LA MATERIA. PROPIEDADES. ESTADOS DE AGREGACIÓN. Física y Química 3º de E.S.O. IES Isidra de Guzmán

Transcripción

1 LA MATERIA. PROPIEDADES. ESTADOS DE AGREGACIÓN Física y Química 3º de E.S.O. IES Isidra de Guzmán

2 Propiedades generales de la materia Materia es todo aquello que tiene masa y volumen. La masa (cantidad de materia que posee un cuerpo) y el volumen (espacio que ocupa) son propiedades generales de la materia. Las propiedades generales son las que tienen todos los tipos de materia y no aportan ninguna información sobre el tipo de materia. La unidad de masa en el Sistema Internacional es el kg. La masa se mide con una balanza. La unidad de volumen en el Sistema Internacional es el m 3. El volumen de los líquidos se mide con una probeta. El volumen de los sólidos se mide de diferentes formas, según sean sólidos regulares (con forma definida) o irregulares (no tienen forma definida): Volumen desplazado PARALELEPÍPEDO V = ancho x largo x alto ESFERA V = 4/3. π. r 3 CILINDRO V = π x r 2 x altura SÓLIDO IRREGULAR El volumen de un sólido irregular se puede obtener sumergiéndolo en un líquido y midiendo la diferencia entre el volumen inicial y el final (volumen desplazado). ACTIVIDAD: Calcula la masa de un líquido

3 La densidad. Una propiedades específica de la materia Estas dos bolas tienen el mismo volumen, pero sus masas son diferentes. Están hechas de sustancias diferentes Los dos cilindros están hechos de la misma sustancia, pero tienen masas y volúmenes diferentes. Sin embargo, el cociente entre la masa y el volumen es el mismo para los dos cilindros. Al cociente entre la masa y el volumen se le denomina densidad. densidad = masa volumen La unidad de densidad en el S. I. es el kg/m 3 La densidad es una propiedad específica de la materia puesto que depende de la clase de sustancia que constituye el sistema material. Otras propiedades específicas son la dureza, la temperatura de fusión, etc. ACTIVIDADES: Estudia las propiedades de la materia con ejercicios interactivos: Calcula la densidad: AMPLIACIÓN:

4 Estados de agregación de la materia La materia puede encontrarse en tres estados de agregación: Los sólidos Tienen forma propia Tienen volumen fijo No se pueden comprimir No fluyen Los líquidos No tienen forma propia Tienen volumen fijo Son poco compresibles Fluyen En la naturaleza hay sustancias, como el agua, que se pueden encontrar en los tres estados, y otras que sólo existen en uno de ellos, como la madera que en la naturaleza está en estado sólido. Los gases No tienen forma propia Ocupan todo el volumen del recipiente que los contiene Se pueden comprimir fácilmente Fluyen La humedad del aire se debe al vapor de agua El hielo es agua en estado sólido El agua también puede encontrarse en estado líquido

5 Cambios de estado El estado de agregación de una sustancia depende de la presión y la temperatura a las que se encuentre. Variando una de estas dos magnitudes, las sustancias pasan de un estado a otro. El proceso se denomina CAMBIO DE ESTADO. SUBLIMACIÓN REGRESIVA SOLIDIFICACIÓN SUBLIMACIÓN VAPORIZACIÓN CONDENSACIÓN FUSIÓN Las flechas rojas representan los cambios de estado que requieren aporte energético (aumento de la temperatura) y las flechas azules los que tienen lugar con desprendimiento de energía (disminución de la temperatura). Mientras que en una sustancia se está produciendo un cambio de estado, la temperatura de la sustancia se mantiene constante. Fusión y solidificación. La fusión es el paso de una sustancia del estado sólido al estado líquido. El cambio inverso se llama solidificación. A la temperatura a la que ocurren estos cambios de estado a presión atmosférica se le denomina TEMPERATURA DE FUSIÓN Fusión del hielo Condensación del vapor de agua Vaporización y condensación. La vaporización es el paso de una sustancia de líquido a gas. El cambio inverso se denomina condensación. A la temperatura a la que ocurren estos cambios de estado a presión atmosférica se le denomina TEMPERATURA DE EBULLICIÓN. Sublimación y sublimación regresiva. La sublimación es el paso de una sustancia de sólido a gas. El cambio inverso se denomina sublimación regresiva. Sublimación del Iodo

6 La teoría cinética y los estados de agregación Todas las sustancias están formadas por un gran número de partículas muy pequeñas que interaccionan entre sí. Los tres estados de la materia se diferencian por el tipo de interacción que hay entre sus partículas. Las partículas de los sólidos están muy próximas y las interacciones entre ellas son muy fuertes. Las partículas sólo pueden vibrar. Las partículas de los líquidos se mantienen unidas por fuerzas más débiles que en los sólidos. Las partículas se pueden deslizar unas sobre otras, lo que permite que los líquidos fluyan y que se adapten a la forma del recipiente que los contiene. Las interacciones entre las partículas de un gas son muy débil, permitiendo que se muevan en todas direcciones, ocupando todo el espacio del recipiente. La teoría cinética y los cambios de estado Al calentar un sólido, sus partículas empiezan a vibrar más deprisa hasta vencer las fuerzas que las mantienen unidas, las partículas se separan y la sustancia pasa al estado líquido. Al calentar el líquido, las partículas adquieren la suficiente energía como para abandonar su superficie, pasando al estado gaseoso. CALOR CALOR

7 Animación de cambios de estado: ACTIVIDAD: Accede a esta página y realiza las actividades: Curva de calentamiento de una sustancia y cambios de estado Cuando calentamos una sustancia, podemos representar la temperatura a medida que aumenta el tiempo de calentamiento obteniendo una gráfica como se muestra en la siguiente figura: Inicialmente la sustancia se encuentra en estado sólido (punto A). Conforme se calienta la sustancia, la temperatura asciende hasta llegar al punto B, donde va pasando al estado liquido, produciéndose la fusión del sólido. En el tramo BC coexisten los dos estados, sólido y líquido y se mantiene constante la temperatura, que corresponde a la temperatura de fusión, T f, de la sustancia, la temperatura de fusión coincide con la de solidificación. En el punto C, todas las moléculas se encuentran en estado líquido, si seguimos calentando, la temperatura volverá a ascender hasta llegar al punto D, donde la sustancia va pasando del estado líquido al de gas. En el tramo DE coexisten líquido y vapor, iniciándose la evaporación de la sustancia. La temperatura en éste intervalo se denomina temperatura de ebullición, T e, de la sustancia, la temperatura de ebullición coincide con la de condensación. En el punto E, toda la sustancia se encuentra en la fase vapor.

8 En el tramo BC se produce el cambio de estado, toda la energía que se suministra se invierte en vencer las fuerzas que unen las partículas del sólido para llegar al estado líquido en el que las fuerzas que las unen son más débiles. Como consecuencia la temperatura se mantiene constante. En el primer tramo toda la sustancia está en estado sólido, las partículas sólo pueden vibrar, el calor suministrado se invierte en aumentar la temperatura. Entre C y D toda la sustancia está en estado liquido, las partículas sólo pueden vibrar, el calor suministrado se invierte en aumentar la temperatura. En el tramo DE se produce el cambio de estado, toda la energía que se suministra se invierte en vencer las fuerzas que unen las partículas del líquido para llegar al estado de gas en el que las fuerzas que las unen son más débiles. Como consecuencia la temperatura se mantiene constante. AMPLIACIÓN:

9 La teoría cinética y la temperatura Según la teoría cinética de la materia al calentar una sustancia sus partículas se mueven a mayor velocidad. Según esta teoría si la temperatura de una sustancia es suficientemente baja, sus partículas estarán totalmente quietas. Esta temperatura es el cero absoluto y nos sirve para, a partir de ella, establecer una escala de temperaturas, escala absoluta, cuyo cero no es arbitrario como en la escala centígrada o Celsius. La unidad de temperatura en esta escala es el kelvin (K). El cero de la escala absoluta se corresponde con 273 ºC La escala centígrada asigna el valor 0 al punto de fusión del hielo y el 100 al de ebullición del agua. Este intervalo se divide en 100 partes igual, cada una de las cuales es 1 ºC. La escala absoluta asigna el valor 0 al cero absoluto y el 273 a la fusión del hielo. En esta escala el agua hierve a 373 K. Este intervalo se divide en 100 partes igual, cada una de las cuales es 1 K. En esta escala no existen temperaturas negativas. Para transformar grados centígrados en Kelvin y viceversa, se utiliza la siguiente ecuación: T (K) = T (ºC) + 273

10 La teoría cinética el comportamiento de los gases Para medir la cantidad de gas que hay en un recipiente, recurrimos a una medida indirecta, determinando su presión que ejerce (P), el volumen que ocupa (V) y la temperatura a la que se encuentra (T). Si dejamos un globo al sol durante un tiempo, veremos que su volumen aumenta. Durante los siglos XVII, XVIII y XIX, varios científicos estudiaron el comportamiento de los gases analizando la relación entre las tres magnitudes P, V y T, estableciendo las leyes de los gases. Robert Boyle ( ) Inglaterra Edmé Mariotte ( ) Francia Joseph Louis Gay-Lussac ( ) Francia Jacques Alexandre Charles ( ) Francia F F F Inglaterra F F F

11 Presión de un gas Según la teoría cinética, la presión de un gas está relacionada con el número de choques por unidad de tiempo de las moléculas del gas contra las paredes del recipiente. Cuando la presión aumenta quiere decir que el número de choques por unidad de tiempo es mayor. La unidad del SI de presión es el pascal (Pa), pero en química, es muy común encontrar las unidades de presión de los gases expresadas en atmósferas (atm) o milímetros de mercurio (mmhg) Pa = 1 atm = 760 mmhg Los manómetros miden la presión de un gas en un recipiente cerrado. Los barómetros miden la presión atmosférica, en un recipiente abierto.

12 Ley de Boyle-Mariotte Boyle y Mariotte estudiaron las variaciones de presión que experimentaba un gas al modificar su volumen manteniendo la temperatura constante. Al disminuir el volumen, la presión aumenta, debido al aumento del número de choques de las partículas de gas contra las paredes. En un proceso a temperatura constante, presión y volumen son inversamente proporcionales. P. V = Constante P 1. V 1 = P 2. V 2 Al apretar un globo, el volumen disminuye y la presión aumenta, pudiendo llegar a explotar.

13 Ley de Gay-Lussac A comienzos del siglo XIX, el químico francés Gay-Lussac estudió las variaciones que experimentaba la presión de un gas al modificar su temperatura manteniendo el volumen constante. Al aumentar la temperatura, la presión aumenta, ya que a mayor temperatura las partículas del gas se mueven más deprisa y aumenta el número de choques con las paredes del recipiente, por lo que aumenta la presión. En un proceso a volumen constante, presión y volumen son directamente proporcionales. El cociente entre la presión y la temperatura permanece constante. P T = Constante P 1 T 1 = P 2 T 2 La ley de Gay Lussac se aplica en la vida cotidiana en las ollas a presión (el volumen es constante). Si calientas la olla, el gas en su interior aumenta su presión.

14 Ley de Charles Charles investigó las variaciones del volumen de un gas cuando se aumentaba la temperatura manteniendo la presión constante. Al aumentar la temperatura, el volumen aumenta, como a mayor temperatura las partículas del gas se mueven más deprisa es necesario que aumente el volumen para que se mantenga el número de choques y la presión permanezca constante. En un proceso a presión constante, temperatura y volumen son directamente proporcionales. El cociente entre el volumen y la temperatura permanece constante. V T = Constante V 1 T 1 = V 2 T 2 Los globos aerostáticos vuelan porque el aire caliente se expande hasta que pesa menos que el aire que lo rodea. Puedes ver una simulación en:

15 Ley de los gases ideales Las leyes de Boyle y Mariotte, de Charles y Gay-Lussac relacionan la presión, el volumen y la temperatura de un gas de dos en dos, por parejas. Sin embargo, es posible deducir una ley que las incluya a las tres: la ley de los gases ideales. Según esta ley, el producto de la presión, volumen e inverso de la temperatura permanece constante en los gases y a partir de ella podemos deducir las leyes anteriores. P 1.V 1 T 1 = P 2.V 2 T 2 EXPERIMENTA: AMPLIACIÓN: