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3. ESTRUCTURA CORPUSCULAR DE LA MATERIA ¿Cómo es la materia por dentro? Si todas las sustancias (hierro, diamante, plomo, agua, dióxido de carbono, yeso, mercurio, etc.), tuvieran una estructura interna básicamente igual, a pesar de la gran diversidad de propiedades existentes (unas conducen la corriente y otras no, unas son duras y otras blandas, etc), debería haber también propiedades comunes a todas ellas. Esto será, pues, lo primero que estudiaremos en este tema. Una vez que constatemos que existen propiedades comunes, independientemente del tipo de material de que esté hecho un cuerpo y de que éste se nos presente como un sólido o un líquido, nos plantearemos si los gases también tienen esas mismas propiedades y, a continuación, cómo podrían estar hechos los gases para explicar su comportamiento.Todo ello nos permitirá elaborar un modelo acerca de cómo son los gases, es decir, de su estructura interna, y, finalmente, analizar en qué medida ese modelo es aplicable también a sólidos y líquidos. 1. ALGUNAS PROPIEDADES COMUNES A SÓLIDOS Y A LÍQUIDOS Mirando a nuestro alrededor podemos ver líquidos como el agua, la gasolina, el aceite, el alcohol, el vino, etc, y también sólidos como el hierro, el aluminio, el mármol, etc.

A.1. Citad propiedades que sean comunes a los sólidos y a los líquidos. Sabemos que una muestra de un líquido o de un sólido tiene una cantidad de materia determinada (decimos que tiene masa), que pesa y que ocupa un “espacio” (tiene volumen). La masa, el peso y el volumen son propiedades de cualquier sólido y de cualquier líquido. A continuación estudiaremos dichas propiedades y, después, nos plantearemos si también las presentan los gases. 1.1. Qué es la masa y cómo se mide Supongamos que disponemos de un trozo de hierro. Podemos calentarlo, romperlo, deformarlo, triturarlo, colocarlo en órbita en un satélite, llevarlo a la Luna, etc. Si lo hacemos, veremos que algunas magnitudes como su temperatura, su forma, el espacio que ocupa, su peso, etc, cambian. Sin embargo, existe algo que permanece inalterable, independientemente de dónde se encuentre el trozo de hierro y cuál sea su temperatura. Nos referimos a la masa, o cantidad de hierro presente. Así pues la masa de cualquier objeto es una propiedad que, en principio, nos indica la “cantidad de materia” que tiene dicho objeto. Su valor no cambia mientras tengamos el mismo cuerpo sin quitarle ni añadirle ningún trozo.Como ya vimos en el capítulo anterior, la unidad internacional que se utiliza para medir la masa es el kilogramo (kg). Para hacernos una idea de esta unidad, diremos que 1 litro de agua tiene, aproximadamente, una masa de 1 kg. 1

¡Atención! Esto no se debe interpretar nunca como que 1  = 1kg. En el tema anterior ya señalábamos que no se pueden comparar magnitudes diferentes, y la masa no es lo mismo que el volumen. 1

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También vimos que se utilizan otras unidades como el gramo (g) o milésima parte del kg: 1 kg = 1000 g = 103 g o bien: 1 g = (1/1000) kg = 0’001 kg = 10 -3 kg

A.2. Sometemos a un mismo trozo de hierro a los siguientes procesos: a) Calentarlo hasta que se haga totalmente líquido b) Pulverizarlo c) Colocarlo en órbita en el espacio d) Partirlo en dos pedazos iguales y dejar sólo uno de ellos. e) Llevarlo a la Luna ¿En cuál o cuáles de los anteriores procesos variará su masa? A.3. Se dispone de distintos objetos cuyas masas son: m1 = 69 g; m2 = 2500 mg; m3 = 3 kg. Ordenadlos de menor a mayor masa. ¿Qué tiene más masa, 1 kg de plomo o 1 kg de cartón? 1.2. Qué es el peso y cómo se mide

La mayoría de la gente está de acuerdo en que todos los cuerpos en estado sólido o líquido pesan. Cuando decimos que un cuerpo pesa, nos imaginamos que tenemos que hacer una fuerza para sostenerlo (tanto mayor cuanto más pese). Nosotros mismos tenemos la sensación de que pesamos porque notamos que hacemos una fuerza sobre el suelo (el cual nos “aguanta”). ¿Cómo se explica la existencia del peso? El científico inglés Newton ya demostró hace tres siglos que la materia ordinaria tiene una propiedad (a la que llamó propiedad gravitatoria) tal que, dos trozos cualesquiera de materia, se ejercen siempre entre ellos una fuerza de atracción y que el valor de dicha fuerza dependía de la distancia entre los trozos (a más distancia menos fuerza) y de la masa de cada uno (a más masa más fuerza). Sin embargo, la fuerza de atracción gravitatoria entre dos cuerpos no depende para nada del medio en el que éstos se encuentren, da igual que estén en el aire, que en el agua o en el vacío. Una característica de la fuerza gravitatoria entre dos cuerpos es que, en muchos casos, tiene un valor tan pequeño que resulta inapreciable a no ser que, al menos uno de los dos cuerpos, tenga una masa enorme, como sucede con la masa del planeta Tierra cuando se compara con la de cualquier cuerpo situado en su superficie. Esto explica que no nos percatemos, por ejemplo, de la fuerza de atracción (gravitatoria) entre dos alumnos que se sientan uno al lado de otro, pero sí entre cualquier persona y la Tierra (sobre todo si la persona cae desde una cierta altura).

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Peso

El peso es la fuerza gravitatoria con que la Tierra atrae a cualquier cuerpo que se encuentre sobre ella o colocado a una cierta altura sobre el suelo. Dicha fuerza es menor cuanto mayor sea la distancia a que se encuentre el cuerpo del centro de nuestro planeta, de forma que, por ejemplo, un astronauta en una nave espacial que se fuera alejando de la Tierra cada vez pesaría menos (decimos que la atracción gravitatoria tiende a 0 conforme la distancia entre el cuerpo y la Tierra tiende a ser infinita) y, sin embargo, seguiría teniendo la misma masa.

Peso

El peso de un cuerpo es la fuerza con que la Tierra lo atrae. Su valor disminuye según el cuerpo se va alejando de la Tierra. En la Luna y en otros planetas, los cuerpos también pesan, ya que esos astros también los atraen con una fuerza apreciable, al ser sus masas muy grandes. El peso, por tanto, no es una propiedad intrínseca del cuerpo (como lo es la masa) ya que su valor depende de dónde esté situado.

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masa = 120 kg peso = 1176 N

masa = 120 kg peso = 192 N

Como el peso es una fuerza, se mide en las mismas unidades que cualquier fuerza, es decir: en newtons (N). 1 N de fuerza es, aproximadamente, la fuerza que hemos de hacer (situados en la superficie terrestre) para aguantar sobre la mano un cuerpo de 100 g de masa. Aunque el peso y la masa no son lo mismo, sí sucede que los valores de esas magnitudes son directamente proporcionales y, por tanto, un cuerpo de 200 g de masa pesará aproximadamente unos 2 N (en la superficie terrestre).

A.4. De acuerdo con la información del párrafo anterior ¿cuántos newtons pesa una masa de 1 kg situada cerca del suelo? Para contestar la pregunta anterior basta con tener en cuenta que 1 kilogramo de masa son 10 veces 100 gramos. Por tanto el resultado será que cada kg de masa pesará unos 10 N. El peso de un mismo cuerpo no vale lo mismo en la superficie de la Tierra, de la Luna, o de Marte. Podemos tener en cuenta este hecho si conocemos el peso de 1 kg de masa en la superficie de cada uno de estos astros. Existe una magnitud cuyo valor representa la fuerza con que un astro cualquiera atrae a una masa de 1 kg situada a una cierta distancia del mismo. Se llama intensidad gravitatoria, se representa por el símbolo “g” y se mide en N/kg.

A.5. ¿Qué quiere decir que la intensidad gravitatoria en la superficie de la Tierra es 9’81 N/kg? De acuerdo con el razonamiento anterior, significará que 1 kg de masa en la superficie de la Tierra pesa (es atraído por el planeta) 9’81 N. Fijémonos que eso quiere decir que 2 kg pesarán 19’62 N, 3 kg pesarán 29’43 N, y así sucesivamente. A.6. Proponed una fórmula para calcular el peso de un cuerpo en función de su masa y de la intensidad gravitatoria del punto donde se encuentre. Si conocemos el valor de la intensidad gravitatoria en la superficie de distintos astros, podemos hallar fácilmente el peso de un cuerpo en cada uno de ellos.

A.7. A continuación se dan distintos astros y la intensidad gravitatoria aproximada en la superficie de cada uno de ellos. Calculad cuál sería el peso de un cuerpo de 80 kg de masa situado en la superficie de cada uno de ellos (y luego rellenad la tabla adjunta con los resultados obtenidos)

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Astro Intensidad gravitatoria (N/kg)

Tierra 9’8

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Luna Marte 1’6

Júpiter

Sol

Estrella de neutrones

26

274

9’8·10 11

3’7

Peso de un cuerpo de 80 kg

A.8. Señalad si las siguientes proposiciones son verdaderas (V) o falsas (F), explicando por qué. a) 1 kg de plomo pesa más que 1 kg de paja b) El peso se mide en kg ) En el vacío los cuerpos no pesan. d) Dentro del agua se pesa menos que fuera Si reflexionamos sobre la actividad anterior, hemos de concluir que las cuatro proposiciones son falsas, ya que 1 kg de masa siempre es 1 kg de masa, sin importar que se trate de plomo o de paja. Lo que ocurre es que, si es de plomo, ocupará mucho menos espacio que si es de paja o de papel. Por otra parte, el peso no es lo mismo que la masa (aunque estén relacionados): el peso es una fuerza (se mide en N) y la masa es la cantidad de materia (se mide en kg). La fuerza gravitatoria no depende del medio en el que se mida, da igual que estemos en el vacío o no. Un astronauta que ya ha dejado la atmósfera y se aleja de la Tierra en su nave, sigue siendo atraído por la Tierra (cada vez con menos fuerza) aunque se encuentre en el vacío; el Sol y los planetas que le rodean se atraen gravitatoriamente (y están en el “vacío”) y lo mismo ocurre con todas las estrellas de una galaxia y con las galaxias entre sí. La gravedad es una fuerza universal. Finalmente, el peso de un cuerpo es la fuerza con que la Tierra lo atrae y da igual que esté o no dentro del agua (lo que ocurre es que, en el agua, además del peso –que nos empuja hacia abajoexiste otra fuerza, que hace el agua, y que nos empuja hacia arriba). A.9. Hallad la masa que corresponde a los siguientes pesos (todos ellos correspondientes a cuerpos situados al nivel del mar, donde g = 9’81 N/kg). a) 730 N; b) 12000 N; c) 2’5 N. Indicad objetos o cuerpos que pudieran tener los pesos indicados Para medir el peso de un cuerpo se pueden utilizar unos instrumentos de medida llamados dinamómetros. Un dinamómetro es esencialmente un muelle situado sobre una escala calibrada. Cuando colgamos un objeto del muelle éste se alargará más o menos dependiendo del peso del objeto. La escala está calibrada de forma que nos indica el peso en N.

A.10. Utilizad distintos dinamómetros para medir el peso de diferentes objetos expresando correctamente los resultados. Una vez obtenido el peso,

hallad también la masa de cada uno, en gramos. Hemos visto que podemos calcular la masa de un cuerpo si previamente conocemos el peso. Sin embargo, la masa también se puede medir directamente mediante una balanza. La balanza más sencilla consta de dos brazos iguales de los que cuelgan dos platillos iguales y a la misma altura. Podemos calcular la masa de cualquier objeto que coloquemos en uno de los platillos, equilibrando la balanza con pesas (de masas conocidas), que se van colocando en el otro. En el momento que la

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balanza quede en equilibrio podemos afirmar que los pesos (y por tanto también las masas) de lo que hay en ambos platillos, serán iguales. Existen también balanzas monoplato (un solo platillo) y balanzas electrónicas, con cuyo uso conviene familiarizarse.

A.11. Utilizad alguna balanza para hallar la masa de los mismos objetos manejados en la actividad anterior, expresando correctamente los resultados. 1.3. Qué es el volumen y como se mide Anteriormente hemos estudiado dos propiedades como la masa y el peso. La primera es independiente de las condiciones en que se encuentre el cuerpo, es una característica propia de cada cuerpo. Sin embargo, la segunda podía tomar valores distintos dependiendo de lo alejado de la Tierra que estuviera el cuerpo.

A.12. Ahora vamos a estudiar otra propiedad de la materia llamada volumen (V). Expresad qué es el volumen y considerad si se trata de una propiedad invariable de un objeto dado (como la masa) o, por el contrario, su valor depende de algunas condiciones. En principio podemos pensar en el volumen de un objeto macizo como el espacio que ocupa dicho objeto. Así, el volumen del cristal de un vaso no viene dado por lo que cabe en el mismo (su capacidad), sino por el espacio que ocupa dicho cristal. Por otra parte, se puede apreciar experimentalmente que, el volumen de un trozo de hierro o de una cantidad determinada de agua o de mercurio, cambia con la temperatura, de modo que, a mayor temperatura, mayor es el volumen (en esta propiedad se basa el funcionamiento del termómetro).

A.13. ¿Por qué en las vías de ferrocarril hay cortes y no son un rail continuo? ¿Qué son las juntas de dilatación? Conviene no confundir el volumen con la forma. Si disponemos de un trozo de hierro, le podemos dar distintas formas (plana, esférica, alambre o lineal, hacer una caja, etc) pero el volumen de hierro (el espacio que ocupa) será siempre el mismo (si la temperatura no cambia, y mantenemos la misma masa de hierro siempre). El símbolo del volumen es “V” y la unidad internacional empleada para medirlo es el metro cúbico (m3). 1 m3 es el espacio ocupado por un cuerpo de forma cúbica y de 1 m de lado. Recordemos que existen submúltiplos (dm3, cm3, mm3) y que cada uno de ellos es mil veces más pequeño que el anterior. Habitualmente también se utiliza como unidad de volumen el litro () con sus múltiplos y submúltiplos (1dm3 = 1  y 1

1m 1m 1m

cm3 = 1 m).

Para medir el volumen de los cuerpos podemos utilizar diversos procedimientos e instrumentos, dependiendo del estado físico en que se encuentre el cuerpo, como veremos a continuación. A.14. Proponed diversas formas de hallar el volumen del objeto que suministre el profesor.

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Se trata de utilizar, en primer lugar, un objeto de forma regular, como un cilindro o una bola (que quepan en una probeta) y determinar su volumen. Primero lo haremos de forma matemática (introduciendo la fórmula correspondiente), expresando el resultado en cm3. Después, se procederá a sumergir totalmente el objeto en cuestión dentro de una probeta con agua, midiendo el aumento del nivel del líquido que se produce (que corresponderá al volumen del objeto), expresando correctamente el resultado en cm3. Conviene tener en cuenta que el segundo procedimiento (a diferencia del primero) también sirve para determinar fácilmente el volumen de objetos irregulares. Cuando se trata de líquidos, existen diversos instrumentos para medir el volumen como son: La probeta, la bureta, la pipeta graduada, el matraz aforado, etc. Es importante que los alumnos se familiaricen con ellos (cuándo conviene utilizar cada uno) y que aprendan cómo se enrasa correctamente y cómo se mira para hacer la lectura.

20 ºC

500 ml

A.15. Expresad en litros: 1200 cm3; 1 m3; 250 m. Expresad en cm3: 0’5 ; 1 m3; 2 dm3 A.16. Ordenad de menor a mayor: a) 752 cm3; b) 0’025 m3; c) 8’5 ; d) 950 m 2. UNA PROPIEDAD PARA DISTINGUIR UNAS SUSTANCIAS DE OTRAS: LA DENSIDAD La masa, el peso y el volumen se caracterizan por que, en principio, pueden tomar cualquier valor, sea cual sea el material2 de que se trate. Si, por ejemplo, pensamos en una bola de hierro o de acero, no hay ningún inconveniente para que la masa de ésta pueda ser de 1 g, de 20 kg o de 3 t (toneladas). El mismo razonamiento podríamos hacer con el volumen y con el peso. Pero además de las propiedades anteriores, hay otras que tienen un valor característico para cada sustancia, independientemente del tamaño de la muestra escogida. Estas propiedades pueden servirnos para identificar o reconocer distintas sustancias.

A.17. Citad materiales de uso habitual y las causas por las que son utilizados. Hay materiales, como el hierro, el aluminio o el agua, que están formados por una sola sustancia, mientras que también hay otros materiales, como el acero, el bronce o la madera, formados por varias sustancias. En el tema siguiente ya definiremos el concepto de sustancia de una forma más precisa. 2

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Podemos pensar en goma, diamante, amianto, acero, cobre, vidrio, madera, pólvora, gasolina, mercurio, aluminio, plomo, etc. Éstos pueden interesarnos por distintos motivos, como por ejemplo: su elasticidad, poder aislante del calor, dureza, capacidad para conducir la corriente eléctrica, combustibilidad, capacidad para dilatarse, ser ligeros, ser pesados, etc. 2.1. ¿Qué es la densidad? Las propiedades anteriores pueden tomar valores muy distintos según qué material se considere. Por ejemplo, decimos que no es igual de duro el acero que el plomo, ni conduce igual la corriente eléctrica el cobre que el hierro, ni es igual de pesado el plomo que el aluminio. Como es lógico, no podemos realizar aquí un estudio en profundidad de cada una de ellas, de modo que nos limitaremos a considerar a título de ejemplo una de las más importantes, relacionada con la existencia de materiales más o menos ligeros. El concepto que se ha elaborado para describir esta propiedad recibe el nombre de densidad.

A.18. Anteriormente se han señalado materiales que se utilizan porque son "ligeros" y otros porque son "pesados". Tenemos un trozo de madera junto a otro trozo de hierro. ¿Cuál será más pesado de los dos? La pregunta anterior es absurda a menos que se haga la comparación con volúmenes iguales. Así un clavo de hierro pesa menos que una puerta de madera, pero un clavo de hierro pesará más que otro de igual volumen hecho de madera (y una puerta de hierro más que otra igual, pero de madera). Por tanto, siempre que consideremos dos volúmenes iguales de hierro y de madera, el primero pesará más, y por tanto, tendrá más masa que el segundo. Análogamente, si lo que tenemos son dos masas iguales de hierro y de madera (por ejemplo 1 kg de hierro y 1 kg de madera), el volumen del trozo de hierro será menor que el volumen del trozo de madera. Decimos entonces que el hierro es más denso que la madera. En general, decimos que:

Un material es más denso que otro si, a igualdad de volumen, la masa del primero es mayor que la del segundo.

Plomo

Hielo 0’9 kg

11 kg

O lo que es equivalente:

Un material es más denso que otro si, a igualdad de masa, el volumen del primero es menor que el del segundo. Hielo Plomo 1 kg 1 kg

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La densidad es una propiedad que depende, a la vez, de la masa y del volumen. Cuanto mayor sea la masa de un material por cada unidad de volumen (por ejemplo, cuantos más gramos por cada cm3), más denso será: el plomo es más denso que el corcho porque 1 cm3 de plomo posee más masa que 1 cm3 de corcho. Un material muy ligero o poco denso es aquel que, teniendo muy poca masa, ocupa mucho espacio (tiene mucho volumen): el corcho blanco, por ejemplo, es un material de baja densidad por lo que una masa de 1 kg de corcho blanco ocupa mucho más espacio que 1 kg de mercurio o de oro. En los materiales muy densos la masa está muy concentrada (ocupa poco volumen) mientras que en los materiales de baja densidad, la masa está poco concentrada (ocupa mucho volumen).

A.19. Tenemos dos sustancias (que llamaremos A y B) de 1 kg de masa cada una. El volumen de A es de 1000 cm3 mientras que el de B es de 80 cm3. Razonad cuál de las dos es más ligera o, lo que es equivalente, cuál tiene menor densidad. A.20. Tenemos dos sustancias (que llamaremos A y B) de 1 cm3 de volumen cada una. La masa de A es de 1g mientras que la de B es de 12’5 g. Razonad cuál de las dos es más ligera o, lo que es equivalente, cuál tiene menor densidad. Hasta aquí ha sido fácil razonar de dos sustancias cuál era más densa y cual menos, ya que, o bien tenían la misma masa, o bien tenían el mismo volumen, pero ¿qué hacer cuando las masas y los volúmenes son diferentes? ¿cómo podremos comparar en ese caso?

A.21. Supongamos que 11’2 g de un determinado material (X) ocupan un volumen de 14 cm3, mientras que 15 g de otro material (Y) ocupan un volumen de 25 cm3. ¿Cuál de estos dos materiales es más denso? Proponed una expresión para calcular la densidad. Para poder comparar podemos hallar la masa que le correspondería a una misma unidad de volumen en cada caso. Por ejemplo cuántos gramos de X habrá en cada cm3 de volumen de X y cuántos gramos de Y habrá en cada cm3 de Y. Para ello no tenemos más que dividir cada masa entre su volumen correspondiente.

masa de X 11'2   0'8 g/cm3 volumen de X 14

masa de Y 15   0'6 g/cm3 volumen de Y 25

Por tanto, el material X es más denso que el material Y ya que en cada cm3 de X hay una masa de 0’8 g mientras que en cada cm3 de Y la masa es sólo de 0’6 g. De acuerdo con la anterior expresión, podemos definir la densidad como una propiedad de la materia que toma un valor característico para cada sustancia o material determinado. Dicho valor coincide con el de la masa correspondiente a una unidad de volumen. Para calcularlo, basta con tomar un trozo del material que sea y dividir su masa entre su volumen. Un valor alto de la densidad quiere decir que la masa está muy concentrada, que hay mucha masa en poco volumen. La densidad se representa por la letra griega  (léase “ro”). Su unidad internacional es el kg/m3, aunque son habituales otras unidades como g/cm3 o g/.

m En la tabla siguiente se dan algunas densidades para una temperaturaVde 20 ºC (excepto en los casos del agua y el hielo) y a presión normal (1 atm). =

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DENSIDAD (kg/m3)

DENSIDAD (g/cm3)

25

0’025

Agua (a 4º C)

1000

1

Hielo (a 0 ºC)

917

0’917

Agua de mar (a 15 ºC)

1025

1’025

Alcohol (etanol)

789

0’789

Aceite

930

0’930

Mercurio

13600

13’6

Hierro

7700

7’7

Cobre

8500

8’5

Oro

19300

19’3

Plomo

11300

11’3

Aluminio

2700

2’7

MATERIAL Corcho

A.22. ¿Qué quiere decir que la densidad del oro, a 20ºC, es de 19’3 g/cm3? ¿Por qué se especifica la temperatura a la que se mide la densidad? ¿Qué volumen tendrá 1 kg de oro? (dad el resultado en litros).

OR O

A.23. Calculad cuál será la masa en kilogramos de 1 litro de mercurio y comparadla con la masa en kg de un litro de agua a 4º C. (Obtened los datos necesarios de la tabla anterior).

En la pagina Web del curso tienes un entorno de trabajo, dentro de los recursos complementarios, para consolidar las ideas en torno al concepto de densidad

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Experimentalmente se comprueba que, para que un sólido macizo flote sobre un líquido, el primero ha de ser menos denso que el segundo. Lo mismo ocurre con líquidos no miscibles (por ejemplo aceite sobre agua) y con los gases. A.24. ¿Qué importancia tiene para la naturaleza que el hielo sea menos denso que el agua? A.25. ¿Por qué en el mar se flota mejor que en el agua dulce? A.26. ¿Qué hay que hacer para que un globo aerostático lleno de aire se eleve en el aire? A.27. Un material A tiene una densidad de 5’2 g/cm3, otro B de 586 g/l y otro C de 2700 kg/m3. Ordenadlos de menor a mayor densidad A.28. Un alumno ha escrito como fórmula para hallar el valor de la densidad:  = V/m. Explicad por qué esa expresión resulta incoherente con el concepto de densidad tal y como éste ha sido definido. Unos estudiantes afirman que la densidad de un material determinado depende de la cantidad de ese material que tomes para hallar su valor. Otros, por el contrario dicen que la densidad es una propiedad que toma un valor determinado para cada material, independientemente de lo grande o pequeño que sea el trozo que coges para calcularla.

A.29. Formulad vuestras propias hipótesis sobre el párrafo anterior y diseñad -y llevad a cabo- alguna experiencia para comprobarlas. Cabe esperar que, entre vuestras hipótesis, haya surgido la idea de que el tamaño del trozo de material considerado no tendría ninguna influencia en el valor de la densidad, ya que todo cambio de volumen se vería compensado por un cambio en la misma proporción en la masa. Por ejemplo: si cojo un trozo mayor, también su masa será mayor, de modo que el cociente m/V dará siempre lo mismo. Para comprobar la hipótesis anterior basta con utilizar trozos de tamaño diverso de un mismo material e ir determinando en cada caso la masa y el volumen, recogiendo los datos en una tabla. Resulta sencillo hacerlo, por ejemplo, con aceite de oliva (reutilizarlo y no lanzarlo a la pila ya que el aceite es un producto muy contaminante para el medio ambiente). Unos alumnos han procedido a medir la masa y el volumen de distintas muestras de un mismo aceite de oliva. Los resultados se exponen en la tabla siguiente: A

B

C

D

E

masa (g)

4’6

9’2

11’5

15’0

18’4

volumen (cm3)

5’0

10’0

12’5

16’3

20’0

MUESTRA

A.30. Analizad los resultados de la tabla anterior.

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Si la densidad es independiente de lo grande o pequeña que sea la muestra considerada, veremos que, al dividir cada masa por su volumen correspondiente en la tabla anterior, salen resultados muy parecidos (recordad que toda medida viene afectada de una cierta imprecisión inevitable). Mejor todavía sería (si es posible) representar gráficamente los valores de m frente a los valores de V y comprobar que sale una línea recta, con lo que se concluye que, efectivamente, ambas magnitudes (m y V) son directamente proporcionales. La constante de proporcionalidad es precisamente la densidad  del aceite de oliva y su valor se puede obtener de la gráfica fácilmente, para luego compararlo con el que figura en la tabla de densidades. 2.2. Importancia práctica de un metal de baja densidad: el aluminio El aluminio es un metal de color grisáceo y que tiene una gran cantidad de usos. Se trata del metal más abundante en la corteza terrestre. Debido a que se combina bastante fácilmente con el oxígeno no se encuentra libre en la naturaleza, sino formando compuestos con el oxígeno. Así, el mineral denominado Bauxita tiene un elevado contenido de óxido de aluminio. Los primeros objetos de aluminio comenzaron a fabricarse en 1845. El aluminio tiene una serie de propiedades que lo hacen especialmente interesante. Entre ellas podemos destacar las siguientes:  No es tóxico ni él ni muchas de sus combinaciones.  Es resistente a la mayoría de los ácidos orgánicos.  Es blando y muy maleable (se puede laminar en hojas muy finas).  Se oxida fácilmente, pero lo hace con una fina capa superficial de óxido que impide que la oxidación prosiga al interior con lo que, en la práctica, resiste más a la corrosión que el hierro.  Es un metal muy ligero. Su densidad es 2’7 g/cm3 (casi tres veces menor que la del hierro). A.31. Teniendo en cuenta las propiedades anteriores, haced una reflexión sobre los distintos usos que puede tener el aluminio. Podemos referirnos en primer lugar a que, debido a su no toxicidad, resistencia a muchos ácidos y diversos líquidos orgánicos, y capacidad para formar con él láminas muy finas (papel de aluminio), es un material ideal en la industria alimentaria, donde se usa ampliamente para envolver alimentos. También para fabricar envases que contengan líquidos destinados al consumo humano (cerveza, refrescos, etc). Por otra parte, debido a su baja densidad y a su notable resistencia a la corrosión, tanto el aluminio como algunas de sus aleaciones están siendo extraordinariamente utilizados en la industria de la construcción (por ejemplo, marcos de ventanas de aluminio) y en la fabricación de muchos vehículos en los que la ligereza es una cualidad deseable, como, aviones, bicicletas, etc. En la actualidad se están fabricando ya automóviles con carrocerías en las que una gran parte es de aluminio. Esto puede tener una gran importancia ya que, al reducir el peso del vehículo, el consumo de combustible es menor, lo que puede contribuir a disminuir la contaminación atmosférica y ahorrar energía.

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Desgraciadamente frente a todas estas ventajas también se han producido graves inconvenientes. Así, por ejemplo, cada vez es más frecuente encontrar latas de aluminio vacías en cualquier parte, ya que éstas han sustituido ampliamente a los envases de vidrio retornables. Análogamente ocurre con el papel de aluminio utilizado para envolver, etc. Es necesario que todos nos impliquemos en evitar hechos como estos y depositemos las latas de aluminio y en general todos los residuos que generamos en los contenedores adecuados para el reciclaje de los mismos.Hasta aquí hemos estudiado algunas propiedades generales de los sólidos y líquidos (masa, peso y volumen) y hemos realizado un estudio más detenido de la densidad, como un ejemplo de propiedad que toma un valor distinto según el material o sustancia que se trate. La Web Quest dedicada a masa volumen temperatura y densidad en la pagina web del curso nos sirve como resumen de los visto hasta ahora Hemos aprendido mucho, pero también se han abierto nuevos interrogantes como, por ejemplo: ¿por qué hay unos materiales más densos que otros? que trataremos de contestar en capítulos posteriores.Por otra parte, también nos quedan pendientes algunos problemas importantes como el de si las propiedades estudiadas hasta aquí, para las sustancias en estado sólido o líquido, se pueden aplicar también a los gases. En concreto: a) ¿Tienen masa los gases? b) ¿Pesan o no? c) ¿Tienen volumen? d) ¿Se puede hablar de densidad de un gas? Si resulta que las propiedades anteriores se pueden extender también a los gases, habremos de concluir que los gases también son materia como los líquidos o los sólidos, solo que en un estado distinto. Además como los gases se comportan todos de forma parecida y bastante simple, resultará que el estudio de los gases será lo más conveniente para investigar cómo es la materia en general por dentro (la estructura de la materia) y poder así avanzar en la comprensión de los distintos cambios materiales. 3. NATURALEZA Y COMPORTAMIENTO DE LOS GASES Como acabamos de señalar, el estado gaseoso es aquél en el que la materia presenta un comportamiento más simple. No es de extrañar pues, que el estudio de las propiedades comunes de los gases esté íntimamente ligado al desarrollo de las primeras concepciones acerca de la estructura de la materia. Comenzaremos por una breve descripción de dicho comportamiento. Ver el tema dos de vuestro libro, en su pagina 32 describe propiedades de los gases.

A.32. Citad sustancias que habitualmente se encuentren en estado gaseoso y elaborad una lista, describiendo todas las propiedades que se atribuyen a los gases.

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El hecho de que la mayoría de las sustancias gaseosas habituales no se puedan ver, puede llevar a pensar, erróneamente, que todos los gases son aire (que tampoco se puede ver). No obstante, aunque hay muchos gases incoloros, estos no son idénticos al aire (el cual es una mezcla nitrógeno, oxígeno y algunos otros gases). Así, por ejemplo el amoniaco, el agua, el butano, el hidrógeno, el helio, el sulfuro de hidrógeno, etc, son sustancias que, en estado gaseoso, tienen propiedades diferentes entre ellas y con el aire. Además, es posible observar algunos gases coloreados como, por ejemplo, el Iodo en estado gaseoso. De todas formas, a pesar de la variedad de gases existentes, lo cierto es que es bastante sencillo darse cuenta de que la mayoría de ellos presentan toda una serie de propiedades comunes, entre las que se encuentran las siguientes:

1º) Se pueden recoger y almacenar. 2º) Se mezclan fácilmente entre si. 3º) Se pueden comprimir mucho. 4º) Ejercen presión sobre las paredes del recipiente que los contiene. 5º) Ocupan la totalidad del recipiente en el que se encuentren. 6º) En el caso de que el recipiente tenga alguna pared móvil (por ejemplo un émbolo) se observa que, al calentar el gas de dentro (elevar su temperatura), éste se dilata empujando al émbolo hacia afuera (aumenta el volumen). 7º) En caso de que todas las paredes sean fijas y el recipiente hermético, al calentar el gas aumenta la presión que éste ejerce sobre las paredes. A continuación estudiaremos algunas de las propiedades anteriores.

3.1 ¿Ocupan volumen los gases? A.33. Proponed algún experimento que permita mostrar que los gases ocupan un espacio. A título de ejemplo: ¿cómo hacer ver a alguien que una botella o un vaso que nos parecen "vacíos" en realidad están llenos de aire? Las siguientes experiencias que se proponen, se pueden realizar fácilmente: a) Hundir un vaso boca abajo en un recipiente con agua como indica la figura 1 y ver que el agua no llena el vaso. El vaso “vacío” en realidad no está vacío sino que tiene algo dentro. Esta observación fácilmente realizable (por ejemplo, en la pila de la cocina) permite también mostrar la salida del aire, con tan sólo girar lentamente el vaso hacia arriba. La experiencia puede hacerse más "vistosa" con ayuda de un pequeño corcho puesto dentro del vaso, antes de introducirlo en el agua. Una variante consiste en poner pegado al fondo del vaso un pequeño un papel y comprobar que por mucho que se hunda no se moja.

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b) Otra experiencia que podemos realizar con una botella, consiste en acoplarle un embudo de manera que el cierre sea hermético (poniendo plastilina o presionando fuertemente ..) y, a continuación, añadir agua al embudo. Para que el agua caiga fácilmente al fondo de la botella es necesario permitir la salida del aire encerrado levantando un poco el embudo o, en su caso, pinchando la plastilina pegada entre el cuello de la botella y el embudo. c) También se puede tratar de hundir a presión el émbolo de una jeringa de plástico que ha sido cerrada a la llama o simplemente tapando y presionando el agujero con un dedo. Los gases, pues, ocupan volumen como los sólidos y líquidos, si bien se parecen más a estos últimos en cuanto a la facilidad que tienen para fluir, de ahí que se les llame conjuntamente fluidos. Relacionada con esta tendencia a fluir, a escaparse, los gases ocupan todo el volumen disponible del recinto que los contiene y ello complica tanto su recogida como la medida precisa de volúmenes.

A.34. Una cualidad importante en los atletas es su capacidad pulmonar (volumen máximo de aire que puede introducir o expulsar una persona de sus pulmones en cada inspiración o espiración). ¿Cómo se puede recoger y medir este volumen de aire? La recogida y medida del volumen del aire espirado o, en general, de cualquier gas se puede hacer sobre un líquido en el que previamente se sabe que no se disuelve. El montaje solicitado puede consistir, por ejemplo, en un tubo acodado o, simplemente, un tubo de goma, introducido en una probeta calibrada e invertida que está llena de agua y que sea lo bastante grande. Al soplar por dicho tubo se desplaza el agua (figura 3) y se podría medir la capacidad torácica si el recipiente de recogida fuese lo bastante grande.

3.2. ¿Pesan los gases? Una de las razones aportadas en favor de que los gases no pesan (y, por tanto, no tienen masa) es que se mueven hacía arriba de modo espontáneo, o, lo que es lo mismo, que no caen, tal como ocurre con cualquier sólido o líquido de los que observamos habitualmente. Un argumento tan obvio y convincente, que para muchas personas podría dejar la cuestión zanjada. Sin embargo, el avance científico supone, en ocasiones, poner en cuestión lo obvio, lo aceptado comúnmente como "evidente". De hecho, muchas de esas "verdades evidentes" han supuesto barreras históricas cuya superación ha dado lugar a importantes avances en la comprensión de la naturaleza.

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Conviene, pues, "atacar" la barrera que nos ocupa, planteándonos si, realmente, todas las cosas que se mueven hacia arriba espontáneamente carecen de peso.

A.35. Se llena hasta más de la mitad una probeta grande con agua y se coloca sobre una balanza junto con un pequeño cilindro de madera y una pequeña bolita de material adhesivo tipo plastilina del que se utiliza para fijar pequeños objetos como, por ejemplo, fotos, a distintas superficies. Se pesa todo el conjunto (A) y posteriormente, con la balanza equilibrada, se quita la probeta y con la ayuda de una varilla apropiada se procede a sumergir el cilindro con la bolita de adhesivo pegada en su base hasta el fondo de la probeta donde se presiona un poco para que quede momentáneamente fijado (sin derramar nada de agua). Inmediatamente se vuelve a colocar sobre el plato de la balanza (B). Si se espera un poco se observa que, espontáneamente, el cilindro se suelta y está subiendo (C), hasta que finalmente llega arriba y queda en reposo, flotando sobre la superficie del agua (D). Si lo hacemos veremos que la balanza nos da las siguientes indicaciones respecto del peso en cada situación: 1º) A > B > C < D 2º) A = B > C = D

A

B

C

D

3º) A = B = C = D 4º) Otra (especificar) Una vez comprendida y contestada la actividad, proceded a su realización experimental y extraed las conclusiones oportunas.

La experiencia propuesta es sencilla de realizar y permite cuestionar la idea de que todo lo que asciende espontáneamente carece de peso, ya que el cilindro de madera pesa pero lo que marca la balanza es siempre lo mismo independientemente de que el cilindro esté en el fondo, suba o flote. La madera sube porque es menos densa que el agua. Análogamente, los gases menos densos que el aire también suben. (El curso que viene explicaremos por qué ocurre esto). Otra de las razones que podrían aportarse para tratar de justificar que los gases no pesan es que si se procede a pesar una bolsa de plástico o papel llena de aire, el dinamómetro no marca más que al colgarle la misma bolsa plegada (como se puede comprobar fácilmente). La actividad siguiente permite aclarar esta cuestión.

A.36. Un estudiante dispone de un dinamómetro y de un globito lleno de agua. A continuación cuelga el globito del dinamómetro y sumerge ambos totalmente en agua (barreño, bañera, piscina…). Si lo hace observará que el dinamómetro marcará: a) Un peso menor que fuera del agua b) El mismo peso que en el aire c) Marcará cero. Una vez comprendida y contestada la actividad, proceded a su realización experimental y extraed las conclusiones oportunas.

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Si se realiza la experiencia propuesta se verá que sí podemos mostrar que el globo lleno de agua pesa cuando nos encontramos en el aire (un fluido más denso que el que queremos pesar), pero no cuando nos hallamos dentro del agua (un fluido igual de denso que el que queremos pesar), en este último caso, el dinamómetro marca 0. Análogamente, tan solo podremos constatar que el aire pesa si nos encontramos en un medio más ligero que el aire que deseamos pesar. Podemos conseguir esto si introducimos en un recipiente mucho más aire que el que habría si estuviera abierto. Esto es lo que hacemos, por ejemplo, cuando metemos aire a presión dentro de un balón, experiencia, que también se puede llevar a cabo con relativa facilidad para comprobar que en esas condiciones el balón pesa más. También son posibles otros diseños alternativos:

A.37. Diseñad otras posibles experiencias, sencillas de realizar, que sirvan para mostrar que los gases pesan. Se pueden pensar (y llevar a cabo) experiencias muy sencillas, como la siguiente: Colocad un vaso con un poco de agua sobre una balanza electrónica y, a continuación, añadid una pastilla efervescente al agua. Es fácil comprobar que, nada más añadir la pastilla la balanza señala un peso mayor pero luego ese peso empieza a disminuir y lo sigue haciendo mientras dure la efervescencia de la pastilla, es decir, mientras se siga escapando dióxido de carbono gaseoso, mostrando claramente que dicho gas pesa. Aceptado que los gases pesan podemos comprender que el peso del aire atmosférico que nos envuelve justifica la existencia de una presión atmosférica que tomará su máximo valor sobre la superficie de la Tierra (el fondo del “mar de aire” que nos envuelve ). A continuación, trataremos brevemente este tema.

A.38. Sugerid pruebas de que el aire atmosférico ejerce una gran presión sobre el fondo del "mar de aire" en el que vivimos. La cuestión del peso de los gases puede asociarse también al estudio de la presión ejercida por la atmósfera gaseosa que envuelve la Tierra. Ello puede dar lugar a numerosas experiencias sencillas de realizar, tales como: a) Llenar completamente una botella con agua; se invierte al tiempo que se sumerge en el agua de un recipiente y se observa que el agua de la botella no cae. b) Apretar una ventosa sobre una superficie y luego tratar de arrancarla. c) Colocar una lámina grande de plástico grueso sobre una superficie pulida (de modo que no quede aire entre ambas) y tras fijar una ventosa sobre el centro de la lámina, intentar levantarla.

Naturalmente son posibles otras muchas experiencias como, por ejemplo, impedir, mediante una simple hoja de papel, la caída del agua contenida en un vaso invertido; o la realización a pequeña

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escala del experimento de "los hemisferios de Magdeburgo" (mediante dos simples ventosas). Una experiencia espectacular y también muy sencilla de realizar consiste en el aplastamiento de una lata metálica, como se describe a continuación

La experiencia consiste en introducir un poco de agua dentro de una lata de refresco vacía. A continuación utilizando unas pinzas como las de la figura se calienta hasta ebullición permitiendo que salga vapor de agua por el agujero de la lata durante unos instantes y después, con un movimiento muy rápido, introducirla boca abajo en un recipiente con agua que se habrá dispuesto previamente al lado. Se observa como inmediatamente la lata se aplasta. ¿por qué? Al calentar, el aire caliente sale de la lata junto con vapor de agua, pero al sumergirla el vapor que hay dentro de la lata condensa inmediatamente con lo que la presión dentro es menor que la presión exterior ejercida por la atmósfera, lo que explica el rápido aplastamiento. Una vez mostrado que los gases poseen volumen y masa, podemos entrar a analizar otras propiedades que tienen relación con la posibilidad de aumentar y disminuir su volumen según nos convenga, bien presionándolos o bien calentándolos y enfriándolos. 3.3. Los gases se pueden comprimir y expandir fácilmente A.39. Proponed alguna experiencia que muestre la facilidad con la que los gases se comprimen y expanden.Mira la pagina 34 de tu libro Se pueden realizar experiencias elementales utilizando jeringuillas cerradas llenas de aire (y presionando el émbolo), o una probeta que se hunde boca abajo en un recipiente con agua , o un bombín, etc. Conviene tener en cuenta que la existencia de un equilibrio supone aceptar que la fuerza y presión externas realizadas son compensadas por la fuerza y presión que ejerce el gas. De hecho, los gases pueden ejercer presiones muy elevadas como se muestra en las figuras siguientes ("el elefante subido sobre una pelota", "el voluminoso turista durmiendo en la colchoneta de aire", "la enorme carga de un camión soportada por los neumáticos"…).

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Esta gran compresibilidad de los gases, a diferencia de los líquidos, puede producir efectos muy negativos cuando se introducen gases en conducciones de líquidos como ocurre, a veces, en los frenos hidráulicos de los vehículos.

Si por una avería se mete aire en el sistema de la figura anterior, el freno no funcionará bien y será necesario “purgarlo” para extraer el aire puesto que al pisar el pedal se comprimiría el aire y no se transmitiría la fuerza a los discos de frenado.

3.4. Los gases cambian de volumen o de presión cuando se les calienta o enfría

A.40. Proponed sencillos montajes o comentad algunas situaciones de la vida cotidiana donde se ponga en evidencia la variación de volumen de un gas con la temperatura. Mira la pagina 36 del libro de texto

Se pueden pensar experiencias como aproximar un globo a un foco calorífico (radiador, plancha caliente...) teniendo buen cuidado de que no se queme la goma o, por el contrario, meter el globo muy hinchado en el congelador de la nevera (o un pequeño globo en agua caliente). En todas ellas se puede comprobar de forma cualitativa que los gases cuando se calientan o se enfrían pueden, respectivamente, aumentar o disminuir su volumen. Las experiencias propuestas anteriormente son situaciones en las que varía también la presión. Para lograr que sólo varíe el volumen hay que pensar, por ejemplo, en un recipiente rígido provisto de un émbolo que

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se deslice con facilidad para que la presión se mantenga constantemente igual a la atmosférica (como sería una jeringuilla con un émbolo que deslice fácilmente).

Las variaciones de volumen que experimentan los gases con la temperatura pueden relacionarse con fenómenos como el ascenso del aire caliente (menos denso debido al aumento de volumen) y el desplazamiento de aire frío que viene a ocupar su lugar. Eso es lo que explica, por ejemplo, las brisas nocturnas o el ascenso de los globos que funcionan con un calefactor.

A.41. Concebid experiencias u observaciones cotidianas que muestren la variación de la presión de un gas al aumentar o disminuir su temperatura. Algunos ejemplos sencillos son las ollas a presión (al calentar el vapor de agua que se produce ejerce presión sobre las paredes internas) o la presión manométrica de las ruedas de un coche que siempre es menor antes que después de recorrer un largo trayecto que produce el calentamiento de los neumáticos (lo que permite justificar la recomendación de los fabricantes de que se mida la presión siempre en frío). Otra experiencia puede consistir en colocar sobre el cuello mojado de una botella vacía una moneda ligera, de manera que cierre herméticamente la boca de salida. Al rodear la botella con las manos se observará que al cabo de un rato la moneda empieza a dar saltos. Ello ocurre porque mientras se calienta con las manos y se mantiene cerrada la botella va aumentando la presión del aire encerrado hasta que la fuerza ejercida por éste es capaz de levantar la moneda escapando entonces algo de aire, con lo que la presión interna vuelve a disminuir, se cierra de nuevo la botella y se inicia otra vez el calentamiento del gas encerrado. Ésta variación del volumen y/o de la presión con la temperatura es de gran importancia y utilidad pues puede ser aprovechada, por ejemplo, para construir termómetros de gases o para explicar fenómenos naturales como el origen de las brisas marinas diurnas o nocturnas, a las que ya hemos hecho referencia. Pasaremos, finalmente, a mostrar que los gases se pueden mezclar, por sí solos, con mucha facilidad, propiedad conocida como difusión.3.5. Los gases se difunden con mucha facilidad

A.42. ¿Cómo probar que los gases se mezclan por sí solos muy fácilmente? Son posibles distintos diseños utilizando gases que sean perceptibles por su color o por su olor. Uno de ellos consiste en tomar dos recipientes interconectados por una llave de paso, como se muestra en la figura 10 e introducir en uno de ellos un gas coloreado (por ejemplo, el obtenido al calentar suavemente unos cristales de iodo) y en el otro aire. La difusión se observará fácilmente al abrir la llave. También se pueden utilizar esencias aromáticas volátiles que sean preferentemente de olores agradables.

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Otro ensayo, bastante espectacular, consiste en introducir en cada uno de los extremos de un tubo colocado horizontalmente, dos algodones empapados en ácido clorhídrico y amoniaco respectivamente. Los gases incoloros de cloruro de hidrógeno y de amoniaco, se difunden por el tubo y, al reaccionar, producen una nube de color blanco de cloruro de amonio.

En esta experiencia no solamente hay difusión de dos gases, sino también un proceso químico con formación de una nueva sustancia, pero es muy perceptible la evidente facilidad con que se difunden las emanaciones gaseosas del NH3 (g) y del HCl (g) que se producen desde los algodones situados en los extremos del tubo. En la pagina Web del curso tienes un entorno de trabajo, dentro de los recursos complementarios, para consolidar las ideas en torno al comportamiento de los gases

4. UN ÚNICO MODELO DE GAS QUE EXPLIQUE TODAS LAS PROPIEDADES Una vez estudiado el comportamiento físico de los gases, estamos en disposición de afrontar el desafío de idear, a título de hipótesis, un modelo sobre la estructura de los gases que pueda explicar de forma coherente el conjunto de sus propiedades.

A.43. Elaborad, a título de hipótesis, un modelo sobre cómo pueden estar formados los gases, que nos permita explicar por qué se mezclan tan fácilmente unos con otros de forma espontánea; por qué ocupan, de forma homogénea, todo el volumen del recipiente que los contiene, y por qué la mayoría de los gases no pueden verse. El fenómeno de la difusión homogénea sugiere que los gases están formados por partículas en movimiento caótico y desordenado, si no ¿qué es lo que hace que al poco de destapar un frasco de colonia, una botella de amoniaco, un guiso de coliflor… el olor se perciba en todos los alrededores? Por otra parte, el hecho de que la mayoría de los gases no puedan verse y que todos se mezclen ellos solos entre sí con tanta facilidad, induce a pensar que esas partículas han de ser muy pequeñas y estar bastante

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separadas entre ellas. Estas consideraciones facilitan la elaboración de un modelo corpuscular y cinético de los gases, según el cual: Todos los gases estarían formados por muchas y diminutas partículas en continuo movimiento caótico y separadas por grandes huecos o espacios vacíos (grandes, en comparación con el tamaño de las propias partículas).

Otra característica del modelo cinético de los gases es que las partículas que forman un gas no sufren dilataciones ni compresiones ni tampoco cambios de estado. Se trata de corpúsculos con masa y prácticamente puntuales. De hecho, si fueran las propias partículas de un gas las que se dilataran al calentarlo, cabría esperar que, al aumentar de tamaño, se difundieran más lentamente (por ejemplo aumentara la dificultad para salir por un pequeño orificio). Sin embargo ocurre justamente lo contrario. La masa y el tamaño no cambian, lo que varía es la velocidad, y si se mueven más deprisa también se difundirán más rápidamente.

A.44. Utilizad el modelo anterior para explicar por qué los gases: a) Se pueden comprimir tanto (compresibilidad). b) Presionan las paredes del recipiente en el que se encuentren c) Al calentarlos (o enfriarlos) se dilatan (o se contraen) o, si el recipiente es rígido y sin ninguna pared móvil, aumenta (o disminuye) la presión sobre todas las paredes internas de éste.

El que los gases se puedan comprimir tanto, se explica perfectamente admitiendo que al presionar disminuye el tamaño de los huecos existentes entre las partículas y, como estos huecos son muy grandes (comparados con el tamaño de las partículas), es lógico que los gases se puedan comprimir mucho. Análogamente, al haber muchísimas partículas moviéndose en todas direcciones, se producirán cada segundo millones y millones de choques de esas partículas contra todas las paredes internas del recipiente, lo que justifica la presión ejercida por el gas sobre ellas. Finalmente, al aumentar la temperatura el consiguiente aumento de volumen y/o de presión se puede explicar por el aumento que se

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produciría en la velocidad con que se mueven las partículas, lo que haría que sus choques contra todas las paredes fuesen más violentos y frecuentes (y al contrario al disminuir la temperatura).

A.45. Una persona ha planteado el siguiente argumento en contra del modelo cinético-corpuscular: Si se admite que entre las partículas de los gases que forman el aire (nitrógeno, oxígeno y otros) no hay nada y que están separadas por grandes distancias entre ellas, podríamos respirar en esos huecos y al no haber aire en ellos nos asfixiaríamos. Indicad si se está o no de acuerdo con este argumento y por qué. Conviene tener en cuenta el elevadísimo número de partículas que hay en un volumen determinado de gas, dado el extraordinariamente pequeño tamaño de estas. Una mota de polvo o un simple grano de sal, son verdaderos gigantes si los comparamos, por ejemplo, con las partículas que forman el aire. Así, en un solo cm3 de aire (como un dado de jugar al parchís) en condiciones de presión y temperatura ordinarias, hay … ¡más de 10 trillones de partículas en total! (la mayoría de ellas de nitrógeno y de oxígeno). Sin embargo, si ese volumen de 1 cm3 lo dividiéramos en cien mil partes iguales, los 10 trillones de partículas totalmente juntas (pegadas unas a otras), no llegarían a ocupar más de 3 de esas partes, quedando las otras 99.997 partes completamente vacías. Por otro lado, el volumen medio de una pequeña célula (solo visible con un microscopio) es aproximadamente un millón de millones de veces más grande que el volumen de una de esas partículas. Así pues, cuando se dice que las partículas que forman un gas están separadas unas de otras por grandes distancias, esas distancias son grandes en relación al tamaño extraordinariamente pequeño de las partículas, no en relación a nuestro cuerpo o a los objetos cotidianos. No obstante, si es cierto que conforme aumenta la altitud y cada vez el aire es menos denso (por ejemplo, al ascender a una montaña muy alta), aumenta la dificultad para respirar porque la cantidad de oxígeno que se absorbe en cada inhalación disminuye (eso explica que, a veces, los alpinistas tengan que llevar botellas de oxígeno para respirar bien a ciertas alturas). Esto ha hecho que para aumentar el rendimiento en algunos deportes (como atletismo) se realicen entrenamientos continuados en zonas con altitudes superiores a 2000 m sobre el nivel del mar ya que al ser la concentración de oxígeno más baja, el cuerpo responde produciendo más glóbulos rojos y, por lo tanto, está luego mejor preparado para competir en zonas de más baja altitud ya que al tener más glóbulos rojos aumenta el transporte de oxígeno a las células mejorando la respiración. 5. ¿ES EXTENSIBLE EL MODELO A LÍQUIDOS Y SÓLIDOS? El modelo cinético-corpuscular explica bastante bien el comportamiento de los gases pero, nuestro objetivo inicial era encontrar un modelo para la estructura de todos los materiales, tanto gaseosos como líquidos o sólidos. Vamos pues a plantearnos ahora si será posible extender dicho modelo a líquidos y sólidos. Para ello comenzaremos buscando semejanzas entre ellos, es decir, propiedades de los gases que también puedan tener sólidos y líquidos. Si conseguimos encontrar esas semejanzas, también cabe esperar que se puedan explicar con el mismo modelo, lo cual nos permitiría consolidarlo todavía más y, con ello, avanzar en nuestro objetivo de encontrar una misma estructura básica común a todos los materiales.

5.1. Algunas propiedades de líquidos y sólidos, semejantes a las de los gases

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A.46. Considerad de nuevo las propiedades de los gases estudiadas en el primer apartado de este tema y decidid en qué medida lo son también de líquidos y sólidos (se trata de buscar semejanzas, no de resaltar las evidentes diferencias entre líquidos o sólidos y los gases). Para contestar a la actividad planteada podemos analizar algunas propiedades como las siguientes:  Líquidos y sólidos, aunque muy poco, también se pueden comprimir y, en general, se dilatan con el calor y se contraen con el frío. Es cierto que, por ejemplo, para comprimir un poco agua o arena deberíamos ejercer presiones muy grandes pero también lo es que cuando se comprime progresivamente el aire contenido en una jeringa, resulta cada vez más difícil seguir haciéndolo. Incluso, puede ocurrir que, en determinadas condiciones, algunos gases pasen a líquidos (se licuan) cuando la presión sobrepasa un cierto valor. En cuanto a la dilatación por calentamiento las semejanzas son más evidentes ya que existen muchos líquidos y sólidos que aumentan su volumen (en distinto grado) al elevar la temperatura a la que se encuentran. Pensemos, por ejemplo, en la dilatación del mercurio (efecto que se aprovecha para la construcción de termómetros) y en la necesidad de colocar juntas de dilatación en edificios, vías de ferrocarril, puentes, etc. Así, por ejemplo, una barra de hierro de 200 m se alargaría unos 5 cm al elevar su temperatura de 10 ºC a 50 ºC.  Existen sustancias que en fase líquida se pueden mezclar fácilmente unas con otras. En algunos casos (como ocurre con el agua y el metanol ) al adicionar dos volúmenes V1 y V2 de dos líquidos, el volumen resultante es apreciablemente menor que la suma de los volúmenes. Algunos sólidos se pueden disolver fácilmente en líquidos extendiendo a todas las partes de la disolución su presencia (color, sabor, etc.). En efecto, la facilidad de los gases para mezclarse ellos solos entre si o difundirse, se puede relacionar con el hecho de que muchos líquidos, como, por ejemplo, el agua y el etanol, también se mezclan fácilmente (son miscibles). Al echar con cuidado una sola gota de tinta al agua contenida en un vaso, se puede observar cómo la tinta se difunde extendiendo su color por toda el agua. También se pueden realizar las experiencias de disolución de sólidos iónicos fuertemente coloreados como el permanganato o el dicromato de potasio (utilizando cantidades mínimas, ya que se trata de compuestos tóxicos muy nocivos para el medio ambiente). Otra experiencia que se puede planificar y realizar en un laboratorio escolar es la disolución de metanol en agua y comprobar que la suma de volúmenes iniciales de los líquidos es un poco menor que el volumen de la mezcla. 5.2. Extensión del modelo corpuscular a líquidos y sólidos Acabamos de ver que existen algunas coincidencias entre los gases y sólidos y líquidos, que nos van a permitir avanzar en el problema de si es posible (y en qué medida) generalizar el modelo corpuscular elaborado para los gases, también a sólidos y a líquidos.Continuaremos el estudio, analizando la posible aplicación de dicho modelo a los cambios de estado, que constituyen el nexo de unión entre gases, líquidos y sólidos. Obviamente, si una misma sustancia (como el agua) puede pasar de gas a líquido y a sólido, cabe pensar que las mismas partículas que forman el gas deberán encontrarse también en el agua líquida y en el hielo. El modelo, deberá explicar además cómo se pueden producir esos cambios de estado y las diferencias de comportamiento entre gases, líquidos y sólidos.

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A.47. Proponed ejemplos de materiales conocidos que puedan encontrarse en los distintos estados: sólido, líquido y gaseoso. Efectivamente, existen muchos ejemplos en los que un mismo material puede encontrase en diferentes estados y cambiar de uno a otro. Podemos referirnos a situaciones tan distintas como la fusión del hierro en una siderurgia, las botellas y contenedores con gas líquido a presión (visible en algunos encendedores transparentes), la condensación de vapor de agua sobre una superficie fría, etc. Se pueden completar estas observaciones haciendo que los propios alumnos fundan naftalina, metales como el estaño o bien sublimen alguna sustancia como el yodo o la misma naftalina (en una vitrina de gases y utilizando cantidades muy pequeñas para minimizar el impacto ambiental, guardando los restos que se puedan para volver a utilizar). En general, al variar la presión, la temperatura, o ambas, las sustancias cambian de estado, cambiando también algunas de sus propiedades y su comportamiento.

A.48. Explicad, con ayuda del modelo corpuscular de los gases, cómo puede tener lugar el paso de gas a líquido y de éste a sólido. Hemos visto que los gases pueden licuarse tanto por enfriamiento directo como comprimiéndolos. Ambas formas pueden explicarse con ayuda del modelo de partículas, si se introduce la hipótesis adicional de la existencia de fuerzas de unión entre las partículas (que en los gases no serían apreciables, debido a las enormes distancias existentes entre las partículas y a sus elevadas velocidades). En el primer caso, el enfriamiento del gas supone disminuir la velocidad de las partículas hasta el punto de que las fuerzas atractivas no sean despreciables frente al movimiento de las partículas y éstas lleguen finalmente a enlazarse. Por otra parte, la compresión a que se somete al gas obliga a que el volumen en el que se mueven la partículas sea cada vez más pequeño y se favorezca así la interacción entre ellas, llegando también a unirse. Así pues, el modelo corpuscular parece que puede interpretar esta formación de líquidos siempre que se admita la existencia de interacciones entre las partículas y se produzca una elevada reducción de los grandes vacíos que se suponía existían en la estructura de los gases. El hecho de que al pasar de líquido a sólido se pierda la propiedad de fluir, de difundirse, hace pensar que el modo y la intensidad con que las fuerzas atractivas mantienen unidas a las partículas en los líquidos es distinto que en los sólidos. En el caso de un líquido ha de haber algunos “huecos” que permitan a las partículas desplazarse ocupando alternativamente dichos huecos y produciendo otros pero permaneciendo ligadas, pudiéndose así adaptarse a la forma del recipiente. En la figura siguiente se ha representado de forma esquemática un líquido.En el caso de un sólido, las partículas no pueden realizar esos desplazamientos por la ausencia de huecos con el tamaño suficiente como para permitirlo, por eso los sólidos tienen una forma definida. Tanto en los líquidos como en los sólidos las partículas se mueven pero debido a las atracciones de las que les rodean, se restringe su libertad de desplazamiento a movimientos vibratorios ligados a la temperatura del sistema material. Cuando un sólido se calienta, las vibraciones de las partículas se hacen más intensas, la distancia entre ellas aumenta y llega un momento en el que algunos enlaces entre las partículas se rompen (generando huecos) de modo que comienza a pasar al estado líquido (fusión). Si se sigue elevando la temperatura, la energía de muchas partículas puede ser suficiente como para escapar de la

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atracción de las demás y el líquido iría pasando a gas (vaporización). Los procesos inversos se denominan solidificación (paso de líquido a sólido) y condensación (paso de gas a líquido). Pueden darse enfriando lo suficiente. fusión

vaporización

solidificación

condensación

sublimación

En la pagina Web del curso correspondiente al tema anterior, ahora es el momento de ver con detalle la pagina de recursos complementarios e eintentar realizar las actividades en ella sugeridas

Complementa lo visto con la lectura del punto 5 de tu libro de texto ( Paginas 40 41 y 42)

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RECAPITULACIÓN

A.51. Realizad una síntesis del modelo cinético-corpuscular de la materia (tanto para gases como para líquidos y sólidos). Las características esenciales del modelo elaborado para explicar la estructura básica común de todos los materiales (sea cual sea el estado en el que se encuentren) son:  Todos los materiales están formados por partículas en continuo movimiento, muy pequeñas y separadas entre ellas por el vacío (es decir, no hay nada entre las partículas). Cada una de esas partículas tiene masa (aunque muy pequeña), de forma que la suma de las masas de todas las partículas de que consta un cuerpo es, precisamente, la masa de dicho cuerpo.  Entre las partículas materiales existen fuerzas de atracción cuyo valor disminuye con la distancia que las separa y, por este motivo, son inapreciables en los gases pero no en líquidos y sólidos.  El movimiento de las partículas está relacionado con la temperatura (mayor movimiento implica mayor temperatura). Esto explica tanto las dilataciones de los cuerpos en un mismo estado como los propios cambios de estado.

A pesar de lo avanzado, quedan preguntas por contestar y se han abierto también nuevos interrogantes. A.52. Plantead nuevas preguntas relacionadas con la estructura de la materia que en el desarrollo del tema no hayan surgido y consideren de interés. Entre otros, podemos referirnos a los siguientes interrogantes:  ¿Cuál es la naturaleza de las fuerzas atractivas entre las partículas?  ¿Por qué a 1 atm y 20 ºC, el oxígeno es un gas, el agua es líquida y el hierro es sólido, siendo que los tres se hallan a la misma presión y temperatura?  ¿Qué es lo que mantiene a las partículas materiales en movimiento continuamente? ¿Por qué no se paran?  ¿A qué se debe que existan millones de sustancias distintas? ¿Es que hay también millones de partículas distintas o, por el contrario, hay solo unas pocas que se unen entre ellas de diferentes formas dando lugar a un gran número de combinaciones?  ¿Cómo son las partículas materiales? ¿Son elementales o bien tienen, a su vez, una estructura interna? 3. PROPIEDADES GENERALES DE LA MATERIA. ACTIVIDADES DE REFUERZO 1. Disponemos de 500 g de agua en estado líquido. La ponemos en el congelador hasta que toda el agua se haya convertido en hielo. Señalad si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas, explicando en cada caso, el porqué: a) Habrá aumentado su volumen pero también su masa, de modo que la densidad no habrá cambiado. b) Habrá aumentado su volumen, pero no su masa ni su densidad. c) No habrá cambiado ni su masa ni su volumen. 2. ¿Dónde será mayor la masa de un astronauta, en la superficie de la Tierra o en la de la Luna? ¿Dónde será mayor su peso?

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3. Tenemos tres objetos cuyas masas son: m1 = 15200 mg; m2 = 16 g; m3= 0'02 kg. ¿Cuál de ellos tiene mayor masa? ¿Cuál la tiene menor? 4. Una chica se pesa en una balanza y ésta marca 52'3 kg. ¿Qué magnitud física mide la balanza? ¿Cuál sería el peso de la chica? La magnitud medida es -----------------------------------------

El peso de la chica es -------------------------------------------5. ¿Cómo determinaríais el volumen de una moneda de 50 céntimos? ¿y el de un cubo? 6. Expresad en m3 las siguientes cantidades: 1350 dm3; 1’5·106 cm3; 14500 . 7. Las mareas negras se producen debido a que algunos barcos petroleros sufren accidentes y parte del petróleo que transportan se vierte al mar. ¿Cuál creéis que es el motivo de que los derivados del petróleo floten sobre la superficie del agua del mar? 8. Expresad las siguientes densidades en unidades del SI:

a)  = 0'8 g/cm3; b)  = 8900 g/; c)  = 6 g/dm3 9. Si la densidad del aceite a 20°C es de 0'93 g/cm3, calculad la masa que tendrá 1  de aceite a esa temperatura. 10. Calculad el volumen que ocupa 200 g de mercurio a 20°C y presión normal (densidad del mercurio en esas condiciones  = 13'6 g/cm3). 11. Explicad por qué el aluminio ha sustituido al hierro en la construcción de marcos de ventanas y barandillas de balcones y miradores. 12. ¿Qué ventajas presenta el aluminio frente al acero como material en la construcción de vehículos?

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13. Con ayuda de una jeringa se extrae aire de un matraz. Suponiendo que pudieran verse las partículas que componen el aire del matraz, dibujad un esquema de lo que se vería antes y después de sacar el aire.

14. Dos globos están conectados a un matraz como indica la figura. Explicad lo que ocurrirá al calentar el matraz; representad haciendo los dibujos pertinentes, las partículas del aire antes y después de calentar.

15. Dibujad cómo creéis que estarían dispuestas las partículas, según la teoría cinético-corpuscular, en el estado sólido, líquido y gaseoso. 16. Explicad por qué las ollas a presión deben tener una válvula de seguridad por donde sale el vapor de agua que se produce en ellas al cocer los alimentos.

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17. Explicad, utilizando el modelo cinético-corpuscular, cómo un termómetro de mercurio puede detectar los cambios de temperatura del aire que le envuelve. 18. Conseguid una cafetera como la de la figura adjunta, desmontadla y tratad de explicar cómo funciona. Para ello, tened en cuenta lo que acabamos de estudiar sobre las propiedades y comportamiento de los gases. Respuesta: Si abrimos una cafetera como la de la figura anterior, veremos que consta de un recipiente inferior en el que se coloca agua (sin sobrepasar una válvula de seguridad). En dicho recipiente ajusta una especie de embudo que, en su interior, tiene una base metálica llena de pequeños agujeros y sobre la que se dispone el café molido. En cuanto a la parte superior (que se suele enroscar en la inferior), tiene una tapadera que se puede levantar, un asa de material refractario y del fondo sale una especie de tubo cónico con un agujero arriba. Además, la base que hace contacto con el café (cuando se rosca la parte superior con la inferior) está llena de pequeños agujeros que comunican con el tubo anterior. Una arandela de goma rodea esos pequeños agujeros para asegurar la estanqueidad. café molido

agua

contenedor

parte inferior

parte superior

En las figuras siguientes se muestran dos esquemas de la cafetera ya dispuesta para hacer el café. Como puede comprobarse, en la parte inferior hay aire entre el nivel del agua y el café.

agujero B aire a la presión atmosférica

contenedor lleno de café

café molido aire A

válvula de seguridad

agua

Cuando la cafetera está al fuego, el aire contenido en la parte superior está a la presión atmosférica pero no ocurre lo mismo con el aire situado en la parte inferior (A) que, al ir aumentando su temperatura aumentará también la presión que ejerce sobre las paredes de la cafetera y sobre el agua, con lo que el agua caliente se moverá debido a esa sobrepresión y saldrá por el único sitio disponible, esto es, subirá por el tubo del contenedor y pasará por los agujeros atravesando el café (formando un disolución) y, ascendiendo por el cono hueco de la parte superior, saldrá finalmente por el agujero B.

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