QUÍMICA: TEORÍA CINÉTICO-MOLECULAR

Buenos días, desde Academia Cruellas, en Fraga. El hecho de que todos los gases sigan las ecuaciones de estado y cumplan las mismas leyes es una curiosidad de la naturaleza. En el comportamiento de los gases sólo tiene importancia el número de moles, de forma que dos muestras de gases diferentes que contienen el mismo número de moles se comportan de la misma manera.

Con el fin de explicar la presión ejercida por los gases sobre las paredes del recipiente en que están contenidos, así como su fácil comprensibilidad se construye un modelo de ellos, es decir, una representación ideal que sólo considera aquellos rasgos que son importantes para determinar su comportamiento. El modelo establece como postulados algunas características de los gases ideales, observados experimentalmente por distintos investigadores y recopilado por Clausius en 1857.

Los gases están formados por un gran número de moléculas saparadas entre sí por distancias mucho mayores que su diámetro.En efecto, las leyes ponderables de la combinación química y la ley de Avogadro hacen sospechar que los gases están formados por moléculas discretas y separadas que contienen toda la masa. Además, la fácil comprensibilidad de los gases, descrita en la ley de Boyle, permite suponer que la distancia entre las moléculas es muy superior a su tamaño.

Las moléculas de los gases se mueven sin cesar, desordenadamente y chocando entre sí y con las paredes del recipiente. Experimentalmente se sabe que los gases ejercen fuerzas de presión sobre las paredes de los recipientes que los contienen. La causa de estas fuerzas de presión debe buscarse en el movimiento de sus moléculas. Este movimiento rectilíneo se convierte en caótico al chocar unas moléculas con otras, puesto que la velocidad de las moléculas es constante, del orden de los cientos de metros por segundo a la temperatura ambiente y, además, el recorrido libre medio de una molécula o recorrido entre dos choques consecutivos apenas llega al milímetro. En el caso de las moléculas monoatómicas sólo se ha de tener en cuenta su movimiento de traslación, pero si se trata de moléculas poliatómicas se han de considerar, además, los movimientos de rotación de la molécula y de vibración de los átomos constituyentes de las moléculas a lo largo del eje de unión.

Los choques de las moléculas entre sí y con las paredes del recipiente han de ser completamente elásticos. Los gases no dejan de ejercer presión con el tiempo, ni producen sedimentos. Ambos hechos deben interpretarse como una conservación de la energía cinética aun a pesar de los choques entre las moléculas.

La energía cinética media de las moléculas gaseosas es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas. La energía térmica es la manifestación macroscópica de la suma de la energía cinética de todas y cada una de las moléculas del gas. Al aumentar la temperatura, también lo hace la velocidad de las moléculas y con ella el número de choques con las paredes, esto es, la presión. Extrapolando el comportamiento del gas a la temperatura de 0 K, se ha de suponer que sus moléculas a esa temperatura han de estar en reposo, y por tanto que 0 K es la temperatura más baja que se puede alcanzar.

Las moléculas de un gas ideal son puntos materiales, esto es, no tienen volumen. Los gases ideales, por definición, deben cumplir la ley de Charles, y por tanto su volumen debe ser nulo a la temperatura de 0 K. En los gases reales las moléculas si tienen volumen, lo que provoca las desviaciones observadas en su comportamiento frente al de los gases ideales.

Todos estos postulados sobre la estructura de los gases constituyen una teoría sobre su naturaleza molecular, a partir de la cual se obtienen las expresiones matemáticas de las leyes que rigen el comportamiento de los gases. Una prueba de la bondad de la teoría es la coincidencia entre los resultados predichos por ella y los obtenidos experimentalmente. Los sólidos y los líquidos pueden incluirse en este modelo siempre y cuando se introduzcan algunos cambios. Así, en un sólido las moléculas casi no tienen libertad de movimiento, y por tanto sólo pueden vibrar alrededor de una posición central. La energía de sus moléculas, no es suficiente para vencer las intensas fuerzas de atracción. Al calentar el sólido, la energía comunicada se transforma en una mayor energía de vibración que, a su vez, se traduce en una mayor separación de las moléculas, esto es, en la dilatación del cuerpo tal y como se observa habitualmente.