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• Pedro Luis Domingo

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Tema 2 PROPIEDADES DE LA MATERIA 1.- CONCEPTO DE MATERIA. PROPIEDADES GENERALES La Física y la Química estudian la materia, sus propiedades, naturaleza y comportamiento. Materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio, es decir, tiene volumen. Pero la materia además de tener una extensión y ocupar un espacio, tiene otras dos cualidades muy importantes relacionadas con su masa: - La materia es la causa de la gravedad o gravitación, por la cual los objetos materiales se atraen. Cuanto mayor sea la masa mayor será la atracción. Es muy visible la atracción de la Tierra sobre todos los objetos que hay sobre o cerca de su superficie, pero no es visible la atracción que hay entre dos mesas cualesquiera de la clase porque es demasiado pequeña. - La materia presenta inercia, que se define como la resistencia que oponen los objetos materiales a modificar su estado de reposo o movimiento. Por eso cuesta mucho más mover un camión parado que una bicicleta y cuesta mucho más parar un tren que un coche. También percibimos la inercia cuando vamos dentro de un coche que toma una curva cerrada a mucha velocidad. Todo lo que nos rodea está formado por materia. El aire que respiramos, la tierra, las rocas, las plantas, los animales, el agua, las nubes, etc. El ruido de un timbre (sonido) o el color rojo de un rotulador (luz roja) no son materia. Actividad 1. Indica razonadamente si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas: a) b) c) d)

El aire no es materia porque no tiene masa. Todos los cuerpos, tanto los sólidos, como los líquidos o los gaseosos, son materia. Cada sustancia (agua, sal común, azúcar, alcohol...) es un tipo de materia. Dos objetos materiales, grandes o pequeños, no pueden ocupar el mismo sitio a la vez.

Los cuerpos están constituidos por distintos tipos de materia a los que llamamos sustancias. Por ejemplo, un refresco artificial de naranja (por cierto, nada recomendable) contiene varias sustancias, la mayoritaria es agua, otra es una sustancia edulcorante que le da sabor dulce, otra es un colorante que le da color naranja, otra es un gas (dióxido de carbono) que forma las burbujas, etc. PROPIEDADES GENERALES DE LA MATERIA. Son aquella propiedades que son comunes a toda la materia y, por eso, no sirven para diferenciar unas sustancias de otras (unos tipos de materia de otros). Son la masa, el volumen, la temperatura, etc. Efectivamente, si nos dicen que un cierto tipo de materia tiene una masa de 300 g y se halla a 22 ºC de temperatura no seremos capaces de saber de qué tipo de materia se trata. Volumen. Es la magnitud física que mide el espacio que ocupa un cuerpo material. Su unidad en el Sistema Internacional de Unidades (S.I.) es el metro 3 cúbico, m (que equivale al volumen de un cubo de un metro de arista). Masa. Es la magnitud física que mide la cantidad de materia que posee un cuerpo. Cuanto mayor sea la masa de un cuerpo mayor será su inercia. La unidad en el S.I. es el kilogramo, kg, que corresponde a una masa igual a la de un cilindro patrón que se conserva en el museo de Pesas y Medidas de Paris. La temperatura se estudiará más adelante en otro tema.

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Actividad 2. Determinar experimentalmente en el laboratorio, la masa y el volumen de los siguientes cuerpos materiales suministrados por el profesor, indicando los instrumentos necesarios: a) Un trozo de madera con forma de ortoedro. b) El agua contenida en un vaso. c) Una piedra con forma irregular. Cuerpo material. Es toda forma de materia con limites propios bien definidos. Por ejemplo, una pelota. Sistema material. Es toda forma de materia con límites imprecisos. Ejemplo, el aire o el agua del mar.

2.- PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS. CONCEPTO DE SUSTANCIA PURA Propiedades específicas o características de la materia. Son aquella propiedades que son propias de cada tipo de materia y, por eso, sirven para diferenciar unas sustancias de otras (unos tipos de materia de otros). Son la densidad, las temperaturas de fusión y de ebullición, la solubilidad y varias más. Un aspecto muy importante de las propiedades específicas es que no dependen de la cantidad de sustancia que se utilice para su medida o determinación. Actividad 3. Utilizar la tabla de la página siguiente para determinar de qué sustancia material está 3 formada una muestra de materia cuya densidad recién medida vale 11.340 Kg/m y su Tfusión 327 ºC. Densidad. Se define como el cociente entre la masa y el volumen de un cuerpo. 3 Su unidad en el sistema internacional (S.I.) es: kg/m . Pero también se usa 3 bastante: g/cm y kg/L. Indica el grado de concentración de la materia en el espacio. Es una propiedad muy útil para la identificación de sustancias. Por ejemplo, para el agua es 1000 3 3 3 kg/m (que equivale a 1 g/cm ó a 1 kg/L) y para el aluminio 2.700 kg/m . Temperatura de fusión. Es la temperatura a la que cada clase de materia pasa de estar en estado sólido a estado líquido. Es una propiedad muy útil para la identificación de sustancias. Por ejemplo, para el agua es 0 ºC y para el aluminio 660 ºC.

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Temperatura de ebullición. Es la temperatura a la que cada clase de materia hierve. Por ejemplo, para el agua es 100 ºC y para el aluminio 2.519 ºC. La solubilidad se estudiará más adelante en otro tema. SUSTANCIA PURA. Es toda porción de materia homogénea, que tiene una composición fija e idéntica en todas sus partes, y que posee sus propias propiedades características (densidad, Te, Tf...). Por ejemplo, son sustancias puras: el agua, el alcohol, la sal común, el aluminio, el oro, la plata, el hierro, el cobre, el platino, el estaño, el plomo, el oxígeno, el nitrógeno, etc.

PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS DE ALGUNAS SUSTANCIAS PURAS 3

Densidad (kg/m )

Tf (ºC)

Te (ºC)

Agua

1.000

0

100

Alcohol etílico

790

-117

78,5

Dióxido de carbono

2

-78

-57

Oxígeno

1,4

-219

-183

Nitrógeno

1,25

-210

-196

Sal común

2.170

801

1.413

Azúcar

1.590

186

-----

Glucosa

1.540

150

-----

Aluminio

2.700

660

2519

Hierro

7.900

1.536

3.000

Cobre

8.960

1.083

2.595

Estaño

7.365

505

2875

Plomo

11.340

327

1749

Oro

19.300

1064

2856

Actividad 4.- ¿Qué tiene mayor densidad, el agua que hay en un vaso o el agua que hay dentro de una botella llena de 1,5 litros? 3

Actividad 5.- Se han pesado 200 cm de alcohol en una balanza, obteniéndose una masa de 158 g. 3 Determinar la densidad del alcohol en g/cm . 3

3

Actividad 6.- Expresar la densidad del agua 1.000 kg/m en g/cm utilizando factores de conversión.

ACTIVIDADES EXPERIMENTALES Realizar la determinación experimental de la densidad del alcohol etílico, agua, tetracloruro de carbono, aluminio, acero, ortoedro de madera y roca de forma irregular, siguiendo los guiones expuestos en la parte final del tema, páginas 42 y 43.

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3.- ESTADOS DE AGREGACIÓN. GASES, LÍQUIDOS Y SÓLIDOS. A nuestro alrededor encontramos materia en los tres estados de agregación: gaseoso, líquido y sólido. Estos tres estados se distinguen bien porque sus propiedades son diferentes, como podemos observar en la tabla siguiente: GASES

LÍQUIDOS

SÓLIDOS

Forma

No poseen forma propia (adoptan la del recipiente que los contiene)

No poseen forma propia (adoptan la del recipiente que los contiene)

Poseen forma propia

Volumen

No poseen volumen propio (ocupan todo el volumen disponible)

Poseen volumen propio

Poseen volumen propio

Compresibilidad y expansibilidad

Se pueden comprimir y expandir fácilmente

No se pueden comprimir ni expandir

No se pueden comprimir ni expandir

Densidad

Poseen bajas densidades comparadas con los líquidos o los sólidos

Poseen densidades mucho mayores que los gases pero menores, en general, que las de los sólidos

Poseen densidades altas

Penetrabilidad

Son penetrables fácilmente

Son penetrables pero con mucha más dificultad que en el caso de los gases

No son penetrables

Dilatación y contracción

Se dilatan mucho por acción del calor e inversamente se contraen con el frío

Se dilatan y contraen mucho menos que los gases por acción del calor o del frío

Son los que presentan menor dilatación y contracción

Presión

Ejercen una presión uniforme sobre el recipiente que los contiene, siendo esta presión tanto mayor cuanto mayor es la temperatura

Ejercen una presión que aumenta con la profundidad

Ejercen presión exclusivamente sobre la base de apoyo

Los líquidos junto con los gases reciben el nombre de fluidos, porque pueden cambiar de forma y fluir.

4.- CAMBIOS DE ESTADO Los estados de agregación de la materia son tres: sólido, líquido y gaseoso. El paso de un estado a otro se llama cambio de estado. Hay seis cambios de estado posibles.

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Fusión. Es el cambio de estado de sólido a líquido. Requiere aporte de calor. Cada sustancia pura posee una temperatura de fusión característica. Mientras dura la fusión la temperatura de la sustancia pura permanece constante. Ejemplo: la fusión de un cubito de hielo recién sacado del congelador. Solidificación. Es el cambio de estado de líquido a sólido. Requiere la retirada de calor. Cada sustancia pura posee una temperatura de solidificación característica. Mientras dura la solidificación la temperatura de la sustancia pura permanece constante. Ejemplo: la congelación del agua líquida para obtener hielo dentro de un congelador. Vaporización. Es el cambio de estado de líquido a gas. Requiere aporte de calor. Se puede producir por dos vías: evaporación y ebullición. • Evaporación. Se produce a cualquier temperatura y sólo en la superficie del líquido sin cambiar su apariencia tranquila. El proceso se acelera al aumentar la temperatura, la superficie libre del líquido y la velocidad del aire. Ejemplo: en la evaporación del agua de un suelo recién fregado o en el secado de la ropa mojada en un tendal influyen estos tres parámetros. • Ebullición. Se produce sólo a la temperatura de ebullición del líquido y tiene lugar en cualquier punto del seno del líquido donde se van generando burbujas de vapor de forma tumultuosa. Cada sustancia pura posee una temperatura de ebullición característica. Mientras dura la ebullición la temperatura de la sustancia pura permanece constante. Ejemplo: agua hirviendo a 100ºC en el interior de una cazuela. Condensación y licuación. En ambas se produce el cambio de estado de gas a líquido, en la primera bajando la temperatura y en la segunda aumentando la presión. Ambos requieren la retirada de calor. Ejemplos: condensación de vapor de agua procedente de la ducha en los cristales fríos y producción de gas licuado para encendedores. Sublimación. Es el cambio de estado de sólido a gas. Requiere aporte de calor. Ejemplo: la vaporización de yodo sólido por calentamiento generando yodo gaseoso de color violeta. Una de la principales aplicaciones de la sublimación se encuentra en la naftalina, que se coloca en el interior de los armarios y almacenes de ropa, ya que sus vapores ahuyentan a los insectos que dañan ciertos tejidos.

Sublimación inversa. Es el cambio de estado de gas a sólido. Requiere la retirada de calor. Ejemplo: la formación de escarcha en una noche de invierno a partir del vapor del agua que hay en el aire. Estado plasmático. Es considerado el cuarto estado de agregación de la materia. Es el mayoritario en el universo al ser el constituyente de todas las estrellas. En la Tierra lo encontramos en los rayos y descargas eléctricas, tubos fluorescentes, bolas de plasma, pantallas de plasma y en las auroras boreales. En este estado la materia está muy caliente, varios millones de grados, y los átomos se ionizan, formando un fluido similar al estado gaseoso pero con una proporción muy alta de partículas cargadas eléctricamente, que bajo la influencia de un campo magnético forma estructuras como filamentos, rayos y capas dobles.

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Curva de calentamiento de una sustancia. Se obtiene cuando se representa la temperatura de una sustancia pura en función del tiempo, a medida que la vamos calentando desde su estado sólido hasta que se convierte en gas. La representación gráfica tiene una forma parecida a la de la imagen de la derecha que corresponde al agua. Para otra sustancia cualquiera lo único que cambia son los valores para las temperaturas de fusión y ebullición. En el caso del agua, por debajo de 0ºC está en forma de hielo (estado sólido), al llegar a 0ºC empieza la fusión y comienza a formarse agua líquida. Pasará un tiempo hasta que se funda todo el hielo, luego al seguir calentando la temperatura comenzará a ascender paulatinamente hasta llegar a 100ºC, momento en el que empezará la ebullición. Mientras hierve el agua se va convirtiendo en vapor (gas). Cuando toda el agua líquida se ha convertido en gas, al seguir calentando comenzará a ascender su temperatura por encima de 100ºC. Si dejamos de dar calor y empezamos a enfriar ocurren los procesos contrarios, primero la condensación al descender la temperatura hasta 100ºC y más tarde la solidificación al descender la temperatura hasta 0ºC. Es muy importante observar que mientras se producen los cambios de estado citados la temperatura se mantiene constante, no cambia a pesar de que estemos calentando en el caso de la fusión y la ebullición o enfriando en el caso de la condensación y la solidificación.

5.- TEORÍA CINÉTICO - MOLECULAR DE LA MATERIA Para explicar las propiedades físicas de los gases, líquidos y sólidos se desarrolló un modelo científico, que fue denominado Teoría Cinético - Molecular. A continuación exponemos lo que dice dicha teoría para explicar los tres estados de la materia y los cambios de unos a otros.

5.1.- MODELO CINÉTICO-MOLECULAR PARA LOS GASES Esta teoría considera que: ■ Los gases están formados por partículas extremadamente pequeñas (puesto que no se ven con ningún microscopio). ■ Estas partículas están muy separadas unas de otras y entre ellas el espacio está vacío, no hay nada. Es decir, el volumen de las partículas es despreciable comparado con el volumen que ocupa todo el gas. ■ Las partículas del gas están en continuo movimiento, nunca se paran. Se mueven en línea recta, hasta que chocan de forma elástica con otras partículas o con las paredes del recipiente y cambian su trayectoria. ■ La velocidad media que tienen las partículas depende de la temperatura. A más temperatura más velocidad media y viceversa. De modo que la temperatura es una medida del grado medio de agitación de las partículas. ■ Las fuerzas de atracción y repulsión entre las partículas de los gases son despreciables. ■ La presión es debida a los incesantes choques de las partículas con las paredes del recipiente.

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Propiedades de los gases

No poseen forma propia (adoptan la del recipiente que los contiene)

No poseen volumen propio (ocupan todo el volumen disponible)

Se pueden comprimir y expandir fácilmente

Poseen bajas densidades comparadas con los líquidos o los sólidos

Son penetrables fácilmente

Se dilatan mucho por acción del calor e inversamente se contraen con el frío

Ejercen una presión uniforme sobre el recipiente que los contiene, siendo esta presión tanto mayor cuanto mayor es la temperatura

Explicación según la Teoría Cinético - Molecular Esto es debido a que las partículas del gas están muy separadas entre sí y en continuo movimiento sin ataduras, lo que propicia que ocupen todo el espacio que encuentran disponible, es decir todo el interior del recipiente, con lo que adoptan su forma. Es debido a que las partículas del gas se mueven libremente sin ataduras, lo que propicia que ocupen todo el espacio que encuentran disponible, es decir todo el volumen del recipiente que las contiene si está cerrado y si no se escaparán esparciéndose por toda la atmósfera. Como hay gran cantidad de espacio vacío entre ellas, es fácil imaginar que si reducimos el volumen del recipiente las moléculas se puedan aproximar (comprimir) o que si aumentamos el volumen del recipiente las moléculas se puedan separar (expandir) más de lo que estaban originalmente. Como la densidad mide la cantidad de materia que hay por unidad de volumen, en los gases es muy baja porque hay muy pocas partículas (poca materia) ocupando una gran cantidad de volumen, puesto que se hallan muy separadas. Es debido a que las partículas del gas están muy separadas entre sí y moviéndose libremente. De modo que resulta muy sencillo penetrar en un gas porque es fácil desplazar las partículas que encontramos por delante hacia otras zonas donde hay grandes espacios vacíos, haciendo de este modo hueco para penetrar. Al aumentar la temperatura las partículas se mueven más rápidamente, y chocan con más frecuencia y con más intensidad contra las paredes del recipiente, provocando un aumento de presión. Si el recipiente tiene las paredes flexibles (ejemplo: un balón, una rueda o un globo), aumentará su volumen hasta que se iguale la presión interior con la presión exterior de la atmósfera. La explicación para la contracción es similar pero al contrario. La presión se produce debido a los incesantes choques de las partículas con las paredes del recipiente. Al aumentar la temperatura las partículas se mueven más rápidamente, y chocan con más frecuencia y con más intensidad contra las paredes del recipiente, provocando un aumento de presión. Lo contrario ocurre si disminuye la temperatura.

Actividad 7.- En el experimento que se muestra en la imagen de la derecha, se observan dos situaciones diferentes. Arriba hay dos globos colocados de tal manera que equilibran la balanza. Abajo, uno de ellos se ha pinchado y la balanza se ha desequilibrado. a) ¿Qué demuestra este experimento? b) ¿Ayuda a confirmar esta experiencia que los gases son materia?

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5.2.- MODELO CINÉTICO-MOLECULAR PARA LOS LÍQUIDOS Esta teoría considera que: ■ Los líquidos están formados por partículas extremadamente pequeñas (puesto que no se ven con ningún microscopio). ■ Estas partículas están siempre juntas unas a otras, amontonadas, de modo que el volumen que ocupa todo el líquido coincide con el volumen que ocupan sus partículas. ■ Las partículas de los líquidos están siempre en continuo movimiento, entremezclándose y desplazándose unas alrededor de las otras pero sin dejar de estar juntas y amontonadas. ■ La velocidad media que tienen las partículas del líquido depende de la temperatura. A más temperatura más velocidad media y viceversa. De modo que la temperatura es una medida del grado medio de agitación de las partículas. Si aumenta la temperatura del líquido de forma progresiva, llega un momento en que la agitación es lo suficientemente grande para vencer las fuerzas de atracción entre las partículas y el líquido se transforma en gas, se vaporiza. ■ Las fuerzas de atracción, también llamadas de cohesión, entre las partículas de los líquidos son apreciables ya que mantienen a dichas partículas unidas unas a otras, aunque no de manera rígida, ya que se pueden desplazar entremezclándose. ■ La presión en los líquidos es debida simplemente al propio peso de las partículas amontonadas. Propiedades de los líquidos

No poseen forma propia (adoptan la del recipiente que los contiene)

Poseen volumen propio

No se pueden comprimir ni expandir

Poseen densidades mucho mayores que los gases pero menores, en general, que las de los sólidos

Explicación según la Teoría Cinético - Molecular Esto es debido a que, aunque las partículas de los líquidos están siempre juntas unas a otras, amontonadas, sin embargo, están en continuo movimiento, entremezclándose, es decir, desplazándose unas alrededor de las otras. Por eso tienen la capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que los contiene. Es debido a que las partículas del líquido se mantienen en todo momento juntas y amontonadas, de modo que el volumen que ocupan todas juntas coincide con el volumen total del líquido. Como las partículas están todas juntas unas a otras, no se puedan aproximar (comprimir) más de lo que ya están. Tampoco se puedan separar (expandir) porque están unidas unas a otras por fuerzas de cohesión considerables. Como la densidad mide la cantidad de materia que hay por unidad de volumen y en los líquidos hay muchas partículas (materia) ocupando el espacio, puesto que se hallan todas juntas unas a otras, su densidad es muy alta comparada con la de los gases. Sin embargo, no están tan bien empaquetadas como en el caso de los sólidos y por eso su densidad suele ser, en general, algo menor.

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Son penetrables pero con mucha más dificultad que en el caso de los gases

Se dilatan y contraen mucho menos que los gases por acción del calor o del frío

Ejercen una presión que aumenta con la profundidad

Esto es debido a que las partículas del líquido pueden fluir y desplazarse hacia otro lugar. De modo que es posible penetrar en los líquidos pero costará mucho más que en el caso de los gases, ya que ahora hay que desplazar muchísimas más partículas entre las que además existe una fuerza de cohesión. Al aumentar la temperatura las partículas se moverán más rápidamente, esto provocará una mayor agitación de las mismas, lo que generará un ligero aumento de volumen. No será muy grande porque lo contrarrestan las fuerzas de cohesión que tratan en todo momento de mantener unidas las partículas. La explicación para la contracción es similar pero al contrario. La presión en los líquidos es debida al propio peso de las partículas amontonadas. Por eso a mayor profundidad hay más presión, porque hay más partículas encima cuyo peso hay que soportar.

Actividad 8.- Dar una explicación a los siguientes fenómenos utilizando la Teoría Cinético - Molecular: a) Cuando dejamos caer una gota de una solución antiséptica de yodo, para desinfectar heridas, en agua muy fría observamos que ésta se difunde muy lentamente; pero si el agua está muy caliente, se colorea con rapidez, ¿cómo se explica este hecho? b) Un suelo recién fregado se seca más rápidamente si abrimos la ventana y hacemos corriente de aire. c) La ropa se seca más rápidamente en verano que en invierno.

5.3.- MODELO CINÉTICO MOLECULAR PARA LOS SÓLIDOS Esta teoría considera que: ■ Los sólidos están formados por partículas extremadamente pequeñas -10 (diámetro del orden de 10 m, lo que se ha puesto de manifiesto a través del microscopio de efecto túnel, que permite ver los átomos de la superficie de ciertos sólidos, como se aprecia en la imagen de la derecha). ■ Entre las partículas de los sólidos se establecen fuerzas intensas de atracción (cohesión) que les obligan a estar siempre juntas unas a otras, impidiéndoles el movimiento de traslación, y obligándoles a estar ordenadas, formando una red tridimensional rígida. Por eso el volumen que ocupa todo el sólido coincide con el volumen que ocupan sus partículas. ■ Las partículas de los sólidos no están quietas sino que se hallan en continuo movimiento, vibrando alrededor de su posición de equilibrio. ■ La velocidad media de vibración que tienen las partículas del sólido depende de la temperatura. A más temperatura más velocidad media y viceversa. De modo que la temperatura es una medida del grado medio de agitación de las partículas. Si aumenta la temperatura del sólido de forma progresiva, llega un momento en que la agitación es suficientemente grande para vencer las fuerzas de atracción entre las partículas, se empieza a perder la disposición tridimensional ordenada y el sólido comienza a transformarse en líquido, se produce la fusión. ■ La presión en los sólidos es debida simplemente al peso que transmiten sobre la base de apoyo.

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Propiedades de los sólidos

Poseen forma propia

Poseen volumen propio

No se pueden comprimir ni expandir

Poseen densidades altas

No son penetrables

Son los que presentan menor dilatación y contracción

Ejercen presión exclusivamente sobre la base de apoyo

Explicación según la Teoría Cinético - Molecular Es debido a que entre las partículas de los sólidos se establecen fuerzas intensas de atracción (cohesión) que les obligan a estar siempre juntas unas a otras, impidiendo el movimiento de traslación de las partículas, de modo que se encuentran ordenadas, formando una red tridimensional rígida. Entre las partículas de los sólidos se establecen fuerzas intensas de cohesión, que les obligan a estar siempre juntas unas a otras, ordenadas, formando una red tridimensional rígida. Por eso el volumen que ocupa todo el sólido coincide con el volumen que ocupan sus partículas. Como las partículas están todas juntas unas a otras, formando una red tridimensional, no se puedan aproximar (comprimir) más de lo que ya están. Tampoco se puedan separar (expandir) porque están unidas unas a otras por fuerzas de cohesión muy intensas. Es debido a que la densidad mide la cantidad de materia que hay por unidad de volumen. En los sólidos hay muchas partículas (mucha materia) ocupando el espacio, porque se encuentran juntas unas a otras formando una red tridimensional. Por eso la densidad de los sólidos es muy alta comparada con la de los gases y, en general, suele ser un poco más alta que la de los líquidos, porque sus partículas están empaquetadas dejando menos huecos. Los sólidos no son penetrables porque sus partículas están unidas mediante fuerzas muy intensas formando una red tridimensional, de modo que resulta imposible desplazarlas hacia otro lugar, para poder penetrar, sin romper el sólido. Al aumentar la temperatura las partículas del sólido vibran más rápidamente y con mayor amplitud, provocando una mayor agitación que genera un ligero aumento de volumen. No será muy grande porque las fuerzas de cohesión entre las partículas son muy intensas y contrarrestan el efecto, más incluso que en el caso de los líquidos. La explicación para la contracción es similar pero al contrario. La presión en los sólidos es debida simplemente al peso que ejercen sobre la base de apoyo. (Por cierto, cuanto más pequeña es la superficie de la base mayor es la presión, por eso nos duele más cuando nos pisan con un zapato de tacón fino que con uno normal)

Actividad 9.- Explicar mediante la Teoría Cinético - Molecular, ¿por qué el hormigón es tan útil para la construcción de los pilares de los edificios? ¿Qué propiedad es la que resulta de interés en este caso?

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5.4.- LOS CAMBIOS DE ESTADO Y LA TEORÍA CINÉTICO-MOLECULAR Cambios de estado progresivos. Según la Teoría Cinético - Molecular, cuando calentamos de forma paulatina un sólido las partículas que lo forman comienzan a vibrar más agitadamente hasta que llega un momento en el que se empieza a desmoronar su estructura rígida ordenada tridimensional. La vibración es suficientemente intensa como para vencer las fuerzas de cohesión que las mantienen unidas en posiciones fijas. El sólido comienza a fundirse, se inicia el cambio de estado de fusión. A medida que seguimos suministrando calor la estructura completa se acaba desmoronando, el sólido se va convirtiendo en líquido. Ahora las partículas permanecen juntas, pero un poco más separadas que en el estado sólido y con la capacidad de entremezclarse y trasladarse de una posición a otra. Si seguimos suministrando calor, el nivel de agitación de las partículas sigue creciendo y acaba llegando un momento en el que algunas partículas empiezan a tener energía suficiente para vencer las fuerzas de cohesión que las mantienen unidas y escapar del conjunto, comenzando a moverse libremente sin ataduras por todo el espacio libre que encuentran disponible. El líquido empieza a evaporarse, aparecen las primeras partículas de gas. Cuando se alcanza la temperatura de ebullición, hay partículas por todo el seno del líquido con energía suficiente para vencer a las fuerzas de cohesión y escaparse del conjunto líquido, comienza el cambio de estado de ebullición. Finalmente, todo el líquido se habrá evaporado y sólo habrá partículas moviéndose libremente sin ataduras, la sustancia está en estado gaseoso. Cambios de estado regresivos. A partir de este momento si comenzamos a enfriar el gas, es decir a realizar el proceso inverso, la velocidad media de sus partículas comienza a disminuir paulatinamente, hasta que llega un momento en el que, cuando se acercan dos partículas la fuerza de cohesión que se establece entre ellas es lo suficientemente intensa como para mantenerlas unidas. Así se van formando agregados de partículas cada vez más grandes, son gotas de líquido. Es el cambio de estado de condensación. Si seguimos enfriando la velocidad media de agitación sigue disminuyendo, hasta que acaba llegando un momento en el que las fuerzas de cohesión vencen a la agitación y las partículas comienzan a ordenarse de forma paulatina, formando una red tridimensional. Es el cambio de estado de solidificación. Mientras se producen los cambios de estado la temperatura se mantiene constante, debido a que el calor que recibe o pierde el cuerpo mientras está cambiando de estado, no se emplea en aumentar o disminuir su temperatura, sino que se emplea en romper o formar las uniones (fuerzas de cohesión) entre las partículas que componen el cuerpo.

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6.- LEYES DE LOS GASES En los gases es más fácil medir la presión, temperatura y volumen que poseen, que su propia masa. Por eso, para describir el comportamiento de los gases, se utilizan las magnitudes: presión, volumen y temperatura. En cursos posteriores se incluirá también la magnitud cantidad de sustancia como factor a tener en cuenta. Combinándolas de dos en dos se obtienen las leyes de los gases, que permiten relacionar entre sí la presión, el volumen y la temperatura de un gas. Observación importante. En estas leyes el volumen puede expresarse en cualquiera de sus 3 3 unidades (L, m , cm ó ml, etc.), aunque lo más frecuente suele ser expresarlo en litros (L); análogamente la presión puede expresarse en cualquiera de sus unidades (atm, mmHg, Pa, bar, mbar, etc., en cursos posteriores se estudiarán con detalle todas las unidades de presión), aunque lo más habitual suele ser expresarlo en atmósferas (atm); pero la temperatura obligatoriamente debe expresarse en (grados) Kelvin. La fórmula siguiente nos permite pasar de grados centígrados a Kelvin. T(K) = T(ºC) + 273

6.1.- LEY DE BOYLE Y MARIOTTE. Actividad experimental. Para entender cómo llegaron a deducir esta ley los científicos Boyle (inglés) y Mariotte (francés), conviene realizar primero la actividad práctica de laboratorio que se describe en la página 44. Para deducir las leyes de Charles y Gay - Lussac (franceses) también conviene realizar primero las prácticas de las páginas 45 y 46. Relaciona el volumen y la presión de un gas cuando se mantiene la temperatura constante. El enunciado de esta ley dice lo siguiente: "El volumen que ocupa un gas es inversamente proporcional a su presión cuando se mantiene la temperatura constante". Matemáticamente se expresa de la siguiente forma:

→

que se usa en la forma

El enunciado de esta ley significa que: si la presión aumenta el volumen disminuye de forma inversamente proporcional y viceversa, de modo que el producto de ambas magnitudes se mantiene constante. Por ejemplo: si inicialmente tenemos un gas encerrado dentro de un cilindro metálico con un émbolo móvil, sometido a una presión P1 = 1 atm y ocupando un volumen V1 = 4 L, y comprimimos el gas empujando con el émbolo hasta aumentar su presión a P2 = 2 atm, entonces su volumen disminuye hasta el valor V2 = 2 L. De modo que en todo momento se cumple que, el producto de la presión por el volumen se mantiene constante, P1·V1 = P2·V2, es decir, 1 · 4 = 2 · 2.

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6.2.- LEY DE CHARLES. Relaciona el volumen y la temperatura, cuando se mantiene la presión constante. El enunciado de esta ley dice lo siguiente: "El volumen que ocupa un gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta (Kelvin) cuando se mantiene la presión constante". Matemáticamente se expresa de la siguiente forma:

→

que se usa en la forma

Si la temperatura Kelvin aumenta el volumen aumenta proporcionalmente y viceversa, de modo que el cociente de ambas magnitudes se mantiene constante. Por ejemplo: si inicialmente tenemos un gas encerrado dentro de un cilindro metálico, con un émbolo móvil que puede moverse libremente para igualar la presión interior con la exterior o atmosférica en todo momento, sometido a una temperatura T1 = 200 K y ocupando un volumen V1 = 40 mL, y calentamos el gas hasta aumentar su temperatura a T2 = 400 k, entonces el émbolo es empujado por el gas hacia afuera y su volumen aumenta hasta el valor V2 = 80 mL. De modo que en todo momento se cumple que, el cociente entre el volumen y la temperatura se mantiene constante, V1/ T1 = V2/ T2, es decir, 40 / 200 = 80 / 400.

6.3.- LEY DE GAY-LUSSAC. Relaciona la presión y la temperatura cuando se mantiene el volumen constante. El enunciado de esta ley dice lo siguiente: "La presión de un gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta (Kelvin) cuando se mantiene el volumen constante". Matemáticamente se expresa de la siguiente forma:

→

que se usa en la forma

Si la temperatura Kelvin aumenta la presión aumenta proporcionalmente y viceversa, de modo que el cociente de ambas magnitudes se mantiene constante. Por ejemplo: si inicialmente tenemos un gas encerrado dentro de un recipiente metálico de paredes rígidas e inamovibles, sometido a una temperatura T1 = 300 K y se halla a un presión P1 = 3 atm, y calentamos el gas hasta aumentar su temperatura a T2 = 600 K, entonces su presión aumenta hasta el valor P2 = 6 atm. De modo que en todo momento se cumple que, el cociente entre la presión y la temperatura se mantiene constante, P1/ T1 = P2/ T2, es decir, 3 / 300 = 6 / 600. Estas tres leyes se pueden resumir en una única ley, la ecuación general de los gases, que se utilizará en cursos posteriores:

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ACTIVIDAD EXPERIMENTAL. DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DE UN LÍQUIDO. OBJETIVO. Determinar la densidad de un líquido (elegir entre alcohol, aceite, agua, leche o tetracloruro de carbono). MATERIAL UTILIZADO. Probeta, pipeta, dosificador, balanza electrónica, embudo y líquido elegido. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. Se coloca la probeta de 100 mL limpia y seca sobre la balanza, que ha sido encendida previamente para estabilizarse. Se pulsa el botón "Tara" para descontar la masa de la probeta de aquí en adelante en todas las medidas de masa que se van a realizar. Haciendo uso del embudo para verter y de la pipeta para enrasar 3 se introducen con cuidado 20 cm de líquido en la probeta, después se mide la masa con la balanza electrónica. Se anota el resultado en la tabla del apartado siguiente. Se repite la misma operación anterior pero modificando el 3 volumen en cada caso para ajustarlo a los siguientes valores: 40 cm , 3 3 3 60 cm , 80 cm y 100 cm . Se anotan el volumen y la masa obtenida en cada caso en la tabla del apartado siguiente. RESULTADOS / DATOS OBTENIDOS. Construye la tabla de valores. Masa (g)

Realiza la representación gráfica.

Volumen 3 (cm )

CONCLUSION. A partir de la gráfica, ¿qué tipo de relación existe entre la masa y el volumen? Y por tanto, ¿qué fórmula matemática relaciona la masa con el volumen? (Puede obtenerse operando manualmente o con Excel) ¿Qué ley o regularidad universal se obtiene? ¿Qué importancia tiene el hecho de que la densidad sea una constante?

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ACTIVIDAD EXPERIMENTAL. DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DE VARIOS SÓLIDOS. OBJETIVO. Determinar la densidad de varios cuerpos sólidos, algunos de ellos con geometría regular. MATERIAL UTILIZADO. Varios cuerpos sólidos, algunos con geometría regular, probeta, agua, balanza electrónica, regla graduada y calibre o pie de rey. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. a) Determinación de la densidad por el método geométrico. Consiste en medir con la balanza la masa del sólido y con la regla graduada o con el calibre sus dimensiones (si tiene una forma geométrica regular). Si se trata de un paralelepípedo, el volumen corresponde al producto: V = a · b · c. Donde a, b, c corresponden a sus tres dimensiones. Si el 2 3 objeto es cilíndrico V = ·r · h, siendo r el radio y h la altura o V = 4/3··r si el objeto es esférico. Con los datos obtenidos se calcula la densidad. b) Determinación de la densidad por el método de la probeta. El sólido se sumerge con cuidado y completamente en una probeta que contiene un volumen exacto de agua (Vo ). Luego se lee cuidadosamente el volumen final (Vf ). El volumen del sólido corresponde a la diferencia: V = V = Vf - Vo. Con los datos obtenidos se determina la densidad. RESULTADOS / DATOS OBTENIDOS. a) Tabla de valores para la determinación de la densidad por el método geométrico.

cilindro Sólido

m (g)

r (cm)

h (cm)

Dimensiones paralelepípedo a (cm)

b (cm)

3

c (cm)

V (cm )

Densidad 3 (g/cm )

b) Tabla de valores para la determinación de la densidad por el método de la probeta. Sólido

3

Vo(cm )

3

Vf (cm )

3

V = V (cm )

Densidad 3 (g/cm )

CONCLUSIONES.

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ACTIVIDAD EXPERIMENTAL. DEMOSTRACIÓN PRÁCTICA DE LA LEY DE BOYLE - MARIOTTE. OBJETIVO. Obtener experimentalmente la ley de Boyle - Mariotte cuyo enunciado dice que: "El volumen que ocupa un gas es inversamente proporcional a su presión cuando se mantiene la temperatura constante". MATERIAL UTILIZADO. Simulador de la ley de Boyle de la página web: http://www.educaplus.org/gases/lab_boyle.html PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. El simulador de la ley de Boyle consta de un cilindro en cuyo interior hay un gas que se puede comprimir mediante un émbolo móvil manteniendo la temperatura constante. Se realizarán en torno a 12 compresiones diferentes y se anotarán los valores obtenidos de presión (mmHg) y volumen (mL) en la tabla del apartado siguiente. RESULTADOS / DATOS OBTENIDOS. Construye la tabla de valores. Volumen Presión (mL) (mmHg)

Realiza la representación gráfica.

P·V

CONCLUSION. A partir de la gráfica, ¿qué tipo de relación existe entre la presión y el volumen? ¿Cómo son entre sí todos los productos P · V obtenidos en la tabla de valores anterior? Y por tanto, ¿qué fórmula matemática relaciona la presión con el volumen?

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ACTIVIDAD EXPERIMENTAL. DEMOSTRACIÓN PRÁCTICA DE LA LEY DE CHARLES. OBJETIVO. Obtener experimentalmente la ley de Charles cuyo enunciado dice que: "El volumen que ocupa un gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta (Kelvin) cuando se mantiene la presión constante". MATERIAL UTILIZADO. Simulador de la ley de Charles de la página web:

http://www.educaplus.org/gases/lab_charles.html PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. El simulador de la ley de Charles consta de un cilindro en cuyo interior hay un gas que se dilata o contrae cuando lo calentamos o enfriamos, de modo que su volumen aumenta o disminuye a presión constante, gracias a que dispone de un émbolo móvil que permite igualar en todo momento la presión exterior y la interior. Se realizarán un mínimo de 6 medidas diferentes y se anotarán los valores obtenidos de temperatura (K) y 3 volumen (cm ) en la tabla del apartado siguiente. RESULTADOS / DATOS OBTENIDOS. Construye la tabla de valores. T (K)

V 3 (cm )

Realiza la representación gráfica.

V/T

CONCLUSION. A partir de la gráfica, ¿qué tipo de relación existe entre el volumen y la temperatura? ¿Cómo son entre sí todos los cocientes V/T obtenidos en la tabla de valores anterior? Y por tanto, ¿qué fórmula matemática relaciona el volumen con la temperatura?

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ACTIVIDAD EXPERIMENTAL. DEMOSTRACIÓN PRÁCTICA DE LA LEY DE GAY- LUSSAC. OBJETIVO. Obtener experimentalmente la ley de Gay - Lussac cuyo enunciado dice que: "La presión de un gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta (Kelvin) cuando se mantiene el volumen constante". MATERIAL UTILIZADO. Simulador java PhET de la leyes de los gases de la universidad de Colorado. Descarga de la aplicación:

https://phet.colorado.edu/ es/simulation/gasproperties PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. El simulador PhET, será configurado con el parámetro Volumen constante. Introduciremos en el interior de la cámara 150 partículas de gas ligero y procederemos a enfriarlo hasta una temperatura de 100 K, anotaremos la presión. Luego iremos subiendo la temperatura paso a paso, de 100 K en 100 K, hasta alcanzar un valor máximo de 1.000 K. Se realizarán 10 medidas diferentes y se anotarán los valores obtenidos de temperatura (K) y presión (atm) en la tabla del apartado siguiente. RESULTADOS / DATOS OBTENIDOS. Construye la tabla de valores. T (K)

P (atm)

Realiza la representación gráfica.

P/T

CONCLUSION. A partir de la gráfica, ¿qué tipo de relación existe entre la presión y la temperatura? ¿Cómo son entre sí todos los cocientes P/T obtenidos en la tabla de valores anterior? Y por tanto, ¿qué fórmula matemática relaciona la presión con la temperatura?

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EJERCICIOS 1.- Hacer un esquema y un resumen del tema. 2.- Realiza un pequeño vocabulario con las palabras y términos técnicos de este tema cuyo significado haya sido nuevo para ti. 3.- Contestar razonadamente. ¿Cuál es verdaderamente el proceso inverso a la ebullición? ¿La licuación o la condensación? 4.- Calcular la densidad de los tres cuerpos materiales de la figura utilizando los datos adjuntos.

5.- Explicar de forma razonada, ¿por qué aumenta la presión en el interior del globo y se hincha al calentar el agua que hay en el interior del frasco o matraz erlenmeyer?

6.- Se tienen cuatro sustancias A, B, C, D y E con las siguientes características: 3

Sustancia

Densidad (g/cm )

Tª de fusión (ºC)

Tª de ebullición (ºC)

A

0,79

-117

78,5

B

0,002

-78

-57

C

1,54

150

------

D

1,049

17

118

E

0,9

8

118

a) Indicar el estado físico de cada una de ellas a temperatura ambiente, 20 °C. b) Indicar el estado físico de cada una de ellas a 100 °C. c) Las sustancias D y E tienen la misma temperatura de ebullición, ¿se trata de la misma sustancia? d) ¿Por qué crees que no hay valor para la temperatura de ebullición de la sustancia C? 7.- Para comprobar si un lingote es de oro puro, se ha calculado de forma exacta el volumen de agua que desplaza al sumergirlo en un recipiente de precisión graduado, obteniéndose un valor de 3 420 cm . Posteriormente, al medir su masa con una balanza se ha obtenido un valor de 8.106 g. 3 Sabiendo que la densidad del oro es de 19,3 g/cm , ¿es de oro en realidad el lingote? 3

8.- La densidad de un determinado aceite de oliva es de 0,8 g/cm . 3

a) Expresar el resultado en unidades del S.I. (kg/m ). b) Calcular la masa de aceite, en kg, que hay en una garrafa de 5 litros. 3 c) Calcular el volumen, en cm , que ocupan 2 kg de aceite. d) ¿Es cierto que 1 litro de aceite ocupa menos en la botella que tirado por completo al suelo?

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3

3

9.- La densidad de un determinado aceite de oliva es de 0,8 g/cm y la del agua 1 g/cm . ¿Cuál ocupa más volumen, 10 g de aceite o 10 g de agua? 10.- Explicar utilizando la Teoría Cinético - Molecular por qué la presión de los neumáticos de un coche aumenta en verano después de circular durante 1 hora por una autopista. 11.- Explicar utilizando la Teoría Cinético - Molecular por qué después de rociar en una esquina de una habitación con un spray ambientador, tarde o temprano, el olor acaba por llegar a todos los puntos de la habitación. 12.- Explicar utilizando la Teoría Cinético - Molecular por qué se utiliza un líquido en el circuito de los frenos de un automóvil y no se utiliza aire que es mucho más barato.

13.- Completar la siguiente tabla sabiendo que se han tomado los datos de un gas encerrado en un recipiente a volumen constante. ¿A qué ley física responden estos datos? P (atm)

2

T(ºC)

27

T (K)

327 900

14.- La gráfica de la figura corresponde a la curva de calentamiento de una sustancia pura:

a) ¿Qué cambios de estado tienen lugar? ¿Qué nombre reciben estos cambios de estado? b) ¿Cuál es la temperatura de ebullición de esta sustancia? c) ¿Por qué se mantiene constante la temperatura durante cada uno de los cambios de estado? d) ¿Es lo mismo ebullición que evaporación? e) ¿A qué temperatura pasa de sólido a líquido? e) Indica el estado de agregación de la sustancia a: -10ºC, 15 ºC, 30ºC y 120ºC.

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15.- Completar la siguiente tabla sabiendo que se han tomado los datos de un gas encerrado en un recipiente a presión constante. ¿A qué ley física responden estos datos? V (mL)

5

T (ºC)

-73

127

T(K)

600

16.- Completar la siguiente tabla sabiendo que se han tomado los datos de un gas encerrado en un recipiente a temperatura constante. ¿A qué ley física responden estos datos?

P (atm)

12

V(mL)

20

6

80

3

3

17.- La densidad del agua es de 1.000 Kg/m . Calcula su valor en g/cm y en kg/litro. 18.- Sabiendo que a temperatura ambiente la densidad del aire vale 1,29 g/l, calcular la masa de aire encerrada en un laboratorio de 10 m de largo, 6 m de ancho y 3 m de alto. 19.-¿Por qué acaba desapareciendo el agua contenida en un vaso después de varios días, si en realidad la temperatura ambiente no alcanza la de ebullición? 20.- Explicar por qué los globos que se venden en las ferias, cuando se escapan explotan al llegar a cierta altura. 21.- Un gas ocupa un volumen de 10 L cuando la presión es de 3 atmósferas. ¿Cuál será el volumen que ocupará si la presión se aumenta a 6 atmósferas manteniendo la temperatura constante? ¿A qué ley física responden estos datos? 22.- Un recipiente de 3 L contiene un gas a 27 ºC. ¿Qué volumen ocupará este gas a 627 ºC si se mantiene constante la presión ? ¿A qué ley física responden estos datos? 23.- Un cilindro metálico contiene un gas a -23 ºC y una presión de 5 atmósferas. ¿Qué presión alcanzará el gas si se eleva su temperatura hasta 227 ºC manteniendo constante el volumen? ¿A qué ley física responden estos datos? 24.- Explicar de forma razonada qué trozo de cobre será más denso, uno de 15 g u otro de 150 g. 25.- Dos esferas tiene el mismo volumen: una es de hierro y la otra es de aluminio. Si el hierro es más denso, ¿qué esfera tendrá más masa? 26.- Explicar cómo varía la presión de cierta cantidad de gas encerrado en un recipiente de volumen constante cuando lo enfriamos. Utilizar la teoría cinético-molecular para llegar a una conclusión. 27.- Explicar en qué consiste el cero absoluto. ¿Cómo están las moléculas a esta temperatura?

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