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• Ximena Granados Muñoz

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Estados de la materia

1. ESTRUCTURA DIDÁCTICA DEL MÓDULO

1.1.

Tú Desafío/ Situación Problema Genérica

Tu desafío

El hielo es agua en estado sólido. Este tiene la particularidad de que, al ser sumergido en agua, flota parcialmente. Sin embargo, un estudiante encontró información sobre muestras de hielo que, teóricamente, se sumergirían completamente en agua. ¿Cree usted que esto es posible? ¿Bajo qué condiciones cree usted que sería posible ver esto?

Recárgate: Saberes previos Para comprender como se presentan los estados de la materia y las variables que las condicionan es necesario recordar algunos conceptos clave. Calor. Corresponde a la energía intercambiada entre dos cuerpos, producto del movimiento de las partículas que conforman al mismo. Esta energía es percibida gracias a la diferencia de temperaturas entre los cuerpos analizados. De acuerdo con las leyes de la termodinámica el calor se transfiere del cuerpo más caliente al más frío. Como se ampliará en la sección correspondiente, el calor depende de la masa, así que puede decirse que tiene carácter extensivo.

Temperatura Se define como la medida de la intensidad del calor. Es asociada a que tan frío o caliente se encuentra un material bajo ciertas condiciones. Comúnmente se utilizan tres escalas de medición. Para realizar conversiones entre escalas de temperatura es común el uso de las siguientes fórmulas.

Como se ampliará en la sección correspondiente, la temperatura no depende de la masa, así que puede decirse que tiene carácter intensivo.

Presión.

Punto de fusión (Tf).

Relación entre una fuerza aplicada y el área donde esta se aplica.

Temperatura en donde un cuerpo cambia de estado sólido a líquido bajo determinada presión.

Fuerza (F)

Área (A)

En particular, la presión atmosférica corresponde a la fuerza ejercida por la atmósfera por unidad de superficie. Esta tiende a disminuir a medida que aumenta la altura. A nivel del mar equivale a 1 atm, 760 mm Hg o 101.325 Pa.

Hielo en fusión.

En esta temperatura coexisten en equilibrio el estado sólido y líquido. Punto de ebullición (Tb). Temperatura en donde un cuerpo cambia de estado líquido a gaseoso bajo determinada presión.

En esta temperatura coexisten en equilibrio el estado líquido y gaseoso.

Estados de la materia ¿Sabías qué? El agua es una de las sustancias que conocemos en tres estados en la naturaleza: sólido, líquido y gaseoso. Para que pueda ver al agua en sus tres fases coexistiendo en simultáneo esta debe encontrarse a 0,01 °C y 0,006 atm, condiciones conocidas como punto triple del agua. Observe este fenómeno en https://www.youtube.com/watch?v=t3Uo_CTMHDg

Los estados de la materia son las diferentes formas de agregación que presentan las sustancias. Esto depende de las condiciones ambientales en las que se encuentra un cuerpo. Para distinguir y describir los estados se utilizan dos parámetros principales. Forma

Volumen

Se refiere a los atributos geométricos que presenta un cuerpo, sin tener en cuenta su posición, color, tamaño y orientación.

Espacio ocupado por un cuerpo. En algunas sustancias viene asociado con la forma del recipiente que lo contiene.

De acuerdo con esto, se distinguen frecuentemente cuatro estados de agregación de la materia. Disminuyen las fuerzas de cohesión

Recuerde que las fuerzas de cohesión permiten la unión Sólid

Líquido

Gaseoso

Plasma

o

de un mismo tipo de moléculas.

Aumentan las fuerzas de cohesión

Estado

Características Fuerzas de cohesión altas (moléculas más juntas). Poseen una difusión lenta en comparación con líquidos y gases. Se consideran incompresibles.

Sólido

Pueden presentar diferentes estructuras a nivel molecular: amorfas o cristalinas. Fuerzas de cohesión intermedias moléculas separadas). Presentan valores diversos de viscosidad de acuerdo con su composición.

Líquido

Son relativamente incompresibles. Fuerzas de cohesión bajas (moléculas dispersas). Se expanden y contraen con facilidad. Poseen una gran capacidad de difusión.

Gaseoso

Son altamente miscibles entre sí.

Similar al estado gaseoso, las moléculas de la sustancia se encuentran ionizadas, es decir, hay un conjunto de Plasma

partículas con cargas positivas y negativas.

Cambios de estado de la materia. El estado de una sustancia se puede modificar a partir de variaciones en la presión y temperatura. A continuación, se muestra un esquema donde se resumen los cambios de fase más comunes.

Sólido

Los cambios de estado son reversibles, es decir, se puede volver a un estado

inicial

si

se

recuperan las condiciones Condensació

iniciales del mismo. Líquido

Gaseoso

Vaporización

Para analizar los cambios de estado de una sustancia se utilizan dos recursos. Curva de calentamiento - enfriamiento. Permite determinar el estado de un cuerpo a presión constante de acuerdo con la temperatura en la que se encuentra. Así mismo, es un excelente recurso que permite el análisis de como los cambios de estado ocurren de forma secuencial al calentar determinada sustancia. La siguiente gráfica muestra la curva de calentamiento del agua a 1 atm de presión.

De acuerdo con lo anterior, se pueden extraer una serie de conclusiones que se pueden aplicar de manera general. Un cuerpo se encontrará en estado sólido si su temperatura es menor que su punto de fusión. Un cuerpo se encontrará en estado líquido si su temperatura está entre su punto de fusión y su punto de ebullición.

Un cuerpo se encontrará en estado gaseoso si su temperatura es superior al punto de ebullición. En los puntos de fusión y ebullición ocurren los cambios de estado. Aquí coexisten dos estados sin aumentar la temperatura porque el calor invertido modifica las fuerzas de cohesión. Diagrama de fases. Con este recurso se puede analizar el estado de una sustancia pura a una determinada temperatura y presión. Cada sustancia cuenta con su propio diagrama de fases y, para facilitar la comprensión de sus elementos, se presenta a continuación el diagrama de fases del agua.

Diagrama de fases del agua. No se encuentra a escala. Adaptado de diversas fuentes.

Los diagramas de fases presentan una serie de elementos que permiten su correcta interpretación. A partir de la presión y temperatura de un cuerpo usted puede determinar su estado de acuerdo con la zona en la que, de acuerdo con esa combinación de factores, se encuentre el mismo. La línea azul de este gráfico permite determinar el punto de fusión a una presión determinada. En estas condiciones coexisten en equilibrio el estado sólido y el estado líquido. La línea verde de este gráfico permite determinar el punto de ebullición a cierta presión. En estas condiciones coexisten en equilibrio el estado líquido y el estado gaseoso.

Se conoce como punto triple a aquellas condiciones de presión y temperatura donde coexisten los tres estados de una sustancia. Para el agua el punto triple corresponde a 0,0098 °C y 0,006 atm de presión. Por encima del punto crítico la densidad del líquido y del gas son iguales, generando un fluido supercrítico. En esta guía no se profundizará más sobre este concepto ya que supera los propósitos de este curso.

Recursos de apropiación. Para ampliar los conceptos vistos aquí lo invitamos a visitar los siguientes enlaces. Calor y temperatura. Disponible en https://www.youtube.com/watch?v=St8tvRdvghk Gráficas de calentamiento y enfriamiento. Disponible en https://www.youtube.com/watch?v=Gow6ynRccmI Diagrama de fases. Disponible en https://www.youtube.com/watch?v=JEpuDy1OP3E Punto triple del alcohol terbutílico. Disponible en https://www.youtube.com/watch?v=BLRqpJN9zeA&t=2s