gas se mueven aleatoriamente según las leyes del movimiento de Newton.
4. Por último, suponemos que todas las colisiones son perfectamente elásticas y no tienen pérdida de energía. Esto significa que las colisiones entre las partículas de gas y las paredes no pierden energía y ejercen una presión constante.

Aunque ningún gas es perfectamente ideal, la mayoría de los gases se acercan lo suficiente a temperatura ambiente y son casi ideales.

Combinación de las leyes de los gases en la ecuación de la ley de los gases ideales

Representaciones gráficas de las tres leyes básicas de los gases.

Cuando tenemos en cuenta las tres leyes básicas de los gases -la Ley de Charles, la Ley de Avogadro y la Ley de Boyle- podemos establecer relaciones entre la presión, el volumen, la temperatura y la cantidad de moles de un gas. Combinando cada ecuación, podemos obtener la ecuación de la ley de los gases ideales.

P ∝ 1 / V

V ∝ T

n  ∝ V

⇒ PV ∝ nT

⇒ PV / nT = c

Como esta proporcionalidad tiene en cuenta todos los cambios de estado de los gases, será constante para un gas ideal. Esta constante se conoce generalmente como la constante de los gases ideales, o constante universal de los gases, y tiene un valor de 0.0082057atm L / mol K. Podemos introducir esta constante, denominada R, en la ecuación para obtener la ley de los gases ideales, PV = nRT.

Unidades de la ley de los gases ideales

Cuando se utilizan unidades del SI (sistema internacional de unidades), la ecuación de la ley de los gases ideales emplea las siguientes unidades.

• P es igual a la presión medida en pascales, Pa.
• V es igual al volumen medido en metros cúbicos, m³
• n es igual al número de moles.
• R = 8.3145 representa la constante universal de los gases medida en J / (K ∗ mol), o alternativamente m³ ∗ Pa / (K ∗ mol)
• T es igual a la temperatura medida en Kelvin.

Si se utilizan litros y atmósferas de presión, en lugar de pascales y metros cúbicos, se tiene lo siguiente:

• P es igual a la presión medida en atmósferas
• V es igual al volumen medido en litros
• n es igual al número de moles.
• R = 0.08206 representa la constante universal de los gases medida en L ∗ atm / (K ∗ mol)
• T es igual a la temperatura medida en Kelvin.

Para obtener más ayuda, vea nuestro vídeo interactivo sobre la ley de los gases ideales.

Problemas de práctica de la ley de los gases ideales

Problema 1

El etanol y el metanol se combustionan según las siguientes ecuaciones químicas:

Etanol:   CH₃CH₂OH + 3O₂ → 3H₂O + 2CO₂

Metanol: CH₃OH + 1.5O₂ → 2H₂O + CO₂

Una mezcla de etanol y metanol arde en oxígeno para producir 35cm³ de CO2 y 55cm³ de H2O. Realizan una combustión completa y miden los volúmenes de ambos productos a 101kPa y 120℃. ¿Cuál es la relación molar etanol/metanol en la mezcla?

1. 1 : 3 b) 2 : 3 c) 3 : 2 d) 3 : 1

Problema 2

Dado que la muestra de gas en un recipiente de 1.00L tiene una presión de 112atm a 273K y hay una cantidad conocida de 355g de gas presente, la tarea a realizar es determinar la identidad del gas. (Sugerencia: Para lograrlo, tendrá que calcular antes la masa molar del gas).

1. H₂ b) CH₄ c) Cl₂ d) C₆H₆

Soluciones a problemas prácticos de la Ley de los gases ideales 

1. (d)
2. (c)