6.1: Teoría Cinética Molecular: Un modelo para los gases

Presión de los gases

El constante movimiento aleatorio de las moléculas del gas hace que choquen entre sí y con las paredes de su recipiente. Estas colisiones de las moléculas de gas con su entorno ejercen una presión sobre el mismo. Cuando se infla un globo, las partículas de aire del interior del globo empujan contra los lados elásticos, las paredes del globo son empujadas hacia fuera y se mantienen firmes. Esta presión es producida por las moléculas de aire que golpean las paredes interiores del globo.

Hay tres unidades de presión comúnmente utilizadas en química. La presión se mide comúnmente en un dispositivo llamado monómetro, similar al barómetro que utiliza un meteorólogo. Las presiones en los monómetros se registran típicamente en unidades de milímetros de mercurio, abreviadas como \text{mm} \ce{Hg}\). La presión se define como la fuerza ejercida dividida por el área sobre la que se ejerce la fuerza.

Las moléculas de aire de nuestra atmósfera ejercen presión sobre toda superficie que esté en contacto con el aire. La presión del aire de nuestra atmósfera a nivel del mar es de aproximadamente \ (15 \: text{lbs/in}^2\). Esta presión pasa desapercibida, porque el aire no sólo está fuera de las superficies, sino también dentro, lo que permite equilibrar la presión atmosférica. Sin embargo, la presión ejercida por nuestra atmósfera se hace notar rápidamente si se elimina o reduce el aire en el interior de un objeto. Una demostración común de la presión del aire hace uso de una lata de metal de un galón. En la lata se colocan unas gotas de agua y se calienta hasta que hierve. El agua dentro de la lata se vaporiza y se expande para llenar la lata, empujando el aire hacia fuera. A continuación, se cierra la lata herméticamente con la tapa. Cuando la lata se enfría, el vapor de agua del interior se condensa y se convierte en agua líquida, dejando el interior de la lata sin moléculas de aire. A medida que el vapor de agua se condensa en agua líquida, la presión del aire fuera de la lata aplasta lentamente la lata.

Las personas, por supuesto, también tienen la presión atmosférica presionando sobre ellos. Una persona de tamaño medio probablemente tiene una fuerza total ejercida sobre ella por la atmósfera de más de 25.000 libras. Afortunadamente, las personas también tienen aire en su interior para equilibrar la fuerza. Un dispositivo para medir la presión atmosférica, el barómetro, fue inventado en 1643 por un científico italiano llamado Evangelista Torricelli (1608 – 1647) que había sido alumno de Galileo. El barómetro de Torricelli se construyó llenando un tubo de vidrio, abierto por un extremo y cerrado por el otro, con mercurio líquido y luego invirtiendo el tubo en un plato de mercurio.

El mercurio en el tubo cayó a una altura tal que la diferencia entre la superficie del mercurio en el plato y la parte superior de la columna de mercurio en el tubo era de 760 milímetros. El volumen de espacio vacío por encima del mercurio en el tubo era un vacío. La explicación de por qué el mercurio permanece en el tubo es que no hay moléculas de aire golpeando la parte superior del mercurio en el tubo. El peso del mercurio en el tubo dividido por el área de la abertura del tubo es exactamente igual a la presión atmosférica.

La altura a la que se mantiene el mercurio sólo sería de 760 milímetros cuando la presión atmosférica es normal y a nivel del mar. La presión atmosférica cambia debido a las condiciones meteorológicas y la altura del mercurio en el barómetro cambiará con ella. La presión atmosférica también varía con la altitud. A mayor altitud, la presión atmosférica es menor porque el aire es más «fino», es decir, hay menos moléculas de aire por unidad de volumen. En las montañas, a una altitud de 9600 pies, la presión atmosférica normal sólo soportará una columna de mercurio de \ (520 \: \text{mm} \: \ce{Hg}\).

Por varias razones, la química tiene muchas unidades diferentes para medir y expresar la presión de los gases. Deberá estar familiarizado con la mayoría de ellas para poder convertirlas en las unidades preferidas. Debido a que los instrumentos para medir la presión a menudo contienen una columna de mercurio, las unidades más utilizadas para la presión se basan en la altura de la columna de mercurio que el gas puede soportar. La unidad original en química para la presión de los gases era \(\text{mm} \ce{Hg}\) (milímetros de mercurio). La presión atmosférica estándar a nivel del mar es \(760 \text{mm} \: \ce{Hg}\). Esta unidad es un poco problemática porque, aunque es una unidad de presión, se parece mucho a una unidad de longitud. Los estudiantes, en particular, de vez en cuando omiten la \ (\ce{Hg}\) y entonces definitivamente parece ser una unidad de longitud. Para eliminar este problema, la unidad recibió otro nombre. Se denominó \text{torr} en honor a Torricelli. \ (760 \: \text{torr}\) es exactamente lo mismo que \ (760 \: \text{mm} \: \ce{Hg}\). Para ciertos trabajos, resultó conveniente expresar la presión de los gases en términos de múltiplos de la presión atmosférica normal a nivel del mar y así se introdujo la unidad atmósfera \(\left( \text{atm} \right)\N. Las conversiones que hay que conocer entre las distintas unidades de presión son:

\Nsólo

Este ejemplo muestra cómo realizar esta conversión utilizando el análisis dimensional. Si estás memorizando el tipo, sólo tienes que memorizar que para convertir de \(\text{mm} \: \ce{Hg}\) a \(\text{atm}\) debes dividir por 760.