Volúmenes iguales, mismos números de partículas
En un gas ideal, las partículas tienen un volumen despreciable, por lo que el volumen de un gas depende solo de cuántas partículas hay, no de qué sean. Ley de Avogadro: volúmenes iguales de todos los gases a la misma temperatura y presión contienen el mismo número de partículas.
Por lo tanto, un mol de cualquier gas ideal tiene el mismo volumen a una temperatura y presión dadas. Esto es el volumen molar. A temperatura y presión estándar (STP: $273\ \text{K}$ y $100\ \text{kPa}$):
$$V_m = 22.7\ \text{dm}^3\ \text{mol}^{-1}$$
$$n = \frac{V}{V_m}$$
Por ejemplo, $0.500\ \text{mol}$ de oxígeno o de dióxido de carbono a STP ocupan cada uno $0.500 \times 22.7 = 11.4\ \text{dm}^3$.
Como el volumen es proporcional a la cantidad, los coeficientes en una ecuación balanceada para gases también dan su razón volumétrica. En $\text{N}_2(\text{g}) + 3\text{H}_2(\text{g}) \rightarrow 2\text{NH}_3(\text{g})$, $10\ \text{cm}^3$ de nitrógeno reacciona con $30\ \text{cm}^3$ de hidrógeno para producir $20\ \text{cm}^3$ de amoníaco, todo medido a la misma temperatura y presión.
La ecuación del gas ideal
Incorporar la cantidad a la ley combinada da la ecuación del gas ideal:
$$pV = nRT$$
$R$ es la constante de los gases, $8.31\ \text{J K}^{-1}\ \text{mol}^{-1}$. Las unidades deben corresponder a $R$:
| Cantidad |
Unidad SI |
Convertir desde |
| $p$ |
Pa |
$1\ \text{kPa} = 10^{3}\ \text{Pa}$ |
| $V$ |
m$^3$ |
$1\ \text{dm}^3 = 10^{-3}\ \text{m}^3$; $1\ \text{cm}^3 = 10^{-6}\ \text{m}^3$ |
| $T$ |
K |
suma 273 a °C |
Un atajo útil: kPa multiplicado por dm$^3$ también da joules, por lo que puedes usar kPa con dm$^3$ en la misma ecuación.
Ejemplo resuelto: cálculo de una masa molar. Una muestra de gas de $0.320\ \text{g}$ ocupa un volumen de $180\ \text{cm}^3$ a una temperatura de $300\ \text{K}$ y una presión de $100\ \text{kPa}$. Calcula su masa molar.
- Conversión: $p = 1.00 \times 10^{5}\ \text{Pa}$, $V = 180 \times 10^{-6} = 1.80 \times 10^{-4}\ \text{m}^3$.
- Cantidad de sustancia: $n = \dfrac{pV}{RT} = \dfrac{1.00 \times 10^{5} \times 1.80 \times 10^{-4}}{8.31 \times 300} = 7.22 \times 10^{-3}\ \text{mol}$.
- Masa molar: $M = \dfrac{m}{n} = \dfrac{0.320}{7.22 \times 10^{-3}} = 44.3\ \text{g mol}^{-1}$.
- Interpretación: este valor se acerca a $44.0\ \text{g mol}^{-1}$, por lo que el gas podría ser dióxido de carbono o propano.