¿Por qué el oxígeno y el nitrógeno no se separan en el aire normal?

1. El peso molecular no entra en él; lo que importa es la densidad. Por ejemplo, el dodecano tiene un peso molecular más alto que el agua, pero a temperatura ambiente el agua tiene una densidad más alta que el dodecano y se hunde en el dodecano. O, para un ejemplo aún más clásico, el hielo y el agua líquida tienen exactamente el mismo peso molecular, pero diferentes densidades: el hielo flota.

2. Los gases son, para la mayoría de los propósitos, completamente miscibles entre sí, y no forman fases separadas ni actúan como sólidos o líquidos suspendidos, donde el peso de las partículas es muy importante y su suspensión es un equilibrio entre la resistencia del aire y la gravedad ( El movimiento browniano es otra lata de gusanos por completo).

3. El nitrógeno y el oxígeno, como los gases típicos, se expanden para llenar el volumen de su contenedor (hasta que se ve limitado por una fuerza externa como la gravedad). En igualdad de condiciones, si separa el oxígeno del nitrógeno y los combina abriendo un pasaje entre ellos, el conocimiento del comportamiento típico de los gases y el conocimiento de la entropía sugeriría que los gases terminarían en una concentración igual en ambos contenedores proporcional a su cantidades originales: esta es la configuración de maximización de entropía.

4. Debido a que el nitrógeno y el oxígeno interactúan entre sí de maneras que implican una menor entalpía en un estado mixto debido a las atracciones intermoleculares, una solución mixta de oxígeno y nitrógeno está en un estado de energía más bajo que una separada. Esto es independiente de las consideraciones entrópicas. Tendría que aplicar energía (no mucho en este caso, pero muy significativa en otros) para separar las moléculas de sus estados de energía más bajos además del costo de energía para reducir la entropía.

El oxígeno y el nitrógeno no se separan porque la gravedad no es lo suficientemente fuerte como para superar el movimiento térmico aleatorio de las moléculas. La naturaleza es una competencia entre minimizar la energía y maximizar la entropía, y en este caso la entropía gana.

Otras lecturas:
¿Se mezclarán espontáneamente los gases mezclados?
Si el CO2 es tan pesado, ¿por qué no nos hunde y nos sofoca?

Echemos un vistazo a esto desde una perspectiva clásica de termodinámica:

La energía libre es una interacción entre la entalpía y la entropía. Puede eliminar el término de entalpía suponiendo que las partículas de gas no interactúan. Por lo tanto, te queda (a presión constante) dG = TdS.

El término dS siempre será negativo porque la entropía de la mezcla de dos gases siempre será entropicamente favorable. La temperatura se expresa en Kelvin, por lo que nunca es negativa. Por lo tanto, la energía libre de la mezcla de gases es negativa.

Si luego intenta ir en reversa, la entropía es desfavorable, lo que da como resultado un dS positivo, lo que significa que los gases no se “mezclarán” espontáneamente.

Por supuesto, a baja temperatura, los gases se convierten en líquidos. En los líquidos ya no se puede suponer que no hay interacción entre las partículas y el término entalpía vuelve a ser importante. El análisis se vuelve más complicado a partir de ahí.

¿Por qué el azúcar no se separa del agua en su coca cola? Porque es una mezcla estable. Lo mismo con el aire.

Las respuestas dadas hasta ahora tienen sentido, pero ¿cómo explicamos entonces que el monóxido de carbono (CO), siendo un poco “más ligero” que el aire, no se mezclará con el aire y se elevará en un apartamento, de ahí la recomendación de instalar sensores de CO en el techo ?

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