Ley de los volúmenes de combinación

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En 1808, Gay-Lussac formuló su segunda ley, la ley de los volúmenes de combinación, al observar que los gases, bajo condiciones constantes de temperatura y presión, reaccionan en proporciones numéricas simples de volumen, y que los productos gaseosos también mantienen estas proporciones respecto a los reactivos. Esta ley, inicialmente subestimada, demostró que dichas proporciones coinciden con los coeficientes estequiométricos actuales. En colaboración con Alexander von Humboldt, Gay-Lussac verificó con gran precisión que el hidrógeno y el oxígeno reaccionan en una proporción de 2:1 para formar agua, lo que respaldó experimentalmente su descubrimiento.

Figura 1. Expandir la figura.

Cuando todos los volúmenes involucrados se miden bajo condiciones constantes de temperatura y presión, se observa que los volúmenes de los reactivos gaseosos y de los productos gaseosos guardan entre sí relaciones que corresponden a números enteros pequeños o a fracciones simples de estos. Esto se cumple siempre que se elija adecuadamente el reactivo limitante, es decir, asegurando que no haya exceso ni deficiencia de ninguno de los gases involucrados en la reacción.

El químico Joseph Louis Gay-Lussac amplió sus investigaciones en esta dirección, estudiando las proporciones volumétricas de diversas sustancias gaseosas y reconociendo patrones consistentes en sus comportamientos. A partir de estos estudios, formuló la Ley de los Volúmenes de Combinación, que establece que los gases reaccionan en proporciones volumétricas definidas y constantes, siempre que se mantengan constantes la presión y la temperatura.

Un ejemplo representativo es la síntesis del amoníaco, donde un volumen de nitrógeno reacciona con tres volúmenes de hidrógeno para formar dos volúmenes de amoníaco. Otro caso ilustrativo es la reacción entre hidrógeno y cloro, en la que un volumen de cada uno se combina para formar un volumen de cloruro de hidrógeno.

Figura 2. Expandir la figura.

Figura 3.  Expandir la figura.

Cuando analizamos los volúmenes de combinación utilizando la serie más simple posible de números enteros, observamos que, siempre que las sustancias sean gaseosas, dichos volúmenes coinciden con los coeficientes estequiométricos presentes en una ecuación química balanceada. Esta correspondencia refleja una relación directa entre el volumen de gas y la cantidad de sustancia en moles, tal como se introdujo en la sección Balance de ecuaciones químicas.

Esto nos permite establecer, de forma empírica, que el cociente entre los volúmenes de dos sustancias gaseosas i y j que participan en una reacción química es igual al cociente de sus coeficientes estequiométricos. Es decir, los volúmenes de combinación guardan una proporción directa con las magnitudes de los números estequiométricos, siempre que las sustancias involucradas se encuentren en estado gaseoso.

Figura 4. Ley de los volúmenes de combinación. Recuerde que en este caso los números estequiométricos son magnitudes escalares, por ende, siempre positivos. Su demostración se puede ver en este enlace.

Referencias

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