BÁSICO 4: ESTADOS DE LA MATERIA ÁTOMOS Y MOLÉCULAS CAMBIOS Y ENERGÍA

Transcripción

1 BÁSICO 4: ESTADOS DE LA MATERIA Por convención hay color, hay lo dulce y hay lo amargo, pero, en realidad, sólo hay átomos y espacio. Demócrito, filósofo griego, A.C. ÁTOMOS Y MOLÉCULAS A principios del siglo XX los físicos comprobaron que la materia se encuentra formada por tres partículas elementales llamadas electrones, protones y neutrones. Además de la masa también se descubrió que los electrones y protones tienen otra propiedad fundamental de la materia que se llamó CARGA. Se comprobó que había dos tipos de carga y se las llamó negativa y positiva. Cargas del mismo signo se repelen entre sí y cargas de distinto signo se atraen. Al electrón se le asignó carga negativa y al protón carga positiva. Los protones, neutrones y electrones se combinan entre sí para formar los ÁTOMOS. Protones y neutrones se concentran en una zona muy pequeña llamada núcleo atómico (diez mil veces más pequeña que el propio átomo). Los electrones se encuentran en capas concéntricas alrededor del núcleo. Aunque no sabemos la forma que tienen estas partículas, las representamos por bolitas. Entre el núcleo y las capas de electrones no hay nada, sólo hay espacio. El átomo está casi completamente hueco, casi todo es vacío. En estos niveles la carga es más importante que la masa. Representamos el átomo por bolas, pero son bolas de carga no de masa. Los átomos se unen entre sí formando redes tridimensionales o formando combinaciones independientes llamadas MOLÉCULAS. Un trozo de materia formada por moléculas iguales se llama sustancia. Las sustancias se mezclan y dan lugar a la gran diversidad que observamos en la Naturaleza. CAMBIOS Y ENERGÍA Vemos que todas las cosas que existen en la Naturaleza experimentan constantes cambios. Unos cambios ocurren rápidamente, otros tardan más tiempo. Hay cambios que no afectan a la estructura molecular del cuerpo y la composición molecular sigue siendo la misma después del cambio. Éstos son los cambios físicos: romper una cuerda, disolver azúcar en agua, tirar una piedra, etc. Otros cambios sí alteran la composición molecular y se producen moléculas diferentes, por ejemplo, cuando se quema un papel. Éstos son cambios químicos. Para estudiar los cambios hemos asignado a los cuerpos una nueva magnitud llamada ENERGÍA. Cuando se producen los cambios, los cuerpos disminuyen o aumentan su nivel de energía cediendo o cogiendo energía de otros cuerpos. Así la energía global no cambia. Pasa de unos cuerpos a otros sin destruirse (es lo que denominamos Teorema de Conservación de la Energía). Cuando hablamos de producir energía queremos decir que sacamos la energía de un cuerpo para dársela a otro. Hay muchas formas de hacer esto y según sea el método utilizado le ponemos un apellido al nombre energía: eléctrica, química, mecánica, hidráulica, etc. Pág. 21

2 A4.1 Lee los textos anteriores y contesta a las siguientes cuestiones: a) Qué quiere decir Demócrito con la frase del principio del tema?. b) Qué es la carga?. Cuántos tipos de carga existen?. c) Cuál es la estructura de los átomos?. d) Qué diferencia hay entre un átomo y molécula?. e) Y entre una sustancia y una mezcla?. f) Diferencia entre un cambio físico y un cambio químico. Pon algunos ejemplos. g) Qué es la energía?. Qué le ocurre a un cuerpo cuando cambia su energía?. LOS SÓLIDOS Y LA TEMPERATURA En la naturaleza encontramos sustancias sólidas con forma y volumen propios. Ello se debe a que las partículas que lo forman se atraen fuertemente manteniéndose unidas y ordenadas formando redes tridimensionales llamadas redes cristalinas. Los átomos que forman la red no se pueden juntar más y el sólido no se puede comprimir. atómica (CERO ABSOLUTO). Sin embargo, los átomos en estas redes no están totalmente en reposo. Se encuentran vibrando (pequeños movimientos de oscilación). Hoy día se utiliza esa vibración para medir el tiempo (relojes atómicos). Cuando suministramos energía al sólido, aumenta la vibración y el grado de agitación del cristal se hace mayor. Este aumento de la vibración hace que el espacio ocupado por el sólido aumente un poco (se dilata). Para medir el grado de agitación térmica hemos creado una nueva magnitud: LA TEMPERATURA. Mayor temperatura significa mayor grado de agitación atómica. La menor temperatura posible es aquella en la que cesa la vibración LENGUAJE CIENTÍFICO CORRECTO: Cuando comparamos las temperaturas de dos cuerpos utilizamos los adjetivos frío (el de menor temperatura) y caliente (el de mayor temperatura). Pero un cuerpo no está por sí mismo frío o caliente. Está frío o caliente con respecto a otro Cuando dos cuerpos a distinta temperatura interaccionan hay un traspaso de energía en forma de calor desde el cuerpo caliente al frío. Como consecuencia de esa transferencia de energía, el cuerpo frío sube su temperatura (decimos que se calienta). Ésta es la forma más sencilla y antigua de aumentar la temperatura de un cuerpo: ponerlo en contacto con la llama caliente de una combustión. LENGUAJE CIENTÍFICO CORRECTO: El calor es un proceso de transferencia de energía. Los cuerpos no tienen calor, tienen energía que se pueden traspasar en forma de calor y pueden aumentar su temperatura A4.2 Lee el texto anterior y responde a las siguientes cuestiones básicas en tu cuaderno: a) Explica porqué los sólidos tienen forma y volumen propios. b) Qué es la temperatura?. Por qué se produce la dilatación de los sólidos?. c) Cómo se puede aumentar la temperatura de un cuerpo?. Cuál es la manera más fácil de hacerlo?. d) Qué diferencia hay entre el calor y la temperatura?. Pág. 22

3 MEDIDAS DE TEMPERATURA: Iniciación Interactiva a la Materia de Mariano Gaite Cuesta Inicia la aplicación, entra en PROPIEDADES y elige la pestaña TEMPERATURA. Realiza todas las actividades anotándolas en tu cuaderno. UNA EXPERIENCIA DE LABORATORIO: FRÍO Y CALOR El frío o el calor son sensaciones. Si al tocar un cuerpo la energía sale de nuestro cuerpo decimos que el cuerpo está frío. En caso contrario decimos que está caliente. Pero un mismo cuerpo puede producirnos las dos sensaciones: a) Coge tres recipientes y echa agua caliente en uno, agua muy fría en otro y agua templada en el tercero. b) Sumerge una mano en el recipiente del agua caliente durante un par de minutos. A continuación saca la mano y sumérgela en el recipiente del agua templada. Qué sensación tienes?. c) Repite la experiencia con el recipiente del agua fría. Qué sensación te produce ahora el agua templada?. Es evidente que los conceptos frío y caliente no son útiles en Ciencia, aunque utilizamos esos términos para comparar el nivel térmico de dos cuerpos: el cuerpo más frío es el de menor temperatura. A4.3 Explica cuáles de los siguientes enunciados son verdaderos y cuáles no: a) El termómetro con el mercurio en 0 C pesa menos que con el mercurio en 90 C. b) El agua a 32 F está más fría que a 20 C. c) Cuando un cuerpo se dilata aumenta de peso. d) La densidad de una sustancia depende de la temperatura. e) El calor pasa de los cuerpos calientes a los cuerpos fríos. f) Al evaporar 5 g de agua la masa obtenida de vapor se hace igual a cero. g) Al fundir 1 L de hielo se obtiene 1000 ml de agua líquida, A4.4 Expresa en Kelvin las siguientes temperaturas: 25 C 60 F A4.5 Qué temperatura es mayor: 290 K ó 45 F?. Pág. 23

4 FUSIÓN Y ESTADO LÍQUIDO Cuando la temperatura alcanza cierto nivel, el grado de vibración llega a ser tan grande que la red empieza a romperse. En este momento hablamos de un cambio de estado: FUSIÓN. Las partículas que forman el sólido (átomos o moléculas) superan las atracciones de las redes y pueden moverse con cierta libertad. Estamos en un nuevo estado, el estado líquido. Si el sólido está formado por una sola sustancia (si no es una mezcla) toda la energía que aportemos se dedica a romper la red cristalina y la temperatura se mantiene constante mientras haya sólido. A esa temperatura se la llama temperatura de fusión y es característica de cada sustancia. Si en lugar de una sustancia tenemos una mezcla no existe una temperatura de fusión constante. Como hay moléculas diferentes, las fuerzas entre ellas será diferente. A una determinada temperatura habrá agitación suficiente para romper unas uniones pero no para otras. Así, al aumentar la temperatura de una mezcla vemos que una parte empieza a fundir pero la temperatura no se mantiene constante, sigue subiendo a diferencia de lo que ocurre cuando se calienta una sustancia. En un recipiente que contenga agua líquida con hielo bien mezclados la temperatura se mantiene constante mientras exista hielo (0 ºC = 32 º F = 273 K) A4.6 Lee el texto anterior y explica en tu cuaderno: a) Qué es la temperatura de fusión. b) Un método para distinguir una sustancia de una mezcla. c) Por qué las mezclas no tienen temperatura de fusión constante?. La temperatura de fusión es la misma que la temperatura de solidificación (congelación para líquidos) ACTIVIDAD DE LABORATORIO: Llenamos un bote con agua hasta los dos tercios. Marcamos la altura que alcanza el agua con un rotulador y pesamos el conjunto. Lo metemos en el congelador hasta que el agua congele y volvemos a pesar el tubo con el hielo. Fíjate en el volumen que ocupa el hielo. Explica los resultados en tu cuaderno. SÓLIDOS, LÍQUIDOS Y GASES: Iniciación Interactiva a la Materia de Mariano Gaite Cuesta Inicia la aplicación, entra en ESTADOS y elige la pestaña Sólidos. Realiza todas las actividades anotándolas en tu cuaderno. Pasa a las pestañas Líquidos y a la de Gases. Pág. 24

5 EVAPORACIÓN Entre las moléculas de una sustancia actúan fuerzas de unión llamadas FUERZAS INTERMOLECULARES. La intensidad de las mismas depende del tipo de sustancia; por ejemplo, las fuerzas intermoleculares en el alcohol son de menor intensidad que en el agua. En estado líquido las moléculas tienen la energía suficiente para debilitar la acción de estas fuerzas intermoleculares. Ello provoca la libertad de movimiento en el seno del líquido. Incluso hay moléculas con la energía necesaria para vencer la acción de estas fuerzas completamente y pasar a estado gaseoso: este es el fenómeno de la evaporación. Las moléculas del líquido que pasan a estado de vapor chocan contra las moléculas del aire que hay encima del líquido y pueden volver al seno del líquido. Si retiramos las moléculas que pasan a vapor, no podrán volver al líquido y la evaporación continuará, el resultado final será la total evaporación del líquido. Si queremos favorecer la evaporación podemos: Aumentar la superficie del líquido (esparciéndolo o echándolo en un recipiente más ancho). Crear corrientes de aire que retiren las moléculas del vapor. Aumentar la cantidad de moléculas que pueden pasar a la fase vapor aumentando la temperatura (al subir la temperatura aumenta la energía de las moléculas y se mueven más rápidas lo que hace que el número de ellas que pueden pasar al vapor sea mayor). A4.7 Lee el texto anterior y responde en tu cuaderno: a) Qué es la evaporación?. Por qué se produce?. b) Por qué se seca la ropa antes cuando hay corrientes de aire?. c) Por qué al aumentar la temperatura se favorece la evaporación?. EBULLICIÓN El fenómeno de la evaporación es un fenómeno que ocurre en la superficie del líquido. Si se aumenta la temperatura llega un momento que incluso dentro del líquido se forman burbujas de vapor que al ser menos densas que el líquido se van hacia arriba, hacia la superficie. Este fenómeno se denomina ebullición. La situación de ebullición permite diferenciar de nuevo a las sustancias de las mezclas. Si el líquido sólo contiene una sustancia la temperatura no varía mientras se produce la ebullición. Esta temperatura se denomina Temperatura de ebullición y es característica de las sustancias. Si se trata de una mezcla, al calentar y subir la temperatura, el líquido empieza a hervir pero mientras tiene lugar la ebullición la temperatura no se mantiene constante. Un líquido puro hirviendo garantiza una temperatura constante A4.8 Lee el texto anterior y responde en tu cuaderno: a) Cuál es la diferencia entre ebullición y evaporación?. b) Diseña otra experiencia que te permita distinguir una sustancia de una mezcla. Pág. 25

6 CAMBIOS DE ESTADO: Iniciación Interactiva a la Materia de Mariano Gaite Cuesta Inicia la aplicación, entra en ESTADOS y elige la pestaña Cambios. Realiza todas las actividades anotándolas en tu cuaderno. Pasa a las pestaña Actividades finales. GASES Y PRESIÓN En estado gaseoso las moléculas se mueven con gran libertad por todo el recipiente. El gas ocupa todo el volumen del recipiente. Si el recipiente tiene volumen variable, el volumen del gas irá variando en la misma medida. La temperatura del gas nos marcará el grado de agitación molecular (relacionada con la velocidad media de las moléculas). Las moléculas se mueven y chocan entre sí, y contra las paredes del recipiente, cambiando de dirección constantemente. Los choques contra las paredes (y contra todo lo que este dentro del recipiente) da lugar a una nueva magnitud llamada PRESIÓN. LENGUAJE CIENTÍFICO: diferencia gas y vapor. Se llama vapor al gas que procede de las sustancias que a temperatura ordinaria se encuentran en estado líquido RESUMEN MODELO CINÉTICO MOLECULAR 1. Un gas está formado por partículas llamadas moléculas. Las moléculas de una sustancia son iguales entre sí y diferentes a las de otra. 2. Son partículas muy pequeñas por lo que el número de moléculas es muy grande: en un litro de aire hay del orden de 2, moléculas. 3. Las moléculas están en continuo movimiento al azar: se mueven en todas las direcciones y chocan entre sí y contra las paredes del recipiente. La temperatura está relacionada con la energía media de las moléculas (con la velocidad media de las moléculas). 4. La presión de un gas es el resultado de los choques de las moléculas con las paredes del recipiente que las contiene (o con los objetos que se encuentran sumergidos en el gas). Pág. 26

7 LENGUAJE CIENTÍFICO: nombres de los cambios de estado Sólido a líquido: Líquido a gas: Gas a sólido: Líquido a sólido: Sólido a gas: Gas a líquido: EJERCICIOS PARA ENTREGAR: MASA, VOLUMEN Y TEMPERATURA A4.9 Un bote que contiene 2 cm 3 de alcohol líquido se encuentra encima de una balanza que marca una masa de 56 g. Conseguimos que el alcohol se evapore, manteniendo cerrado el bote. Comenta los siguientes enunciados, explicando cuáles son verdaderos y cuáles no: a) El vapor de alcohol ocupa la parte superior del bote. b) La balanza señalará un peso inferior. c) La densidad del alcohol sigue siendo la misma. d) Al abrir el bote lo marcado por la balanza no varía. A4.10 La densidad del hielo es 0,92 g/cc (recuerda que la del agua líquida es 1,00 g/cc). Tienes 200 cm 3 de hielo y dejas que se conviertan en agua líquida. Completa los siguientes enunciados (haz los cálculos oportunos): a) La masa de los 200 cm 3 de hielo es b) La masa de agua líquida que se obtiene es c) El volumen que ocupa el agua líquida obtenida es A4.11 Qué volumen ocupa el hielo obtenido al congelar medio litro de agua líquida?. A4.12 Un vaso contiene 300 cm 3 de agua líquida y un trozo de hielo de volumen 100 cm 3 de los cuales 92 cm 3 se encuentran sumergidos en el agua y 8 cm 3 se encuentran emergidos. Haz un dibujo y responde: a) Cuál es el volumen que ocupa toda la mezcla?. b) Cuál es la masa de toda la mezcla?. c) Qué masa de agua se tiene al fundir todo el hielo?. d) Qué volumen ocupa todo el agua que queda después de fundir el hielo?. A4.12 Responde a las siguientes cuestiones: a) A qué temperatura se encuentra el agua obtenida al fundir 1 g de hielo?. b) En qué consiste la técnica del calentamiento al baño maría?. c) Qué diferencia hay entre freír patatas y cocer patatas?. TEMPERATURAS DE FUSIÓN Y EBULLICIÓN DE ALGUNAS SUSTANCIAS (PURAS) SUSTANCIA agua etanol azufre oxígeno nitrógeno estaño plata t fusión C t ebullición C A4.13 Cuál es el estado de las sustancias incluidas en el cuadro anterior a la temperatura de 119 C?. Y a -150 C? Pág. 27

8 ACTIVIDAD DE LABORATORIO: fusión y ebullición de sustancias puras y de mezclas 1. Preparamos hielo triturado en un vaso de 500 cm 3 e introducimos un termómetro. Medimos la temperatura cada dos minutos y anotamos los valores del termómetro hasta que todo el hielo haya fundido. Continuamos anotando la temperatura durante quince minutos más. 2. En otro vaso de 500 cm 3 echamos agua destilada y calentamos. Medimos la temperatura cada dos minutos hasta que hierva. Continuamos anotando la temperatura durante 10 minutos más. 3. Preparamos otro vaso con hielo triturado e introducimos el termómetro como al principio. Después de unos minutos echamos un puñado de sal, removemos y observamos la temperatura que marca el termómetro. Echamos otro puñado de sal. Qué ocurre con la temperatura?. CALENTAMIENTOS Y CAMBIOS DE ESTADO EN UNA SUSTANCIA (NO MEZCLA) Al calentar un sólido formado por una sustancia pura, la temperatura comienza a subir hasta que se alcanza el punto de fusión. Mientras el sólido está fundiendo la temperatura de la sustancia pura no varía (por eso la temperatura de la mezcla de hielo y agua líquida se mantiene en 0 C). Cuando todo el sólido se ha fundido, si se sigue suministrando energía, la temperatura del líquido comienza a subir hasta alcanzar la temperatura de ebullición. Mientras el líquido puro hierve se mantiene constante la temperatura (esa es la temperatura de ebullición). Una vez que todo el líquido se ha transformado en vapor, y si se sigue calentando, la temperatura vuelve a subir. A4.14 Comenta los siguientes enunciados indicando cuáles son verdaderos y cuáles no: a) 1000 L de agua hierven a una temperatura mayor que 1 cm 3 de agua. b) Al evaporar 5 g de agua la masa obtenida de vapor es menor. c) La densidad del agua líquida es la misma que la del vapor de agua. d) Una sustancia líquida se evapora a cualquier temperatura. e) Las burbujas que se observan al hervir agua contienen aire. f) Al fundir 1 L de hielo se obtiene 1000 cm 3 de agua líquida. g) La temperatura de fusión de una sustancia pura sirve para identificarla. h) El alcohol se evapora a una temperatura menor que el agua. i) Una mezcla agua - alcohol hierve siempre a la misma temperatura. j) Una sustancia pura hierve siempre a la misma temperatura. k) 1 g de vapor de agua ocupan un volumen menor que 10 g de gas butano. l) 10 L de gas carbónico no caben en una botella de 1 L de capacidad. m) El alcohol se evapora más rápidamente que el agua n) 100 L de vapor de agua tienen una masa mayor que 2 L de agua líquida Pág. 28

9 EL AIRE Y LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA ALGUNAS EXPERIENCIAS DE LABORATORIO: 1) Clava en una patata un tubo metálico de paredes finas (puede servir un perforador de corcho). Intenta atravesarla tapando los agujeros del extremo superior. Resulta fácil?. 2) Coge un globo sin inflar y átalo fuertemente de forma que no pueda entrar aire en su interior. Colócalo en el interior de un desecador y saca el aire del interior de éste con ayuda de la bomba de vacío. 3) Coge un Erlenmeyer y llénalo completamente de agua. Tápalo con un tapón que tenga un orificio y un tubo hueco en el mismo. Intenta beber aspirando por el tubo. 4) Coge un tarro de vidrio y llénalo completamente de agua. Tápalo con un trozo de papel y dale la vuelta procurando que no quede ninguna burbuja de aire en el interior. Qué ocurre al dejar de sujetar el papel?. Y EN LA CASA: 5) Por qué se quedan adheridas las ventosas a las losas de la cocina?. Cuál es la mejor manera de despegarlas?. El aire es un gas que está formado por mezcla de moléculas de varios gases. Un 21% de las mismas son del gas oxígeno, un 78% son del gas nitrógeno y el resto es muy variado: vapor de agua, dióxido de carbono, gases nobles, etc. Estas moléculas se encuentran moviéndose (con una velocidad media que depende de la temperatura) y chocan con los objetos dando lugar a un empuje llamado PRESIÓN ATMOSFÉRICA. Ese empuje explica todas las experiencias anteriores. A4.15 Intenta dar una explicación de las experiencias realizadas en términos de la presión atmosférica. MEDIDA DE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA Evangelista Torricelli fue la primera persona que, en 1643, logró medir la presión atmosférica. Llenó de mercurio un tubo de 1 m de largo, (cerrado por uno de los extremos) y lo invirtió sobre un cubeta llena de mercurio. La columna de mercurio del tubo empezó a bajar varios centímetros pero al llegar a unos 76 cm del nivel de la cubeta, la columna se mantuvo sin bajar. Torricelli razonó que la columna de mercurio no caía más Pág. 29

10 debido a que el empuje de la presión atmosférica sobre la superficie del mercurio (y transmitida a todo el líquido y en todas direcciones) era capaz de equilibrar el peso del mercurio de la columna. La presión del aire cambia en función de fenómenos atmosféricos. Unas veces sube y empuja más al mercurio subiendo por encima de los 76 cm. Entonces hablamos de altas presiones (A) que están relacionadas con lo que llamamos buen tiempo atmosférico. Otras veces baja de los 76 cm y hablamos de bajas presiones (B) que están relacionadas con las borrascas y el mal tiempo atmosférico (aunque lo de buen tiempo o mal tiempo depende de las necesidades que tengamos de agua potable). Fíjate que para medir la presión del aire utilizamos una longitud de mercurio: mm de Hg. Cuando la presión es 760 mm Hg hablamos de UNA ATMÓSFERA (atm). En los mapas del tiempo se utiliza otra unidad de presión llamada milibar (mb) de tal manera que 1 atm = 760 mm Hg = 1013 mb A4.16 Lee el texto anterior y responde a las siguientes cuestiones: a) Explica con tus palabras la experiencia de Torricelli. b) Qué puedes decir del tiempo meteorológico si ves que la columna de mercurio baja de 760 mm. c) Podrías explicar qué deberíamos hacer si queremos construir un barómetro que utilice agua en lugar de mercurio?. d) Clasifica, de menor a mayor, las siguientes presiones: 800 mm Hg, 1'2 atm, 1020 mb Pág. 30