Refuerzo y teoría cinético-molecular de la materia

Transcripción

1 09 Estados de agregación Refuerzo y teoría cinético-molecular de la materia 1 NOMBRE:... CURSO:... FECHA: Observa las imágenes, lee los textos sobre los distintos estados de agregación y responde: Un trozo de mármol no varía su forma si lo cambiamos de posición. Su volumen tampoco cambia aunque lo apretemos con la mano. Podemos cambiar la forma de un sólido si le aplicamos una pequeña fuerza?... Los sólidos tienen forma... Podemos modificar el volumen de un sólido si le aplicamos una fuerza?... Los sólidos tienen volumen... Si llenamos una jeringuilla con agua, ésta adopta la forma del recipiente. Sin embargo, no conseguiremos reducir su volumen aunque apretemos el émbolo con fuerza. El aire contenido en una jeringuilla adopta la forma de ésta. Podemos comprimirlo fácilmente si apretamos el émbolo. Podemos variar la forma de un líquido si lo cambiamos de recipiente?... Los líquidos tienen forma... Podemos modificar el volumen de un líquido si lo comprimimos fuertemente?... Los líquidos tienen volumen... Podemos variar la forma de un gas si lo cambiamos de recipiente?... Los gases tienen forma... Podemos modificar el volumen de un gas si lo comprimimos fuertemente?... Los gases tienen volumen Dibuja cómo estarían las moléculas de agua en un sólido, en un líquido y en un gas (representa cada molécula de agua como si fuese una bola). Después, completa el resto de columnas de la tabla. DISPOSICIÓN DE LAS MOLÉCULAS FUERZAS DE ATRACCIÓN ENTRE LAS MOLÉCULAS GRADO DE LIBERTAD DE LAS MOLÉCULAS CARACTERÍSTICAS Sólido Líquido Gas 3. Un recipiente contiene 1 m 3 de oxígeno a 2,8 atm. a) Calcula la presión que alcanzará si se reduce dicho volumen a 0,7 m 3 manteniendo constante la temperatura a 270 K. b) Si sobre el mismo recipiente, manteniendo la presión constante, somos capaces de disminuir la temperatura hasta 200 K, cuál será el nuevo volumen del gas? 23

2 1 9 0 Refuerzo Solucionario 1. No; constante. No; constante. Sí; variable. No; constante. Sí; variable. Sí; variable. 2. DISPOSICIÓN DE LAS MOLÉCULAS FUERZAS DE ATRACCIÓN ENTRE LAS MOLÉCULAS GRADO DE LIBERTAD DE LAS MOLÉCULAS CARACTERÍSTICAS Forma constante y volumen fijo. Sólido Muy intensa Solamente vibración Rígidos y es difícil comprimirlos. Densidad alta. Forma variable y volumen constante. Líquido Intensa Pueden alejarse un poco unas partículas de las otras. Prácticamente despreciable Las partículas tienen libertad absoluta para desplazarse Poco compresibles. Difunden o fluyen por sí mismos y se mezclan con facilidad con otros líquidos. Gas Forma y volumen variables. Se expanden y se comprimen fácilmente. 3. a) Datos: V1 5 1 m3 P1 5 2,8 atm V2 5 0,7 m3 T 5 constante Aplicamos la ley de Boyle-Mariotte: 2,8 atm? 1 m3 P1? V1 P1? V1 5 P2? V2 P atm V2 0,7 m3 2. Estados físicos de la materia b) Datos: V1 5 0,7 m3 T K T K P 5 constante 24 Aplicamos la ley de Charles y Gay-Lussac: V1 V2 T2? V1 200 K? 0,7 m3 5 V ,51 m3 T1 T2 T1 270 K

3 09 Refuerzo Cambios de estado 2 NOMBRE:... CURSO:... FECHA: Completa las siguientes frases relacionadas con los cambios de estado. a) El cambio de estado de un material se puede producir cuando se modifican la... y la... b) Los cambios de estado que requieren aumento de la temperatura son: la fusión, la... y la... c) El paso del estado... al estado... se denomina fusión. d) La... puede tener lugar de dos formas: la... y la ebullición. e) En la evaporación se pasa del estado... al... y se produce en la... del líquido. f) La... es el paso del estado... al gaseoso que afecta a toda la... del líquido y tiene lugar a una temperatura..., denominada Relaciona los siguientes objetos o situaciones con los cambios de estado. Justifícalo. a) Un ambientador sólido. b) Un mechero de gas. c) Un helado que se derrite. d) El rocío de la mañana. e) Un vaso de agua con hielo a una temperatura ambiente alta. 3. La siguiente gráfica muestra la temperatura que alcanza un gramo de hielo, inicialmente a 220 C, después de ir aportándole energía, en joules. Identifica y explica cada uno de los estados y las transiciones entre ellos Estado 2 Estado C 80 Temperatura ( C) Estado B Estado Estado A Energía (J)

4 2 09 Refuerzo Solucionario 1. a) Presión, temperatura. b) Vaporización, sublimación. c) Sólido, líquido. d) Vaporización, evaporación. e) Líquido, gaseoso, superficie. f) Ebullición, líquido, masa, determinada, temperatura de ebullición. 2. a) Sublimación. Paso de estado sólido a gas. b) Vaporización. Paso de líquido a gas. c) Fusión. Paso de sólido a líquido. d) Condensación. Paso de gas a líquido. e) Fusión y posterior evaporación. Paso de sólido a líquido y de líquido a gas. 3. Estado A. Corresponde al estado sólido. Inicialmente el hielo se encuentra a 220 C y su temperatura aumenta uniformemente hasta alcanzar el punto de fusión: 0 C. Estado 1. Equilibrio sólido-líquido. En este estado el hielo absorbe calor hasta que funde a agua, pero sin incrementar la temperatura, 0 C. Es decir, el calor absorbido se invierte en fundir el hielo. Este calor recibe el nombre de calor latente de fusión. Estado B. Corresponde al estado líquido. El agua está a 0 C y su temperatura aumenta de forma uniforme hasta alcanzar el punto de ebullición: 100 C. Estado 2. Equilibrio líquido-gas. En este estado el agua en estado líquido absorbe calor hasta pasar a vapor, pero sin incrementar la temperatura de 100 C. Es decir, el calor absorbido se invierte solamente en vaporizar el agua. Este calor recibe el nombre de calor latente de vaporización. Estado C. Corresponde al estado gaseoso. Toda el agua se ha convertido en vapor, a 100 C. La temperatura aumenta uniformemente a medida que se le aporta calor, pero solo hay agua en estado gaseoso. 26

5 0 Ampliación 3 NOMBRE:... CURSO:... FECHA: Busca información sobre algunas de las características de los estados sólido, líquido y gaseoso, que se indican a continuación. Estado sólido Dureza Resistencia Resistencia a la fragmentación Baja fluidez (muy baja o nula) Estado líquido Capacidad de fluir Pueden presentar difusión Estado gaseoso Cohesión casi nula 2. Después de llevar a cabo una búsqueda de información, contesta las siguientes preguntas: a) Averigua la presión atmosférica en la Luna. A partir de este dato, crees que podría existir agua líquida en la Luna? Justifica tu respuesta. b) Por qué en una olla a presión se cocinan los alimentos más rápidamente que en una olla tradicional? c) Puede hervir el agua a 50 C? Cómo? d) Por qué el alcohol es un líquido muy volátil? Busca cinco productos que también lo sean. 3. Disponemos de un recipiente abierto que contiene agua a temperatura ambiente y a una presión de 10 5 Pa. Representa en una gráfica la variación de temperatura del agua a medida que se va calentando, hasta que la masa del líquido se ha convertido por completo en vapor de agua a 100 C. 4. Accede a la página Observa el movimiento molecular de tres sustancias (agua, cobre y nitrógeno) en los tres estados físicos (sólido, líquido y gas). Señala las temperaturas de los diferentes cambios de estado. 27

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7 de evaluación 4 NOMBRE:... CURSO:... FECHA: Cuáles son los tres estados de la materia? Indica dos características de cada uno de ellos. 2. Lee detenidamente los siguientes enunciados y contesta razonadamente las siguientes preguntas: a) Si mantenemos la temperatura constante y disminuimos la presión sobre un determinado gas, aumentará o disminuirá su volumen? b) Si mantenemos la presión constante y aumentamos la temperatura sobre un determinado gas, aumentará o disminuirá su volumen? c) Si añadimos más partículas de gas en un recipiente sin variar su volumen ni su temperatura, aumentará o disminuirá su presión? d) El agua hierve a 100 C y el alcohol lo hace a 78,4 C. En cuál de las dos sustancias crees que son más fuertes las fuerzas de atracción entre sus moléculas? 3. El Teide es el pico más alto de España, con metros sobre el nivel del mar. Qué presión atmosférica tendrá un excursionista que ascienda a la cumbre de esta montaña? 4. Completa el diagrama con los nombres de los cambios de estado de agregación de la materia. Cuáles de estos procesos son cambios progresivos? Sólido Condensación Explica la vaporización según los postulados de la teoría cinético-molecular de la materia Dibuja la gráfica de calentamiento del agua. Señala la zona donde coexisten el agua en estado líquido con el vapor y las temperaturas de fusión y de ebullición. 29

8 4 de evaluación Solucionario 1. Los tres estados de la materia son el estado sólido, líquido y gaseoso. Características del estado sólido: forma constante, volumen fijo, rígidos, difícil compresión, densidad alta. Características del estado líquido: forma variable, volumen constante, son poco compresibles, difunden o fluyen por sí mismos, se mezclan con facilidad con otros líquidos. Características del estado gaseoso: forma y volumen variables, se expanden y se comprimen fácilmente, son fluidos, difunden y se mezclan fácilmente con otros gases. 2. a) Si aplicamos la ley de Boyle-Mariotte podemos observar que si disminuye la P 2, para poder mantener la igualdad debe aumentar V 2. Otra forma de razonarlo sería pensando que si sobre un gas disminuimos la presión, este tenderá a ocupar más espacio. b) Si aplicamos la ley de Charles y Gay-Lussac podemos observar que si aumentamos T 2, para poder mantener la igualdad ha de aumentar V 2. Otra forma de razonarlo sería pensando que si sobre un gas aumentamos la temperatura, sus partículas ejercerían más presión sobre el recipiente, pero si hemos de mantener la presión constante, será a costa de aumentar el volumen del recipiente a fin de poder repartir este exceso de presión entre una mayor superficie del recipiente. c) El hecho de añadir más partículas en un recipiente sin variar su volumen y temperatura, significará que existirán más partículas presionando sobre las paredes del recipiente, con lo que aumentará la presión. Un ejemplo: cuando inflamos las ruedas del coche o la bicicleta. d) Son más fuertes las fuerzas de cohesión en el agua, ya que necesitamos más energía en forma de calor para vencerlas. 3. La presión atmosférica disminuye un poco menos de 10 mm Hg por cada 100 m, pero podemos tomar este dato como punto de partida para la resolución del ejercicio. Dividimos la altura del Teide entre 100 m, con lo que sabremos el número de disminuciones de 10 mm Hg que experimenta la presión atmosférica. Habrá disminuido 371,8 mm Hg. La presión que existirá en la cima del Teide será de aproximadamente: 760 mm Hg 2 371,8 mm Hg 5 388,2 mm Hg 4. Los cambios progresivos, aquellos en los que la sustancia absorbe calor son: la fusión, la vaporización y la sublimación. La vaporización es el paso del estado líquido al gaseoso. Puede conseguirse aumentando la temperatura del líquido o bien disminuyendo la presión sobre él. Al calentar un líquido, aumenta la velocidad de desplazamiento de las partículas y, con ella, su energía. Líquido Fusión Solidificación Sólido Vaporización Condensación Condensación a sólido Sublimación Gas 5. Esta energía es suficiente para que las partículas próximas a la superficie del líquido puedan vencer las fuerzas de cohesión y escapar: se produce la vaporización. T ( C) Temperatura ebullición Temperatura fusión Agua y vapor t 30

9 de evaluación 5 NOMBRE:... CURSO:... FECHA: Comenta la veracidad o no de los siguientes fragmentos de texto. a) Los estados líquidos son fácilmente comprimibles, a diferencia de los sólidos. Estos se presentan en estructuras cristalinas, mientras que los líquidos los hacen en estructuras amorfas. b) Los estados líquido y gaseoso tienen en común que se pueden comprimir con suma facilidad, que adoptan la forma del recipiente que los contiene, que estas partículas tienen libertad de traslación y además que las fuerzas entre las partículas es muy fuerte. c) La evaporación o ebullición es el paso del estado líquido al gaseoso. 2. Contesta las siguientes preguntas en relación con el modelo cinético-molecular de la materia. a) En qué estado las partículas disponen de total libertad para moverse?... b) Ordena de mayor a menor la densidad en los distintos estados c) Qué hace que se mantengan unidas, en mayor o menor grado según el estado, las partículas de materia?... d) Qué les ocurre a las partículas materiales al elevarse la temperatura?... e) Ordena de mayor a menor los tres estados de la materia en función de la distancia que separa sus partículas Un gas ocupa un volumen de 100 litros a 200 C y 1 atm. A qué presión debemos someterlo para que ocupe 2 litros si la temperatura del gas no varía? 4. Relaciona cada una de las frases con un cambio de estado. a) Es el proceso inverso de la vaporización... b) Se da en sustancias como el yodo y la naftalina... c) Se produce exclusivamente en la superficie de los líquidos... d) En el caso del agua se produce a 100 C... e) Se produce al aumentar la presión de un gas o al disminuir su temperatura La gráfica muestra la temperatura que alcanza 1 g de hielo, que se encuentra inicialmente a 220 C, al que se le va aportando energía. a) Qué cantidad aproximada de energía necesitaremos para convertir 100 g de hielo a 0 C en agua a 0 C? b) Qué cantidad aproximada de energía necesitaremos para convertir esos 100 g de agua a 100 C en vapor de agua a 100 C? c) Si tenemos 100 g de agua a 40 C y le damos jou les, pasará este agua a vapor de agua? d) Qué cantidad de energía aproximada será necesaria para aumentar en un grado centígrado 1 g de agua? Temperatura ( C) Energía (J) 31

10 5 de evaluación Solucionario 1. a) Tanto los estados sólidos como los líquidos son difícilmente comprimibles. Los estados sólidos pueden presentar tanto estructuras cristalinas (estructura ordenada) como amorfas. b) El estado gaseoso sí se puede comprimir con suma facilidad; pero el líquido, no. Ambos, sí que adoptan la forma del recipiente que los contiene. Los líquidos tienen libertad de traslación limitada, mientras que los gases tienen total libertad de traslación. Las fuerzas de atracción en los líquidos son intensas, a diferencia de los gases, que son prácticamente nulas. c) La ebullición y evaporación son dos pasos del estado líquido al gaseoso, pero son diferentes. Se denomina ebullición cuando se produce para la totalidad de partículas del estado líquido, es decir todas las partículas líquidas pasarán a estado gaseoso. Por el contrario, se denomina evaporación cuando solamente las partículas de la superficie del líquido pasan a estado gaseoso. 2. a) Gaseoso b) Sólido. Líquido. Gaseoso c) Fuerzas atractivas o de cohesión d) Aumenta su movimiento e) Gaseoso. Líquido. Sólido 3. Datos: V L 5 0,1 m 3 P atm V L 5 0,002 m 3 T 5 constante Aplicamos la ley de Boyle-Mariotte: 4. a) Condensación b) Sublimación c) Evaporación d) Ebullición e) Condensación P 1? V 1 5 P 2? V 2 P 1? V 1 1 atm? 0,1 m 3 P atm V 2 0,002 m 3 5. a) El calor aproximado para fundir 1 g de hielo a agua a 0 C es de unos 340 J. Por tanto, para fundir 100 g harán falta J. b) El calor aproximado para pasar 1 g de agua a 100 C a vapor de agua a 100 C es de J. Para 100 g serán necesarios J. c) Para pasar los 100 g de agua a vapor a 100 C, primero hemos de elevar la temperatura del agua de 40 C a 100 C. Para ello son necesarios unos J.Una vez a 100 C, para pasarlos a vapor a 100 C necesitaremos unos J. Harán falta, por tanto, un total de J. Esta cantidad es superior a J, luego no será suficiente para pasarlo a vapor. d) Podemos dividir la energía que necesitamos para incrementar la temperatura del agua desde 0 C hasta 100 C entre 100. La energía necesaria para pasar de 0 C a 100 C la obtenemos de una forma aproximada de la gráfica: unos 400 J. Si dividimos entre 100, el resultado es 4 J por C. En realidad, sea cual sea su estado, aumenta un grado su temperatura con una aportación de 4,18 julios por lo que el resultado es bastante óptimo. 32

11 de evaluación de CB 6 NOMBRE:... CURSO:... FECHA: Los objetos materiales que nos rodean se encuentran en un estado de agregación determinado. Cada estado tiene una serie de propiedades características y, si modificamos las condiciones ambientales, el material puede cambiar de un estado a otro y con ello cambiar algunas de sus propiedades. Completa la siguiente tabla. Objetos cotidianos ESTADO SÓLIDO ESTADO LÍQUIDO ESTADO GASEOSO Propiedades Cambio de estado Forma Volumen Densidad Paso a sólido Paso a líquido Paso a gas 2. Arantxa es una joven alpinista que vive en Alicante, ciudad que está al nivel del mar, a la que le gusta tomar infusiones. Para ello hierve agua en una olla de un litro de volumen y tarda unos 20 minutos. Arantxa coronó por primera vez el pasado verano los m del Everest. Fiel a su costumbre, llevó su olla y en la cumbre se tomó una infusión. Comprobó que el agua hervía a 60 C y que la infusión le salió malísima. Pensando que era un problema relacionado con la olla, a la vuelta, Arantxa se compró una nueva olla a presión del mismo volumen que la anterior y observó, colocando un termómetro en su interior, que la misma cantidad de agua hierve a 120 C, y además consiguió reducir el tiempo de ebullición. a) Qué fenómeno se produce en la olla cuando Arantxa realiza sus infusiones? Por qué se caracteriza? b) En qué momento entrará antes en ebullición el agua, cuando existe mucha presión atmosférica, en Alicante, o cuando exista poca, en el Everest? Justifica tu respuesta. c) Donde conseguirá Arantxa una mejor infusión, en Alicante o en el Everest? d) Como explicarías la temperatura de ebullición de 120 C de una olla a presión? e) Dónde conseguirá Arantxa una mejor infusión, en la olla tradicional o en la olla presión? f) Se podría producir evaporación en la olla tradicional? En qué condiciones? Cómo variaría esta en Alicante y en el Everest? 33

12 6 de evaluación de CB Solucionario 1. ESTADO SÓLIDO ESTADO LÍQUIDO ESTADO GASEOSO Objetos cotidianos Papel, lápiz, vaso... Agua, café, alcohol... Aire, helio, oxígeno... Propiedades Cambio de estado Forma Constante Variable Variable Volumen Constante Constante Variable Densidad Grande Grande Muy pequeña Paso a sólido Solidificación Condensación a sólido Paso a líquido Fusión Condensación Paso a gas Sublimación Vaporización 2. a) Se produce la ebullición, que es el paso de estado líquido a gaseoso. Este fenómeno afecta a la totalidad de la masa del líquido. Al calentar un líquido, aumenta la velocidad de desplazamiento de las partículas y, por tanto, su energía. Esta energía es suficiente para que las partículas venzan las fuerzas de cohesión y se separen unas de otras, pasando a vapor. b) La ebullición tiene lugar a una temperatura determinada, llamada temperatura de ebullición, que depende de la presión. Así, el agua hierve a 100 C a una presión atmosférica de 760 mm Hg (nivel del mar), pero a una temperatura inferior, 60 C, si la presión atmosférica disminuye (en el Everest). Si la presión aumenta, su temperatura de ebullición también lo hará. Si la presión exterior sobre el líquido disminuye, costará menos que las partículas venzan las fuerzas de cohesión; habrá que darles menos energía en forma de calor. c) Para conseguir una mejor infusión es fundamental que el agua esté a una temperatura de 100 C, o bien cercana a esta. Por tanto, la mejor infusión la obtendrá en Alicante. d) Una olla a presión es una olla cerrada herméticamente. A medida que se le suministra calor al agua, el vapor de agua ejercerá una presión sobre el agua cada vez mayor. Si esta presión sobre el líquido aumenta, costará más que las partículas venzan las fuerzas de cohesión, habrá que darles más energía en forma de calor. Por tanto, entrarán en ebullición a mayor temperatura. e) Para conseguir una mejor infusión es fundamental que el agua esté a una temperatura de 100 C, o bien cercana a esta. Por tanto, en las dos ollas conseguirá una buena infusión. La única diferencia es que en la olla a presión el tiempo será menor. f) La evaporación es un fenómeno que se produce exclusivamente en la superficie del líquido y aumenta al elevarse la temperatura. Cuando se disminuye la presión sobre el líquido, la evaporación también aumenta. Luego podríamos obtener evaporación del agua de la olla, tanto en Alicante, como en el Everest. Esta sería tanto mayor cuanto mayor fuese la temperatura. A igualdad de temperatura sería mayor en el Everest ya que allí existe menor presión atmosférica. 34