1 Física y Química 3º Curso Educación Secundaria Obligatoria Curso académico 2015/2016

FÍSICA Y QUÍMICA TEMA 2: LA MATERIA Y SUS ESTADOS DE AGREGACIÓN

2 Física y Química 3º Curso Educación Secundaria Obligatoria Curso académico 2015/2016

LA MATERIA Y SUS ESTADOS DE AGRAGACIÓN 1. La materia y sus propiedades. 1.1. Propiedades generales y específicas. 1.2. Propiedades intensivas y extensivas. 1.3. Algunas propiedades extensivas. 1.4. Algunas propiedades intensivas. 2. Los estados de agregación de la materia. 2.1. Los estados de la materia. 2.2. La teoría científico­molecular (TCM). 3. Los gases. 3.1. Características de los gases. 3.2. Presión de un gas. 3.3. La presión atmosférica. 4. Las leyes de los gases. 4.1. Ley de Boyle y Mariotte. 4.2. Leyes de Charles y Gay­Lussac.

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LA MATERIA Y SUS ESTADOS DE AGRAGACIÓN 5. Los cambios de estado. 5.1. Cambios de estado progresivos. 5.2. Cambios de estado regresivos. 5.3. Calor en los cambios de estado. 6. Estudio experimental de los cambios de estado. 6.1. La temperatura de cambio de estado. 7. La TCM y los cambios de estado. 7.2. La TCM y los cambios de estado. 7.3. Gas y vapor.

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1. LA MATERIA Y SUS PROPIEDADES

­  Materia:  todo  aquello  que  ocupa  un  espacio,  tiene  duración  en  el  tiempo y una propiedad fundamental llamada masa. Por tanto, pesa. ¿El aire se materia? ¿Cómo lo demostrarías?

Sí

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1. LA MATERIA Y SUS PROPIEDADES 1.1. Propiedades generales y específicas ­  Propiedades  generales:  aquellas  que  son  comunes  para  toda  la  materia.  Ej.:  masa  (todos  los  cuerpos  tienen  masa),  volumen,  temperatura, etc. No permiten identificar una sustancia concreta. ­  Propiedades  específicas:  propiedades  concretas/particulares  que  poseen determinados tipos de materia. Ej.: densidad (cada cuerpo posee  una densidad concreta), temperatura de fusión, color, brillo, sabor, etc. Sí  permiten  identificar  sustancias  (Ej.:  el  zumo  de  limón  posee  un  sabor  ácido, el agua hierve a 100 ºC, etc.).

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1. LA MATERIA Y SUS PROPIEDADES 1.2. Propiedades intensivas y extensivas a)  Propiedades  intensivas:  aquellas  cuyo  valor  NO  depende  de  la  cantidad de materia que consideremos. Algunas propiedades intensivas  son la temperatura y la densidad: ­  La  temperatura  (t)  (¿por  qué  es  intensiva?,  ver  página  33):  indica el nivel térmico de un cuerpo, es decir, su tendencia a ceder calor a  otro  que  se  encuentra  a  menor  temperatura  o  a  recibir  calor  de  él  si  su  temperatura es mayor. En el SI se mide en Kelvin (K), aunque también es  frecuente utilizar la escala Fahrenheit (ºF) y, sobre todo, la escala Celsius  cuya unidad es el grado centígrado (ºC), las equivalencias son: t (ºC) = t (K) – 273 ; t(ºC) = t(ºF) – 32 / 1,8 Clase ejercicio resuelto 1 página 34 Ejercicios 1 y 7 página 35 para casa

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1. LA MATERIA Y SUS PROPIEDADES 1.2. Propiedades intensivas y extensivas ­ La densidad (d): relaciona la masa (m) de una sustancia con el  volumen (V). En el SI se mide en kg/m3: d = m / v  Densidad de algunas sustancias en  condiciones normales (t = 0 OC y p = 1 atm) Sustancia

Densidad (kg/m3)

Dióxido de carbono

1,96

Etanol

789

Agua (4 OC)

1000

Agua de mar

1027

Mercurio

13600

Hierro

7870

Ploma

11340

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1. LA MATERIA Y SUS PROPIEDADES 1.2. Propiedades intensivas y extensivas Ejercicios 4 y 6 página 35 para casa a)  Propiedades  extensivas:  aquellas  cuyo  valor  SÍ  depende  de  la  cantidad de materia que consideremos. Algunas propiedades extensivas  son la masa y el volumen: ­ La masa (m) (¿por qué es extensiva?, ver página 33): cantidad  de materia que contiene un cuerpo. Da origen al peso con lo que se puede  medir de forma directa con una balanza. Su unidad en el SI es el Kg. ­  El  volumen  (V):  cantidad  de  espacio  que  ocupa  un  sistema  material (cuerpo). Su unidad en el SI es el m3, aunque en el caso de los  líquidos  y  gases  se  suele  emplear  el  litro  (L),  introduciéndose  así  el  concepto de capacidad (del recipiente que contiene el líquido o gas) que  es  volumen  máximo  de  líquido  o  gas  que  puede  alojar  un  recipiente  dado. Ver tabla equivalencias página 32.

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2. LOS ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA 2.1. Los estados de la materia ­  El  estado  de  agregación  en  el  que  se  encuentre  un  sistema  material  depende de las fuerzas de cohesión interna que presenten las partículas  que  lo  componen  y,  además,  de  las  condiciones  de  presión  y  temperatura en la que se encuentre. En las condiciones que se dan  en la  corteza terrestre, la materia se presenta en tres estados: sólido, líquido y  gaseoso. ­ De esta forma, la materia puede cambiar de estado si se modifican las  condiciones de presión y temperatura, así, por ejemplo: O oC

100 oC

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2. LOS ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA 2.2. La teoría cinético-molecular ­  Fue  desarrollada  en  la  segunda  mitad  del  siglo  XIX  para  explicar  el  comportamiento de los gases, parte de las siguientes hipótesis: a) Los gases están formados por partículas (moléculas) muy  separadas entre sí. El volumen de las moléculas es muy  pequeño  si lo comparamos con el volumen total que  ocupa el gas. b) Las moléculas están en continuo movimiento, chocando  entre sí y con las paredes del recipiente que las contiene. c) La temperatura a la que se encuentra un gas depende de la  velocidad con la que se muevan sus moléculas, a mayor  velocidad  mayor temperatura y al contrario. d) Las fuerzas de atracción (o cohesión) que existen entre las  moléculas  del  gas  son  muy  débiles,  con  lo  que  éstas  no  están  unidas,  sino separadas (pueden moverse con libertad).

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2. LOS ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA 2.2. La teoría cinético-molecular ­  La  TCM  se  aplicó/extendió  a  sólidos  y  líquidos,  lo  que  permitió  explicar los estados de agregación: Fuerzas  de  atracción  muy  intensas.  Las  partículas  ocupan  posiciones  fijas  muy  próximas entre sí

1, 2, 3 y 5 pág. 37 para casa

Fuerzas  de  atracción  menos  intensas. Las partículas fluyen,  se  desplazan  manteniéndose  juntas

Fuerzas  de  atracción  muy  débiles.  Las  partículas  pueden moverse con libertad

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2. LOS ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA ¿En qué estado se encuentra el núcleo interno? El  núcleo  interno  de  la  Tierra  se  encuentra  en  estado  sólido,  debido  a  las  altas presiones a las que está sometido. ­

­ A mayor Tª, menor punto de fusión

Presión­Tª

­ A mayor P, mayor punto de fusión

+

El  núcleo  interno  se  encuentra  en  estado  sólido  ya  que  aunque  está  sometido  a  altas  temperaturas,  la  presión  es  mucho  mayor  que  en  el  núcleo  externo,  es  decir,  la  presión  “prevalece”  sobre  la  temperatura.  Un  aumento  de  presión  favorece el agrupamiento de las partículas

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3. LOS GASES 3.1. Características de los gases ­  Todos  los  gases  comparten  una  serie  de  características:  son  ligeros,  se  expanden hasta llenar y adoptar la forma del recipiente que los contiene,  se “escapan” por orificios pequeños y son fáciles de comprimir. ­  Para  describir  científicamente  el  comportamiento  de  los  gases  se  utilizan 4 magnitudes físicas: la cantidad de gas, el volumen que ocupa,  la presión que ejerce y la temperatura a la que se encuentra.

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3. LOS GASES 3.2. Presión de un gas ­  Según  la  TCM  la  partículas  del  gas  están  en  continúo  movimiento,  chocando  entre  sí  y,  en  su  caso,  con  las  paredes  del  recipiente  que  las  contiene ejerciendo una fuerza. ­ La presión de un gas es la fuerza que ejercen sus partículas al colisionar  sobre la unidad de superficie. ­ Se mide con un instrumento llamado manómetro y su unidad en el SI es  el  pascal,  Pa  (1  Pa  =  1  N/m2);  aunque  también  se  suelen  utilizar  otras  unidades  como  la  atmósfera  (atm)  o  el  milímetro  de  mercurio  (mmHg).  Ver tabla de equivalencias página 38. Ejercicio 4 página 39 para casa

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3. LOS GASES 3.3. La presión atmosférica ­ Presión atmosférica: peso que ejerce la atmósfera sobre los cuerpos que se  encuentran  en  ella.  A  nivel  del  mar  760  mmHg  (E.  Torricelli),  no  obstante  varía con la altitud y las condiciones ambientales. Se mide con barómetro.

Isobaras Borrasca,  bajas presiones

1 mb = 1 hPa Anticiclón,  altas presiones

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4. LAS LEYES DE LOS GASES 4.1. Ley de Boyle y Mariotte ­ Para una misma masa de gas, y a temperatura constante, el producto de la  presión por el volumen tiene un valor constante (K); es decir: p1 ∙ V1 = p2 ∙ V2 = k (constante); a Tª constante

Ejercicios 1 y 2 página 41

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4. LAS LEYES DE LOS GASES 4.2. Leyes de Charles y Gay-Lussac  Primera ley de Charles y Gay­Lussac Para una misma masa de gas, y a presión constante, el volumen que ocupa el  citado  gas  es  directamente  proporcional  a  su  temperatura.  Es  decir,  si  aumenta  la  temperatura,  el  volumen  también  aumenta  y  además  en  la  misma proporción. V1 / T1 = V2 / T2 ; a p constante  Segunda ley de Charles y Gay­Lussac Para una misma masa de gas, y a volumen constante, la presión que ejerce el  citado  gas  es  directamente  proporcional  a  su  temperatura.  Es  decir,  si  aumenta la temperatura, la presión también aumenta y además en la misma  proporción. p1 / T1 = p2 / T2 ; a V constante Ejercicios 1 y 2 página 43 para casa

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5. LOS CAMBIOS DE ESTADO ­  Al  variar  las  condiciones  de  presión  y  temperatura  podrá  producirse  un  cambio  de  estado,  que  es  el  cambio  físico  que  experimenta  un  sistema  material al pasar de un estado de agregación a otro.  ­ Se caracterizan por: a) Para cada presión, quedan definidos por un valor concreto de  temperatura, temperatura de cambio de estado. b) Son reversibles. c) Mientras se está produciendo el cambio de estado, la temperatura  del sistema material se mantiene constante.

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5. LOS CAMBIOS DE ESTADO 5.1./5.2. Cambios de estado progresivos y regresivos Sublimación

Fusión

Solidificación

Vaporización

Condensación

Sublimación inversa Cambios progresivos: el sistema absorbe calor de su entorno Cambios regresivos: el sistema cede calor de su entorno

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5. LOS CAMBIOS DE ESTADO 5.1./5.2. Cambios de estado progresivos y regresivos   ¿Por  qué  el  verter  agua  fría  en  un  vaso  aparecen  gotitas  de  agua  en  la  “cara” exterior del vaso?

Porque  el  “frío”  que  proviene  del  vaso condensa el  vapor de  agua de su alrededor y  éste se  adhiere a la “cara” externa del  vaso

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5. LOS CAMBIOS DE ESTADO 5.3. Calor en los cambios de estado ­  La  energía  absorbida  o  desprendida  durante  un  cambio  de  estado  se  denomina  calor  latente  de  cambio  de  estado,  L.  Cada  sustancia  tiene  sus  propios valores. Su  unidad en el SI es el J/kg (julio  por kilogramo), aunque  también su utiliza la cal/g (caloría por gramo). 

Ejercicio 3 página 45

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6. ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LOS CAMBIOS DE ESTADO 6.1. Temperatura de cambio de estado ­ Temperatura a la que tiene lugar cada cambio de estado: a) Temperatura de fusión: temperatura a la que tiene lugar el paso  de sólido a líquido. b) Temperatura de solidificación: temperatura a la que tiene lugar  el paso de líquido a sólido. c) Temperatura de ebullición: temperatura a la que tiene lugar el  paso de líquido a gaseoso. d) Temperatura de condensación: temperatura a la que tiene lugar  el paso de gas a líquido. ­  Se  cumple  que:  1)  cada  sustancia  tiene  sus  propios  valores,  que  son  fijos  (ver  tabla  página  46).  2)  para  una  mezcla  de  sustancias  es  variable.  3)  Depende de la presión.

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7. LA TCM EN LOS CAMBIOS DE ESTADO 7.2. La TCM y los cambios de estado  Fusión ­  Al  elevarse  la  temperatura  de  un  sólido,  aumenta  la  agitación  de  las  partículas hasta que algunas son capaces de abandonar sus posiciones fijas y  fluir con libertad.  Vaporización ­  Si  aumenta  la  temperatura  de  un  líquido,  la  energía  de  las  partículas  aumenta  y,  por  tanto,  su  velocidad.  De  esta  forma,  las  partículas  se  alejan  cada  vez  más  unas  de  otras,  así  las  que  se  encuentran  en  la  superficie  del  líquido “escapan” al exterior, evaporación. ­ Si la temperatura es lo suficientemente alta, cualquier partícula (esté donde  esté) puede “escapar” del líquido, así la vaporización tiene lugar en toda la  masa del líquido produciéndose grandes burbujas de vapor, ebullición. Ver explicación página 49

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7. LA TCM EN LOS CAMBIOS DE ESTADO 7.3. Gas y vapor  Gas ­ Sustancias que son gaseosas a presión y temperatura ambiental. Ej.: ozono.  Vapor ­ Gas  que  se  desprende de  una sustancia  que  en condiciones  ambientales  es  sólida o líquida. Ej.: vapor de agua desprendido al calentar agua líquida.

PROBLEMAS DE LOS GASES

1. ¿Qué presión tenía inicialmente un gas que sabiendo que estando a 24ºC pasa a volumen constante a una presión de 780mmHg y a 30ºC? 2. ¿Qué volumen final tiene un gas que inicialmente estaba a una t=20ºC y ocupaba un volumen de 24 litros y que al final se encontraba a una temperatura final de 25ºC, sabiendo que el proceso ocurre a volumen constante.

3. ¿A qué temperatura se encontraba inicialmente un gas sabiendo que al principio se encontraba a 780mmHg y después a volumen constante se encontraría a una presión de 790mmHg y a una temperatura final de 30ºC?. 4. ¿Qué volumen inicial tenía un gas que estaba sometido a una presión de 1,2 atm si después de someterse a un cambio a temperatura constante el volumen final es de 22litros y la presión final es de 760mmHg?

5. ¿A qué temperatura inicial estaba una gas que ocupando un volumen inicial de 24litros pasa a presión constante a una temperatura final de 19ºC y ocupando un volumen de 2500 cm3?.