La materia y sus propiedades.
Modelo Cinético
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.
“ S a p e r e A u d e ”
Ronda de los molinos s/n. Écija.
e-‐mail: [email protected]
Departamento de Física y Química
Profesor: Rafael González Farfán.
La Materia y sus
Propiedades. Estados de
Agregación. Teoría
Cinética.
“[…] consiste, pues, toda naturaleza en dos principios: cuerpos y vacío en donde aquéllos nadan y se mueven. Que existen cuerpos lo demuestra el sentido común. […] Si no existiera, pues, aquel espacio que llamamos vacío, no estarían los cuerpos asentados, ni moverse podrían, como acabo de decirte. Además de los cuerpos y el vacío, no conocemos en la naturaleza una tercera clase independiente de los principios dichos: lo que existe es necesariamente de pequeña o gran extensión, si lo sintiera el tacto, aunque ligera y levemente, debemos colocarlo entre los cuerpos”.
L
AM
ATERIA Y SUSP
ROPIEDADES.
E
STADOS DEA
GREGACIÓN.
T
EORÍA CINÉTICAAl igual que ocurre con muchos conceptos en Ciencia, no es fácil dar una definición de materia. Aquí daremos una definición que veremos enriquecida cuando estudiemos algunas de sus propiedades, como la masa, el volumen, la temperatura, la densidad, el punto de fusión y el punto de ebullición entre otras. Durante el desarrollo del tema intentaremos eliminar algunas ideas que podamos tener sobre la materia, como por ejemplo que es continua, que en la materia no existe, el vacío, que es estática, etc.
La materia está formada por sustancias. El agua, el cobre, el dioxígeno o la sal común son sustancias y las podemos encontrar en diferentes estados de agregación: sólido, líquido y gaseoso. Las sustancias
tienen unas propiedades generales, comunes a todas ellas, independiente del estado de agregación en el que se presenten, y otras propiedades, características de cada una, que pueden servir para identificarlas. Todas las sustancias, ya se presenten en estado sólido, líquido o gaseoso, tienen masa (pesan) y ocupan un lugar en el espacio (tienen volumen). En estado sólido y líquido el comportamiento de las distintas sustancias difiere mucho presentando una gran variedad en los valores de sus propiedades, mientras que las sustancias en estado gaseoso, aunque sean distintas, se comportan de forma parecida. Llegar a un conocimiento de la estructura interna de la materia es más sencillo si estudiamos el comportamiento de los gases, fijando nuestra atención tanto en sus propiedades generales (pues son materia), como en el hecho de que es el estado de agregación en el que la materia presenta un comportamiento más simple.
Para poder explicar el comportamiento de la materia surge la necesidad de proponer un modelo
discontinuo de la materia, el modelo cinético; pero debemos tener claro que este modelo, (hoy totalmente probado por los científicos, por lo que se llama teoría), es una ‘herramienta’ para explicar lo observable, que es distinto al hecho observable en sí.
Indicar por último, que la materia está en continuo cambio. Y en cualquier cambio que sufre la materia interviene algo que los científicos ha denominado energía, que no es más que una propiedad de la materia relacionada con la capacidad de producir cambios en ella misma o en otros sistema materiales. Aunque a lo largo del curso se hace uso de este concepto, será en cursos posteriores de Física y Química cuando estudies con detalle las manifestaciones de esta importante magnitud.
I.LA MATERIA Y SUS PROPIEDADES.
La idea de materia está íntimamente relacionada con lo que percibimos con nuestros sentidos, como ya indicó el poeta Tito Lucrecio Caro hace más de dos milenios. En Ciencia es muy frecuente que la definición de un concepto no sea fácil, por lo que muchas veces se recurre a su descripción a partir de sus propiedades. Este es el caso de la materia. Resulta más sencillo definir lo que es la materia a partir de las propiedades que presenta. Entre esas propiedades podemos destacar a la masa y el volumen. En una primera instancia, podemos definir la materia como todo aquello que tiene masa (se puede pesar) y ocupa un volumen (un lugar en el espacio). En realidad, esto no es más que una primera aproximación a la definición que andamos buscando, pues una definición más precisa al concepto de ‘materia’ es algo más profunda y escapa a los objetivos que ahora buscamos. Así, es materia una pizarra, un vaso de agua o el aire que respiramos y no es materia la belleza, el amor o la inteligencia.
Una sustancia simple es una sustancia pura que no se puede descomponer en otras más sencillas por ningún método.
Un compuesto es una sustancia pura, constituida por diferentes elementos, que se puede descomponer en otras más sencillas por procedimientos químicos
Una mezcla heterogénea es aquella cuyos componentes se distinguen a simple vista o con ayuda de un microscopio ordinario y su composición y propiedades varían en distintas porciones de la misma
Una mezcla es un sistema material formado por dos o más sustancias.
Una sustancia pura
es aquella que no puede descomponerse en otras más elementales por métodos físicos sencillos y que presenta una composición y propiedades fijas en toda su masa.
Una mezcla homogénea o disolución es una mezcla cuyos componentes no se distinguen ni con un microscopio ordinario y presenta propiedades y composición
las diversas clases de materia que existen en la Naturaleza se le denomina sustancia. Son sustancias el agua, el hierro, el oxígeno y el butano. Todo lo que es materia está formado por sustancias o mezclas de sustancias.
A continuación se presenta una clasificación de los sistemas materiales, que iremos estudiando poco a poco en los temas siguientes, pero que es conveniente que te vayas familiarizando:
La mayoría de las sustancias que conocemos son sustancias compuesto, como el agua, el butano, el amoniaco, etc. Las sustancias compuesto están constituidas por moléculas (o iones) iguales, formadas por dos o más átomos de distinta clase. Sólo existen en la Naturaleza unos 88 tipos de átomos o elementos (sodio, Na, azufre, S, oxígeno, O, …). Cuando una sustancia está formada por un solo tipo de átomo se denomina sustancia simple. Así, el O2 (oxígeno que se encuentra en el aire) y el O3 (ozono) son sustancias simples constituidas por el mismo elemento, el oxígeno. Puede ser conveniente aclarar esto un poco más. Una sustancia simple es algo observable, como por ejemplo el plomo, que encontramos en estado sólido, pero que si lo calentamos suficientemente, puede pasar a estado líquido e, incluso, a estado gaseoso. Sin embargo, el elemento químico plomo ni es sólido, ni tiene punto de fusión, etc., ya que a él no se le pueden aplicar las propiedades observables, pues se trata de un concepto que representa a un átomo de una determinada clase.
Por último, comentar que los métodos físicos a los que nos referimos en el esquema son la filtración, la decantación, la destilación, etc. Con respecto a los métodos químicos, destacamos la electrólisis, o reacción química provocada por el paso de la corriente eléctrica, y la descomposición térmica, o reacción química que ocurre cuando aumentamos la temperatura de una sustancia, para desaparecer y obtener nuevas sustancias. Como ya se ha comentado anteriormente, todo esto se tratará con detalle en temas próximos.
Sistemas Materiales
Sustancia Pura
Simple Compuesto
Mezcla
I.1. Propiedades de la materia.
Son muchas y muy diversas las propiedades que podemos encontrar en la materia. Todas estas propiedades podemos clasificarlas en dos grandes grupos: propiedades generales y propiedades características. Las propiedades generales de la materia son aquéllas que NO permiten identificar las sustancias, como la masa, el volumen y la temperatura, que estudiaremos en este tema. Así, por ejemplo, dos sistemas completamente diferentes pueden tener la misma masa (un kg de garbanzos y un kg de oro), volumen (un litro de agua y un litro de mercurio) o temperatura (la pizarra de una clase y una mesa de la misma). Las propiedades características de la materia son aquéllas que SÍ permiten identificar las sustancias, como el sabor, la elasticidad, la dureza, o la densidad. Es importante destacar que hablamos de sustancias puras y no de mezclas.
Veamos a continuación algunas de estas propiedades más detalladamente:
La Masa:
Es una propiedad general de la materia que se define (en una aproximación válida para nuestros propósitos) como la cantidad de materia que contiene un cuerpo, y se mide con un instrumento denominado balanza. En los laboratorios podemos encontrarnos dos tipos de balanzas: la balanza de platillos, en la que la masa de un cuerpo se mide por comparación con otras masas que se presentan en pesas de distintas cantidades, y la balanza digital, una balanza electrónica que es muy precisa y cómoda. Su unidad en el SI es el kilogramo, y en el sistema cegesimal, el gramo. Conviene destacar que la cantidad de materia que tienen los cuerpos es independiente del estado de agregación en que se encuentren, es decir, dada una cierta masa de sustancia, ésta sigue siendo la misma si su estado es sólido, líquido o gaseoso. Tras la realización de muchas experiencias, los científicos han formulado el
principio de conservación de la masa, que dice que en cualquier proceso, la masa total del sistema se conserva, siempre que no entre o salga materia del mismo.
A1. Contesta a estas cuestiones: (a) ¿Qué pesará más 100 gramos de aceite o 100 gramos de hierro?; (b) ¿qué ocupará mayor volumen 25 cm3 de agua o 25 cm3 de plomo?; (c) En el interior de una esfera de cristal introducimos un trozo de papel y la cerramos. Todo el conjunto tiene una masa de 75 gramos. Con una lupa hacemos que arda el papel interior. Al final, ¿la masa será mayor, menor o igual a 75 gramos? Explicación.
A2. Cuando se calienta un objeto, éste aumenta de tamaño. Por ello, habrás visto que, por ejemplo, se deja una pequeña separación entre los tramos de raíl del tren. Disponemos de una pieza metálica de 150 gramos. La calentamos y la volvemos a pesar. La balanza indicará una masa: (a) mayor de 150 gramos; (b) menos de 150 gramos; (c) igual que 150 gramos; (d) no podemos saberlo.
A3. Si en una jeringa tapamos la salida, podemos comprimir el aire contiene. En qué casos habrá más aire: (a) antes de comprimir; (b) después de comprimir; (c) en los dos casos el mismo; (d) no puede saberse.
El Volumen:
Se trata de otra propiedad general de la materia que se define como el espacio que ocupa un sistema material. Medir el volumen es una operación fácil, pero debemos tener en cuenta el estado en que se encuentra. Así, para medir un líquido aprovechamos la propiedad que tienen de adoptar la forma del recipiente que los contiene, con lo que se emplea una probeta, una pipeta, una bureta, o cualquier aparato específicamente diseñado para ello.
Si lo que queremos medir es un sólido con forma geométrica regular, su volumen se calcula directamente, mediante el uso de la fórmula adecuada (V = l3 para un cubo, V = a· b· c para un ortoedro, V = π· r2· h para un cilindro, V = (4/3)· π· r3 para una esfera, etc.). Si el sólido no tiene forma regular,
podemos determinar su volumen aplicando el método de inmersión, que
consiste en sumergir el sólido en agua contenida en un recipiente graduado, como una probeta. El nivel del líquido se elevará tanto como el sitio que ocupe el sólido, esto es, tanto como el volumen que tenga.
Medir el volumen de los gases no es tan directo. Es preciso tener en cuenta unos factores que afectan al espacio que ocupan. Tales factores son la presión y la temperatura, de los que hablaremos más adelante. Aunque los gases ocupan siempre el volumen del recipiente que los contiene, una misma masa de gas puede ocupar distintos volúmenes según a la presión y temperatura a la que se encuentre. Esto no sucede de modo apreciable ni con los sólidos ni con los líquidos, para los valores usuales de presión y temperatura.
La unidad de volumen en el SI es el m3 y en el sistema CGS es el cm3. Un concepto relacionado con el volumen es la capacidad de un sólido hueco, que es el espacio que queda en su interior. Normalmente se utiliza como unidad de capacidad al litro y, como ya sabemos, un litro equivale a un decímetro cúbico.
Instrumentos de medida de volúmenes de líquidos: pipeta (izada.) y probeta (dcha.)
A5. ¿Cuántos litros de agua caben en un cubo hueco de 2 cm de lado? ¿Y cuántos de leche? ¿Y cuántos de mercurio? ¿Cómo se denomina es espacio que queda en el interior de un sólido hueco?
A6. Una piscina tiene 25 m de longitud, 10 m de anchura y 2 m de profundidad. Se pide: (a) su capacidad, en litros; (b) el tiempo que tardaría en llenarla un grifo con un caudal de 4 L/s.
A7. ¿Por qué no se puede medir el volumen de un trozo de tiza irregular o de un poco de sal por inmersión?
A8. ¿Cómo podríamos medir el volumen de sólidos que flotan en el agua?
A9. Supón que tenemos dos esferas exactamente iguales, una de plomo y otra de plastilina. Las sumergimos en sendos recipientes con agua que inicialmente tienen el mismo nivel. ¿En qué caso elevará más el agua después de haber sumergido cada cuerpo? En un segundo experimento, sacamos la plastilina del recipiente anterior, y la moldeamos como un gusano. Ahora la volvemos a introducir. ¿Se elevará el agua hasta el mismo nivel que antes? Explicación.
La Temperatura:
Supongamos que dejamos una chapa metálica al Sol. Al cabo de un tiempo, la chapa ha absorbido una cierta cantidad de energía, que podemos detectar porque al tocarla nos quemamos. Decimos entonces que la chapa ‘se ha calentado’. Cuando por el contrario la chapa pierde energía notamos justo lo contrario: decimos que ‘se ha enfriado’. Si colocamos un cuerpo caliente en contacto con un cuerpo frío, se produce una transferencia de energía del cuerpo caliente al cuerpo frío. Esta transferencia de energía se denomina calor. Como consecuencia de este tránsito energético, el cuerpo ‘caliente’ se enfría y el cuerpo frío se calienta hasta que ambos cuerpos llegan a tener algo en común. Los físicos han inventado una nueva magnitud para denominar a ese algo común: la temperatura. Por tanto, cuando dos cuerpos a distinta temperatura se ponen en contacto, tiene lugar un tránsito de energía del cuerpo de mayor temperatura al cuerpo de menor temperatura hasta que los cuerpos adquieren la misma temperatura.
Es importante que se reflexione esto detenidamente. El calor es una manera de transferir energía, por lo que los cuerpos no tienen calor. Los cuerpos poseen energía, de manera que cuando dos cuerpos a distinta temperatura se ponen en contacto, se produce una transferencia de energía que llamamos calor. Por tanto, no existe el calor como algo ‘dentro de los cuerpos’. Hay materia y energía. De igual manera, tampoco existe el frío. Un cuerpo frío es un cuerpo con una temperatura menor que otro (al que llamamos cuerpo caliente). Así pues, cuando dos cuerpos se ponen en contacto, tienden a alcanzar la misma temperatura.
Un fenómeno que se aprecia en los cuerpos cuando aumenta su temperatura es que se dilatan, es decir, aumenta su tamaño. Ésta es la propiedad que se aprovecha para medir la temperatura, mediante el uso de los termómetros de líquidos (normalmente de mercurio o de alcohol teñido con algún colorante). Estos termómetros disponen de un tubo muy fino, cerrado por la parte inferior y con un abultamiento llamado bulbo, que sirve como depósito de líquido (en el dibujo se ha exagerado la anchura del tubo, ya que el volumen total del tubo no excede el 2% del volumen del bulbo). Al aumentar la temperatura del líquido, aumenta su volumen y asciende por el tubo. Al disminuir la temperatura, el volumen del líquido desciende.
Un termómetro se gradúa señalando dos puntos. El primero corresponde a la altura que alcanza el líquido cuando el termómetro se sumerge en una mezcla de hielo y agua líquida. El segundo punto corresponde a la altura que alcanza el líquido cuando se sumerge en agua hirviendo. Pues bien, la graduación del termómetro dependerá de los valores que le demos a estos puntos:
- El físico alemán Daniel Gabriel Fahrenheit asignó, en 1724, el valor de 32 al punto de la mezcla de hielo y agua líquida y el valor de 212 al punto del agua hirviendo. Cada
una de las 180 partes en que se puede dividir el intervalo (valor que se obtiene de 212 - 32) se llama grado Fahrenheit (ºF).
- El físico y astrónomo sueco Anders Celsius asignó, en 1742, el valor 0 al primer punto y el valor 100 al segundo. Cada una de las 100 partes se denomina grado Celsius (anteriormente denominado grado centígrado, nomenclatura vigente entre 1750 y 1967). Ambas escalas son relativas, porque los valores dados a los dos puntos es arbitrario.
Anders CELSIUS
Independientemente de la escala utilizada, la proporción entre el segmento (TC - 0) en ºC y el segmento total (100 - 0) en ºC ha de ser la misma en las dos escalas. Es decir:
1 2
1
32 212
32 0
100 0
x x
x T T
Tc f x
− − = − − = − −
donde Tx es la temperatura en cualquier escala y x1 y x2 son los valores asignados a los puntos de referencia correspondiente a la mezcla de agua/hielo y al agua hirviendo.
- El científico inglés William Thomson demostró teóricamente que la temperatura más baja posible sería, aproximadamente, 273 ºC bajo cero (es decir, -273 ºC). Este valor se tomó como cero absoluto, dando lugar a la escala absoluta de temperatura o escala Kelvin. En esta escala, al punto de la mezcla agua/hielo se le asigna el valor de 273 K (no se pone ºK) y a al punto de ebullición, 373 K. La escala Kelvin queda divida también en 100 partes (373-273), con lo que un grado Celsius equivale a un Kelvin. Al final del tema trataremos de nuevo este asunto.
Las relaciones entre estas escalas se indican a continuación:
F K
C K T
T T
TK = C +273; F =1.8⋅ C +32; 1 =1º ; 1 =1.8º
La temperatura es una propiedad general y más adelante la definiremos en función de la velocidad de las partículas que constituyen la materia.
William THOMSON primer baron de Kelvin
(1824-1907)
A11. Supón que tienes dos termómetros, uno graduado en la escala Celsius y otro en la escala Fahrenheit, que se encuentran en el mismo lugar. Se pide: (a) ¿En cuál de los dos alcanzará el mercurio mayor altura? Explicación; (b) ¿qué valor numérico será mayor, Tc o Tf?
A12. Un líquido se encuentra a una temperatura de 50 ºC y otro a 120 ºF. ¿Qué liquido se encuentra a mayor temperatura?
A13. Un cuerpo experimenta una disminución de temperatura de 20 ºC. Expresa dicha variación en K.
A14. Si leemos en la prensa que Nueva York está a 82 ºF, ¿cuál será la temperatura en ºC?
A15. Un alumno decide inventar su propia escala de temperaturas. Para ello asigna el valor de 30 ºP (grado Pepe) a la mezcla agua/hielo y el valor de 90 ºP al agua hirviendo. ¿Cuál es la temperatura corporal habitual del ser humano expresada en dicha escala? Si el hierro funde a 1538 ºC, ¿qué valor le corresponde en la escala Pepe?
La Densidad: Se trata de una propiedad característica de la materia, puesto que el valor de la densidad es propio de cada sustancia pura en unas condiciones dadas; es decir, depende de la naturaleza de cada sustancia. Esto significa que no hay dos sustancias puras que en las mismas condiciones tengan la misma densidad, por lo que podemos utilizar esta magnitud para identificarlas.
Llamamos densidad de una sustancia al cociente entre su masa y el volumen que ocupa. Este cociente significa la masa que tiene la unidad de volumen de la sustancia. Este concepto se hace extensible a cualquier sistema material, porque las mezclas también tienen densidad, pero en este caso NO se puede considerar una propiedad característica, porque depende de la composición de dicha mezcla:
V m d=
La unidad en el SI es el kg/m3, aunque frecuentemente se utiliza la unidad del sistema cegesimal, el
g/cm3. En la tabla siguiente se muestran las masas de distintos cubos de hierro:
Puede observarse que la relación masa/volumen permanece constante, independientemente del tamaño del cubo elegido.
Este hecho es fundamental: la densidad de una sustancia no depende de la cantidad de materia que se escoja, aunque sí depende de otros factores como la temperatura y el estado físico.
En la siguiente tabla se indican las densidades de algunas sustancias en g/cm3:
La determinación de la densidad de cualquier sustancia sólida es relativamente fácil. Primero, con una balanza se mide la masa. Segundo, con una probeta y por el método indirecto de inmersión se mide el volumen del cuerpo. Y en tercer lugar, el cociente entre la masa y el volumen del objeto es su densidad.
En el caso de un líquido, la densidad se determina con un densímetro, que es un flotador graduado de vidrio que lleva en la parte inferior un lastre de perdigones para que flote verticalmente.
ACTIVIDAD RESUELTA como Ejemplo.
Se tienen 100 gramos de tres sustancias diferentes (A, B y C), cuyas densidades respectivas son: dA = 1,2
g/mL; dB = 2,8 kg/L; dC = 1,7 g/cm3. Se pide: a) ¿qué sustancia tendrá mayor masa?; b) ¿qué sustancia
tendrá más volumen?; c) ¿es cierto que 5 g de la sustancia B pesan más que 10 g de la sustancia A?; d) si ponemos en el platillo de una balanza 10 g de la sustancia B, ¿qué volumen de la sustancia A habrá que poner en el otro platillo para equilibrar la balanza?
Antes de resolver las cuestiones, transformamos las unidades de las densidades al sistema cegesimal, más práctico en este ejercicio que el SI:
. 7 . 1 ; 8 . 2 10 1 1 1 1 10 8 . 2 ; 2 . 1 1 1 2 .
1 3 3 3 3 3 33 3 3
cm g d cm g cm dm dm l kg g l kg d cm g cm ml ml g
dA = ⋅ = B = ⋅ ⋅ ⋅ = C =
(a) Esta cuestión sólo requiere una lectura atenta del enunciado. No se debe confundir masa con densidad. Como partimos de 100 gramos de tres sustancias, todas tienen la misma masa.
Arista (cm) Volumen (cm3) Masa (g) Densidad (g/cm3)
1 1 7.9 7.9
2 8 63.2 7.9
3 27 213.3 7.9 4 64 505.6 7.9
(b) Conocida la masa y la densidad de cada sustancia, determinar el volumen no es ningún problema:
. 8 . 58 7 . 1 100 ; 7 . 35 8 . 2 100 ; 3 . 83 2 . 1 100 3 3 3 3 3 3 cm cm g g d m V cm cm g g d m V cm cm g g d m V C C C B B B A A
A = = = = = = = = =
(c) De nuevo hay que leer atentamente el enunciado. Podemos pensar que como la sustancia B es más densa que la sustancia A, la respuesta es afirmativa. Paro debemos tener claro, que estamos comparando masas, no densidades. Por tanto, no es cierto que 5 g de B pesen más que 10 g de A, puesto que 5 g es menor que 10 g.
(d) Obviamente debemos poner en el otro platillo 10 g de A para que la balanza se equilibre. Y estos 10 g de A ocupan un volumen de:
3 3 3 . 8 2 . 1 10 cm cm g g d m V A A
A = = = .
Puede ocurrir que nos encontremos con dos sustancias cuyas densidades sean muy parecidas, y que al determinar experimentalmente nos den el mismo valor. El valor de una sola propiedad no puede hacernos decir que dos sistemas son de la misma sustancia. De ahí que sea necesario el estudio de más propiedades características. Sin embargo, cuando el valor de una propiedad es diferente, sí podemos afirmar que corresponde a sustancias distintas.
A17. En el laboratorio se mide la masa y el volumen y el volumen de diferentes cantidades de sal común obteniéndose los siguientes datos:
Volumen (mL) 20.0 30.0 50.0 70.0 80.0
Masa (g) 44.00 66.00 110.00 150.00 172.00
Se pide: (a) la densidad de la sal común; (b) el volumen que ocuparán 500 g de sal común; (c) ¿El volumen ocupado por un paquete de 1000 g de sal será igual, mayor o menor que el volumen ocupado por un paquete de 500 g?; (d) La densidad de la sal en un paquete de 1000 g de sal será igual, mayor o menor que la densidad de la sal en el paquete de 500 g?; (e) ¿La densidad del azúcar será igual o diferente a la densidad de la sal común? ¿Cómo podríamos comprobarlo? A18. ¿Qué quiere decir que la densidad del mercurio, a 20 ºC, es 13.6 g/cm3? Determina la masa en kilogramos de 1 L de mercurio y compárala con la de 1L de agua, también a 20 ºC. ¿Qué volumen ocupan 272 g de mercurio?
A18.Una bola de aluminio de 8 cm de diámetro, ¿qué masa tendrá?
A19. Tenemos bloque de aluminio cuyas dimensiones son 2 dm x 4 dm x 1 dm. Se pide: (a) determina su masa; (b) cortamos un trozo del bloque y, al ponerlo en la balanza, marca 0.125 kg. ¿Qué volumen ocupa ese trozo? ¿Cuál será su densidad?
Otras propiedades características de la materia son:
Punto de fusión:
Es la temperatura a la cual una sustancia pasa del estado sólido al estado líquido. En las sustancias puras, el proceso de fusión ocurre a una sola temperatura y el aumento de temperatura por la adición de energía se detiene hasta que la fusión es completa.
Punto de ebullición:
Es la temperatura a la cual una sustancia pasa del estado líquido al gaseoso. Al igual que el punto de fusión, mientras dura el proceso, la temperatura permanece constante.
La densidad, el punto de fusión y el punto de ebullición son las propiedades características más utilizadas para identificar sustancias puras.
Dureza:
Es la propiedad que mide la resistencia de un sólido a ser rayado por otro sólido.
Ductilidad:
Propiedad de los metales por la cual se puede deformar y estirar en forma de cables o hilos finos.
Maleabilidad:
Propiedad de los metales de deformarse mediante golpes en forma de láminas.
Compresibilidad:
Propiedad de los gases de reducir su volumen por aumento de una presión.
Viscosidad:
Propiedad que mide el grado de fluidez de un líquido. No tiene que ver con la densidad: el agua es más densa que el aceite, pero es menos viscosa.
Conductividad, capilaridad, fragilidad, elasticidad, …
Por último, recordar de nuevo que en la práctica, una sola propiedad característica no puede asegurarnos cuál sustancia es la que estamos estudiando, sino que tendremos que recurrir al estudio de varias de ellas.
II. ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA.
Las propiedades que corresponden a los estados de agregación se indican en la tabla:
La experiencia nos demuestra que es posible encontrar una misma sustancia en los tres estados de agregación, y el paso de un estado a otro depende de la temperatura fundamentalmente (y también de la presión). Los cambios de estado nos informan sobre el nivel energético de la materia. El estado de menor nivel energético es el sólido; el estado líquido presenta un mayor nivel energético y el gaseoso es el de mayor nivel energético. Cuando los cambios de estado van en el sentido sólido " líquido " gas, se dicen que son endotérmicos, pues se necesita un aporte de energía para que tenga lugar.
Cuando los cambios de estado van en el sentido gas " líquido " sólido, se dicen que son exotérmicos, pues en ellos se desprende energía. En la figura se detallan los nombres de los distintos procesos. Así, para fundir el hielo es necesario aportar energía (proceso endotérmico), mientras que la solidificación requiere retirar energía del sistema material (proceso exotérmico).
Es importante aclarar tres aspectos. En
primer lugar, el cambio de estado es un proceso físico, ya que al terminar, la sustancia sigue siendo la misma. Sólo varían las características relacionada a la forma que adopta y al volumen que ocupa, pero sigue siendo la misma sustancia. En segundo lugar, la palabra gas se emplea cuando se habla de una sustancia que se encuentra normalmente en estado gaseoso (dioxígeno, dinitrógeno,…), mientras que el término vapor se utiliza cuando la sustancia gaseosa procede de la evaporación de una sustancia sólida o líquida. Y en tercer lugar, hablamos de vaporación, evaporación y ebullición como si fueran sinónimos. Y no es exactamente así. La vaporización es el término genérico que se da al paso de líquido a gas. Cuando la vaporización ocurre en la superficie del líquido a cualquier temperatura, se denomina evaporización, cuya velocidad aumentará con el incremento de la temperatura. Si la vaporización se da en toda la masa del líquido y a una temperatura determinada, se denomina ebullición, y llamamos a esa temperatura, temperatura de ebullición.
Sólidos Tienen una forma definida.
No se comprimen. Su volumen es fijo. No fluyen ni se difunden.
Líquidos Toman la forma del recipiente que los contiene. Prácticamente no se comprimen. Su volumen es fijo. Fluyen con facilidad, aunque no se difunden.
Gases Se adaptan a la forma del recipiente que los contiene. Se comprimen y se expanden con facilidad.
Cuando se calienta una sustancia pura sólida, su temperatura comienza a subir hasta que se alcanza el punto de fusión, que es la temperatura a la
que se produce la fusión. Mientras el
sólido se está fundiendo, la
temperatura de la sustancia permanece constante (por eso la temperatura de la mezcla de hielo y agua no varía). Una vez que se ha fundido todo el sólido, si se sigue suministrando energía, la temperatura del líquido comienza a subir hasta alcanzar el punto de ebullición, o temperatura en que se produce la situación de máxima vaporización. Mientras el líquido puro hierve se mantiene constante la
temperatura (la temperatura de
ebullición). Cuando todo el líquido se haya transformado en vapor, y si se sigue
aportando energía, la temperatura vuelve a subir. Este proceso se muestra en la gráfica.
Otro aspecto importante a destacar es la influencia de la presión en la temperatura de ebullición. Supón que el matraz del dibujo del margen contiene agua destilada y ha estado hirviendo unos cinco minutos, tiempo suficiente para que el vapor de agua desaloje el aire que había sobre el líquido. Apartamos el matraz de la fuente de calor, lo cerramos y adaptamos en el tapón un manómetro que puede medir la presión hasta 1 atm. El manómetro mide la presión de vapor del agua en el interior del matraz, que va disminuyendo a medida que baja la temperatura, ya que parte se condensa pasando al estado líquido. A cada temperatura le corresponde una presión de vapor.
Con un experimento análogo, disponiendo de un manómetro de precisión se obtiene una tabla de presión de vapor del agua como la que se muestra a la derecha. Lo mismo podría hacerse con otro líquido. Cuando hemos puesto a calentar el matraz para que hierva el agua destilada, la temperatura ha ido subiendo y también la presión de vapor, tal como nos informa la tabla. En un momento dado, el agua ha comenzado a
hervir y durante la ebullición la temperatura no ha variado. Pues bien, cuando el agua, o cualquier líquido, entra en ebullición, la presión de vapor es igual a la presión atmosférica que soporta la superficie del líquido.
Por ejemplo, el punto de ebullición del agua es 100 °C, porque hierve a esta temperatura cuando la presión atmosférica es de 1 atm. Pero puede hervir a otra temperatura si se modifica la presión. Esto tiene consecuencias interesantes:
En una montaña muy alta, el agua hierve por debajo de los 100 °C, porque allí la presión de la atmósfera es inferior a la normal.
Por el contrario, en un recinto cerrado, la presión del vapor generado impide la ebullición. Por ejemplo, en las ollas a presión, aumenta la presión de vapor hasta cierto valor (superior a 1 atm), y entonces se abre una válvula que da salida al exceso de vapor, controlando la presión interior. El agua hierve en la olla por encima de los 100 °C a la presión de control regulada por la válvula.
Presión de vapor del agua a distintas temperaturas
T (ºC) Pv (mmHg)
0 4.5
20 17.3
40 55.1
60 149.3
80 355.0
100 760.0
Fusión
Ebullición
Energía aportada T (ºC)
Teb
A21. Con una balanza determinamos la masa de una probeta que contiene 100 mL de agua, resultando ser de 350 g. Después introducimos un cuerpo en el agua, con lo que el nivel sube hasta 150 cm3, y volvemos a determinar la masa del conjunto, que resulta ser de 725 g. Determina la densidad de dicho cuerpo.
A22. Una moneda de cobre tiene un volumen de 0.5 mL. Sabiendo que la densidad del cobre es aproximadamente 9 g/cm3, halla el número de monedas que necesitaremos para tener una masa de 0.054 kg?
A23. Para determinar la densidad del agua, un alumno congela una botella con agua. Pesa el hielo formado y mide el volumen del agua que se forma al derretirse ese hielo. Luego divide la masa primera entre el volumen, expresando el resultado en el SI. ¿Es correcto hacer esto? Explicación.
A24. Una determinada sustancia A tiene una densidad dA = 1245 kg/m3 y otra sustancia B tiene una densidad dB = 1319 kg/m3. Se pide: (a) si disponemos de 1/2 kg de cada sustancia, ¿cuál pesará más?; (b) si disponemos de 1/2 L de cada sustancia, ¿cuál pesará menos?; (c) si ponemos 100g de la sustancia A en el platillo de una balanza, ¿qué masa de B habrá que poner en el otro platillo para que el conjunto quede equilibrado; (d) si ponemos 100 mL de la sustancia B en el platillo de una balanza, ¿qué masa de A habrá que poner en el otro platillo para que el conjunto quede equilibrado?; (e) siguiendo con el apartado anterior, ¿y qué volumen de A?
A25. En el platillo de una balanza ponemos 750 g de gasolina. Si se ponen 750 mL de aceite en el otro platillo, ¿hacia dónde se inclinará la balanza? ¿Cuál debería ser el radio de la esfera de oro que habría que poner para restablecer el equilibrio?
A26. ¿Qué interesa más: comprar litros de aceite o kilos de aceite por el mismo precio?
A27. Un depósito contiene 1500 kg de aceite. ¿En cuánto aumenta su volumen si añadimos 200 kg de aceite?
A28. Un bote que contiene 2 cm3 de alcohol líquido se encuentra encima de una balanza que marca una masa de 56 g. Si logramos que el alcohol se evapore, manteniendo cerrado el bote, entonces: (elige la(s) opción(es) correcta(s)) (a) el vapor de alcohol ocupa la parte superior del bote; (b) la balanza señalará un peso inferior; (c) la densidad del alcohol sigue siendo la misma; (d) al abrir el bote, lo marcado por la balanza varía.
A30. Las siguientes gráficas representan la variación de la temperatura de 100 g de agua y de 100 g de alcohol en función del tiempo, cuando los calentamos con dos placas calefactoras iguales hasta que pasan completamente a estado gaseoso. Se pide: (a) Describe qué le sucede a la temperatura del agua en el tramo A y en el tramo B. ¿Qué está sucediendo en el tramo B?; (b) Describe qué le sucede a la temperatura del alcohol en el tramo A y en el tramo B. ¿Qué está sucediendo en el tramo B?; (c) ¿Cuál es la temperatura de ebullición de ambas sustancias?; (d) Las placas calefactoras suministran a cada líquido 8000 calorías en cada minuto. ¿Qué cantidad de energía hay que darle a los 100 g de agua para que hiervan totalmente?, ¿y al alcohol?
A31. La gráfica temperatura-‐tiempo siguiente, se ha obtenido anotando la temperatura del agua de una botella en el interior del congelador cada 30 minutos. Se pide: (a) Interpreta la gráfica, indicando lo que ocurre en cada tramo; (b) Indica si el agua está sólida o líquida cuando han transcurrido: 20 min, 150 min y 330 min.
A32. La siguiente tabla de datos representa el proceso al se sometió una sustancia pura. Se pide: (a) Realiza una representación gráfica temperatura-‐tiempo; (b) Expresa la temperatura final alcanzada en este
experimento en la escala Kelvin y Fahrenheit; (c) Explica que le sucede a la sustancia entre los 8 y 16 minutos; (d) Sabemos que la temperatura de fusión de esta sustancia es -‐15 ºC y su temperatura de ebullición, de 51 ºC. ¿En qué estado se hallaba la sustancia al comienzo de la experiencia? ¿Y al final de los 32 minutos?
A33. Dada la siguiente tabla de valores: (a) clasifica estos materiales en tres grupos: sólidos, líquidos y gaseosos, a temperatura ambiente; (b) si estuvieran a 900 ºC; (c) si estuvieran a -‐100 ºC.
Sustancia Tª fusión (ºC) Tª ebullición (ºC)
Agua 0 100
Etanol -‐114 78
Azufre 119 444
Dioxígeno -‐219 -‐183 Dinitrógeno -‐210 -‐196
Estaño 232 2270
Plata 961 2212
A34. ¿Dónde se cuece antes un huevo en agua hirviendo, en el Teide o en Santa Cruz de Tenerife?
A36. En una visita a un templo budista en el Tíbet, observamos como un monje está tomando un té hirviendo. ¿Por qué no se quema? ¿Acaso tiene un extraordinario control del dolor fuera de lo común?
Es hora de explicar cómo los científicos interpretan los cambios de estado de la materia.
Tiempo (min) Temperatura (ºC)
0 98
4 77
8 51
12 51
16 51
20 33
24 18
28 4
III. LA TEORÍA CINÉTICA-MOLECULAR: UN MODELO PARA EXPLICAR LOS ESTADOS DE LA
MATERIA.
Vamos a suponer que tenemos una jeringa y en su interior hay un gas. Una de las propiedades más características de los gases es su facilidad para comprimirse. ¿Cuál podrá ser la explicación de que esto sea así? Aunque podríamos dar muchas explicaciones, trabajaremos con estas tres:
Cualquiera de las tres interpretaciones constituye un modelo científico. Es decir, nos hemos servido de algo familiar para tratar de explicar un fenómeno. Conviene aclarar que un modelo no es la realidad, sino que es algo que nos ayuda a describirla e interpretarla. Los científicos intentan explicar las cosas de dos formas diferentes. Una de ellas consiste en describir las cosas que observan. A eso le llamamos descripción de las observaciones. También explican por qué las cosas suceden tal como ellos la observan, es lo que llamamos interpretación teórica.
Un modelo consta de una serie de puntos básicos (postulados) que se suponen. Con ayuda de estos postulados intentamos explicar los fenómenos que se dan en la Naturaleza. Si los postulados sirven para predecir el comportamiento del sistema físico que se estudia, el modelo es útil y se acepta. Basta con encontrar un fallo entre las previsiones que efectúa el modelo y la realidad para hacer inútil el modelo: es necesario ampliar dicho modelo, cambiando algunos de sus postulados o, en caso necesario, desechar el modelo completamente. Ésta es la forma de trabajar en la Ciencia: a medida que el modelo se perfecciona se acerca a la realidad.
A partir del modelo que hayas elegido para explicar la facilidad para comprimirse que tienen los gases, intenta explicar estas otras propiedades que también se manifiesta en este estado de la materia; a saber, ocupan todo el recipiente que los contiene, tienen baja densidad y se difunden fácilmente.
Después de una reflexión podemos llegar a las siguientes conclusiones:
- El modelo A, aunque puede explicar la facilidad de compresión de un gas, no nos sirve para explicar la propiedad de ocupar todo el recipiente que los contiene. Así, por ejemplo, si abrimos un poco un tarro de perfume, las pocas partículas olorosas de gas que salgan se difundirán por toda la habitación, y para ello las partículas tendrían que crecer tanto su tamaño que podrían ser visibles a simple vista, hecho que no ocurre.
- El modelo B tampoco es correcto. Una esponja puede comprimirse y desde un estado, puede expandirse. Se podría suponer que la estructura de la masa gaseosa es parecida a una esponja y este modelo podría explicar perfectamente la compresibilidad y la difusión de los gases. Pero no explicaría la tendencia que tiene los gases a ocupar todo el recipiente que lo contiene. Además, ¿cómo explicar la diferencia entre gases y líquido? ¿Y entre líquidos y sólidos?
Actualmente explicamos el comportamiento de los gases con el llamado modelo cinético molecular (más simplemente llamado modelo de partículas). El desarrollo de este modelo tiene unas fechas claves:
1808:
El británico John Dalton publicó su modelo atómico según el cual la materia estaría constituida por unas partículas indivisibles llamadas átomos. Los átomos de una sustancia son diferentes a los de otra (tendrían unas determinadas masas atómicas).
En esta época ya se sabía que el aire es una mezcla de gases (nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono, vapor de agua, argón, etc.). Incluso se conocía la masa relativa de estas partículas, de forma que se sabía que unas son más pesadas que otras. Se podría suponer que las zonas bajas de la atmósfera serían más ricas en partículas pesadas y las zonas altas más ricas en partículas ligeras. Dalton efectuó medidas con aire cogido a diferentes alturas y encontró que la composición del aire es la misma. ¿Por qué la composición del aire era independiente de la altura? Dalton postuló que las partículas no estarían en reposo sino en continuo movimiento, de forma que chocarían entre ellasy contra todos los objetos, rebotando y ocupando, de esa forma, todo el espacio disponible (modelo cinético). Por supuesto, la velocidad de las partículas es variable debido a los continuos choques entre ellas. Actualmente se sabe que, por ejemplo, a la temperatura de 0 ºC, la velocidad de una molécula de dihidrógeno (H2) es de 1600 m/s; a 25 ºC, esa velocidad aumenta a 1930 m/s. Para que nos hagamos una idea, la velocidad de un avión a reacción es aproximadamente de 700 m/s.
1857:
El físico-ingeniero alemán Rudolf J. E. Clausius desarrolla el modelo cinético de forma matemática (basándose en un modelo primitivo desarrollado en 1738 por Daniel Bernoulli) y establece que el choque de las partículas gaseosas se manifiesta en la magnitud conocida como presión. La presión que ejerce un gas es un empuje de fácil medida y resulta ser consecuencia de los choques de las partículas con las paredes del recipiente (o con los cuerpos sumergidos dentro del gas). La presión ejercida por un gas depende de la cantidad que haya (a mayor cantidad de gas, mayor presión), de la temperatura (a mayor temperatura, mayor energía cinética de las partículas, mayor número de choques) y del volumen (a mayor volumen, disminuye el número de choques y menor presión). La unidad de la presión en SI es el pascal, Pa; también se utilizan otras unidades como la atmósfera (atm), los milibares (mmb) y los milímetros de mercurio (mmHg). A37. Los gases se difunden hasta ocupar todo el volumen
disponible. En la foto de la derecha se muestra un Erlenmeyer que contiene un gas rojo. La foto de la derecha muestra lo que ocurre cuando se le une a este matraz otro vacío: el gas rojo se encuentra ahora en ambos recipientes ocupando todo el volumen disponible. Se pide: (a) ¿Había aire en los matraces antes de que hubiera gas rojo? ¿Le resulta fácil o difícil al gas rojo pasar a través del aire?; (b) Si en una esquina de la clase se abre una lata de gasolina (o una botella de perfuma), al cabo de un rato huele a gasolina (o a perfume) en otra esquina de la clase. Explicación.
Rudolf J. E. CLAUSIUS
Las relaciones son: 1 atm = 101300 Pa = 1013 mb = 760 mmHg
1860:
En el primer Congreso Internacional de Química un joven químico italiano llamado Stanislao Cannizzaro presentó la obra de un genial químico que había muerto en 1856: Amedeo Avogadro. Una de las claves de la Química fue postular que las partículas que constituyen los gases no son átomos aislados, sino agrupaciones de átomos unidos entre sí llamadas moléculas.
1870:
El físico inglés James Clerk Maxwell y el austríaco Ludwig Boltzmann
encuentran el significado físico de la temperatura. Las moléculas de un gas se encuentran en movimiento, con velocidades variables debido a los múltiples choques que se producen; la energía de una partícula en movimiento se denomina energía cinética. Por tanto cada partícula posee una energía cinética. La temperatura determina el valor de la energía cinética media de las
partículas. En otras palabras, las partículas de un gas a alta temperatura tienen una energía cinética media mayor que las moléculas de un gas a una temperatura menor. Es importante hacer notar que se trata de la energía cinética media: en el gas hay moléculas que se mueven con velocidades diferentes.
Como resultado de todas estas aportaciones se elaboró el modelo cinético molecular (modelo muy aproximado a la realidad). Los aspectos fundamentales de este modelo, que intenta explicar el comportamiento de los gases, son:
I. Un gas está formado por partículas llamadas moléculas. Las moléculas de un gas son iguales entre sí y diferentes a las de otro. Entre partícula y partícula no hay nada, solo espacio vacío (la materia es discontinua).
II. Son partículas muy pequeñas (imposible verlas en un microscopio) por lo que el número de moléculas es muy grande: en un litro de aire hay del orden de 2,6 · 1022 moléculas.
III. Las moléculas están en continuo movimiento al azar: se mueven en todas las direcciones y chocan entre sí y contra las paredes del recipiente. La temperatura está relacionada con la energía cinética media de las moléculas (y por tanto con la velocidad media de las moléculas).
IV. No existen fuerzas entre las moléculas. Sólo existen interacciones cuando chocan y esto ocurre en un intervalo de tiempo muy pequeño.
V. La presión de un gas es el resultado de los choques entre las moléculas del gas y las paredes del recipiente que las contiene (o con los objetos que se encuentran sumergidos en el gas). Por ello, la presión depende del número de choques (y de la intensidad de cada uno) que den las moléculas por unidad de tiempo y superficie.
Este modelo también es aplicable a líquidos y sólidos, con una simple adaptación de las características de cada estado. Así, en el estado sólido, en los sólidos cristalinos, se suponen que las moléculas1 están ordenadas, las distancias entre ellas son del orden del diámetro molecular y tienen un movimiento vibratorio, que aumenta con la temperatura. En el estado líquido se supone que las moléculas están
1En estos apuntes y siempre que hagamos uso de la TCM, utilizaremos el término molécula para referirnos a las unidades
elementales que constituyen la materia, sin distinguir entre átomos, iones o molécula en sentido estricto.
Amedeo AVOGADRO
desordenadas, las distancias son aproximadamente las mismas que en el estado sólido y pueden moverse, tanto más cuanto mayor sea la temperatura, desplazándose de un lugar a otro, pero ligadas entre sí, sin poder independizarse unas de otras.
En el siguiente esquema, se explican brevemente las propiedades de la materia según el estado en que se encuentren:
A38. (a) Dibuja cómo te imaginas las moléculas de una sustancia en estado gaseoso cuando la sustancia está «normal», cuando está comprimida y cuando está expandida. ¿Ha cambiado el tamaño de cada molécula?, ¿ha cambiado la distancia entre moléculas?; (b) Explica con la TCM la propiedad que tienen las sustancias en estado gaseoso de difundirse fácilmente; (c) Dibuja cómo te imaginas las moléculas de una sustancia en estado gaseoso cuando la sustancia está «normal», cuando está dilatada y cuando está contraída. ¿Ha cambiado el tamaño de cada molécula?, ¿ha cambiado la distancia entre moléculas?, ¿ha cambiado la velocidad de las moléculas?
A39. Utiliza la TCM para explicar las siguientes propiedades de las sustancias en estado gaseoso: (a) Ejercen presión sobre las paredes del recipiente que las contiene; (b) Se pueden comprimir y expandir mucho; (c) Cuando se encuentran encerradas en un recipiente de paredes flexibles se dilatan o se contraen al aumentar o disminuir la temperatura.
A40. Si un gas está encerrado en u recipiente de paredes rígidas, al variar la temperatura, ¿cómo cambiará la presión que ejerce sobre las paredes del recipiente? Utiliza la TCM para justificar tu respuesta.
A41. Si mezclamos dos gases de diferente densidad en un recipiente, ¿es posible que permanezcan separados? Justifica tu respuesta aplicando la TCM.
A42. En el laboratorio hemos medido la temperatura de ebullición del agua, resultando ser 97 ºC. Para ello hemos calentado agua hasta que ha comenzado a hervir, observando además que mientras permanece la ebullición esa temperatura se mantenido constante. Explica razonadamente estos hechos.
Actualmente este modelo está totalmente aceptado y corroborado por la comunidad científica, por lo que se denomina Teoría Cinético-Molecular (TCM).
III.1. Explicación de los cambios de estado.
La TCM puede explicarnos por qué tienen lugar los cambios de estado de una sustancia. El que una sustancia se encuentre en un estado u otro depende fundamentalmente de la fortaleza de las uniones de entre sus partículas constituyentes. Así, para convertir una sustancia líquida en gas, por ejemplo, bastará con romper esas uniones, lo cual se consigue incrementando la temperatura de ese líquido para que la velocidad de sus partículas sea mayor y, de este modo, se liberen de las mutuas atracciones, pasando al estado gaseoso. El aumento de temperatura también es necesario para el cambio de estado sólido a líquido y de sólido a gas. El proceso inverso, la disminución de temperatura, se aplicará en los cambios de estado regresivos (de gas a líquido o sólido y de líquido a sólido).
A la temperatura que sucede un cambio de estado se la denomina temperatura de cambio de estado. Así, se habla de temperatura de fusión (o solidificación) y de ebullición (licuación). Mientras que se produce el cambio de estado de una sustancia pura, la temperatura permanece constante, ya que toda la energía que se aporta se invierte en la ruptura de las uniones que existen entre las partículas. Sólo cuando ya no quedan uniones por romper y si se sigue aportando energía, la temperatura volverá a subir.
A46. Completa en tu cuaderno el esquema de la figura, dibujando cómo te imaginas la distribución o agrupación de moléculas de agua en cada estado de agregación. Escribe sobre cada flecha el nombre del cambio de estado correspondiente. Indica qué cambia de las moléculas cuando pasa el agua de un estado de agregación a otro.
A47. Interpreta los siguientes fenómenos aplicando la TCM: (a) la fusión; (b) la condensación; (c) la evaporación; (d) ¿De qué formas podríamos aumentar la velocidad de evaporación de un líquido?
A48. El rocío es la formación de gotas de agua a ras del suelo. Ocurre al caer la noche y es más intenso de madrugada. Es más frecuente en zonas costeras y en noches despejadas. Explica este fenómeno a la luz de la TCM.
A44. Contesta a la siguientes cuestiones teniendo en cuenta la TCM: (a) ¿Crees que las sustancias en estado líquido se comprimen y se expanden? ¿Cómo podríamos comprobarlo?; (b) ¿Crees que las sustancias en estado sólido se comprimen y expanden?
III.2. Algo más sobre la presión de los gases.
Como sabemos, la presión es una magnitud que está relacionada con los choques de las partículas del gas con las paredes del recipiente que los contiene. Las primeras experiencias con gases se realizaron con el aire. Nuestro planeta está rodeado por la atmósfera, que es una capa gaseosa constituida por una mezcla de gases. Éstos presionan a nuestro alrededor y sobre nosotros mismos de igual manera que el agua del mar presiona sobre el casco de un submarino. Pues bien, a la presión que ejerce el aire sobre la superficie de los cuerpos se denomina presión atmosférica.
Los efectos de la presión atmosférica son conocidos desde el siglo XVII. Fue Galileo Galilei (1564-1642) el que demostró que el aire pesa. Un discípulo suyo,
Evangelista Torricelli, determinó el modo de medir la presión atmosférica mediante un instrumento denominado barómetro. Para ello, llenó de mercurio un tubo de vidrio de 1 metro de longitud, aproximadamente, cerrado por uno de sus extremos. Tapó el extremo abierto y lo introdujo invertido en una cubeta con mercurio. Al destapar el extremo libre del tubo, observó que el nivel del tubo descendió hasta quedar a la altura de 760 mm por encima de la superficie libre del mercurio de la cubeta. Ante esta situación, surge irremediablemente la siguiente cuestión: ¿por qué no descendía todo el mercurio del tubo a la cubeta? La respuesta
está en la presión atmosférica. Ésta actúa sobre la superficie de mercurio de la cubeta y presiona al mercurio contenido en el tubo impidiendo que baje. La presión atmosférica normal (a 0 ºC) es la presión ejercida por una columna de mercurio de 760 mm de mercurio. A este valor se le denomina 1 atmósfera, y así 1 atm = 760 mmHg
IV. LAS LEYES DE LOS GASES.
El hecho de que los gases se compriman y expandan fácilmente ha permitido estudiar las relaciones entre la presión, el volumen y la temperatura a la que se encuentra una determinada cantidad de gas y expresarlas mediante fórmulas matemáticas. Este estudio comenzó en el siglo XVII, cuando se observó que el aire y otros gases obtenidos en diversos procesos químicos eran materia.
Muchos científicos de diversas nacionalidades, durante dos siglos, dedicaron parte de sus esfuerzos a aclarar el comportamiento de materia en estado gaseoso. Intentaremos resumir este proceso, siguiendo
A49. ¿Por qué se seca antes la ropa los días ventosos? ¿Por qué no se seca bien los días de lluvia, aunque esté cubierto?
A50. ¿Por qué los médicos advierten sobre el riesgo que corren los fumadores pasivos?
A51. ¿Por qué cuando echas unas gotas de agua sobre una placa muy caliente se mueve de un lado para otro antes de desaparecer?
A52. ¿Por qué si calientas una lata vacía y luego la tapas, las paredes de la lata se aplastan a medida que se enfría?
un orden cronológico y constataremos cómo la vaguedad histórica se hace presente también en Ciencia, como actividad humana que es.
IV.1. Ley de Boyle y Mariotte.
Imagina que tenemos una determinada masa de gas encerrada en un recipiente, calibrado para medir volúmenes, como el que se indica en la figura.
Si empujamos el émbolo móvil, hacemos disminuir el volumen que ocupa el gas y, como consecuencia, la presión aumenta, tal y como se constata en el manómetro. Los resultados que se pueden obtener se detallan en la tabla.
Puede observarse que el producto de la presión por el volumen que ocupa el gas tiene siempre el mismo valor. Dicho de otro modo, el producto de ambas variables se mantiene constante. Si traducimos esta idea al lenguaje matemático, podemos escribir:
k V P⋅ =
El origen de esta ley es algo confuso y generalmente no se indica en los libros de textos. Sin embargo, en estos apuntes iremos un poco más allá, para que obtengas la idea de que los científicos no son personajes aislados en sus laboratorios que descubren hechos sin ningún esfuerzo, de que su trabajo suele basarse en el trabajo de otros científicos, y de que es necesario la comunicación con la comunidad científica para hacer conocer sus resultados.
Esta ley recibe el nombre de ley de Boyle, en honor al químico irlandés que en 1662 realizó experimentos similares al que comentamos anteriormente. Más tarde, en 1676, el francés Edmé Mariotte puntualizó que el producto P· V es constante siempre que la temperatura no varíe durante la experiencia. Por eso se denomina ley de Boyle y Mariotte:
Para una determinada cantidad de gas, el producto de la presión y el volumen que ocupa un gas permanece constante, siempre que la temperatura no varíe.
Sin embargo, los historiadores han descubierto recientemente que la ley fue propuesta primeramente por dos científicos británicos, Henry Power y Richard Towneley, sobre la base de unos experimentos que realizaron en 1653. No publicaron sus resultados inmediatamente, sino después de que los primeros experimentos de Boyle sobre la presión del aire hubieran sido publicados en 1660. Power envió un artículo describiendo los resultados de su trabajo a su amigo William Croone, en Londres. El título del artículo era “Experimentos adicionales realizados en Towneley Hall durante los años 1660 y 1661 con la ayuda y el consejo del heroico y valioso caballero Richard Towneley”. Pero Power no quiso poner su nombre en el artículo. Croone envió el artículo a Boyle olvidando mencionar que Power era el autor. Boyle fue muy cauteloso antes de dar crédito a la información recibida y en su monografía de 1662 replicando a Linus, estableció que él no había comprobado que la simple relación P· V = constante se aplicaba a sus propios datos, hasta que Richard Towneley se lo insinuó. Científicos posteriores, que leyeron los trabajos de Boyle sin mucha atención, supusieron que Boyle había hecho el descubrimiento por sí mismo.
Experiencia Volumen (l) Presión (atm)
Esta ley se puede expresar de otra forma.
Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas, V0, que se encuentra a una presión P0, al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V1, entonces la presión cambiará a P1 y se cumple experimentalmente que:
k V P V
P0⋅ 0 = 1⋅ 1 =
lo que supone que a temperatura constante, el volumen que ocupa un gas es inversamente proporcional a la presión que ejerce dicho gas sobre las paredes del recipiente que lo contiene.
Por último, indicar que si se trabaja con valores elevados de presión, la ley de Boyle y Mariotte deja de ser válida, pues las moléculas que forman los gases se acercan y su interacción recíproca empieza a influir en el comportamiento del gas. Por tanto, esta ley nos permite describir el comportamiento de un gas si trabajamos con valores de presión normales.
ACTIVIDAD RESUELTA como Ejemplo
En una experiencia se han medido las presiones y los volúmenes de un gas encerrado en un recipiente en el que la temperatura permanece constante:
Volumen (ml) 100 90 80 70 60 50 40
Presión (mb) 1000 1111 1250 1430 1666 2000 2500
Se pide: a) representa los datos en una gráfica en la que en ordenadas esté la presión y en abcisas el volumen; b) ¿cómo varía la presión del gas cuando aumentamos o disminuimos el volumen?; c) para cada pareja de valores de la tabla calcula el producto P.V. ¿Qué
conclusiones se pueden obtener?; d) haz un dibujo que represente cómo crees que están las moléculas cuando el volumen ocupado por el
gas sea de 100 ml y otro dibujo para cuando el volumen ocupado sea de 50 ml; e) explica los resultados obtenidos teniendo en cuenta la TCM.
(a) La gráfica que se obtiene con estos datos se muestra a la derecha. Está realizada con un programa de tratamiento de datos. A la hora de elegir las escalas hemos de tener en cuenta que NO tienen que ser iguales. Así, para el volumen hemos elegido una escala de 20 ml en 20 ml y para la presión, de 500 mb en 500 mb. Si deseamos hacer la
gráfica MANUALMENTE en papel milimetrado, podemos escoger para el volumen la escala de 10 ml/1 cm y para la presión 200 mb/1cm.
(b) Se observa que a medida que se disminuye el volumen la presión aumenta y viceversa; al aumentar el volumen disminuye la presión. Son pues, magnitudes inversamente proporcionales.
(c) El producto PV es igual a: 100000; 99999; 100000; 100100; 99960; 100000; 100000. Podemos admitir que el valor del producto es prácticamente idéntico en todos los casos.
(d) En ambos casos, las moléculas tienen el mismo tamaño y la misma rapidez (recuérdese que la experiencia se realiza a temperatura constante). Sólo cambia la distancia entre ellas, siendo menor cuando el volumen que ocupa el gas es menor.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0 20 40 60 80 100 120
Volumen (ml)
P
re
si
ón
(
m
