La Materia y sus Estados - PDF

La materia 2 y sus estados rada tu mi á mpl i A En su momento, los globos aerostáticos fueron los más significativos aparatos para volar inventados por el ser humano: permitían a e...

La materia 2 y sus estados rada tu mi á mpl i A En su momento, los globos aerostáticos fueron los más significativos aparatos para volar inventados por el ser humano: permitían a estos la maravillosa experiencia de elevarse del suelo y trasladarse viajando por el aire, “dejándose llevar” por las corrientes de aire. Hoy en día, no se utilizan como medio de transporte, y el uso de los globos ha quedado relegado principalmente a tres actividades: la meteorología, la publicidad y como actividad deportiva y de ocio. La materia y los materiales. El modelo de Los estados de Los cambios de Usos y propiedades de los partículas. agregación de la estado de la materia. materiales. materia.  zá anali é y Le En 1782, los hermanos Montgolfier construyeron el primer globo aerostático. Ellos pensaron que si se calentaba el aire, este se expandía y se hacía más liviano que el aire frío. Después de muchos ensayos lograron elevar un globo fabricado con papel y tela de embalaje. ¿En qué creen que se diferencian los globos actuales de los fabricados por los hermanos Montgolfier? ¿Creen que el principio básico de su funcionamiento es igual? ión opin u ít En grupos, conversen rt pa acerca de los siguientes temas Com relacionados con los materiales. ¿Qué propiedades y características creen que deben tener las telas con las que se fabrican los globos aerostáticos? ¿Por qué? ¿Qué cambia en el aire del interior del globo al calentarlo? Propiedades extensivas Las leyes de los gases. e intensivas de los ¿Puede un cambio de estado materiales. ayudarnos a separar el agua y la sal? Miren el video.  Herramientas para aprender Elaboración de mapas conceptuales Luego de leer un texto de estudio o una noticia, por ejemplo, la elabo- ración de un mapa conceptual puede ayudar a reforzar la visión general del tema. Un mapa conceptual es un diagrama o una forma de representar gráfi- camente los conceptos claves de uno o varios textos, y sus relaciones. La mayoría de los mapas conceptuales representan ideas en elipses o cajas (también llamados nodos), que están estructurados jerárquicamente y co- nectados con líneas o flechas. Los organizadores gráficos más comunes son los que tienen forma de árbol, que veremos a continuación, aunque existen otros tipos. Como un mapa, justamente, las líneas o flechas indican el “camino” que une a los conceptos, nombrados con sustantivos o mediante cons- trucciones muy simples. Además, estas líneas se etiquetan con las pala- bras y las frases que ligan para ayudar a explicar las conexiones entre los conceptos. Las palabras claves ubicadas en las cajas sintetizan, como títulos, las 11.723 ideas centrales de un texto. Ley11.723 fotocopia.Ley En el primer nivel, se ubica el tema general. Luego, se unen con flechas sufotocopia. las otras palabras clave que representan las ideas más importantes. Si de Prohibidasu ellas se desprenden ideas secundarias, se trazan nuevas flechas. Entre las S.A. Prohibida flechas se agregan palabras que establezcan la relación entre un concepto sms.a. y otro. Para comenzar a construir un mapa conceptual, resulta muy útil edicionessm ©©ediciones desarrollar una pregunta focal, es decir, aquella que define el problema que el mapa intenta resolver. Desarrollar una pregunta de enfoque permi- te diseñar con un contexto en mente y, así, ayuda a guiar y mantener la dirección del mapa conceptual. TÍTULO O IDEA GENERAL Idea principal 1 Idea principal 2 Idea principal 3 Idea secundaria Idea secundaria Idea secundaria Ejemplos Ejemplos Ejemplos Los mapas conceptuales son herramientas sumamente útiles a la hora de estudiar. 32  Materia y materiales Nuestros sentidos nos permiten observar los cuerpos que nos rodean. Por ejemplo, probamos una frutilla y saboreamos su gus- to, las manos nos ayudan a apreciar su textura y nuestro olfato reconoce su inconfundible aroma. Los cuerpos están formados por materiales, pero la materia es el componente común de todos los materiales. ¿Qué son la materia, los cuerpos y los materiales? La materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. Un cuerpo es toda porción de materia que tiene lími- tes propios y definidos, perceptibles mediante los sentidos, en su longitud, altura y profundidad, esté viva o no. Así, una rueda y una flor son dos cuerpos diferentes. Por último, los materiales son los tipos de materia que forman un cuerpo. La madera, el vidrio, el agua y el algodón son ejemplos de materiales. Los seres huma- nos utilizamos toda clase de materiales para satisfacer nuestras Los seres humanos producimos necesidades, aunque a veces lo hacemos en forma desmedida y/o una enorme cantidad de residuos que provocan serios problemas generando desechos que contaminan el ambiente. ambientales. Cada tipo de material tiene propiedades o características propias, que lo hacen diferente al resto de los materiales. Para ediciones sm s.a. Prohibida su fotocopia. Ley 11.723 organizar el estudio de sus propiedades, los científicos clasifican los materiales, entre otros, mediante estos criterios: Algunas formas de clasificar a los materiales Criterio Clases Según su estado de agregación. Líquidos, sólidos, gases, plasmas. Según su forma de obtención. Naturales, artificiales. © Un material se puede utilizar para fabricar distintos objetos y un mismo objeto puede estar fabricado con diferentes materiales. Por ejemplo, con metal se puede hacer un sacapuntas o una tijera; a su vez, una regla puede ser de plástico, de madera o de metal. El tipo de material que se usa para fabricar un objeto depende de sus propiedades, Por ejemplo, los paraguas se fabrican con te- las impermeables, y las latas de gaseosa, con aluminio. Actividades 1. Expliquen cuál es la diferencia entre materia y materiales. 2. Nombren dos objetos diferentes que estén fabricados con el mis- mo material. ¿Qué características Los transbordadores están Un celular está hecho con más de tiene ese material que lo hace útil recubiertos de losas cerámicas 400 materiales: plásticos, metales, para fabricar dicho objeto? resistentes a altas temperaturas. cerámicos, pigmentos y vidrio. 33  Glosario activo Propiedades de los materiales Buscá en el texto la/s palabras a las Los materiales que existen en la naturaleza se distinguen por que corresponde la siguiente des- sus propiedades. Por ejemplo, es fácil diferenciar el vidrio de cripción: “Su estudio es importante otros materiales, si se considera su transparencia y su dureza. en las ramas de la ciencia en que Las propiedades que son percibidas con los órganos de los sen- es habitual evaluar inicialmente las tidos (color, olor, sabor y textura) se denominan propiedades características de la materia sin la organolépticas. ayuda de instrumentos científicos”. Propiedades específicas Para fabricar un objeto, se deben tener en cuenta las propie- dades de los materiales y elegir el más adecuado. Por ejemplo, es conveniente fabricar un martillo con metal y no con goma. La química, entre otras cosas, se ocupa de identificar materiales y, para ello, se basa en un conjunto de propiedades específicas. Algunas de ellas son: Ductilidad. Propiedad de los metales de estirarse para for- mar hilos o alambres, como el cobre, que es utilizado en el interior de los cables. Maleabilidad. Propiedad de los metales de extenderse en ediciones sm s.a. Prohibida su fotocopia. Ley 11.723 laminas, como el cinc. Plasticidad y elasticidad. Propiedad de los materiales de cambiar su forma cuando se les aplica una fuerza. Si el cam- bio es permanente, se dice que el material es plástico. Si recupera la forma original cuando se suspende la acción de El oro es el material más maleable esa fuerza, el material es elástico. Por ejemplo, la arcilla es conocido por el hombre, lo que le da plástica y la goma espuma es elástica. un uso privilegiado en la joyería. Tenacidad. Resistencia que opone un material a romperse © o a deformarse cuando se ejerce una fuerza sobre él, como el acero. Fragilidad. Propiedad por la cual un material tiende a que- brarse y fragmentarse cuando se lo golpea, como el vidrio de una ventana. Conductividad eléctrica. Propiedad que tiene un material de conducir la corriente eléctrica; los metales son muy bue- nos conductores de la electricidad. Conductividad térmica. Propiedad que tiene un material de conducir el calor; los metales también son muy buenos conductores del calor. Dureza. Resistencia que opone un material al ser raya- do por otro. Para medir la dureza se utiliza la escala de Mohs, que consiste en diez minerales, a los que Carl Mohs (1773-1839) asignó un determinado número equivalente Debido a su fragilidad, el vidrio a su grado de dureza. Esta escala comienza con el talco, es utilizado donde puede ser que tiene el número 1, y termina con el diamante, con el necesario romperlo en una emergencia, como las cajas que número 10. Cada mineral raya a los que tienen un número contienen los extintores. inferior a él. 34  Propiedades extensivas e intensivas Las propiedades de un material pueden clasificarse en exten- PROPIEDADES DE sivas e intensivas. Las propiedades extensivas son aquellas que LA MATERIA se miden con facilidad y que dependen de la cantidad de materia, como la masa, el peso y el volumen. Las propiedades intensivas, en cambio, tienen que ver con la estructura química interna de la materia. La densidad, la temperatura de fusión y la de ebullición son EXTENSIVAS INTENSIVAS ejemplos de propiedades intensivas. Propiedades extensivas y unidades La masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo; el peso SU VALOR NO CAMBIA es el resultado de la interacción de la Tierra y los cuerpos que hay CAMBIA SI SE SEGÚN LA MODIFICA LA en ella; el volumen es el espacio que ocupa la masa de un cuerpo. CANTIDAD DE CANTIDAD DE La masa, el peso y el volumen se miden con instrumentos adecua- MATERIA DE UN MATERIA DE UN CUERPO dos, y su valor se expresa con números y unidades. CUERPO La masa (m) se mide con una balanza de platillos y la unidad que la define en el Sistema Internacional de Medidas (SI) es el kilogramo Ejemplos Ejemplos (kg). En los laboratorios se emplea el gramo (g), que corresponde extensivas: intensivas: a la milésima parte del kilogramo (1 kg = 1.000 g). El peso de un peso, brillo, volumen, dureza, cuerpo se mide con un dinamómetro y la unidad que lo define en el masa densidad ediciones sm s.a. Prohibida su fotocopia. Ley 11.723 SI es el newton (N). El volumen se mide con una probeta y la unidad que lo define es el metro cúbico (m3). En el laboratorio se utiliza el centímetro cúbico (cm3), que equivale al mililitro (1 ml = 1 cm3). Propiedades intensivas y unidades La densidad (δ) es la relación entre la masa de un material y. el volumen que ocupa esa masa. Cada material tiene una densidad Amplíen la información que lo caracteriza y es específica. Es un valor constante cuando se sobre las magnitudes. © la mide en ciertas condiciones, por ello es una propiedad intensiva. Para calcular la densidad de un material, se divide su masa por su volumen: la unidad resultante en el SI es kg/m, pero se suele usar el submúltiplo g/cm3. Por ejemplo, la densidad del agua a 4 °C es 1.000 kg/m3 o 1 g/cm3. La ecuación de la densidad es: m Actividades δ= v Supongamos que tienen que calcular la densidad de un bloque 1. ¿Qué son las propiedades de los de hierro que tiene una masa de 78,7 g. Para ello, necesitan medir materiales? ¿Por qué es tan im- el volumen del bloque de hierro, para lo que pueden proceder de la portante conocerlas? siguiente manera: coloquen un volumen de líquido conocido en una 2. Supongan que se dispone de probeta, por ejemplo 50 ml; con mucho cuidado introduzcan el blo- tres líquidos: alcohol, mercurio que de hierro en la probeta. El bloque desplaza su propio volumen y y gasolina. Busquen las densida- el nivel de agua asciende, por ejemplo, a 60 ml. Luego, la diferencia des de cada uno de estos, e indi- de volumen corresponde al volumen del bloque de hierro: 60 ml – quen en qué orden se ubicarían 50 ml = 10 ml. Después podrán calcular la densidad del hierro. (de arriba hacia abajo) si se co- m 78,7 g g locaran juntos en un recipiente. δ= δ= δ = 7,87 Argumenten sus respuestas. v 10 ml ml 35  El modelo de partículas Los modelos son construcciones humanas realizadas para ex- plicar fenómenos u objetos naturales. Son representaciones de la realidad basadas generalmente en analogías; es decir, en rela- ciones de semejanza, que facilitan la comprensión del objeto de estudio. Se usan tanto en el ámbito científico como en el escolar. Los modelos, tanto escolares como científicos, pueden ser mo- delos mentales, modelos materiales o modelos matemáti- cos. Las teorías explicativas son modelos mentales, mientras que las ecuaciones matemáticas que representan leyes son modelos matemáticos. Los modelos materiales son representaciones con- cretas: dibujos, imágenes, fotografías, maquetas, etcétera. En cualquier caso, el modelo debe permitir describir y explicar el fenómeno en estudio. Los materiales que conocemos habitualmente se presentan en un determinado estado de agregación: sólido, líquido, gaseoso y plasma, y cada uno puede pasar a otro estado, en ciertas condi- ciones. Por ejemplo, a temperatura ambiente, la arena es sólida, mientras que el oxígeno es gaseoso, y los aceites son líquidos. El ediciones sm s.a. Prohibida su fotocopia. Ley 11.723 plasma es un estado de agregación que veremos más adelante. Para comprender y explicar las causas por las que cierto mate- rial se presenta en la naturaleza en un estado de agregación parti- Actividades cular, los científicos propusieron la teoría conocida como modelo de partículas, cuyos postulados son: 1. De a dos, busquen un ejemplo La materia es discontinua, es decir, está formada por partí- de un modelo científico utilizado culas y espacio vacío entre ellas. para representar o explicar fenó- Las partículas son tan pequeñas que no se las puede ver con © menos. Luego, identifiquen si se ningún microscopio, ni aun con el más potente. trata de un modelo mental, ma- Toda la materia está formada por partículas compuestas, a terial o matemático, y expliquen su vez, por otras más pequeñas llamadas átomos. qué importancia creen que tuvo Según el modo en que se agrupan, los átomos dan lugar a dis- para la ciencia. tintas partículas. Así, las partículas de agua están formadas por 2. Observen las siguientes ilustra- dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno; las de helio son direc- ciones e identifiquen cada una tamente los átomos de helio; y las de nitrógeno están formadas de las partículas. ¿Cuáles son por dos átomos de nitrógeno. Las partículas formadas por más de átomos, moléculas o iones? un átomo se llaman moléculas. Los átomos o las moléculas son neutros y no tienen carga eléctrica. Cuando estas partículas están cargadas (con carga positiva o negativa), se las llama iones. Sustancias Partículas Átomos Agua Hidrógeno Oxígeno 3. Expliquen cuál es la diferencia entre los conceptos de átomo, Constitución de la sustancia agua según el molécula e ion. modelo de partículas. 36  Los estados de agregación El modelo de partículas es muy útil para explicar por qué una sustancia es sólida, líquida o gaseosa a cierta temperatura y cómo ocurren los cambios de estado. Las fuerzas de atracción tienden a juntar las partículas, mien- tras que las fuerzas de repulsión hacen que estas se alejen entre sí. Estas fuerzas son responsables del estado de agregación de un material y del movimiento de sus partículas. Si las fuerzas de atracción son muy grandes, las partículas se atraerán mucho y su movimiento será muy acotado; ade- más, ocuparán un espacio reducido. Si las fuerzas de atracción son pequeñas, las partículas se rechazarán entre sí y su movimiento será importante. Estado de agregación según el modelo de partículas Estado sólido Estado líquido Estado gaseoso ediciones sm s.a. Prohibida su fotocopia. Ley 11.723 Las partículas están muy próximas Las partículas en los materiales Las partículas de los gases están © entre sí, como adheridas con líquidos están próximas, pero tienen muy separadas entre sí y en continuo pegamento, sin “resbalar” entre sí. más libertad y solo pueden “resbalar” movimiento. Las fuerzas de atracción Las fuerzas de atracción entre las entre sí. Las fuerzas de atracción son son muy débiles, y en cambio partículas son muy intensas, y las menos intensas, y el movimiento de las predominan las fuerzas de repulsión. mantienen unidas en posiciones fijas, partículas es desordenado. Por esta En los gases, las partículas se mueven por lo que no pueden desplazarse, razón, los materiales en este estado en todas las direcciones, chocando pero vibran en sus posiciones fijas. adquieren la forma del recipiente que con las paredes del recipiente y Por eso, los sólidos son rígidos y no los contiene y es posible percibir en ocupando todo el espacio que adoptan la forma del recipiente. ellos una superficie o nivel. tienen disponible. La energía térmica interviene en el movimiento de las par- Actividades tículas que forman la materia. Cuando se calienta un cuerpo, au- menta su temperatura y se incrementa el movimiento de las partí- 1. ¿Creen que tendría sentido colo- culas que lo forman. Así, disminuyen las fuerzas de atracción entre car un gas en un vaso de vidrio? las partículas, que se alejan entre sí. Si el sistema está en estado Justifiquen su respuesta. sólido, de máximo ordenamiento, el aumento de la temperatura 2. ¿Por qué no conviene lavar la puede provocar el cambio de estado a líquido. De igual forma, si se ropa cuando acaba de llover? le entrega calor a un líquido, puede provocarse que pase al estado 3. Expliquen por qué el aumento gaseoso. Por el contrario, para que un líquido se transforme en de temperatura favorece el pa- sólido, es necesario extraer cualquier tipo de energía del sistema. saje de estado sólido a líquido. 37  El estado gaseoso T = 20º C T = 100 º C A mediados del siglo XX se desarrolló la teoría cinética de los gases, también denominada modelo cinético-molecular de los gases, con el fin de explicar su comportamiento y sus propieda- des. Esta teoría supone lo siguiente: Un gas está formado por partículas muy pequeñas, que se hallan muy separadas entre sí. Entre ellas solo hay espacio vacío. Las partículas que forman el gas están en continuo mo- vimiento. El movimiento es fundamentalmente de trasla- Las partículas de un gas se mueven ción, aunque también rotan y vibran. Así, las partículas del en línea recta y chocan con otras o gas chocan entre sí y con las paredes del recipiente que con las paredes del recipiente. Al darle energía a un gas, se incrementa las contiene. el movimiento de sus partículas y su La presión que ejerce un gas en un recipiente es proporcio- energía cinética promedio: aumenta nal al número de partículas y a los choques de ellas contra su temperatura. sus paredes. Cuando se entrega energía a un gas, aumenta la energía ci- nética (de movimiento) promedio de sus partículas. Como consecuencia, aumenta su temperatura. Los gases no tienen forma ni volumen propio, sus partículas se ediciones sm s.a. Prohibida su fotocopia. Ley 11.723 mueven continuamente y ocupan todo el volumen del recipiente que las contiene. Las moléculas de un gas pueden trasladarse en el espacio: pueden fluir. Debido a que sus partículas están muy separadas entre sí, los gases pueden comprimirse (reducir su volumen) con facilidad cuando se ejerce cierta presión sobre ellos; por eso se dice que son compresibles. Además, al calentarse, los gases se dilatan, es decir, se expanden y ocupan más lugar, pero su masa no varía. © El estado líquido Supongan que toman una jarra, una probeta graduada y un ba- Los líquidos casi no son lón aforado de 1 litro de capacidad, y los llenan con agua hasta la compresibles. Por eso, cuando marca que indica este volumen. Los tres recipientes tienen dife- empujamos el émbolo de una jeringa tapada y llena de agua, no avanza. rente forma, pero contendrán el mismo volumen de líquido. Los líquidos tienen volumen propio, pero no forma propia, por lo que adoptan la forma del recipiente que los contiene: a esta propiedad se la llama fluidez. En los líquidos las partículas están mucho más próximas entre sí que en los gases, pero menos que en los sólidos, ya que existe cierto equilibrio entre las fuerzas de repulsión y las de atracción entre ellas. Las moléculas pueden trasladarse, pero a una velocidad menor que la de los gases; por eso los líquidos pueden fluir, pero menos que los gases. A la velocidad con la que se desparrama o fluye un líquido se la denomina viscosidad, y consiste en la resistencia que ofrecen Desplazamiento de dos líquidos los líquidos al escurrir. Por ejemplo, el aceite es más viscoso que con diferente velocidad. El líquido el agua. de la izquierda es el más viscoso. 38  El estado sólido Los sólidos, como la sal de cocina o el aluminio de una pava, tienen volumen y forma definida, lo que significa que el espacio que ocupa el sólido es único y su forma se mantiene estable. En el esta- do sólido, las fuerzas de atracción entre partículas son mucho más intensas que las de repulsión, por lo que se hallan muy cercanas en- tre sí y sin posibilidad de trasladarse (aunque vibran un poco). Las partículas presentes en los sólidos están ordenadas. Por todo ello, los sólidos tienen forma propia y no son capaces de fluir. Los sólidos son incompresibles (no se pueden comprimir), ya que entre sus partículas existe muy poco espacio vacío para poder acercarlas. Las partículas de los sólidos se agrupan en forma compacta. En función del mayor o menor orden con el que se agrupan las Junta de dilatación en las vías de tren. partículas de un material, es decir, según la estructura espacial que adopten, los sólidos pueden clasificarse en sólidos cristalinos o sólidos amorfos. En los sólidos cristalinos las partículas se disponen en for- mas geométricas ordenadas tridimensionalmente, denomi- nadas redes cristalinas. La cocina nos brinda dos ejemplos de sólidos cristalinos de uso cotidiano: la sacarosa (azúcar ediciones sm s.a. Prohibida su fotocopia. Ley 11.723 común de mesa) está compuesta por partículas formadas por carbono, hidrógeno y oxígeno, y el cloruro de sodio (sal co- mún de mesa), formado por iones sodio (Na+) y cloruro (Cl-). Los sólidos amorfos presentan muy poco orden en la dis- tribución de sus partículas, que se distribuyen al azar, sin formar redes cristalinas. Son ejemplos de sólidos amorfos los vidrios, las ceras y los plásticos. En algunos casos, la formación del tipo de sólido depende de © la naturaleza del material y de las condiciones de cristalización. Actividades Por ejemplo, el dióxido de silicio (SiO2) forma un sólido cristalino, el cuarzo, cuando es enfriado lentamente, y en cambio, forma un 1. Algunas marcas han diseñado en- sólido amorfo, el vidrio, cuando es enfriado bruscamente. vases de desodorantes más chi- Otra característica es que se dilatan, es decir, aumentan su vo- cos, pero que tienen igual canti- lumen al ser calentados. Los ingenieros deben tener en cuenta esta dad de contenido. ¿Creen que es propiedad de los sólidos, ya que cualquier material en este estado un engaño al consumidor? ¿Por cambia su volumen al variar la temperatura ambiente. Por ejemplo, qué? ¿Cúal es el beneficio? las vías de acero de un tren se colocan en tramos; es necesario dejar 2. Los líquidos tienen una propie- un espacio entre tramo y tramo, llamado junta de dilatación, porque dad llamada tensión superficial. el material se dilata (aumenta de volumen) en la época de verano. Investiguen en qué consiste y cuál es su importancia en la na- turaleza. 3. En la construcción de las vías de Cl– I– tren se debe tener en cuenta la Na+ Ag+ dilatación de los sólidos cuando son expuestos al calor. ¿En qué otras situaciones creen que debe ser considerada esta propiedad? Cloruro de sodio. Cuarzo. Vidrio. 39  Los cambios de estado 80 Con frecuencia observamos los cambios de estado de la mate- Temperatura (ºC) 60 A ria; por ejemplo, al sacar hielo del congelador, que no es otra cosa Agua que agua sólida, se convierte en agua líquida, o cuando se calienta 40 agua líquida se transforma en vapor (gas). 20 De acuerdo con la teoría cinética, el aumento de la movilidad 0 de las partículas de un sólido incrementa la temperatura. Si con- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 tinúa aumentando la temperatura, las partículas adquieren ener- Tiempo (minutos) gía suficiente para liberarse de sus posiciones fijas, y el sólido se convierte en líquido. Si sigue subiendo la temperatura, el material 200 pasa al estado gaseoso y sus partículas se mueven por todo el Temperatura (ºC) B 150 volumen del recipiente que lo contiene. Agua Los cambios de estado de los materiales son transformacio- 100 nes físicas, ya que no se modifica su composición: tanto en forma 50 de hielo como líquida o gaseosa, el agua sigue siendo la misma 0 sustancia, de fórmula química H2O. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Tiempo (minutos) Cambios de estado y modelo de partículas Representación gráfica del punto de Los cambios de estado pueden explicarse a partir del modelo ediciones sm s.a. Prohibida su fotocopia. Ley 11.723 fusión (A) y el punto de ebullición de partículas. Cuando se le entrega suficiente energía térmica del agua (B). Mientras dura la fusión y la ebullición, la temperatura se (en forma de calor) a un sólido, la energía cinética de sus partí- mantiene constante. culas aumenta y las fuerzas de atracción entre ellas disminuye, por lo que comienzan a moverse más libremente y pueden pasar al estado líquido. Si se sigue entregando energía térmica, las partículas en estado líquido aumentan aún más su energía ciné- tica, las fuerzas de atracción se anulan y comienzan a predomi- nar las fuerzas de repulsión; entonces, el líquido pasa al estado © gaseoso. Por el contrario, para que un líquido pase a estado sólido o un gas a estado líquido, se le debe quitar al sistema suficiente energía térmica. Interpretación de algunos cambios de estado Reto integrador: desde el modelo de partículas Microemprendimiento de producción de jabones y velas Físicoquímica – Matemática Pasaje de sólido a líquido. - Educación Artística. Las partículas ganan movilidad y, aunque siguen juntas, pueden cambiar de posición. El sólido pasa al estado líquido. Pasaje de líquido a gas. Las partículas ya no permanecen juntas, ganaron movilidad y escapan del estado líquido, pasan al estado gaseoso. 40  Cambios de estado progresivos y regresivos Un material, en ciertas condiciones, cambia de estado a una temperatura determinada, llamada temperatura de cambio de estado. Mientras ocurre el cambio de estado, esta permanece constante. Si el material absorbe energía térmica durante el cam- bio de estado, este es un cambio progresivo; si cede energía, es un cambio regresivo. Entre los tres estados más conocidos de la materia se dan los siguientes cambios. Solidificación Vaporización Cambios Cambios regresivos progresivos (el sistema (el sistema Condensación cede Líquido absorbe Fusión energía energía térmica o térmica o cinética) cinética) Cuando nos preparamos una taza de té caliente, parte del líquido que está en Volatilización la superficie pasa a estado gaseoso (se evapora) y observamos que sale “humo”. Sublimación Sólido Gaseoso ediciones sm s.a. Prohibida su fotocopia. Ley 11.723 Veamos cuáles son los cambios progresivos: La fusión es el paso del estado sólido al líquido, por ejem- plo, al calentar manteca en una sartén, se derrite. La vaporización es el pasaje del estado líquido al gaseoso. Puede ocurrir en dos formas: ebullición y evaporación: - En la ebullición, por ejemplo, cuando el agua hierve en una olla, al alcanzar la temperatura de ebullición, se pro- duce el cambio de estado en todos los puntos del líquido. © - En la evaporación, solo las partículas superficiales del Actividades líquido pasan al estado gaseoso. Esto ocurre porque el sis- tema no alcanza la temperatura de ebullición. Por ejem- 1. Respondan las siguientes pre- plo, en los lagos el agua superficial se evapora lentamente. guntas, justificando sus respues- La volatilización es el pasaje del estado sólido al gaseoso. tas en función de lo que estudia- Por ejemplo, la naftalina sólida volatiliza y pasa a ser un gas. ron en esta doble página. Veamos cuáles son los cambios regresivos: a. ¿Por qué cuando sacamos una La solidificación es el pasaje del estado líquido al sólido; botella de la heladera, luego por ejemplo, cuando colocamos agua en el congelador, esta de unos minutos parece que le cede energía térmica al aire frío, y se forma hielo. “transpira”? La condensación es el pasaje del estado gaseoso al líquido. b. ¿Por qué cuando abrimos un Cuando el agua en estado gaseoso (vapor) hace contacto pote de helado que contiene con una superficie fría, se condensa y se vuelve líquida. hielo seco vemos que sale La licuefacción es el paso de un gas al estado líquido. Solo “humo”? se produce artificialmente cuando se desea envasar un gas 2. Lean los textos de las páginas 36 en estado líquido, como el de los encendedores. a 40, y subrayen las ideas más La sublimación es el cambio inverso a la volatilización, es importantes. Transformen estas decir, de gas a sólido. Por ejemplo, el yodo gaseoso que cho- ideas en palabras clave. Luego, ca contra una superficie fría y forma cristales sólidos. armen un mapa conceptual. 41  El plasma, cuarto estado de la materia Si a un gas se le entrega energía suficiente (calor o electricidad), sus partículas pueden perder algunas cargas negativas, y queda un conjunto de cargas positivas (cationes). Este estado, formado por gases ionizados, se denomina plasma. Relámpagos Son descargas eléctricas que cruzan la atmósfera io- nizando momentáneamente el aire circundante, es de- cir, generando plasma. Esto ocurre cuando se crea una acumulación suficiente de cargas eléctricas diferentes en la parte interior de las nubes y el suelo. La ioniza- ción del aire provoca una gran emisión de luz. Fuego El fuego es un plasma de temperatura no muy elevada. La corona amarillo-anaranjada que se observa alrede- dor de la llama de una vela o un mechero es producida por la ionización de los átomos (dejan de ser neutros y ediciones sm s.a. Prohibida su fotocopia. Ley 11.723 adquieren cargas) presentes en las moléculas del aire. Estrellas El Sol y las demás estrellas del universo son enormes bolas de plasma, de gran densidad y temperatura. El Sol está formado principalmente por hidrógeno. En su interior, se producen reacciones nucleares que gene- © ran gran cantidad de energía, e ionizan a los átomos. Tubos fluorescentes Estas lámparas tienen una pequeña cantidad de vapor de mercurio y un gas, generalmente argón (Ar). Al encen- derlas, el argón pierde electrones y se ioniza. El plasma así formado permite que los átomos de mercurio emitan luz. Los carteles luminosos de neón y el alumbrado pú- blico también contienen sustancias en estado de plasma. Pantallas de plasma Muy usadas en televisores y monitores de computa- doras, estas pantallas tienen una mezcla de gases inertes como el xenón y neón que, gracias al pasaje de corriente eléctrica, pasan al estado de plasma y emiten luz coloreada. Estas pantallas presentan re- solución de imagen superior a las convencionales, pero su duración es menor. 42  Presión, temperatura Glosario activo y volumen en los gases Buscá en el texto la palabra “pre- Los gases ejercen presión sobre las paredes del recipiente que sión” y su definición. Luego pensá los contiene. Cuando un sistema gaseoso está en equilibrio, la pre- si esta misma palabra puede ser sión interna del gas es idéntica a la presión que se ejerce sobre él utilizada en otros contextos con desde el exterior. Matemáticamente, se define la presión como el significados distintos. Proponé una cociente entre fuerza y superficie, es decir: definición en cada caso. F P= S La unidad más frecuentemente utilizada de presión de gases es la atmósfera (atm), que equivale a 760 milímetros de mercurio (mm Hg), 1013,25 hectopascales (hPa) y 1013,25 milibares (mba). La atmósfera de la Tierra es una mezcla de gases que la rodea y que ejerce presión sobre ella. Como el aire es materia, tiene masa y, entonces, pesa. La fuerza que ejerce la columna de aire sobre la superficie terrestre se llama presión atmosférica. La temperatura y sus escalas ediciones sm s.a. Prohibida su fotocopia. Ley 11.723 La temperatura es una propiedad de los cuerpos relacionada con el movimiento de sus partículas. Cuanto mayor sea este movimiento, más elevada será la temperatura del cuerpo. El calor o energía térmi- En 1643 el físico italiano Evangelista ca es aquella que un cuerpo transfiere a otro que está a menor tempe- Torricelli (1608-1647) construyó un dispositivo llamado barómetro de ratura que él, ya que le transfiere parte de la agitación de sus partícu- mercurio, con el que pudo medir por las. Al poner en contacto dos cuerpos a distinta temperatura, el cuerpo primera vez la presión atmosférica. caliente se enfría y el cuerpo frío se calienta hasta que se igualan sus temperaturas. Se dice que han alcanzado el equilibrio térmico. © Hay diferentes escalas para medir temperaturas: Celsius Kelvin Fahrenheit Escala Celsius (o centígrada): Es la utili- Actividades zada habitualmente. Definida por el físico sueco Anders Celsius (1701-1744) en 1742. Toma dos puntos fijos: el de fusión y el de 100 373 212 ebullición del agua a 1 atm de presión: 0 °C 1. ¿Cómo creen que varía la presión 10 283 y 100 °C, respectivamente. Este intervalo 20 293 se divide en 100 partes iguales; cada una atmosférica con la altura sobre el de ellas es un grado centígrado (1 °C). 30 303 nivel del mar? Justifiquen sus res- 40 313 Escala absoluta o Kelvin: Es la utiliza- 50 323 180 puestas. da por los científicos. Toma como cero 60 333 absoluto de temperaturas (es decir, el valor 2. Investiguen sobre el uso del mer- 70 343 más bajo de temperatura del universo), 0 K que es equivalente a unos -273 °C. El kelvin curio en distintos dispositivos usa- 80 353 (K) es la unidad de temperatura en el SI. La 90 263 relación con la escala Celsius se expresa: dos para medir la presión y la 1 273 32 T (K) = T (°C) + 273,15 temperatura. ¿Por qué está siendo Escala Fahrenheit: Es la utilizada en los reemplazado este material? países anglosajones (como Inglaterra y Es- tados Unidos). Fue establecida por el físico 3. Fahrenheit diseñó su escala de holandés Daniel Fahrenheit (1686-1736) 0 -460 en 1714. Representa su unidad como °F. En modo que la temperatura del cuer- ella, la fusión del hielo corresponde a 32 °F po humano fuera 100 °F. Calcu- y la ebullición del agua a 212 °F. La relación con la escala Celsius se expresa: len a cuántos grados Celsius y a T (ºC) T (ºF) – 32 Comparación entre las distintas = cuántos Kelvin corresponde esta 100 180 escalas termométricas. temperatura. 43  Las leyes de los gases Los envases de los aerosoles tienen una leyenda que reco- mienda “no arrojar al fuego”: el aumento de la temperatura au- menta la presión dentro del recipiente y cuando esta supera la resistencia del material que lo contiene, explota. Otro ejemplo se ve al calentar agua dentro de una olla a presión: a medida que aumenta la temperatura, el vapor de agua incrementa la presión dentro de la olla hasta que comienza a pitar (cuando el vapor de agua escapa), lo que disminuye la presión dentro de Debido a las altas temperaturas que ella y evita su explosión. se alcanzan en su interior, las ollas En los gases, pueden establecerse relaciones teniendo en cuen- de presión se utilizan para conseguir en un período de tiempo más corto ta las variables P (presión), V (volumen) y T (temperatura absoluta los mismos efectos de la cocción a en escala Kelvin). Estos estudios fueron abordados por científicos fuego lento. desde hace algunos siglos, quienes arribaron a una serie de leyes que se conocen como leyes de los gases. Ley de Boyle En 1662, el físico y químico inglés Robert Boyle (1627-1691) halló experimentalmente una relación inversamente proporcional entre la presión y el volumen de una masa de gas determinada, es ediciones sm s.a. Prohibida su fotocopia. Ley 11.723 decir, si se duplica la presión, el volumen se reduce a la mitad. En 1676, el francés Edme Mariotte (1620-1684) encontró los mismos resultados y aclaró que para que la ley fuera válida la temperatu- ra debía mantenerse constante. Estos resultados, válidos para cual- quier masa de gas a temperatura constante, se conocen como ley de Para una misma masa de gas, si Boyle y Mariotte, que expresa: El volumen que ocupa determinada aumenta la presión, disminuye masa de gas, a temperatura constante, es inversamente proporcional a proporcionalmente el volumen. Si se grafican los datos, la presión que ejerce ese mismo gas. La teoría cinética justifica lo pro- © se obtiene una curva. puesto por esta ley: las partículas, al moverse en un espacio menor, chocan con mayor frecuencia con las paredes del recipiente, lo que se traduce en una mayor presión. Matemáticamente, se puede in- terpretar la ley de Boyle de la siguiente manera: el producto entre la presión (P) de un gas y su volumen (V) es siempre una constante, cuando la temperatura (T) no varía. Entonces, la ley se expresa: P.V=k Donde P es la presión del gas; V, su volumen; y k es un valor cons- tante. El producto P. V es constante si la temperatura no cambia. Si consideramos una situación inicial (1) de una masa gaseosa a temperatura constante, conociendo los valores de P1 y V1, es posible calcular otros aplicando la expresión matemática de la ley de Boyle y Mariotte. P1. V1 = P2. V2 Relación entre la presión y el volumen Siendo P1 y V1 la presión y el volumen del gas en el estado de un gas a temperatura constante. inicial, y P2 y V2 la presión y el volumen en el nuevo estado (final). 44  Las leyes de Charles y Gay-Lussac 1 atm Los científicos franceses Jacques Charles y Joseph Gay-Lussac 1 atm 1 2 realizaron investigaciones independientes con los gases. En ellas, modificaron la temperatura, la presión y el volumen de masas constantes de gases en recipientes cilíndricos. Ley de Charles y Gay-Lussac a presión constante. Cuando la tapa del recipiente cilíndrico que contiene un gas se deja libre, la presión en su interior se mantiene T2 > T1 constante e igual a la presión externa. Charles vio que si V 2 > V1 aumentaba la temperatura, la tapa del recipiente se mo- vía hacia arriba: aumentaba el volumen del gas. Por el Presión contrario, si disminuía la temperatura, la tapa se movía constante hacia el fondo del cilindro; por lo tanto, disminuía pro- V (litros) porcionalmente el volumen. Esta observación permitió enunciar la que se conoce como primera ley de Char- les y Gay-Lussac: El volumen de una masa determinada de gas es directamente proporcional a la temperatura, cuando la presión permanece constante. Esta ley puede expresarse T (Kelvin) como: Relación entre el volumen y la temperatura de determinada masa V V V de gas a presión constante. ediciones sm s.a. Prohibida su fotocopia. Ley 11.723 = k, donde k es constante, o también: 1 = 2 T T1 T2 La teoría cinética justifica este comportamiento porque con- 1 2 sidera que si se trabaja a presión constante, a medida que au- menta la temperatura de un gas, aumenta la energía cinética de sus partículas, estas se alejan y como consecuencia el volumen del gas aumenta. © Ley de Charles y Gay-Lussac a volumen constante. V1 = V 2 Charles experimentó también con gases contenidos en re- T1 < T2 P1 < P2 cipientes cilíndricos de tapa fija, o sea, de volumen cons- tante. Comprobó que si aumentaba la temperatura, tam- bién se incrementaba la presión dentro de este, sin que Volumen pudiera variar el volumen. Entonces enunció la segunda constante ley de Charles y Gay-Lussac: La presión que ejerce una P (atmósfera) masa determinada de gas es directamente proporcional a la temperatura, cuando el volumen permanece constante. Se expresa como: P P P = k, o de esta manera: 1 = 2 T (Kelvin) T T1 T2 Relación entre la presión y la La teoría cinética justifica este comportamiento, dado que, si temperatura para una masa de gas a volumen constante. aumenta la temperatura, aumentan la energía cinética de las par- tículas y su frecuencia de impactos con las paredes del recipiente. Esto se traduce en un aumento de la presión del gas en el interior del mismo. 45  La ecuación de estado del gas ideal Las leyes de los gases pueden comprenderse y aplicarse para casos de la vida cotidiana si se tiene en cuenta el modelo cinético- molecular para gases. Cada una de las tres leyes de los gases estudiadas en las pági- nas anteriores establece una relación entre dos variables (P, V); (P, ME COMPROMETO T); o (V, T) cuando la masa y la variable restante en cada caso se Los globos son un elemento deco- mantienen constantes. Por ejemplo, en el caso de la ley que rela- rativo en casi todo evento, y parte ciona la presión y el volumen, establece esta relación a una masa de la diversión es soltarlos al aire y temperatura constantes. y verlos alejarse. Pero esto tiene un gran impacto ambiental: mu- Al combinar las tres leyes, puede llegarse a una expresión ma- chas especies confunden los glo- temática que vincula las tres variables (P, V y T) cuando la masa bos con alimentos y, además, al es constante. La ley conocida como ecuación de estado del gas ser plásticos, son desechos muy ideal expresa: El producto P.V/T (P es la presión; V, el volumen y T, la perdurables. ¿Creés que deberían temperatura absoluta) es constante para determinada masa de gas. prohibirse las sueltas de globos? Matemáticamente, puede simbolizarse como: ¿Qué alternativas se te ocurren para resolver este problema? P.V = k (constante) T ediciones sm s.a. Prohibida su fotocopia. Ley 11.723 Para dos estados diferentes, donde 1 es el estado inicial y 2 el estado final, la ecuación de estado puede enunciarse: P1. V1 P2. V2 = T1 T2 La ecuación de estado es un modelo matemático, que permite describir el comportamiento de los gases. A los gases que cumplen © esta ecuación se los denomina gases ideales. La mayoría de los gases en la naturaleza, considerados gases reales, no se compor- tan como gases ideales. Sin embargo, la ecuación de gases ideales La ley de Boyle debe tenerse en es útil para comprender las manifestaciones de los gases reales en cuenta al practicar buceo submarino. determinadas condiciones. Si T1 = T2 = T, puede simplificarse la temperatura, de lo que resulta la expresión de la ley de Boyle y Mariotte: P1. V1 = P2. V2 Si P1 = P2 = P, puede simplificarse la presión, de lo que resulta la expresión de la ley de Charles y Gay-Lussac a presión constante: V1 V2 = T1 T2 Teniendo en cuenta la ley de Charles, puede deducirse que Si V1 = V2 = V, puede simplificarse el volumen, de lo que resulta el mejor momento para cargar combustible es por la madrugada la expresión de la ley de Charles y Gay-Lussac a volumen constante: o temprano por la mañana. P1 P2 = T1 T2 46  Ejemplos de aplicaciones de las leyes de los gases Las leyes de los gases y la ecuación de estado pueden emplear- se para realizar cálculos que involucren las variables P, V y T. Los ejemplos siguientes muestran aplicaciones de estas leyes a casos de la vida cotidiana. Ejemplo 1 Se carga a las 12 horas de un día de verano cierta masa de gas natural en un tanque de 10 litros de capacidad, siendo la temperatura ambiente de 30 °C, hasta una presión de 150 atm. ¿Qué presión ejercerá el gas a las 20 horas del mismo día, sabiendo que la temperatura disminuyó en ese horario a 20 °C? En este caso, debe aplicarse la segunda Ley de Charles y Gay-Lussac, ya que el volumen del tanque es constante: Estado inicial: P1 = 150 atm T1 = 30 °C + 273 = 303 K Estado final: P2 = X T2 = 20 °C + 273 = 293 K P1 P2 150 atm x = = = T1 T2 303 k 293 k ediciones sm s.a. Prohibida su fotocopia. Ley 11.723 150 atm. 293 k x= = 145 atm 303 k Ejemplo 2 Actividades © Un globo aerostático para estudios meteorológicos, lleno de gas helio (He), 1. Supongan que una persona orga- parte de la superficie con un volumen de 50 litros, a una presión de 1 atm y una temperatura de 15 °C. ¿Qué volumen adquirirá cuando ascienda a una niza una fiesta y decide decorar altura en la cual la presión es de 0,5 atm y la temperatura de 5 °C? el salón con globos. Comienza En este caso debemos aplicar la ecuación de estado de los gases ideales, ya con los preparativos al mediodía, que varían la presión, la temperatura y el volumen: cuando la temperatura es muy elevada. Para cuando llegan los Estado inicial: V1 = 50 l P1 = 1 atm T1 = 15 °C + 273 = 288 K invitados a la noche, los globos Estado final: V2 = X P2 = 0,5 atm T2 = 5 °C + 273 = 278 K están más pequeños. a. Expliquen lo sucedido. Aplicando la ecuación de estado: b. ¿Qué hubiera sucedido si los P1. V1 P2. V2 globos se inflaban con el aire = acondicionado encendido? T1 T2 2. Relean los epígrafes de las imá- T2. P1. V1 278 K. 1 atm. 50 l genes que se encuentran en la = V2 = = 93,3 l P2. T1 0,5 atm. 298 k página 46. ¿Pueden explicarlos? Conversen sus ideas en clase y lleguen a una conclusión común junto con el/la docente. 47  Una parte de la radiación reflejada es absorbida por los gases de efecto invernadero El efecto invernadero (GEI) y el resto vuelve al espacio. Es un proceso natural por el cual ciertos gases de la atmósfera “atrapan” parte de la La energía solar energía que llega del Sol y que la superficie atraviesa la terrestre reenvía al espacio, luego de haber- atmosfera terrestre. Cuando llega a la se calentado por la radiación solar. Este fe- tierra, parte de ella nómeno mantiene al planeta templado, a una es absorbida por la temperatura óptima para el desarrollo de la superficie terrestre, y otra parte es vida tal y como se la conoce. reflejada. Ene rgí as ola r Los principales gases de efecto invernadero (GEI) Dióxido de Óxidos de carbono Otros (1,4%) nitrógeno (3,6%) (5%) Metan