tema 2 materia y propiedades

I. E. S. Gamonares (Lopera –Jaén)
Departamento de Ciencias Naturales
TEMA 2. La materia y sus estados de agregación
Tras haber aprendido un poco de cómo trabajan los científicos así como algunas herramientas, tanto matemáticas como
instrumentales, que necesitaremos durante todo el curso, en esta ocasión vamos a estudiar la materia y sus estados de
agregación, es decir, cómo te la puedes encontrar en la naturaleza. Antes de nada, contesta a las siguientes preguntas, para ver
cuáles son tus conocimientos previos del tema:
1.
¿Cuántos estados de agregación existen?
2.
¿Cómo te imaginas que están las partículas en el sólido, en el líquido y en el gas?
3.
¿Qué es un plasma?
4.
Cuando un cubito de hielo se derrite se está produciendo un cambio de estado, ¿cómo se llama? ¿Se te ocurre otro
ejemplo de cambio de estado en tu vida cotidiana?
1.
LA MATERIA Y SUS PROPIEDADES.
Definir qué es la materia es algo difícil. En la wikipedia podemos encontrar la siguiente definición: “es todo aquello que tiene
localización espacial, posee una cierta cantidad de energía, y está sujeto a cambios de tiempo y a interacciones con aparatos
de medida” Una definición más sencilla que se puede dar es “materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el
espacio”. La Química es la ciencia que estudia su naturaleza, composición y transformación. Si la materia tiene masa y ocupa
un lugar en el espacio quiere decir que es cuantificable, es decir, que se puede medir.
Todo cuanto puedes imaginar está hecho de materia: tu cuerpo, el aire que respiras, el agua, la mesa, el libro, la silla, los
planetas, el Universo, etc. Como puedes observar hay diferentes tipos de materia, la cual además puedes estar constituida por
uno, dos o más sustancias diferentes. Por ejemplo, la sal de mesa sólo está formado por cloruro de sodio (NaCl), es decir,
sólo un tipo de sustancia. Sin embargo, la Coca Cola está formado por agua, azúcar, colorantes, dióxido de carbono
(burbujas), etc, o sea, está formado por varias sustancias diferentes.
¿Qué es un sistema material? Es la porción del Universo que has seleccionado para estudiar. Si además tiene una forma
determinada se llama cuerpo. Así, el agua contenida en un vaso o el aire de la habitación son sistemas materiales, mientras
que una roca o un planeta son sistemas materiales o cuerpos.
1.1. Propiedades de las sustancias puras
Las sustancias puras tienen propiedades, es decir, características que las definen y estas pueden ser:
a)
b)
Propiedades generales: comunes a todas las sustancias, independiente del estado de agregación en el que se
presenten, por lo que no distingue la sustancia. Por ejemplo: la masa, el volumen, la temperatura…
Propiedades específicas: características de cada una de las sustancias, por lo que sirven para identificarlas. Por
ejemplo: la temperatura de ebullición, la densidad, el color, ….
Fíjate en estas dos botellas. Ambas su volumen es de un litro, por lo que con
esta propiedad no puedo decir cuál es de agua y cuál de aceite. Es una
propiedad general. Sin embargo, si te digo que la densidad de la botella de la
izquierda es de 1 g/cm3 y la de la derecha es de 0,92 g/cm3, ya sí puedes saber
que la primera es de agua y la segunda de aceite. Es una propiedad específica.
Las propiedades también se pueden clasificar en:
a) Propiedades intensivas: son aquellas que NO dependen de la cantidad de materia que tienes. Por ejemplo, la
densidad o la temperatura.
b) Propiedades extensivas: son aquellas que SÍ dependen de la cantidad de materia que tienes. Por ejemplo, la masa o
el volumen.
Veamos a continuación algunas de estas propiedades más detalladamente:
1
A) MASA:
Es una propiedad general y extensiva de la materia y se define como la cantidad de materia que contiene un cuerpo y en
el SI como ya hemos estudiado se mide en kilogramos (kg).
En los laboratorios se mide con las balanzas, pudiéndonos encontrar dos tipos de ellas: la balanza de platillos, en el que la
masa del cuerpo se mide por comparación con otras masas que se presentan como pesas de distintas cantidades; y la balanza
digital, que es un instrumento electrónico que es muy sencilla de usar poniendo directamente lo que quieras encima suya.
ATENCIÓN MEDIDA DE SEGURIDAD EN EL LABORATORIO: siempre debes usar un papel o un vidrio
de reloj para utilizarla, nunca poner directamente la sustancia sobre la balanza
EN EL LABORATORIO DEL INSTITUTO TENEMOS LA BALANZA GRANATARIA:
Balanza granataria
Es un tipo de balanza muy sensible, esto quiere decir que pesa
cantidades muy pequeñas.
Suelen tener capacidades de 2 ó 2,5 kg y medir con una
precisión de hasta 0,1 ó 0,01 g.
El uso de la balanza granataria es realmente sencillo, puesto que solo debemos tomar el objeto a medir su masa y colocarlo
en el platillo con el que cuenta, viendo inmediatamente que el brazo se desequilibra. Para volverlo a equilibrar y, por tanto,
saber la masa del objeto, debes ir moviendo de mayor a menor los pesos que tiene en cada una de las partes del brazo.
Cuando este esté equilibrado correctamente observa dónde se han quedado cada uno de los pesos y sabrás la masa de tu
objeto.
La cantidad de materia de una sustancia es independiente del estado de agregación en el que se encuentre, es decir, da
igual que se encuentre en estado sólido, líquido o gaseoso, ni del grado de división o forma del sistema, o sea, que da lo
mismo un filete entero que picado o agua en un vaso o en un florero, la masa siempre es la misma. Cuando en un sistema no
varía su masa se dice que es un sistema cerrado.
¿Sabías qué…?
Comúnmente decimos que “mi peso es de 60 kg”. Sin embargo, son dos conceptos científicos bien distintos.
La masa, es la cantidad de materia que tiene un objeto, por ejemplo tú, y se mide en kg.
El peso es la fuerza con que la Tierra atrae a los objetos y se mide en Newtons (N). Cuanta masa tiene un cuerpo con más fuerza es
atraído. También depende de la gravedad del planeta que en la Tierra es, aproximadamente, 9,8 m/s 2.
PESO = MASA x GRAVEDAD
p=m.g
Ejemplo: Si tu masa es de 55 Kg, tu peso es de unos 539 N
B) VOLUMEN:
Es una propiedad general y extensiva de la materia y se define como el espacio que ocupa un cuerpo y en el SI como ya
hemos estudiado se mide en metros cúbicos (m3). Es muy importante señalar que el volumen depende de la presión y la
temperatura del sistema, dependencia que como estudiaremos más adelante es más crucial en el caso de los gases y
prácticamente inapreciable en sólidos y líquidos.
Su medida experimental en los laboratorios depende del estado de agregación en el que se encuentre, teniendo:
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B.1. LÍQUIDOS:
Se utilizan diferentes instrumentos volumétricos, de acuerdo con la cantidad de líquido a medir, así como la precisión que
necesitas en tu medida, como estudiaste en el tema anterior. Si recuerdas, los más precisos que vimos fueron la probeta y la
pipeta.
Cuando hagas la medida de volumen debes tener cuidado con el llamado error de paralaje que ya estudiaste en el Tema 1.
a) Pipeta: Las pipetas permiten la transferencia de un volumen generalmente no mayor a 20 ml de un recipiente a otro de
forma exacta. Este permite medir alícuotas de líquido con bastante precisión. Suelen ser de vidrio. Está formado por un tubo
transparente que termina en una de sus puntas de forma cónica, y tiene una graduación (una serie de marcas grabadas)
indicando distintos volúmenes. Es muy precisa para medir volúmenes pequeños de líquidos.
1.
Formas y características
Pipeta Graduada
Están calibradas en unidades convenientes para permitir la transferencia de cualquier
volumen desde 0.1 a 25 ml. Hacen posible la entrega de volúmenes fraccionados

2. Manejo de la pipeta
El líquido se aspira mediante un ligero vacío usando un pipeteador, nunca la boca.
Asegurarse que no haya burbujas ni espuma en el líquido.
Limpiar la punta de la pipeta antes de trasladar líquido
Llenar la pipeta sobre la marca de graduación y trasladar el volumen deseado. El borde del menisco debe quedar
sobre la marca de graduación.



b) Probeta: Tubo de cristal alargado y graduado, cerrado por un extremo, usado como recipiente
de líquidos, el cual tiene como finalidad medir el volumen de los mismos.





1. Formas y características
Está formado por un tubo transparente de unos centímetros de diámetro, y tiene una
graduación desde 0 ml indicando distintos volúmenes.
En la parte inferior está cerrado y posee una base que sirve de apoyo, mientras que la
superior está abierta y suele tener un pico.
Generalmente mide volúmenes de 25 ó 50 ml, pero existen probetas de distintos
tamaños; incluso algunas que pueden medir un volumen hasta de 2000 ml.
Puede estar hecho de vidrio o de plástico.
2. Usos
La probeta es un instrumento volumétrico, que permite medir volúmenes superiores y más rápidamente que las
pipetas, aunque con menor precisión.
B.2. SÓLIDOS:
a) Si el sólido es regular en su forma, midiendo sus
dimensiones (longitud del lado, altura, radio…) con
una cinta métrica o un pie de rey y aplicando después
la ecuación matemática, podremos obtener su
volumen.
b) Si el sólido es regular o irregular se puede utilizar el método de inmersión. Para ello se toma
una probeta del laboratorio y se añade un determinado volumen inicial V0 de cualquier líquido
en el que el sólido no sea soluble –normalmente agua- A continuación, se introduce el sólido y
se anota el volumen final del líquido V f. El Volumen del sólido será la diferencia entre ambos
datos.
3
B.3. GASES:
En este caso, se utiliza un
revés inmerso en un líquido
Por dicho tubo se insufla el
el líquido se desplazará un
recipiente con un tubo al
que normalmente es agua.
gas a medir, de forma que
volumen igual a este.
C) DENSIDAD:
Se trata de una propiedad específica e intensiva de la materia, por lo que cada sustancia pura en unas condiciones dadas
tiene su valor propio. No hay dos sustancias puras que en las mismas condiciones posean el mismo valor de la densidad, por
lo que este nos sirve para identificarlas.
Mide la relación entre la masa y el volumen que ocupa de una determinada sustancia pura. Es importante que te des cuenta
que hablamos de sustancias puras y no de mezclas, porque aunque estas también tengan densidad esta no es una propiedad
específica de la misma, ya que depende de la composición de la mezcla. Para calcular la densidad utilizaremos la fórmula:
d
m
 kg3
V
m

Cuando en una fórmula veas  quiere
decir que después vienen las unidades en
que se mide esa magnitud.
Así, la densidad de una sustancia no depende de la cantidad de materia que se escoja, aunque sí de otros factores
como la temperatura y el estado físico. Puede ocurrir que nos encontremos con dos sustancias cuyas densidades sean muy
parecidas, y que al determinar experimentalmente nos den el mismo valor. El valor de una sola propiedad no puede hacernos
decir que dos sistemas son de la misma sustancia. De ahí que sea necesario el estudio de más propiedades características. Sin
embargo, cuando el valor de una propiedad es diferente, sí podemos afirmar que corresponde a sustancias distintas.
En la siguiente tabla tienes valores de densidades de diferentes sustancias en el sistema cegesimal (g/cm3):
http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/propiedade
s/densidad.htm
¿Flota o se hunde?
El concepto de densidad nos ayuda a responder a esta pregunta.
Si tenemos un líquido y echamos un sólido en él:
 Se hundirá si la densidad del sólido es mayor que la del líquido.
 Flotará si la densidad del sólido es inferior a la del líquido.
Ejemplo:
Una bola de hierro (dFe= 7,8 g/cm3) se hundirá en agua (dH2O = 1,0 g/cm3),
pero flotará en mercurio (dHg= 13,6 g/cm3)
Si mezclamos dos líquidos el menos denso flotará sobre el más denso.
Ejemplos:
 El aceite de oliva (dAceite= 0,8 g/cm3) flota sobre el agua (dH2O =
1,0 g/cm3)
 El tetracloruro de carbono (dCCl4= 1,6 g/cm3) se hunde en el agua.
 El agua caliente (menos densa) flota sobre el agua fría (más densa).
El éter (amarillo) tiene menos
densidad que el agua (verde)
y ésta menos que el CCl4
(morado)
4
Una bola de hierro flota en
mercurio
Si mezclamos dos gases el menos denso ascenderá y el más denso tenderá a descender.
Ejemplos:
 Los globos aerostáticos ascienden debido a que se llenan con aire caliente (menos
denso).
 Los globos llenos de helio ascienden en el aire ya que el helio tiene una densidad
inferior a la del aire.
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2.
ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA: TEORÍA CINÉTICO-MOLECULAR
En tiempos muy, muy remotos (IV-V a.C.) los filósofos, precursores de los actuales científicos, pensaron cómo estaba
constituida la materia, naciendo dos grandes vertientes:
-
-
Demócrito, en griego Δημόκριτος, (Abdera, Tracia, c. 460 a. C. - c. 370 a. C.) fue un filósofo griego presocrático y
matemático que vivió entre los siglos V-IV a.C. que pensaba que la materia era discontinua, es decir, estaba
formada por partículas entre las que había vacío,
Aristóteles (en griego antiguo ριστοτέλης, Aristotélēs) (384 a. C.-322 a. C.) fue un polímata: filósofo, lógico y
científico de la Antigua Grecia que sin embargo hablaba del “horror al vacío”, es decir, al no poder existir el vacío
la materia tenía que ser continua, no estando constituida, por tanto, por partículas, o lo que es lo mismo, se podía
dividir infinitamente.
El pensamiento Aristotélico perduró, olvidándose las ideas de Demócrito, hasta que en 1808 (¡¡más de 20 siglos después), el
británico John Dalton publicó su modelo atómico el cual establecía que como Demócrito describió “la materia estaría
constituida por unas partículas indivisibles e indestructibles llamadas átomos” Además, estableció que los átomos de un
mismo elemento eran iguales entre sí en masa y propiedades, mientras que los átomos de diferentes elementos eran distintos
entre sí. Los compuestos se formarían por unión de elementos en una relación numérica sencilla.
Para Dalton las partículas no estarían en reposo, es decir, quietas, sino en continuo movimiento, de forma que chocarían entre
ellas y contra todos los objetos, rebotando y ocupando, de esa forma todo el espacio disponible (modelo cinético)
Posteriormente, Rudolf J.E. Clausius desarrolla el modelo cinético de forma matemática y establece que el choque de las
partículas gaseosas se manifiesta en la magnitud conocida como presión.
En 1860, en el primer Congreso internacional de Química un joven químico italiano Stanislao Cannizzaro presentó la obra de
un genial químico que había muerto en 1856: Amadeo Avogadro, el cual postuló que las partículas que constituyen los
gases no son átomos aislados, sino agrupaciones de átomos unidos entre sí llamadas moléculas. Diez años más tarde, en
1870 James Clerk Maxwell y Ludwig Boltzmann explican qué es la temperatura: una medida del movimiento de las
moléculas de un gas. Las moléculas cuando se mueven poseen una energía llamada cinética que depende de la velocidad, es
decir, a mayor velocidad más energía cinética posee. No todas las moléculas se mueven con la misma velocidad, pero la
temperatura nos da una aproximación del valor medio de la energía cinética que poseen todas las moléculas de un gas.
Como resultado de todas estas aportaciones se elaboró EL MODELO CINÉTICO MOLECULAR, un modelo para poder
explicar la realidad de los estados de la materia. Realmente al principio fue establecido para explicar el comportamiento de
los gases, pero luego se amplió para el sólido y el líquido. Los postulados de dicho modelo son:
Este modelo también es aplicable a líquidos y sólidos, teniendo en cuenta una serie de características de cada estado. Así, en
el estado sólido, se supone que las moléculas están ordenadas, las distancias entre ellas son del orden del diámetro molecular
y tienen un movimiento vibratorio, que aumenta con la temperatura. En el caso de los líquidos, las moléculas están más
desordenadas, las distancias son aproximadamente las mismas que en el estado sólido y pueden moverse desplazándose de un
lugar a otro, pero ligadas entre sí, sin poder estar independientes las unas de las otras. Este movimiento es mayor cuanto
mayor es la temperatura. En el estado gaseoso, ya las moléculas están completamente libres las unas de las otras, su
movimiento es caótico y también su velocidad aumenta con la temperatura.
5
VAYAMOS A INTERNET…
http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/
93_iniciacion_interactiva_materia/curs
o/materiales/estados/gas.htm
http://www.iesaguilarycano.com/dpto/fy
q/mat/mat3.htm
Existe un cuarto estado de la materia llamado plasma, que se forman bajo temperaturas y presiones extremadamente altas,
haciendo que los impactos entre los electrones sean muy violentos, separándose del núcleo y dejando sólo átomos dispersos.
El plasma, es así, una mezcla de núcleos positivos y electrones libres, que tiene la capacidad de conducir electricidad.
Figura: Experimento imaginario que muestra los resultados de calentar un gas de deuterio. Arriba,
a la izquierda, el gas está formado por moléculas compuestas de dos átomos de deuterio. Al elevar
la temperatura (arriba a la derecha) los enlaces moleculares se rompen y el gas se transforma en
un gas de átomos de deuterio. Si la temperatura continúa aumentando los átomos se ionizan (abajo
izquierda) y se forma un plasma de electrones y núcleos de deuterio. Aumentando aún más la
temperatura, los choques entre los núcleos de deuterio producen la fusión nuclear.
Un ejemplo de plasma presente en nuestro universo es el Sol. Otros ejemplos:
Plasmas terrestres:
Plasmas espaciales y astrofísicos:
- Los rayos durante una tormenta.
- El fuego.
- El magma.
- La lava.
- Las estrellas (por ejemplo, el Sol).
- Los vientos solares.
2.1. LOS ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA Y LA TEORÍA CINÉTICO-MOLECULAR
Gracias a la teoría cinético-molecular de la materia se pueden entender algunas de las propiedades generales que poseen los
tres estados de agregación. Completa la tabla con las explicaciones de la profesora en clase:
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FUERZAS
INTERMOLECULARES
DISTANCIA
INTERMOLECULAR
MOVILIDAD
MOLECULAR
FORMA
FLUIDEZ
VOLUMEN
COMPRENSIBI
LIDAD
DIBUJO
SÓLIDO
FLUIDOS
LÍQUIDO
GASEOSO
Fluidez: capacidad de los líquidos y los gases para moverse progresivamente hacia un lugar o pasar a través de orificios pequeños, debida a la capacidad de las partículas para desplazarse.
Viscosidad: propiedad de los líquidos que indica la dificultad con que éstos fluyen. Un líquido es más viscoso cuanto menor es su fluidez. La viscosidad es debida a fuerzas e interacciones entre
las partículas (rozamiento de las partículas) que limitan su movilidad.
Comprensibilidad: es una propiedad de la materia a la cual se debe que todos los cuerpos disminuyan de volumen al someterlos a una presión o compresión determinada manteniendo
constantes otros parámetros.
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3.
LOS GASES Y LA TCM: PRESIÓN Y TEMPERATURA. LEYES DE LOS GASES.
Ya hemos estudiado cómo la TCM explica el estado gaseoso y muchas de sus propiedades. Como hemos visto, no hay apenas
fuerzas entre sus partículas y estas se mueven caóticamente por todo el recipiente que los contiene. Pero, ¿qué ocurrirá si
cambia la temperatura? ¿Qué es la presión de un gas?
3.1. LA TEMPERATURA Y LA TEORÍA CINÉTICO-MOLECULAR
Es una propiedad general de la materia. Según la teoría cinética, la temperatura es una medida de la energía cinética
media de los átomos y moléculas que constituyen un sistema. Dado que la energía cinética depende de la velocidad,
podemos decir que la temperatura está relacionada con las velocidades medias de las moléculas del gas.
Ec 
1
m v2
2
Hay varias escalas para medir la temperatura; las más conocidas y utilizadas son las escalas Celsius (ºC), Kelvin (K) y
Fahrenheit (ºF).
-
-
-
El físico alemán Daniel Gabriel Fahrenheit asignó, en 1724, el valor de 32
al punto de la mezcla de hielo y agua líquida y el valor de 212 al punto del
agua hirviendo. Cada una de las 180 partes en que se puede dividir este
intervalo se llama Fahrenheit (ºF)
El físico y astrónomo sueco Anders Celsius asignó en 1742 el valor de 0 al
primer punto y el de 100 al segundo. Cada una de las 100 partes se
denomina grado Celsius (ºC), antes denominado grado centígrado hasta
1967. Ambas escalas son relativas ya que los dos valores tomados son
arbitrarios.
El científico inglés William Thomson demostró teóricamente que la
temperatura más baja posible sería, aproximadamente, 273ºC bajo cero (es
decir, -273ºC) Este valor se tomó como cero absoluto, dando lugar a la
escala absoluta de temperatura o escala Kelvin. En esta escala, al punto de la
mezcla agua/hielo se le asigna el valor de 273K (no se pone ºK) y al punto de ebullición, 373 K. La escala Kelvin está
dividida también en 100 partes, con lo que un grado Celsius equivale a un Kelvin. Esta es la unidad del S.I.
Cuando vimos la propiedad general volumen, comentamos que es
dependiente de la temperatura, entendamos ahora por qué:
-
-
Al aumentar la temperatura sus partículas vibran más,
ocupando un mayor espacio, con lo que, generalmente, se
dilatan, es decir, aumenta sus dimensiones. Esta es la llamada
dilatación térmica.
Para un mismo incremento de temperatura, los líquidos se
dilatan más que los sólidos y los gases más que los sólidos.
No hay que confundir el concepto de calor con el de temperatura.
El calor es la energía que se transfiere entre cuerpos a diferente
temperatura, desde el cuerpo a mayor temperatura al menor, hasta
que se alcanza el denominado equilibrio térmico, es decir, se
igualan sus temperaturas.
Por lo tanto, el calor no se posee, sino que sólo se transfiere, con lo que expresiones coloquiales como “qué calor
tengo” no tienen significado científico realmente. No se tiene ni calor ni frío, sino temperatura alta o baja.
a.
El cero absoluto de temperatura
Si se disminuye la temperatura de un gas, en un proceso isobárico, el volumen también disminuye como hemos estudiado. Si
se sigue el proceso, suponiendo que el gas no cambia de estado, llegará un momento en que el volumen del gas tenga que ser
nulo, algo imposible de concebir. Este hipotético valor de temperatura se puede obtener a partir de la gráfica volumentemperatura
Si se prolonga la línea recta hasta que corte al eje de abcisas vemos que el volumen nulo se alcanzaría en -273ºC. William
Thonsom propuso una escala absoluta que ha el valor de 0 a esta y que es la que hemos estudiado como la escala Kelvin.
Actualmente se ha conseguido experimentalmente alcanzar valores con los gases inferior o igual al cero absoluto, del orden
de 0,002 K.
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3.2. LA PRESIÓN Y LA TEORÍA CINÉTICO-MOLECULAR
Es una propiedad general de la materia. Según la teoría cinética, la presión de un gas es la medida del número de
choques de las moléculas del gas contra las paredes del recipiente que lo contiene.
La presión atmosférica se refiere al “peso” de la columna de aire que hay en una determinada
superficie, por lo que la presión atmosférica será mayor a nivel del mar que encima de una
montaña. Los efectos de la presión atmosférica son conocidos desde el siglo XVII cuando Galileo
Galilei demostró que el aire pesa. Un discípulo suyo, Evangelista Torricelli, determinó el modo
de medir la presión atmosférica mediante un instrumento denominado barómetro.
La presión hidrostática es la columna del líquido que soportas. A mayor profundidad, mayor
presión.
En el S.I. la unidad es el Pascal (Pa), aunque se utilizan otras unidades como:
1atm (atmósfera)  760mmHg (mílímetros de mercurio)  101300Pa
3.3. LEYES DE LOS GASES.
La teoría cinética de la materia permite justificar el comportamiento de los gases. Por ejemplo, la presión depende de la
cantidad del gas (n), del volumen del recipiente (V) y de la temperatura (T). Para investigar dichas dependencias varios
científicos a partir del siglo XVII estudiaron cómo variaba la presión si modificaban alguna de las otras variables
manteniendo constante el resto
a)
Ley de Boyle y Mariotte
Boyle y Mariotte estudiaron cómo variaba el volumen y la presión de un gas. Para ello, encerraron una cierta cantidad de gas
(n) en un émbolo a una temperatura constante (PROCESO ISOTÉRMICO). Los resultados obtenidos fueron análogos a los
que puedes observar en la tabla.
Como puedes ver si el volumen del émbolo disminuye, la presión aumenta, es decir, son inversamente proporcionales.
¿Cómo se pueden explicar estos resultados en base a la TCM?
Recuerda que según esta teoría la presión del gas mide los choques de las partículas contra las paredes del recipiente que lo
contiene; la temperatura como una medida de la velocidad media de las partículas; la cantidad de gas es el número de
partículas y el volumen, el espacio que ocupan estas.
Así, si disminuimos el volumen del émbolo, las partículas al tener menos espacio e ir igual de rápidas (la T es constante)
chocarán más veces contra las paredes del recipiente, lo que supondrá un aumento de presión.
Estos resultados fueron plasmados a través de una ley matemática, la ley de Boyle y Mariotte:
Si representamos los datos obtenidos en una experiencia,
obtenemos la gráfica adjunta. Como puedes observar, en
esta ocasión se ha ido variando el volumen (variable
independiente), midiendo la presión del gas (variable
dependiente). Al ser inversamente proporcionales, la
forma de la gráfica es una hipérbola.
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QUÉ CURIOSO…
En el tema del Método Científico vimos cómo después de toda investigación donde la hipótesis inicial se demostraba cierta
los datos obtenidos se publican a la comunidad científica. Mira qué puede ocurrir si no te das prisa…
El origen de esta ley es algo confusa en la historia de la Ciencia.
Esta ley recibe el nombre de Boyle en honor a este químico
irlandés que en 1662 realizó experimentos con los gases,
estudiando cómo variaba el volumen de un gas cuando cambia la
presión del mismo, manteniendo la cantidad de gas constante así
como la temperatura. Más tarde en ese mismo año el francés
Mariotte puntualizó dichos estudios, por lo que la ley pasó a
llamarse Ley de Boyle y Mariotte.
Sin embargo, los historiados recientemente han descubierto que dos científicos británicos, Henry Power y Richard Towneley,
hicieron dichos experimentos antes, en 1653, aunque no publicaron sus resultados inmediatamente sino después de que lo
hiciera Boyle. Además, Boyle supuestamente conocía los trabajos de los británicos, con lo que muchos sospechan que se
basó en ellos para su famosa ecuación.
¿Ves la importancia de la publicación de los trabajos científicos de forma rápida para toda la comunidad?
b)
Ley de Charles y Gay-Lussac
En 1787, el francés Charles sugirió que distintos gases experimentan la misma dilatación con el mismo
incremento de temperatura si la presión se mantenía constante (PROCESO ISOBÁRICO), aunque no
llegó a publicar sus resultados hasta 1802, mismo año que también lo hizo otro francés, Gay-Lussac, por
lo que esta ley se conoce como ley de Charles y Gay-Lussac. Los resultados obtenidos fueron análogos
a los de esta tabla:
Como puedes ver si la temperatura del émbolo aumenta, el volumen también lo hace, es decir, son directamente
proporcionales.
¿Cómo se pueden explicar estos resultados en base a la TCM?
Recuerda que según esta teoría la presión del gas mide los choques de las partículas contra las paredes del recipiente que lo
contiene; la temperatura como una medida de la velocidad media de las partículas; la cantidad de gas es el número de
partículas y el volumen, el espacio que ocupan estas.
Así, si aumentamos la temperatura del émbolo, con lo cual la del gas, las partículas se moverán más rápido. Si la presión del
mismo debe ser constante, es decir, las partículas deben chocar contra las paredes del recipiente las mismas veces, estas
deben alejarse, o sea, el volumen debe aumentar.
Estos resultados fueron plasmados a través de una ley matemática, la ley de Charles y Gay-Lussac:
OJO: en esta ley la temperatura SIEMPRE es la absoluta, es decir, en grados Kelvin, no siendo válida si viene expresada
en grados Celsius.
Si representamos los datos obtenidos en una experiencia,
obtenemos la gráfica adjunta. Como puedes observa, en esta
ocasión se ha ido variando la temperatura (variable
independiente), midiendo el volumen del gas (variable
dependiente). Al ser directamente proporcionales, la forma de
la gráfica es una línea recta.
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c)
Ley de Gay-Lussac
En 1805 el propio Gay-Lussac también estudió cómo variaba la presión de un gas al variar su temperatura,
manteniendo constante el volumen (PROCESO ISOCÓRICO), y la cantidad de gas por supuesto. Los
resultados obtenidos fueron análogos a los de esta tabla:
Como puedes ver si la temperatura del émbolo aumenta, la presión también lo hace, es decir, son directamente
proporcionales.
¿Cómo se pueden explicar estos resultados en base a la TCM?
Recuerda que según esta teoría la presión del gas mide los choques de las partículas contra las paredes del recipiente que lo
contiene; la temperatura como una medida de la velocidad media de las partículas; la cantidad de gas es el número de
partículas y el volumen, el espacio que ocupan estas.
Así, si aumentamos la temperatura del émbolo, con lo cual la del gas, las partículas se moverán más rápido. Al no variar el
volumen del recipiente las partículas llegarán antes a estas con lo que chocarán más veces, aumentando la presión del gas.
Estos resultados fueron plasmados a través de una ley matemática, la ley de Gay-Lussac:
OJO: en esta ley la temperatura SIEMPRE es la absoluta, es decir, en grados Kelvin, no siendo válida si viene expresada
en grados Celsius.
Si representamos los datos obtenidos en una experiencia,
obtenemos la gráfica adjunta. Como puedes observar, en esta
ocasión se ha ido variando la temperatura (variable
independiente), midiendo la presión del gas (variable
dependiente). Al ser directamente proporcionales, la forma
de la gráfica es una línea recta que pasa por el origen.
4.
LOS CAMBIOS DE ESTADO.
Como hemos visto, dependiendo de las fuerzas que existan entre las moléculas la materia se encuentra en estado sólido,
líquido o gaseoso. Esto depende de la temperatura y de la presión a la que se encuentre el sistema material. El paso de un
estado de agregación a otro se denomina cambio de estado.
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CAMBIOS DE ESTADO
PROGRESIVOS: hay que
suministrar energía
(calentar)
CAMBIOS DE ESTADO
REGRESIVOS: cede
energía (enfría)
4.1. CAMBIOS DE ESTADO PROGRESIVOS
Son aquellos en los que hay que suministrar energía para que se produzcan:
-
-
-
Fusión: es el paso de sólido a líquido, dándose a una temperatura característica de cada sustancia pura llamada
temperatura de fusión. Esta temperatura depende de la presión del sistema. Cuando disminuye la presión, la
temperatura de fusión también lo hace.
Vaporización: es el paso de líquido a gas. Se diferencia entre dos procesos diferentes:
Evaporación: se produce a cualquier temperatura y es superficial. La evaporación se ve influenciada por el viento
(mejor evaporación con viento), la presión (una menor presión favorece la evaporación) y la superficie (a mayor
superficie, mayor evaporación)
Ebullición: se produce a una temperatura característica de cada sustancia pura, llamada temperatura de ebullición, y
se produce en toda la masa. Depende también de la presión, cuando esta aumenta, la temperatura de ebullición
también lo hace.
Subllimación: es el paso de sólido a gas directamente. Normalmente requiere presiones bajas. En el vacío todas las
sustancias subliman.
Ionización: es el paso de gas a plasma.
Cuando secas la ropa, el agua que la moja pasa a estado gaseoso
que escapa a la atmósfera.
Pero esto no se produce a la temperatura de ebullición del agua (100ºC)
sino que el proceso que está pasando es la evaporación, por eso la ropa
se seca antes los días ventosos y si la extiendes bien.
4.2. CAMBIOS DE ESTADO REGRESIVOS
Son aquellos en los que hay un desprendimiento de energía cuando se producen, siendo los procesos inversos a los vistos
anteriormente:
-
Solidificación: es el paso de líquido a sólido, dándose a una temperatura característica de cada sustancia pura
llamada temperatura de solidificación, que es la misma que la temperatura de fusión.
Condensación: es el paso de gas a líquido, dándose a la temperatura de condensación, igual a la de ebullición.
Sublimación regresiva: paso de gas a sólido directo.
Desionización: paso de plasma a gas.
4.3. GRÁFICAS TEMPERATURA - TIEMPO
Si calentamos una sustancia desde el estado sólido, o bien la enfriamos desde el gaseoso, estudiando cómo varía la
temperatura respecto del tiempo, obtendremos la gráfica temperatura-tiempo característica de cada sustancia pura.
12
I. E. S. Gamonares (Lopera –Jaén)
Departamento de Ciencias Naturales
En este caso puedes observar en esta gráfica el calentamiento de
una sustancia. Como puedes observar cuando hay un cambio de
estado la temperatura permanece constante hasta que todo el
sistema material haya cambiado al nuevo estado de agregación.
4.4. CAMBIO DE ESTADO Y TEORÍA CINÉTICA
La teoría cinético-molecular (TCM, a partir de ahora) puede
explicarnos cómo varía la temperatura con el tiempo cuando
calentamos o enfriamos una sustancia. Vamos a fijarnos en la
gráfica anterior de calentamiento, donde partimos de una sustancia
en estado sólido. Aquí, las moléculas, de acuerdo con la TCM,
están fuertemente unidas y juntas, de forma que si vamos
calentando dando energía al sistema, las moléculas vibran más,
aumentando su velocidad y, por lo tanto, su temperatura. Cuando llega a la temperatura de fusión característica de esta
sustancia, las uniones entre las moléculas empiezan a romperse, por lo que la energía se utiliza en este proceso y no en que
las moléculas vibren más, por eso la temperatura permanece constante. Una vez rotas las uniones necesarias, todo el sistema
material estará en forma líquida y de nuevo la energía se invertirá en que las moléculas se muevan más rápido, aumentando
de nuevo la temperatura. Cuando llegue a la temperatura de ebullición, se seguirán rompiendo las uniones que quedan entre
moléculas, permaneciendo constante de nuevo la temperatura, hasta que todo haya pasado a estado gaseoso.
En el caso del proceso contrario, es decir, que se parta de un gas y se vaya enfriando, ahora la
energía no es absorbida por la sustancia sino que la desprende, y ahora se forman las uniones
entre las moléculas cuando ocurran los cambios de estado, en vez de romperse.
¿Por qué disminuye la temperatura de ebullición con la presión? Lo puedes entender
fácilmente con la TCM. Hemos visto que la presión atmosférica es el peso de la columna de aire
sobre una superficie. Si el peso de la columna es menor (presión más baja) a las partículas les
costará menos energía escapar o romper sus uniones, por lo que la temperatura del cambio de
estado será menor.
Más presión
Menos presión
Efecto de la presión en los cambios de estado: en
general, el aumento de la presión sobre un sistema
material aumenta el acercamiento entre sus
partículas y, por tanto, aumentan las fuerzas de
cohesión.
13
ESQUEMA RESUMEN DE LA UNIDAD
MATERIA
PROPIEDADES
GENERALE
S
Masa
Balanza
ESPECÍFICA
S
SÓLIDO
LÍQUIDO
Volumen
Sólidos
a) Fórmula (regulares)
b) Método de
inmersión (regulares e
irregulares)
GAS
CAMBIOS
DE ESTADO
GAS
ESTADOS DE
AGREGACIÓN:
TCM
PLASMA
TEMPERATU
RA y TCM
PRESIÓN y
TCM
LEYES
EXPERIM
ENTALES
PROGRES
IVOS
BoyleMariotte
pV= k
Líquidos
a) Pipeta
b) Probeta
Charles y
GayLussac
V/T= k
GayLussac
p/T= k
14
REGRESI
VOS
GRÁFIC
AS
TCM