PROPIEDADES DE LOS GASES. TEORÍA CINÉTICO MOLECULAR

Transcripción

1 PROPIEDADES DE LOS GASES. TEORÍA CINÉTICO MOLECULAR Introducción: Silvia Marqués de los Santos IES FUENTE DE SAN LUÍS Valencia A pesar de vivir en un mundo en continuo contacto con los gases, el comportamiento de este estado de la materia sigue siendo un gran desconocido para la mayoría de nuestros alumnos. Por una parte, ellos saben que los gases son materiales (les hemos dicho muchas veces que los gases pesan y que ocupan volumen) pero por otra parte saben que, en el estado gaseoso, la materia presenta propiedades totalmente distintas a las de los líquidos y sólidos. Esta mezcla de ideas hace que los alumnos acaben por no entender demasiado bien qué son los gases. Por otra parte, el estado gaseoso es aquel en el que las sustancias presentan un comportamiento más simple y su estudio resulta una manera muy intuitiva de llegar al modelo cinético molecular de la materia. Resulta pues fundamental que los alumnos lleguen a estudiar y entender como se comportan los gases. La manera de proceder consiste en: 1. Estudiar las propiedades de los gases Comunes con los sólidos y los líquidos (tienen masa, ocupan volumenfijo si no cambian ni la temperatura ni la presión-, tienen densidad, el volumen que ocupan no puede ser ocupado simultáneamente por ningún otro cuerpo). Específicas de los gases (se comprimen y expanden enormemente variando la temperatura y/o la presión, se difunden con muchísima facilidad, ejercen presión sobre cualquier superficie en contacto con ellos). 2. Intentar elaborar un modelo que sea capaz de explicar este comportamiento observado y enunciar la Teoría Cinético Molecular presentándola como la única capaz de explicar todas y cada una de las propiedades observadas. 3. Extender esta Teoría a todos los estados de la materia. Objetivos: Aprender a trabajar en el laboratorio y apreciar el orden, la limpieza y el rigor. Aprender a trabajar en equipo. Aprender a comunicar los resultados obtenidos por un equipo al resto de la clase. Aprender a conocer las propiedades de los gases. Comprender que la Teoría Cinético Molecular es la única capaz de explicar las propiedades de los gases. 1

2 Relación del tema propuesto con el currículo del curso: Está relacionado con el tema de Estructura y diversidad de la materia, de 3º de ESO. Material y recursos necesarios: Fiambrera de vacío Matraces erlenmeyers Globos Probeta de 100 ml Embudos de vidrio Tapones horadados y bihoradados Vidrios de reloj Regla de plástico Botellas de agua mineral de vidrio, una de ellas con un pequeño orificio en la base. Procedimiento: A) Propiedades comunes con los sólidos y los líquidos 1. L o s g a s e s p e s a n (tienen masa): para comprobarlo debemos pesar un recipiente vacío y luego lleno de gas, y comprobar la masa del gas. Dado que los gases pesan tan poco, se debe utilizar un recipiente donde se pueda meter suficiente cantidad de gas (que pueda soportar mucha presión): por ejemplo un balón de fútbol. El balón pesa más lleno que vacío. 2. L o s g a s e s o c u p a n v o l u m e n (que si la temperatura y la presión no cambian, es un volumen fijo): un globo lleno de aire, o una colchoneta llena de aire, ocupan más volumen que sin llenar. Y este volumen no cambia si la temperatura y la presión no cambian. 3. L o s g a s e s t i e n e n d e n s i d a d: al igual que los sólidos y los líquidos, masa los gases tienen densidad ( densidad = ). Y cada gas tendrá una densidad volumen característica que no variará si no cambian ni la presión ni la temperatura. La densidad de los gases es pequeñísima en comparación con la de los líquidos o los sólidos. 4. L l e n a n t o d o e l v o l u m e n q u e o c u p a n: puede parecer que un recipiente lleno de gas (aire, por ejemplo) está vacío y que, por tanto, allí donde hay un gas cabe cualquier otra cosa. Comprobaremos que eso no es cierto y que, igual que cuando un recipiente está lleno de un líquido, ha de salir fuera parte del líquido para poder introducir cualquier otro objeto, en un recipiente lleno de gas, o sale parte del gas fuera o no cabe ya ninguna otra cosa. Para comprobarlo: 2

3 a) Intentaremos meter agua con un embudo en un recipiente vacío que esté herméticamente cerrado. El agua no cae. El motivo, claro está, es que el recipiente no estaba vacío sino lleno de un gas: aire. b) Si en el matraz donde intentamos meter agua con un embudo hay una salida para el aire, el agua sí cae. En el montaje de la derecha, la salida del aire va a una probeta invertida llena de agua y se puede comprobar que, mientras va entrando el agua del embudo en el matraz, el aire está saliendo y llenando la probeta. B) Propiedades específicas de los gases (que no poseen ni los sólidos ni los líquidos): 1. L o s g a s e s c a m b i a n m u c h o d e v o l u m e n a l c a m b i a r la p r es i ó n. Metemos un globo medio hinchado dentro de una fiambrera donde se puede hacer el vacío, y al disminuir la presión dentro de la fiambrera, el globo se hincha. Luego vuelve a su volumen original cuando la presión vuelve a ser la atmosférica. 3

4 2. L o s g a s e s c a m b i a n m u c h o d e v o l u m e n a l c a m b i a r la t e m p e r a t u r a. a) Colocaremos un matraz erlenmeyer vacío (es decir, lleno de aire), y en la boca colocaremos un globo. Al calentar el matraz, aumenta el volumen del gas y el globo se hincha. b) Un tubo de ensayo se llena con agua y se calienta. Después de unos minutos tiramos el agua y colocamos un globo, bien ajustado, en la boca. Dentro ha quedado aire caliente. Esperamos y cuando el tubo de ensayo se enfría, el globo se da la vuelta y se mete dentro del tubo. Esto es debido a que el aire del tubo de ensayo ha disminuido de volumen al enfriarse. Si se coloca el tubo en hielo, el globo aun se mete más. Calentando, el globo vuelve a salir y si calentamos más, puede llegar a inflarse. Estamos contemplando los cambios de volumen del aire del tubo cuando cambia la temperatura. 3. L o s g a s e s s e d i f u n d e n a g r a n v e l o c i d a d y e n t o d a s l a s d i r e c c i o n e s: a) Si abrimos una botella que contenga un gas muy oloroso (un perfume intenso, por ejemplo), el gas llega rápidamente de una punta a otra del laboratorio. 4

5 b) En un matraz colocaremos agua con fenolftaleina (incoloro) y en otro matraz amoniaco diluido (incoloro también). Conectaremos ambos matraces con un tubo de vidrio en forma de U invertida y rápidamente comprobaremos como el amoniaco pasa de un matraz a otro y empieza a tener lugar una reacción química (la fenolftaleina, en contacto con el amoniaco, cambia de color). c) En un vidrio de reloj colocaremos un trozo de algodón impregnada en ácido clorhídrico y en otro un trozo de algodón impregnado de amoniaco. Los dos algodones empezarán a desprender gases y sin necesidad de aproximarlos, estos gases empezarán a reaccionar entre sí formando humos blancos de cloruro de amonio (cuidado: requiere una buena ventilación!!). 4. L o s g a s e s e j e r c e n p r e s i ó n s o b r e t o d a s l a s s u p e r f i c i e s q u e e s t á n e n c o n t a c t o c o n e l l o s. La presión que ejercen los líquidos aumenta con la profundidad (hay mucha más presión en el fondo de una botella llena de agua que cerca de la superficie). Sin embargo la presión que ejercen los gases la realizan por igual sobre cualquier superficie que esté en contacto con ellos. Para comprobarlo: 5

6 a) Cogemos un vaso, lo llenamos de agua, lo tapamos con una hoja de papel y le damos cuidadosamente la vuelta: el agua no cae. Esto es debido a la presión que ejerce la atmósfera sobre el papel. b) Cogemos una regla y la colocamos sobre una mesa de modo que la mitad de ella sobresalga de la mesa. Evidentemente, la regla estará en equilibrio inestable. Poniendo un folio sobre la parte de la regla que está sobre la mesa, ya es necesaria muchísima más fuerza para hacerla caer. La explicación está también en la presión atmosférica que ejerce el aire sobre el papel que está apoyado en la regla. c) Intentamos hinchar un globo que está dentro una botella de vidrio. No podemos. Motivo: la presión del gas que hay dentro de la botella lo impide. Sin embargo, unos alumnos privilegiados y con unos pulmones muy superdotados sí que pueden hinchar un globo que está en otra botella. POR QUÉ? Evidentemente, aquí hay truco. La segunda botella está agujereada!!! 6

7 Al soplar en el globo el aire sale por el agujero y si, una vez hinchado, tapamos el agujero, el globo no se desinfla (la presión del aire dentro del globo y la de la botella se han igualado). Una vez conocido el truco, cualquiera puede hinchar el globo dentro de la botella. Tiempo necesario para desarrollar esta práctica: Aproximadamente 1 hora y 30 minutos. Cuestiones para los alumnos: Estas cuestiones se plantean a los alumnos agrupados en grupos de cuatro. 1) Por qué crees que no hemos podido meter agua con el embudo en un matraz erlenmeyer que estaba vacío? Estaba realmente vacío? Y por qué sí que hemos podido meter el agua en el matraz con el segundo montaje? 2) Por qué crees que los gases cambian tan fácilmente de volumen al cambiar la presión y/o la temperatura, y sin embargo los sólidos y líquidos no? 3) Por qué crees que no hemos podido llenar el globo que estaba dentro de la botella pero sí cuando la botella estaba agujereada? 7

8 4) Por qué crees que no caía el agua del matraz al poner éste boca bajo si el agua pesa mucho y el matraz solo estaba tapado con un trozo de papel? 5) Por qué crees que los gases ejercen tanta presión sobre todas las superficies en contacto con ellos si se trata de materiales tan poco densos y ligeros? 6) Por qué los gases se difunden por todas partes y sin embargo los sólidos y los líquidos no? Para justificar estas propiedades de los gases se podrían idear diferentes modelos: a) los gases están formados por unas partículas muy grandes pero muy ligeras (así justificaríamos su baja densidad pero sin embargo el que llenen todo el volumen que ocupan). b) los gases están formados por minúsculos muellecitos que se estiran sin límite y en todas direcciones (así justificaríamos su gran capacidad de difusión). c) los gases están formados por unas partículas que aumentan y disminuyen de volumen fácilmente (así justificarímos su gran facilidad para cambiar de volumen). Analiza cada uno de estos modelos y justifica qué propiedades de los gases se podría justificar con cada uno de ellos y cuales no. Idea tú un modelo para los gases que justifique todas las propiedades observadas. Análisis de las respuestas de los alumnos: Los alumnos ya han estudiado la Teoría Cinética en 1º de la ESO y, a partir de la presente práctica, y con la dirección de la profesora, llegan sin problemas a recordar la Teoría Cinética y a comprobar que es la única capaz de justificar todas las propiedades de los gases que han observado en el laboratorio. Análisis de la presente práctica: En general puedo afirmar que la realización de esta práctica ha sido muy provechosa y que los alumnos se lo han pasado muy bien. El material empleado era tan cotidiano que gran parte de las experiencias se pueden reproducir en casa. La manera de enfocarla ha sido: primero dediqué una clase a conocer las ideas previas de los alumnos y a intentar que, en grupos de 4 alumnos, idearan maneras de comprobar las propiedades que ellos asignaban a los gases. Las ideas aportadas por ellos, fueron, en general, bastante poco ingeniosas (tuvieron un fin de semana para plantear sus propuestas, pero no funcionó muy bien; creo que no les motivé suficiente o que no tuvieron suficiente tiempo para pensar). A continuación diseñamos, entre todos (o sea, totalmente guiados por mí), lo que íbamos a hacer, en función de la propiedad que queríamos comprobar. Finalmente realizamos todas las experiencias. Casi todas las experiencias les asombraron y les encantó comprobar que muchas de ellas las podían repetir en casa. A pesar de que habían visto muchas veces que el agua no entra en una botella si no dejamos que el aire salga, nunca se habían planteado el por qué de esto y se asombraron mucho al ver que, estando vacío el matraz, el agua no caía. También en sus casas han percibido mil veces el olor de algo que estaba a mucha distancia de ellos (el amoniaco de la limpieza, el olor de un guiso.), pero nunca habían pensado que eso tuviera nada que ver con la gran movilidad de las partículas de los gases. A los alumnos les asombró comprobar la magnitud de la presión que puede llegar a ejercer el aire 8

9 (experiencia de la regla y la hoja de papel encima; la del frasco lleno de agua invertido y que no cae porque lo impide la hoja de papel..). Los cambios de volumen de los gases con la temperatura les gustó mucho, y aun más cuando en vez de calentar el gas lo enfriamos (les impactó ver como un globo se metía dentro de un tubo de ensayo al enfriarse el aire de dentro; para enfriar el aire una vez que teníamos el globo puesto, lo pusimos debajo del grifo; hubiera sido más espectacular tener hielo y que el aire se enfriara aun más, pero nosotros no lo pudimos poner en hielo). En general puedo decir que todo les impactó y que fácilmente dedujeron que la Teoría Cinética era la única capaz de justificar todas las propiedades observadas. 9