ESTADOS DE LA MATERIA

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1 TEMA 04 Cambios de estado físico de la materia y unidades de medida de materia y energía ESTADOS DE LA MATERIA Los diferentes estados de la materia han confundido a la gente durante mucho tiempo. Los antiguos griegos fueron los primeros en identificar tres clases (lo que hoy llamamos estados) de materia, basados en sus observaciones del agua. Pero estos mismos griegos, en particular el filósofo Thales ( BC), sugirió, incorrectamente, que puesto que el agua podía existir como un elemento sólido, líquido, o hasta gaseoso bajo condiciones naturales, debía ser el único y principal elemento en el universo de donde surgía el resto de sustancias. Hoy sabemos que el agua no es la sustancia fundamental del universo, en realidad, no es ni siquiera un elemento Para entender los diferentes estados en los que la materia existe, es necesario entender algo llamado Teoría Molecular Kinética de la Materia. La Teoría Molecular Kinética tiene muchas partes, pero aquí introduciremos sólo algunas. Uno de los conceptos básicos de la teoría argumenta que los átomos y moléculas poseen una energía de movimiento, que percibimos como temperatura. En otras palabras, los átomos y moléculas están en movimiento constante y medimos la energía de estos movimientos como la temperatura de una sustancia. Mientras más energía hay en una sustancia, mayor movimiento molecular y mayor la temperatura percibida. Consecuentemente, un punto importante es que la cantidad de energía que tienen los átomos y las moléculas (y por consiguiente la cantidad de movimiento) influye en su moléculas interacción. Al contrario que simples bolas de billar, muchos fuerzas átomos y se atraen entre sí como resultado de varias intermoleculares, como lazos de hidrógenos, fuerzas van der Waals y otras.

2 Los átomos y moléculas que tienen relativamente pequeñas cantidades de energía (y movimiento) interactuarán fuertemente entre sí, mientras que aquellos con relativamente altas cantidades de energía interactuarán poco, si acaso. Cómo se producen estos diferentes estados de la materia? Los átomos que tienen poca energía interactúan mucho y tienden a encerrarse y no interactuar con otros átomos. Por consiguiente, colectivamente, estos átomos forman una sustancia dura, lo que llamamos un sólido. Los átomos que poseen mucha energía se mueven libremente, volando en un espacio y forman lo que llamamos gas. Resulta que hay varias formas conocidas de materia, algunas de ellas están detalladas a continuación. SOLIDOS Se forman cuando las fuerzas de atracción entre moléculas individuales son mayores que la energía que causa que se separen. Las moléculas individuales se encierran en su posición y se quedan en su lugar sin poder moverse. Aunque los átomos y moléculas de los sólidos se mantienen en movimiento, el movimiento se limita a una energía vibracional y las moléculas individuales se matienen fijas en su lugar y vibran unas al lado de otras. A medida que la temperatura de un sólido aumenta, la cantidad de vibración aumenta, pero el sólido mantiene su forma y volumen ya que las moléculas están encerradas en su lugar y no interactúan entre sí. Para ver un ejemplo de esto, pulsar en la siguiente animación que muestra la estructura molecular de los cristales de hielo. LIQUIDOS se forman cuando la energía (usualmente en forma de calor) de un sistema aumenta y la estructura rígida del estado sólido se rompe. Aunque en los líquidos las moléculas pueden moverse y chocar entre sí, se mantienen relativamente cerca, como los sólidos. Usualmente, en los líquidos las fuerzas intermoleculares unen las moléculas que seguidamente se rompen. A medida

3 que la temperatura de un líquido aumenta, la cantidad de movimiento de las moléculas individuales también aumenta. Como resultado, los líquidos pueden circular para tomar la forma de su contenedor pero no pueden ser fácilmente comprimidas porque las moléculas ya están muy unidas. Por consiguiente, los líquidos tienen una forma indefinida, pero un volumen definido. En el ejemplo de animación siguiente, vemos que el agua líquida está formada de moléculas que pueden circular libremente, pero que sin embargo, se mantienen cerca una de otra. GASEOSO Se forman cuando la energía de un sistema excede todas las fuerzas de atracción entre moléculas. Así, las moléculas de gas interactúan poco, ocasionalmente chocándose. En el estado gaseoso, las moléculas se mueven rápidamente y son libres de circular en cualquier dirección, extendiéndose en largas distancias. A medida que la temperatura aumenta, la cantidad de movimiento de las moléculas individuales aumenta. Los gases se expanden para llenar sus contenedores y tienen una densidad baja. Debido a que las moléculas individuales están ampliamente separadas y pueden circular libremente en el estado gaseoso, los gases pueden ser fácilmente comprimidos y pueden tener una forma indefinida. ESTADO PLASMATICO Los plasmas son gases calientes e ionizados. Los plasmas se forman bajo condiciones de extremadamente alta energía, tan alta, en realidad, que las moléculas se separan violentamente y sólo existen átomos sueltos. Más sorprendente aún, los plasmas tienen tanta energía que los electrones exteriores son violentamente separados de los átomos individuales, formando así un gas de iones altamente cargados y energéticos. Debido a que los átomos en los plasma existen como iones cargados, los plasmas se comportan de manera diferente que los gases y forman el cuarto estado de la materia. Los

4 plasmas pueden ser percibidos simplemente al mirar para arriba; las condiciones de alta energía que existen en las estrellas, tales como el sol, empujan a los átomos individuales al estado de plasma. CAMBIOS DE ESTADO CARACTERÍSTICAS DE LOS DIFERENTES ESTADOS DE LA MATERIA SÓLIDOS LÍQUIDOS GASES COMPRESIBILIDAD No se pueden comprimir No se pueden comprimir Sí pueden comprimirse No se adaptan al Se adaptan al Se adaptan al VOLUMEN volumen del volumen del volumen del recipiente recipiente recipiente GRADOS DE LIBERTAD Vibración Vibración, rotación Vibración, rotación, traslación EXPANSIBILIDAD No se expanden No se expanden Sí se expanden

5 Datos: Resultados: Unidades: DATOS RESULTADOS y UNIDADES Mediciones y observaciones que se hacen Son Datos que se obtienen por medio de un experimento, pueden usarse ecuaciones para manejarlos. Definen las cantidades que se miden, toda medición debe tener unidades. UNIDADES INGLESAS Peso o masa: Longitud: Volumen: onza, libra, ton pulgada, pie, yarda, milla pinta, galón CARACTERISTICAS En general se usan poco en trabajo científico. Son muy confusas cuando se necesita convertirlas unas a otras TEMPERATURA Indica la intensidad de calor. Se mide empleando Escalas. Las escalas pueden ser : ABSOLUTAS: Kelvin y Rankine (poseen el cero absoluto)

6 RELATIVAS: Celsius y Farenheit C F K R TEMPERATURA DE CONGELACION DEL AGUA TEMPERATURA DE EBULLICION DEL AGUA FORMULA GENERAL PARA LAS CONVERSIONES TERMOMETRICAS C F - 32 K R _ = 9 = 5 = 9 EJERCICIOS: El alcohol etílico tiene una temperatura de ebullición de 78.5 C. Exprese este dato en la escala Fahrenheit-

7 C F = = F F 5 9 MEDIDA DE LA TEMPERATURA La temperatura se mide por medio de diversos instrumentos y dispositivos, de los que el más conocido es el termómetro de mercurio. En esencia, todos estos instrumentos se basan en la observación de las llamadas magnitudes termométricas, que son cualidades de los cuerpos susceptibles de modificación por efecto de los incrementos o los descensos de temperatura (por ejemplo, el hierro se enrojece al calentarse). En los procedimientos de medida aplicados se sustentan las principales escalas termométricas hoy día utilizadas, y que se basan en los puntos de fusión y ebullición del agua para determinar las escalas de graduación de sus valores.

8 Escala Celsius El termómetro de mercurio, corrientemente utilizado para medir temperaturas, consiste en una columna de mercurio encerrada en un tubo capilar, de manera que al variar la temperatura se modifica la altura del líquido dentro de la columna. La escala Celsius, también llamada centígrada, asigna el valor 0 a la temperatura de fusión del agua y el valor 100 al punto de ebullición del agua, en condiciones de presión normal (igual a 1 atmósfera).entre estos dos valores se define una escala dividida en cien tramos, cada uno de los cuales corresponde a un grado centígrado o Celsius. Esta escala, muy utilizada en la vida cotidiana en numerosos países del mundo, admite valores negativos (también referidos como temperaturas «bajo cero»). Escala Fahrenheit En la función lineal de la temperatura con respecto a la longitud, es posible elegir los valores de referencia para m y b de otras muchas maneras. En la actualidad, en los países anglosajones aún sigue usándose la escala Fahrenheit, establecida de manera que: Al punto de congelación del agua en condiciones de presión normal (1 atmósfera) se le asigna el valor 32. Al punto de ebullición normal del agua se le atribuye el valor 212. Escala absoluta El descubrimiento de que la temperatura posee un valor mínimo insuperable, estimado en 273,15 ºC, propició que, en el ámbito científico, se adoptara como base de referencia de la medida de temperaturas la escala absoluta o Kelvin.

9 La unidad de temperatura en el Sistema Internacional es el kelvin. Cero absoluto El valor llamado cero absoluto de temperaturas (origen de la escala absoluta o Kelvin) equivale a 273,15 ºC. Según la teoría física, este valor es inalcanzable para cualquier partícula material, dado que en él las partículas no tendrían ninguna energía cinética interna, alcanzando un estado de quietud total. Otras escalas Además de las tres escalas de temperatura más conocidas (absoluta o Kelvin, Celsius y Fahrenheit), se han propuesto otras de utilidad en determinados campos de la ciencia y la técnica. Entre ellas, sobresalen la escala Rankine (ºR), preferida en ciertos ámbitos de la ingeniería, que es una escala absoluta cuya división en grados se basa en la Fahrenheit y no en la Celsius; y la escala Réaumur (ºRe), donde el intervalo se divide en 80 grados y el origen se sitúa en el punto de congelación del agua. LA DENSIDAD Ejemplos:

10 Especie g / cm 3 Especie g / cm 3 Aire huesos Agua 1.0 orina Oro 19.3 gasolina EJERCICIO Cuál es la densidad de 5.00 ml de suero si tiene una masa de 5.23 g? d = masa / volumen d = 5.23 g / 5.00 ml d = 1.05 g / ml PESO ESPECÍFICO Es la densidad de una sustancia comparada a una sustancia de referencia. También es conocido como gravedad específica. La densidad de referencia corresponde a la del agua = g/ml. a 4 C. Propiedades: No tiene unidades