Condiciones Normales y Estándares de un Gas

Los estudiantes muchas veces tienen dudas cuando se plantean problemas de física y química con las condiciones estándar y las condiciones normales de un gas.

No son lo mismo una que otra, pero si tienes prisa y no quieres leer el documento completo, que lo aclara con precisión, aquí tienes un resumen válido cuando trabajes con un gas.

Condiciones Estándares

– Las Condiciones Estándares de los Gases (TPE en español, o STP en ingles) son las utilizadas como punto de referencia para equiparar todos los gases y son valores exactos válidos para todos los gases y siempre los mismos.

Se suelen utilizar los valores de presión a 1 atmósfera y temperatura a 0ºC.

Luego veremos que no son estas las exactas, pero que son las que más se suelen utilizar por que no hay un gran error con las exactas.

Recuerda: 1 atmósfera es equivalente a 1,01325 x 105Pascales y 0ºC es igual a 273,15ºKelvin

Condiciones Normales

– Las Condiciones Normales de un Gas (TPN en español, o NTP en ingles) son la Presión y Temperatura del lugar donde se está realizando el experimento con el gas en ese momento.

Comúnmente se utiliza la presión de 1 atm, y la temperatura de 15ºC, 20ºC, 25ºC ó 27ºC.

No son valores exactos, ya que dependen de donde se encuentre el gas, pero los anteriores valores son los que se suelen utilizar en los ensayos y experimentos con los gases.

¡OJO! podríamos hacer el experimento a la presión de 1 atmósfera y a la temperatura de 0ºC y en este caso hacemos que coincidan las condiciones estándar y normales del gas.

Esto es muy habitual, y por eso en muchas ocasiones se dan y utilizan como las condiciones normales de un gas (CN) los valores de las condiciones estándar.

No te compliques, si no te dan valores de las condiciones del gas, solo te dicen Normales o Estándar, cualquiera de las dos, utiliza 1 atmósfera y 0ºC siempre.

Además recuerda, luego lo veremos, que un gas ocupa un volumen aproximado de 22.4 litros en estas condiciones.

¿Quién Dice lo Que son las Condiciones Normales o Estándar?

Las dos funciones de estado que normalmente podemos controlar en un gas son la temperatura y la presión, por lo que estas son las condiciones que estandarizamos.

Existen diferentes estándares que definen diferentes valores de temperatura y presión.

Estos estándares dependen de la organización que los defina, pero en general, la presión estándar está cerca de la presión atmosférica y la temperatura estándar está cerca del valor de la temperatura ambiente.

El TPE (en castellano) o STP (siglas en ingles) se usa comúnmente para definir condiciones estándar para la temperatura y la presión, y vienen definidas por la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada).

La IUPAC hasta el año 1982 decía que las condiciones estándar eran las que vimos al inicio de la página, 1 atmósfera y 0ºC, pero desde ese año ya no le gusta la medida de la presión en atmósfera y cambio la unidad para medir presión de forma estándar a otra unidad llamada bar, y dijo que las nuevas condiciones estándar de los gases deben ser a una presión de 1 bar y a una temperatura de 0ºC.

1 bar = 105Pascales

Fíjate que 1 atmósfera es 1,01325 x 105Pa, casi lo mismo 1bar que son 105 Pascales, por eso se sigue utilizando mucho 1 atmosfera, ya que el error, si no necesitamos mucha precisión en los cálculos, no es muy grande.

¿Por qué son Importantes las Condiciones?

Los químicos adoptan estándares para que puedan estar seguros de que sus ensayos experimentales tienen las mismas condiciones.

Las diferentes condiciones experimentales pueden cambiar el resultado de un experimento, por lo que los científicos están de acuerdo con las condiciones estándar para que sus resultados sean confiables y reproducibles.

Si un científico no proporciona suficiente información sobre su configuración experimental, entonces otros científicos no pueden intentar reproducir sus hallazgos.

La reproducibilidad es parte integral para confirmar los datos experimentales.

Imagina que Científico 1 realiza un experimento en alguna muestra de gas y registra su comportamiento.

Sin embargo, no registra las temperaturas y presiones a las que se realizaron sus experimentos.

Luego, un Científico 2 intenta reproducir el experimento del Científico 1, pero como no conoce la presión y las temperaturas en juego en el experimento del Científico 1, el Científico 2 obtendrá diferentes resultados.

Veamos que sucede en el caso de los gases.

Dado que la temperatura y la presión de los gases, como  por ejemplo el aire, varían de un lugar a otro, es necesaria una referencia estándar para comparar las pruebas y la documentación de los procesos químicos y físicos.

La densidad del gas también cambia con la presión y la temperatura, por lo que es obligatorio el uso de volúmenes estandarizados cuando se hace referencia a cantidades de gas.

Recuerda densidad = Masa / volumen.

Pero además, el volumen de un número constante de moles de gas depende de las medidas de temperatura y presión, debido a esta razón, siempre que la cantidad de gas se especifique en términos de volumen de gas, es necesario definir las condiciones de temperatura y presión correspondientes para la medición del volumen.

Podemos usar las condiciones de temperatura y presión de referencia para especificar el volumen de gas medido en esas condiciones.

Una vez que se calcula el volumen, podemos convertir la cantidad calculada en una cantidad de moles o masa de gas.

En condiciones normales (CN) 1 mol de cualquier gas ocupa un volumen aproximado de 22.4 litros.

Recuerda: siempre es importante conocer la temperatura de referencia y la presión de referencia para la definición real utilizada.

Algunos Ejemplos

Ejemplo 1: Imagina que alguien te dice que el volumen molar del metano es de 22.4 litros (L).

El volumen molar de una sustancia es solo una medida de cuánto espacio ocupa un mol de esa sustancia.

Por sí solo, este valor no es muy informativo. Se sabe que el volumen de un gas varía mucho con respecto a la presión y la temperatura, por lo que un gas podría tener múltiples volúmenes molares, dependiendo de la temperatura y presión exactas.

Uno necesita especificar una temperatura y presión para hacer una medición de volumen molar de 22.4 L una cantidad más significativa.

Los científicos acuerdan una temperatura y presión predefinidas para informar las propiedades cuantitativas de los gases. Por ejemplo, un mol de cualquier gas en las condiciones estándar ya habladas, tiene un volumen siempre de 22.4 L.

Las mediciones cuantitativas de gas, como el volumen, el flujo volumétrico y la compresibilidad, todas deben definirse con respecto a alguna presión y temperatura definidas inicialmente.

Ejemplo 2 – Problema: ¿Cuál es el volumen de una muestra de 1.4 moles de gas de hidrógeno (H 2 ) en TPE?

Solución:

Recuerde que las condiciones de TPE se definen como 273.15 K (0ºC) y 1atm (aproximadas, ¿Recuerdas?). Utilizamos la ecuación de la ley del gas ideal (si no la recuerdas sigue en enlace anterior):

PV=nRT; donde

P: presión en atmosferas (atm) 1atm = 760 mmHg.

V: Volumen en litros 1l = dm3.

n : número de moles. Para saber que es un mol y como se calcula visita este enlace: Mol.

R = 0,082 atm l / K mol (es una constante, siempre la misma).

(1 atm) (V) = (1.4mol) (0,08206) (273.15K) = 31,4 L .

1.4 moles de gas de hidrógeno ocupa 31.4 litros de espacio. Observa cómo el cálculo de la respuesta no dependía de ninguna propiedad específica del gas de hidrógeno, solo de la cantidad de la misma.

También podemos usar condiciones de estándar para extrapolar cómo se comportará un gas a una temperatura y presión determinadas. Aquí hay un ejemplo:

Ejemplo 3: Si un gas tiene un volumen de 0.13 L a 5 atm de presión y 300º K, ¿Cuál será el volumen en condiciones Estándar (TPE)?

Solución:

Para resolver esto, podemos usar una ley derivada de la ley del gas ideal que establece que la relación del producto de presión y volumen a temperatura se mantiene constante para una cantidad fija de gas. Matemáticamente, esto es:

P 1 x V 1 / T 1 = P 2 x V 2 / T 2

Usando esta ecuación podemos averiguar el nuevo volumen. Conectando los valores que obtenemos:

(0.15L) (5atm) / 300K = V 2 (1atm) /273.15K)

Resolviendo para V 2 nos da:

(0.15L x 5atm / 300K) = 273.15 = V 2 = 0.68 L

Por lo tanto, el gas tendrá un volumen de 0,68 litros en condiciones TPE.

Además, asumir las condiciones TPE nos permite simplificar la fórmula de gas ideal. Normalmente la formula es

PV = nRT

Suponiendo valores TPE de, P = 1atmósfera y T = 273.15ºK. Por lo tanto, la ecuación de estado general para una muestra de gas en valores TPE puede escribirse como:

V = nR (273.15).

Esta ecuación también se puede utilizar para darnos el volumen molar de un gas en condiciones de TPE. El volumen molar de un gas es solo el volumen que ocupa un mol de gas, por lo que el ajuste n = 1 nos da:

V = R (273.15) = ~ 22.4 L

Esta ecuación nos dice lo que ya vimos anteriormente, que un mol de cualquier gas en la condición TPE tiene un volumen de 22,4 litros. Curiosamente, el volumen molar de un gas es completamente independiente de cualquier propiedad química específica del gas.

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