t2.estados de agregación y teoría cinética. 1ºbachillerato

Tema: Estados de Agregación. Física y QuímicaTeoría Cinética 1º Bachillerato

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Tema : Estados de Agregación.Teoría Cinética

0. Índice1. Estados de Agregación de la Materia

1.1 Concepto1.2 Cambios Progresivos1.3 Cambios Regresivos

2. Presión ejercida por un gas3. Leyes de los Gases

3.1 Ley de Boyle3.2 Ley de Gay-Lussac3.3 Ley de Charles3.4 Ley combinada de los gases ideales. Ecuación general

de los gases perfectos3.5 Ley de Dalton para las presiones parciales

4. Teoría Cinético-Molecular4.1 ¿Qué es?4.2 Justificación de las propiedades de los gases4.3 Justificación de las leyes de los gases4.4 Justificación de las propiedades de los líquidos4.5 Justificación de las propiedades de los sólidos


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1. Estados de Agregación de la Materia1.1 Concepto

La materia, está constituida por conjuntos de partículas (átomos,moléculas,..), que se disponen de diferentes formas. Estas diferentes disposicionesvariarán para cualquier sustancia, en función de la presión y de la temperatura.Cada una de estas “formas de estar” de las partículas que constituyen la materia seconoce como Estado de Agregación.

Como ya sabemos existen 4 estados de agregación, estado sólido, líquido,gaseoso y plasma. El cuarto estado corresponde a una situación de movimientocaótico (como los gases), en los que las partículas implicadas son no sólo átomos omoléculas, sino también fotones, electrones o iones positivos. Aunque es el estadomenos conocido, paradójicamente la materia se halla en un 99% bajo este estado.(En estado plasma se hallan los núcleos de las estrellas, gran parte de una llama,etc.)

Obviando a partir de ahora el estado plasma, recordemos las característicasgenerales de los otros 3 estados de agregación:

Estados de la MateriaPROPIEDAD SÓLIDO LÍQUIDO GAS

Forma Propia Adaptación alrecipiente

Adaptación alrecipiente

Volumen Propio Propio El del recipienteRigidez Rígido (no fluye) Fluido Fluido

Expansión o dilatacióntérmica Pequeña Pequeña Expansión

ilimitada

Compresibilidad Prácticamentenula

Prácticamentenula Muy elevada

Densidad Alta Media Baja

Notas:

Son Características generales, y por tanto, con excepciones. Quizá laque más llame la atención sea la densidad del mercurio (d=13´6Kg/litro), muy superior a la de muchos sólidos.

Llegados a este punto, sería interesante hacer mención a la existencia de dostipos de sólidos: sólidos cristalinos y sólidos amorfos. Los primeros secaracterizan por una red ordenada de átomos; en cuanto a los segundos, ladisposición atómica es completamente anárquica. Como ejemplos de losprimeros podríamos mencionar la sal común, el grafito, el diamante, etc. Paraejemplificar los segundos, mencionaremos los plásticos, el cristal o lamantequilla. En estos no son estrictamente sólidos, puesto que con latemperatura se reblandecen y son capaces de fluir (la capacidad de fluir estárelacionada con la viscosidad; a mayor fluidez, menor viscosidad) ; más bienhabría que considerarlos como líquidos muy viscosos


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Estos estados de agregación no se encuentran aislados, sino, como todossabemos, relacionados. Dicho de otro modo, es posible, mediante transformacioneso cambios físicos.

1.2 Cambios ProgresivosAsociados a aportes energéticos. Son:

a. Fusión. Cambio de estado de sólido a líquido que se produce, paracada sustancia pura, a una temperatura constante, llamadaTemperatura de Fusión o Punto de Fusión.

Importante resulta remarcar que la cantidad de energíanecesaria para que este proceso se realice no se emplea en aumentarla temperatura de la sustancia, sino en debilitar las fuerzas quemantienen a las moléculas bajo la estructura del sólido.

Por otro lado, debemos indicar que existe unaproporcionalidad entre la masa de una sustancia (pura) y lacantidad de energía (calor) que debe aportarse para que toda esamasa cambie de estado. Matemáticamente:

FLmQ .

Así, se llama calor latente de fusión a la cantidad de energía que debesuministrarse a 1 kg de una sustancia para que complete dichocambio de estado (sólido a líquido)

b. Vaporización. Cambio de estado de líquido a gas.También existe una proporcionalidad entre la masa de una

sustancia (pura) y la cantidad de energía (calor) que debe aportarsepara que toda esa masa cambie de estado.

SÓLIDOO

LÍQUIDO GAS

VaporizaciónFusión

Sublimación

Donde:Q es el calor suministrado (Julios)m es la masa de sustancia (Kg)LF es el Calor Latente de Fusión (Jul/Kg)


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Matemáticamente:

vapLmQ .

Así pues, el calor latente de vaporización es la cantidad de energíaque debe suministrarse a 1 kg de una sustancia para que completedicho cambio de estado (líquido a gas).Este cambio puede aparecer bajo dos posibilidades:

Evaporación, si el cambio de estado se lleva a cabo tansólo en la superficie del líquido. La evaporación serealiza a cualquier temperatura durante elcalentamiento de la fase líquida.

Ebullición, si el cambio se realiza en toda la masa dellíquido y va acompañado de la formación de burbujas.Cada líquido puro hierve a una temperaturaconstante, llamada Temperatura de Ebullición o Puntode Ebullición.

c. Sublimación. Diremos tan sólo que es el cambio directo desde lafase sólida a la gaseosa.Como ejemplos de sustancias que subliman tenemos la naftalina(esas bolitas blancas de olor “dulzón” utilizada para combatir laspolillas), hielo seco (CO2 sólido a -78ºC) o alcanfor.

1.3 Cambios RegresivosAsociados a cesiones energéticas. Son las transiciones inversas a las

anteriormente estudiadas. Veámoslas:

SÓLIDOO

LÍQUIDO GAS

CondensaciónSolidificación

Sublimación Regresiva

Donde:Q es el calor suministrado (Julios)m es la masa de sustancia (Kg)Lvap es el Calor Latente de Vaporización(Jul/Kg)


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a. Solidificación, o congelación, es el cambio de fase líquida a fasesólida. Puesto que es un proceso regresivo, como ya sabemos,supondrá una cesión energética. El cálculo de tal energía resultamuy simple, puesto que vendrá determinada por la ecuación:

FLmQ .Como es fácil comprender, el Punto de Congelación de una sustanciapura coincidirá con el Punto de Fusión.

b. Condensación. Cambio de estado de gas a líquido.La cantidad de calor cedida por la masa que se condensa se

calcula, como en el caso anterior, a partir de la fórmula del cambiodirecto (progresivo) correspondiente.

c. Sublimación Inversa., inversa a la sublimación, y poco frecuente.

2.Presión ejercida por un GasEn 1638 Galileo se dio cuenta de que las bombas

de extracción de agua (bombas aspirantes ()) no podíanextraer agua más allá de los 10´3 metros deprofundidad. La explicación se basaba en la ideaaristotélica del “odio” que la Naturaleza tenía al vacío(“Natura vacuum abhorret”)

Fue Evangelista Torricelli, en 1644

Sin embargo, no se podía dar una explicación racional al fenómeno

Notas Los términos VAPOR y GAS no son realmente sinónimos, aunque a

nuestro parecer sí lo serán. La diferencia está en que un vapor sí puedeser licuado únicamente por aumento de presión, en tanto que un gasno.

Existe una temperatura específica de cada sustancia pura en la quecoexisten en equilibrio las 3 fases; se le denomina Punto Triple seencuentra a una presión de 4´58 mmHg() y 0´0098ºC

Ya veremos que son los mmHg

E. Torricelli


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Años más tarde, Evangelista Torricelli, intuyó que la causa delfuncionamiento de tales bombas debía ser debido a la presión provocada por elaire. Para demostrarlo, tomó un delgado tubo de de vidrio (cerrado por uno desus extremos) de 1 metro de longitud.

Puesto que todos los puntos situados al mismonivel están sometidos a la misma presión, la presiónque soportan los puntos A y B ha de ser la misma. Ypuesto que el punto B soporta únicamente el peso de lacolumna de 760mm de mercurio, se desprende que esaaltura debe equivaler peso de la columna de aire que seapoya en al punto A.

Este valor (760 mmHg()) se denomina atmósfera

Para transformar la unidad mmHg a unidad de S.I,, hemos de recordarque la presión hidrostática que soporta un punto viene dada por la expresiónmatemática:

hgP ..

Así:

Pa101300atm1mmHg760:Resumiendo

Pascalessm

KgmsmmKgP 101300

.101300)(760́)./(8́9)./(13600

223

AB() Este valor de 760 mmHg se estima para unpunto situado al nivel del mar, latitud 45º y 0ºC detemperatura

, donde:P es la presión (N/m2)ρ es la densidad del líquido (Kg/m3)g es la aceleración de la gravedad (9´8 m/s2)h es la profundidad a la que se halla el punto (m)

¿Y si el experimento se hubiese realizado con agua?La respuesta casi podría adivinarse: ¡10´3 metros!La demostración teórica es

muy simple, simplemente utilizando la ecuación de la presión hidrostáticaintroduciendo la densidad del agua.

En Meteorología se emplea una unidad llamada BAR

mbaratmbaratm

Pabar

101310131́1

101 5


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3. Leyes de los Gases

3.1 Ley de Boyle

La gráfica correspondiente a este producto constante de dos variablesresulta ser una hipérbola de la forma:

Instrumentos de Medición de Presión Barómetro: mide presiones atmosféricas Manómetro: para medidas de presiones de gases

contenidos en recipientes

“En un recipiente cerrado y a temperatura constante, elproducto entre el volumen que ocupa un gas, y lapresión ejercida por él resulta un valor constante”.Matemáticamente:

2211 .. VPVP


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3.2 Ley de Gay-Lussac y de CharlesAmbos científicos partieron del hecho de que, a una misma presión,

el aumento en la temperatura de un gas llevaba asociado una disminución desu volumen; la magnitud de tal variación podía expresarse a través de laecuación:

)273

1.(0

tVV

Considerando las variaciones de volumen para un mismo gas en dossituaciones diferentes:

2

1

2

1

2

1

20

10

2

1

202

101

)273(

)273(

)273

1(

)273

1(

)273

1.(

)273

1.(

)273

1.(

)273

1.(

T

T

t

tt

t

tV

tV

V

V

tVV

tVV

, siendo T1 y T2 las temperaturas expresadas en escala absoluta(Kelvin).

Así pues:

La gráfica correspondiente será de la forma:

“A presión constante y para una misma masa de gas,su volumen es directamente proporcional a sutemperatura absoluta”.Matemáticamente:

2

2

1

1

T

V

T

V

Donde:V es el volumen del gas tras un aumento de t gradosV0 es el volumen del gas a 273 a una temperatura inicialcualquierat aumento de temperatura respecto del valor inicial


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3.3 Ley combinada de los gases ideales. Ecuación general de losgases perfectos

Necesitamos saber cómo responderá un gas si se somete a dosprocesos en los que cambien las tres variables (P, T, V); por ejemplo, unprimer paso en el que se mantenga T constante, seguido de otro en el que seala presión la que no varíe:

),,()´,,(),,( 11101000 TVPTVPTVP Aplicando las fórmulas anteriores, tendremos, respectivamente:

:ecuaciónsegundalaensustituidoque,

:ecuaciónprimeralade

1

11

0

00

1

1

01

00

1

1

0

1

00

1

00

1

1

0

100

..

.

.

.

.´´

´..

T

VP

T

VP

T

V

TP

VP

T

V

T

P

VP

P

VP V

T

V

T

V

VPVP

Es decir, la relaciónT

VP.resulta ser un valor constante, para cada

masa de gas. Este valor constante resulta ser proporcional al número demoles:

Cero AbsolutoEl trazo discontinuo de la gráfica anterior es una extrapolación

teórica. Suponiendo que el gas pudiese comprimirse indefinidamentemanteniendo su fase (sin licuarse), la recta se prolongaría de la formaindicada en la figura.

Resulta destacable observar que el punto de corte de dicha rectacon el eje de abscisas es independiente de las de condiciones iniciales delgas (masa, Temperatura, Presión, Volumen), e incluso del tipo de gas.

En cualquiera de los casos, las rectas cortan siempre en el punto-273´15 ºC.

Ya que el volumen no puede adoptar valores negativos (lo haríapara temperaturas menores a-273´15 ºC), tal temperatura debe ser lamínima temperatura (teórica) que podrá alcanzar la materia.

Este punto se conoce como Cero Absoluto o Cero Kelvin, y es elpunto de partida de una nueva escala de temperaturas, la Escala Kelvin oAbsoluta.

Su relación con la escala Celsius es:

15´273)(º)( CtKT

Ecuación combinada de losgases ideales


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ctenT

VP.

. ,

Y ese valor constante (cte) era un valor conocido por los químicos yllamado R (constante molar de los gases).

Así:

TRnVP ...

3.4 Ley de Dalton para las presiones parcialesEn el caso en el que exista una mezcla de gases, el comportamiento

viene determinado por la siguiente ley, enunciada por Dalton

“Si un recipiente contiene una mezcla de gases que no reaccionenentre sí,la presión total será la suma de las presiones parciales de cada gas,considerando la presión parcial como la que ejercería cada gas si se hallase

sólo ocupando la totalidad del recipiente, y en las mismas condiciones de P yT en la que se halla la mezcla”

Si un recipiente (volumen V) contiene una mezcla formada por 2gases, en cantidades n1 y n2, en condiciones de presión y temperatura P y T,la presión que ejerce cada gas será:

TRnP

TRnP

..

..

22

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, y la presión total resultante TRnnPPP ..211

Gases Ideales y Gases Reales

Las ecuaciones de Boyle y de Gay-Lussac y Charlessolamente se cumplen de modo exacto tan sólo con un gasideal (o perfecto). Este gas es un modelo ficticio que cumpleciertas características, entre ellas la nula interacción entre laspartículas que lo constituyen.

La realidad es muy distinta, puesto que en los gases reales síexisten esas interacciones comentadas, lo cual produce ciertadesviación sobre las ecuaciones aducidas. Ocurre, sinembargo, que a bajas presiones, el comportamiento de un gasreal se aproxima bastante al del gas ideal

, donde:P es la presión (atm)V es el volumen recipiente (litros)n, el nº de molesR, constante gases perfectos, 0´082atm.l/mol.KT, la temperatura el kelvin

Ecuación General de los Gases Perfectos


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Y, de modo general:

iiT nTRPP .

4.Teoría Cinético-Molecular4.1 ¿Qué es?

Planteada por Clausius en 1857, recoge las ideas de Bernouilli,Waterston y Joule, entre otros es una teoría planteada para:

Explicar las leyes de los ases, especialmente la de Boyle Dar una interpretación cinética del calor Interpretar las leyes de Dalton y Gay-Lussac sobre la

combinación químicaEl modelo (teoría) se basa en los siguientes postulados:

4.2 Justificación de las propiedades de los gasesResulta bastante sencillo explicar, a partir de los supuestos de la

TCM, las propiedades de los gases, puesto que el continuo movimientocaótico explica que los gases tiendan a ocupar todo el volumen delrecipiente, adaptándose a la forma de este. Las enormes distancias entre laspartículas, por otro lado, explica la compresibilidad de los gases. Además, la

Teoría Cinético-Molecular (TCM)

1) Los gases están constituidos por partículas esféricasy rígidas (moléculas o átomos) muy pequeñas. Sutamaño, además, es despreciable frente a ladistancia que separa las unas de las otras, de modoque las interacciones entre ellas pueden considerarsedespreciables (gases ideales).

2) El movimiento de las partículas es (dirección yvelocidad) están distribuidas al azar.

3) La energía cinética media de las moléculas esdirectamente proporcional a la temperaturaabsoluta.

4) Los choques entre las moléculas son completamenteelásticos, sin pérdidas energéticas.


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presión ejercida por un gas resulta ser debida a los incesantes choques de laspartículas del gas contra las paredes del recipiente que las contiene.

4.3 Justificación de las leyes de los gases La justificación de la ley de Boyle puede argumentarse, bajo la TCM,

considerando que el aumento de presión se debe al incremento en elnúmero de choques, al disminuir el volumen del recipiente. No seríalógico interpretarlo como consecuencia de un aumento en la velocidadde las partículas (lo que equivaldría a un aumento en la energía cinéticamedia de las moléculas, es decir, choques más violentos), puesto que almantenerse constante la temperatura la energía cinética de laspartículas no variaría.

Por su parte, el argumento para explicar la ley de Charles-Gay-Lussacserá el del aumento de la energía cinética de las moléculas con latemperatura; es decir, un aumento en la energía de los choques contralas paredes del recipiente, o lo que es lo mismo, un aumento de presiónque conduciría a un progresivo aumento de volumen que finalizaríacuando la presión final alcanzase el valor inicial.

Por último, la justificación teórica a la Ley de Dalton para las PresionesParciales se basaría en la consideración de las partículas de gases comoesferas, sin importar la naturaleza de la partícula, sino tan sólo sunúmero total, a efectos de computar el número de choques contra lasparedes del recipiente.

4.4 Justificación de las propiedades de los líquidos La disminución de la velocidad media de las partículas, así como la

menor separación entre las partículas del líquido hace que lasinteracciones entre partículas no puedan despreciarse. A nivelmacroscópico este efecto se traduce en una disminución de fluidez, o loque es lo mismo, un aumento de la viscosidad.

La temperatura es, como ya sabemos, una medida de la energíacinética media de las moléculas de la sustancia. De aquí ha dedesprenderse que no todas las partículas, para una determinadatemperatura, tendrán la misma velocidad.En el caso en que alguna de estas partículas posea una energía cinéticasuperior a la media y sea capaz de escapar de la superficie líquida,habrán “encontrado la libertad del estado gaseoso”. Este hechojustifica el fenómeno macroscópico que denominamos Evaporación.

En el caso en el que las partículas que han “escapado” de la faselíquida choquen entre sí o lo hagan contra una superficie más fría ocontra partículas del aire que las rodean, se producirá una pérdida desu energía, con lo que retornarán a la fase líquida. Se trata de lajustificación microscópica del fenómeno de la Condensación.

A cualquier temperatura, sucede que se produce un equilibrio entre laspartículas que escapan de la fase líquida, y las de gas (vapor), que han


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perdido energía y retornan al líquido. Esta propiedad es únicamentefunción de la naturaleza del líquido y de la temperatura a la que sehalle, pero no de la cantidad de líquido.Así pues, podríamos decir que sobre cada líquido existe una“atmósfera” de partículas de igual naturaleza pero en estado gas.Resulta entonces que estas partículas ejercen una presión, conocidacomo PRESIÓN DE VAPOR.

Ocurre siempre que cuando la presión de vapor de un líquido se igualaa la presión exterior, el líquido se halla a la temperatura de ebullición.

4.5 Justificación de las propiedades de los sólidos La disminución de velocidad (energía) de las partículas con el descenso

de la temperatura lleva asociado un aumento de las interacciones entretales partículas, hasta alcanzar un punto en el que estas son losuficientemente grandes como para que las partículas adoptenposiciones fijas, en diversas disposiciones ordenadas tridimensionales,llamadas Redes Cristalinas ()

La ordenación molecular, así como la alta fortaleza de lasinteracciones tiene como consecuencia, en el ámbito macroscópico,que los sólidos sean indeformables, posean volumen y forma propios, yque no puedan modificar su volumen.

A medida que la temperatura del sólido se incrementa, la energía de laspartículas de la red también lo hace. Los movimientos (de vibración) sehacen cada vez más fuertes, hasta alcanzar una temperatura en la queestos son capaces de romper las uniones que mantienen la estructuracristalina, con lo que el sólido funde. Se ha alcanzado entonces el Puntode Fusión.

Al igual que en el caso de los líquidos, las partículas de su superficiepueden poseer suficiente energía como para “escapar” de la fase sóliday pasar directamente a la fase gaseosa. Podremos, pues, hablar de laPresión de Vapor de un Sólido. Este valor es muy bajo en la mayoría delos sólidos, excepto para los casos en los que sean fácilmentesublimables (yodo, naftalina,…).

Presión de Vapor: es la presión que a unadeterminada temperatura ejerce un vaporen equilibrio con del líquido del queprocede, y es función de la temperaturapero no de la masa del líquido enequilibrio con el vapor.

() Recuerda que los sólidos amorfos los consideramos más bien comolíquidos de muy alta viscosidad, por lo que al hablar de sólidos, nosreferiremos tan sólo a sólidos cristalinos

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