Sistemas materiales
Materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un volumen. La materia tiene una serie de propiedades:
- Propiedades generales son aquellas que tienen todos los cuerpos como la masa, el peso, el
volumen, la longitud, la energía cinética, el calor, etc. La tiene toda la materia, cualquier sustancia. No sirven para diferenciar unas sustancias de otras. Si yo digo que una sustancia
tiene 3 kg de masa o que ocupa un volumen de 2 dm3, no me servirá para diferenciarla de
otra porque puedo tener la misma masa y volumen de cualquier sustancia.
- Propiedades específicas son aquellas como el punto de fusión, el punto de ebullición, la
densidad, etc., que sólo la tienen determinados tipos de sustancia, e incluso una sustancia concreta; es decir, no son comunes a toda la materia. Por ejemplo, la densidad es diferente de unas sustancias a otras.
Densidad.
Densidad de un cuerpo es el cociente entre la masa de una determinada cantidad de materia y el volumen que ocupa.
) ( volumen masa densidad V m d
La densidad es una magnitud derivada que en el sistema internacional de unidades se expresa como kg/m3.
La masa y el volumen son propiedades generales de la materia, es decir son comunes a todos los cuerpos materiales y además dependen de la cantidad o extensión del cuerpo. En cambio la densidad es una propiedad específica o característica de cada cuerpo, ya que nos permite identificar distintas sustancias. Por ejemplo, muestras de oro de diferentes masas, todas tienen la misma densidad. La densidad se puede calcular de forma directa midiendo la masa y el volumen de una muestra.
Estados de agregación de la materia.
El estado de agregación de la materia (sólido, líquido, gaseoso) puede variar en función de las condiciones externas (presión y temperatura). Para unas determinadas condiciones, una sustancia concreta sólo se encontrará en un estado de agregación; es decir, en determinadas condiciones una sustancia se encontrará en estado sólido, en estado líquido o en estado gaseoso pero sólo en uno de ellos.
Cada uno de los estados de agregación tiene unas características que lo diferencian de los otros:
1. Estado sólido.
- Tienen forma fija.
- Tienen volumen fijo. No se
pueden comprimir.
- No fluyen.
2. Estado líquido.
- No tienen forma fija. Se adaptan a
la forma del recipiente que los contiene.
- Tienen volumen fijo. Son poco
compresibles.
- Fluyen por sí mismos.
3. Estado gaseoso.
- No tienen volumen fijo. Ocupan
todo el volumen del recipiente que los contiene. Son fácilmente compresibles.
- No tienen forma fija. Se adaptan a
la forma del recipiente que los contiene.
- Difunden con facilidad.
Tendencia a mezclarse con otros gases.
Resumiendo:
Estado de Agregación Sólido Líquido Gas
Volumen Definido Definido Indefinido
Forma Definida Indefinida Indefinida
Compresibilidad Incompresible Incompresible Compresible
Atracción entre Moléculas Intensa Moderada Despreciable
Cambios de estado.
Cambio de estado es el proceso mediante el cual las sustancias pasan de un estado de agregación a otro. El estado físico depende de las fuerzas de cohesión que mantienen unidas a las partículas. La modificación de la temperatura o de la presión modificará dichas fuerzas de cohesión pudiendo provocar un cambio de estado.
El paso de un estado de agregación más ordenado a otro más desordenado (donde las partículas se mueven con más libertad entre sí) se denomina cambio de estado progresivo. Cambios de estado progresivos son:
- El paso de sólido a líquido que se llama fusión. Ejemplo el hielo a agua líquida se funde.
- El paso de líquido a gas que se llama vaporización. Ejemplo el agua líquida pasa a vapor
de agua: evaporándose lentamente (secándose un recipiente o una superficie con agua) o al entrar en ebullición el líquido (hierve).
- El paso de sólido a gas que se llama sublimación. Ejemplo el azufre sólido o el yodo sólido
al calentarlos pasan directamente a gas.
El paso de un estado de agregación más desordenado a otro más ordenado se denomina cambio de estado regresivo. Cambios de estado regresivos son:
- El paso de gas a líquido que se llama condensación. Ejemplo en los días fríos de invierno
el vapor de agua de la atmósfera se condensa en los cristales de la ventana que se encuentran fríos o en el espejo del cuarto de baño.
- El paso de líquido a sólido que se llama solidificación. Ejemplo el agua de una cubitera
dentro del congelador se solidifica formando cubitos de hielo.
- El paso de gas a sólido que se denomina solidificación regresiva.
Diferencias entre evaporación y ebullición.
El cambio de estado de líquido a gas se denomina vaporización. La vaporización puede tener lugar de dos formas:
- A cualquier temperatura, el líquido pasa lentamente a estado gaseoso, el proceso se
denomina evaporación. El paso es lento porque son las partículas que se encuentran en la superficie del líquido en contacto con la atmósfera las que se van escapando de la atracción de las demás partículas cuando adquieren suficiente energía para liberarse. Partículas del líquido que se encuentran en el interior no podrán recorrer demasiado antes de ser capturadas de nuevo por las partículas que la rodean.
- A una determinada temperatura determinada se produce el paso de líquido a gas en todo el
volumen del líquido el proceso se denomina ebullición. Cualquier partícula del interior o de la superficie adquiere suficiente energía para escapar de sus vecinas, la energía se la proporciona la fuente calorífica que le ha llevado a dicha temperatura.
Por tanto, el cambio de estado denominado vaporización se puede producir de alguna de estas formas:
- Por evaporación que tiene lugar en la superficie del líquido, es lenta y a cualquier
temperatura, aunque aumenta la evaporación con la temperatura. Un ejemplo lo tenemos con el agua que se extiende por el suelo o la ropa mojada tendida, el proceso de secado es una evaporación del agua líquida. El agua contenida en un vaso también termina por desaparecer (se evapora), aunque la evaporación será mayor si aumentamos la superficie de contacto entre el agua y la atmósfera (por ejemplo echando el contenido del vaso en un plato).
- Por ebullición que tiene lugar a una determinada temperatura (temperatura de ebullición),
es tumultuosa y tiene lugar en cualquier parte del líquido (superficie o interior). El ejemplo lo tenemos en el agua, a medida que la calentamos la evaporación aumenta y llega un momento en el que salen burbujas de vapor de agua de cualquier parte del líquido y de forma tumultuosa (desordenadamente).
Temperatura del cambio de estado.
Mientras tiene lugar un cambio de estado, la temperatura no varía se mantiene constante hasta que el cambio de estado se complete.
- El cambio de estado de sólido a líquido (fusión) tiene lugar a la temperatura de fusión que
coincide con la temperatura de solidificación (cambio de estado de líquido a sólido, solidificación).
- El cambio de estado de líquido a gas que ocurre de forma tumultuosa tiene lugar a la temperatura de ebullición y coincide con la temperatura de condensación (gas a líquido). Mientras dure el cambio de estado, la energía implicada (calentando o enfriando) se utiliza en cambiar el estado de agregación de las partículas, manteniéndose constante la temperatura (la energía cinética media de las partículas no varía).
Resumen de cambios de estado
Existen tres estados físicos para la materia: sólido, líquido, gaseoso.
El estado físico de una sustancia depende de la presión y de la temperatura a la que se encuentre.
Los cambios de estado que pueden tener lugar se clasifican:
1. Progresivos la materia pasa de un estado de mayor agregación a un estado de menor
agregación: sólido a líquido, líquido a gas, o sólido directamente a gas. Los nombres de los cambios de estado progresivos son:
2. Regresivos la materia pasa de une estado de menor agregación a un estado de mayor
agregación: gas a líquido, líquido a sólido, o gas directamente a sólido. Los nombres de los cambios de estado regresivos son:
Importante:
A igualdad de presión, los cambios progresivos tienen lugar al subir la temperatura.
A igualdad de presión, los cambios regresivos tienen lugar al bajar la temperatura.
A una presión determinada la temperatura de cambio de estado es característica de la
sustancia. La temperatura se mantiene constante mientras dura el cambio de estado, la energía se invierte en el cambio de agregación de la materia (cambio de estado) no en aumentar o disminuir la temperatura.
Los nombres de los cambio de estado son:
temperatura de fusión
temperatura a la que se produce el paso del estado físico sólido al
estado físico líquido temperatura de
solidificación
temperatura a la que se produce el paso del estado físico líquido al
estado físico sólido
Estas dos temperaturas
son iguales
temperatura de ebullición
temperatura a la que se produce el paso del estado físico líquido al
estado físico gaseoso temperatura de
condensación
temperatura a la que se produce el paso del estado físico gaseoso al
estado físico líquido
Estas dos temperaturas
son iguales
Observaciones:
Para comprender desde el punto de vista de la teoría cinética lo explicado en esta página, debe verse en el apartado siguiente del bloque:
La teoría cinética y los cambios de estado
Explicación desde el punto de vista de la teoría cinética de la temperatura y de la presión
Explicación desde el punto de vista de la teoría cinética de los cambios de estado
debidos a la temperatura
Explicación desde el punto de vista de la teoría cinética de los cambios de estado
debidos a la presión
Masa.
Para medir la masa de los objetos se utilizan balanzas. La balanza clásica es la de platillos, que permite hallar la masa desconocida de un cuerpo comparándola con una masa conocida, consistente en un cierto número de pesas:
Consta de un soporte sobre el que se sostiene una barra de la que cuelgan dos
platillos.
En el punto medio de la barra se halla una aguja llamada fiel.
El objeto que se quiere pesar se coloca en uno de los platillos y se van colocando pesas de masa conocida en el otro platillo hasta que el fiel indica que la balanza está equilibrada.
No confundáis masa y peso. Masa es una medida de la cantidad de materia de un cuerpo, se mide en kg en el Sistema Internacional. Peso es una medida de la fuerza de atracción gravitatoria que actúa sobre el cuerpo, se mide en Newtons (N) en el Sistema Internacional.
Volumen.
Es la cantidad de espacio que ocupa un cuerpo.
El volumen es una magnitud física derivada. La unidad para medir volúmenes en el Sistema
Internacional es el metro cúbico (m3) que corresponde al espacio que hay en el interior de un
cubo de 1 m de lado. Se utilizan más sus submúltiplos, el decímetro cúbico (dm3) o litro y el
centímetro cúbico (cm3) o mililitro.
En el laboratorio de química se suele usar la probeta para medir volúmenes:
Volumen de líquidos leyendo la división correspondiente al nivel alcanzado por el
líquido (ojo con el error de paralaje).
El volumen de sólidos se realiza midiendo la diferencia de volúmenes entre el líquido
sólo y el nivel alcanzado con el sólido sumergido (el líquido no debe disolver o reaccionar con el sólido)
Para medir el volumen de los gases nos podemos fijar en la capacidad del recipiente
que los contiene. Aquí la presión a la que se toma la medida es muy importante dado que el volumen de los gases varía de forma apreciable con la misma.
Temperatura.
La Temperatura es una propiedad de la materia que está relacionada con la distribución de la energía calorífica entre la materia de un cuerpo. Cuando dos cuerpos, que se encuentran a distinta temperatura, se ponen en contacto, se produce una transferencia de energía, en forma de calor, desde el cuerpo caliente (mayor temperatura) al frío (menor temperatura), esto ocurre hasta que las temperaturas de ambos cuerpos se igualan. En este sentido, la temperatura es un indicador de la dirección que toma la energía en su tránsito de unos cuerpos a otros.
El instrumento utilizado habitualmente para medir la temperatura es el termómetro. Actualmente se utilizan tres escalas para medir al temperatura, la escala Celsius es la que habitualmente usamos, la Fahrenheit (países anglosajones) y la escala Kelvin (uso científico).
TK = TºC + 273 TºC = TK - 273
Teoría cinético molecular.
Teoría cinética y temperatura.
La Temperatura es una propiedad de la materia que está relacionada con la distribución de la energía calorífica entre la materia de un cuerpo. Normalmente la temperatura mide la energía cinética media de las partículas:
A mayor energía cinética media (mayor movimiento de las partículas) mayor choque
entre ellas, mayor temperatura.
A menor energía cinética media (menor movimiento de las partículas) habrá menos
choques entre ellas, menor temperatura.
Teoría cinética y presión.
La presión que ejerce un gas sobre las paredes del recipiente que lo contiene es debida a los choques que tienen lugar entre las partículas del gas y dichas paredes. La variación de la presión de un gas encerrado en un recipiente puede tener lugar por alguna de estas razones:
1. Por una variación de la temperatura manteniendo constante el volumen del recipiente
que contiene el gas:
Un aumento de la temperatura aumenta la energía cinética media de las partículas, lo que
provoca una mayor velocidad de las mismas y una mayor intensidad en los choques contra las paredes: aumenta la presión del recipiente que contiene el gas.
Un enfriamiento disminuirá la energía cinética media y las partículas chocaran con
menos intensidad contra las paredes: disminuye la presión del recipiente que contiene el gas.
2. Por una variación del volumen que contiene el gas manteniendo constante la
temperatura:
Si disminuye el volumen, las partículas se concentran y chocan con más frecuencia
contra las paredes del recipiente que las contiene: aumenta la presión sobre las paredes del recipiente.
Si aumenta el volumen, las partículas se separan, tienen más volumen donde moverse y
habrá menos partículas que choquen con las paredes del recipiente que contiene el gas: disminuye la presión del recipiente.
La teoría cinética y los estados de agregación.
El estado de agregación de la materia nos indica la relación existente entre las partículas que integran la sustancia. Es decir, si las partículas se van a encontrar más cerca o más lejos en determinadas condiciones de presión o temperatura.
Por lo general, un aumento de la temperatura provoca un aumento de la energía cinética media (energía debida al movimiento) de las partículas que constituyen la materia. Este aumento de la energía cinética media se manifiesta:
En los gases por un aumento de la velocidad media con que se mueven las partículas
(ver teoría cinética de los gases).
En los sólidos y líquidos por un aumento de las vibraciones respecto a las posiciones más o menos fijas que adoptan las partículas:
o En el estado de agregación líquido el movimiento de las moléculas se halla
restringido en comparación con el estado gaseoso.
o En el estado de agregación sólido, las moléculas ocupan posiciones fijas y su movimiento se reduce a vibraciones.
Como se puede esperar un aumento de la energía cinética media por un aumento de la temperatura dificultará que las fuerzas de cohesión que existen entre las partículas puedan mantener la estructura que tenían.
Por el contrario una disminución de la temperatura disminuye la energía cinética media de las partículas que constituyen la materia, favoreciendo las fuerzas de cohesión y una mayor estructura.
La teoría cinética y los cambios de estado.
¿Cómo se produce un cambio de estado? Los cambios de estado se pueden producir de dos formas:
1. Cambiando la temperatura a la que se encuentra una sustancia:
a. Si calentamos damos energía y las partículas disminuyen sus fuerzas de
cohesión, aumenta la energía de vibración y pierde fortaleza la estructura más o menos rígida que poseen. El conjunto de partículas que forman dicha sustancia se desordena: cambios de estado progresivos (fusión, vaporización, sublimación). mayor temperatura mayor energía de vibración de las partículas mayor movilidad de las partículas más desordenada la estructura
b. Si enfriamos quitamos energía y las partículas se mantienen más cerca, aumentan sus
fuerzas de cohesión y el sistema se ordena: cambios de estado regresivos (condensación, solidificación, sublimación regresiva).
menor temperatura menor energía de vibración de las partículas menor movilidad de las partículas más ordenada la estructura
2. Cambiando la presión a la que se encuentra una sustancia:
a. Si disminuimos la presión el sistema tiende a desordenarse ya que no se favorece
el acercamiento de las partículas, disminuyen las fuerzas de cohesión y se favorece un cambio de estado progresivo (fusión, vaporización, sublimación). b. Si aumentamos la presión se favorece el acercamiento de las partículas lo que
produce un aumento de las fuerzas de cohesión y una tendencia a los cambios de estado regresivos (condensación, solidificación, sublimación regresiva). Cuando se te pregunte cómo explica la teoría cinética el cambio de estado, bien debido a la temperatura o a la presión, deberás responder utilizando la palabra partículas, la relación entre ellas y qué les ocurre:
Un aumento de la temperatura, provoca una disminución de las fuerzas de cohesión al aumentar la energía cinética media de las partículas. Al aumentar la temperatura las partículas se alejarán provocando una disminución del orden; es decir favorecerá un cambio de estado progresivo.
Una disminución de la temperatura, provoca un aumento de las fuerzas de cohesión al
disminuir la energía cinética media de las partículas. Al disminuir la temperatura las partículas se acercarán provocando un aumento del orden; es decir favorecerá un cambio de estado regresivo.
Un aumento de la presión, provoca un mayor acercamiento de las partículas que
componen la sustancia y, por tanto, un aumento del orden; es decir, favorecerá un cambio de estado regresivo.
Una disminución de la presión, provoca un menor acercamiento de las partículas que
componen la sustancia y, por tanto, una disminución del orden; es decir, favorecerá un cambio de estado progresivo.
Energía cinética.
La energía cinética es un tipo de energía relacionado con el movimiento y con la masa: Si una partícula tiene mayor velocidad en su movimiento ordenado o caótico, tendrá mayor energía debida a ese movimiento, mayor energía cinética.
También la energía cinética está relacionada con la masa. Para dos partículas que se muevan con la misma velocidad, la que tenga mayor masa poseerá mayor energía cinética.
Teoría cinética de los gases.
Entre los siglos XVIII y XIX se desarrolló la teoría cinética de los gases para explicar el comportamiento de los mismos. Los postulados de la teoría cinética de los gases son los siguientes:
- Los gases consisten en Moléculas muy separadas en el espacio. El volumen real de las
moléculas individuales es despreciable en comparación con el volumen total del gas como un todo (En esta teoría se considera como moléculas a las partículas que forman el gas las cuales en algunos casos son moléculas de uno o varios átomos).
- Las moléculas de los gases están en constante movimiento caótico, chocan entre sí
elásticamente (no pierden energía cinética debido a los choques) y pueden transmitir la energía de una molécula a otra.
- La temperatura se considera como una medida de la energía cinética media de todas las
moléculas. Es decir, que a una temperatura dada, las moléculas de todos los gases tienen el mismo promedio de energía cinética.
- Las fuerzas de atracción entre las moléculas son despreciables
- La presión de un gas es consecuencia de los choques de las moléculas del gas con las paredes del recipiente que las contiene resultando en una fuerza por unidad de superficie (presión).
Ampliación del concepto de densidad.
Las diferentes partículas que existen en la naturaleza están conformadas por partículas (átomos,
iones o moléculas) que según las condiciones de presión y temperatura a las que se encuentran
definirán el estado de agregación molecular (sólido, líquido o gaseoso) y una condición muy característica.
Para caracterizar el estado tan singular de la sustancia, se emplea la propiedad física específica
denominada densidad (d), que nos indicará la cantidad de masa del cuerpo material contenido
en un volumen definido de ella:
V m d
Por lo tanto la masa y el volumen de una sustancia la podemos evaluar así:
- Masa: m = d · V
- Volumen: V = m / d
Las unidades en la que puede estar la densidad son: kg / m3 ; g / cm3 ; g / mL; kg / L
Se debe tener en cuenta que:
1. Los valores de densidad de las sustancias dependen de la presión y temperatura a la cual
se encuentre, pero no dependen de la gravedad; por lo tanto, la densidad de un cuerpo en
la tierra es igual que en la luna, a la misma presión y temperatura.
2. Estando a la misma presión y temperatura es posible diferenciar a dos sustancias
químicamente puras por sus valores de densidad, debido a que es una propiedad específica y característica de cada sustancia.
3. Para una misma sustanciaquímica, generalmente se cumple: Dsolido > Dliquido > Dgas
4. La densidad de sustancias sólidas y liquidas varia en cantidades muy pequeñas con la
temperatura, por lo cual generalmente se considera constante en un rango de temperatura de 0°C a 30°C. En cálculos muy precisos se debe considerar que la densidad disminuye al aumentar la temperatura, esto se debe a la dilatación o aumento de volumen que experimentan las sustancias al ser calentadas.
Ejemplo Aplicativo:
Si en una probeta de 50 mL de capacidad se dispone de 35 mL de agua destilada, y luego al agregar 108 gramos de tuercas de acero, se observo que el nivel de agua asciende hasta completar la capacidad de la probeta, determinar la densidad del acero en unidades S.I. (Sistema internacional kg / m3)
Volumen de las tuercas: V = 50 mL – 35 mL = 15 mL = 15 cm3
Masa de las tuercas: m = 108 gr
Densidad Tuercas :
d = 108 g / 15 cm3 = 7,2 g / cm3
Sistemas materiales. Disoluciones
Copia en tu cuaderno:
-Clasificación de los sistemas materiales.
-Definición de mezcla homogénea, de mezcla heterogénea, de sustancia pura.
Disolución
-Mezcla homogénea de dos o más componentes. En una disolución tenemos:
o Disolvente: Componente que está en mayor proporción.
o Soluto o solutos: Componente o componentes que se encuentran en menor
proporción.
Ejercicio 1.- Pon ejemplos en los que el disolvente sea uno de los estados físicos y el soluto o solutos se encuentren en el mismo estado u otro diferente. Ejercicio 2.- ¿Cómo podría explicar la teoría cinética la disolución?
-Concentración de una disolución es una forma de medir la proporción en que se encuentran
los diferentes componentes de la misma:
■ Cualitativa: diluida (poca proporción del soluto), concentrada (mucha proporción del
soluto), saturada (no se puede disolver más soluto en el disolvente a una temperatura dada).
■ Cuantitativa (numérica): indica la cantidad de soluto que hay en una cantidad dada de disolución o de disolvente. Vamos a ver las siguientes formas:
a. Tanto por ciento en masa (porcentaje en masa):
unidades) mismas las tener deben masas dos (las 100 disolución de masa soluto de masa soluto de masa en %
b. Tanto por ciento en volumen (porcentaje en volumen):
unidades) mismas las tener deben volúmenes dos (los 100 disolución de volumen soluto de volumen soluto de volumen en % c. Concentración en masa: L) en volumen y g en masa ente (habitualm 100 disolución de volumen soluto de masa soluto de masa en ión concentrac
-Copia en tu cuaderno cómo se prepara una disolución.
-Solubilidad de una sustancia en un disolvente es la concentración de la disolución saturada.
Se suele expresar en g de soluto por cada 100 mL de disolvente. Ejercicio 3.- ¿Cómo varía la solubilidad de los sólidos con la temperatura? Ejercicio 4.- ¿Cómo varía la solubilidad de los gases con la temperatura?
Ejercicio 5.- Hay que preparar un litro de una disolución de 20 g / L de sal en agua. ¿Cómo se hace?
Ejercicio 6.- ¿Cómo preparar 2,5 litros de una disolución de 10 g/L de sal en agua? Ejercicio 7.- Se quieren preparar 100 g de una disolución del 5% en peso de sal en
agua. ¿Cómo se hace?
Ejercicio 8.- Disolvemos 20 g de sal en 180 g de agua. ¿Cuál es su concentración en tanto por ciento en peso?
Ejercicio 9.- Podemos preparar un refresco poniendo en un vaso 5g de café soluble, 20g de azúcar y agua hasta completar el vaso de 200 mL. Calcula la concentración en masa de cada una de las sustancias.
Separación de mezclas
1. Separación de las sustancias de una mezcla heterogénea:
a. Métodos basados en el grosor de las partículas:
-Tamizado.
-Filtración.
b. Métodos basados en la densidad de las sutancias:
-Decantación.
-Sedimentación.
-Centrifugación.
c. Método de separación magnética o imantación.
2. Separación de las sustancias de una mezcla homogénea.
a. Métodos basados en el diferente punto de ebullición:
-Destilación.
-Evaporación.
b. Métodos basados en la diferente solubilidad:
-Cristalización.
-Extracción.
3. Métodos basados en la distinta velocidad de desplazamiento de los componentes de una
disolución en otro disolvente: Cromatografía.
Actividades:
1. Escribe en tu cuaderno lo de arriba, explicando cada uno de los métodos nombrados (en
negrita) y poniendo un ejemplo de cada uno. Utiliza dibujos si es posible.
2. Cuando lo tengas, discutiréis en el grupo alguno de los métodos para explicarlo al resto
