3. Recuerda cómo se realiza la conversión de unidades y expresa los siguientes valores de masa y volumen en las unidades que se indican:

a) 0,087 kg en g.

4. Indica detalladamente el procedimiento que sigues para medir:

a) El volumen de un balón.

1 Propiedades generales y características. La densidad

El valor de la densidad es característico de cada sustancia pura en unas condiciones dadas. Esto significa que no hay dos sustancias con la misma densidad, por lo que podemos utilizar esta magnitud para identificarlas.

Observa y aprende

• Calcula la densidad de un objeto que tiene una masa de 280 g y un volumen de 3,5 · 10^–4 m³. Expresa el resultado en g/cm³ e interpreta su significado.

El resultado indica que este objeto tiene una masa de 0,8 g por cada centímetro cúbico de volumen.

5. Calcula la densidad de las siguientes sustancias a partir de los datos que se indicane interpreta el resultado obtenido. Exprésalo en la unidad internacional.

a) m = 0,6 kg; V = 500 cm3.

6. La densidad del estaño es de 7,3 g/cm3. ¿Qué masa tiene una bola de estaño de 2 cm3 de volumen?
   

7. ¿Depende la densidad del tamaño del objeto? Justifica tu respuesta.
   

Si observamos diferentes sistemas materiales, veremos que podemos clasificarlos en tres grandes grupos, de acuerdo con sus estados de agregación.

Propiedades de los sólidos, los líquidos y los gases.

Nuestra experiencia cotidiana nos muestra que ciertas sustancias pueden presentarse en distintos estados de agregación, dependiendo de la temperatura a la que se encuentren. Así, por ejemplo, el agua está en estado sólido por debajo de 0º C, y se convierte en vapor a temperaturas superiores a 100º C.

Estos cambios de estado son bastante comunes en la naturaleza y dependen fundamentalmente de la temperatura. En total hay seis posibles cambios de estado.

Los cambios de estado de la materia.

Los cambios de estado pueden ilustrarse con numerosos ejemplos:

• Las altas temperaturas del interior de la Tierra hacen que las rocas se fundan, dando lugar al magma; cuando este alcanza la superficie durante una erupción volcánica, se solidifica y forma nuevas rocas. El proceso ocurre por fusión y posterior solidificación.
• El agua que hierve en una olla genera vapor, que se licúa al entrar en contacto con la tapadera, más fría. Se produce una vaporización, seguida de una condensación.
• Al calentar el yodo sólido, se observan unos característicos vapores de color violeta. Se trata de una sublimación.

9. Investiga en libros o en Internet, e indica en qué estado de agregación se encuentran las siguientes sustancias a temperatura ambiente: hidrógeno, carbono y bromo.
   
10. El punto de fusión del ciclohexano, que es un hidrocarburo presente en el petróleo, es de 6,6 ºC, y su punto de ebullición es de 80,7 ºC. ¿En qué estado de agregación se encuentra el ciclohexano en verano? ¿Qué le puede ocurrir en un frío día de invierno?
    
11. Teniendo en cuenta los valores de los puntos de fusión y de ebullición del etanol, el mercurio y la sal común, indica en qué estado se encontrará cada sustancia a la temperatura de 110 ºC.

2 Gráficas de cambios de estado

El estudio experimental de los cambios de estado se lleva a cabo calentando o enfriando de forma continua una sustancia y registrando su temperatura en diferentes instantes de tiempo; con los datos de temperatura y tiempo se construye una gráfica de cambio de estado.

Si realizamos este estudio para el agua, calentando hielo —que se encuentra inicialmente a la temperatura de –30 ºC— hasta conseguir vapor sobrecalentado a la temperatura de 120 ºC, se obtiene una gráfica como la siguiente:

Gráfica de calentamiento del agua. Durante el cambio de estado de sólido a líquido (fusión) o de líquido a gas (vaporización) la temperatura permanece constante, no varía.

Del mismo modo, si enfriamos progresivamente vapor de agua hasta conseguir hielo, la gráfica que resulta es esta otra:

Gráfica de enfriamiento del agua. Durante el cambio de estado de gas a líquido (condensación) o de líquido a sólido (solidificación) la temperatura se mantiene invariable.

12. Teniendo en cuenta las gráficas de calentamiento y de enfriamiento del agua, contesta:
    
    a) ¿A qué temperatura ocurre la fusión? ¿Y la solidificación?
    
    
    b) ¿A qué temperatura se produce la vaporización? ¿Y la condensación?
    
    
    c) ¿Por qué en la gráfica de calentamiento y en la de enfriamiento el punto de fusión del agua tiene el mismo valor?
    

La existencia de los tres estados de agregación y los cambios de unos a otros son fenómenos conocidos desde muy antiguo. Para explicarlos se ha propuesto la teoría cinética.

La teoría cinética intenta justificar el comportamiento macroscópico (observado a simple vista) de la materia en los distintos estados de agregación a partir de su composición microscópica. Inicialmente se refirió al comportamiento de los gases, aunque con posterioridad se amplió para incluir líquidos y sólidos.

Las hipótesis que propone (que ya han sido validadas por numerosos experimentos) pueden resumirse en unos enunciados o postulados.

La validez de la teoría cinética radica en que es capaz de explicar las propiedades observadas para los gases, como la capacidad de difusión de un gas en el recipiente que lo contiene o cómo se comprime fácilmente al aumentar la presión.

13. La teoría cinética es un ejemplo de la aplicación del método científico al estudio de varios fenómenos. ¿Por qué decimos que es una teoría? ¿Cuáles son los fenómenos observados que trata de explicar?
    
14. Según la teoría cinética, ¿qué ocurre a nivel microscópico cuando se enfría un gas? ¿Y cuando se calienta?

1 Presión de un gas

Cuando inflamos un neumático, el aire que introducimos en su interior ejerce una presión suficiente para mantener la forma de la rueda. La teoría cinética también proporciona una explicación a este hecho.

El aire contenido en el neumático está formado por un elevadísimo número de partículas que chocan continuamente con su superficie interior. El resultado de esos billones y billones de colisiones es la presión.

En general, cualquier gas contenido en un recipiente cerrado ejerce presión como consecuencia de los choques de sus partículas contra las paredes del contenedor. La presión es una magnitud y su unidad en el Sistema Internacional es el Pascal (Pa).

La medida de la presión en recipientes cerrados se lleva a cabo mediante un instrumento llamado manómetro. Se trata de un dispositivo provisto de una escala graduada que se conecta al recipiente que contiene el gas.

Factores que influyen en la presión

La presión ejercida por un gas depende de varios factores. Exprimentalmente, se observa que aumenta cuando lo hace la cantidad de gas y la temperatura, o si disminuye el volumen del recipiente. La teoría cinética nos proporciona la explicación de esta dependencia observada.

15. Una de las afirmaciones sobre la presión que ejercen los gases contenidos en un recipiente cerrado es verdadera. Indica cuál y explica por qué.

a) A que están formados por un enorme número de partículas muy apretadas.
b) A que las partículas chocan entre sí y rebotan.
c) A que las partículas constituyentes se mueven a gran velocidad.
d) A que las partículas chocan continuamente con las paredes del recipiente.

Observa y aprende

• Al comprimir un gas contenido en un recipiente aumenta la presión en su interior. Explica este hecho basándote en la teoría cinética.

Con el análisis anterior, y teniendo en cuenta que la presión en el interior del recipiente es debida al choque de las partículas del gas contra sus paredes, explicaremos este hecho.

Al comprimir el gas, el espacio en el que se mueven las partículas es menor, y por ello el número de choques de estas contra las paredes por unidad de tiempo aumenta. En consecuencia, se incrementa la presión.

2 Los estados de la materia según la teoría cinética

Líquido.  En un líquido, las fuerzasde atracción entre las partículas son menores que en el caso del sólido. Las partículas pueden moverse libremente en el seno del líquido, pero sin perder el contacto entre ellas, de ahí que los líquidos tengan estas propiedades:

• Forma del recipiente que los contiene.
• Volumen fijo; no se comprimen.
• Fluyen y no se difunden.

Gas.  En un gas, las partículas se mueven libremente y al azar, pues no existen fuerzas de atracción entre ellas y están separadas por grandes distancias, por lo que no se encuentran en contacto, salvo cuando chocan. Por tanto, los gases tienen estas propiedades:

• Forma del recipiente que los contiene.
• Volumen variable; se comprimeny se expanden.
• Fluyen y se difunden.

17. Basándote en la teoría cinética, justifica las siguientes propiedades de los sólidos, los líquidos y los gases.
18. 
    a) Un sólido no se puede comprimir.
    
    
    b) Un líquido no tiene una forma fija y adopta la del recipiente que lo contiene.
    
    
    c) Los gases son fácilmente compresibles.
    
    
    d) Los sólidos tienen una forma fija.
    
    
    e) Los líquidos y los gases pueden fluir.
    
    
    f) Un líquido posee un volumen definido y no puede comprimirse.
    

3 La teoría cinética y los cambios de estado

Teniendo en cuenta el modelo propuesto por la teoría cinética para sólidos, líquidos y gases, los cambios de estado producidos por un aumento o una disminución de la temperatura también se pueden justificar.

Observa cómo se producen la fusión y la vaporización a escala microscópica:

Energía y cambios de estado. La mayor o menor energía de sus partículas determina el estado de agregación de una sustancia. 

18. La teoría cinética permite justificar cómo ocurren los cambios de estado al aumentar o disminuir la temperatura. Explica, de acuerdo con dicha teoría, cómo tienen lugar la condensación y la solidificación al enfriar una sustancia.
    
19. El yodo es una sustancia que pasa directamente del estado sólido al gaseoso cuando se calienta hasta una cierta temperatura. ¿Qué nombre recibe ese cambio de estado? ¿Cómo podría explicarse, según la teoría cinética?
    

La facilidad con la que los gases se comprimen y se expanden ha permitido estudiar la relación entre la presión, el volumen y la temperatura a la que se encuentra un gas y ex­presarla mediante fórmulas matemáticas. Este estudio comenzó en el siglo xvII, cuando se constató que el aire y otros vapores obtenidos en distintos procesos químicos eran materia.

1 Ley de Boyle

Esta ley fue publicada en 1622 por el químico irlandés Robert Boyle.

Observó que al duplicar la presión de un gas, su volumen se reducía a la mitad. Realizando más medidas, llegó a la conclusión de que el volumen y la presión son inversamente proporcionales.

A finales del siglo xvII, el francés Edmé Mariotte redescubrió la ley, añadiendo la condición de que la temperatura debía ser constante. La ley de Boyle se expresa matemáticamente mediante una fórmula, obtenida a partir de los datos experimentales.

Ley de Boyle. La presión y el volumen son inversamente proporcionales.

k es un número que depende de la temperatura y de la cantidad de gas, y que se calcula a partir de los datos de la gráfica. Su unidad en el Sistema Inter­nacional es el Pa · m³.

Con la ley de Boyle se calcula la presión o el volumen de un gas, conociendo k y la otra magnitud. Fíjate cómo se hace.

Observa y aprende

• El comportamiento de un  gas a cierta temperatura  se rige por la fórmula p · V = 200 Pa · m³. Si ocupa un volumen de 250 cm³, ¿a qué presión se encuentra?

Dado que trabajamos en unidades del SI, lo primero que haremos será expresar el volumen en m³. Para ello, tendremos en cuenta la equivalencia:

Para calcular la presión, debemos despejar ahora de la fórmula que nos da el enunciado, que es un caso particular de la ley de Boyle. Por tanto, sería:

Aplicando la ley de Boyle, hemos calculado la presión de un gas a partir del volumen que ocupa.

20. La Ley de Boyle es experimental. La teoría cinética, que es posterior, ¿está de acuerdo con ella? Justifica tu respuesta.
    
21. El comportamiento de un gas a una cierta temperatura se rige por la fórmula p · V = 8, en unidades del SI. ¿Qué presión ejerce cuando ocupa un volumen de 250 L? ¿Qué volumen ocupa si su presión es de 20 Pa?
    

2 Otras leyes de los gases

A principios del siglo xIx, el químico francés Joseph Louis Gay-Lussac publicó dos leyes sobre el comportamiento de los gases.

Una de ellas había sido descubierta años antes por el también francés Jacques Charles.

Utilizando un gas en un recipiente cerrado con un pistón móvil, Charles y posteriormente Gay-Lussac comprobaron que, al aumentar la temperatura, el volumen también se incrementaba en la misma proporción; temperatura y volumen son directamente proporcionales cuando la presión se mantiene constante. La fórmula que expresa la ley de Charles se puede obtener experimentalmente.

En otro experimento similar, Gay-Lussac mantuvo fijo el volumen mediante un recipiente herméticamente cerrado y observó una proporción directa entre la temperatura del gas y su presión. La ley de Gay-Lussac también se obtiene a partir de los datos experimentales.

La ley de Charles y la ley de Gay-Lussac se utilizan para realizar cálculos de la misma forma que la ley de Boyle. Para ello, y una vez que sabemos que se cumplen las condiciones en las que es válida cada ley, necesitamos conocer el valor de una de las magnitudes y el de la constante para poder hallar el valor de la otra magnitud.

22. A una presión determinada, un gas ocupa un volumen de 4 L a la temperatura de 150 K. Si la temperatura aumenta a 250 K, ¿qué volumen ocupará la misma cantidad de gas? ¿En qué ley te basas para realizar el cálculo?
    
23. Según las leyes de los gases, es falso el siguiente enunciado: "Si la presión es constante, el producto del volumen por la temperatura no varía". Explica por qué.
    

3 Ecuación general de los gases

El estado de un gas está caracterizado por el volumen que ocupa, la presión a la que está sometido y la temperatura a la que se encuentra. Las leyes de los gases que conoces relacionan dos de estas magnitudes, suponiendo que la tercera se mantiene constante.

Sin embargo, en muchos sistemas materiales en estado gaseoso se producen variaciones en los valores de las tres magnitudes simultáneamente. En estos casos, la ley que se aplica es la llamada ecuación general de los gases, la cual nos dice que, para una misma cantidad de un gas, se verifica la relación:

Las leyes de Boyle, Charles y Gay-Lussac, por tanto, son casos particulares de la ecuación general de los gases. Fíjate bien:

Leyes de los gases. Estas tres leyes se obtienes a partir de la ecuación general de los gases.

Observa y aprende

• Una cierta cantidad de gas nitrógeno se encuentra a 30 ºC de temperatura y está sometido a una presión de 120 Pa, ocupando un volumen total de 2 L. Calcula a qué presión hay que someter la misma cantidad de gas para que ocupe un volumen de 5 L cuando su temperatura es de 80 º C.

Expresamos los valores de temperatura en kelvin. Para ello, sumamos 273,15:

T₁ = (30 + 273,15) K = 303,15 K; T₂ = (80 + 273,15) K = 353,15 K

Por otra parte, de acuerdo con la ecuación general de los gases, si la cantidad de gas es la misma, se cumple que:

Así pues, sustituimos los datos anteriores y despejamos, en este caso, la presión p₂:

La ecuación general de los gases nos ha permitido calcular el nuevo valor de presión, sabiendo que el producto de presión y volumen, dividido por temperatura, es constante para la misma cantidad de gas.

24. Un gas a 45º C de temperatura está confinado en un recipiente de 1 L y ejerce una presión de 2 HPa. Calcula el volumen del recipiente necesario para que la misma cantidad de gas enfriado a 35º C ejerza una presión de 50 Pa.
    

Repasa lo fundamental

Y realiza un trabajo de investigación
 

Botella de plástico vacía.

Presión de un gas

Los cambios en la presión de un gas al variar la temperatura se ponen de manifiesto también en situaciones cotidianas.
Para comenzar, busca una botella de plástico que esté completamente vacía, con su tapón de rosca. Puedes utilizar, por ejemplo, una botella de agua o de refresco que ya no te sirva. Abre la botella y, con cuidado de que no penetre agua en su interior, colócala bajo el chorro de un grifo de agua caliente durante 20 o 30 segundos.
Cuando se haya calentado la botella, ciérrala herméticamente con el tapón y retírala del agua caliente. Introduce ahora la botella cerrada en el frigorífico y, tras unos diez minutos, observa lo que ocurre. ¿Qué le ha pasado a la botella al enfriarse? ¿Cómo podrías explicarlo, de acuerdo con las leyes de los gases?
Busca la información necesaria en libros o en Internet y redacta un breve informe sobre la experiencia realizada, detallando las fases del método científico que has seguido y tus conclusiones.