PRÁCTICA DE LABORATORIO: Ley de los Gases Ideales y Experimentos de Estado

 

Ley de los Gases Ideales y Experimentos de Estado

1. Introducción

Los gases presentan un comportamiento particular debido a que sus partículas se encuentran muy separadas entre sí y se mueven de manera constante y aleatoria. Sus propiedades pueden describirse mediante variables de estado como presión, volumen, temperatura y cantidad de sustancia.

La ley de los gases ideales permite relacionar estas variables mediante la expresión:

PV = nRT

Donde: P representa la presión, V el volumen, n la cantidad de moles, R la constante universal de los gases y T la temperatura absoluta en kelvin.

En esta práctica se estudiará experimentalmente el comportamiento de los gases mediante experiencias sencillas que permitan observar la relación entre presión, volumen y temperatura, así como comprobar de manera cualitativa algunos principios asociados al estado gaseoso.

2. Objetivo general

Estudiar experimentalmente el comportamiento de los gases y su relación con las variables de estado establecidas en la ley de los gases ideales.

3. Objetivos específicos

• Identificar las variables que intervienen en la ley de los gases ideales.
• Observar la relación entre temperatura y volumen en un gas.
• Analizar la relación entre presión y volumen.
• Explicar el comportamiento de los gases a partir del movimiento de sus partículas.
• Relacionar los resultados experimentales con la ecuación general de los gases ideales.

4. Fundamento teórico

4.1 Estado gaseoso

El estado gaseoso se caracteriza porque sus partículas se encuentran separadas, se mueven libremente y ocupan todo el volumen del recipiente que las contiene. Los gases no poseen forma ni volumen definido.

4.2 Variables de estado

Las principales variables que describen el comportamiento de un gas son:

• Presión: fuerza ejercida por las partículas del gas sobre las paredes del recipiente.
• Volumen: espacio ocupado por el gas.
• Temperatura: medida de la energía cinética promedio de las partículas.
• Cantidad de sustancia: número de moles de gas presentes.

4.3 Ley de los gases ideales

La ley de los gases ideales establece la relación entre presión, volumen, temperatura y cantidad de gas:

PV = nRT

Esta ley permite predecir el comportamiento de un gas cuando cambian una o más variables de estado.

4.4 Ley de Boyle

La ley de Boyle establece que, a temperatura constante, el volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión. Cuando la presión aumenta, el volumen disminuye.

4.5 Ley de Charles

La ley de Charles establece que, a presión constante, el volumen de un gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta. Cuando la temperatura aumenta, el volumen del gas también aumenta.

4.6 Ley de Gay-Lussac

La ley de Gay-Lussac establece que, a volumen constante, la presión de un gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta. Cuando la temperatura aumenta, la presión también aumenta.

5. Materiales y reactivos

Materiales

• Globos.
• Botellas plásticas pequeñas.
• Vasos de precipitados.
• Recipiente con agua caliente.
• Recipiente con agua fría o hielo.
• Jeringas plásticas sin aguja.
• Tapones de goma.
• Termómetro.
• Cronómetro.
• Regla.
• Pinzas.
• Bata de laboratorio.
• Gafas de seguridad.
• Guantes.

Reactivos

• Agua caliente.
• Agua fría.
• Hielo.
• Aire.
• Vinagre.
• Bicarbonato de sodio.

6. Procedimiento experimental

Parte A: Relación entre temperatura y volumen

1. Coloque un globo en la boca de una botella plástica vacía.
2. Introduzca la botella en un recipiente con agua caliente durante 3 minutos.
3. Observe los cambios en el globo.
4. Luego coloque la misma botella en un recipiente con agua fría o hielo.
5. Observe nuevamente el comportamiento del globo.
6. Registre las observaciones.

Parte B: Relación entre presión y volumen

1. Tome una jeringa plástica sin aguja.
2. Tape firmemente la salida de la jeringa con un dedo o tapón.
3. Empuje lentamente el émbolo.
4. Observe la resistencia que ofrece el aire dentro de la jeringa.
5. Tire del émbolo hacia atrás manteniendo la salida tapada.
6. Registre los cambios observados.

Parte C: Producción de gas por reacción química

1. Coloque 20 mL de vinagre en una botella pequeña.
2. Agregue una cucharadita de bicarbonato de sodio dentro de un globo.
3. Coloque el globo en la boca de la botella sin dejar caer aún el bicarbonato.
4. Levante el globo para que el bicarbonato entre en contacto con el vinagre.
5. Observe la formación de gas y el inflado del globo.
6. Registre las observaciones.

Parte D: Influencia de la temperatura sobre la presión

1. Infle ligeramente un globo y átelo.
2. Colóquelo durante unos minutos en agua fría.
3. Observe su tamaño.
4. Luego colóquelo cuidadosamente cerca de un recipiente con agua caliente, sin contacto directo con fuego.
5. Observe si cambia su volumen.
6. Relacione los cambios con la temperatura y la presión interna del gas.

7. Registro de datos

Experimento	Sistema evaluado	Variable modificada	Observaciones	Ley relacionada
A	Botella con globo en agua caliente	Temperatura
A	Botella con globo en agua fría	Temperatura
B	Aire dentro de la jeringa	Volumen/presión
C	Vinagre + bicarbonato	Cantidad de gas
D	Globo expuesto a cambios de temperatura	Temperatura/presión

 

8. Resultados y análisis

El estudiante deberá:

• Describir los cambios observados en cada experimento.
• Explicar la relación entre temperatura y volumen.
• Explicar la relación entre presión y volumen.
• Identificar la formación de gas en la reacción entre vinagre y bicarbonato.
• Relacionar cada experimento con una ley de los gases.
• Explicar el comportamiento de los gases usando la ecuación PV = nRT.

9. Conclusiones

Redacte conclusiones sobre:

• La importancia de las variables presión, volumen y temperatura.
• La relación entre la temperatura y el volumen de un gas.
• La relación entre presión y volumen.
• La producción de gas en una reacción química.
• La utilidad de la ley de los gases ideales para explicar fenómenos cotidianos.

10. Cuestionario

1. ¿Qué establece la ley de los gases ideales?
2. ¿Qué significa cada variable en la ecuación PV = nRT?
3. ¿Qué ocurre con el volumen de un gas cuando aumenta la temperatura?
4. ¿Qué ocurre con el volumen de un gas cuando aumenta la presión?
5. ¿Qué ley se comprueba con el experimento de la jeringa?
6. ¿Por qué el globo se infla cuando se mezcla vinagre con bicarbonato?
7. ¿Qué gas se produce en la reacción entre vinagre y bicarbonato?
8. ¿Por qué los gases ocupan todo el volumen del recipiente?
9. ¿Qué diferencia existe entre presión y volumen?
10. Mencione dos situaciones cotidianas donde se observe el comportamiento de los gases.

11. Normas de seguridad

• Utilizar bata, guantes y gafas de seguridad.
• Manipular el agua caliente con precaución.
• No acercar globos ni botellas a fuentes directas de fuego.
• No ingerir vinagre ni bicarbonato durante la práctica.
• Evitar apuntar globos o botellas hacia el rostro.
• Mantener limpia y ordenada el área de trabajo.
• Desechar los residuos en recipientes adecuados.
• Lavar las manos al finalizar la práctica.

12. Referencias

Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C., Woodward, P., & Stoltzfus, M. W. (2018). Química: La ciencia central (13.ª ed.). Pearson.

Chang, R., & Goldsby, K. (2016). Química (12.ª ed.). McGraw-Hill Education.

Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D., & Bissonnette, C. (2017). Química general: Principios y aplicaciones modernas (11.ª ed.). Pearson.

Zumdahl, S. S., & Zumdahl, S. A. (2014). Chemistry (9th ed.). Cengage Learning.