3 T1 Estructura Corpuscular 2015 Cast

Física y química 3º ESO Tema 1: Estructura corpuscular de la materia.

1. ¿Cómo son los materiales por dentro?ESTRUCTURA CORPUSCULAR DE LA MATERIA

La naturaleza que nos rodea se nos presenta a los sentidos en una gran variedad de formas, colores, texturas, etc. Los materiales de que están hechos los cuerpos y las cosas se diferencian mucho, a primera vista, unos de otros. Cada uno de los minerales, las piedras, los animales, vegetales, nos parecen como únicos y diferentes del resto.Aunque haya gran diversidad en las cosas, -objetos, cuerpos, seres, materiales, etc.- que forman la naturaleza, el científico se plantea la pregunta de si hay propiedades comunes a todos ellos para poder abordar su estudio y extraer conclusiones que nos permiten entender, describir y explicar losfenómenos que tienen lugar en el mundo en que vivimos.

Actividad 1.Fíjate en las ilustraciones de la Figura 1:a) ¿Qué criterio utilizarías para clasificar estos materiales?

b) ¿Cómo los clasificarías?

Figura 1.

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Actividad 2.¿Qué propiedades características tienen todos los materiales a pesar de que estén en estados diferentes?

Esto ya la habíais visto altas años, sin embargo, todavía quedan problemas abiertos sin resolver y que trataremos de abordar en este curso: ¿Cómo son los materiales por dentro ?, es decir, ¿Cuál es la estructura interna de los materiales? ¿Serán estructuras distintas para cada material? O por el contrario, y aunque en principio vemos una enorme diversidad de propiedades y comportamientos, ¿hay una estructura común para todos ellos?

Desde muy antiguo los filósofos y científicos se han hecho también estas preguntas y han desarrollado dos líneas de investigación: una, más evidente, que defiende la naturaleza continua de la materia: podemos cortar cualquier material en trozos cada vez más pequeños hasta los límites que marca el instrumento (Cuchillo, bisturí, punta de diamante, láser); y la otra, que defiende la naturaleza discontinua de la materia y supone que los materiales están formados por partículas muy pequeñas que ya no se pueden dividir más.

Como la tarea no es fácil, la estrategia que seguiremos será abordar el estudio de la estructura interna de la materia, en un primer momento, para el caso de los gases, familiarizándonos con la gran diversidad de propiedades y comportamientos de los mismos. Después, y para poder explicar los fenómenos observados, intentaremos elaborar, a modo de hipótesis, un modelo de la materia para los gases. Finalmente, veremos si es posible hacerlo extensible a líquidos y sólidos; es decir, si el modelo elaborado es válido también para líquidos y sólidos. Para ello seguiremos el índice siguiente:

1. Estructura de los gases. 1.1 Propiedades de los gases. 1.2 Un primer modelo para la estructura de los gases. 1.3 Magnitudes que sirven para caracterizar a un gas. 1.4 Leyes de los gases. 1.5 Presión atmosférica.2. Estructura de los líquidos y sólidos. 2.1 Propiedades de los líquidos y sólidos. 2.2 Extensión del modelo de gases a líquidos y sólidos. 2.3 Cambios de estado.3. Problemas abiertos.

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1. ESTRUCTURA DE LOS GASES.

1.1. Propiedades de los gases.

Una primera clasificación puede ser la basada en los tres estados en los que está la materia: sólido, líquido o gaseoso. Para establecer esta clasificación, tenemos que utilizar las propiedades características de cada estado.

Actividad 3.Escribe el nombre de algunos gases que conozcas.

Actividad 4.Enumera algunas propiedades de estos gases.

Actividad 5.Pon ejemplos de tu vida cotidiana donde se muestran esas propiedades. Puedes describirlas mendiante redacciones o con dibujos o ambos, pero intentando que quede los más comprensible posible.

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Actividad 6.Vamos a diseñar algunas de esas experiencias de forma científica, y vamo a intentar llevarlas a cabo para demostrar que son ciertas.

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1.2. Un primer modelo para la estructura de los gases.

Una vez descritas las propiedades anteriores, todavía quedan preguntas por responder para intentar explicar las propiedades que hemos visto: ¿como son los gases por dentro y cuál es su estructura interna para poder explicar esta diversidad de comportamientos?

Planteado el problema a resolver, utilizaremos el método científico: formulando ideas a modo de hipótesis explicativas, para terminar elaborando un modelo común para la estructura interna de todos los gases que nos permita explicar una a una todas las propiedades mencionadas anteriormente.

Actividad 7.1. Realiza (o vuelve a realizar) el experimento siguiente: Empuja el émbolo de una jeringa que contiene aire cerrado en su interior.2. Formula una hipótesis que explique por qué los gases se comprimen con tanta facilidad.

3. Idea una manera de representar (haz un dibujo) el gas encerrado en una jeringa.

Actividad 8.Formula una hipótesis que explique la experiencia por qué cuando se escapa o se deja salir un gas (butano, perfume) en una habitación al cabo de un rato podemos olerlo por toda la habitación. Es decir, para que los gases se difunden con tanta facilidad. Dibuja el antes y el después.

Antes Después

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Actividad 9.Formula una hipótesis que explique por qué los gases ejercen fuerzas sobre las paredes del recipiente que los contiene.Experimenta:

• Al comprimir el gas encerrado en una jeringa y volver a soltar, el émbolo vuelve a su lugar inicial.

• Al soplar aire en el interior de un globo, se hincha.

Actividad 10.Recoge todas las ideas e hipótesis anteriores y elabora un resumen con todas ellas en forma del modelo cinético corpuscular de la materia para los gases.

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1.3. Magnitudes que sirven para caracterizar a un gas.

El modelo cinético corpuscular elaborado para la estructura interna de todos los gases nos ha permitido explicar todas las propiedades de los mismos. Pero podemos seguir avanzando estableciendo leyes con las sus expresiones matemáticas que describan el comportamiento de los gases (Boyle). Para ello es necesario introducir magnitudes físicas macroscópicas que se puedan medir.

Actividad 11.Indica magnitudes (factores, variables) físicas macroscópicas que se puedan medir y que nos sirven para describir el estado de un gas.

Actividad 12.Explica y dibuja, con el modelo cinético corpuscular elaborado y su representación, por que los gases ocupan todo el volumen del recipiente que los contiene.

También estudiamos que el volumen es una propiedad general, pero no es una propiedad constante, sino que varía con la temperatura y la presión. Sabemos que si ejercemos presión sobre el gas encerrado en una jeringuilla podemos disminuir su volumen.

Actividad 13.Explica y dibuja, con el modelo cinético corpuscular elaborado y su representación, el fundamento los neumáticos de los coches y las bicis, las colchonetas de playa y la olla de presión.

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Actividad 14.Explica y dibuja, con el modelo cinético corpuscular elaborado y su representación, por qué al calentar un gas se dilata.

Actividad 15.¿Cómo podrías demostrar fácilmente lo comentado en la actividad anterior?

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Actividad 16.Explica y dibuja, utilizando el modelo cinético corpuscular elaborado y su representación, las propiedades de un balón con poco aire y otro muy hinchado, y compara ambas situaciones.

1.4. La Leyes de los gases.

Actividad 17.Indica los factores (magnitudes, variables) que dependerá la presión del gas encerrado dentro de un recipiente y el tipo de dependencia.

Actividad 18.Lectura:

¿De qué crees que va la lectura según la lista de palabras que hay a continuación?Gases idealesPresión (P)

Volumen (V)Temperatura (T)

Condiciones constantesInversamente proporcional.Directamente proporcional.Número de partículas (N)

LAS LEYES DE LOS GASES

Han sido diversos los científicos que han estudiado la propiedades de los gases y cuáles son las relaciones entre estas. De estos estudios se han obtenido diversas leyes que nos pueden ser útiles para deducir características de los gases.

El número 1 comenta lo leído al resto del grupo (palabras nuevas, ideas más importantes, relación con otras conocimientos), estos o pregunta o completan la información presentada por el compañero.

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En todas estas leyes que veremos a continuación se considera que los gases son ideales, lo que quiere decir que se toma como base un comportamiento general e igual en todos los gases, sin tener en cuenta las posibles interacciones que puede haber entre las partículas de gas o la influencia del tamaño de estas.

Una ley es la de Boyle-Mariotte (o Ley de Boyle), formulada por Robert Boyle y Edme Mariotte. Es una de las leyes de los gases ideales que relaciona el volumen y la presión de una cierta cantidad de gas mantenida a temperatura constante. La ley dice que el volumen es inversamente proporcional a la presión: PV=k, donde k, es constante si la temperatura y la masa del gas permanecen constantes.

Cuando aumenta la presión, el volumen disminuye, mientras que si la presión disminuye el volumen aumenta. Si disminuye el volumen del recipiente manteniendo constante el número de partículas y la temperatura, es de esperar que la presión aumente al ser mayor la intensidad y frecuencia de los choques con las paredes.

El valor exacto de la constante k no es necesario conocerlo para poder hacer uso de la Ley; si consideramos las dos situaciones de la figura, manteniendo constante la cantidad de gas y la temperatura, deberá cumplirse la relación:

P1V1 = P2V2


En este espacio dibuja lo que se puede leer:

Otra de las leyes es la de Gay-Lussac que dice que a una presión constante, al aumentar la temperatura, el volumen del gas aumenta y al disminuir la temperatura el volumen del gas disminuye. Esto se debe a que "temperatura" afecta al movimiento de las partículas. Así que, a mayor temperatura, mayor movimiento de las partículas, las cuales van a chocar más contra la pared haciendo mayor el volumen del gas.

Su expresión matemática quedaría de la siguiente manera:P = k·T


Y ¿qué ocurrira si aumentamos la cantidad de gas, el número de partículas, manteniendo constante la temperatura y el volumen? Pues que al haber más partículas en el mismo volumen, se producen más choques contra la pared, lo que produce que aumente la presión. Así al aumentar el número de partículas, aumenta la presión de forma proporcional. La ecuación matemática de este enunciado quedaría de la siguiente forma:


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P = k·N

Todas estas lyees podemos juntarlas en una sola ecuación de la siguiente manera:

P=kN⋅V

T→P V =NRT

Actividad 19.Completa el cuadro siguiente a modo de resumen de lo estudiado hasta ahora:

Fenomeno observado Hipótesis explicativa Dibujo explicativo

El gas encerrado en una jeringa se puede comprimir con facilidad

Los gases difunden con facilidad

Al aumentar la temperatura de un gas en el interior de un recipiente de paredes rígidas, la presión aumenta

A l'augmentar la temperatura d'un gas en l'interior d'un cilindre amb èmbol, augmenta el volum del recipient que el conté i la pressió es manté constant.

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N N


1.5. La presión atmosférica.

Hasta ahora hemos estudiado el comportamiento de los gases encerrados en recipientes. No obstante, para poder explicar muchos fenómenos y experiencias que se presentan a nuestro alrededor es necesario tener en cuenta que la Tierra está rodeada por la atmósfera que es una capa gaseosa formada por una mezcla de gases. Por tanto, todos los cuerpos en contacto con la atmósfera (el recipiente, botella, pared, etc) están también sometidos a las fuerzas que ejerce el aire atmosférico.

Actividad 20.Un alumno calienta agua en un cazo. Una vez que ya está caliente la vierte en una botella de plástico y la cierra con el tapón., así la botella queda tapada y semillena de agua. Al cabo de un rato la botella se chafa metiéndose las paredes hacia dentro. Explica y dibuja con el modelo cinético corpuscular esta experiencia.

Como para mucha gente resulta difícil aceptar que la atmósfera ejerce una fuerza tan grande, a lo largo de la historia se idearon experimentos que resultaron sorprendentes. Quizás el más famoso es el experimento que citamos a continuación.

Actividad 21.Haz un dibujo y explica el famoso experimento llevado a cabo en la ciudad alemana de Magdeburgo en 1.654 por Otto von Guericke. Utilizó dos semiesferas (por eso se llama experiencia de los hemisferios de Magdeburgo) de metal, huecas, que podían unirse perfectamente. Su diámetro era de 55 cm. Estando llenas de aire, no había ninguna dificultad en separarlas. Luego hacía el vacío y enganchaba caballos que tiraban de cada hemisferio. Se necesitaron dieciséis caballos, ocho de cada lado, para poder separarlas.

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Actividad 22.En otro famoso experimento, el científico italiano Torricelli logró medir en 1643 la presión que ejerce el aire atmosférico. Torricelli llenó un tubito de vidrio muy largo (1 m) con mercurio y tapando con un dedo le dio la vuelta y lo introdujo boca abajo en un recipiente que contenía mercurio y retiró el dedo. El mercurio comenzó a bajar por el tubo pero no se vació por completo, quedando a una altura de 76 cm. ¿Por qué no caía todo el mercurio? Haz un dibujo y explica el experimento.

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El experimento anterior es el fundamento del instrumento llamado barómetro y que sirve para medir la presión atmosférica. Como se ha comentado, Torricelli fue el primero capaz de medir la presión atmosférica a nivel del mar es de 76 cm de mercurio y equivale a una atmósfera.

Para acabar con el estudio de los gases, pondremos en práctica los conocimientos adquiridos explicando el funcionamiento de un pulmón artificial que se puede construir como se indica a continuación.

Actividad 23.¿Cómo funciona entonces nuestros pulmones? ¿Cómo crees que respiramos?https://www.youtube.com/watch?v=dVDaqtgE6EU

Actividad 24.Intentemos realizar el siguiente experimento para ver el efecto del tabaco.https://www.youtube.com/watch?v=kFaE2D4FfSU¿Podrías explicar lo que ocurre usando el modelo cinético corpuscular?

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https://www.youtube.com/watch?v=kFaE2D4FfSU

https://www.youtube.com/watch?v=dVDaqtgE6EU


2. ESTRUCTURA DE LOS LÍQUIDOS Y LOS SÓLIDOS.

El modelo cinético corpuscular elaborado explica de forma satisfactoria el comportamiento de los gases. Pero no nos podemos quedar aquí; para que sea realmente importante, deberá explicar también el comportamiento de la materia en los otros dos estados en que se presenta: líquidos y sólidos. Para ello, analizaremos si hay similitudes entre las propiedades de los gases y las de líquidos y sólidos, lo cual nos permitirá hacer extensible el modelo a líquidos y sólidos.

2.1. Propiedades de los líquidos y los sólidos.

Actividad 25.Enumera algunas propiedades de los líquidos y de los sólidos.

Actividad 26.Pon ejemplos de la vida cotidiana donde se comprueben dichas propiedades, acompañalas con dibujos.

2.2. Extensión del modelo de gases a líquidos y sólidos.

Actividad 27.Utilizando el modelo cinético corpuscular elaborado para los gases, trata de explicar por qué es tan difícil comprimir los líquidos y sólidos. Idea formas de representar un líquido y un sólido.

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Actividad 27.Explica cómo es posible que el oxígenos sea gas a 25ºC y el cobre sea sólido incluso a 1000ºC. ¿A qué crees tú que se deben estas diferencias según el material con el que estés trabajando?

2.3. Cambios de estado.

Actividad 28.Escribe en el esquema el nombre de los cambios de estado.

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Actividad 29.Utilizando el modelo cinético corpuscular elaborado para los gases, formula una hipótesis sobre qué sucede cuando un gas se convierte en líquido y éste en sólido.

Finalmente, decir que hemos estudiado los instrumentos utilizados para medir las diferentes magnitudes físicas: probeta para el volumen, balanza para la masa, dinamómetro para el peso, barómetro para la presión. Ahora estamos en condiciones de comprender el funcionamiento del instrumento utilizado para medir la temperatura denominado termómetro. Para ello, además de lo estudiado, debemos pensar que al chocar las partículas intercambian velocidades (las rápidas se frenan y las lentas aceleran). El proceso mediante el cual dos cuerpos a diferente temperatura intercambian velocidades (energía) a causa de los choques entre sus partículas, se denomina calor. El más caliente y por lo tanto con mayor velocidad de sus partículas, le transfiere energía al más frío, por medio de los choques individuales de las partículas de ambos cuerpos.

Actividad 30.Explica el funcionamiento de un termómetro mediante un dibujo:

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Actividad 31.Construye un mapa conceptual, esquema o mapa de ideas del modelo cinético corpuscular.

3. PROBLEMAS ABIERTOS.

Aunque hemos avanzado mucho en nuestro conocimiento de la naturaleza de los materiales quedan problemas sin resolver:

• ¿Cómo son las partículas ? ¿redondas y macizas? ¿o están formadas, a su vez, por otros partículas más pequeñas?; ¿son todas iguales o son distintas dependiendo del tipo de material?

• ¿Qué es lo que mantiene a las partículas en movimiento? ¿por qué no se paran?• ¿Cómo están las cargas eléctricas en los materiales? ¿dentro de las partículas? ¿fuera de las

partículas?

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