3-Estrutura corpuscular de la materia1011 · Así pues la masa de cualquier objeto es una propiedad...

I.E.S. JOSÉ PLANES Departamento de Física y Química

José Frutos Lorca

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Física y Química - 3º E.S.O. - Pag. 1 / 30

3. ESTRUCTURA CORPUSCULAR DE LA MATERIA

¿Cómo es la materia por dentro?

Si todas las sustancias (hierro, diamante, plomo, agua, dióxido de carbono, yeso, mercurio, etc.), tuvieran

una estructura interna básicamente igual, a pesar de la gran diversidad de propiedades existentes (unas

conducen la corriente y otras no, unas son duras y otras blandas, etc), debería haber también propiedades

comunes a todas ellas. Esto será, pues, lo primero que estudiaremos en este tema.

Una vez que constatemos que existen propiedades comunes, independientemente del tipo de material de

que esté hecho un cuerpo y de que éste se nos presente como un sólido o un líquido, nos plantearemos si

los gases también tienen esas mismas propiedades y, a continuación, cómo podrían estar hechos los gases

para explicar su comportamiento.Todo ello nos permitirá elaborar un modelo acerca de cómo son los

gases, es decir, de su estructura interna, y, finalmente, analizar en qué medida ese modelo es aplicable

también a sólidos y líquidos.

1. ALGUNAS PROPIEDADES COMUNES A SÓLIDOS Y A LÍQUIDOS

Mirando a nuestro alrededor podemos ver líquidos como el agua, la gasolina, el aceite, el alcohol, el vino,

etc, y también sólidos como el hierro, el aluminio, el mármol, etc.

A.1. Citad propiedades que sean comunes a los sólidos y a los líquidos.

Sabemos que una muestra de un líquido o de un sólido tiene una cantidad de materia determinada

(decimos que tiene masa), que pesa y que ocupa un “espacio” (tiene volumen). La masa, el peso y el

volumen son propiedades de cualquier sólido y de cualquier líquido. A continuación estudiaremos dichas

propiedades y, después, nos plantearemos si también las presentan los gases.

1.1. Qué es la masa y cómo se mide

Supongamos que disponemos de un trozo de hierro. Podemos calentarlo, romperlo, deformarlo, triturarlo,

colocarlo en órbita en un satélite, llevarlo a la Luna, etc. Si lo hacemos, veremos que algunas magnitudes

como su temperatura, su forma, el espacio que ocupa, su peso, etc, cambian. Sin embargo, existe algo que

permanece inalterable, independientemente de dónde se encuentre el trozo de hierro y cuál sea su

temperatura. Nos referimos a la masa, o cantidad de hierro presente.

Así pues la masa de cualquier objeto es una propiedad que, en principio, nos indica la “cantidad de

materia” que tiene dicho objeto. Su valor no cambia mientras tengamos el mismo cuerpo sin quitarle ni

añadirle ningún trozo.Como ya vimos en el capítulo anterior, la unidad internacional que se utiliza para

medir la masa es el kilogramo (kg). Para hacernos una idea de esta unidad, diremos que 1 litro de agua

tiene, aproximadamente, una masa de 1 kg. 1

1 ¡Atención! Esto no se debe interpretar nunca como que 1 = 1kg. En el tema anterior ya señalábamos que no se

pueden comparar magnitudes diferentes, y la masa no es lo mismo que el volumen.


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También vimos que se utilizan otras unidades como el gramo (g) o milésima parte del kg:

1 kg = 1000 g = 103 g o bien: 1 g = (1/1000) kg = 0’001 kg = 10 -3 kg

A.2. Sometemos a un mismo trozo de hierro a los siguientes procesos:

a) Calentarlo hasta que se haga totalmente líquido

b) Pulverizarlo

c) Colocarlo en órbita en el espacio

d) Partirlo en dos pedazos iguales y dejar sólo uno de ellos.

e) Llevarlo a la Luna

¿En cuál o cuáles de los anteriores procesos variará su masa?

A.3. Se dispone de distintos objetos cuyas masas son: m1 = 69 g; m2 = 2500 mg; m3 = 3 kg. Ordenadlos de menor a mayor

masa. ¿Qué tiene más masa, 1 kg de plomo o 1 kg de cartón?

1.2. Qué es el peso y cómo se mide

La mayoría de la gente está de acuerdo en que todos los cuerpos en estado sólido o líquido pesan.Cuando decimos que un cuerpo pesa, nos imaginamos que tenemos que hacer una fuerza parasostenerlo (tanto mayor cuanto más pese). Nosotros mismos tenemos la sensación de quepesamos porque notamos que hacemos una fuerza sobre el suelo (el cual nos “aguanta”). ¿Cómose explica la existencia del peso?

El científico inglés Newton ya demostró hace tres siglos que la materiaordinaria tiene una propiedad (a la que llamó propiedad gravitatoria)tal que, dos trozos cualesquiera de materia, se ejercen siempre entreellos una fuerza de atracción y que el valor de dicha fuerza dependíade la distancia entre los trozos (a más distancia menos fuerza) y de lamasa de cada uno (a más masa más fuerza). Sin embargo, la fuerza deatracción gravitatoria entre dos cuerpos no depende para nada delmedio en el que éstos se encuentren, da igual que estén en el aire, queen el agua o en el vacío.Una característica de la fuerza gravitatoria entre dos cuerpos es que,

en muchos casos, tiene un valor tan pequeño que resulta inapreciable a no ser que, al menos unode los dos cuerpos, tenga una masa enorme, como sucede con la masa del planeta Tierra cuandose compara con la de cualquier cuerpo situado en su superficie. Esto explica que no nospercatemos, por ejemplo, de la fuerza de atracción (gravitatoria) entre dos alumnos que sesientan uno al lado de otro, pero sí entre cualquier persona y la Tierra (sobre todo si la personacae desde una cierta altura).


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Peso

El peso es la fuerza gravitatoria con que la Tierra atrae a cualquier cuerpo que se encuentre sobreella o colocado a una cierta altura sobre el suelo. Dicha fuerza es menor cuanto mayor sea ladistancia a que se encuentre el cuerpo del centro de nuestro planeta, de forma que, por ejemplo,un astronauta en una nave espacial que se fuera alejando de la Tierra cada vez pesaría menos(decimos que la atracción gravitatoria tiende a 0 conforme la distancia entre el cuerpo y la Tierratiende a ser infinita) y, sin embargo, seguiría teniendo la misma masa.

Peso

El peso de un cuerpo es la fuerza con que la Tierra lo atrae. Su valor disminuye según el cuerpo se va

alejando de la Tierra.

En la Luna y en otros planetas, los cuerpos también pesan, ya que esos astros también los atraen con una

fuerza apreciable, al ser sus masas muy grandes. El peso, por tanto, no es una propiedad intrínseca del

cuerpo (como lo es la masa) ya que su valor depende de dónde esté situado.


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masa = 120 kg

peso = 1176 Nmasa = 120 kg

peso = 192 N

Como el peso es una fuerza, se mide en las mismas unidades que cualquier fuerza, es decir: en newtons

(N). 1 N de fuerza es, aproximadamente, la fuerza que hemos de hacer (situados en la superficie terrestre)

para aguantar sobre la mano un cuerpo de 100 g de masa. Aunque el peso y la masa no son lo mismo, sí

sucede que los valores de esas magnitudes son directamente proporcionales y, por tanto, un cuerpo de 200

g de masa pesará aproximadamente unos 2 N (en la superficie terrestre).

A.4. De acuerdo con la información del párrafo anterior ¿cuántos newtons pesa una masa de 1 kg situada cerca del suelo?

Para contestar la pregunta anterior basta con tener en cuenta que 1 kilogramo de masa son 10 veces 100

gramos. Por tanto el resultado será que cada kg de masa pesará unos 10 N.

El peso de un mismo cuerpo no vale lo mismo en la superficie de la Tierra, de la Luna, o de Marte.

Podemos tener en cuenta este hecho si conocemos el peso de 1 kg de masa en la superficie de cada uno de

estos astros. Existe una magnitud cuyo valor representa la fuerza con que un astro cualquiera atrae a una

masa de 1 kg situada a una cierta distancia del mismo. Se llama intensidad gravitatoria, se representa por

el símbolo “g” y se mide en N/kg.

A.5. ¿Qué quiere decir que la intensidad gravitatoria en la superficie de la Tierra es 9’81 N/kg?

De acuerdo con el razonamiento anterior, significará que 1 kg de masa en la superficie de laTierra pesa (es atraído por el planeta) 9’81 N. Fijémonos que eso quiere decir que 2 kg pesarán19’62 N, 3 kg pesarán 29’43 N, y así sucesivamente.

A.6. Proponed una fórmula para calcular el peso de un cuerpo en función de su masa y de la intensidad gravitatoria del punto

donde se encuentre.

Si conocemos el valor de la intensidad gravitatoria en la superficie de distintos astros, podemos hallar

fácilmente el peso de un cuerpo en cada uno de ellos.

A.7. A continuación se dan distintos astros y la intensidad gravitatoria aproximada en la superficie de cada uno de ellos. Calculad

cuál sería el peso de un cuerpo de 80 kg de masa situado en la superficie de cada uno de ellos (y luego rellenad la tabla adjunta

con los resultados obtenidos)


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Astro Tierra Luna Marte Júpiter Sol Estrella de neutrones

Intensidad gravitatoria (N/kg) 9’8 1’6 3’7 26 274 9’8·1011

Peso de un cuerpo de 80 kg

A.8. Señalad si las siguientes proposiciones son verdaderas (V) o falsas (F), explicando por qué.

a) 1 kg de plomo pesa más que 1 kg de paja

b) El peso se mide en kg

) En el vacío los cuerpos no pesan.

d) Dentro del agua se pesa menos que fuera

Si reflexionamos sobre la actividad anterior, hemos de concluir que las cuatro proposiciones sonfalsas, ya que 1 kg de masa siempre es 1 kg de masa, sin importar que se trate de plomo o depaja. Lo que ocurre es que, si es de plomo, ocupará mucho menos espacio que si es de paja o depapel. Por otra parte, el peso no es lo mismo que la masa (aunque estén relacionados): el peso esuna fuerza (se mide en N) y la masa es la cantidad de materia (se mide en kg). La fuerzagravitatoria no depende del medio en el que se mida, da igual que estemos en el vacío o no. Unastronauta que ya ha dejado la atmósfera y se aleja de la Tierra en su nave, sigue siendo atraídopor la Tierra (cada vez con menos fuerza) aunque se encuentre en el vacío; el Sol y los planetasque le rodean se atraen gravitatoriamente (y están en el “vacío”) y lo mismo ocurre con todas lasestrellas de una galaxia y con las galaxias entre sí. La gravedad es una fuerza universal.Finalmente, el peso de un cuerpo es la fuerza con que la Tierra lo atrae y da igual que esté o nodentro del agua (lo que ocurre es que, en el agua, además del peso –que nos empuja hacia abajo-existe otra fuerza, que hace el agua, y que nos empuja hacia arriba).A.9. Hallad la masa que corresponde a los siguientes pesos (todos ellos correspondientes a cuerpos situados al nivel del mar,

donde g = 9’81 N/kg). a) 730 N; b) 12000 N; c) 2’5 N. Indicad objetos o cuerpos que pudieran tener los pesos

indicados

A.10. Utilizad distintos dinamómetros

para medir el peso de diferentes

objetos expresando correctamente los

Para medir el peso de un cuerpo se pueden utilizar unos

instrumentos de medida llamados dinamómetros. Un

dinamómetro es esencialmente un muelle situado sobre una

escala calibrada. Cuando colgamos un objeto del muelle éste

se alargará más o menos dependiendo del peso del objeto. La

escala está calibrada de forma que nos indica el peso en N.


resultados. Una vez obtenido el peso,

hallad también la masa de cada uno, en gramos.

Hemos visto que podemos calcular la masa de un cuerpo si previamente conocemos el peso. Sin

embargo, la masa también se puede medir directamente mediante una balanza. La balanza más

sencilla consta de dos brazos iguales de los que cuelgan dos platillos iguales y a la misma

altura. Podemos calcular la masa de cualquier objeto que coloquemos en uno de los platillos, equilibrando

la balanza con pesas (de masas conocidas), que se van colocando en el otro. En el momento que la


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balanza quede en equilibrio podemos afirmar que los pesos (y por tanto también las masas) de lo que hay

en ambos platillos, serán iguales.

Existen también balanzas monoplato (un solo platillo) y balanzas

electrónicas, con cuyo uso conviene familiarizarse.

A.11. Utilizad alguna balanza para hallar la masa de los mismos objetos manejados

en la actividad anterior, expresando correctamente los resultados.

1.3. Qué es el volumen y como se mide

Anteriormente hemos estudiado dos propiedades como la masa y el

peso. La primera es independiente de las condiciones en que se

encuentre el cuerpo, es una característica propia de cada cuerpo. Sin embargo, la segunda podía tomar

valores distintos dependiendo de lo alejado de la Tierra que estuviera el cuerpo.

A.12. Ahora vamos a estudiar otra propiedad de la materia llamada volumen (V). Expresad qué es el volumen y considerad si se

trata de una propiedad invariable de un objeto dado (como la masa) o, por el contrario, su valor depende de algunas condiciones.

En principio podemos pensar en el volumen de un objeto macizo como el espacio que ocupa dicho

objeto. Así, el volumen del cristal de un vaso no viene dado por lo que cabe en el mismo (su capacidad),

sino por el espacio que ocupa dicho cristal.

Por otra parte, se puede apreciar experimentalmente que, el volumen de un trozo de hierro o de una

cantidad determinada de agua o de mercurio, cambia con la temperatura, de modo que, a mayor

temperatura, mayor es el volumen (en esta propiedad se basa el funcionamiento del termómetro).

A.13. ¿Por qué en las vías de ferrocarril hay cortes y no son un rail continuo? ¿Qué son las juntas de dilatación?

Conviene no confundir el volumen con la forma. Si disponemos de un trozo de hierro, le podemos dardistintas formas (plana, esférica, alambre o lineal, hacer una caja, etc) pero el volumen de hierro (elespacio que ocupa) será siempre el mismo (si la temperatura no cambia, y mantenemos la misma masa dehierro siempre).El símbolo del volumen es “V” y la unidad internacional empleada para medirlo es el metro cúbico (m3).

1 m3 es el espacio ocupado por un cuerpo de forma cúbica y de 1 m de lado.

Recordemos que existen submúltiplos (dm3, cm3, mm3) y que cada uno de ellos es

mil veces más pequeño que el anterior. Habitualmente también se utiliza como

unidad de volumen el litro () con sus múltiplos y submúltiplos (1dm3 = 1 y 1

cm3 = 1 m).

Para medir el volumen de los cuerpos podemos utilizar diversos procedimientos e

instrumentos, dependiendo del estado físico en que se encuentre el cuerpo, como veremos a continuación.

A.14. Proponed diversas formas de hallar el volumen del objeto que suministre el profesor.

1 m

1 m

1 m


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Se trata de utilizar, en primer lugar, un objeto de forma regular, como un cilindro o una bola (que quepan

en una probeta) y determinar su volumen. Primero lo haremos de forma matemática (introduciendo la

fórmula correspondiente), expresando el resultado en cm3. Después, se procederá a sumergir totalmente el

objeto en cuestión dentro de una probeta con agua, midiendo el aumento del nivel del líquido que se

produce (que corresponderá al volumen del objeto), expresando correctamente el resultado en cm3.

Conviene tener en cuenta que el segundo procedimiento (a diferencia del primero) también sirve para

determinar fácilmente el volumen de objetos irregulares.

Cuando se trata de líquidos, existen diversos instrumentos para medir el volumen como son: La probeta,

la bureta, la pipeta graduada, el matraz aforado, etc. Es importante que los alumnos se familiaricen con

ellos (cuándo conviene utilizar cada uno) y que aprendan cómo se enrasa correctamente y cómo se mira

para hacer la lectura.

500 ml

20 ºC

A.15. Expresad en litros: 1200 cm3; 1 m3; 250 m. Expresad en cm3: 0’5 ; 1 m3; 2 dm3

A.16. Ordenad de menor a mayor: a) 752 cm3; b) 0’025 m3; c) 8’5 ; d) 950 m

2. UNA PROPIEDAD PARA DISTINGUIR UNAS SUSTANCIAS DE OTRAS: LA DENSIDAD

La masa, el peso y el volumen se caracterizan por que, en principio, pueden tomar cualquier valor, sea

cual sea el material2 de que se trate. Si, por ejemplo, pensamos en una bola de hierro o de acero, no hay

ningún inconveniente para que la masa de ésta pueda ser de 1 g, de 20 kg o de 3 t (toneladas). El mismo

razonamiento podríamos hacer con el volumen y con el peso.

Pero además de las propiedades anteriores, hay otras que tienen un valor característico para cada

sustancia, independientemente del tamaño de la muestra escogida. Estas propiedades pueden servirnos

para identificar o reconocer distintas sustancias.

A.17. Citad materiales de uso habitual y las causas por las que son utilizados.

2 Hay materiales, como el hierro, el aluminio o el agua, que están formados por una sola sustancia, mientras que tambiénhay otros materiales, como el acero, el bronce o la madera, formados por varias sustancias. En el tema siguiente yadefiniremos el concepto de sustancia de una forma más precisa.


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Podemos pensar en goma, diamante, amianto, acero, cobre, vidrio, madera, pólvora, gasolina,mercurio, aluminio, plomo, etc. Éstos pueden interesarnos por distintos motivos, como porejemplo: su elasticidad, poder aislante del calor, dureza, capacidad para conducir la corrienteeléctrica, combustibilidad, capacidad para dilatarse, ser ligeros, ser pesados, etc.

2.1. ¿Qué es la densidad?

Las propiedades anteriores pueden tomar valores muy distintos según qué material se considere. Por

ejemplo, decimos que no es igual de duro el acero que el plomo, ni conduce igual la corriente eléctrica el

cobre que el hierro, ni es igual de pesado el plomo que el aluminio. Como es lógico, no podemos realizar

aquí un estudio en profundidad de cada una de ellas, de modo que nos limitaremos a considerar a título de

ejemplo una de las más importantes, relacionada con la existencia de materiales más o menos ligeros. El

concepto que se ha elaborado para describir esta propiedad recibe el nombre de densidad.

A.18. Anteriormente se han señalado materiales que se utilizan porque son "ligeros" y otros porque son "pesados". Tenemos un

trozo de madera junto a otro trozo de hierro. ¿Cuál será más pesado de los dos?

La pregunta anterior es absurda a menos que se haga la comparación con volúmenes iguales. Así un

clavo de hierro pesa menos que una puerta de madera, pero un clavo de hierro pesará más que otro de

igual volumen hecho de madera (y una puerta de hierro más que otra igual, pero de madera). Por tanto,

siempre que consideremos dos volúmenes iguales de hierro y de madera, el primero pesará más, y por

tanto, tendrá más masa que el segundo. Análogamente, si lo que tenemos son dos masas iguales de hierro

y de madera (por ejemplo 1 kg de hierro y 1 kg de madera), el volumen del trozo de hierro será menor que

el volumen del trozo de madera. Decimos entonces que el hierro es más denso que la madera. En general,

decimos que:

Un material es más denso que otro si, a igualdad de volumen, la masa del primero es mayorque la del segundo.

O lo que es equivalente:

Un material es más densoque el del segundo.

Plomo

11 kg

Física y Química - 3º E.S.

que otro si, a igualdad

Plomo

1 kg

Hielo0’9kg

O. - Pag. 8 / 30

de masa, el volumen del primero es menor

Hielo

1 kg


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La densidad es una propiedad que depende, a la vez, de la masa y del volumen. Cuanto mayor sea la masa

de un material por cada unidad de volumen (por ejemplo, cuantos más gramos por cada cm3), más denso

será: el plomo es más denso que el corcho porque 1 cm3 de plomo posee más masa que 1 cm3 de corcho.

Un material muy ligero o poco denso es aquel que, teniendo muy poca masa, ocupa mucho espacio (tiene

mucho volumen): el corcho blanco, por ejemplo, es un material de baja densidad por lo que una masa de 1

kg de corcho blanco ocupa mucho más espacio que 1 kg de mercurio o de oro.

En los materiales muy densos la masa está muy concentrada (ocupa poco volumen) mientras que en los

materiales de baja densidad, la masa está poco concentrada (ocupa mucho volumen).

A.19. Tenemos dos sustancias (que llamaremos A y B) de 1 kg de masa cada una. El volumen de A es de 1000 cm3 mientras que

el de B es de 80 cm3. Razonad cuál de las dos es más ligera o, lo que es equivalente, cuál tiene menor densidad.

A.20. Tenemos dos sustancias (que llamaremos A y B) de 1 cm3 de volumen cada una. La masa de A es de 1g mientras que la de

B es de 12’5 g. Razonad cuál de las dos es más ligera o, lo que es equivalente, cuál tiene menor densidad.

Hasta aquí ha sido fácil razonar de dos sustancias cuál era más densa y cual menos, ya que, o bien tenían

la misma masa, o bien tenían el mismo volumen, pero ¿qué hacer cuando las masas y los volúmenes son

diferentes? ¿cómo podremos comparar en ese caso?

A.21. Supongamos que 11’2 g de un determinado material (X) ocupan un volumen de 14 cm3, mientras que 15 g de otro material

(Y) ocupan un volumen de 25 cm3. ¿Cuál de estos dos materiales es más denso? Proponed una expresión para calcular la

densidad.

Para poder comparar podemos hallar la masa que le correspondería a una misma unidad de volumen en

cada caso. Por ejemplo cuántos gramos de X habrá en cada cm3 de volumen de X y cuántos gramos de Y

habrá en cada cm3 de Y. Para ello no tenemos más que dividir cada masa entre su volumen

correspondiente.

8'014

2'11

Xdevolumen

Xdemasa g/cm3 6'0

25

15

Ydevolumen

Ydemasa g/cm3

Por tanto, el material X es más denso que el material Y ya que en cada cm3 de X hay una masade 0’8 g mientras que en cada cm3 de Y la masa es sólo de 0’6 g.De acuerdo con la anterior expresión, podemos definir la densidad como una propiedad de la materia que

toma un valor característico para cada sustancia o material determinado. Dicho valor coincide con el de la

masa correspondiente a una unidad de volumen. Para calcularlo, basta con tomar un trozo del material

que sea y dividir su masa entre su volumen. Un valor alto de la densidad quiere decir que la masa está

muy concentrada, que hay mucha masa en poco volumen.

La densidad se representa por la letra griega (léase “ro”). Su unidad internacional es el kg/m3, aunque

son habituales otras unidades como g/cm3 o g/.

En la tabla siguiente se dan algunas densidades para una tempercasos del agua y el hielo) y a presión normal (1 atm).

m

0

atura de 20 ºC (excepto en los =

V


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MATERIAL DENSIDAD (kg/m3) DENSIDAD (g/cm3)

Corcho 25 0’025

Agua (a 4º C) 1000 1

Hielo (a 0 ºC) 917 0’917

Agua de mar (a 15 ºC) 1025 1’025

Alcohol (etanol) 789 0’789

Aceite 930 0’930

Mercurio 13600 13’6

Hierro 7700 7’7

Cobre 8500 8’5

Oro 19300 19’3

Plomo 11300 11’3

Aluminio 2700 2’7

ORO

A.22. ¿Qué quiere decir que la densidad del oro, a 20ºC, es de 19’3 g/cm3? ¿Por qué se especifica

la temperatura a la que se mide la densidad? ¿Qué volumen tendrá 1 kg de oro? (dad el resultado

en litros).


A.23. Calculad cuál será la masa en kilogramos de 1 litro de mercurio y comparadla con la masa en kg de un litro de agua

a 4º C. (Obtened los datos necesarios de la tabla anterior).

En la pagina Web del curso tienes un entorno de trabajo, dentro de los

recursos complementarios, para consolidar las ideas en torno al concepto de

densidad


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Experimentalmente se comprueba que, para que un sólido macizo flote sobre un líquido, elprimero ha de ser menos denso que el segundo. Lo mismo ocurre con líquidos no miscibles (porejemplo aceite sobre agua) y con los gases.

A.24. ¿Qué importancia tiene para la naturaleza que el hielo sea menos denso que el agua?

A.25. ¿Por qué en el mar se flota mejor que en el agua dulce?

A.26. ¿Qué hay que hacer para que un globo aerostático lleno de aire se eleve en el aire?

A.27. Un material A tiene una densidad de 5’2 g/cm3, otro B de 586 g/l y otro C de 2700 kg/m3. Ordenadlos de menor a mayor

densidad

A.28. Un alumno ha escrito como fórmula para hallar el valor de la densidad: = V/m. Explicad por qué esa expresión resulta

incoherente con el concepto de densidad tal y como éste ha sido definido.

Unos estudiantes afirman que la densidad de un material determinado depende de la cantidad de ese

material que tomes para hallar su valor. Otros, por el contrario dicen que la densidad es una propiedad

que toma un valor determinado para cada material, independientemente de lo grande o pequeño que sea el

trozo que coges para calcularla.

A.29. Formulad vuestras propias hipótesis sobre el párrafo anterior y diseñad -y llevad a cabo- alguna experiencia para

comprobarlas.

Cabe esperar que, entre vuestras hipótesis, haya surgido la idea de que el tamaño del trozo dematerial considerado no tendría ninguna influencia en el valor de la densidad, ya que todocambio de volumen se vería compensado por un cambio en la misma proporción en la masa. Porejemplo: si cojo un trozo mayor, también su masa será mayor, de modo que el cociente m/V darásiempre lo mismo.Para comprobar la hipótesis anterior basta con utilizar trozos de tamaño diverso de un mismomaterial e ir determinando en cada caso la masa y el volumen, recogiendo los datos en una tabla.Resulta sencillo hacerlo, por ejemplo, con aceite de oliva (reutilizarlo y no lanzarlo a la pila yaque el aceite es un producto muy contaminante para el medio ambiente).Unos alumnos han procedido a medir la masa y el volumen de distintas muestras de un mismo aceite de

oliva. Los resultados se exponen en la tabla siguiente:

MUESTRA A B C D E

masa (g) 4’6 9’2 11’5 15’0 18’4

volumen (cm3) 5’0 10’0 12’5 16’3 20’0

A.30. Analizad los resultados de la tabla anterior.


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Si la densidad es independiente de lo grande o pequeña que sea la muestra considerada, veremos que, al

dividir cada masa por su volumen correspondiente en la tabla anterior, salen resultados muy parecidos

(recordad que toda medida viene afectada de una cierta imprecisión inevitable).

Mejor todavía sería (si es posible) representar gráficamente los valores de m frente a los valores de V y

comprobar que sale una línea recta, con lo que se concluye que, efectivamente, ambas magnitudes (m y

V) son directamente proporcionales. La constante de proporcionalidad es precisamente la densidad del

aceite de oliva y su valor se puede obtener de la gráfica fácilmente, para luego compararlo con el que

figura en la tabla de densidades.

2.2. Importancia práctica de un metal de baja densidad: el aluminio

El aluminio es un metal de color grisáceo y que tiene una gran cantidad de usos. Se trata del metal másabundante en la corteza terrestre. Debido a que se combina bastante fácilmente con el oxígeno no seencuentra libre en la naturaleza, sino formando compuestos con el oxígeno. Así, el mineral denominadoBauxita tiene un elevado contenido de óxido de aluminio. Los primeros objetos de aluminio comenzarona fabricarse en 1845.El aluminio tiene una serie de propiedades que lo hacen especialmente interesante. Entre ellas podemos

destacar las siguientes:

No es tóxico ni él ni muchas de sus combinaciones.

Es resistente a la mayoría de los ácidos orgánicos.

Es blando y muy maleable (se puede laminar en hojas muy finas).

Se oxida fácilmente, pero lo hace con una fina capa superficial de óxido que impide que la

oxidación prosiga al interior con lo que, en la práctica, resiste más a la corrosión que el hierro.

Es un metal muy ligero. Su densidad es 2’7 g/cm3 (casi tres veces menor que la del hierro).

A.31. Teniendo en cuenta las propiedades anteriores, haced una reflexión sobre los distintos usos que

puede tener el aluminio.

Podemos referirnos en primer lugar a que, debido a su no toxicidad, resistencia a muchos ácidos ydiversos líquidos orgánicos, y capacidad para formar con él láminas muy finas (papel de aluminio), es unmaterial ideal en la industria alimentaria, donde se usa ampliamente para envolver alimentos. Tambiénpara fabricar envases que contengan líquidos destinados al consumo humano (cerveza, refrescos, etc).Por otra parte, debido a su baja densidad y a su notable resistencia a la corrosión, tanto el aluminio como

algunas de sus aleaciones están siendo extraordinariamente utilizados en la industria de la construcción

(por ejemplo, marcos de ventanas de aluminio) y en la fabricación de muchos vehículos en los que la

ligereza es una cualidad deseable, como, aviones, bicicletas, etc. En la actualidad se están fabricando ya

automóviles con carrocerías en las que una gran parte es de aluminio. Esto puede tener una gran

importancia ya que, al reducir el peso del vehículo, el consumo de combustible es menor, lo que puede

contribuir a disminuir la contaminación atmosférica y ahorrar energía.


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Desgraciadamente frente a todas estas ventajas también se han producido

graves inconvenientes. Así, por ejemplo, cada vez es más frecuente

encontrar latas de aluminio vacías en cualquier parte, ya que éstas han

sustituido ampliamente a los envases de vidrio retornables. Análogamente

ocurre con el papel de aluminio utilizado para envolver, etc. Es necesario

que todos nos impliquemos en evitar hechos como estos y depositemos las

latas de aluminio y en general todos los residuos que generamos en los

contenedores adecuados para el reciclaje de los mismos.Hasta aquí hemos

estudiado algunas propiedades generales de los sólidos y líquidos (masa,

peso y volumen) y hemos realizado un estudio más detenido de la densidad,

como un ejemplo de propiedad que toma un valor di

sustancia que se trate.

La Web Quest dedicada a masa volumen temperatur

web del curso nos sirve como resumen de los visto has

Hemos aprendido mucho, pero también se han abierto n

por ejemplo: ¿por qué hay unos materiales más densos que otros? que tratarem

posteriores.Por otra parte, también nos quedan pendientes algunos problemas

las propiedades estudiadas hasta aquí, para las sustancias en estado sólido o

también a los gases. En concreto:

a) ¿Tienen masa los gases?

b) ¿Pesan o no?

c) ¿Tienen volumen?

d) ¿Se puede hablar de densidad de un gas?

Si resulta que las propiedades anteriores se pueden extender también a los ga

que los gases también son materia como los líquidos o los sólidos, solo que en

como los gases se comportan todos de forma parecida y bastante simple, resu

gases será lo más conveniente para investigar cómo es la materia en general po

materia) y poder así avanzar en la comprensión de los distintos cambios materi

3. NATURALEZA Y COMPORTAMIENTO DE LOS GASES

Como acabamos de señalar, el estado gaseoso es aquél en el que la materia prese

simple. No es de extrañar pues, que el estudio de las propiedades comunes de

ligado al desarrollo de las primeras concepciones acerca de la estructura de la m

una breve descripción de dicho comportamiento.

Ver el tema dos de vuestro libro, en su pagina 32 describe pro

A.32. Citad sustancias que habitualmente se encuentren en estado gaseoso

todas las propiedades que se atribuyen a los gases.

stinto según el material o

a y densidad en la pagina

ta ahora

uevos interrogantes como,

os de contestar en capítulos

importantes como el de si

líquido, se pueden aplicar

ses, habremos de concluir

un estado distinto. Además

ltará que el estudio de los

r dentro (la estructura de la

ales.

nta un comportamiento más

los gases esté íntimamente

ateria. Comenzaremos por

piedades de los gases.

y elaborad una lista, describiendo


José Frutos Lorca




El hecho de que la mayoría de las sustancias gaseosas habituales no se puedan ver, puede llevar apensar, erróneamente, que todos los gases son aire (que tampoco se puede ver). No obstante, aunquehay muchos gases incoloros, estos no son idénticos al aire (el cual es una mezcla nitrógeno, oxígenoy algunos otros gases). Así, por ejemplo el amoniaco, el agua, el butano, el hidrógeno, el helio, elsulfuro de hidrógeno, etc, son sustancias que, en estado gaseoso, tienen propiedades diferentes entreellas y con el aire. Además, es posible observar algunos gases coloreados como, por ejemplo, elIodo en estado gaseoso. De todas formas, a pesar de la variedad de gases existentes, lo cierto es quees bastante sencillo darse cuenta de que la mayoría de ellos presentan toda una serie de propiedadescomunes, entre las que se encuentran las siguientes:

1º) Se pueden recoger y almacenar.

2º) Se mezclan fácilmente entre si.

3º) Se pueden comprimir mucho.

4º) Ejercen presión sobre las paredes del recipiente que los contiene.

5º) Ocupan la totalidad del recipiente en el que se encuentren.

6º) En el caso de que el recipiente tenga alguna pared móvil (por ejemplo un émbolo) se observa que, al

calentar el gas de dentro (elevar su temperatura), éste se dilata empujando al émbolo hacia afuera (aumenta el

volumen).

7º) En caso de que todas las paredes sean fijas y el recipiente hermético, al calentar el gas aumenta la presión

que éste ejerce sobre las paredes.

A continuación estudiaremos algunas de las propiedades anteriores.

3.1 ¿Ocupan volumen los gases?

A.33. Proponed algún experimento que permita mostrar que los gases ocupan un espacio. A título de ejemplo: ¿cómo hacer ver a

alguien que una botella o un vaso que nos parecen "vacíos" en realidad están llenos de aire?

Las siguientes experiencias que se proponen, se pueden realizar fácilmente:

a) Hundir un vaso boca abajo en un recipiente con agua como indica la figura 1 y ver que el agua no llena

el vaso. El vaso “vacío” en realidad no está vacío sino que tiene algo dentro. Esta observación fácilmente

realizable (por ejemplo, en la pila de la cocina) permite también mostrar la salida del aire, con tan sólo

girar lentamente el vaso hacia arriba. La experiencia puede hacerse más "vistosa" con ayuda de un

pequeño corcho puesto dentro del vaso, antes de introducirlo en el agua. Una variante consiste en poner

pegado al fondo del vaso un pequeño un papel y comprobar que por mucho que se hunda no se moja.


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b) Otra experiencia que podemos realizar con una botella, consiste en acoplarle un embudo de manera

que el cierre sea hermético (poniendo plastilina o presionando fuertemente ..) y, a continuación, añadir

agua al embudo. Para que el agua caiga fácilmente al fondo de la botella es necesario permitir la salida

del aire encerrado levantando un poco el embudo o, en su caso, pinchando la plastilina pegada entre el

cuello de la botella y el embudo.

c) También se puede tratar de hundir a presión el émbolo de una jeringa de plástico que ha sido cerrada a

la llama o simplemente tapando y presionando el agujero con un dedo.

Los gases, pues, ocupan volumen como los sólidos y líquidos, si bien se parecen más a estos últimos en

cuanto a la facilidad que tienen para fluir, de ahí que se les llame conjuntamente fluidos. Relacionada con

esta tendencia a fluir, a escaparse, los gases ocupan todo el volumen disponible del recinto que los

contiene y ello complica tanto su recogida como la medida precisa de volúmenes.

A.34. Una cualidad importante en los atletas es su capacidad pulmonar (volumen máximo de aire que puede introducir o expulsar

una persona de sus pulmones en cada inspiración o espiración). ¿Cómo se puede recoger y medir este volumen de aire?

La recogida y medida del volumen del aire espirado o, en general, de cualquier gas se puede hacer sobre

un líquido en el que previamente se sabe que no se disuelve. El montaje solicitado puede consistir, por

ejemplo, en un tubo acodado o, simplemente, un tubo de goma, introducido en una probeta calibrada e

invertida que está llena de agua y que sea lo bastante grande. Al soplar por dicho tubo se desplaza el agua

(figura 3) y se podría medir la capacidad torácica si el recipiente de recogida fuese lo bastante grande.

3.2. ¿Pesan los gases?

Una de las razones aportadas en favor de que los gases no pesan (y, por

tanto, no tienen masa) es que se mueven hacía arriba de modo

espontáneo, o, lo que es lo mismo, que no caen, tal como ocurre con

cualquier sólido o líquido de los que observamos habitualmente. Un

argumento tan obvio y convincente, que para muchas personas podría

dejar la cuestión zanjada. Sin embargo, el avance científico supone, en ocasiones, poner en cuestión lo obvio,

lo aceptado comúnmente como "evidente". De hecho, muchas de esas "verdades evidentes" han supuesto

barreras históricas cuya superación ha dado lugar a importantes avances en la comprensión de la naturaleza.


José Frutos Lorca



Conviene, pues, "atacar" la barrera que nos ocupa, planteándonos si, realmente, todas las cosas que se

mueven hacia arriba espontáneamente carecen de peso.

A.35. Se llena hasta más de la mitad una probeta grande con agua y se coloca sobre una balanza junto con un pequeño cilindro

de madera y una pequeña bolita de material adhesivo tipo plastilina del que se utiliza para fijar pequeños objetos como, por

ejemplo, fotos, a distintas superficies. Se pesa todo el conjunto (A) y posteriormente, con la balanza equilibrada, se quita la probeta

y con la ayuda de una varilla apropiada se procede a sumergir el cilindro con la bolita de adhesivo pegada en su base hasta el

fondo de la probeta donde se presiona un poco para que quede momentáneamente fijado (sin derramar nada de agua).

Inmediatamente se vuelve a colocar sobre el plato de la balanza (B). Si se espera un poco se observa que, espontáneamente, el

cilindro se suelta y está subiendo (C), hasta que finalmente llega arriba y queda en reposo, flotando sobre la superficie del agua

(D). Si lo hacemos veremos que la balanza nos da las siguientes indicaciones respecto del peso en cada situación:

1º) A > B > C < D

2º) A = B > C = D

3º) A = B = C = D

4º) Otra (especificar)

Una vez comprendida y contes

La experiencia propuesta

espontáneamente carece d

lo mismo independientem

menos densa que el agua

viene explicaremos por qu

Otra de las razones que po

a pesar una bolsa de plás

bolsa plegada (como se pu

A.36. Un estudiante dispone de

sumerge ambos totalmente en

a) Un peso menor que fuera de

b) El mismo peso que en el air

c) Marcará cero.

Una vez comprendida y contes


tada la actividad, proceded a su realización experimental y extraed las conclusiones oportunas.

es sencilla de realizar y permite cuestionar la idea de que todo lo que asciende

e peso, ya que el cilindro de madera pesa pero lo que marca la balanza es siempre

ente de que el cilindro esté en el fondo, suba o flote. La madera sube porque es

. Análogamente, los gases menos densos que el aire también suben. (El curso que

é ocurre esto).

drían aportarse para tratar de justificar que los gases no pesan es que si se procede

tico o papel llena de aire, el dinamómetro no marca más que al colgarle la misma

ede comprobar fácilmente). La actividad siguiente permite aclarar esta cuestión.

un dinamómetro y de un globito lleno de agua. A continuación cuelga el globito del dinamómetro y

agua (barreño, bañera, piscina…). Si lo hace observará que el dinamómetro marcará:

l agua

e

tada la actividad, proceded a su realización experimental y extraed las conclusiones oportunas.

A B C D


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Si se realiza la experiencia propuesta se verá que sí podemos mostrar que el globo lleno de agua pesa cuando

nos encontramos en el aire (un fluido más denso que el que queremos pesar), pero no cuando nos hallamos

dentro del agua (un fluido igual de denso que el que queremos pesar), en este último caso, el dinamómetro

marca 0.

Análogamente, tan solo podremos constatar que el aire pesa si nos encontramos en un medio más ligero que

el aire que deseamos pesar. Podemos conseguir esto si introducimos en un recipiente mucho más aire que el

que habría si estuviera abierto. Esto es lo que hacemos, por ejemplo, cuando metemos aire a presión dentro

de un balón, experiencia, que también se puede llevar a cabo con relativa facilidad para comprobar que en

esas condiciones el balón pesa más. También son posibles otros diseños alternativos:

A.37. Diseñad otras posibles experiencias, sencillas de realizar, que sirvan para mostrar que los gases pesan.

Se pueden pensar (y llevar a cabo) experiencias muy sencillas, como la siguiente:

Colocad un vaso con un poco de agua sobre una balanza electrónica y, a continuación, añadid una pastilla

efervescente al agua. Es fácil comprobar que, nada más añadir la pastilla la balanza señala un peso mayor

pero luego ese peso empieza a disminuir y lo sigue haciendo mientras dure la efervescencia de la pastilla, es

decir, mientras se siga escapando dióxido de carbono gaseoso, mostrando claramente que dicho gas pesa.

Aceptado que los gases pesan podemos comprender que el peso del aire atmosférico que nos envuelve

justifica la existencia de una presión atmosférica que tomará su máximo valor sobre la superficie de la

Tierra (el fondo del “mar de aire” que nos envuelve ). A continuación, trataremos brevemente este tema.

A.38. Sugerid pruebas de que el aire atmosférico ejerce una gran presión sobre el fondo del "mar de aire" en el que vivimos.

La cuestión del peso de los gases puede asociarse también al estudio de la presión ejercida por la

atmósfera gaseosa que envuelve la Tierra. Ello puede dar lugar a numerosas experiencias sencillas de

realizar, tales como:

a) Llenar completamente una botella con agua; se invierte al tiempo que se sumerge en el agua de un

recipiente y se observa que el agua de la botella no cae.

b) Apretar una ventosa sobre una superficie y luego tratar de arrancarla.

c) Colocar una lámina grande de plástico grueso sobre una superficie pulida (de modo que no quede aire

entre ambas) y tras fijar una ventosa sobre el centro de la lámina, intentar levantarla.

Naturalmente son posibles otras muchas experiencias como, por ejemplo, impedir, mediante unasimple hoja de papel, la caída del agua contenida en un vaso invertido; o la realización a pequeña


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escala del experimento de "los hemisferios de Magdeburgo" (mediante dos simples ventosas).Una experiencia espectacular y también muy sencilla de realizar consiste en el aplastamiento deuna lata metálica, como se describe a continuación

La experiencia consiste en introducir un poco de agua dentro de una lata de refresco vacía. Acontinuación utilizando unas pinzas como las de la figura se calienta hasta ebullición permitiendo quesalga vapor de agua por el agujero de la lata durante unos instantes y después, con un movimiento muyrápido, introducirla boca abajo en un recipiente con agua que se habrá dispuesto previamente al lado.

Se observa como inmediatamente la lata se aplasta. ¿por qué?

Al calentar, el aire caliente sale de la lata junto con vapor de agua, pero al sumergirla el vapor que haydentro de la lata condensa inmediatamente con lo que la presión dentro es menor que la presión exteriorejercida por la atmósfera, lo que explica el rápido aplastamiento.

Una vez mostrado que los gases poseen volumen y masa, podemos entrar a analizar otras propiedades que

tienen relación con la posibilidad de aumentar y disminuir su volumen según nos convenga, bien

presionándolos o bien calentándolos y enfriándolos.

3.3. Los gases se pueden comprimir y expandir fácilmente

A.39. Proponed alguna experiencia que muestre la facilidad con la que los gases se

comprimen y expanden.Mira la pagina 34 de tu libro

Se pueden realizar experiencias elementales utilizando jeringuillas cerradas llenas de aire

(y presionando el émbolo), o una probeta que se hunde boca abajo en un recipiente con agua , o un

bombín, etc. Conviene tener en cuenta que la existencia de un equilibrio supone aceptar que la fuerza y

presión externas realizadas son compensadas por la fuerza y presión que ejerce el gas. De hecho, los gases

pueden ejercer presiones muy elevadas como se muestra en las figuras siguientes ("el elefante subido

sobre una pelota", "el voluminoso turista durmiendo en la colchoneta de aire", "la enorme carga de un

camión soportada por los neumáticos"…).


José Frutos Lorca




Esta gran compresibilidad de los gases, a diferencia de los líquidos, puede producir efectos muy negativos

cuando se introducen gases en conducciones de líquidos como ocurre, a veces, en los frenos hidráulicos

de los vehículos.

Si por una avería se mete aire en el sistema de la figura anterior, el freno no funcionará bien y será

necesario “purgarlo” para extraer el aire puesto que al pisar el pedal se comprimiría el aire y no se

transmitiría la fuerza a los discos de frenado.

3.4. Los gases cambian de volumen o de presión cuando se les calienta o enfría

A.40. Proponed sencillos montajes o comentad algunas situaciones de la vida cotidiana donde se ponga en

evidencia la variación de volumen de un gas con la temperatura. Mira la pagina 36 del libro de texto

Se pueden pensar experiencias como aproximar un globo a un foco calorífico (radiador, plancha

caliente...) teniendo buen cuidado de que no se queme la goma o, por el contrario, meter el globo muy

hinchado en el congelador de la nevera (o un pequeño globo en agua caliente). En todas ellas se puede

comprobar de forma cualitativa que los gases cuando se calientan o se enfrían pueden, respectivamente,

aumentar o disminuir su volumen.

Las experiencias propuestas anteriormente son situaciones en las que varía también la presión. Para lograr

que sólo varíe el volumen hay que pensar, por ejemplo, en un recipiente rígido provisto de un émbolo que


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se deslice con facilidad para que la presión se mantenga constantemente igual a la atmosférica (como

sería una jeringuilla con un émbolo que deslice fácilmente).

Las variaciones de volumen que experimentan los gases con la temperatura pueden relacionarse con

fenómenos como el ascenso del aire caliente (menos denso debido al aumento de volumen) y el

desplazamiento de aire frío que viene a ocupar su lugar. Eso es lo que explica, por ejemplo, las brisas

nocturnas o el ascenso de los globos que funcionan con un calefactor.

A.41. Concebid experiencias u observaciones cotidianas que muestren la variación de la presión de un gas al aumentar o disminuir

su temperatura.

Algunos ejemplos sencillos son las ollas a presión (al calentar el vapor de agua que se produce ejercepresión sobre las paredes internas) o la presión manométrica de las ruedas de un coche que siempre esmenor antes que después de recorrer un largo trayecto que produce el calentamiento de los neumáticos (loque permite justificar la recomendación de los fabricantes de que se mida la presión siempre en frío).Otra experiencia puede consistir en colocar sobre el cuello mojado de

una botella vacía una moneda ligera, de manera que cierre

herméticamente la boca de salida. Al rodear la botella con las manos se

observará que al cabo de un rato la moneda empieza a dar saltos. Ello

ocurre porque mientras se calienta con las manos y se mantiene cerrada

la botella va aumentando la presión del aire encerrado hasta que la

fuerza ejercida por éste es capaz de levantar la moneda escapando

entonces algo de aire, con lo que la presión interna vuelve a disminuir,

se cierra de nuevo la botella y se inicia otra vez el calentamiento del gas

encerrado.

Ésta variación del volumen y/o de la presión con la temperatura es de gran impo

puede ser aprovechada, por ejemplo, para construir termómetros de gases o par

naturales como el origen de las brisas marinas diurnas o nocturnas, a las que ya he

Pasaremos, finalmente, a mostrar que los gases se pueden mezclar, por sí solos,

propiedad conocida como difusión.3.5. Los gases se difunden con mucha facilida

A.42. ¿Cómo probar que los gases se mezclan por sí solos muy fácilmente?

Son posibles distintos diseños utilizando gases que sean perceptibles por su color

ellos consiste en tomar dos recipientes interconectados por una llave de paso, c

figura 10 e introducir en uno de ellos un gas coloreado (por ejemplo, el obtenido al

unos cristales de iodo) y en el otro aire. La difusión se observará fácilmente al abr

pueden utilizar esencias aromáticas volátiles que sean preferentemente de olores agr

rtancia y utilidad pues

a explicar fenómenos

mos hecho referencia.

con mucha facilidad,

d

o por su olor. Uno de

omo se muestra en la

calentar suavemente

ir la llave. También se

adables.


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Otro ensayo, bastante espectacular, consiste en introducir en cada uno de los extremos de un tubo

colocado horizontalmente, dos algodones empapados en ácido clorhídrico y amoniaco respectivamente.

Los gases incoloros de cloruro de hidrógeno y de amoniaco, se difunden por el tubo y, al reaccionar,

producen una nube de color blanco de cloruro de amonio.

En

for

em

4.

Un

ide

coh

A.4

mez

que

El

mo

col

otr

ent


esta experiencia no solamente hay difusión de dos gases, sino también un proceso químico con

mación de una nueva sustancia, pero es muy perceptible la evidente facilidad con que se difunden las

anaciones gaseosas del NH3 (g) y del HCl (g) que se producen desde los algodones situados en los

extremos del tubo.

En la pagina Web del curso tienes un entorno de trabajo, dentro de los

recursos complementarios, para consolidar las ideas en torno al

comportamiento de los gases

UN ÚNICO MODELO DE GAS QUE EXPLIQUE TODAS LAS PROPIEDADES

a vez estudiado el comportamiento físico de los gases, estamos en disposición de afrontar el desafío de

ar, a título de hipótesis, un modelo sobre la estructura de los gases que pueda explicar de forma

erente el conjunto de sus propiedades.

3. Elaborad, a título de hipótesis, un modelo sobre cómo pueden estar formados los gases, que nos permita explicar por qué se

clan tan fácilmente unos con otros de forma espontánea; por qué ocupan, de forma homogénea, todo el volumen del recipiente

los contiene, y por qué la mayoría de los gases no pueden verse.

fenómeno de la difusión homogénea sugiere que los gases están formados por partículas en

vimiento caótico y desordenado, si no ¿qué es lo que hace que al poco de destapar un frasco de

onia, una botella de amoniaco, un guiso de coliflor… el olor se perciba en todos los alrededores? Por

a parte, el hecho de que la mayoría de los gases no puedan verse y que todos se mezclen ellos solos

re sí con tanta facilidad, induce a pensar que esas partículas han de ser muy pequeñas y estar bastante


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separadas entre ellas. Estas consideraciones facilitan la elaboración de un modelo corpuscular y cinético

de los gases, según el cual:

Todos los gases estarían formados por muchas y diminutas partículas en continuo movimiento

caótico y separadas por grandes huecos o espacios vacíos (grandes, en comparación con el tamaño

de las propias partículas).

Otra característica del modelo cinético de los gases es que las partículas que forman un gas no sufren

dilataciones ni compresiones ni tampoco cambios de estado. Se trata de corpúsculos con masa y

prácticamente puntuales. De hecho, si fueran las propias partículas de un gas las que se dilataran al calentarlo,

cabría esperar que, al aumentar de tamaño, se difundieran más lentamente (por ejemplo aumentara la

dificultad para salir por un pequeño orificio). Sin embargo ocurre justamente lo contrario. La masa y el

tamaño no cambian, lo que varía es la velocidad, y si se mueven más deprisa también se difundirán más

rápidamente.

A.44. Utilizad el modelo anterior para explicar por qué los gases:

a) Se pueden comprimir tanto (compresibilidad).

b) Presionan las paredes del recipiente en el que se encuentren

c) Al calentarlos (o enfriarlos) se dilatan (o se contraen) o, si el recipiente es rígido y sin ninguna pared móvil, aumenta (o

disminuye) la presión sobre todas las paredes internas de éste.

El que los gases se puedan comprimir tanto, se explica perfectamente admitiendo que al presionar

disminuye el tamaño de los huecos existentes entre las partículas y, como estos huecos son muy grandes

(comparados con el tamaño de las partículas), es lógico que los gases se puedan comprimir mucho.

Análogamente, al haber muchísimas partículas moviéndose en todas direcciones, se producirán cada

segundo millones y millones de choques de esas partículas contra todas las paredes internas del

recipiente, lo que justifica la presión ejercida por el gas sobre ellas. Finalmente, al aumentar la

temperatura el consiguiente aumento de volumen y/o de presión se puede explicar por el aumento que se


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produciría en la velocidad con que se mueven las partículas, lo que haría que sus choques contra todas las

paredes fuesen más violentos y frecuentes (y al contrario al disminuir la temperatura).

A.45. Una persona ha planteado el siguiente argumento en contra del modelo cinético-corpuscular: Si se admite que entre las

partículas de los gases que forman el aire (nitrógeno, oxígeno y otros) no hay nada y que están separadas por grandes distancias

entre ellas, podríamos respirar en esos huecos y al no haber aire en ellos nos asfixiaríamos. Indicad si se está o no de acuerdo

con este argumento y por qué.

Conviene tener en cuenta el elevadísimo número de partículas que hay en un volumen determinado de

gas, dado el extraordinariamente pequeño tamaño de estas. Una mota de polvo o un simple grano de sal,

son verdaderos gigantes si los comparamos, por ejemplo, con las partículas que forman el aire. Así, en un

solo cm3 de aire (como un dado de jugar al parchís) en condiciones de presión y temperatura ordinarias,

hay … ¡más de 10 trillones de partículas en total! (la mayoría de ellas de nitrógeno y de oxígeno). Sin

embargo, si ese volumen de 1 cm3 lo dividiéramos en cien mil partes iguales, los 10 trillones de partículas

totalmente juntas (pegadas unas a otras), no llegarían a ocupar más de 3 de esas partes, quedando las otras

99.997 partes completamente vacías. Por otro lado, el volumen medio de una pequeña célula (solo visible

con un microscopio) es aproximadamente un millón de millones de veces más grande que el volumen de

una de esas partículas. Así pues, cuando se dice que las partículas que forman un gas están separadas unas

de otras por grandes distancias, esas distancias son grandes en relación al tamaño extraordinariamente

pequeño de las partículas, no en relación a nuestro cuerpo o a los objetos cotidianos. No obstante, si es

cierto que conforme aumenta la altitud y cada vez el aire es menos denso (por ejemplo, al ascender a una

montaña muy alta), aumenta la dificultad para respirar porque la cantidad de oxígeno que se absorbe en

cada inhalación disminuye (eso explica que, a veces, los alpinistas tengan que llevar botellas de oxígeno

para respirar bien a ciertas alturas). Esto ha hecho que para aumentar el rendimiento en algunos deportes

(como atletismo) se realicen entrenamientos continuados en zonas con altitudes superiores a 2000 m

sobre el nivel del mar ya que al ser la concentración de oxígeno más baja, el cuerpo responde produciendo

más glóbulos rojos y, por lo tanto, está luego mejor preparado para competir en zonas de más baja altitud

ya que al tener más glóbulos rojos aumenta el transporte de oxígeno a las células mejorando la

respiración.

5. ¿ES EXTENSIBLE EL MODELO A LÍQUIDOS Y SÓLIDOS?

El modelo cinético-corpuscular explica bastante bien el comportamiento de los gases pero, nuestroobjetivo inicial era encontrar un modelo para la estructura de todos los materiales, tanto gaseosos comolíquidos o sólidos. Vamos pues a plantearnos ahora si será posible extender dicho modelo a líquidos ysólidos. Para ello comenzaremos buscando semejanzas entre ellos, es decir, propiedades de los gases quetambién puedan tener sólidos y líquidos. Si conseguimos encontrar esas semejanzas, también cabe esperarque se puedan explicar con el mismo modelo, lo cual nos permitiría consolidarlo todavía más y, con ello,avanzar en nuestro objetivo de encontrar una misma estructura básica común a todos los materiales.

5.1. Algunas propiedades de líquidos y sólidos, semejantes a las de los gases


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A.46. Considerad de nuevo las propiedades de los gases estudiadas en el primer apartado de este tema y decidid en qué medida

lo son también de líquidos y sólidos (se trata de buscar semejanzas, no de resaltar las evidentes diferencias entre líquidos o

sólidos y los gases).

Para contestar a la actividad planteada podemos analizar algunas propiedades como las siguientes:

Líquidos y sólidos, aunque muy poco, también se pueden comprimir y, en general, se dilatan con elcalor y se contraen con el frío.

Es cierto que, por ejemplo, para comprimir un poco agua o arena deberíamos ejercer presiones muy grandes

pero también lo es que cuando se comprime progresivamente el aire contenido en una jeringa, resulta cada

vez más difícil seguir haciéndolo. Incluso, puede ocurrir que, en determinadas condiciones, algunos gases

pasen a líquidos (se licuan) cuando la presión sobrepasa un cierto valor. En cuanto a la dilatación por

calentamiento las semejanzas son más evidentes ya que existen muchos líquidos y sólidos que aumentan su

volumen (en distinto grado) al elevar la temperatura a la que se encuentran. Pensemos, por ejemplo, en la

dilatación del mercurio (efecto que se aprovecha para la construcción de termómetros) y en la necesidad de

colocar juntas de dilatación en edificios, vías de ferrocarril, puentes, etc. Así, por ejemplo, una barra de hierro

de 200 m se alargaría unos 5 cm al elevar su temperatura de 10 ºC a 50 ºC.

Existen sustancias que en fase líquida se pueden mezclar fácilmente unas con otras. En algunos casos(como ocurre con el agua y el metanol ) al adicionar dos volúmenes V1 y V2 de dos líquidos, elvolumen resultante es apreciablemente menor que la suma de los volúmenes. Algunos sólidos sepueden disolver fácilmente en líquidos extendiendo a todas las partes de la disolución su presencia(color, sabor, etc.).

En efecto, la facilidad de los gases para mezclarse ellos solos entre si o difundirse, se puede relacionar con el

hecho de que muchos líquidos, como, por ejemplo, el agua y el etanol, también se mezclan fácilmente (son

miscibles). Al echar con cuidado una sola gota de tinta al agua contenida en un vaso, se puede observar cómo

la tinta se difunde extendiendo su color por toda el agua. También se pueden realizar las experiencias de

disolución de sólidos iónicos fuertemente coloreados como el permanganato o el dicromato de potasio

(utilizando cantidades mínimas, ya que se trata de compuestos tóxicos muy nocivos para el medio

ambiente). Otra experiencia que se puede planificar y realizar en un laboratorio escolar es la disolución de

metanol en agua y comprobar que la suma de volúmenes iniciales de los líquidos es un poco menor que el

volumen de la mezcla.

5.2. Extensión del modelo corpuscular a líquidos y sólidos

Acabamos de ver que existen algunas coincidencias entre los gases y sólidos y líquidos, que nos van a

permitir avanzar en el problema de si es posible (y en qué medida) generalizar el modelo corpuscular

elaborado para los gases, también a sólidos y a líquidos.Continuaremos el estudio, analizando la posible

aplicación de dicho modelo a los cambios de estado, que constituyen el nexo de unión entre gases, líquidos y

sólidos. Obviamente, si una misma sustancia (como el agua) puede pasar de gas a líquido y a sólido, cabe

pensar que las mismas partículas que forman el gas deberán encontrarse también en el agua líquida y en el

hielo. El modelo, deberá explicar además cómo se pueden producir esos cambios de estado y las diferencias

de comportamiento entre gases, líquidos y sólidos.


José Frutos Lorca




A.47. Proponed ejemplos de materiales conocidos que puedan encontrarse en los distintos estados: sólido, líquido y gaseoso.

Efectivamente, existen muchos ejemplos en los que un mismo material puede encontrase en diferentes

estados y cambiar de uno a otro. Podemos referirnos a situaciones tan distintas como la fusión del hierro

en una siderurgia, las botellas y contenedores con gas líquido a presión (visible en algunos encendedores

transparentes), la condensación de vapor de agua sobre una superficie fría, etc. Se pueden completar estas

observaciones haciendo que los propios alumnos fundan naftalina, metales como el estaño o bien

sublimen alguna sustancia como el yodo o la misma naftalina (en una vitrina de gases y utilizando

cantidades muy pequeñas para minimizar el impacto ambiental, guardando los restos que se puedan para

volver a utilizar). En general, al variar la presión, la temperatura, o ambas, las sustancias cambian de

estado, cambiando también algunas de sus propiedades y su comportamiento.

A.48. Explicad, con ayuda del modelo corpuscular de los gases, cómo puede tener lugar el paso de gas a líquido y de éste a

sólido.

Hemos visto que los gases pueden licuarse tanto por enfriamiento directo como comprimiéndolos. Ambas

formas pueden explicarse con ayuda del modelo de partículas, si se introduce la hipótesis adicional de

la existencia de fuerzas de unión entre las partículas (que en los gases no serían apreciables, debido a

las enormes distancias existentes entre las partículas y a sus elevadas velocidades). En el primer caso, el

enfriamiento del gas supone disminuir la velocidad de las partículas hasta el punto de que las fuerzas

atractivas no sean despreciables frente al movimiento de las partículas y éstas lleguen finalmente a

enlazarse. Por otra parte, la compresión a que se somete al gas obliga a que el volumen en el que se

mueven la partículas sea cada vez más pequeño y se favorezca así la interacción entre ellas, llegando

también a unirse. Así pues, el modelo corpuscular parece que puede interpretar esta formación de líquidos

siempre que se admita la existencia de interacciones entre las partículas y se produzca una elevada

reducción de los grandes vacíos que se suponía existían en la estructura de los gases.

El hecho de que al pasar de líquido a sólido se pierda la propiedad de fluir,

de difundirse, hace pensar que el modo y la intensidad con que las fuerzas

atractivas mantienen unidas a las partículas en los líquidos es distinto que

en los sólidos. En el caso de un líquido ha de haber algunos “huecos” que

permitan a las partículas desplazarse ocupando alternativamente dichos

huecos y produciendo otros pero permaneciendo ligadas, pudiéndose así

adaptarse a la forma del recipiente.

En la figura siguiente se ha representado de forma esquemática un

líquido.En el caso de un sólido, las partículas no pueden realizar esos

desplazamientos por la ausencia de huecos con el tamaño suficiente como para permitirlo, por eso los

sólidos tienen una forma definida.

Tanto en los líquidos como en los sólidos las partículas se mueven pero debido a las atracciones de las

que les rodean, se restringe su libertad de desplazamiento a movimientos vibratorios ligados a la

temperatura del sistema material. Cuando un sólido se calienta, las vibraciones de las partículas se hacen

más intensas, la distancia entre ellas aumenta y llega un momento en el que algunos enlaces entre las

partículas se rompen (generando huecos) de modo que comienza a pasar al estado líquido (fusión). Si se sigue

elevando la temperatura, la energía de muchas partículas puede ser suficiente como para escapar de la


José Frutos Lorca



atracción de las demás y el líquido iría pasando a gas (vaporización). Los procesos inversos se denominan

solidificación (paso de líquido a sólido) y condensación (paso de gas a líquido). Pueden darse enfriando lo

suficiente.

En

mo

rea

Comple

( Pagina

n n
fusió
n n
solidificació
Física y Química - 3º E.S.O. - Pag. 26

la pagina Web del curso correspondiente

mento de ver con detalle la pagina de recu

lizar las actividades en ella sugeridas

menta lo visto con la lectura del punto 5 d

s 40 41 y 42)

n

vaporizació

condensació

sublimació

/ 30

al tema anterior, ahora es el

rsos complementarios e eintentar

e tu libro de texto


José Frutos Lorca




RECAPITULACIÓN

A.51. Realizad una síntesis del modelo cinético-corpuscular de la materia (tanto para gases como para líquidos y sólidos).

Las características esenciales del modelo elaborado para explicar la estructura básica común de todos los

materiales (sea cual sea el estado en el que se encuentren) son:

Todos los materiales están formados por partículas en continuo movimiento, muy pequeñas yseparadas entre ellas por el vacío (es decir, no hay nada entre las partículas). Cada una de esaspartículas tiene masa (aunque muy pequeña), de forma que la suma de las masas de todas laspartículas de que consta un cuerpo es, precisamente, la masa de dicho cuerpo.

Entre las partículas materiales existen fuerzas de atracción cuyo valor disminuye con la distanciaque las separa y, por este motivo, son inapreciables en los gases pero no en líquidos y sólidos.

El movimiento de las partículas está relacionado con la temperatura (mayor movimiento implicamayor temperatura). Esto explica tanto las dilataciones de los cuerpos en un mismo estado comolos propios cambios de estado.

A pesar de lo avanzado, quedan preguntas por contestar y se han abierto también nuevosinterrogantes.

A.52. Plantead nuevas preguntas relacionadas con la estructura de la materia que en el desarrollo del tema no hayan surgido y

consideren de interés.

Entre otros, podemos referirnos a los siguientes interrogantes:

¿Cuál es la naturaleza de las fuerzas atractivas entre las partículas? ¿Por qué a 1 atm y 20 ºC, el oxígeno es un gas, el agua es líquida y el hierro es sólido, siendo que

los tres se hallan a la misma presión y temperatura? ¿Qué es lo que mantiene a las partículas materiales en movimiento continuamente? ¿Por qué no

se paran? ¿A qué se debe que existan millones de sustancias distintas? ¿Es que hay también millones de

partículas distintas o, por el contrario, hay solo unas pocas que se unen entre ellas de diferentesformas dando lugar a un gran número de combinaciones?

¿Cómo son las partículas materiales? ¿Son elementales o bien tienen, a su vez, una estructurainterna?

3. PROPIEDADES GENERALES DE LA MATERIA. ACTIVIDADES DE REFUERZO

1. Disponemos de 500 g de agua en estado líquido. La ponemos en el congelador hasta que toda el agua

se haya convertido en hielo. Señalad si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas, explicando en

cada caso, el porqué:

a) Habrá aumentado su volumen pero también su masa, de modo que la densidad no habrá cambiado.

b) Habrá aumentado su volumen, pero no su masa ni su densidad.

c) No habrá cambiado ni su masa ni su volumen.

2. ¿Dónde será mayor la masa de un astronauta, en la superficie de la Tierra o en la de la Luna? ¿Dónde

será mayor su peso?


José Frutos Lorca



3. Tenemos tres objetos cuyas masas son: m1 = 15200 mg; m2 = 16 g; m3= 0'02 kg. ¿Cuál de ellos tiene

mayor masa? ¿Cuál la tiene menor?

4. Una chica se pesa en una balanza y ésta marca 52'3 kg. ¿Qué magnitud física mide la balanza? ¿Cuálsería el peso de la chica?

5. ¿Cómo determinaríais el volu

6. Expresad en m3 las siguiente

7. Las mareas negras se produpetróleo que transportan se vierfloten sobre la superficie del ag

8. Expresad las siguientes densi

a) = 0'8 g/cm3; b) = 8900 g

9. Si la densidad del aceite a

temperatura.

10. Calculad el volumen que oc

esas condiciones = 13'6 g/cm

11. Explicad por qué el alumi

barandillas de balcones y mirad

12. ¿Qué ventajas presenta el al

La magnitud medida es -----------------------------------------


men de una moneda de 50 céntimos? ¿y el de un cubo?

s cantidades: 1350 dm3; 1’5·106 cm3; 14500 .

cen debido a que algunos barcos petroleros sufren accidentes y parte delte al mar. ¿Cuál creéis que es el motivo de que los derivados del petróleoua del mar?

dades en unidades del SI:

/; c) = 6 g/dm3

20°C es de 0'93 g/cm3, calculad la masa que tendrá 1 de aceite a esa

upa 200 g de mercurio a 20°C y presión normal (densidad del mercurio en3).

nio ha sustituido al hierro en la construcción de marcos de ventanas y

ores.

uminio frente al acero como material en la construcción de vehículos?

El peso de la chica es --------------------------------------------


José Frutos Lorca




13. Con ayuda de una jeringa se extrae aire de un matraz. Suponiendo que pudieran verse las partículas

que componen el aire del matraz, dibujad un esquema de lo que se vería antes y después de sacar el aire.

14. Dos globos están conectados a un matraz como indica la figura. Explicad lo que ocurrirá al calentar el

matraz; representad haciendo los dibujos pertinentes, las partículas del aire antes y después de calentar.

15. Dibujad cómo creéis que estarían dispuestas las partículas, según la teoría cinético-corpuscular, en el

estado sólido, líquido y gaseoso.

16. Explicad por qué las ollas a presión deben tener una válvula de seguridad por donde sale el vapor de

agua que se produce en ellas al cocer los alimentos.


José Frutos Lorca




17. Explicad, utilizando el modelo cinético-corpuscular, cómo un termómetro de mercurio puede detectar

los cambios de temperatura del aire que le envuelve.

18. Conseguid una cafetera como la de la figura adjunta, desmontadla y tratad deexplicar cómo funciona. Para ello, tened en cuenta lo que acabamos de estudiarsobre las propiedades y comportamiento de los gases.

Respuesta: Si abrimos una cafetera como la de la figura anterior, veremos queconsta de un recipiente inferior en el que se coloca agua (sin sobrepasar unaválvula de seguridad). En dicho recipiente ajusta una especie de embudo que, ensu interior, tiene una base metálica llena de pequeños agujeros y sobre la que sedispone el café molido. En cuanto a la parte superior (que se suele enroscar en lainferior), tiene una tapadera que se puede levantar, un asa de material refractarioespecie de tubo cónico con un agujero arriba. Además, la base que hace contacto crosca la parte superior con la inferior) está llena de pequeños agujeros que comanterior. Una arandela de goma rodea esos pequeños agujeros para asegurar la estanq

café molidoagua

parte inferior contenedor

En las figuras siguientes se muestran dos esquemas de la cafetera ya dispuesta parapuede comprobarse, en la parte inferior hay aire entre el nivel del agua y el café.

contenedorlleno de café

aire

agujero B

A

agua

Cuando la cafetera está al fuego, el aire contenido en la parte superior está a la preno ocurre lo mismo con el aire situado en la parte inferior (A) que, al ir aumenaumentará también la presión que ejerce sobre las paredes de la cafetera y sobre eagua caliente se moverá debido a esa sobrepresión y saldrá por el único sitio dispopor el tubo del contenedor y pasará por los agujeros atravesando el café (formanascendiendo por el cono hueco de la parte superior, saldrá finalmente por el agujero B

y del fondo sale unaon el café (cuando se

unican con el tuboueidad.

parte superior

hacer el café. Como

café molido

válvula de seguridad

aire a la presiónatmosférica

sión atmosférica perotando su temperatural agua, con lo que elnible, esto es, subirádo un disolución) y,.

3-Estrutura corpuscular de la materia1011 · Así pues la masa de cualquier objeto es una propiedad...

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