TEMA 1. LA MATERIA. PROPIEDADES. ESTADOS DE AGREGACIÓN

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1 TEMA 1. LA MATERIA. PROPIEDADES. ESTADOS DE AGREGACIÓN 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 Diferencia entre V ACTIVIDAD: Calcula la masa de un líquido iedades/problema.htm EJERCICIOS RESULETOS: 1. La arista de una caja de forma cúbica mide 5 cm. Si disponemos de un vaso de 250 ml lleno de agua cabrá el contenido del vaso en la caja? Primero calculamos el volumen de la caja: V = (arista) 3 = 5 3 cm 3 = 125 cm 3 y lo expresamos en unidades de capacidad, sabiendo que el dm 3 equivale al L: 125 cm 3 1 dm 3 = 0,125 dm cm3

2 1000 ml 0,125 L = 125 ml 1 L en la caja sólo caben 125 ml, no cabe el contenido del vaso. 2. Ordena de mayor a menor los volúmenes de los siguientes objetos: Una esfera de 5 cm de radio Una caja de dimensiones 0,3 m x 0,15 m x 0,08 m Un globo de 8 dm 3 Volumen de la esfera: V = 4 3 π r3 = 4 3 π 5 cm 3 = 523,6 cm 3 Volumen de la caja: Volumen del globo: V = 0,3 m x 0,15 m x 0,08 m = 0,0036 m 3 V = 8 dm 3 Para comparar los volúmenes los expresamos todos en la misma unidad, por ejemplo en dm 3 : Volumen de la esfera: Volumen de la caja: 523,6 cm 3 1 dm 3 = 0,5236 dm cm dm3 0,0036 m3 1 m 3 = 3,6 dm 3 Volumen del globo > volumen de la caja > volumen de la esfera EJERCICIOS PROPUESTOS: 1. En una casa de campo han construido una piscina de 16 m de largo por 4 m de ancho y 2,5 m de profundidad. Si el caudal de llenado es de 1,8 m 3 a la hora cuánto tiempo tarda en llenarse la piscina? Si cada litro de agua cuesta 0,28 cuánto costará llenar la piscina? 2. Expresa en g: 0,5 kg; 0,018 t; 48 hg; 210 dag; 3,25 hg 3. En un almacén de dimensiones 5 m de largo, 3 m de ancho y 2 m de alto queremos almacenar cajas de dimensiones 10 dm de largo, 6 dm de ancho y 4 dm de alto. Cuantas cajas como máximo podremos almacenar? 4. Cuántas losetas cuadradas de 20 cm de lado se necesitan para recubrir las caras de una piscina de 10 m de largo por 6 m de ancho y de 3 m de profundidad?

3 La densidad. Una propiedades específica de la materia Estas dos bolas tienen el mismo volumen, pero sus masas son 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 d = masa (m) volumen (V) 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: 1. Estudia las propiedades de la materia con ejercicios interactivos: 2. Calcula la densidad: /materiales/propiedades/densidad.htm AMPLIACIÓN: EJERCICIOS RESUELTOS: 1. Calcular la densidad del hierro sabiendo que al introducir un trozo de hierro de 142,6 g de masa en una probeta con agua, se observa que el volumen del líquido aumenta 19,5 cm 3. d= m V = 142,6 g 19,5 cm 3 = 7,31 g cm 3 2. La densidad del porexpán que se utiliza en embalajes es 50 kg/m 3. Calcular el volumen que ocupa una plancha de porexpán de 635 g. Expresa el resultado en cm 3. d = m V

4 V = m d = 0,635 kg 50 kg m 3 = 0,0127 m3 EJERCICIOS PROPUESTOS: V = 0,0127 m cm 3 1 m 3 = cm 3 1. Qué volumen ocupa una roca de 324 g de masa si su densidad es de 4159 kg/m 3? 2. Sabiendo que la densidad del aluminio es 2,7 g/cm 3, cuál es la masa de una esfera de aluminio de 30 cm 3? 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 Los gases No tienen forma propia Ocupan todo el volumen del recipiente que los contiene Se pueden comprimir fácilmente 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. El hielo es agua en estado sólido La humedad del aire se debe al vapor de agua 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 FUSIÓN SUBLIMACIÓN SOLIDIFICACIÓN VAPORIZACIÓN CONDENSACIÓN 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 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. 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.

6 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 Animación de cambios de estado: ales/estados/gas.htm ACTIVIDAD: Accede a esta página y realiza las actividades: ales/estados/activs.htm 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:

7 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. 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. 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. 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.

8 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. ales/estados/cambios.htm AMPLIACIÓN: 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) 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).

9 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 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.

10 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. EJERCICIO RESUELTO Dejamos ascender un globo de 150 L de volumen desde un punto situado a nivel del mar en el que la presión es 1 atm, hasta una altura de 6,2 km, donde la presión es de 0,79 atm. Suponiendo que la temperatura se mantiene constante, calcular el volumen del globo cuando se encuentra a 6,2 km de altura. Usando la Ley de Boyle: P! V! = P! V! 1 atm 155 L = 0,79 atm V 2 V 2 = 1 atm. 155 L =196, 20 L 0,79 atm Al disminuir la presión disminuye el número de choques de las partículas del gas contra las paredes del globo, como la temperatura es constante, la única forma de que esto ocurra es que aumente el volumen del globo.

11 EJERCICIOS PROPUESTOS 1. Un volumen de 15,9 L de un gas se encuentra a una temperatura de 200 ºC y a una presión de 2,8 atm. Qué volumen ocupará si, a la misma temperatura, la presión baja hasta 1,2 atm? 2. Los pulmones de una persona contienen un volumen de aire de 615 ml, a una presión de 760 mm Hg. La inhalación ocurre cuando la presión de los pulmones desciende a 752 mm Hg A qué volumen se expanden los pulmones? m 3 de un gas que se encuentra a 1,2 atm de presión, se somete a una presión de 5 atm, manteniendo la temperatura constante Qué volumen final ocupará? 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. = Constante 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. EJERCICIO RESUELTO Las ruedas de un vehículo tienen una presión de 2,5 atm, a una temperatura de 18 ºC. Calcular la presión después de hacer un trayecto en el que la temperatura de los neumáticos ha subido hasta 40 ºC. Hay que expresar las temperaturas en K: P 1 T 1 = P 2 T 2

12 T 1 = = 291 K T 2 = = 313 K 2,5 atm 291 K = P K 2,5 atm. 313 K P 2 = 291 K =2,69 atm La presión aumenta debido a que al aumentar la temperatura, aumenta la velocidad media con la que se mueven las partículas del gas, con lo que aumenta la frecuencia de los choques. EJERCICIO PROPUESTO Un envase de fijador para el cabello se encuentra a una presión de 4 atm y a una temperatura de 25 C se arroja al fuego y el envase alcanza los 402 C Cuál será su nueva presión? Si el envase explota cuando la presión es 5980 mm Hg Explotará al arrojarlo al fuego? 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. = Constante Los globos aerostáticos vuelan porque el aire caliente se expande hasta que pesa menos que el aire que lo rodea.

13 EJERCICIO RESUELTO El helio es un gas más ligero que el aire, por lo que se utiliza para inflar los dirigibles y globos para elevarlos, suponemos que tenemos encerrados en un globo, 624 ml de este gas y lo calentamos desde 25 ºC hasta 220 ºC, suponiendo que la presión se mantiene constante, qué volumen final alcanzará el globo? Aplicando la ley de Charles: Expresamos las temperaturas en kelvin: V 1 T 1 = V 2 T 2 T 1 = = 298 K T 2 = = 493 K 0,624 L 298 K = V K V 2 = 0,624 L. 493 K =1,03 L 298 K El volumen aumenta, ya que al aumentar la temperatura las moléculas de gas se mueven más deprisa y el gas se expande. EJERCICIO PROPUESTO Un alpinista inhala 500 ml de aire a una temperatura de 10 C Qué volumen ocupará el aire en sus pulmones si su temperatura corporal es de 37 C? 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:

14 EJERCICIO RESUELTO Del tanque de oxígeno de un buzo se escapa una burbuja de 23 cm 3 que se encuentra a una presión de 3,5 atmósferas y a una temperatura de 9 ºC. Cuál es el volumen de la burbuja cuando ésta alcanza la superficie del mar, dónde la presión es de 1 atm y la temperatura es de 18 C? Expresamos las temperaturas en K: T 1 = = 282 K T 2 = = 291 K Aplicamos la ecuación general de los gases: P 1. V 1 T 1 = P 2. V 2 T 2 3,5 atm. 23 cm! 282 K = 1 atm. V! 291 K V 2 = 3,5 atm. 23 cm K =83,07 cm K. 1 atm