Pensamos en grupo 

Haced estas actividades en grupos:

1. Escribid el nombre de las sustancias puras y las mezclas de las fotografías. ¿En qué estado de agregación las encontramos habitualmente?

2. Anotad de cada sustancia pura dos propiedades que permitan identificarla.

1. Debatid acerca de por qué un globo con helio asciende más rápido que si está lleno de aire.

  Encontrarás una autoevaluación inicial interactiva.

Todo lo que nos rodea es materia; el suelo que pisamos, el agua de un río y el aire que respiramos (aunque no lo podamos ver), es materia. Recordemos algunas ideas que sobre la materia vimos en cursos pasados.

1.1 Los estados de agregación

En las condiciones de la corteza terrestre la materia puede presentarse en tres estados de agregación: sólido, líquido y gaseoso.

Por qué hay diversos estados de agregación

Acabamos de decir que existen diversos estados de agregación, pero, ¿de qué depende el que una sustancia se presente habitualmente como sólida, por ejemplo, el cloruro de sodio, NaCl; líquida, como el agua, H₂O, o gaseosa, como el oxígeno, O₂? ¿Por qué el agua puede presentarse a veces como sólido y otras como líquido o como gas?

Los científicos han observado que el estado de agregación depende de:

• La intensidad de las fuerzas de atracción entre las partículas que componen la sustancia.
• Las condiciones de presión y de temperatura a las que se encuentre.

Cada uno de estos estados de agregación presenta diversas características, que resumimos a la derecha.

En esta unidad estudiaremos el estado de agregación más sencillo, el gaseoso, dedicando el último epígrafe a un gas muy especial: el aire, y en la unidad siguiente veremos el estado líquido. El estado sólido presenta más complejidad en su estudio y se analiza en cursos superiores.

  Deduce. Las partículas de cualquier tipo de materia siempre están vibrando. También sabemos que los sólidos, cuando se aumenta su temperatura, se dilatan (aumentan su tamaño). ¿Sabrías encontrar la relación entre ambos hechos? Fíjate en la imagen del sólido.

Por otro lado, en el esquema de la denominación de los cambios de estado que se muestra en la página siguiente, en la imagen que ilustra el estado gaseoso del agua aparece una nube, que en realidad, está formada por gotas microscópicas de agua líquida. ¿Por qué crees que utilizamos esa imagen? ¿Cómo sería una imagen en la que únicamente apareciese un gas? Lee de nuevo los contenidos de esta página si lo necesitas.

Características de los cambios de estado

• Quedan definidos, para cada presión, por un valor concreto (fijo) de la temperatura, que se denomina temperatura de cambio de estado.
• Son reversibles; si volvemos a las condiciones previas, la materia recupera su estado de agregación.
• Mientras se produce el cambio de estado de una sustancia pura, la temperatura es constante. El calor recibido o desprendido se invierte en cambiar de estado.

Las temperaturas de fusión, Tf, y de ebullición, Te, de algunas sustancias, a una presión dada, son:

Razona cuál será el estado de agregación de cada una de ellas a las siguientes temperaturas:

a) 30 °C.           b) 90 °C.          c) −120 °C.

En el intervalo de temperaturas comprendido entre las de fusión y de ebullición, el estado será líquido; por encima de la de ebullición, gas, y por debajo de la de fusión, sólido. Según esto, el estado de agregación de cada sustancia será:

1. Explica el significado de las siguientes frases:

a) Los gases son fácilmente compresibles.

b) Los sólidos requieren grandes presiones para disminuir su volumen.

2.   Define brevemente, pero con precisión:

a) Fusión.           b) Vaporización.           c) Sublimación.

1.   Mira la presentación «Fusión y vaporización» y diferencia entre evaporación y ebullición.

1. Razona la veracidad o la falsedad de estas frases:

a) Cuande el hielo funde, se desprende energía térmica hacia el entorno, y su temperatura aumenta.

b) Cuando el agua de lluvia pasa a sólido y nieva, la temperatura aumenta.

1. Razona por qué no se puede usar un antiguo termómetro de mercurio en enero en la Antártida.

1.   Visualiza la simulación «Sólido, líquido y gas», y responde a las actividades que se proponen.

El estudio experimental de los cambios de estado se realiza calentando o enfriando de forma continua la sustancia objeto de estudio mientras vamos anotando, cada cierto tiempo, la temperatura que alcanza. Con las parejas de valores tiempo-temperatura, obtenidos durante la experiencia de laboratorio, construimos una gráfica de cambio de estado, que puede ser de calentamiento o de enfriamiento.

2.1 Gráfica de calentamiento

Esta gráfica muestra cómo va aumentando la temperatura de una sustancia a medida que le comunicamos energía mediante calor. Para entender este tipo de gráfica, utilizaremos el agua como sustancia de referencia. La gráfica nos permite visualizar dos mesetas, o líneas horizontales, y tres tramos rectos inclinados y ascendentes.

Mesetas en una curva de calentamiento

Indican los dos cambios de estado progresivos que pueden tener lugar, fusión y vaporización (sin tener en cuenta aquellas sustancias que subliman).

Si partimos de una temperatura a la que el agua está en fase sólida (hielo), la primera meseta aparecerá a la temperatura de fusión, y la segunda, a la temperatura de ebullición. En cada meseta coexisten dos estados de agregación.

Tramos rectos ascendentes

En ellos, la sustancia va aumentando su temperatura al recibir energía en forma de calor de su entorno. En estos tramos rectos ascendentes solo existe un estado de agregación, el que corresponde al valor de la temperatura en cada instante.

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2.2 Gráfica de enfriamiento

Ahora el proceso es el inverso; se parte de una temperatura a la cual la sustancia a estudiar se encuentra en estado gaseoso y vamos disminuyendo su energía, que se transfiere en forma de calor a su entorno, con lo cual su temperatura irá bajando. Al hacerlo, nos volveremos a encontrar las dos mesetas propias de los dos cambios de estado posibles (para los mismos valores de temperatura anteriores) y los tres tramos rectos inclinados.

El ejercicio resuelto nos permite visualizar esta situación. Observa que podríamos identificar una sustancia pura desconocida a partir de las temperaturas de cambio de estado obtenidas de la gráfica y comparándolas con las tablas de datos de las que dispone el científico.

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7.  Dibuja la curva de calentamiento del metanol, sabiendo que sus temperaturas de fusión y de ebullición son de −97 °C y de 64,5 °C, respectivamente. 

1. Explica el significado de la frase que aparece en el texto: «En cada meseta coexisten dos estados de agregación». 

1.  Trabaja con la actividad interactiva «Los cambios de estado». 

1.  Visualiza el vídeo «Cambios de estado de la materia». 

1. A partir de los datos de la tabla y de la expresión estudiada el año pasado que relaciona las escalas Celsius y Fahrenheit, indica cuál de estas sustancias, A y B, es la del ejercicio resuelto.

12. El bromo, Br2, un líquido de color rojizo que produce quemaduras dolorosas en la piel, funde a −7 °C y hierve a 59 °C. Dibuja sus curvas de enfriamiento y de calentamiento.

1. ​  Si observas la figura de la curva de enfriamiento del ejercicio resuelto 2, verás que el tramo 4 tiene menor longitud que el tramo 2 . ¿Para qué cambio crees que hay que aportar menos calor, para fundir o para vaporizar la sustancia?

Para explicar las propiedades de los distintos estados de agregación, hacia la segunda mitad del siglo XIX diversos científicos desarrollaron la denominada teoría cinético-molecular, TCM. Al principio fue aplicada a los gases, el estado de agregación más sencillo de estudiar.

3.1 Hipótesis de la TCM

La teoría cinético-molecular parte de las siguientes hipótesis:

​  Los gases están formados por unas partículas muy pequeñas (moléculas y a veces átomos) que se mueven continuamente y al azar.

​  Las partículas del gas están muy separadas unas de otras en comparación con su tamaño; podemos considerar que la mayor parte del espacio ocupado por el gas está vacío.

​  En su movimiento, las partículas del gas chocan entre sí y contra las paredes del recipiente.

​  Las partículas no interaccionan entre sí (ni se atraen ni se repelen), salvo cuando tiene lugar una colisión.

​ La temperatura del gas es la manifestación de este movimiento. A mayor velocidad, mayor temperatura, y viceversa.

​  Como la energía asociada al movimiento (cinética), depende de la velocidad, al subir la temperatura aumentará dicha energía: el grado de agitación de las partículas aumenta con la temperatura.

Qué explica la TCM

La TCM explica una buena parte del comportamiento de la materia, como, por ejemplo, sus estados deagregación y los cambios de estado. También nos permite entender algunos hechos cotidianos.

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¿Qué ciclo conoces, estudiado en años anteriores, relacionado con la evaporación del agua de lagos, ríos y mares?

3.2 La TCM y los estados de la materia

La TCM, establecida en principio para gases, pronto se amplió para explicar el comportamiento de las denominadas fases condensadas.

La TCM permite explicar los cambios de estado, en los que solo vamos a considerar los efectos de la temperatura:

• Fusión. Al aumentar la temperatura del sólido, aumenta la energía cinética de sus partículas, con lo que su grado de agitación también lo hace. Por tanto, podrán abandonar las posiciones fijas que ocupaban en la estructura sólida y fluir con cierta libertad. Así, se forma el líquido.
• Vaporización. Si seguimos aumentando la temperatura del líquido, la energía cinética de las partículas se va incrementando cada vez más. Ahora las partículas se separan unas de otras cada vez más y «vencen» las fuerzas de atracción que las mantenían unidas en el líquido. El resultado es la formación del gas.

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​  Opina. La fusión de los polos como resultado del calentamiento global a veces se denomina «fusión anómala». ¿Te parece correcto? ¿Es una fusión diferente de otras?

​  Piensa. La nube de agua que se ve en la fotografía, ¿es líquida o sólida? ¿Se ve el vapor de agua en ella?

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14. Explica de otro modo las hipótesis 5 y 6 de la TCM.

1. ​  Para una misma sustancia, ¿en qué estado de agregación es mayor la energía cinética de sus partículas constituyentes? ¿Por qué?

1. Comenta el significado de esta frase: «al modificar la temperatura puede tener lugar un cambio de estado». Para ello, observa las gráficas de calentamiento o enfriamiento del epígrafe anterior.

1. ​  Utiliza la TCM y explica cómo influye la temperatura en el estado de agregación de las sustancias.

1. ​  Solicita la ayuda de tu profesor o profesora y explica por qué a veces se usa el término «gas» y otras, como ocurre con el agua, el término «vapor».

1. El etanol hierve a 74 °C, y el metanol, a 64,5 °C. ¿En cuál de las dos sustancias son mayores las fuerzas de atracción entre sus partículas?

La palabra «gas» deriva del griego khaos, término que significa ‘'abismo oscuro', pero también '‘masa de materia sin forma'. Fue utilizada por vez primera por J. B. VAN HELMONT, médico y «químico» holandés del siglo XVII.

4.1 Sustancias que existen como gases

De todas las sustancias conocidas, naturales o producidas por el ser humano, la minoría se presenta como gases, pero no por ello son menos importantes, ya que vivimos en el fondo de un océano gaseoso, el aire. La tabla nos muestra algunas sustancias gaseosas de interés.

De los gases que aparecen en la tabla destacamos:

• El O₂, esencial para la vida. Otros, en la proporción adecuada, como el N₂ o el CO₂, o en su «sitio», como el O₃, son necesarios para la vida.
• Algunos son tóxicos (NH₃, NO₂ o SO₂), o muy tóxicos (Cl₂ y CO). Si alguno está en el aire, hablamos de contaminación atmosférica; esta puede ser de origen natural o antropogénica (si los produce el ser humano en algunas de sus actividades, principalmente al usar combustibles fósiles).

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Relaciona los contenidos de la imagen del ozono con los contenidos relacionados con las capas de la atmósfera, estudiados en cursos anteriores.

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20. ​  Busca información sobre los efectos de algunos gases contaminantes en la salud del ser humano o sobre el medio ambiente.

1.   ​  Explica brevemente qué es la presión de un gas y cómo la explica la TCM.

1. El uso de combustibles fósiles produce una serie de gases tóxicos que contaminan la atmósfera. ¿Qué usos le damos a esos combustibles?

1. Razona la siguiente equivalencia entre dos unidades de presión: 1 atm = 1 013 mb.

1. ​  Puesto que la presión se define como el cociente entre una fuerza y una superficie, indica cuál o cuáles de las siguientes unidades son unidades de presión, y expresa su valor en unidades del SI:

a) 650 mmHg.                      b) hN/cm².                         c) hN/cm³.

d) mm.                                    e) N/km².                             f) N/mm².

Para describir el comportamiento de los gases, se utilizan cuatro magnitudes físicas: presión, volumen, temperatura y cantidad de sustancia. Combinándolas de dos en dos, se obtienen las leyes de los gases. En este curso, solo utilizaremos las tres primeras magnitudes.

5.1 Gas ideal. Leyes de los gases ideales

Para simplificar el estudio de los gases se parte de un concepto hipotético, muy sencillo, el de gas ideal o perfecto:

Las combinaciones referidas originan tres leyes: la ley de Boyle (ode Boyle y Mariotte), que relaciona p y V, y las dos leyes de Charles y Gay-Lussac, que relacionan, en un caso, p y T, y en el otro, V con T.

5.2 Ley de Boyle y Mariotte

Numerosos trabajos experimentales, como, por ejemplo, el que muestra la figura inferior, nos muestran un hecho que ya comentamos en el inicio de la unidad: los gases son fácilmente compresibles. Así, a mediados del siglo XVII, R. BOYLE, en Inglaterra, y E. MARIOTTE, en Francia, estudiaron las variaciones que experimenta el volumen de un gas al modificar la presión, encontrando que:

Expresión de la ley de Boyle y Mariotte

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25. Razona acerca de la veracidad o falsedad de la frase: al triplicar el volumen de un gas, la presión que ejerce se hace tres veces mayor.

1. ​  Representa en papel milimetrado los valores de la tabla del ejercicio 5. A partir de ella, calcula el valor aproximado de la presión, en unidades SI, que ejercerá el gas cuando el volumen sea de 5,0 cm³.

Solución: p = 1 atm.

1. ​  Explica, poniendo dos ejemplos numéricos concretos de p y V, qué significa la frase del texto: «relaciones de proporcionalidad inversa».

1. ​  Un cilindro de 2,5 m³ con un émbolo móvil contiene nitrógeno. Si p = 13,0 atm y se aumenta la presión hasta 19,5 atm, el émbolo, ¿subiría o bajaría? ¿Qué volumen ocuparía el gas?

Solución: V = 1,7 m³.

5.3 Comportamiento de un gas con la temperatura

Hacia finales del siglo XVIII y principios del XIX, J. CHARLES y J. L. GAY-LUSSAC estudiaron cómo variaban la presión y el volumen cuando cambiaba la temperatura. Surgieron así las leyes que llevan su nombre.

Primera ley de Charles y Gay-Lussac

Explica qué le ocurre al volumen de un gas al cambiar la temperatura:

Es decir, si aumenta la temperatura, el volumen también lo hace en la misma proporción, y viceversa. Así:

V ; T (T en kelvin, siempre) V = cte · T 

Para dos situaciones, inicial (1) y final (2), tenemos que:

La ecuación V = cte · T corresponde a una línea recta. Al representar (figura inferior izquierda) V (ordenadas) frente a T en grados Celsius (abscisas), se observa cómo el volumen del gas se va contrayendo según desciende la temperatura. Llega un momento en que el gas se licúa. Al prolongar la recta se obtiene por extrapolación que para T = -273,15 °C, el volumen sería nulo. Como esto no es posible, ese valor de la temperatura, denominado cero absoluto, es inalcanzable. Surge de aquí una nueva escala de temperatura, la escala Kelvin, cuyo valor cero es: 0 K = -273,15 °C. Por esto, T (K) = 273,15 + t (°C).

Segunda ley de Charles y Gay-Lussac

Esta ley nos dice qué le ocurre a la presión al cambiar la temperatura.

Análogamente a como hicimos en la primera ley, tenemos:

La representación gráfica de p frente a T es una línea recta.

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1. ​  Con un cilindro de émbolo móvil que lleva acoplado un termómetro, se va midiendo el volumen que ocupa una masa de gas a medida que se va calentando. Los valores obtenidos aparecen en la tabla:

a) Comprueba que el cociente V/T es constante.

b) Representa gráficamente las parejas de valores, donde la temperatura ha de estar en kelvin.

c) Calcula a partir de la gráfica el volumen que ocuparía el gas a t = 35 °C.

Solución: V = 16,3 dm³.

1. Comenta el significado de la siguiente frase: «El comportamiento de los gases se explica de manera mucho más sencilla utilizando la escala Kelvin; por ello, en cualquier cálculo de gases se debe expresar la temperatura en dicha escala».

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1. Explica por qué no se pueden alcanzar valores negativos de la temperatura en la escala kelvin.

1. Un cilindro con un émbolo se llena con 25 cm³ de aire a 15 °C. Si su volumen máximo es de 30 cm³, ¿hasta qué temperatura se puede calentar a p = cte?

Solución: T = 345,6 K (72,6 °C).

1. ​  ¿A qué presión se encuentra un gas a la temperatura de 70 °C si a 20 °C su presión era de 1 atm, y no ha cambiado el volumen?

Solución: p₂ = 1,17 atm.

1. ¿Qué ocurriría si se calentase mucho una olla a presión de cocina y fallase la válvula de seguridad?

Cuando un astronauta mira la Tierra desde el espacio, la ve rodeada de una capa azul, muy fina, que denominamos atmósfera. En su interior transcurre la vida del ser humano y de otros muchos seres vivos.

6.1 La atmósfera terrestre

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8. El oxígeno, O₂, es una sustancia que se utiliza en numerosas reacciones en la industria química, y que se toma del aire. Si una fábrica utiliza diariamente 1 500 m³ de oxígeno, calcula el volumen de aire que necesitaría. ¿Qué cantidad de nitrógeno habrá en el volumen de aire necesario?

De acuerdo con la tabla incluida en esta página, la presencia de oxígeno en el aire es del 20,946%.

Teniendo esto en cuenta, resolvemos el ejercicio de forma inmediata mediante una sencilla proporción:

V =7 161 m³ de aire

O utilizando factores de conversión:

El cálculo de la cantidad de nitrógeno que habrá en 7 161 m³ de aire lo realizamos de forma parecida:

Cómo varía la presión atmosférica

El valor de la presión atmosférica no es constante, sino que depende de varios factores; el principal de ellos es la altitud. Como la cantidad de aire que tiene la atmósfera disminuye a medida que nos elevamos, también lo hace la presión. Por eso:

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35. Busca información contrastada y elabora un breve informe de los usos en la sociedad de algunos gases que contiene el aire como O₂, N₂ y gases nobles.

1. ​  ¿Cuántos litros de CO₂ habría en 250 m³ de aire que tuviese la composición que indica la tabla?

Solución: V = 0,0925 m³ de CO₂ = 92,5 L de CO₂.

1. ​  Una determinada fábrica de nanotecnología necesita 150 m³ de N₂. ¿Qué volumen de aire debería tratar para obtener dicha cantidad?

Solución: V = 192,1 m³ de aire.

1. Las dimensiones de un aula son: 7,5 m · 4,5 m · 3,0 m. Calcula el volumen de O₂ que hay en ella. Si la densidad de este gas es de 1,35 g/L, ¿qué masa de O₂ contiene?

Solución: Vo₂ = 21,2 m³; = 28,62 kg.

1. ​  Busca información sobre las capas de la atmósfera y explica la función de cada una.

1. La presión en la cima del Everest es de unos 300 mmHg, y a nivel del mar, de 1 atm. ¿Cuántas veces es menor en la cima?

Solución: 2,5 veces menor.