5.2.3. Teoría Cinético Molecular – Ley de Graham

Teoría Cinético Molecular

El estudio del comportamiento de los gases está basado en las leyes estudiadas previamente y se explica mediante la teoría cinético molecular, la cual fue enunciada por el físico alemán Rudolf Clausius, que establece lo siguiente:

• Los gases están formados por partículas muy pequeñas llamadas moléculas. Las distancias entre ellas son muy grandes, en comparación con sus diámetros, de modo que se considera que las moléculas poseen masa pero tienen volumen despreciable.

• Las moléculas de un gas se mueven constantemente, en todas direcciones y al azar, además los choques ocolisiones son elásticos. No todas las moléculas se mueven con la misma velocidad, las cuales son muy altas. Por ejemplo, la velocidad media de una molécula de hidrógeno, H₂, a 25 °C es de 1768 m.s^-1, casi 6400 km/hora. En consecuencia, poseen energía cinética, E_c:

E_C = ½ m υ²

donde: m es la masa de la molécula gaseosa

υ es la velocidad promedio con la que se desplaza

• No existen fuerzas de atracción ni repulsión entre las moléculas de un gas ideal, ni entre éstas y su recipiente. Por lo tanto, cuando una molécula choca contra otra, la energía se transfiere de una a otra pero la energía total de todas las moléculas permanece sin cambio.

• La energía cinética de las moléculas es proporcional a la temperatura del gas, en grados Kelvin. Dos gases cualesquiera a la misma temperatura, tendrán la misma energía cinética.

Observaciones Al aumentar la temperatura del gas, se incrementa la velocidad de las moléculas, por lo tanto aumenta la energía cinética, Ec, y se incrementa el número de colisiones o de choques. La energía cinética total de un mol de un gas cualquiera es: donde: R es la constante de los gases ideales    T es la temperatura absoluta  La velocidad molecular promedio ó velocidad cuadrática media es: donde: R es la constante de los gases ideales T es la temperatura absoluta M es la masa molar del gas En consecuencia, a una misma temperatura, las moléculas más pesadas, tendrán menor velocidad cuadrática media. La presión es el resultado del choque de las moléculas contra las paredes del recipiente, si aumenta el número de choques, estará aumentando la presión. Al disminuir el volumen del recipiente, la distancia entre las moléculas de un gas se acorta, produciéndose los choques con mayor frecuencia.

Ejercicio En base a lo planteado por la teoría cinético molecular, cómo explicarías: la compresibilidad de los gases la ley de Boyle la ley de Charles la ley de Avogadro la ley de Dalton

Observación Has notado que cuando en casa usan un aromatizador, éste se esparce y se “siente” o puedes olerlo a cierta distancia, al cabo de unos segundos, ¿verdad? Recordarás también que cuando niño, te regalaban un globo, sea lleno de aire o de helio, jugabas con él y luego lo guardabas unos días, ¿qué le pasaba … se “achicaba”, verdad? ¿Cómo se explican estos hechos?

Ley de Graham

A pesar de que las velocidades moleculares son muy elevadas, el proceso de difusión o de efusión, requiere de cierto tiempo, debido al elevado número de colisiones que experimentan las moléculas en movimiento.

En 1829 Thomas Graham determinó que cuando P y T son constantes, la velocidad de difusión de las sustancias gaseosas es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de sus pesos moleculares:

En otras palabras, bajo las mismas condiciones de P y T, las moléculas de un gas ligero se desplazan con mayor rapidez que las de un gas pesado, como se puede apreciar en el siguiente video: