Física y Química 3ºESO - Estados de agregación de la materia

Estados de agregación de la materia                                      Tema 1

1.- La materia y sus estados

1.1.- ¿Qué es la materia? Es todo aquello que tiene masa y ocupa volumen. Y puede presentarse en sustancias puras o en mezclas.

Materia	Sustancias puras	Tienen propiedades físicas	Elementos	Formados por átomos iguales
			Compuestos	Unión de diferentes elementos
	Mezclas	Homogéneas (disoluciones) →	No se distinguen los componentes a simple vista	Alcohol o agua
		heterogéneas	Se pueden distinguir sus componentes	Arena y agua

 

•Propiedades (características) de las sustancias puras

.- La masa (m) indica la cantidad de materia que compone un objeto. En el SI se expresa en kilogramo (kg), aunque para masas pequeñas se usa el gramo (g) y el miligramo (mg) → m=ρ V

.- El volumen (V) es el espacio que ocupa la materia, Se expresa en el SI en metros cúbicos (m³), aunque se usan también otras unidades como el litro (L) o mililitro (mL)  → V=

.- La masa y el volumen se relacionan a través de la densidad. La densidad indica cuánta masa de una cierta sustancia ocupa un determinado volumen  → ρ =  .Se expresa en el SI en kilogramos por metro cúbico (kg/m³) aunque también se expresa frecuentemente en gramos por centímetro cúbico (g/cm³)

(practicar ejercicios)

1.2.- Estados de agregación de la materia

La materia puede presentarse en la naturaleza en alguno de estos tres estados de agregación: sólido, líquido o gaseoso.

También una misma materia se puede presentar en los tres estados; en la naturaleza el agua se encuentra en forma sólida (hielo), líquida y gaseosa (vapor), y pasa fácilmente de un estado a otro.

En la Tierra se producen constantemente cambios de estado, la nieve y el hielo se funden, el agua de ríos y mares se evapora, la lava de un volcán se solidifica al enfriarse, etc.

1.3.- Los cambios de estado

El cambio de estado es la transformación de la materia, de un estado a otro, por variaciones de temperatura o de presión.

Sólido a líquido - fusión          líquido a sólido - solidificación líquido a gas - vaporización*          gas a líquido - condensación sólido a gas - sublimación          gas a sólido - sublimación regresiva

 

* vaporización: evaporación - lenta - (en la superficie)

                               ebullición - rápida - (en todo el volumen)

                                

2.- Teoría cinético-molecular de la materia

La teoría cinético-molecular explica los estados de agregación de la materia y sus cambios mediante un modelo de partículas en movimiento.

 

2.1.-Postulados de la teoría cinético-molecular

a) La materia está constituida por partículas muy pequeñas, prácticamente invisibles, entre las que existe el vacío, es decir, no hay nada entre ellas.

b) Las partículas ejercen entre sí fuerzas de atracción que las mantienen unidas. En sólidos esta fuerza de atracción es muy grande, en líquidos es moderada y en los gases muy pequeña.

c) Las partículas están en constante movimiento. En los sólidos apenas se mueven, en los gases se mueven independientemente unas de otras, y en los líquidos se mueven más que en los sólidos pero menos que en los gases. A mayor temperatura de la materia, mayor velocidad de sus partículas.

 

Temperatura de cambio de estado

Es la temperatura a la que se producen los cambios de estado. Y se mantiene constante mientras quede una sustancia pura por cambiar de estado.

Ej.: mientras quede hielo por fundir, la temperatura no superará los 0°C

 

Cómo se produce un cambio de estado

Las sustancias cambian de estado cuando se producen variaciones de temperatura y presión.

sólido → líquido → gas: cambios favorecidos al calentar y disminuir la presión

gas → líquido → sólido: cambios favorecidos al enfriar y aumentar la presión

Los cambios de estado son reversibles, ya que se puede pasar una sustancia de sólido a líquido y a gas calentándola, y después pasarla de nuevo de gas a líquido y a sólido enfriándola.

Influencia de la presión

A mayor altura, la presión atmosférica es menor, con lo que la temperatura de cambio de estado también será menor. Por ejemplo en la cima del Teide (3718m) la temperatura de ebullición del agua será a 88°C y no a 100°C

 

Porqué se produce un cambio de estado

(recordar la teoría cinético molecular de partículas)

Cuando se calienta un sólido, aumenta la vibración de sus partículas hasta que esta vibración aumenta tanto que se supera la fuerza de atracción de las partículas del sólido, y este se desmorona y se convierte en un líquido (fusión)

Si se sigue calentando ese líquido, las partículas se moverán cada vez más rápido hasta que algunas abandonan el líquido (evaporación)

Y si se sigue calentando, llega un momento en que casi todas las partículas tomarán más velocidad y el líquido comenzará a hervir (ebullición)

(Recordar que los cambios de estados son reversibles, y si en lugar de calentar, se enfría, el proceso será el contrario).

 

Características y propiedades fundamentales de los tres estados físicos
	Propiedades	Explicación
Sólido	.- Son rígidos y tienen forma propia y la mantienen si no se ejerce una fuerza sobre ellos.	La fuerza entre las partículas es tan fuerte que impide su desplazamiento. Su único movimiento es el de vibración.
	.- Su volumen es constante, no pueden comprimirse.	Apenas hay espacio libre entre las partículas, no se pueden juntar más.
	.- Pueden aumentar (dilatarse) al calentarse, y disminuir el enfriarse.	Si aumenta el calor en el sólido, aumenta la vibración de sus partículas y estas ocupan más espacio.
Líquido	.- No tienen forma propia, fluyen y se adaptan al recipiente que los contiene.	La fuerza entre partículas es débil, de forma que pueden resbalar entre ellas y adoptar la forma del recipiente que las contiene.
	.- Su volumen es constante y apenas pueden comprimirse.	Hay poco espacio entre las partículas. Se comprimen un poco al resbalar y encajar entre ellas.
	.- Se dilatan con el calor.	El calor aumenta su velocidad, se mueven más y ocupan más espacio.
Gas	.- No tienen forma propia porque fluyen y se adaptan y ocupan el espacio del recipiente que los contiene.	La fuerza entre partículas es muy débil. Cada una se mueve de forma independiente, muy rápido y al azar.
	.- Su volumen no es constante ya que pueden comprimirse.	Hay mucho espacio entre partículas. Por lo que pueden juntarse y reducir el volumen.
	.- Si se calientan se dilatan mucho.	El calor provoca que las partículas aumenten su velocidad.

 

3.- Comportamiento de los gases

3.1.- Presión de un gas

La presión de un gas es la fuerza que ejercen por unidad de superficie las partículas de dicho gas. Se mide en el SI en pascales (Pa), aunque es común usar como unidad la atmósfera (atm).

La equivalencia es: 101300 PA = 1 atm

La presión atmosférica

Es la fuerza que ejerce el aire atmosférico sobre la superficie terrestre.

 

3.2.- Relación entre el volumen y la presión de un gas

Para un gas encerrado en un recipiente a temperatura constante:

-          Si reducimos el volumen, las partículas tienen menos espacio para moverse y aumenta la presión sobre el recipiente.

-          Si aumentamos el volumen, las partículas tienen más espacio para moverse y se reduce la presión sobre el recipiente.

 

3.3.- Ley de Boyle y Mariotte

Expresa la relación entre la presión y el volumen de un gas.

“Para una cantidad fija de gas a temperatura constante,

el producto del volumen que ocupa por la presión a la que se halla es constante"

Presión (atm)	Volumen (cm³)	Producto P · V
1,00	100	100
1,25	80	100
1,67	60	100
2,50	40	100
5,00	20	100

              

                        P₁ · V₁ = P₂ · V₂   

 (observa que el producto  P · V siempre da como resultado 100)

 

 4.- Comportamiento de los gases

4.1.- Relación entre la temperatura y el volumen

A presión constante, cuando aumenta la temperatura el volumen del gas aumenta.

Si el gas está en un recipiente flexible, este aumentará su volumen (globo aerostático) al calentarse dicho gas.

4.2.- Relación entre la temperatura y la presión

A volumen constante, cuando aumenta la temperatura la presión de un gas aumenta.

Si el gas está en un recipiente rígido (olla a presión), la presión aumenta al calentarse dicho gas

4.3.- Leyes de Charles y Gay-Lussac

Son las leyes que explican mediante fórmulas las relaciones anteriores  entre la temperatura y el volumen y presión de un gas

 

* Primera ley - a presión constante, el volñumen de una cantidad fija de gas es proporcional a su temperatura (a mayor temperatura, mayor volumen)
                                                                                    V1 / T1 = V2 / T2  (T en kelvins)
* Segunda ley - a volumen constante, la presión de una cantidad fija de gas es proporcional a su temperatura
                      P1 / T1 = P2 / T2 (T en kelvins)

 

4.4.- Ley general de los gases     P1 . V1 / T1 = P2 . V2 / T2     (T en kelvins)

 

Escala Kelvin de Temperatura

Para no tener valores negativos, era necesario dar el valor 0 a la temperatura más baja posible. El 0 absoluto se alcanzaría a -273°C. Lord Kelvin propuso una escala absoluta de temperatura sin valores negativos.

La escala Kelvin (K) se relaciona con la escala Celsius (°C) de la siguiente manera:

T(K) = t (°C) +273

Así en la escala Kelvin los puntos de fusión  (0°C) y ebullición (100°C) son respectivamente

                                                                              273K y                      373K