ESTADOS DE LA MATERIA. CAMBIOS DE ESTADO.

Transcripción

1 ESTADOS DE LA MATERIA. CAMBIOS DE ESTADO. Propiedades generales y específicas. Densidad. Estados de agregación de la materia. Cambios de estado. Diferencias entre evaporación y ebullición. Temperatura del cambio de estado. Aclaraciones sobre los cambios de estado. TEORÍA CINÉTICO MOLECULAR. Teoría cinética y temperatura. Teoría cinética y presión. Los estados de agregación y la teoría cinética. La teoría cinética y los cambios de estado. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS MATERIALES. SEPARACIÓN DE MEZCLAS. Clasificación de los sistemas materiales. Mezclas heterogéneas. Mezclas homogéneas o disoluciones. Sustancias puras. Cómo diferenciar compuestos de disoluciones?. 1

2 Son propiedades generales Dependen de la cantidad de materia, por ejemplo, la masa, el peso, volumen, longitud, energía cinética, calor, etc. La tiene toda la materia, cualquier sustancia. No sirven para diferenciar unas sustancias de otras. Si yo digo que una sustancia tiene 3 kg de masa o que ocupa un volumen de 2 dm 3, no me servirá para diferenciarla de otra porque puedo tener la misma masa y volumen de cualquier sustancia. 2

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5 EL VOLUMEN DE UN SÓLIDO SUMERGIDO EN UN LÍQUIDO ES IGUAL AL VOLUMEN DEL LÍQUIDO DESALOJADO Vsólido = V liq final V liq inicial 5

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7 Las propiedades intensivas son propiedades específicas No dependen de la cantidad de materia, por ejemplo: temperatura, punto de fusión, punto de ebullición, calor específico, densidad, etc. Sólo la tienen determinados tipos de sustancia, e incluso una sustancia concreta; es decir, no son comunes a toda la materia. Por ejemplo, la Densidad es diferente de unas sustancias a otras. 7

8 Densidad de un cuerpo es el cociente entre la masa de una determinada cantidad de materia y el volumen que ocupa. d m V densidad masa volumen La densidad es una magnitud derivada que en el sistema internacional de unidades se expresa como kg / m 3. 8

9 La masa y el volumen son propiedades generales o extensivas de la materia, es decir son comunes a todos los cuerpos materiales y además dependen de la cantidad o extensión del cuerpo. En cambio la densidad es una propiedad intensiva o característica de cada cuerpo, ya que nos permite identificar distintas sustancias. Por ejemplo, muestras de oro de diferentes masas, todas tienen la misma densidad. La densidad se puede calcular de forma directa midiendo la masa y el volumen de una muestra. 9

10 El estado de agregación de la materia (sólido, líquido, gaseoso) puede variar en función de las condiciones externas (presión y temperatura). ESTADOS DE LA MATERIA SOLIDO LÍQUIDO GASEOSO - Tienen forma fija. - Tienen volumen fijo. No se pueden comprimir. - No fluyen. 10

11 - No tienen forma fija. Se adaptan a la forma del recipiente que los contiene. - Tienen volumen fijo. Son poco compresibles. - Fluyen por sí mismos. - No tienen volumen fijo. Ocupan todo el volumen del recipiente que los contiene. Son fácilmente compresibles. - No tienen forma fija. Se adaptan a la forma del recipiente que los contiene. - Difunden con facilidad. Tendencia a mezclarse con otros gases. 11

12 Estado de Agregación SÓLIDO LÍQUIDO GAS Volumen Definido Definido Indefinido Forma Definida Indefinida Indefinida Compresibilidad Incompresible Incompresible Compresible Atracción entre moléculas Intensa Moderada Despreciable 12

13 Cambio de estado es el proceso mediante el cual las sustancias pasan de un estado de agregación a otro. El estado físico depende de las fuerzas de cohesión que mantienen unidas a las partículas. La modificación de la temperatura o de la presión modificará dichas fuerzas de cohesión pudiendo provocar un cambio de estado. 13

14 El paso de un estado de agregación más ordenado a otro más desordenado Cambios de estado progresivos son: El paso de sólido a líquido que se llama fusión. Ejemplo el hielo a agua líquida se funde. El paso de líquido a gas que se llama vaporización. Ejemplo el agua líquida pasa a vapor de agua: evaporándose lentamente (secándose un recipiente o una superficie con agua) o al entrar en ebullición el líquido (hierve). El paso de sólido a gas que se llama sublimación. Ejemplo el azufre o el yodo sólidos al calentarlos pasan directamente a gas. 14

15 El paso de un estado de agregación más desordenado a otro más ordenado Cambios de estado regresivos son: El paso de líquido a sólido que se llama solidificación. Ejemplo el agua de una cubitera dentro del congelador se solidifica formando cubitos de hielo. El paso de gas a líquido que se llama condensación. Ejemplo en los días fríos de invierno el vapor de agua de la atmósfera se condensa en los cristales de la ventana que se encuentran fríos o en el espejo del cuarto de baño. El paso de gas a sólido que se denomina sublimación inversa o regresiva. 15

16 DIFERENCIAS ENTRE EVAPORACIÓN Y EBULLICIÓN. El cambio de estado de líquido a gas se denomina vaporización. La vaporización puede tener lugar de dos formas: A cualquier temperatura, el líquido pasa lentamente a estado gaseoso, el proceso se denomina EVAPORACIÓN. El paso es lento porque son las partículas que se encuentran en la superficie del líquido en contacto con la atmósfera las que se van escapando de la atracción de las demás partículas cuando adquieren suficiente energía para liberarse. Partículas del líquido que se encuentran en el interior no podrán recorrer demasiado antes de ser capturadas de nuevo por las partículas que la rodean. 16

17 A una temperatura determinada se produce el paso de líquido a gas en todo el volumen del líquido el proceso se denomina EBULLICIÓN. Cualquier partícula del interior o de la superficie adquiere suficiente energía para escapar de sus vecinas, la energía se la proporciona la fuente calorífica que le ha llevado a dicha temperatura. 17

18 TEMPERATURAS DE CAMBIO DE ESTADO TEMPERATURA DE FUSIÓN Temperatura a la que se produce el paso del estado físico sólido al estado físico líquido Estas dos temperaturas son iguales TEMPERATURA DE SOLIDIFICACIÓN Temperatura a la que se produce el paso del estado físico líquido al estado físico sólido TEMPERATURA DE EBULLICIÓN Temperatura a la que se produce el paso del estado físico líquido al estado físico gaseoso Estas dos temperaturas son iguales TEMPERATURA DE CONDENSACIÓN Temperatura a la que se produce el paso del estado físico gaseoso al estado físico líquido ACLARACIONES SOBRE LOS CAMBIOS DE ESTADO. (DILATACIÓN) DILATACIÓN EN SÓLIDOS Y LÍQUIDOS: DILATACIÓN Al aumentar la temperatura aumenta el volumen 18

19 Ejercicios: T = 50 ºC T(K) = T(ºC) + 273,15 = ,15 = 323,15 K T(ºF) = 1,8 T(ºC) + 32 = 1, = = 122 ºF Para temperaturas dadas en K o ºF se obtiene sus equivalencias despejando las ecuaciones: T = 392 ºF T(ºF) = 1,8 T(ºC) + 32 T (º F) T (º C) 200 º C 1,8 1,8 1,8 T(K) = T(ºC) + 273,15 = ,15 = 473,15 K 19

20 TEORÍA CINÉTICA Y TEMPERATURA. La TEMPERATURA es una propiedad de la materia que está relacionada con la distribución de la energía calorífica entre la materia de un cuerpo. Normalmente la temperatura mide la energía cinética media de las partículas: A mayor energía cinética media (mayor movimiento de las partículas) mayor choque entre ellas, mayor temperatura. A menor energía cinética media (menor movimiento de las partículas) habrá menos choques entre ellas, menor temperatura. TEORÍA CINÉTICA Y PRESIÓN. La PRESIÓN que ejerce un gas sobre las paredes del recipiente que lo contiene son debidas a los choques que tienen lugar entre las partículas del gas y dichas paredes. La variación de la presión de un gas encerrado en un recipiente puede tener lugar por alguna de estas razones: Por una variación de la temperatura manteniendo constante el volumen del recipiente que contiene el gas Por una variación del volumen que contiene el gas manteniendo constante la temperatura 20

21 Por una variación de la temperatura manteniendo constante el volumen del recipiente que contiene el gas: Un aumento de la temperatura aumenta la energía cinética media de las partículas, lo que provoca una mayor velocidad de las mismas y una mayor intensidad en los choques contra las paredes: aumenta la presión del recipiente que contiene el gas. Un enfriamiento disminuirá la energía cinética media y las partículas chocaran con menos intensidad contra las paredes: disminuye la presión del recipiente que contiene el gas. Por una variación del volumen que contiene el gas manteniendo constante la temperatura: Si disminuye el volumen, las partículas se concentran y chocan con más frecuencia contra las paredes del recipiente que las contiene: aumenta la presión sobre las paredes del recipiente. Si aumenta el volumen, las partículas se separan, tienen más volumen donde moverse y habrá menos partículas que choquen con las paredes del recipiente que contiene el gas: disminuye la presión del recipiente. LA TEORÍA CINÉTICA Y LOS CAMBIOS DE ESTADO. Los cambios de estado se pueden producir de dos formas: 21

22 Cambiando la temperatura a la que se encuentra una sustancia: a) Si calentamos damos energía y las partículas disminuyen sus fuerzas de cohesión, aumenta la energía de vibración y pierde fortaleza la estructura más o menos rígida que poseen. El conjunto de partículas que forman dicha sustancia se desordena: cambios de estado progresivos (fusión, vaporización, sublimación). mayor temperatura mayor energía de vibración de las partículas mayor movilidad de las partículas más desordenada la estructura 22

23 Cambiando la temperatura a la que se encuentra una sustancia: Si enfriamos quitamos energía y las partículas se mantienen más cerca, aumentan sus fuerzas de cohesión y el sistema se ordena: cambios de estado regresivos (condensación, solidificación, sublimación regresiva). menor temperatura menor energía de vibración de las partículas menor movilidad de las partículas más ordenada la estructura 23

24 Si disminuimos la presión el sistema tiende a desordenarse ya que no se favorece el acercamiento de las partículas, disminuyen las fuerzas de cohesión y se favorece un cambio de estado progresivo (fusión, vaporización, sublimación). Si aumentamos la presión se favorece el acercamiento de las partículas lo que produce un aumento de las fuerzas de cohesión y una tendencia a los cambios de estado regresivos (condensación, solidificación, sublimación regresiva). 24

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26 MATERIA HOMOGÉNEA misma apariencia IDÉNTICAS PROPIEDADES MATERIA aspecto? PROPIEDADES? HETEROGÉNEA apariencia diferente DISTINTAS PROPIEDADES COMPOSICIÓN? separación por procesos físicos? SI NO MEZCLA SUSTANCIA PURA dos o más componentes coexisten partículas diferentes partículas iguales aunque disitntas a otras sustancias un solo componente TIPOS separación por procesos químicos? MEZCLA HOMOGÉNEA DISOLUCIONES MEZCLA HETEROGÉNEA SI NO separación Cambios de estado separación Propiedades físicas COMPUESTO SUSTANCIA SIMPLE O ELEMENTO Cristalización Destilación Cribado Decantación Filtración Centrifugación Disolución selectiva Magnetismo La clasificación se corresponde con la composición del sistema material, los sistemas materiales se clasifican en: Sustancias puras. Mezclas de sustancias. A su vez se clasifican en: Mezclas heterogéneas. Mezclas homogéneas, llamadas disoluciones. Las sustancias presentes en una mezcla se pueden separar por medios puramente físicos (densidad, campo magnético, punto de ebullición, etc.). 26

27 Una mezcla heterogénea o sistema material heterogéneo es un sistema material formado por varias sustancias en el que su composición, estructura o propiedades no se mantienen en cualquier punto de su masa, pudiéndose percibir límites de separación entre regiones diversas. 27

28 Sólido de sólido: Imantación si uno de ellos es atraído por imanes. Manual si el tamaño lo permite. Criba si son de diferentes tamaños. 28

29 Sólido de líquido: Sedimentación seguido de decantación. Sedimentación y centrifugación, seguido de decantación. Filtración. Líquido de líquido, no miscibles: Decantación simple. Decantación, utilizando el embudo de decantación. 29

30 Una mezcla homogénea es un sistema material homogéneo formado por varias sustancias. Las mezclas homogéneas se llaman disoluciones. En una disolución denominamos: disolvente a la sustancia de la mezcla que se encuentra en mayor proporción. soluto a la sustancia o sustancias que se encuentran en menor proporción. 30

31 Soluto Disolvente Comentarios y ejemplos Sólido Líquido Gas Sólido Líquido Sólido Líquido Son las aleaciones. Amalgamas. El más habitual es el hidrógeno en determinados metales. Son las más habituales, las que se suelen utilizar en química. Alcohol en agua. Gas Sólido Líquido Gas Gas El aire disuelto en el agua, las bebidas gaseosas, etc. Humo. Niebla. El aire. 31

32 Destilación. Este método consiste en separar los componentes de las mezclas basándose en lo volátiles que sean las sustancias que forman la mezcla se utilizan los destiladores. Una sustancia de punto de ebullición bajo se considera volátil en relación con las otras sustancias de puntos de ebullición mayor. Hay varios tipos de destilación, la más sencilla es la destilación simple en la que el proceso se lleva a cabo por medio de una sola etapa, es decir, que se evapora el líquido de punto de ebullición más bajo (calentando la mezcla) y se condensa por medio de un refrigerante. 32

33 Evaporación y cristalización: ola evaporación consiste en eliminar el disolvente líquido, quedándonos con el soluto. Para favorecer la evaporación podemos calentar la mezcla o dejar que ocurra lentamente. ola cristalización es el depósito del sólido disuelto en el líquido por alguno de los siguientes motivos: Por enfriamiento. Si nosotros enfriamos deberá tener menos sólido disuelto en el líquido, el sólido que sobra acabará depositándose en el fondo del recipiente (cristalización). Por evaporación, al disminuir la cantidad de disolvente deberá tener menos sólido disuelto, el que vaya sobrando a medida que se evapore el líquido se depositará en el fondo del recipiente (cristalización). Se trata de una operación que consiste en eliminar los componentes volátiles no deseados de una mezcla mediante el calentamiento a una temperatura inferior al punto de ebullición 33

34 Se trata de una operación que permite extraer un sólido o soluto que está disuelto en un líquido o disolvente. Se basa en la concentración de la disolución hasta saturarla. Entonces dejamos que se enfríe, su solubilidad disminuye y entonces el soluto empieza a separarse del disolvente en forma de cristales sólidos que se van depositando. Extracción. Consiste en separar varios solutos disueltos en un disolvente. Se utiliza la diferencia de solubilidad de cada soluto en diferentes disolventes. Se añade un disolvente inmiscible (que no se disuelve) con el disolvente de la mezcla, los solutos se distribuyen entre los dos disolventes: alguno de los solutos será más soluble en el primer disolvente y otro de los solutos en el segundo disolvente. Posteriormente las dos fases se separan como mezclas heterogéneas, por decantación en este caso. 34

35 Cromatografía. Las sustancias a separar se distribuyen entre dos fases según la tendencia que tengan a estar más en una de las fases o en la otra. Una fase es la denominada fase móvil, la que avanza, y la otra es la fase fija. Los más solubles o que retiene mejor la fase fija retrasan su avance y, de esta forma, se separan de los que retiene mejor la fase móvil. 35

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37 SUSTANCIAS PURAS. Son sistemas materiales homogéneos formados de un solo tipo de sustancia. Las sustancias puras pueden ser de dos tipos: Simples o elementos. Son sustancias de composición simple y que no pueden descomponerse en otras más sencillas por métodos químicos ordinarios. Son los elementos químicos. Compuestos. Son sustancias formadas por la unión química, o combinación, de dos o más elementos en proporciones fijas, siendo las propiedades del compuesto diferentes de las de sus elementos constituyentes. Los compuestos se pueden descomponer en los elementos que los constituyen por métodos químicos habituales. 37

38 SUSTANCIA SIMPLE o ELEMENTO Cuando una sustancia pura está formada por un solo tipo de elemento, se dice que es una sustancia simple. Esto ocurre cuando la molécula contiene varios átomos pero todos son del mismo elemento. Ejemplo: Oxígeno gaseoso (O 2 ), ozono (O 3 ), etc. Están constituidas sus moléculas por varios átomos del elemento oxígeno. -COMPUESTOS - Son sustancias puras que están constituidas por 2 ó más elementos combinados en proporciones fijas. - Los compuestos se pueden descomponer mediante procedimientos químicos en los elementos que los constituyen. -Ejemplo: Agua, de fórmula H 2 O, está constituida por los elementos hidrógeno (H) y oxígeno (O) y se puede descomponer en ellos mediante la acción de una corriente eléctrica (electrólisis). Molécula de agua (H 2 O), formada por 2 átomos de hidrógeno (blancos) y 1 átomo de oxígeno (rojo) Molécula de etano (C 2 H 6 ), formada por 2 átomos de carbono (negros) y 6 átomos de hidrógeno (azul) Molécula de butano (C 4 H 10 ), formada por 4 átomos de carbono (negros) y 10 átomos de hidrógeno (blancos) 38