Ejercicios de química resueltos. Química de gases. Leyes de empíricas

[Las leyes empíricas de los gases]

Estos ejercicios de química de gases ofrecen un recorrido práctico por las leyes fundamentales que rigen el comportamiento de la materia en estado gaseoso. A través de situaciones reales como globos, cilindros de oxígeno, bombillas y tanques de gas, se aplican conceptos como la ley de Boyle, la ley de Charles, la ley de Amonton y la ecuación de los gases ideales. Los problemas permiten relacionar variables como presión, volumen, temperatura y cantidad de sustancia, consolidando la comprensión de las propiedades de los gases tanto desde un punto de vista teórico como experimental, y destacando su importancia en aplicaciones cotidianas e industriales.

Química de Brown

Muestra 10.3. Supongamos que tenemos un gas confinado en un cilindro con un pistón móvil, sellado de manera que no haya fugas. ¿Cómo afectarán los siguientes cambios a (i) la presión del gas, (ii) el número de moles de gas en el cilindro, (iii) la distancia promedio entre moléculas?: (a) Calentar el gas manteniendo la presión constante. (b) Reducir el volumen manteniendo la temperatura constante. (c) Inyectar más gas manteniendo la temperatura y el volumen constantes. [brown.15ed.m.10.3]

Práctica 10.3. Un cilindro de oxígeno usado en un hospital contiene 35,4 L de gas a una presión de 15,16 GPa. ¿Qué volumen ocuparía el oxígeno si se transfiriera a un recipiente donde la presión fuera 101,3 kPa, manteniendo la temperatura constante? [brown.15ed.p.10.3]

10.9. ¿Qué ocurre con la presión de un gas en un recipiente cerrado si se duplica su volumen mientras la temperatura se mantiene constante? (a) La presión se reduce a la mitad. (b) La presión permanece igual. (c) La presión se duplica. [brown.15ed.10.9]

10.10. Se tiene un gas a 25 °C confinado en un cilindro con pistón móvil. ¿Cuál de las siguientes acciones duplicaría la presión del gas?: (a) Elevar el pistón para duplicar el volumen manteniendo la temperatura constante. (b) Calentar el gas de 25 °C a 50 °C, manteniendo constante el volumen. (c) Comprimir el pistón para reducir el volumen a la mitad, manteniendo la temperatura constante. [brown.15ed.10.10]

Muestra 10.5. La presión de un gas en un aerosol es de 152 kPa a 25 °C. Suponiendo que el gas obedece la ecuación de estado de gas ideal, ¿cuál será la presión cuando el envase se caliente a 450 °C? [brown.15ed.m.10.5]

Práctica 10.5. La presión en un tanque de gas natural es de 222,9 kPa. En un día con temperatura de –15 °C, el volumen de gas es de 3,25 × 10³ m³. ¿Cuál será el volumen del mismo gas en un día con temperatura de 31 °C? [brown.15ed.p.10.5]

10.61. Una cantidad fija de gas a 25 °C presenta una presión de 99 kPa y ocupa 4,00 L. (a) Calcule el volumen si la presión aumenta a 202,6 kPa, manteniendo constante la temperatura. (b) Calcule el volumen si la temperatura aumenta a 100 °C, manteniendo la presión constante. [brown.15ed.10.61]

10.62.a. La ley de Amonton expresa la relación entre presión y temperatura. Use la ley de Charles y la de Boyle para deducir la relación de proporcionalidad entre P y T. [brown.15ed.10.62.a]

10.62.b. Si una llanta de automóvil se llena a 220,6 kPa medidos a 24 °C, ¿cuál será la presión si, durante la conducción, la temperatura aumenta a 49 °C? [brown.15ed.10.62.b]

10.63.a ¿Qué condiciones representa la abreviatura CNPT (STP en inglés)? R: Condiciones normales o condiciones de Cannizzaro 1 atm 0 °C.

10.63.b ¿Cuál es el volumen molar de un gas ideal en CNPT? R: 22.41 L/mol.

Química de Chang

Ejemplo 5.4. Calcule el volumen (en litros) ocupado por 7,40 g de NH₃ en CNPT. [brown.15ed.10.63.c]

Práctica 5.4. ¿Qué volumen (en litros) ocuparán 49,8 g de HCl en CNPT? [chang.10ed.p.5.4]

Ejemplo 5.5. Un globo de helio inflado con volumen de 0,55 L al nivel del mar (1,0 atm) asciende hasta 6,5 km, donde la presión es de aproximadamente 0,40 atm. Suponiendo temperatura constante, ¿cuál será el volumen final del globo? [chang.10ed.e.5.5]

Práctica 5.5. Una muestra de cloro ocupa 946 mL a 726 mmHg. Calcule la presión (en mmHg) si el volumen se reduce a 154 mL, manteniendo la temperatura constante. [chang.10ed.p.5.5]

Ejemplo 5.6. El argón es un gas inerte usado en bombillas para reducir la vaporización del filamento de tungsteno. Una bombilla que contiene argón a 1,20 atm y 18 °C se calienta a 85 °C a volumen constante. Calcule la presión final (en atm). [chang.10ed.e.5.6]

Práctica 5.6. Una muestra de oxígeno a 0,97 atm se enfría de 218 °C a –268 °C a volumen constante. ¿Cuál será su presión final (en atm)? [chang.10ed.p.5.6]

5.17. Una muestra gaseosa se enfría a presión constante. ¿Cuál de los siguientes diagramas representa la situación si la temperatura final está (a) por encima del punto de ebullición, (b) por debajo del punto de ebullición pero por encima del punto de congelación? [chang.10ed.5.17]

5.18. Considere una muestra de gas en un cilindro con pistón móvil. Inicialmente hay n moles de gas a temperatura T, presión P y volumen V. Identifique el cilindro que representa el gas después de cada cambio: (1) La presión sobre el pistón se triplica, manteniendo n y T constantes. (2) La temperatura se duplica, manteniendo n y P constantes. (3) Se agregan n moles de otro gas, manteniendo T y P constantes. (4) La temperatura se reduce a la mitad y la presión a un cuarto de su valor original. [chang.10ed.5.18]

5.19. Un gas ocupa 725 mL a 0,970 atm. Se expande isotérmicamente hasta que su presión es 0,541 atm. ¿Cuál es su volumen final? [chang.10ed.5.19]

5.20. A 46 °C una muestra de amoníaco ejerce 5,3 atm. ¿Cuál será la presión si el volumen se reduce a una décima parte, a la misma temperatura? [brown.10ed.5.20]

5.21. El volumen de un gas es 5,80 L a 1,00 atm. ¿Cuál será la presión en mmHg si el volumen cambia a 9,65 L, manteniendo la temperatura constante? [chang.10ed.5.21]

5.22. Una muestra de aire ocupa 3,8 L a 1,2 atm.
(a) ¿Qué volumen ocupará a 6,6 atm?
(b) ¿Qué presión se requiere para comprimirla hasta 0,075 L, manteniendo la temperatura constante?

5.23. Un volumen de 36,4 L de metano se calienta de 25 °C a 88 °C a presión constante. ¿Cuál será el volumen final del gas?

5.24. A presión constante, una muestra de hidrógeno inicialmente a 88 °C y 9,6 L se enfría hasta alcanzar un volumen final de 3,4 L. ¿Cuál será su temperatura final?

5.25. El amoníaco se quema en oxígeno formando óxido nítrico (NO) y vapor de agua. ¿Cuántos volúmenes de NO se obtienen a partir de un volumen de amoníaco a la misma temperatura y presión?

5.26. El cloro molecular y el flúor molecular reaccionan para formar un producto gaseoso. Bajo las mismas condiciones de temperatura y presión, se observa que un volumen de Cl₂ reacciona con tres volúmenes de F₂ para producir dos volúmenes del producto. ¿Cuál es la fórmula de dicho producto?

Referencias

Brown, T. L., LeMay, H. E. Jr., Bursten, B. E., Murphy, C. J., & Woodward, P. M. (2022). Chemistry: The Central Science (15th ed., AP Edition). Pearson Savvas Higher Education.

Chang, R., & Overby, J. (2010). Chemistry (10th ed., AP Edition). McGraw Hill.

García García, J. L. (2025). Dimensional Analysis in Chemistry Textbooks 1900-2020 and an Algebraic Alternative. Educación química, 36(1), 82-108.

García García, J. L. (2025). Química general: Una guía moderna para bachillerato y universidad con enfoque algebraico. Ciencias de Joseleg.