1 Física y Química 3º Curso Educación Secundaria Obligatoria Curso académico 2015/2016 FÍSICA Y QUÍMICA TEMA 2: LA MATERIA Y SUS ESTADOS DE AGREGACIÓN
2 Física y Química 3º Curso Educación Secundaria Obligatoria Curso académico 2015/2016 LA MATERIA Y SUS ESTADOS DE AGRAGACIÓN 1. La materia y sus propiedades. 1.1. Propiedades generales y específicas. 1.2. Propiedades intensivas y extensivas. 1.3. Algunas propiedades extensivas. 1.4. Algunas propiedades intensivas. 2. Los estados de agregación de la materia. 2.1. Los estados de la materia. 2.2. La teoría científico molecular (TCM). 3. Los gases. 3.1. Características de los gases. 3.2. Presión de un gas. 3.3. La presión atmosférica. 4. Las leyes de los gases. 4.1. Ley de Boyle y Mariotte. 4.2. Leyes de Charles y Gay Lussac.
3 Física y Química 3º Curso Educación Secundaria Obligatoria Curso académico 2015/2016 LA MATERIA Y SUS ESTADOS DE AGRAGACIÓN 5. Los cambios de estado. 5.1. Cambios de estado progresivos. 5.2. Cambios de estado regresivos. 5.3. Calor en los cambios de estado. 6. Estudio experimental de los cambios de estado. 6.1. La temperatura de cambio de estado. 7. La TCM y los cambios de estado. 7.2. La TCM y los cambios de estado. 7.3. Gas y vapor.
4 1. LA MATERIA Y SUS PROPIEDADES Materia: todo aquello que ocupa un espacio, tiene duración en el tiempo y una propiedad fundamental llamada masa. Por tanto, pesa. El aire se materia? Cómo lo demostrarías? Sí
5 1. LA MATERIA Y SUS PROPIEDADES 1.1. Propiedades generales y específicas Propiedades generales: aquellas que son comunes para toda la materia. Ej.: masa (todos los cuerpos tienen masa), volumen, temperatura, etc. No permiten identificar una sustancia concreta. Propiedades específicas: propiedades concretas/particulares que poseen determinados tipos de materia. Ej.: densidad (cada cuerpo posee una densidad concreta), temperatura de fusión, color, brillo, sabor, etc. Sí permiten identificar sustancias (Ej.: el zumo de limón posee un sabor ácido, el agua hierve a 100 ºC, etc.).
6 1. LA MATERIA Y SUS PROPIEDADES 1.2. Propiedades intensivas y extensivas a) Propiedades intensivas: aquellas cuyo valor NO depende de la cantidad de materia que consideremos. Algunas propiedades intensivas son la temperatura y la densidad: La temperatura (t) ( por qué es intensiva?, ver página 33): indica el nivel térmico de un cuerpo, es decir, su tendencia a ceder calor a otro que se encuentra a menor temperatura o a recibir calor de él si su temperatura es mayor. En el SI se mide en Kelvin (K), aunque también es frecuente utilizar la escala Fahrenheit (ºF) y, sobre todo, la escala Celsius cuya unidad es el grado centígrado (ºC), las equivalencias son: t (ºC) = t (K) 273 ; t(ºc) = t(ºf) 32 / 1,8 Clase ejercicio resuelto 1 página 34 Ejercicios 1 y 7 página 35 para casa
7 1. LA MATERIA Y SUS PROPIEDADES 1.2. Propiedades intensivas y extensivas La densidad (d): relaciona la masa (m) de una sustancia con el volumen (V). En el SI se mide en kg/m3: d=m/v Densidad de algunas sustancias en condiciones normales (t = 0 OC y p = 1 atm) Sustancia Densidad (kg/m3) Dióxido de carbono 1,96 Etanol 789 Agua (4 OC) 1000 Agua de mar 1027 Mercurio 13600 Hierro 7870 Ploma 11340
8 1. LA MATERIA Y SUS PROPIEDADES 1.2. Propiedades intensivas y extensivas Ejercicios 4 y 6 página 35 para casa a) Propiedades extensivas: aquellas cuyo valor SÍ depende de la cantidad de materia que consideremos. Algunas propiedades extensivas son la masa y el volumen: La masa (m) ( por qué es extensiva?, ver página 33): cantidad de materia que contiene un cuerpo. Da origen al peso con lo que se puede medir de forma directa con una balanza. Su unidad en el SI es el Kg. El volumen (V): cantidad de espacio que ocupa un sistema material (cuerpo). Su unidad en el SI es el m3, aunque en el caso de los líquidos y gases se suele emplear el litro (L), introduciéndose así el concepto de capacidad (del recipiente que contiene el líquido o gas) que es volumen máximo de líquido o gas que puede alojar un recipiente dado. Ver tabla equivalencias página 32.
9 2. LOS ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA 2.1. Los estados de la materia El estado de agregación en el que se encuentre un sistema material depende de las fuerzas de cohesión interna que presenten las partículas que lo componen y, además, de las condiciones de presión y temperatura en la que se encuentre. En las condiciones que se dan en la corteza terrestre, la materia se presenta en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. De esta forma, la materia puede cambiar de estado si se modifican las condiciones de presión y temperatura, así, por ejemplo: O oc 100 oc
10 2. LOS ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA 2.2. La teoría cinético-molecular Fue desarrollada en la segunda mitad del siglo XIX para explicar el comportamiento de los gases, parte de las siguientes hipótesis: a) Los gases están formados por partículas (moléculas) muy separadas entre sí. El volumen de las moléculas es muy pequeño si lo comparamos con el volumen total que ocupa el gas. b) Las moléculas están en continuo movimiento, chocando entre sí y con las paredes del recipiente que las contiene. c) La temperatura a la que se encuentra un gas depende de la velocidad con la que se muevan sus moléculas, a mayor velocidad mayor temperatura y al contrario. d) Las fuerzas de atracción (o cohesión) que existen entre las moléculas del gas son muy débiles, con lo que éstas no están unidas, sino separadas (pueden moverse con libertad).
11 2. LOS ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA 2.2. La teoría cinético-molecular La TCM se aplicó/extendió a sólidos y líquidos, lo que permitió explicar los estados de agregación: Fuerzas de atracción muy intensas. Las partículas ocupan posiciones fijas muy próximas entre sí 1, 2, 3 y 5 pág. 37 para casa Fuerzas de atracción menos intensas. Las partículas fluyen, se desplazan manteniéndose juntas Fuerzas de atracción muy débiles. Las partículas pueden moverse con libertad
12 2. LOS ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA En qué estado se encuentra el núcleo interno? El núcleo interno de la Tierra se encuentra en estado sólido, debido a las altas presiones a las que está sometido. A mayor Tª, menor punto de fusión Presión Tª A mayor P, mayor punto de fusión + El núcleo interno se encuentra en estado sólido ya que aunque está sometido a altas temperaturas, la presión es mucho mayor que en el núcleo externo, es decir, la presión prevalece sobre la temperatura. Un aumento de presión favorece el agrupamiento de las partículas
13 3. LOS GASES 3.1. Características de los gases Todos los gases comparten una serie de características: son ligeros, se expanden hasta llenar y adoptar la forma del recipiente que los contiene, se escapan por orificios pequeños y son fáciles de comprimir. Para describir científicamente el comportamiento de los gases se utilizan 4 magnitudes físicas: la cantidad de gas, el volumen que ocupa, la presión que ejerce y la temperatura a la que se encuentra.
14 3. LOS GASES 3.2. Presión de un gas Según la TCM la partículas del gas están en continúo movimiento, chocando entre sí y, en su caso, con las paredes del recipiente que las contiene ejerciendo una fuerza. La presión de un gas es la fuerza que ejercen sus partículas al colisionar sobre la unidad de superficie. Se mide con un instrumento llamado manómetro y su unidad en el SI es el pascal, Pa (1 Pa = 1 N/m2); aunque también se suelen utilizar otras unidades como la atmósfera (atm) o el milímetro de mercurio (mmhg). Ver tabla de equivalencias página 38. Ejercicio 4 página 39 para casa
15 3. LOS GASES 3.3. La presión atmosférica Presión atmosférica: peso que ejerce la atmósfera sobre los cuerpos que se encuentran en ella. A nivel del mar 760 mmhg (E. Torricelli), no obstante varía con la altitud y las condiciones ambientales. Se mide con barómetro. Isobaras Borrasca, bajas presiones 1 mb = 1 hpa Anticiclón, altas presiones
16 4. LAS LEYES DE LOS GASES 4.1. Ley de Boyle y Mariotte Para una misma masa de gas, y a temperatura constante, el producto de la presión por el volumen tiene un valor constante (K); es decir: p1 V1 = p2 V2 = k (constante); a Tª constante Ejercicios 1 y 2 página 41
17 4. LAS LEYES DE LOS GASES 4.2. Leyes de Charles y Gay-Lussac Primera ley de Charles y Gay Lussac Para una misma masa de gas, y a presión constante, el volumen que ocupa el citado gas es directamente proporcional a su temperatura. Es decir, si aumenta la temperatura, el volumen también aumenta y además en la misma proporción. V1 / T1 = V2 / T2 ; a p constante Segunda ley de Charles y Gay Lussac Para una misma masa de gas, y a volumen constante, la presión que ejerce el citado gas es directamente proporcional a su temperatura. Es decir, si aumenta la temperatura, la presión también aumenta y además en la misma proporción. p1 / T1 = p2 / T2 ; a V constante Ejercicios 1 y 2 página 43 para casa
18 5. LOS CAMBIOS DE ESTADO Al variar las condiciones de presión y temperatura podrá producirse un cambio de estado, que es el cambio físico que experimenta un sistema material al pasar de un estado de agregación a otro. Se caracterizan por: a) Para cada presión, quedan definidos por un valor concreto de temperatura, temperatura de cambio de estado. b) Son reversibles. c) Mientras se está produciendo el cambio de estado, la temperatura del sistema material se mantiene constante.
19 5. LOS CAMBIOS DE ESTADO 5.1./5.2. Cambios de estado progresivos y regresivos Sublimación Fusión Solidificación Vaporización Condensación Sublimación inversa Cambios progresivos: el sistema absorbe calor de su entorno Cambios regresivos: el sistema cede calor de su entorno
20 5. LOS CAMBIOS DE ESTADO 5.1./5.2. Cambios de estado progresivos y regresivos Por qué el verter agua fría en un vaso aparecen gotitas de agua en la cara exterior del vaso? Porque el frío que proviene del vaso condensa el vapor de agua de su alrededor y éste se adhiere a la cara externa del vaso
21 5. LOS CAMBIOS DE ESTADO 5.3. Calor en los cambios de estado La energía absorbida o desprendida durante un cambio de estado se denomina calor latente de cambio de estado, L. Cada sustancia tiene sus propios valores. Su unidad en el SI es el J/kg (julio por kilogramo), aunque también su utiliza la cal/g (caloría por gramo). Ejercicio 3 página 45
22 6. ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LOS CAMBIOS DE ESTADO 6.1. Temperatura de cambio de estado Temperatura a la que tiene lugar cada cambio de estado: a) Temperatura de fusión: temperatura a la que tiene lugar el paso de sólido a líquido. b) Temperatura de solidificación: temperatura a la que tiene lugar el paso de líquido a sólido. c) Temperatura de ebullición: temperatura a la que tiene lugar el paso de líquido a gaseoso. d) Temperatura de condensación: temperatura a la que tiene lugar el paso de gas a líquido. Se cumple que: 1) cada sustancia tiene sus propios valores, que son fijos (ver tabla página 46). 2) para una mezcla de sustancias es variable. 3) Depende de la presión.
23 7. LA TCM EN LOS CAMBIOS DE ESTADO 7.2. La TCM y los cambios de estado Fusión Al elevarse la temperatura de un sólido, aumenta la agitación de las partículas hasta que algunas son capaces de abandonar sus posiciones fijas y fluir con libertad. Vaporización Si aumenta la temperatura de un líquido, la energía de las partículas aumenta y, por tanto, su velocidad. De esta forma, las partículas se alejan cada vez más unas de otras, así las que se encuentran en la superficie del líquido escapan al exterior, evaporación. Si la temperatura es lo suficientemente alta, cualquier partícula (esté donde esté) puede escapar del líquido, así la vaporización tiene lugar en toda la masa del líquido produciéndose grandes burbujas de vapor, ebullición. Ver explicación página 49
24 7. LA TCM EN LOS CAMBIOS DE ESTADO 7.3. Gas y vapor Gas Sustancias que son gaseosas a presión y temperatura ambiental. Ej.: ozono. Vapor Gas que se desprende de una sustancia que en condiciones ambientales es sólida o líquida. Ej.: vapor de agua desprendido al calentar agua líquida.
PROBLEMAS DE LOS GASES 1. Qué presión tenía inicialmente un gas que sabiendo que estando a 24ºC pasa a volumen constante a una presión de 780mmHg y a 30ºC? 2. Qué volumen final tiene un gas que inicialmente estaba a una t=20ºc y ocupaba un volumen de 24 litros y que al final se encontraba a una temperatura final de 25ºC, sabiendo que el proceso ocurre a volumen constante. 3. A qué temperatura se encontraba inicialmente un gas sabiendo que al principio se encontraba a 780mmHg y después a volumen constante se encontraría a una presión de 790mmHg y a una temperatura final de 30ºC?. 4. Qué volumen inicial tenía un gas que estaba sometido a una presión de 1,2 atm si después de someterse a un cambio a temperatura constante el volumen final es de 22litros y la presión final es de 760mmHg? 5. A qué temperatura inicial estaba una gas que ocupando un volumen inicial de 24litros pasa a presión constante a una temperatura final de 19ºC y ocupando un volumen de 2500 cm 3?.