Departamento de Física y Química UNIDAD 2: LA MATERIA Y SUS PROPIEDADES

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1 UNIDAD 2: LA MATERIA Y SUS PROPIEDADES. LA MATERIA Y SUS PROPIEDADES Materia: Todo lo que tiene masa y volumen. Sistema material, objeto o cuerpo: porción de materia que se considera para su estudio al margen del resto del Universo. Ej.: libro, moneda... Sistemas materiales: formados por sustancias químicas. La materia está formada de millones de sustancias químicas diferentes. Una sustancia química es cada tipo de materia que tiene una composición química constante y unas propiedades características. Ejemplos: agua (H 2 O), mercurio (Hg), plomo (Pb), oro (Au) Cada sustancia química tiene sus propias propiedades específicas que la identifican. Masa: magnitud, propiedad común de la materia, que mide la cantidad de materia de un objeto. Se mide con la balanza. Unidades (SI): kilogramo (kg). Unidades: t (tonelada; t 0 kg), kg, hg, dag, g, dg, cg, mg. VOLUMEN: magnitud, propiedad COMÚN de la materia, que mide el ESPACIO que ocupa un objeto. Magnitud derivada de la longitud. Unidades (SI): metro cúbico (m ). Unidades: km, hm, dam, m, dm, cm, mm. CAPACIDAD: medida volúmenes de líquidos y gases que un recipiente hueco puede contener. Unidades basadas en el litro, L. Unidades: kl, hl, dal, L, dl, cl, ml. Magnitudes de la materia: son aquellas propiedades de la materia que podemos medir. Se clasifican en magnitudes comunes o generales y magnitudes específicas o características. a) Magnitudes comunes: propiedades cuyo valor no permite identificar una sustancia. Son propiedades comunes la masa, el volumen y la temperatura. b) Magnitudes específicas: magnitudes cuyo valor es característico para cada sustancia y permite identificarla. Son propiedades específicas la densidad, el punto de ebullición, el punto de fusión, la dureza, la solubilidad en agua, la conductividad eléctrica, 2. ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA Y CAMBIOS DE ESTADO: La materia se puede encontrar en tres estados físicos distintos dependiendo de la presión y la temperatura: sólido, líquido y gas. a) Sólidos.. Tiene una forma fija. 2. Tienen un volumen fijo.. Son rígidos e incompresibles (compresibilidad: disminución del volumen mediante presión). º ESO

2 4. Capacidad de difusión insignificante: no se mezclan. 5. Dilatación (Aumento de volumen debido a un aumento de temperatura) y contracción. 6. Fusión (sólido líquido). 7. Sublimación (sólido gas). 8. Densidad elevada (mucha masa, materia, en un volumen determinado). 9. Dureza: Propiedad característica de la materia que mide la resistencia de un sólido a ser rayado. b) Líquidos.. Volumen fijo. 2. Forma variable (se adaptan a la forma del recipiente que los contiene).. Fluido (facilidad de movimiento, cambian de forma) 4. Casi Incompresibles. 5. Capacidad de difusión: miscibles (se mezclan) e inmiscibles (no se mezclan). 6. Experimentan dilatación y contracción. 7. Solidificación (líquido sólido). 8. Vaporización (líquido gas). 9. Densidad media. 0. Tensión superficial: acusada tendencia de su superficie a contraerse que les permite c) Gases. resistir la acción de una fuerza externa.. Forma variable (se adaptan a la forma del recipiente que los contiene). 2. Volumen variable.. Son fluidos. 4. Se comprimen y expanden fácilmente. 5. Capacidad de difusión (se mezclan perfectamente). 6. Experimentan dilatación y contracción. 7. Condensación (gas líquido). 8. Sublimación regresiva (gas sólido). 9. Densidad baja. 0. Ejercen presión sobre las paredes de su recipiente. Hay un cuarto estado de la materia llamado plasma, en el que la materia está en estado gaseoso a temperaturas y presiones muy elevadas con sus partículas ionizadas. El estado plasma se puede encontrar en las estrellas. Cambios de estado: la materia puede pasar de un estado a otro dependiendo de las condiciones de presión y temperatura. Hay seis cambios de estado diferentes: 2 º ESO

3 a) Fusión: es el cambio del estado sólido al estado líquido. b) Vaporización: es el cambio del estado líquido a gas. Hay dos tipos de vaporización: ebullición y evaporación. Ebullición: vaporización de una sustancia a una temperatura fija y característica de esa sustancia, llamada temperatura de ebullición. Ejemplo: el agua ebulle a 00 ºC (P atm); el etanol ebulle a 79 ºC (P atm); la acetona a 56,5 ºC (P atm). Evaporación: vaporización de una sustancia líquida a una temperatura inferior a la temperatura de ebullición a una determinada presión. Se produce en la superficie del líquido. A mayor temperatura mayor es la evaporación. Ejemplo: el agua se evapora entre 0 y 00 ºC. A mayor temperatura se produce una mayor evaporación. c) Sublimación: es el cambio del estado sólido al estado gas sin pasar por el estado líquido. d) Solidificación: es el cambio del estado líquido al estado sólido. e) Condensación: es el cambio del estado gaseoso al estado líquido. f) Sublimación inversa: es el cambio del estado gaseoso al estado sólido sin pasar por el estado líquido. Temperatura de cambio de estado: temperatura fija y característica para cada sustancia química a la que se produce un cambio de estado (Ej: el agua ebulle a 00 ºC; el etanol ebulle a 79 ºC). Su valor depende de la presión atmosférica. Temperatura o punto de fusión, T f : temperatura fija y característica a la que una sustancia sólida funde. Es una propiedad específica de las sustancias puras. Ejemplo: el agua funde a 0 ºC. La temperatura se mantiene constante durante la fusión si la sustancia es pura. Unidad: ºC. Ejemplos: T f H2 O 0ºC, T f ethanol 4 ºC, T f Hg 8,7 ºC, T f plomo 27,6ºC, T f NaCl 80 ºC. Temperatura o punto de solidificación: temperatura fija y característica a la que una sustancia líquida solidifica. El punto de fusión y la temperatura de solidificación son prácticamente iguales. º ESO

4 Temperatura o punto de ebullición, T e : temperatura fija y característica a la que una sustancia líquida ebulle. Es una propiedad específica de las sustancias puras. Ejemplo: el agua ebulle a 00 ºC y el etanol ebulle a 79,5 ºC (P atm). GRÁFICAS DE CAMBIO DE ESTADO: Representaciones gráficas de la temperatura de una sustancia frente al tiempo de calentamiento. Permiten visualizar fácilmente los tramos en los que la temperatura permanece constante, es decir, en los que se produce los cambios de estado. Cada sustancia tiene una gráfica diferente. La temperatura de fusión coincide con la temperatura de solidificación. 2. DENSIDAD DENSIDAD: Magnitud, propiedad CARACTERÍSTICA de una sustancia, que mide la cantidad de materia, la MASA, que ocupa un determinado VOLUMEN. masa m densidad d volumen V Cada sustancia tiene su propio valor de densidad, es una propiedad específica de las sustancias puras que permite identificarlas. La densidad varía con el estado físico de la sustancia. Como regla general un sólido es más denso que un líquido y un líquido es más denso que un gas. La densidad varía con la presión y la temperatura. Disminuye cuando la temperatura aumenta. Unidades: kg/m (S.I.), g/cm ó g/ml. d Hg,6 g cm,6 g cm,6 :000 kg : m g cm 0,06 kg 0,00000 m g ml.600 kg,4 kg,4 000 g.40 g g d O2,4 0,004 m m cm cm cm d H2 O,0 g cm,0 g cm Significado de la densidad:,0 :000 kg : m 0,00 kg 0,00000 m.000 g,0 g d H2 O,0 En cm de espacio hay g de H 2 O. cm cm kg m kg m 4 º ESO

5 g 0,004 g d O2 0,004 En cm de espacio hay 0,004 g de O 2. cm cm d Hg,6 g,6 g En cm de espacio hay,6 g de Hg. cm cm Ejemplo: Determina la densidad de una sustancia que tiene una masa de 0 g y un volumen de 5 cm. Datos: m 0 g; V 5 cm m 0 g g d 6 V 5 cm cm Ejemplo: La densidad de una sustancia es de 0 g/cm qué volumen ocupa 0 g? Datos: d 0 g/cm, m 0 g m m 0 g d V / cm V d g 0 / cm Ejemplo: La densidad de una sustancia es de 0 g/cm qué masa tiene cm? Datos: d 0 g/cm, V cm Medida de la densidad de un líquido: m g d V d m m V d cm 0 V cm. Se mide la masa de una porción de un líquido en la balanza. 2. Se mide el volumen de esa misma porción de líquido con una probeta.. Se divide la masa entre el volumen, en las unidades adecuadas. Medida de la densidad de un sólido:. Se mide la masa del sólido con una balanza. 2. Se mide el volumen del sólido con una probeta: a. Se llena la probeta con agua hasta un volumen determinado. b. Se sumerge el sólido con cuidado en el agua de la probeta. c. V sólido V final V inicial. Se calcula la densidad del sólido: sólido sólido 0 g m d V 5 º ESO

6 4. TEORÍA CINÉTICO-MOLECULAR DE LA MATERIA Estudio de la ESTRUCTURA INTERNA de la materia, de sus estados de agregación y de sus propiedades físicas.. Materia: está formada de millones de partículas muy pequeñas e individuales en constante movimiento y chocan entre sí. 2. Entre las partículas no hay nada, espacio vacío. La materia es discontinua.. Hay fuerzas atractivas entre partículas de mayor a menor intensidad. 4. La velocidad de las partículas depende de la temperatura. A mayor temperatura más rápidas se mueven las partículas. GASES: Distancias de separación entre las partículas muy grandes. Casi todo el volumen de un gas es espacio vacío. Fuerzas atractivas casi inexistentes. Gran libertad de movimiento, en todas direcciones. Trayectorias rectilíneas. Choques elásticos entre ellas y con las paredes del recipiente que las contiene. Estructura desordenada. LÍQUIDOS: Distancias de separación pequeñas. Fuerzas atractivas de intensidad media. Movimiento restringido, en todas direcciones. Estructura desordenada. SÓLIDOS: Distancias de separación muy pequeñas. Fuerzas atractivas de gran intensidad. Movimiento casi nulo: VIBRACIÓN (alrededor de un punto en equilibrio). Estructura rígida y ordenada. TEMPERATURA: Magnitud que mide la energía cinética media del movimiento continuo de las partículas de la materia. A mayor temperatura las partículas de un objeto se mueven más rápidamente. La temperatura se mide con los termómetros. 6 º ESO

7 Escalas de temperaturas:. Escala centígrada o Celsius: escala de uso más habitual. Unidad: grado centígrado o grados Celsius, ºC. El valor 0º C (P atm) corresponde al punto de fusión del agua; y el valor 00 ºC (P atm), al punto de ebullición del agua. Entre un punto y otro la escala se divide en 00 partes iguales. 2. Escala Kelvin: escala científica que no tiene valores negativos. Unidad: kelvin, K. K equivale a un ºC. Sin embargo, toma como valor 0 el cero absoluto (0 K), temperatura a la que el movimiento térmico de las partículas cesa.. Escala Fahrenheit: es una escala en la que el agua funde a 2 ºF y ebulle a 22 ºC. ºF es iguala 5/9 ºC. Esta escala sigue siendo oficial en Estados Unidos y algunos países más. Ecuaciones de conversión entre la escala Celsius y la escala Kelvin: T (K) t (ºC) + 27 T (K) 27 t (ºC) Ecuaciones de conversión entre la escala Celsius y la escala Fahrenheit: 5. LEYES DE LOS GASES (º F 2 ) 5 º C 9 º C º F PRESIÓN DE UN GAS: Magnitud que mide la fuerza que ejerce un gas por unidad de superficie. Presión de un gas según la teoría cinético-molecular: Choques de las partículas del gas contra las paredes del recipiente que lo contiene. Unidades (S.I.): Pascal (Pa). Otra unidad: atmósfera (atm). atm 0.00 Pa Atmósfera: Capa gaseosa que envuelve a la Tierra, formada por una mezcla de gases cuya composición varía con la altura. Presión atmosférica: Presión que ejerce la atmósfera debido a su peso sobre la superficie de los cuerpos en contacto con ella. 7 º ESO

8 RELACIÓN ENTRE EL VOLUMEN Y LA PRESIÓN DE UN GAS: Gases compresibles: Disminuyen su volumen al aumentar la presión sobre ellos, aumentando su propia presión. Gases expansibles: Aumentan su volumen al disminuir la presión sobre ellos, disminuyendo su propia presión. LEY DE BOYLE-MARIOTTE (s. XVII): Para una cantidad fija de un gas a temperatura constante, el producto del volumen que ocupa por la presión a la que se halla es constante. P y V son inversamente proporcionales. ap V k P V P 2 V 2 a P (atm) V (L) P V k, ,0 7,5 5,0 5,0 5 5,0,0 5 Explicación de la ley de Boyle-Mariotte mediante la teoría cinético-molecular: Las partículas de los gases están muy separadas entre sí. Al ejercer presión sobre un gas sus partículas se pueden acercar más entre ellas (disminuye el volumen), aunque aumenta el nº de choques por unidad de superficie, (aumenta la presión) ya que el contenedor es más pequeño. Las partículas no aumentan su velocidad, ya que la temperatura permanece constante. RELACIÓN ENTRE LA PRESIÓN Y LA TEMPERATURA DE UN GAS: 2ª Ley de Gay-Lussac (s. XIX): A volumen constante, la presión de una cantidad fija de un gas aumenta proporcionalmente al aumentar su temperatura. P P 2 (T en kelvin) T T 2 Explicación de la ley de Boyle-Mariotte mediante la teoría cinético-molecular: Si las paredes del recipiente que contiene el gas son rígidas cuando aumenta la temperatura las partículas se mueven más rápido y chocan más veces entre sí y con las paredes del recipiente (aumenta la presión pero no el volumen). 8 º ESO

9 RELACIÓN ENTRE EL VOLUMEN Y LA TEMPERATURA DE UN GAS: Ley de Charles (s. XIX): A presión constante, el volumen de una cantidad fija de gas aumenta proporcionalmente al aumentar su temperatura. Teoría cinético-molecular: V V 2 (T en kelvin) T T 2 Explicación de Charles mediante la teoría cinético-molecular: Las partículas de los gases están en continuo movimiento. Cuando aumenta la temperatura las partículas se mueven más rápido y se separan entre sí. Si las paredes del recipiente son elásticas, el gas se dilata, aumenta su volumen. LEY GENERAL DE LOS GASES: Combinación de las tres leyes anteriores P V T P2 V T 2 2 (T en kelvin) 6. CAMBIOS DE ESTADO Y TEORÍA CINÉTICO-MOLECULAR Cambios de estado de las sustancias: Cambios de temperatura y presión reversibles. Cambios sólido líquido gas: Aumento de temperatura y disminución de presión. Cambios gas líquido sólido: Disminución de temperatura y aumento de presión. Teoría cinético-molecular sobre la fusión: Al calentar un sólido, aumenta el movimiento de vibración de sus partículas, superando sus fuerzas de atracción, su estructura se desmorona, pasando a estado líquido. Teoría cinético-molecular sobre la vaporización: Al calentar un líquido, sus partículas se moverán más rápidamente, pudiendo algunas abandonar el líquido (evaporación). Si se sigue calentando casi todas las partículas tendrán la velocidad suficiente para abandonar el líquido (ebullición). 9 º ESO

10 Temperatura de los cambios de estado: la temperatura durante un cambio de estado de una sustancia pura permanece fijo. Su valor depende de la presión. Teoría cinético-molecular sobre la temperatura de los cambios de estado: Durante el cambio de estado la energía del calentamiento o que se pierde se invierte en que las partículas venzan o formen sus fuerzas de atracción y no en aumentar su velocidad (la temperatura no cambia). Influencia de la presión en la temperatura de los cambios de estado: Cuanto mayor es la presión atmosférica mayor es la temperatura de ebullición de una sustancia líquida. Cuanto menor es la presión atmosférica menor es la temperatura de ebullición de una sustancia líquida. Teoría cinético-molecular sobre la influencia de la presión en la temperatura de los cambios de estado: Si la presión atmosférica aumenta las partículas que se están separando encuentran mayores impedimentos (más masa de aire presionando al líquido), y necesitan una mayor energía para separarse (aumento de temperatura). 0 º ESO

11 ACTIVIDADES DE LA UNIDAD 2. Define magnitud. Pon cinco ejemplos. 2. Define masa y escribe todas sus unidades en orden decreciente.. Define volumen y escribe todas sus unidades de en orden decreciente. 4. Escribe las unidades de capacidad en orden decreciente. 5. Define densidad de una sustancia y: a. Escribe la ecuación que permite calcularla. b. Escribe sus unidades. c. Indica si es una magnitud común o característica y explica por qué. d. Explica detalladamente cómo determinarías la densidad de un sólido irregular en el laboratorio. 6. Escribe dos magnitudes comunes de la materia. 7. Define sustancia pura. Pon tres ejemplos. 8. Cuáles son los estados de agregación de la materia? 9. Realiza el esquema de los cambios de estado de la materia, indicando el nombre de cada cambio de estado. 0. Define punto de fusión de una sustancia. Es una magnitud común o característica? Por qué?. Define punto de ebullición de una sustancia. Es una magnitud común o característica? Por qué? 2. Realiza las siguientes transformaciones de unidades INDICANDO LA MAGNITUD DE QUE SE TRATA: a) 55 m en cm b) m 2 en cm 2 c) 2 ml en cm d) 40 cm en dm e) 2 mm 2 en dm 2 f) 200 ml en m g) 2 mm en m h) 4 cm 2 en m 2 i) 200 kg en g j) 7 m en mm k) 20 m en dm l) 2000 g en kg m) 5 km en cm n) 20 cm en dm ñ) 200 g en mg o).000 mg en kg p) horas en s q) h en s r) 80 s en min. s) 2000 kg/m en g/cm t) g/cm en kg/m. Determina la densidad de una sustancia que tiene una masa de 20 g y un volumen de 5 cm. 4. Determina la densidad de una sustancia que tiene una masa de 0 g y un volumen de 5 m. 5. La densidad de una sustancia es 4 g/cm. Si tomo 20 g de esa sustancia qué volumen ocupa? 6. La densidad de una sustancia es 4 g/cm. Si tomo una porción de esa sustancia cuyo volumen es de 5 cm cuál es su masa? 7. La densidad de una sustancia es.600 kg/m. a) Convierte la unidad de la densidad a g/cm. b) 50 g de esa sustancia, qué volumen ocupa? c) 00 cm de esa sustancia, qué masa tiene? ACTIVIDADES DE LA TEORÍA CINÉTICA 8. Qué significa que la materia es discontinua? Unidad 2. La Materia y sus Propiedades º ESO

12 9. Si pudieras observar a través de un potente microscopio: A) Cómo representarías el interior de una gota de agua pura? B) Cómo representarías el aíre contenido en un globo? C) Cómo representarías el interior de una bola de plomo a temperatura ambiente? 20. Cómo es la densidad de los gases?. Justifica tu respuesta mediante la teoría cinética. 2. Dibuja el aire contenido en el interior del recipiente herméticamente cerrado cuando las posiciones del émbolo son las de la figura. V 5 cm V 0 cm V 5 cm 22. Aunque el aire contenido en un matraz cerrado está formado por millones de partículas, ahora vas a numerar y dibujar diez de ellas en un instante determinado. Cuál puede ser la posición de esas partículas un minuto después? Por qué? Dibújalas. Qué ocurrirá si calentamos el matraz? Aumentan las partículas de tamaño? 2. Interpreta mediante la teoría cinética el movimiento de las hojas de los árboles cuando hace viento. 24. Recuerda lo que es la evaporación de un líquido (por ejemplo el agua. Aplica la teoría cinética para explicarlo. Explícalo utilizando unos dibujos. 25. Por qué un líquido no ocupa todo el volumen del recipiente que lo contiene? 26. Cuando calentamos un sólido (por ejemplo un alambre de hierro) se dilata. Dibuja un alambre antes y después de calentarlo. Indica cuál de las siguientes situaciones experimentan sus partículas y explica por qué escribiendo al menos tres líneas. Argumenta por qué no son posibles el resto de las situaciones. a) Crecen de tamaño o o o O O O b) Se separan o o o o o o c) Aumentan su número o o o o o o o o d) Continúan igual o o o o o o. Unidad 2. La Materia y sus Propiedades º ESO

13 27. Qué existe en los huecos entre partículas de un sólido? Se mueven las partículas de un sólido a temperatura ambiente? 28. Utilizando la teoría cinética explica los siguientes cambios o fenómenos físicos experimentados por los sistemas materiales. Realiza dibujos para cada situación a) El aumento de temperatura en un trozo de hierro en forma de cubo. b) La dilatación en un trozo de hierro en forma de cubo. c) La vaporización del agua. d) La fusión de un cubito. e) La condensación del vapor de agua en un azulejo del cuarto de baño. f) Disolución de un terrón de azúcar en un vaso de agua. g) La mezcla de medio vaso de alcohol y medio vaso de agua. h) El cambio de presión del aire en el interior de un globo al aumentar y al disminuir la temperatura. 29. Establece analogías y diferencias en la teoría atómico-molecular aplicada a gases, líquidos y sólidos. 0. Construye una tabla donde se recojan las propiedades macroscópicas de los gases y su explicación a partir del modelo atómico molecular (también llamado cinético molecular).. Explica por qué al destapar un frasco de perfume se llena la habitación de su aroma. 2. Por qué la ropa se seca antes cuando hace viento? Explícalo mediante la teoría cinética.. Al calentar un gas encerrado en un recipiente aumenta la presión sobre las paredes. Explícalo utilizando la teoría cinética. 4.,0 L de un gas a temperatura constante y a una presión de un a atmósfera se comprime hasta un volumen de 47 ml. Cuál es la nueva presión del gas? 5. La presión atmosférica en la cima del Monte Everest es aproximadamente de 0,0 atm. La mayoría de los alpinistas necesitan llevar bombonas de oxígeno para realizar la última parte de la escalada. Si un alpinista lleva una bombona de 0,0 L con una presión interna del gas de 0 atm, cuál será el volumen del gas cuando sea liberado de la bombona? 6. Durante una inmersión, el cuerpo de un buceador absorbe nitrógeno del aire que respira. Este nitrógeno produce narcosis cuando el nadador respira aire a una presión elevada y asciende hacia la superficie demasiado rápido porque el gas en su sangre se expande cuando la presión disminuye. Si un buceador tiene 0,025 L de gas en su sangre a una presión de 4 atm y asciende demasiado rápido hasta una presión de,0 atm, cuál será el volumen de ese gas en su sangre? A G E 7. Se introduce un gas en un contenedor de acero de 20,0 L de capacidad a una temperatura de 8 ºC. La presión del gas en el interior del contenedor es de, atm. Cuál será la presión del gas a 60 ºC?. Unidad 2. La Materia y sus Propiedades º ESO

14 8. Un esquimal respira 500 ml de aire a una temperatura de 0 ºC. Cuál es el volumen de aire en sus pulmones si su temperatura corporal media es de 6,5 ºC a presión constante? 9. Un globo tiene inicialmente un volumen de aire de 0,4 L a una temperatura de 20 ºC. Cuál será el volumen del globo si se introduce en un congelador a una temperatura de 5 ºC a presión constante? 40. La presión de la rueda de un coche era de 2,0 atm a una temperatura de 20 ºC. Después de un largo viaje la temperatura de la rueda fue de 40 ºC. Cuál fue la presión del aire de la rueda? Considera que el volumen no varía. Unidad 2. La Materia y sus Propiedades º ESO