Gas (estado de la materia): definición, tipos, propiedades y ejemplos
Descubre qué es un gas: definición, tipos (monoatómico, elemental, compuesto), propiedades, ejemplos y usos como el gas natural; explicación clara y visual.
Un gas es uno de los cuatro estados más comunes de la materia. En un gas las moléculas se mueven libremente y son en gran medida independientes unas de otras, lo que da lugar a propiedades particulares como la capacidad de expandirse y ocupar cualquier volumen disponible. Esto lo diferencia de un líquido, donde las moléculas están relativamente próximas y pueden deslizarse unas sobre otras, y de un sólido, donde los enlaces son fuertes y mantienen las moléculas en posiciones fijas.
Propiedades físicas principales
- Forma y volumen: un gas no tiene forma ni volumen fijo: adopta la forma del recipiente y ocupa todo el volumen disponible.
- Compresibilidad y expansibilidad: se puede comprimir fácilmente aplicando presión y se expande al reducir la presión.
- Difusión y mezcla: las moléculas se mezclan rápidamente por difusión, lo que explica por qué los gases se homogeneizan sin necesidad de agitación.
- Presión y temperatura: la presión de un gas resulta del choque de las moléculas contra las paredes del recipiente; la energía cinética media de las moléculas aumenta con la temperatura. La relación entre presión (P), volumen (V), cantidad de sustancia (n) y temperatura (T) para gases ideales se expresa en la ley de los gases ideales: PV = nRT.
- Desviaciones del gas ideal: a altas presiones y bajas temperaturas los gases reales se comportan de forma diferente al ideal; entonces entran en juego modelos como la ecuación de Van der Waals.
- Otras propiedades: densidad (mucho menor que la de líquidos o sólidos a la misma temperatura), viscosidad baja, conductividad térmica y velocidad del sonido dependiente del gas y la temperatura.
Tipos de gases
Un gas puede clasificarse según su composición molecular:
- Gases monoatómicos: cada partícula es un átomo aislado. Ejemplo: el neón.
- Gases elementales (moleculares homonucleares): moléculas formadas por dos o más átomos del mismo elemento unidos. Ejemplo: el hidrógeno en su forma molecular H2.
- Gases compuestos (moleculares heteronucleares): formados por átomos distintos unidos en la misma molécula. Ejemplo: el dióxido de carbono (CO2).
- Mezclas de gases: combinaciones de cualquiera de los anteriores, como el aire, que contiene principalmente nitrógeno, oxígeno, trazas de argón y dióxido de carbono, y humedad variable.
Ejemplos y mezclas naturales
En un gas puro, cada molécula puede ser un átomo individual (caso de gases monoatómicos), o bien estar formada por varios átomos iguales o distintos. Un ejemplo de gas monoatómico es el neón, un ejemplo de gas elemental es el hidrógeno (H2) y un ejemplo de gas compuesto es el dióxido de carbono (CO2).
Una mezcla de gases contiene una mezcla de cualquiera de los tipos anteriores; el aire típico tiene aproximadamente un 78% de nitrógeno, un 21% de oxígeno y alrededor de un 1% de otros gases como argón y trazas de dióxido de carbono, además de vapor de agua variable según la humedad.
Usos y aplicaciones
- Industrial: síntesis química, refrigeración (gases refrigerantes), corte por plasma, y como materia prima (por ejemplo, el gas natural compuesto principalmente por metano se usa como combustible y en la producción química).
- Doméstico y energético: calefacción, cocina y generación de electricidad (gas natural y GLP).
- Medicina y laboratorios: gases medicinales (oxígeno), anestésicos y como atmósferas controladas para análisis.
- Transporte y almacenamiento: algunos gases se licúan (gas licuado) para facilitar su transporte —por ejemplo, gas natural licuado (GNL)— o se almacenan comprimidos en cilindros.
Riesgos, seguridad e impacto
Los gases pueden presentar varios peligros: asfixia por desplazamiento del oxígeno, inflamabilidad (metano y otros hidrocarburos), toxicidad y efectos ambientales. Por ejemplo, los gases venenosos se utilizaron como armas químicas en la Primera Guerra Mundial; ese uso quedó prohibido por convenios internacionales. Además, ciertos gases son gases de efecto invernadero (como el dióxido de carbono y el metano), contribuyendo al cambio climático.
Medidas de seguridad típicas: detección de fugas, ventilación adecuada, equipos de protección personal, uso de detectores de gases tóxicos o inflamables y normas para el transporte y almacenamiento.
Comportamiento ante cambios de temperatura y presión
Al enfriar o aumentar la presión, un gas puede licuarse y pasar a estado líquido; al calentar intensamente y suministrar energía suficiente puede ionizarse y convertirse en plasma. La teoría cinética de los gases explica sus propiedades en términos del movimiento y las colisiones de las partículas, y permite calcular magnitudes como la energía cinética media, la velocidad rms y la presión.
En resumen, un gas es una forma de la materia con gran movilidad molecular, importante en numerosos procesos naturales e industriales, con propiedades bien descritas por las leyes de los gases, pero que requieren consideraciones de seguridad y medioambientales específicas.
Una ilustración de la forma aleatoria en que se mueven las moléculas de gas, sin estar unidas entre sí.
Características físicas
Todos los gases pueden fluir, como los líquidos. Esto significa que las moléculas se mueven independientemente unas de otras. La mayoría de los gases son incoloros, como el hidrógeno. Las partículas de gas se dispersan, o se difunden, para llenar todo el espacio de cualquier recipiente, como una botella o una habitación. En comparación con los líquidos y los sólidos, los gases tienen una densidad y una viscosidad muy bajas. No podemos ver directamente la mayoría de los gases porque no tienen color. Sin embargo, es posible medir su densidad, volumen, temperatura y presión.
Presión
La presión es la medida de la fuerza de empuje que ejerce algo sobre otro objeto. En un gas, suele ser el gas el que empuja el recipiente del objeto o, si el gas es pesado, algo dentro del gas. La presión se mide en pascales. Debido a la tercera ley de Newton, podemos cambiar la presión de un gas ejerciendo fuerza sobre el objeto que lo contiene. Por ejemplo, al apretar una botella con aire en su interior se presuriza (da más presión) al aire que hay dentro.
Cuando se habla de gas, la presión suele estar relacionada con el recipiente. Una gran cantidad de gas en un recipiente pequeño tendría una presión muy alta. Una pequeña cantidad de gas en un recipiente grande tendría una presión baja. El gas puede crear presión por sí mismo cuando hay mucha cantidad. El peso del gas crea presión sobre cualquier cosa que esté debajo de él, incluido otro gas. En un planeta, esto se llama presión atmosférica.
Temperatura
La temperatura de un gas es lo caliente o frío que está. En física se suele medir en kelvins, aunque en otros lugares se utilizan más los grados Celsius. En un gas, la velocidad media (lo rápido que se mueven) de las moléculas está relacionada con la temperatura. Cuanto más rápido se mueven las moléculas del gas, más chocan o se estrellan entre sí. Estas colisiones liberan energía, que en un gas se presenta en forma de calor. A la inversa, si la temperatura alrededor del gas se calienta, las partículas del gas convertirán la energía térmica en energía cinética, haciendo que se muevan más rápido y que el gas se caliente más.
Cambios de estado
Un gas puede pasar por dos cambios de estado diferentes. Si la temperatura es lo suficientemente baja, el gas puede condensarse y convertirse en líquido. A veces, si la temperatura es lo suficientemente baja, puede pasar por una deposición, en la que se convierte directamente en un sólido. Normalmente, un gas debe condensarse primero en un líquido, y luego congelarse para convertirse en un sólido, pero si la temperatura es muy baja puede saltarse la etapa de líquido y convertirse instantáneamente en sólido. Esto es lo que ocurre con la escarcha en el suelo en invierno. El vapor de agua (un gas) entra en el aire que está muy frío, y se convierte instantáneamente en hielo debido a la deposición.
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- Gas ideal
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es un gas?
R: Un gas es uno de los cuatro estados de la materia en el que las moléculas se mueven libremente y no están unidas entre sí.
P: ¿En qué se diferencian las moléculas de un gas de las de un líquido?
R: En un gas, las moléculas no están unidas entre sí, mientras que en un líquido, las moléculas están poco unidas o se tocan.
P: ¿En qué se diferencian las moléculas de un gas de las de un sólido?
R: En un gas, los enlaces moleculares son débiles, mientras que en un sólido, los enlaces moleculares son fuertes y mantienen las moléculas unidas de una forma.
P: ¿Un gas tiene un solo volumen como un líquido o un sólido?
R: No, un gas puede expandirse hasta llenar el recipiente en el que se encuentra, a diferencia de un líquido o un sólido.
P: ¿Qué tipos diferentes de moléculas de gas existen?
R: Hay gases puros con átomos individuales, gases elementales con más de un átomo del mismo tipo unido, y gases compuestos con muchos tipos de átomos juntos.
P: ¿Puede nombrar un ejemplo de gas monoatómico?
R: Sí, un ejemplo de gas monoatómico es el neón.
P: ¿Qué es una mezcla de gases?
R: Una mezcla gaseosa contiene una mezcla de cualquiera de los tipos de gases mencionados anteriormente, como el aire, que es un 87% de nitrógeno, un 0,2% de oxígeno, un 13,7% de argón y dióxido de carbono en pequeñas cantidades.
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