Tema 2. la materia y sus propiedades (16 17)

Colegio de San Francisco de Paula Dpto. de Ciencias Naturales

TEMA 2. La materia y sus propiedades

Propiedades de la materia: volumen, masa, densidad, punto de fusión y ebullición. Estados físicos de la materia. Estados de agregación. Cambios de estado. Modelo cinético-molecular.

1. Propiedades de la materia: volumen, masa, densidad, puntos de fusión y ebullición.

Se llaman propiedades generales o extensivas de la materia a aquellas que no permiten distinguir unas sustancias de otra, por no ser características de ella. Algunas de ellas son la masa o el volumen. Por contraposición, las propiedades específicas o intensivas son características de las sustancias, y las distinguen unas de otras. Entre otras, tenemos la densidad o los puntos de fusión y ebullición.

Se llama masa a la cantidad de materia que tiene un objeto. En el SI se mide en kg. El volumen es la cantidad de espacio (el tamaño) de un objeto. En el SI se mide en m 3. Ambas son propiedades generales o extensivas.

La densidad es el cociente entre masa y volumen de un objeto. Sus unidades en el SI son kg/m3. Los puntos de fusión y ebullición son las temperaturas a las que la sustancia pasa respectivamente de sólido a líquido y de líquido a gas. Aunque en el SI la unidad que le corresponde es el K (kelvin), lo más frecuente es que vengan dados en ºC. Las tres son propiedades específicas o intensivas.

2. Estados físicos de la materia. Estados de agregación. Cambios de estado. Modelo cinético-molecular.

Los estados de la materia son cuatro: sólido, líquido y gas. Sus características se pueden resumir en el siguiente cuadro:

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Tema 1. Estructura de la materia I 2011-12

Existe un cuarto estado, el plasma, que no es observable de forma cotidiana, pero que sin embargo es muy importante en el Universo, pues es el estado en el que se encuentra la materia que forma las estrellas como el Sol. En el plasma, los electrones están completamente desvinculados de los núcleos de los átomos.

Los cambios de estado siempre están asociados a variaciones de las condiciones en que se encuentra el sistema, comúnmente la temperatura. El siguiente gráfico resume los nombres de cada uno de ellos:

La evaporación ocurre a temperaturas por debajo del punto de ebullición, eso es lo que la distingue de la ebullición. Durante un cambio de estado, la temperatura del sistema permanece constante, como pudimos observar en la demostración de la fusión y posterior ebullición de hielo:

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La teoría cinética explica de forma sencilla las características de los estados de la materia y los cambios de estado. Se basa en tres simples ideas:

La materia está formada por partículas Las partículas están dotada de cierta cantidad de movimiento que aumenta con la

temperatura Las partículas interaccionan entre sí con cierta fuerza, que trata de impedir su

movimientoEl estado resulta del equilibrio entre el movimiento de las partículas, determinado por la

temperatura, y las fuerzas de interacción entre ellas, que se oponen a aquél. Así, si predominan las fuerzas de interacción sobre el movimiento, tendremos un sólido, en el que las partículas no se mueven de sus posiciones, y cuyo movimiento está restringido a vibraciones; si predomina el movimiento sobre las interacciones, tendremos un gas, cuyas partículas se mueven con total libertad sin interaccionar entre ellas más que por choques fortuitos; finalmente, si están equilibradas, tenemos un líquido, cuyas partículas pueden moverse, pero manteniendo el contacto entre ellas.

Al calentar una sustancia, lo que hacemos es aumentar el movimiento de sus partículas, de modo que, si era un sólido, la vibración aumenta hasta que llega un momento en que las partículas “se salen” de sus posiciones: el sólido ha fundido y se ha transformado en un líquido. A su vez, si el líquido sigue calentándose, sus partículas aumentarán su velocidad hasta que sean capaces de escapar unas de otras y transformarse en un gas.

3. Gases ideales: Definición y Leyes.

Un gas ideal es el que está formado por partículas puntuales sin volumen que no interaccionan entre sí más que por los choques aleatorios que pueden darse entre ellas.

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Las leyes de los gases ideales son tres: La Ley de Boyle-Mariotte: para una cantidad fija de gas a una temperatura

determinada, el producto de la presión por el volumen es constante.P1· V1 = P2 · V2

La Ley de Charles: a presión constante, el volumen ocupado por una determinada cantidad de gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta. Si la temperatura se expresa en grados kelvin (T(K)=t(ºC)+273), entonces se puede escribir:

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La Ley de Gay Lussac: cuando el volumen es constante, la presión ejercida por una determinada cantidad de gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta. Si la temperatura se expresa en grados kelvin se puede escribir:

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Las tres leyes pueden resumirse en una sola expresión en la que ninguna variable es constante:

4. Presión de vapor.

La presión de vapor de un líquido a una temperatura es la presión que ejerce el vapor de ese líquido en equilibrio con él mismo a la temperatura indicada. Es una consecuencia de que

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la energía cinética de las partículas no es idéntica, sino que presenta una distribución en forma de campana (distribución de Maxwell-Boltzmann) alrededor del valor medio. De esta forma, en todo líquido, a una determinada temperatura, habrá una porción de moléculas con energía suficiente para escapar del líquido y pasar a la fase gas. Conforme se acumule, irá aumentando la presión de ese vapor. Llegado un momento el fenómeno sucede a la inversa y parte de las moléculas del gas pasan al líquido, estableciéndose un equilibrio dinámico cuando la velocidad de evaporación iguala a la de condensación. En ese momento, la presión que ejerce el vapor es la presión de vapor.

Si la temperatura aumenta, más moléculas tienen la capacidad de escapar del líquido, y por lo tanto aumenta la presión de vapor, y viceversa. Cuando ésta llega a la atmosférica, lo que ocurre es que todo el líquido rompe a hervir, así que se puede decir que el punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido iguala a la atmosférica.

Problemas

1. Cierta cantidad de H2 ocupa un volumen de 10 L a 1.5 atm de presión. Si se baja la presión hasta 0.5 atm a temperatura constante, ¿cuál será el nuevo volumen? 30 L

2. Completa la siguiente tabla, correspondiente a cierto gas (1 atm = 760 mm de Hg = 760 Torr):

P 780 mm de Hg 0.2 atm 300 Torr 1535.5 Torr 380 Torr

V 2 L 500 mL 2.02 L 750 cm3 2.5 L

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T 300 °C 27.9 K -50 °C 150 °C 348.9 K

3. ¿Cómo es posible que exista vapor de agua en la atmósfera a una temperatura inferior al punto de ebullición del agua?

4. Una cierta cantidad de gas está contenida en un recipiente de vidrio a 25 ºC y 0.80 atm. Si el recipiente puede soportar una presión de hasta 2 atm. ¿Cuánto se puede elevar la temperatura sin que se rompa el recipiente? 472 ºC.

5. Se infla un globo con helio hasta un volumen de 45 L a temperatura ambiente (25 ºC). Si el globo se enfría a -10 ºC, ¿Cuál será el volumen final del mismo? Asuma que la presión no varía. 39.7 L.

6. Se tiene un cilindro de helio de 22 L a presión de 150 atm y 31 ºC. ¿Cuantos globos se podrán llenar si cada uno tiene un volumen de 5 L, en un día donde la presión atmosférica es de 755 mm Hg y la temperatura 22 ºC? 644 globos.

7. Una cantidad de gas ocupa un volumen de 80 cm3 a una presión de 750 mm Hg. ¿Qué volumen ocupará a una presión de 1.2 atm. si la temperatura no cambia? 65.8 cm3.

8. El volumen inicial de una cierta cantidad de gas es de 200 cm3 a la temperatura de 20 ºC. Calcula el volumen a 90 ºC si la presión permanece constante. 247.78 cm3.

9. Una cierta cantidad de gas se encuentra a la presión de 790 mm Hg cuando la temperatura es de 25 ºC. Calcula la presión que alcanzará si la temperatura sube hasta los 200 ºC. 1055.1 mm Hg

10. Un gas ocupa un volumen de 2 L en condiciones normales (0 ºC y 1 atm). ¿Qué volumen ocupará esa misma masa de gas a 2 atm y 50 ºC? 1.18 L

11. A presión de 17 atm, 34 L de un gas a temperatura constante experimenta un cambio ocupando un volumen de 15 L ¿Cuál será la presión que ejerce? 38.5 atm

12. ¿Qué volumen ocupa un gas a 980 mmHg, si el recipiente tiene finalmente una presión de 1.8 atm y el gas se comprime a 860 cm3? 1200 cm3

13. A presión constante un gas ocupa 1.500 (mL) a 35º C ¿Qué temperatura es necesaria para que este gas se expanda hasta alcanzar los 2.6 L? 260.9 ºC

14. ¿Qué volumen ocupa un gas a 30º C, a presión constante, si la temperatura disminuye un tercio (1/3) ocupando 1.200 cm3? 800 cm3

15. A volumen constante un gas ejerce una presión de 880 mmHg a 20º C ¿Qué temperatura habrá si la presión aumenta en 15 %? 64 ºC

16. Cuando un gas a 85º C y 760 mmHg, a volumen constante en un cilindro, se comprime, su temperatura disminuye dos tercios (2/3) ¿Qué presión ejercerá el gas? 253.3 mmHg

17. En un recipiente de acero de 20 L de capacidad introducimos un gas que, a la temperatura de 18 ºC ejerce una presión de 1.3 atm. ¿Qué presión ejercería a 60 ºC? 1.49 atm

18. Disponemos de una muestra de un gas que cuando a la temperatura de 200 ºC se ejerce sobre él una presión de 2.8 atm, el volumen es 15.9 L. ¿Qué volumen ocupará si, a la misma temperatura, la presión bajase hasta 1 atm? 44.52 L

19. El volumen del aire en los pulmones de una persona es de 615 mL aproximadamente, a una presión de 760 mm Hg. La inhalación ocurre cuando la presión de los pulmones desciende a 752 mm Hg ¿A qué volumen se expanden los pulmones? 621.5 mL

20. Es peligroso que los envases de aerosoles se expongan al calor. Si una lata de fijador para

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el cabello a una presión de 4 atmósferas y a una temperatura ambiente de 27 °C se arroja al fuego y el envase alcanza los 402 °C ¿Cuál será su nueva presión? La lata puede explotar si la presión interna ejerce 6080 mm Hg ¿Qué probabilidad hay de que explote? 9 atm=6840 mmHg

21. Un alpinista inhala 500 mL de aire a una temperatura de –10 °C ¿Qué volumen ocupará el aire en sus pulmones si su temperatura corporal es de 37 °C? 589.4 mL

22. Se libera una burbuja de 25 mL del tanque de oxígeno de un buzo que se encuentra a una presión de 4 atmósferas y a una temperatura de 11 °C. ¿Cuál es el volumen de la burbuja cuando ésta alcanza la superficie del océano, dónde la presión es de 1 atm y la temperatura es de 18 °C? 102.5 mL

23. Un globo aerostático de 750 mL se infla con helio a 8 °C y a una presión de 380 atmósferas ¿Cuál es el nuevo volumen del globo en la atmósfera a presión de 0.20 atm y temperatura de – 45 °C? 1 156.228 L

24. En un experimento un gas ideal con 25 m3 de volumen y presión de 1.5 atm, fue sometido a una presión de 4 atm, manteniéndose a una temperatura constante. ¿Qué volumen ocupará? 9.375 m3

25. Los neumáticos de un coche deben estar, a 20 ºC, a una presión de 1.8 atm. Con el movimiento, se calientan hasta 50 ºC, pasando su volumen de 50 a 50.5 litros. ¿Cuál será la presión del neumático tras la marcha? 1.96 atm

26. Un globo de aire caliente tiene un volumen de 500 m3 a la presión atmosférica normal y una temperatura del aire de 40 ºC. Cuando está en ascensión, la presión es de 0.8 atm y con el quemador de gas aumentamos la temperatura hasta los 70 ºC. ¿cuál será el nuevo volumen? 684.9 m3

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