Pensem en grup 

1. Escriviu el nom de les substàncies pures i les mescles de les fotografies. En quin estat d'agregació les trobem habitualment?

2. Anoteu dues propietats  de cada substància pura que permeten identificar-la.

3. Debateu sobre per què un globus amb heli ascendix més ràpid que si està ple d'aire.

Hi trobaràs una autoavaluació inicial interactiva.

Tot el que ens rodeja és matèria; el sòl que xafem, l'aigua d'un riu i l'aire que respirem (encara que no el podem veure), és matèria. Recordem algunes idees que sobre la matèria vam veure en cursos passats.

1.1 Els estats d'agregació

En les condicions de l'escorça terrestre la matèria es pot presentar en tres estats d'agregació: sòlid, líquid i gasós.

Per què hi ha diversos estats d'agregació

Acabem de dir que hi ha diversos estats d'agregació, però, de què depén que una substància es presente habitualment com a sòlida, per exemple, el clorur de sodi, NaCl; líquida, com l'aigua, H₂O, o gasosa, com l'oxigen, O₂? Per què l'aigua es pot presentar a vegades com a sòlid i altres com a líquid o com a gas?
Els científics han observat que l'estat d'agregació depén de:

• La intensitat de les forces d'atracció entre les partícules elementals que componen la substància.

• Les condicions de pressió i de temperatura a què es trobe.

Cada un d'aquests estats d'agregació presenta diverses característiques, que resumim a la dreta.

En aquesta unitat estudiarem l'estat d'agregació més senzill, el gasós, dedicant l'últim epígraf a un gas molt especial: l'aire, i en la unitat següent veurem l'estat líquid. L'estat sòlid presenta més complexitat en l'estudi i s'analitza en cursos superiors.

Característiques dels canvis d'estat

• Queden definits, per a cada pressió, per un valor concret (fix) de la temperatura, que es denomina temperatura de canvi d'estat.

• Són reversibles; si tornem a les condicions prèvies, la matèria recupera el seu estat d'agregació.

• Mentre es produïx el canvi d'estat d'una substància pura, la temperatura és constant. La calor rebuda o despresa s'invertix en canviar d'estat.

1. Explica el significat de les frases següents:

a) Els gasos són fàcilment compressibles.

b) Els sòlids requerixen grans pressions per a disminuir-ne el volum.

2. Definix breument, però amb precisió:

3. Raona la veracitat o la falsedat d'aquestes frases:

a) Quan el gel fon, es desprén energia tèrmica cap a l'entorn, i la temperatura augmenta.

b) Quan l'aigua de pluja passa a sòlid i neva, la temperatura augmenta.

4. Raona per què no es pot usar un antic termòmetre de mercuri al gener a l'Antàrtida.

5. Visualitza la simulació «Sòlid, líquid i gas», i respon les activitats que s'hi proposen.

L'estudi experimental dels canvis d'estat es realitza calfant o refredant de forma contínua la substància objecte d'estudi mentre anem anotant, cada cert temps, la temperatura a la qual arriba. Amb les parelles de valors temps-temperatura, obtingudes durant l'experiència de laboratori, construïm un gràfic de canvi d'estat, que pot ser de calfament o de refredament.

2.1 Gràfic de calfament

Aquest gràfic mostra com va augmentant la temperatura d'una substància a mesura que li comuniquem energia mitjançant calor. Per a entendre aquest tipus de gràfic, usarem l'aigua com a substància de referència. El gràfic ens permet visualitzar dos altiplans, o línies horitzontals, i tres trams rectes inclinats i ascendents.

Altiplans en una corba de calfament

Indiquen els dos canvis d'estat progressius que poden tindre lloc, fusió i vaporització (sense tindre en compte aquelles substàncies que sublimen).

Si partim d'una temperatura a la qual l'aigua està en fase sòlida (gel), el primer altiplà apareixerà a la temperatura de fusió, i el segon, a la temperatura d'ebullició. En cada altiplà coexistixen dos estats d'agregació.

Trams rectes ascendents

En aquests, la substància va augmentant la temperatura en rebre energia en forma de calor de l'entorn. En aquests trams rectes ascendents només hi ha un estat d'agregació, el que correspon al valor de la temperatura en cada instant.

6. Dibuixa la corba de calfament del metanol, sabent que les temperatures de fusió i d'ebullició són de −97 °C i de 64,5 °C, respectivament.

1. Explica el significat de la frase que apareix en el text: «En cada altiplà coexistixen dos estats d'agregació».

1. Treballa amb l'activitat interactiva «Els canvis d'estat».

1. Visualitza el vídeo «Canvis d'estat de la matèria».

2.2 Gràfic de refredament

Ara el procés és l'invers; es partix d'una temperatura a la qual la substància a estudiar es troba en estat gasós i anem disminuint-ne l'energia, que es transferix en forma de calor al seu entorn, amb la qual cosa la seua temperatura anirà baixant. En fer-ho, ens tornarem a trobar els dos altiplans propis dels dos canvis d'estat possibles (per als mateixos valors de temperatura anteriors) i els tres trams rectes inclinats.

L'exercici resolt ens permet visualitzar aquesta situació. Observa que podríem identificar una substància pura desconeguda a partir de les temperatures de canvi d'estat obtingudes del gràfic i comparant-les amb les taules de dades de què disposa el científic.

1. A partir de les dades de la taula i de l'expressió estudiada l'any passat que relaciona les escales Celsius i Fahrenheit, indica quina d'aquestes substàncies, A i B, és la de l'exercici resolt.

1. El brom, Br2, un líquid de color rogenc que produïx cremades doloroses en la pell, fon a −7 °C i bull a 59 °C. Dibuixa'n les corbes de refredament i de calfament.

1.  Si observes la figura de la corba de refredament de l'exercici resolt 2, veuràs que el tram  té menor longitud que el tram . Per a quin canvi creus que cal aportar menys calor, per fondre o per vaporitzar la substància?

Per explicar les propietats dels diferents estats d'agregació, cap a la segona meitat del segle XIX diversos científics van desenvolupar la denominada teoria cineticomolecular, TCM. Al principi va ser aplicada als gasos, l'estat d'agregació més senzill d'estudiar.

3.1 Hipòtesi de la TCM

La teoria cineticomolecular partix de les hipòtesis següents:

 Els gasos estan formats per unes partícules molt xicotetes (molècules i a vegades àtoms) que es mouen contínuament i a l'atzar.

 Les partícules del gas estan molt separades unes d'altres en comparació amb la grandària; podem considerar que la major part de l'espai ocupat pel gas està buit.

 En el seu moviment, les partícules del gas xoquen entre si i contra les parets del recipient.

 Les partícules no interaccionen entre si (ni s'atrauen ni es repel·lixen), excepte quan té lloc una col·lisió.

 La temperatura del gas és la manifestació d'aquest moviment. A major velocitat, major temperatura, i viceversa.

 Com que l'energia associada al moviment (cinètica) depén de la velocitat, en pujar la temperatura augmentarà aquesta energia: el grau d'agitació de les partícules augmenta amb la temperatura.

Què explica la TCM

La TCM explica una bona part del comportament de la matèria, com, per exemple, els estats d'agregació i els canvis d'estat. També ens permet entendre alguns fets quotidians.

Quin cicle coneixes, estudiat en anys anteriors, relacionat amb l'evaporació de l'aigua de llacs, rius i mars?

3.2 La TCM i els estats de la matèria

La TCM, establida en principi per a gasos, prompte es va ampliar per explicar el comportament de les denominades fases condensades.

La TCM permet explicar els canvis d'estat, en els quals només considerarem els efectes de la temperatura:

• Fusió. En augmentar la temperatura del sòlid, augmenta l'energia cinètica de les partícules, amb la qual cosa el grau d'agitació també ho fa. Per tant, podran abandonar les posicions fixes que ocupaven en l'estructura sòlida i fluir amb una certa llibertat. Així, es forma el líquid.

• Vaporització. Si continuem augmentant la temperatura del líquid, l'energia cinètica de les partícules es va incrementant cada vegada més. Ara les partícules se separen unes d'altres cada vegada més i «vencen» les forces d'atracció que les mantenien unides en el líquid. El resultat és la formació del gas.

Opina. La fusió dels pols com a resultat del calfament global a vegades es denomina «fusió anòma­la». Et pareix correcte? És una fusió diferent d’altres? 

Pensa. El núvol d’aigua que es veu en la fotografia, és líquid o sò­lid? S’hi veu el vapor d’aigua?

13. Explica d'una altra manera les hipòtesis 5 i 6 de la TCM.

1. Per a una mateixa substància, en quin estat d'agregació és major l'energia cinètica de les partícules constituents? Per què?

1. Comenta el significat d'aquesta frase: «en modificar la temperatura pot tindre lloc un canvi d'estat». Per a això, observa els gràfics de calfament o refredament de l'epígraf anterior.

1. Usa la TCM i explica com influïx la temperatura en l'estat d'agregació de les substàncies.

1. Sol·licita l'ajuda del professor o professora i explica per què a vegades s'usa el terme «gas» i altres, com ocorre amb l'aigua, el terme «vapor».

1. L'etanol bull a 74 °C, i el metanol, a 64,5 °C. En quina de les dues substàncies són majors les forces d'atracció entre les partícules?

La paraula «gas» deriva del grec khaos, terme que significa ‘abisme fosc', però també ‘massa de matèria sense forma'. Va ser usada per primera vegada per J. B. VAN HELMONT, metge i «químic» holandés del segle XVII.

4.1 Substàncies que existixen com a gasos

De totes les substàncies conegudes, naturals o produïdes per l'ésser humà, la minoria es presenta com a gasos, però no per això són menys importants, ja que vivim en el fons d'un oceà gasós, l'aire. La taula ens mostra algunes substàncies gasoses d'interés.

Dels gasos que apareixen en la taula destaquem:

• El O₂, essencial per a la vida. Altres, en la proporció adequada, com el N₂ o el CO₂, o en el seu «lloc», com el O₃, són necessaris per a la vida.

• Alguns són tòxics (NH₃, NO₂ o SO₂), o molt tòxics (Cl₂ i CO). Si algun està en l'aire, parlem de contaminació atmosfèrica; aquesta pot ser d'origen natural o antropogènica (si els produïx l'ésser humà en algunes de les seues activitats, principalment en usar combustibles fòssils).

El H2 és molt menys dens que l'aire; per això s'usava en globus aerostàtics, però és molt inflamable. Hui és un combustible «net», perquè en la seua combustió amb O2 es genera aigua.		El CO2 és un gas necessari: el consumixen les plantes per produir principis immediats i oxigen; i en les quantitats adequades, manté la temperatura del planeta (efecte d'hivernacle).		L'ozó, O3, és tòxic per a l'organisme; per això se'l considera un contaminant a la troposfera. Però en el seu lloc, a l'estratosfera, és beneficiós, perquè ens protegix dels raigs UV.

Relaciona els continguts de la imatge de l'ozó amb els continguts relacionats amb les capes de l'atmosfera, estudiats en cursos anteriors.

4.2 Pressió d'un gas

Hi ha diverses característiques dels gasos que ens són familiars: s'expandixen fins a omplir i ocupar completament el volum del recipient que els conté, i exercixen pressió sobre qualsevol superfície amb la qual entren en contacte.

I per què xoquen amb una certa força sobre les parets del recipient? Segons la TCM, es deu al fet que les partícules del gas, en el seu moviment continu, xoquen entre si i contra les parets del recipient.

Unitats de pressió

La pressió és una magnitud física derivada; la unitat en el SI és el newton per metre quadrat, N/m2, denominat pascal, PA, en honor a Blaise Pascal.

La pressió es mesura amb un aparell anomenat manòmetre. Si la pressió l'exercix l'atmosfera (pressió atmosfèrica), l'aparell s'anomena baròmetre.

3. És molt habitual expressar la pressió en altres unitats, com les mostrades en la taula:

Expressa en unitats del SI les unitats de pressió següents. Realitza tots els canvis mitjançant factors de conversió:

Nota. El kg-f, quilogram-força és una unitat de força, ja en desús, i val 1 kg-f = 9,8 N.

a) Com que 1 kN = 103 N i només n'hem de canviar una unitat, usarem un únic factor de conversió:

b) Ara la unitat de força ja està en el SI, N, però no així la de superfície, per la qual cosa també usarem un únic factor de conversió:

c) En aquest últim cas hem de canviar les dues unitats, de kg-f a N i de cm2 a m2; per tant, són necessaris dos factors de conversió:

19. Busca informació sobre els efectes d'alguns gasos contaminants en la salut de l'ésser humà o sobre el medi ambient.

1. Explica breument què és la pressió d'un gas i com l'explica la TCM.

1. L'ús de combustibles fòssils produïx una sèrie de gasos tòxics que contaminen l'atmosfera. Quins usos donem a aquests combustibles?

1. Raona l'equivalència següent entre dues unitats de pressió: 1 atm = 1013 mb.

1. Ja que la pressió es definix com el quocient entre una força i una superfície, indica quina o quines de les unitats següents són unitats de pressió, i expressa'n el valor en unitats del SI:

Per a descriure el comportament dels gasos, s'usen quatre magnituds físiques: pressió, volum, temperatura i quantitat de substància. Combinant-les de dues en dues, s'obtenen les lleis dels gasos. En aquest curs, només usarem les tres primeres magnituds.

5.1 Gas ideal. Lleis dels gasos ideals

Per a simplificar l'estudi dels gasos es partix d'un concepte hipotètic, molt senzill, el de gas ideal o perfecte:

Les combinacions referides originen tres lleis: la llei de Boyle (o de Boyle i Mariotte), que relaciona p i V, i les dues lleis de Charles i Gay-Lussac, que relacionen, en un cas, p i T, i en l'altre, V amb T.

5.2 Llei de Boyle i Mariotte

Nombrosos treballs experimentals, com, per exemple, el que mostra la figura inferior, ens mostren un fet que ja hem comentat en l'inici de la unitat: els gasos són fàcilment compressibles. Així, a mitjan segle XVII, R. BOYLE, a Anglaterra, i E. MARIOTTE, a França, van estudiar les variacions que experimenta el volum d'un gas en modificar la pressió, i van trobar que:

24. Raona la veracitat o falsedat de la frase: en triplicar el volum d'un gas, la pressió que exercix es fa tres vegades major.

1.  Representa en paper mil·limetrat els valors de la taula de l'exercici 5. A partir d'aquesta, calcula el valor aproximat de la pressió, en unitats SI, que exercirà el gas quan el volum siga de 5,0 cm3.

Solució: p = 1 atm.

1.  Explica, posant dos exemples numèrics concrets de p i V, què significa la frase del text: «relacions de proporcionalitat inversa».

1. Un cilindre de 2,5 m3 amb un èmbol mòbil conté nitrogen. Si p = 13,0 atm i s'augmenta la pressió fins a 19,5 atm, l'èmbol, pujaria o baixaria? Quin volum hi ocuparia el gas?

Solució: V = 1,7 m3.

5.3 Comportament d'un gas amb la temperatura

Cap a finals del segle XVIII i principis del XIX, J. CHARLES i J. L. GAY-LUSSAC van estudiar com variaven la pressió i el volum quan canviava la temperatura. Van sorgir així les lleis que en porten el nom.

Primera llei de Charles i Gay-Lussac

Explica què li ocorre al volum d'un gas en canviar la temperatura:

És a dir, si augmenta la temperatura, el volum també ho fa en la mateixa proporció, i viceversa. Així:

V = T (T en kelvin, sempre) → V = ct · T→  = ct

Per a dues situacions, inicial (1) i final (2), tenim que:

L'equació V = cte · T correspon a una línia recta. En representar (figura inferior esquerra) V (ordenades) enfront de T en graus Celsius (abscisses), s'hi observa com el volum del gas es va contraient segons descendix la temperatura. Arriba un moment en què el gas es liqua. En prolongar la recta s'obté per extrapolació que per a T = -273,15 °C, el volum seria nul. Com que açò no és possible, aquest valor de la temperatura, denominat zero absolut, és inabastable. Sorgix d'ací una nova escala de temperatura, l'escala Kelvin, el valor zero de la qual és 0 K = -273,15 °C.Per açò, T (K) = 273,15 + t (°C).

Segona llei de Charles i Gay-Lussac

Aquesta llei ens diu què li ocorre a la pressió en canviar la temperatura.

Anàlogament a com vam fer en la primera llei, tenim:

p =T (T en kelvin, sempre) →  p = ct · T→  = ct → 

La representació gràfica de p enfront de T és una línia recta.

 

 

Quan un astronauta mira la Terra des de l'espai, la veu rodejada d'una capa blava, molt fina, que denominem atmosfera. En l'interior transcorre la vida de l'ésser humà i de molts altres éssers vius.

6.1 L'atmosfera terrestre

En la taula no hem reflectit cap unitat de volum concreta, ja que en podem usar qualsevol, metres cúbics, m³, decímetres cúbics, dm³ (litres, L), etc. Si, per exemple, ens parlen de metres cúbics d'aire, usaríem aquesta mateixa unitat per a reflectir el volum de cada gas en l'aire.

6.2 La pressió atmosfèrica

Com varia la pressió atmosfèrica

El valor de la pressió atmosfèrica no és constant, sinó que depén de diversos factors; el principal és l'altitud. Com que la quantitat d'aire que té l'atmosfera disminuïx a mesura que ens elevem, també ho fa la pressió. Per això:
 

Ompli tres quartes parts d'una botella amb aigua calenta.		Col·loca-la en un recipient amb gel i aboca-hi aigua freda.		En refredar-se, l'aire de la botella es contrau, i la pressió externa esclafa la botella.

34. Busca informació contrastada i elabora un breu informe dels usos en la societat d'alguns gasos que conté l'aire com O2, N2 i gasos nobles.

1. Quants litres de CO2 hi hauria en 250 m3 d'aire que tinguera la composició que indica la taula?

Solució: V = 0,0925 m3 de CO2 = 92,5 L de CO2.

1. Una determinada fàbrica de nanotecnologia necessita 150 m3 de N2. Quin volum d'aire hauria de tractar per obtindre'n aquesta quantitat?

Solució: V = 192,1 m3 d'aire.

1. Les dimensions d'una aula són: 7,5 m · 4,5 m · 3,0 m. Calcula el volum de O2 que hi ha en aquesta. Si la densitat d'aquest gas és d'1,35 g/L, quina massa de O2 conté?

Solució: = 21,2 m3; = 28,62 kg.

1.  Busca informació sobre les capes de l'atmosfera i explica la funció de cada una.

1. La pressió al cim de l'Everest és d'uns 300 mmHg, i a nivell del mar, d'1 atm. Quantes vegades és menor al cim?

Solució: 2,5 vegades menor.