LA TEORÍA CINÉTICA Y LOS ESTADOS DE LA MATERIA. 1. ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA. En la naturaleza, la materia se puede hallar casi siempre en uno de estos tres estados: sólido, líquido o gaseoso Algunas características de la materia dependen de su estado físico. Por ejemplo, el agua en estado sólido tiene forma constante, pero en estado líquido o gaseoso tiene forma variable. El siguiente cuadro indica cómo son las características e la materia según su estado. Aunque generalmente la materia se halla en estado sólido, líquido o gas, también se puede encontrar en otros estados:! Plasma: Es similar al estado gaseoso, pero las partículas que forman la materia tiene carga eléctrica. Es el estado en que se halla la materia en las estrellas y, por tanto, el más abundante del universo; pero es desconocido para nosotros porque no es habitual en nuestro entrono, ya que se produce en condiciones de temperatura muy elevadas.! Cristal líquido: algunas sustancias líquidas están formadas por partículas ordenadas, como si fueran sólidos cristalinos. Al variar la temperatura o la corriente eléctrica que les llega, cambia la orientación de las partículas y entonces pueden cambiar de color. Estas sustancias sirven para fabricar pantallas LCD de teléfonos móviles, cámaras digitales, etc. 1
ACTIVIDADES: 2
5. 6. 7. 2. TEORÍA CINÉTICA 3
La teoría cinética explica por qué la materia se comporta de manera diferente según se halle en estado sólido, líquido o gaseoso. Las partículas se moverán tanto más rápido cuanto más alta sea su temperatura. 4
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Si vertemos perfume en una habitación, al cabo de un tiempo podemos oler su aroma. Explica este hecho, basándote en la teoría cinética. https://docs.google.com/document/d/14badjlic2sutghdicijv_x914y_4otthyfqwb7tjyv0/edit?usp=sharing 3. LOS CAMBIOS DE ESTADO 6
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La teoría cinética también explica por qué se producen cambios de estado. El calor que se comunica a la materia puede servir para: 8
! Aumentar la temperatura sin cambiar de estado, como en el caso de la primera, tercera y quita fila de la siguiente tabla.! Cambiar el estado de la materia sin cambiar la temperatura, como en el caso de la segunda y cuarta fila de la tabla. 9
La temperatura de fusión y la temperatura de ebullición de una determinada sustancia pueden cambiar según las condiciones en que se halle. El agua presente en la atmósfera ya temperatura ambiente dan lugar a una serie de fenómenos.! Nubes: El aire contiene vapor de agua que procede de la evaporación de los mares, los ríos, las plantas Al ascender por la atmósfera baja su temperatura y se condensa. Este fenómeno origina las nubes, que están formadas por gotas de agua muy pequeñas o cristales de hielo.! Lluvia: al bajar la temperatura, las gotas de agua de las nubes auemntan de tamaño y caen en forma de lluvia.! Niebla: Nubes bajas originadas cerca de tierra.! Nieve: al bajar mucho la temperatura, el agua de las nubes se congela y caen pequeños cristales de hielo.! Hielo: Si la temperatura baja por debajo de 0ºC se forman capas de hielo sobre los lagos, los estanques! Granizo: cuando las gotas de agua congeladas son arrastradas de nuevo al interior de la nube, aumentan de tamaño y caen por su propio peso.! Rocío y escarcha: cuando la humedad ambiental es muy alta y la temperatura muy fría, el agua se condensa o se sublima sobre superficies sólidas y forma las gotas del rocío y la escarcha.! Estela blanca de los aviones: el vapor de agua que desprenden los motores de los aviones se congela rápidamente debido a las bajas temperaturas que hay en las capas más altas de la atmósfera.! Vapor de la respiración (vaho): Cuando los seres vivos expulsamos aire, este se enfría y se condensa formando el vaho. 10
4. LAS LEYES DE LOS GASES De los tres estados de la materia vamos a centrarnos en los gases. Este estado de agregación se puede caracterizar por tres variables: presión, volumen y temperatura. Nuestro objetivo consiste en averiguar qué relación tienen estas tres variables entre sí. Para ello, mantendremos una variable fija, y observaremos cómo se relacionan entre sí. Las leyes de los g ases son un conjunto de leyes experimentales que relacionan la presión, el volumen y la temperatura de un gas a masa constante. LEY DE BOYLE-MARIOTTE Para obtener este resultado realizaron experiencias en las cuales, trabajando a temperatura constante, modificaban la presión para observar la variación de volumen. Registraron los datos en una tabla y realizaron su correspondiente gráfica con el fin de buscar alguna relación. Y la encontraron. LEY DE CHARLES PROBLEMAS LEYES DE LOS GASES 1. 2. 3. 11
4. 5. ACTIVIDADES FINALES 12
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TE DEJO AQUÍ UNOS MAPAS CONCEPTUALES QUE TE PUEDEN SERVIR A LA HORA DE CONFECCIONAR EL TUYO. 16
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Actividades de consolidación de unidad 32. Usando la teoría cinética, explica el siguiente fenómeno: viertes la mitad de alcohol de un vaso a una mesa. Al cabo de un cierto tiempo, la mesa está seca, pero el vaso sigue conteniendo alcohol. Con esta actividad desarrollamos la competencia de aprender a aprender. El alumno debe poner en práctica sus conocimientos para resolver la actividad. En particular, debe relacionar el fenómeno examinado con la teoría cinética. La explicación está relacionada con el proceso de evaporación. Recordemos que la evaporación es el cambio de estado de líquido a gas que se produce en cualquier líquido también a temperaturas por debajo de la de ebullición: de forma espontánea, algunas moléculas de la capa superficial del líquido logran escapar de la atracción que ejercen sobre ellas las otras moléculas del líquido, pasando al estado gaseoso. (En un líquido en equilibrio con su vapor, por ejemplo, un líquido encerrado en un recipiente cerrado, este proceso es contrarrestado por el proceso inverso de condensación.) Al verter el alcohol sobre la mesa aumentamos la superficie de contacto del líquido con el aire (es decir, la relación superficie/volumen) en comparación con la del alcohol contenido en el vaso, con lo que favorecemos el proceso de evaporación. 33. Explica, usando la teoría cinética, la conversión de hielo a agua líquida Con esta actividad desarrollamos la competencia lingüística del alumno al demandarle una explicación razonada del fenómeno de fusión del hielo a partir de la teoría cinética de la materia, explicación que debe expresar con un lenguaje claro y preciso. Para que se produzca un cambio de estado de sólido a líquido debe aportarse energía al sistema. Inicialmente la energía suministrada se invierte en aumentar el movimiento de las moléculas del sólido provocando así un aumento de la temperatura. Cuando se alcanza la temperatura de fusión las moléculas utilizan la energía suministrada para vencer las fuerzas intermoleculares que las retienen en el sólido y separarse unas de otras, produciéndose de esta manera el cambio de estado. Una vez se ha completado el paso al estado líquido, cualquier aporte adicional de energía hará que aumente de nuevo la temperatura. 34. Explica las diferencias y semejanzas entre los estados líquido y gaseoso según la teoría cinética. Expresando las diferencias entre ambos estados el alumno desarrolla la competencia lingüística, ya que debe trabajar su capacidad de expresarse de forma correcta y ordenada. Para resolver la actividad el alumno debe invocar la teoría cinética. Diferencias Semejanzas Las sustancias en estado líquido poseen volumen propio mientras que en estado gaseoso su volumen es variable. Esto se debe a la mayor libertad de que disponen las moléculas de gas para moverse, puesto que las fuerzas intermoleculares son más débiles. En ambos estados la forma que poseen las sustancias es variable, adaptándose al recipiente que las contiene. Ello es debido a que la fuerzas intermoleculares no son tan intensas como en el estado sólido, lo que confiere a las moléculas de líquidos y gases mayor libertad de movimiento. 35. Los contaminantes gaseosos muestran efectos más dañinos cuando se encuentran al aire libre. A qué es debido? Nos encontramos una vez más con una aplicación de la teoría cinética de la materia a la vida real, de forma que el alumno comprenda y valore la aplicabilidad de la teoría a fenómenos cotidianos. La actividad le permite, además, tomar conciencia de la problemática de los contaminantes gaseosos, de forma que también fomenta su conciencia moral y cívica. Los efectos más dañinos de los contaminantes en estado gaseoso se fundamenten en las propiedades que posee este estado de la materia. Los gases poseen gran libertad de movimiento, de forma que pueden 18
expandirse con facilidad, así que resulta sencillo que un contaminante gaseoso se propague sin control en el exterior, lo que lo vuelve potencialmente más dañino. 36. Si cierta masa de gas contenido en un recipiente rígido a la temperatura de 573 K posee una presión de 2 atm, qué presión alcanzará la misma cantidad de gas si la temperatura disminuye a 473 K? Indica qué ley de los gases has utilizado. Nos encontramos con una actividad de aplicación de las leyes de los gases. Puesto que estamos trabajando a volumen constante, la ley a utilizar será la ley de Gay-Lussac, según la cual la temperatura y la presión son directamente proporcionales: P 1 T 1 = P 2 T 2 Sustituyendo los valores del enunciado (T 1 = 573 K; T 2 = 473 K; P 1 = 2 atm) y despejando la presión final, P 2, obtenemos: 2 573 = P 2 473 P 2 = 1,65 atm 37. Trabajando a presión constante, disponemos de un gas a 34 C que ocupa un volumen de 300 ml. Calcula cuál será la nueva temperatura si descendemos el volumen a la mitad. Nos encontramos, de nuevo, con una actividad de aplicación de las leyes de los gases. Puesto que estamos trabajando a presión constante, la ley a utilizar será la ley de Charles, según la cual el volumen y la temperatura son directamente proporcionales: V 1 T 1 = V 2 T 2 Es importante subrayar que las temperaturas deben expresarse en kelvin. Por tanto, lo primero que debe hacer el alumno es convertir T 1 a kelvin: T 1 = (34 + 273) K = 307 K Sustituyendo ahora los valores del enunciado en la expresión matemática de la ley y despejando la temperatura final, obtenemos: 300 = 150 307 T 2 T 2 = 153,5 K = 119,5 C 38. Realiza un dibujo de cómo están distribuidas las partículas de agua dentro de un vaso de agua. En una actividad anterior representábamos en un dibujo el estado sólido. Ahora los alumnos deben dibujar de forma aproximada cómo estarían distribuidas las moléculas en el estado líquido. Por lo tanto desarrollamos la competencia de aprender a aprender. Para realizar el dibujo deben tenerse en cuenta las características del estado líquido, y esto es lo que deberíamos valorar en la actividad. Una representación aproximada sería la siguiente: 19
AUTOEVALUACIÓN. UNIDAD 2. 20
RODEA LA RESPUESTA CORRECTA NOMBRE: FECHA: NOTA: 1. Un manómetro indica 1`8 atm, este valor en milímetros de mercurio seria a. Son unidades diferentes por tanto no hay relación que las una. b. Aproximadamente 760 mmhg. c. 422 mmhg. d. 1368 mmhg. 2. La Ley de Boyle expresa a. Que para una temperatura dada, el volumen ocupado por un gas es inversamente proporcional a la presión. b. Que para un volumen dado de gas, el producto de la presión por la temperatura permanece constante. c. Que un gas en condiciones normales de presión y temperatura ocupa 22,4 litros. d. Que cuando un gas se expande, la presión gaseosa aumenta. 3. La Teórica Cinética de los gases nos dice que las partículas se mueven a. Tanto más deprisa cuanto menor es su densidad. b. Tanto más deprisa cuanto mayor es su volumen. c. Tanto más deprisa cuanto mayor es la temperatura del gas. d. Tanto más deprisa o más despacio dependiendo de su volumen. 4. Por qué cuesta más hinchar un neumático cuando está casi totalmente lleno? a. Por qué la bomba ya ha realizado suficiente trabajo. b. Porque ya se ha ocupado casi todo el volumen del neumático. c. Porque al meter más partículas el número de choques contra las paredes aumentará. d. Porque está aumentando la temperatura. 5. La ley de Gay-Lussac nos dice a. A volumen constante, P/T=CTE. b. A temperatura constante P/V=CTE. c. A presión constante T*V=CTE. d. Ninguna de las respuestas anteriores es la correcta. 6. La escala absoluta de temperaturas es a. La Centígrada que es la que usamos en España. b. La Fahrenheit. c. La Rankine. 21
d. La Kelvin. 7. Si los gases son partículas diminutas separadas, entre dos partículas que hay? a. Aire. b. Éter. c. Vacío. d. Depende del gas. 8. Según la teoría cinética al proporcionar calor a un gas a. Aumenta la velocidad de las partículas y el número de choques. b. Aumenta la densidad, al ser una propiedad especifica. c. Aumenta el número de moles. d. Disminuye el movimiento de las partículas. 9. El paso del estado sólido al gaseoso se denomina: a. solidificación. b. Sublimación. c. Condensación d. Fusión. 10. Cuando extendemos la ropa en un tendedor facilitamos a. La solidificación del agua por eso se seca antes. b. La condensación del agua. c. Que aumente la temperatura entre las prendas. d. La evaporación del agua por esos la ropa se seca. 22