Apuntes de la unidad 2: ESTADOS FÍSICOS DE LA MATERIA

• ¿El agua es menos densa en estado sólido?

• ¿Por qué flota un barco de acero?

• Estados de la materia a escala molecular

• Ebullición y evaporación: diferencias y semejanzas.

• El agua que hierve a menos de 100ºC

• Estados de agregación y teoría cinético molecular.

• Efecto de la temperatura en un gas, según la teoría cinético-molecular

• Presión sanguínea

• Efectos sorprendentes de la presión atmosférica

Escalas de temperatura

 

Animaciones de las leyes de los gases

 

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Teoría Cinético Molecular y Covid-19

Teoría cinética de la materia o teoría cinético molecular (TCM)

A continuación describimos los postulados o hipótesis de esta teoría. 
Cuando hayas visto el vídeo completo,  nos haremos preguntas para comprobar si esta teoría es cierta o no.

1. La materia está formada por partículas en continuo movimiento al azar.
      Tarea 1 : ¿Qué pruebas experimentales permiten afirmar que esta hipótesis es cierta?
      Tarea 2: ¿Por qué los granos de polen se mueven al azar y no en línea recta?

2. La velocidad de agitación (del movimiento) de las partículas es mayor cuanto mayor es la temperatura.
      Tarea 3: ¿Qué experimento demuestra este hecho? Describe el experimento que se realiza.
      Tarea 4: ¿Qué podemos concluir del experimento realizado?
      Tarea 5: ¿Podemos suponer que una mezcla de gases se comporta como un soluto disuelto en un disolvente?

3. Cuando aumenta la temperatura, aumenta la  velocidad de agitación (del movimiento) de las partículas y aumenta la energía y por lo tanto disminuye la fuerza de cohesión.
      Tarea 6: ¿Puedes explicar ahora por qué el soluto a mayor temperatura se disuelve antes? Redacta un párrafo que lo deje muy claro.

El cubo y la densidad

Objetivos de este pequeño proyecto: Trabajar el concepto de densidad, cambios de unidades, concepto de comparar o relacionar, estimar y suponer.

Datos:

• Lado del recipiente cúbico: 1 dm
• Densidad del aire: 1,225 kg/m³ a 15ºC. Supongamos que es la misma a la temperatura que vas a hacer esta tarea.
• Sólo para el agua: 1 kg de agua ocupa un volumen de 1L
• Densidad del mercurio: 13,6 g/cm³
• Densidad del osmio (el metal más denso que existe): 22.59 g/cm³
• Datos del cubo de porexpán, poliestireno expandido o corcho blanco...en las imágenes.

Tareas:

1. Completa en tu cuaderno la tabla siguiente, realizando los cálculos necesarios y transformando las unidades cuando sea preciso.

2. ¿Cómo sabemos que hay aire a nuestro alrededor? ¿Cómo podrías demostrar que el aire pesa?

3. Cuando pesamos el cubo de cartulina lleno de aire está destapado, pero... ¿pesará lo mismo que tapado?

4. Dos clic tienen aproximadamente la misma masa (y por lo tanto pesan igual) que nuestro cubo lleno de aire. ¿Eres capaz de detectar con los ojos cerrados dos clic en tu mano? Haz la prueba, pero para evitar trampas (con el roce o con el ruido), será un compañero el que te sitúe los dos clic encima de una pañuelo de tela...si lo hacemos como en esta imagen, sentiremos los dos clics pero... ¡eso no vale!. Se trata de intentar sentir sólo su peso...

5. ¿Cuántas veces es mayor la masa del cubo lleno de agua que lleno de aire? 

6. ¿Cuántas veces es mayor la masa del cubo lleno de mercurio que lleno de agua?  

7. ¿Quién flota en quién? ¿Por qué?

• Porexpán y aire
• Porexpán y agua
• Acero en el agua (la densidad media del acero es de 7850 kg/m³)
• Mercurio y acero 

8. Volvamos a nuestro porexpán. ¿Cuántas veces es más densa el agua que el porexpan? ¿Cuántas veces es más denso el porexpán que el aire?

9. Si prensamos nuestro cubo de porexpán hasta conseguir tener 1 cm de altura (manteniendo la superficie)... ¿Cuál sería ahora su masa? ¿Y su volumen? ¿Y su densidad?

10. Si observas la imagen de debajo verás el porexpán al microscopio. ¿Qué te sugiere la imagen? ¿Será igual la imagen cuando lo prensemos?

11. El poliestireno expandido se usa como aislante térmico y acústico, además de usarse como material para fabricar plantillas de gel para los pies. Investiga en la red sus propiedades y trata de explicar por qué tiene estos usos.

¿Por qué flota un barco de acero?

EXPLICACIÓN 1.

Hay una fuerza (empuje) que actúa hacia arriba y que es mayor que el peso del barco. Esta fuerza (empuje) depende del volumen del barco que se encuentra sumergido.... y una gran parte del barco se encuentra sumergido.

EXPLICACIÓN 2.

Los barcos grandes tienen una tremenda cantidad de espacio en ellos, que está lleno de aire (cabinas, cines, camarotes, etc.). Mientras que el acero es más denso que el agua, el aire es menos denso. Los barcos de metal pueden flotar porque la densidad total es menor que la densidad del agua en la que flotan. Cuando el casco de un barco se quiebra, (como cuando el Titanic chocó con un iceberg), el agua entra en su interior, reemplazando al aire en el casco del barco. La densidad total del barco aumenta y el barco se hunde.

Que podamos variar la densidad, es imprescindible en otro tipo de barco, el submarino. Un submarino tiene un volumen constante pero puede variar su masa cuando retiene agua en sus tanques de balastro. Cuando el agua entra en los tanques de balastro, la masa del submarino, (y por consiguiente la densidad)  aumenta y eso le permite sumergirse en las profundidades del océano. Al contrario, cuando el agua se sale del tanque de balastro, la densidad del barco baja permitiéndole salir a la superficie.

¿Qué explicación es más consistente?

Ebullición y evaporación: diferencias y semejanzas.

Estados de agregación y teoría cinético molecular.

Seguro que has encontrado diferencias entre los tres estados de agregación...todas estas diferencias son hechos.

Ahora pretendemos poner a prueba nuestra teoría cinético-molecular (TCM) para explicar o justificar estos hechos... ¡vamos allá!

	SÓLIDOS	LÍQUIDOS	GASES
DUREZA	Muy alta	Muy alta. Comparable a los sólidos.	Casi nula	DESCRIPCIÓN MACROSCÓPICA
FORMA	Propia. Sólo varían su tamaño al dilatarse.	La del recipiente que les contiene, ocupando el fondo del mismo.	Sin forma propia, ocupan todo el recipiente.
EXPANSIBILIDAD COMPRESIBILIDAD	NO NO	NO (se extienden, pero no se expanden NO	SI (colonia, butano que huele) SI (jeringuilla con aire)
DENSIDAD	Alta dacero=7800 kgm3	Media / alta dgasolina=800 kg/m3	Muy escasa daire=1,3 kg/m3
Fuerzas  intermoleculares	Muy fuertes	Muy fuertes, pero algo menores	Casi nulas, no ejercen interacciones entre ellas.	DESCRPCIÓN MICROSCÓPICA Justificación de la TCM
Distancia  intermolecular	Casi nulas (ñ cuando se dilatan al calentarse)	Casi nulas (ñ cuando se dilatan al calentarse)	Muy grande
Grados de  libertad	Vibración (solo vibran sin variar su posición)	Vibración y rotación (además de vibrar, pueden desplazarse unas alrededor de otras)	Vibración, rotación y traslación (libertad total)
Al aumentar la temperatura… ñ Tà…	Aumenta la amplitud de la vibración y su frecuencia. Las partículas pueden apartarse tanto de sus posiciones iniciales que el sólido llega a transformarse en líquido	Al ir aumentando la temperatura las partículas que posean más energía pueden vencer la atracción de las demás y pasar a la fase gaseosa	Las  moléculas/átomos que forman el gas, se mueven más rápido y con más energía à  aumenta el nº de choques -sin pérdida de energía (choque elástico)- contra la pared del recipiente contenedorà Aumenta  la presión.
Consecuencias	Las partículas casi no tienen libertad de movimiento, y sólo pueden vibrar en torno a la posición fija.	En un líquido, las partículas tienen más libertad de movimiento que las partículas de un sólido. Pueden desplazarse unas alrededor de otras.	Caos.  Están formados por partículas muy separadas entre sí. Las partículas están en continuo movimiento y chocan entre sí y con las paredes del recipiente.
EJEMPLOS	Sal común, hielo, hierro…	Agua, aceite, alcohol 96º, leche…	Aire, O2, N2, He, CO2
Modelos (Representaciones de la realidad)	Modelos moleculares tridimensionales	Caja llena de canicas en la que muevo una alrededor de las demás	Haz de luz con polvo en suspensión.

Presión sanguínea

La tensión o la presión arterial mide la presión (Fuerza/Superficie)  que ejerce la sangre contra las paredes de las arterias. 

Se hacen dos mediciones: 

• la presión sistólica (valor alto), que corresponde a la presión cuando el corazón se contrae y bombea la sangre. 
• la presión diastólica (valor bajo), que corresponde a la presión de la sangre cuando el corazón se relaja, entre un latido y el siguiente.

Realmente, la tensión se mide en milímetros de Hg; sin embargo cuando los sanitarios nos dicen que la tensión es, por ejemplo, de 13/8, nos lo están indicando en cm de Hg (realmente el aparato indica 130/80 mmHg).    

¿El agua es menos densa en estado sólido?

 ¿El agua pesa menos en estado sólido? Mal dicho....

 ¿El agua es menos densa en estado sólido? Bien dicho...

El agua, junto con otros elementos (Galio, Bismuto, Antimonio y el Silicio), es uno de los pocos materiales que al congelarse aumenta de volumen, por lo que disminuye su densidad.... Vamos, que el agua "se expande al congelarse". 

Esto evita que los océanos de las regiones polares de la Tierra se congelen, dejando al hielo flotando en el agua líquida de forma que el hielo queda expuesto a los cambios de temperatura de la atmósfera.

Por tanto, sí, el agua es menos densa en estado sólido, y por eso flota encima del agua líquida.

De hecho, un litro de agua líquida tiene una densidad aproximada de 1 g/cm³, y un litro de hielo tiene una densidad aproximada 0,9 g/cm³. 

Es decir, un litro de agua líquida pesa aproximadamente 1 kilogramo y un litro de agua congelada pesa aproximadamente 900 gramos.

El hielo tiene menos densidad porque las moléculas se "separan" ordenándose en una estructura cristalina tetraédrica no compacta.

 Esta propiedad evita que los océanos de las regiones polares de la tierra, se congelen en todo su volumen, puesto que el hielo flota en el agua. Al formarse la capa de hielo en la parte de arriba y flotar sobre el agua, como el hielo no es muy buen conductor del calor, el resto del agua permanecerá líquida permitiendo la vida de los animales y plantas en su interior.

       

Además, pensad que el hielo ejerce presión sobre el agua que queda por debajo, lo que impide que aumente el volumen de ésta, no pudiendo disminuir la densidad y así no seguir convirtiéndose en hielo.

Si el agua se comportara como la mayoría de los elementos, no existiría la vida en el Ártico, ya que todo el agua se congelaría totalmente….