Como medir el volumen de un gas

[Química de gases] Sección 2 

            [La temperatura y su medición] 

            [Como medir el volumen de un gas]

            [Los termómetros] 

Medir el volumen de un gas es un desafío, principalmente porque los gases tienden a escapar de los sistemas de medición. La importancia de esta medición es evidente, ya que se necesita para determinar la presión del gas, tal como lo demostró Torricelli. Sin embargo, resulta crucial evaluar diferentes diseños experimentales para obtener mediciones precisas. El volumen de gas también es fundamental en estudios sobre velocidades de reacción y para determinar la viabilidad comercial de los procesos químicos y bioquímicos donde un gas es un subproducto. Además, la medición de volúmenes de vapores es esencial para determinar los pesos moleculares de líquidos volátiles, utilizando métodos como el de Victor-Meyer.

Figura 1. El montaje permite medir con precisión el volumen de gas generado en una reacción. El ácido diluido reacciona con la cinta de magnesio, liberando hidrógeno que se recolecta en un cilindro medidor invertido sobre agua. Este sistema, seguro y práctico, ilustra principios de estequiometría, leyes de los gases y la conservación de la materia, integrando teoría y práctica en química.

En comparación, la medición de volúmenes de líquidos es más sencilla. Esto es posible porque los líquidos adoptan la forma del recipiente en el que se encuentran y el nivel del menisco se puede observar con precisión. Aunque algunos líquidos son volátiles, la pérdida de volumen es mínima y solo se percibe después de un largo periodo de tiempo, que puede ser de horas a días. Además, los volúmenes de líquidos no se ven significativamente afectados por los cambios de presión, aunque sí son sensibles a las variaciones de temperatura, por lo que es crucial especificar la temperatura durante la medición.

Las mediciones de volumen de gases son más complejas, ya que la mayoría de los gases son invisibles y sus volúmenes dependen considerablemente de la temperatura y la presión. Uno de los problemas más graves es que los gases tienden a escaparse, lo que hace necesario diseñar un sistema de medición que sea hermético y que impida su fuga. Si no se especifican correctamente estos dos parámetros, el volumen de gas informado carece de relevancia.

Una de las técnicas experimentales más antiguas para medir el volumen de un gas es el desplazamiento. Supongamos que se necesita medir el volumen de hidrógeno generado en un experimento de laboratorio. Dado que se trata de un gas, no se puede medir con un instrumento volumétrico convencional a menos que se resuelvan ciertos inconvenientes, como sellar herméticamente el hidrógeno, permitir medir su expansión y transferirlo desde el reactor al instrumento de medición.

La técnica de desplazamiento utiliza agua como medio sellante, y se mide el volumen de gas desplazando el agua. En este método, el gas formado se traslada desde el reactor hasta un instrumento de medición, como una probeta invertida. A medida que el gas se libera, desplaza el agua en el recipiente y forma una burbuja cuyo volumen se puede medir. Un inconveniente de este diseño es que el gas acumulado en la probeta estará mezclado con vapor de agua, lo que debe tenerse en cuenta en los cálculos para obtener resultados precisos.

Este diseño experimental estaba disponible para los filósofos naturales y alquimistas desde al menos el siglo XVII. Una variación de este diseño se utilizó para determinar la producción de gas por parte de las plantas durante la fotosíntesis, en lo que se conoce como el experimento de Senebier. En este experimento, el reactor es la propia planta, que produce oxígeno como resultado de la fotosíntesis, pero el mecanismo de medición sigue siendo el mismo: el gas desplazando el volumen de agua.

El experimento de Senebier utilizaba recipientes de vidrio, como un embudo invertido con un cuello cerrado y graduado. Las hojas de una planta se colocaban en el recipiente lleno de agua, que luego se sumergía en un baño de agua más grande para eliminar todas las burbujas de aire. Después, el aparato se invertía, y el gas producido por las hojas se acumulaba en el cuello graduado del embudo. La cantidad de gas se podía leer observando el desplazamiento del agua en el cuello del recipiente. En este caso, el gas producido era una mezcla de oxígeno gaseoso y vapor de agua.

Figura 2.  En el experimento de Senebier la planta actúa como reactor al liberar oxígeno por fotosíntesis. El gas asciende en burbujas y desplaza el agua dentro de un tubo invertido, lo que permite medir su volumen. Este método demuestra la producción de oxígeno por acción de la luz, vinculando biología, química y física en un mismo procedimiento experimental.

A lo largo del tiempo, otros líquidos como el mercurio o instrumentos mecánicos como émbolos en pistones móviles también se han utilizado para medir el volumen de gas, pero el principio sigue siendo el mismo. A medida que el volumen de gas aumenta, la burbuja se expande y ejerce una fuerza sobre el objeto de medición, lo que permite cuantificar el gas generado.

En la interpretación moderna de los volúmenes de gas, el volumen de un gas se define como el tamaño del recipiente que contiene el gas. Por ejemplo, cuando se infla un neumático o una pelota de baloncesto, se están agregando más partículas de gas al sistema. El aumento en el número de partículas provoca un aumento en el volumen, ya que las partículas de gas ejercen una presión al golpear las paredes del recipiente. Este fenómeno también se puede observar cuando un neumático parece estar más desinflado en la mañana debido a una temperatura más baja. La baja temperatura reduce la velocidad de las moléculas de gas, lo que disminuye la fuerza de los impactos contra las paredes del neumático, y como consecuencia, su volumen disminuye.

Las unidades más comunes para medir el volumen de un gas son los litros (L) y los mililitros (mL). Estas unidades permiten expresar de manera precisa el volumen de gas bajo condiciones específicas de temperatura y presión. Sin embargo, es fundamental tener en cuenta que el volumen de un gas puede variar dependiendo de las condiciones experimentales, como la temperatura y la presión a las que se encuentre el gas en cuestión.

Para mas información sobre el parámetro Volumen, puede consultar en el siguiente enlace: [Volumen].

Referencias.

Brown, T. L., LeMay, H. E. J., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P., & Stoltzfus, M. W. (2015). Chemistry the Central Science.

Brown, T. L., LeMay, H. E. J., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P., Stoltzfus, M. W., & Lufaso, M. W. (2022). Chemistry, the central science (15th ed.). Pearson.

Chang, R. (2010). Chemistry (10th ed.). McGraw-Hill New York.

Chang, R., & Overby, J. (2021). Chemistry (14th ed.). McGraw-Hill.

Farmer, E. E. (2010). Jean Senebier’s thoughts on experimentation. ARCHIVES DES SCIENCES, 63, 185–192.

Matamala, M., & González Tejerina, P. (1975). Química (1ª ed.). Bogotá: Ediciones Cultural.

Seager, S. L., Slabaugh, M. M., & Hansen, M. M. (2022). Chemistry for Today (10th ed.). Cengage Learning.

Zumdahl, S. S., Zumdahl, S. A., DeCoste, D. J., & Adams, G. (2018). Chemistry (10th ed.). Cengage Learning.