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II. E
stados de agregación de la materia y cambios de estadoContenidos Objetivos
Definición, ejemplos y características macroscópicas y microscópicas de los estados de agregación:
Sólido Líquido Gaseoso Plasma
Condensado de Bose-Einstein
Analizar los diferentes estados de agregación de la materia, estableciendo su importancia y relación con el medio, desde los puntos de vista
microscópico y macroscópico.
Importancia e identificación de los estados de agregación en los objetos conocidos.
Cambios de estados de la materia (fusión, evaporación, sublimación, depositación o sublimación inversa, condensación o licuefacción, solidificación o congelación), Función de la energía en ellos. Utilidad de los cambios de estado.
Reconocer los diferentes estados de la materia
Importancia de los cambios de estado en la industria alimentaria, metalurgia y en el nivel biológico. Identificar ejemplos referentes a los cambios de estado en seres vivos y la industria.
Ciclo Hidrológico
Identificar la importancia de los cambios de estado, en función de la ganancia o pérdida de energía calórica, su relevancia en diferentes campos.
E
stados de
a
gregación de la
m
ateria
Cualquier sustancia se puede encontrar en diferentes estados o fases, dependiendo de la temperatura y la presión en la que se encuentren. Estos estados o fases se llaman estados de
agregación de la materia, que se refieren a la relación con las fuerzas de unión de las partículas
(moléculas, átomos o iones) que la constituyen. Cotidianamente conocemos cuatro fases: sólido, líquido, gaseoso y plasma.
Existen otros estados de la materia que no podemos observar cotidianamente o no se producen de manera natural en nuestro entorno: condensado de Bose-Einstein, condensado fermiónico, estrellas de neutrones, plasma de quark-gulón son ejemplos de estos tipos de estados.
Cada estado de agregación presenta diferentes características, tanto microscópicamente como macroscópicamente. Observaremos por aparte cada uno de ellos.
S
ólidos
Los objetos que se presentan en estado sólido se presentan como cuerpos de forma definida, ya que sus átomos a menudo se entrelazan formando estructuras estrechas. Esto conlleva a una capacidad de soportar fuerzas sin deformarse fácilmente. Son, en general, duros y resistentes. Entre sus átomos, las fuerzas de atracción (que hacen que los átomos estén más unidos) son mayores que las de repulsión (que hacen que sus átomos se rechacen y separen entre sí).
En los sólidos cristalinos, los espacios entre las moléculas son sumamente reducidos,
geométricas. Por el contrario, en los sólidos amorfos o vítreos, las partículas carecen de una estructura ordenada.
Otras características que presentan los sólidos son:
Cohesión elevada (Unión entre las moléculas de un cuerpo, debido a la fuerza de atracción molecular).
Presentan una forma definida, y una fuerza elástica restitutiva, presentando como una
memoria de su forma, a la que regresan en caso de que se deformara su configuración original.
No son fáciles de comprimir, algunos casi incompresibles.
Se resisten a la fragmentación.
Baja o nula fluidez (capacidad de un cuerpo de tener un libre movimiento), ya que sus moléculas tienen una posición fija, solamente vibran en su lugar.
L
íquidos
Cuando los sólidos se someten al calor, su estructura cristalina se va deformando y perdiendo. Cuando esto ocurre, el cuerpo alcanza un estado líquido. La característica principal de los líquidos es la capacidad de los mismos de fluir, y de tomar la forma del recipiente que lo contiene. La unión entre los átomos todavía existe, sin embargo la fuerza de atracción es mucho menor que en los sólidos, permitiendo estructuras más libres. Las partículas en los líquidos rotan, vibran y se mueven, pero su estructura, aunque es más desordernada, les permite conservar un volumen definido.
Otras características que presentan los líquidos son: Menor cohesión.
No presentan una forma definida, ni memoria de forma como los sólidos, simplemente se adaptan al recipiente que los contiene, o fluye hasta encontrar la menor altura, o
límites/barreras que lo contengan, expandiéndose hasta buscar el medio con menos altura. En general, cuando los líquidos se enfrían, se contraen, a excepción del agua, que se expande. En el frío se contraen. La única excepción conocida es el agua (en frío se expande)
Posee fluidez a través de pequeños orificios (capilaridad) Puede presentar difusión y/o viscosidad.
Son poco compresibles
Se le llama gas al estado de agregación de la materia que no posee forma ni volumen definido. Se compone mayormente de moléculas no unidas, sino expandidas con poca o nula fuerza de
atracción (a esto se le atribuye su falta de volumen y forma, pues se repelen solas). Tienden a expandirse para ocupar todo el volumen del recipiente que los contiene.
A diferencia de los líquidos, debido a su falta de masa, los gases no buscan expandirse hacia alturas más bajas, ya que el efecto de la gravedad es nula sobre ellos. Su densidad es
considerablemente menor que la de los líquidos y la de los sólidos, ya que la fuerza de repulsión entre sus moléculas es muy alta. Ocupan un volumen mucho mayor que el material en otros estados, porque dejan espacios libres intermedios (las partículas están enormemente separadas entre sí).
Se caracterizan por que las moléculas están tan separadas, que su masa se vuelve
insignificante, lo que quiere decir que las fuerzas gravitatorias tienen un efecto nulo sobre ellos, al igual que las fuerzas de atracción. Entre ellos se encuentra el vapor, sin embargo no todos los gases son vapor (el vapor es el que específicamente se puede enfriar o presurizar para volver líquido). En un gas, las moléculas están en un estado de caos (desorden) y se mueven muy rápidamente,
disparándose entre sí (errantes, sin rumbo), por lo que se expande hasta donde su recipiente se lo permita. Son relativamente fáciles de comprimir, ya que la distancia entre las partículas es tan grande que es fácil de reducir.
Otras características que se pueden mencionar de los gases son: Cohesión casi nula
Forma indefinida Volumen variable
Puede presentar difusión (cuando una sustancia tiene una distribución uniforme, debido al movimiento espontáneo de las moléculas que los componen.)
Son poco compresibles.
Sus moléculas son sumamente volátiles, pueden vibrar, rotar, trasladarse y separarse. Están en constante movimiento.
P
lasma
El plasma es un gas ionizado, lo que significa que algunos de los electrones en los átomos se han desprendido, lo que crea aniones (átomos con carga negativa) e iones (átomos con carga positiva), separados entre sí, libres. Esto genera que los electrones puedan fluir libremente entre los iones, haciendo que los plasmas tiendan a ser excelentes conductores. Un ejemplo muy claro es el Sol.
En la atmósfera terrestre, la ionización sucede cuando una partícula cósmica muy rápida alcanza un átomo y debido a su choque, pierde un electrón. En este momento se dice que está ionizado. Cuando sucede lo mismo, pero el átomo se encuentra a altas temperaturas (Sol), las colisiones se vuelven más violentas, lo que libera más electrones que también se disparan a altas velocidades, generando más colisiones. En la atmósfera solar, algunos de los átomos están
permanente ionizados, causando que el comportamiento del gas sea diferente. A altas temperaturas, los gases ionizados conducen la electricidad y son fuertemente influidos por los campos magnéticos.
La lámpara fluorescente, compuesta por vapor de mercurio, calienta y agita la electricidad, mediante la línea de fuerza conectada a la lámpara, causando que los iones positivos se aceleren desde el extremo positivo al extremo negativo. Estas partículas aceleradas ganan energía, colisionan con los átomos, expulsan electrones adicionales y mantienen el plasma, recombinando las partículas, emitiendo luz, lo que las hace bombillas más eficientes que las lámparas tradicionales. Sucede lo mismo con los letreros de neón y las luces urbanas.
Cabe mencionar que no todos los plasmas son calientes. En los plasmas fríos, los átomos se encuentran a temperatura ambiente, y los electrones se aceleran hasta temperaturas de 5000°C. Como los iones son los que tienen la masa, no queman al tocarlos. También cabe mencionar que en los plasmas calientes, la luz se emite por que al calentar el gas, los átomos se agitan y chocan entre sí. En el choque, los átomos pierden electrones, pero a su vez los electrones son atrapados por otros iones, y esto libera energía en forma de luz: por eso el Sol, el fuego y los plasmas generados en los laboratorios brillan y emiten luz. Otros ejemplos son las estrellas (no sólo el Sol) y las sustancian en procesos de fusión y fusión nuclear.
También destaca en el tema el Dr. Franklin Chang Díaz, quien participa en los más recientes estudios, con la intensión de usarlo como una fuente alternativa de energía, en especial como combustible para reabastecer naves espaciales.
C
ondensado de
B
ose-
E
instein
Esta nueva forma de material sólo se puede lograr en laboratorio. Fue obtenida el 5 de julio de 1995, por los físicos Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle y Carl Wieman (Premio Nobel de Física, 2001), sin embargo, Satyendra Nath Bose y Albert Einstein habían predicho su existencia de vuelta en 1926.
Los científicos lograron enfriar los átomos a una temperatura 300 veces más baja, logrando que los átomos permanezcan inmóviles. Con esto no se refiere al hecho de que el átomo tenga una estructura fija únicamente, sino que el átomo en realidad no vibra del todo.
A
ctividades
1-
El estado de agregación de un cuerpo indica la forma en que están relacionadas entre sí las moléculas en razón de la energía que presentan, lo que determina a su vez la apariencia; por tanto podemos analizar las características de la materia con enfoques distintos: el microscópico (describela relación de las partículas entre sí) y el macroscópico (analiza los cuerpos según su apariencia externa).
Clasifique las características de cada estado de agregación en microscópicas y macroscópicas.
C
ambios de
e
stado
Para cada elemento o compuesto químico, existen determinadas condiciones de presión y temperatura a las que se producen cambios de estado. Si lo vemos de otra manera, en el
ambiente, todos los elementos reciben la misma presión atmosférica y se encuentran a una temperatura similar, sin embargo encontramos elementos en cada uno de los 3 estados básicos de la materia. Esto implica que el la combinación de temperatura y presión que logran que un cuerpo cambie de estado varía dependiendo del material del que esté compuesto el cuerpo.
La temperatura a la que cambian los materiales
de un estado a otro se llama punto de fusión (sólidos/líquidos), punto de ebullición (líquidos/gases) y punto de sublimación (sólidos/gases).
A los procesos de cambio también se les da nombres apartes:
En el punto de fusión: Fusión (sólido a líquido) y Solidificación/Congelación (líquido a sólido)
En el punto de ebullición: Evaporación/Ebullición (líquidos a gases) y Condensación/Licuefacción (gases a líquidos)
En el punto de sublimación: Sublimación (sólidos a gases) y
I
mportancia de los
C
ambios de
E
stado
El agua se puede encontrar alrededor de todo el mundo. Las plantas necesitan del agua líquida para poder absorber los minerales que se encuentran disueltos a través de la raíz, y transportarlos al resto de la planta. Algunos animales necesitan del agua en estado líquido debido a que su cuerpo necesita estar húmedo, como los lagartos, cocodrilos, sapos y tortugas; para otras es su hábitat. Los seres humanos usamos del agua de diversas maneras, desde limpiar la casa, planchar hasta cocinar alimentos y bañarnos diariamente.
Los cambios de estado intervienen en las condiciones climáticas, así como la forma de vida de las personas y el tipo de flora y fauna de una región. Por ejemplo: en las zonas polares, donde el agua está solidificada, casi no hay plantas y los animales son escasos en comparación a otras zonas
climáticas, y están cubiertas de pelaje denso y capas de grasa. Las personas usan vestimentas que mantienen el calor por más tiempo, debido a que la temperatura ha cambiado el estado de algunos elementos.
Algunos procesos biológicos de los seres vivos dependen de los cambios de estado. Por
ejemplo, para regular la temperatura del cuerpo, personas y animales usamos la evaporación: Cuando nuestro cuerpo se calienta, para controlar la temperatura, nuestro cuerpo produce sudor, el cual absorbe calor y se evapora.
En la Industria Alimentaria
Los cambios de estado se aprovechan para la fabricación de jugos, gaseosas, salsas, helados... Para la extracción de sal de mar, se emplea la evaporación también: Se coloca el agua salada en depósitos, a la luz del Sol y al evaporarse el agua, la sal queda en el fondo.
En la Industria Metalúrgica
Para extraer, por ejemplo, oro de otros minerales, y fabricar aretes, anillos, pulseras, piezas de
electrónicos, se usan los cambios de estado. Ciertos materiales, por ejemplo para la construcción, construcción de medios de
transporte… se escogen debido a la cohesión, a temperatura ambiente, entre sus moléculas.
Otros usos de algunos gases
Algunos gases se utilizan en la fabricación de fluorescentes y luces, como el neón que produce un gas de color al contacto con la corriente eléctrica. El oxígeno (O2) se usa como
medicamento en crisis de asma, y el dióxido de carbono (CO2) es utilizado
por las plantas para realizar la fotosíntesis. El gas natural y el gas metano se emplean como combustibles. Los gases no fluorocarbonados se usan para fabricar aerosoles y refrigerantes.
¿En qué estado se encuentran cada uno de
los objetos representados en la imagen?
Grafique para cada una de esas imágenes, ¿cómo se ven las moléculas y partículas a nivel microscópico?
4. Llene con la misma cantidad de agua dos vasos igulaes. Ponga uno al Sol, y el otro a la sombra. ¿Cuál considera que tendrá más agua al día siguiente? ¿Porqué?
5. ¿De qué vaso se evaporó más agua al día siguiente? Formule una explicaión a lo sucedido. ______________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________
I
mportancia del
C
iclo
H
idrológico
Si el agua se mantuviera en un solo lugar, no existiría la lluvia, por lo que el suelo se secaría y las plantas desaparecerían. Sin plantas, no tendríamos alimentos y la atmósfera sufriría un gran desequilibrio, ya que son ellas las que proporcionan en oxígeno al aire, el cuál es
indispensable para la respiración de los animales.
El ciclo hidrológico contribuye a la purificación del agua; ya que al evaporarse el agua de los océanos (salada) se transforma en agua útil para consumo de los animales. Si no hubiera evaporación se terminaría el agua que se puede aprovechar, porque el agua de los ríos algún día llegaría hasta el mar y quedaría transformada en agua salada.
Se secarían los ríos por que se terminarían todas las nacientes de agua ya que no habría filtración, entonces, la flora y la fauna acuática se extinguiría.
A
ctividades
1-
Defina, según lo que ha leído, el concepto de estado de agregación.2-
Observe la siguiente imagen sobre el ciclo del agua:Anote, en los recuadros, el nombre del cambio de estado de agregación que sufre el agua en cada caso.
3-
Justifique la importancia de los cambios de estado de agregación para la circulación del agua en la Tierra.4-
Dibuje en los círculos el ordenamiento de las partículas de los cuerpos en cada estado y descríbalos, citando un ejemplo de cada uno de ellos.5-
Complete las siguientes fichas con la información que se le solicita. Indique con una flecha si aumenta o disminuye cada uno de los rubros.6-
Lea el siguiente texto acerca de la transformación física de la materia.separan. Puede suceder si un gas se calienta a muy elevadas temperaturas. Como consecuencia, se forma un plasma. La ionización ocurre, por ejemplo, cuando se forman rayos durante las tormentas, al generar luz en las pantallas de plasma y en los fluorescentes…
Explique si la ionización es un cambio de estado progresivo o regresivo.
