Volumen y cantidad de gas

[Química de gases] Sección 1 Conceptos clave [Que es un gas y sus propiedades] [Volumen y cantidad de gas] Otros conceptos [El átomo filosófico] [Como medir el volumen de un gas]

Los antiguos griegos ya tenían intuiciones sobre la existencia de los gases y su capacidad para ocupar espacio, aunque la tecnología de la época no les permitiera observar estos fenómenos de manera tan detallada como lo hacemos hoy. A través de experimentos sencillos, como los realizados por Empédocles (c. 490-430 a.C.), se evidenció que el aire no era simplemente un vacío, sino una sustancia tangible que ocupaba espacio. Empédocles utilizó un dispositivo que, aunque primitivo, fue uno de los primeros experimentos científicos: una clepsidra. Este aparato, similar a una especie de cabeza de ducha, permitía observar cómo el agua y el aire competían por llenar un mismo espacio, lo que llevó a la conclusión de que el aire era una sustancia con peso, capaz de desplazarse y ocupar el lugar de otro material.

Figura 1. Una clepsidra (A) es en esencia una cabeza de ducha, pero sin una tubería de apoyo, para llenarla debes sumergir la cabeza en agua y poner tu dedo en el orificio (B), cuando se la retira del agua, esta retiene líquido siempre y cuando el orificio opuesto esté tapado (C). Si se retira el dedo, entonces el agua sale.

Figura 2. Si el orificio superior está obstruido la única presión que se ejerce es sobre los orificios inferiores hacia arriba , lo cual evita que el agua se mueva, siempre y cuando la presión en cada orificio sea inferior a la presión que ejerce la atmósfera. Si el orificio superior se abre, la presión atmosférica ejercerá fuerza desde arriba y desde abajo cancelándose, y permitiendo el flujo de agua.

Figura 3. Si se tapa el orificio superior antes de sumergirlo, este quedará saturado de aire que ocupa espacio, y por ende, no puede ser desplazado por el agua, siempre y cuando la columna de agua no genere una presión superior a la de la atmósfera (Video).

El experimento de la clepsidra fue clave para demostrar que el aire no solo estaba presente, sino que era capaz de llenar espacios de manera efectiva, un fenómeno que a los griegos les permitió entender que los gases, aunque invisibles, eran tan reales como cualquier otro estado de la materia. El concepto de que los gases ocupan un volumen específico y desplazan a otros materiales en su camino fue un avance importante en la comprensión de la materia como una entidad no estática, sino dinámica, que interactúa con su entorno. Este tipo de observaciones y experimentos simples pero efectivos fueron la base de la física y la química que más tarde se desarrollarían.

Además, el hecho de que el aire pudiera desplazarse, pero no ocupar el mismo espacio simultáneamente con el agua, llevó a los griegos a entender que el aire era una sustancia con propiedades físicas, como la presión y la capacidad de comprimir y expandirse, lo que hoy conocemos como características esenciales de los gases. La observación de que una sustancia como el aire podía ser desplazada por otra en un espacio determinado fue esencial para los avances futuros en la comprensión del comportamiento de los gases y su relación con otros estados de la materia.

Volumen.

El volumen, por lo tanto, es el espacio que ocupa un gas. Al no tener forma propia, los gases adoptan el volumen del contenedor que los contiene. Por ello, es útil conocer las fórmulas que describen las formas geométricas simples, como se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Las fórmulas para el volumen de los sólidos regulares clásicos siempre se calculan utilizando teoremas específicos. Por esta razón, no se presentarán sus equivalentes en términos de factores de conversión.

Cantidad de materia.

Al ocupar espacio y desplazar otra materia, los gases son, por ende, materia. Siguiendo la teoría atómica, esta materia está compuesta por entidades discretas. Por lo tanto, para un gas, podemos trabajar con sus entidades de diversas formas. Un ejemplo de esto es utilizando el parámetro de densidad. Dado que somos capaces de conocer el volumen de un contenedor, podemos determinar tanto su masa como la cantidad de entidades presentes en el gas. Este tipo de cálculos ya fue tratado en la sección Cocientes químicos: densidad y masa molar, por lo que vale la pena repasarlos nuevamente. Solo que ahora podremos integrarlo a escenarios donde el volumen es variable.

Referencias

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