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  • 1. La materia. Los gases > 1. La materia. Los gases
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      1. La materia. Los gases
      1. La materia. Los gases
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      P

      • Materia es todo lo que ocupa un espacio, tiene una duración en el tiempo y tiene masa. Por tanto, pesa. Recuerda que masa y peso son conceptos diferentes.
      • La materia es muy diversa: hay millones de sustancias puras y de mezclas. Para describirla, utilizamos sus propiedades: las generales, como la masa y el volumen, no permiten distinguir una sustancia de otra, pero las específicas, como las temperaturas de fusión y de ebullición, o la densidad, son propias de cada sustancia.
      • El estado de agregación de una sustancia depende de las condiciones de temperatura y de presión a las que se encuentre. Por eso, la materia puede cambiar de estado de agregación si las modificamos.

       

      Pensamos en grupo 

      Haced estas actividades en grupos:

      1. Escribid el nombre de las sustancias puras y las mezclas de las fotografías. ¿En qué estado de agregación las encontramos habitualmente?

             

                 

      1. Anotad de cada sustancia pura dos propiedades que permitan identificarla.

      1. Debatid acerca de por qué un globo con helio asciende más rápido que si está lleno de aire.

        Encontrarás una autoevaluación inicial interactiva.

      1. La materia y sus estados de agregación
      1. La materia. Los gases
      1. La materia. Los gases
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      1 La materia y sus estados de agregación

      P

      Todo lo que nos rodea es materia; el suelo que pisamos, el agua de un río y el aire que respiramos (aunque no lo podamos ver), es materia. Recordemos algunas ideas que sobre la materia vimos en cursos pasados.

      1.1 Los estados de agregación

      En las condiciones de la corteza terrestre la materia puede presentarse en tres estados de agregación: sólido, líquido y gaseoso.

      Por qué hay diversos estados de agregación

      Acabamos de decir que existen diversos estados de agregación, pero, ¿de qué depende el que una sustancia se presente habitualmente como sólida, por ejemplo, el cloruro de sodio, NaCl; líquida, como el agua, H2O, o gaseosa, como el oxígeno, O2? ¿Por qué el agua puede presentarse a veces como sólido y otras como líquido o como gas?

      Los científicos han observado que el estado de agregación depende de:

      • La intensidad de las fuerzas de atracción entre las partículas que componen la sustancia.
      • Las condiciones de presión y de temperatura a las que se encuentre.

      Cada uno de estos estados de agregación presenta diversas características, que resumimos a la derecha.

      En esta unidad estudiaremos el estado de agregación más sencillo, el gaseoso, dedicando el último epígrafe a un gas muy especial: el aire, y en la unidad siguiente veremos el estado líquido. El estado sólido presenta más complejidad en su estudio y se analiza en cursos superiores.

       

      Las partículas que componen los sólidos se atraen entre sí con fuerzas muy intensas; por eso:

      • Son rígidos, no pueden fluir.
      • Tienen forma y volumen propios: su estructura interna es ordenada.
      • Son poco compresibles; es decir, es necesario aplicarles una presión muy intensa para disminuir su volumen.

       

      Las fuerzas de atracción entre las partículas que componen los líquidos son menos intensas que en los sólidos; por ello:

      • Pueden fluir. Además, su estructura es desordenada.
      • No tienen forma propia, ya que adoptan la del recipiente que los contiene, pero sí tienen volumen propio.
      • Son más compresibles que los sólidos.

       

       

      Las fuerzas de atracción son muy débiles; las partículas se mueven libremente y pueden estar muy alejadas entre sí. Por eso:

      • Son fluidos.
      • No tienen forma propia, pero, además, tampoco tienen volumen propio; ocupan el disponible.
      • Como sus partículas están muy alejadas entre sí, hay grandes espacios entre ellas, por lo que son muy compresibles.

        Deduce. Las partículas de cualquier tipo de materia siempre están vibrando. También sabemos que los sólidos, cuando se aumenta su temperatura, se dilatan (aumentan su tamaño). ¿Sabrías encontrar la relación entre ambos hechos? Fíjate en la imagen del sólido.

      Por otro lado, en el esquema de la denominación de los cambios de estado que se muestra en la página siguiente, en la imagen que ilustra el estado gaseoso del agua aparece una nube, que en realidad, está formada por gotas microscópicas de agua líquida. ¿Por qué crees que utilizamos esa imagen? ¿Cómo sería una imagen en la que únicamente apareciese un gas? Lee de nuevo los contenidos de esta página si lo necesitas.

      1.2 Los cambios de estado

      La materia puede cambiar de estado, si modificamos las condiciones de presión y de temperatura.

      Un cambio de estado es el cambio físico que experimenta un sistema material (sustancia pura o mezcla) al pasar de un estado de agregación a otro. En dicho proceso no cambia la naturaleza química de las sustancias (esto es, las partículas que las componen son las mismas).

      Los cambios de estados progresivos absorben energía térmica del entorno, y los regresivos, la desprenden. 

      Características de los cambios de estado

      • Quedan definidos, para cada presión, por un valor concreto (fijo) de la temperatura, que se denomina temperatura de cambio de estado.
      • Son reversibles; si volvemos a las condiciones previas, la materia recupera su estado de agregación.
      • Mientras se produce el cambio de estado de una sustancia pura, la temperatura es constante. El calor recibido o desprendido se invierte en cambiar de estado.

      Las temperaturas de fusión, Tf, y de ebullición, Te, de algunas sustancias, a una presión dada, son:

       

      Sustancia Tf (°C) Te (°C)
      Agua 0 100
      Etanol -114 78
      Mercurio -39 357

       

      Razona cuál será el estado de agregación de cada una de ellas a las siguientes temperaturas:

      a) 30 °C.           b) 90 °C.          c) −120 °C.

      En el intervalo de temperaturas comprendido entre las de fusión y de ebullición, el estado será líquido; por encima de la de ebullición, gas, y por debajo de la de fusión, sólido. Según esto, el estado de agregación de cada sustancia será:

        Estado de agregación
      Sustancia T = 30 °C T = 90 °C T = -120 °C
      Agua Líquido Líquido Sólido
      Etanol Líquido Gas Sólido
      Mercurio Líquido Líquido Sólido

      1. Explica el significado de las siguientes frases:

      a) Los gases son fácilmente compresibles.

      b) Los sólidos requieren grandes presiones para disminuir su volumen.

      1.   Define brevemente, pero con precisión:

      a) Fusión.           b) Vaporización.           c) Sublimación.

      1.   Mira la presentación «Fusión y vaporización» y diferencia entre evaporación y ebullición.

      1. Razona la veracidad o la falsedad de estas frases:

      a) Cuande el hielo funde, se desprende energía térmica hacia el entorno, y su temperatura aumenta.

      b) Cuando el agua de lluvia pasa a sólido y nieva, la temperatura aumenta.

      1. Razona por qué no se puede usar un antiguo termómetro de mercurio en enero en la Antártida.

      1.   Visualiza la simulación «Sólido, líquido y gas», y responde a las actividades que se proponen.

      2. Gráficas de cambio de estado
      1. La materia. Los gases
      1. La materia. Los gases
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      2 Gráficas de cambio de estado

      P

      El estudio experimental de los cambios de estado se realiza calentando o enfriando de forma continua la sustancia objeto de estudio mientras vamos anotando, cada cierto tiempo, la temperatura que alcanza. Con las parejas de valores tiempo-temperatura, obtenidos durante la experiencia de laboratorio, construimos una gráfica de cambio de estado, que puede ser de calentamiento o de enfriamiento.

      2.1 Gráfica de calentamiento

      Esta gráfica muestra cómo va aumentando la temperatura de una sustancia a medida que le comunicamos energía mediante calor. Para entender este tipo de gráfica, utilizaremos el agua como sustancia de referencia. La gráfica nos permite visualizar dos mesetas, o líneas horizontales, y tres tramos rectos inclinados y ascendentes.

      Mesetas en una curva de calentamiento

      Indican los dos cambios de estado progresivos que pueden tener lugar, fusión y vaporización (sin tener en cuenta aquellas sustancias que subliman).

      Si partimos de una temperatura a la que el agua está en fase sólida (hielo), la primera meseta aparecerá a la temperatura de fusión, y la segunda, a la temperatura de ebullición. En cada meseta coexisten dos estados de agregación.

      Tramos rectos ascendentes

      En ellos, la sustancia va aumentando su temperatura al recibir energía en forma de calor de su entorno. En estos tramos rectos ascendentes solo existe un estado de agregación, el que corresponde al valor de la temperatura en cada instante.

      ​

      Veamos cómo es la curva de calentamiento del agua; para ello, partiremos de agua sólida (hielo) a una temperatura de -25 °C y una presión de 1 atm:

      ​  En este tramo inclinado, la energía que se comunica al hielo se invierte en aumentar su temperatura.

      ​  En esta meseta, a la que se llega a 0 °C, toda la energía se invierte en fundir el hielo, y la temperatura permanece constante.

      ​  Al seguir comunicando energía, la temperatura del agua líquida sube (tramo inclinado).

      ​  Cuando la temperatura del agua líquida alcanza los 100 °C (temperatura de ebullición), toda la energía se invierte en vaporizar el agua, por lo que la temperatura es constante (segunda meseta).

      ​  En este tramo inclinado, tenemos agua en estado gaseoso; su temperatura irá aumentando según le comuniquemos más energía.

      2.2 Gráfica de enfriamiento

      Ahora el proceso es el inverso; se parte de una temperatura a la cual la sustancia a estudiar se encuentra en estado gaseoso y vamos disminuyendo su energía, que se transfiere en forma de calor a su entorno, con lo cual su temperatura irá bajando. Al hacerlo, nos volveremos a encontrar las dos mesetas propias de los dos cambios de estado posibles (para los mismos valores de temperatura anteriores) y los tres tramos rectos inclinados.

      El ejercicio resuelto nos permite visualizar esta situación. Observa que podríamos identificar una sustancia pura desconocida a partir de las temperaturas de cambio de estado obtenidas de la gráfica y comparándolas con las tablas de datos de las que dispone el científico.

      ​

      1. Para tratar de identificar una sustancia pura desconocida realizamos diversos experimentos para obtener diversa información; por ejemplo, sus temperaturas de fusión y de ebullición. La gráfica muestra su curva de enfriamiento. Explícala e indica los valores de sus temperaturas de cambio de estado.

      En primer lugar, observamos las dos mesetas correspondientes a los dos cambios de estado.

      Ahora, la meseta de mayor temperatura, 75 °C, señala el proceso de condensación, esto es, el paso de gas a líquido,

      y la de menor temperatura, −15 °C, la de solidificación, es decir, el paso de líquido a sólido.

      El proceso se desarrolla en varias etapas:

      ​  El gas se va enfriando, pues transfiere energía en forma de calor a su entorno, hasta llegar a 75 °C, momento en que comienza a cambiar de estado.

      ​  Al principio de este tramo solo tenemos gas, que empieza a pasar a la fase líquida. Según transcurre el tiempo varía la mezcla de gas y líquido, hasta llegar al final de este tramo horizontal, donde toda la sustancia es líquida.

      ​ El líquido se enfría hasta llegar a la segunda temperatura de cambio de estado (líquido a sólido).

      ​  El líquido comienza a solidificar. Durante un tiempo, coexisten en equilibrio el líquido y el sólido, hasta que toda la sustancia está en fase sólida al final del tramo.

      ​  El sólido sigue cediendo energía en forma de calor a su entorno y su temperatura continúa bajando.

      ​

      1.  Dibuja la curva de calentamiento del metanol, sabiendo que sus temperaturas de fusión y de ebullición son de −97 °C y de 64,5 °C, respectivamente. 

      1. Explica el significado de la frase que aparece en el texto: «En cada meseta coexisten dos estados de agregación». 

      1.  Trabaja con la actividad interactiva «Los cambios de estado». 

      1.  Visualiza el vídeo «Cambios de estado de la materia». 

       

      1. A partir de los datos de la tabla y de la expresión estudiada el año pasado que relaciona las escalas Celsius y Fahrenheit, indica cuál de estas sustancias, A y B, es la del ejercicio resuelto.
      Sustancia Tf(°F) Te(°F)
      A 4,8 165,4
      B 5 167


      1. El bromo, Br2, un líquido de color rojizo que produce quemaduras dolorosas en la piel, funde a −7 °C y hierve a 59 °C. Dibuja sus curvas de enfriamiento y de calentamiento.

      1. ​  Si observas la figura de la curva de enfriamiento del ejercicio resuelto 2, verás que el tramo 4 tiene menor longitud que el tramo 2 . ¿Para qué cambio crees que hay que aportar menos calor, para fundir o para vaporizar la sustancia?

      1. La materia y sus estados de agregación
      3. La teoría cinético-molecular, TCM
      1. La materia. Los gases
      1. La materia. Los gases
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      3 La teoría cinético-molecular, TCM

      P

      Para explicar las propiedades de los distintos estados de agregación, hacia la segunda mitad del siglo XIX diversos científicos desarrollaron la denominada teoría cinético-molecular, TCM. Al principio fue aplicada a los gases, el estado de agregación más sencillo de estudiar.

      3.1 Hipótesis de la TCM

      La teoría cinético-molecular parte de las siguientes hipótesis:

      ​  Los gases están formados por unas partículas muy pequeñas (moléculas y a veces átomos) que se mueven continuamente y al azar.

      ​  Las partículas del gas están muy separadas unas de otras en comparación con su tamaño; podemos considerar que la mayor parte del espacio ocupado por el gas está vacío.

      ​  En su movimiento, las partículas del gas chocan entre sí y contra las paredes del recipiente.

      ​  Las partículas no interaccionan entre sí (ni se atraen ni se repelen), salvo cuando tiene lugar una colisión.

      ​ La temperatura del gas es la manifestación de este movimiento. A mayor velocidad, mayor temperatura, y viceversa.

      ​  Como la energía asociada al movimiento (cinética), depende de la velocidad, al subir la temperatura aumentará dicha energía: el grado de agitación de las partículas aumenta con la temperatura.

      Qué explica la TCM

      La TCM explica una buena parte del comportamiento de la materia, como, por ejemplo, sus estados deagregación y los cambios de estado. También nos permite entender algunos hechos cotidianos.

      ​

      La evaporación es un fenómeno superficial. Solo las partículas con mayor energía escapan de las fuerzas de atracción que las mantienen en el líquido. Por eso, sin que sea necesario alcanzar la temperatura de ebullición, el agua se evapora.
      Cuando estamos ante una comida muy caliente, instintivamente soplamos. ¿Qué ocurre? Al soplar, desplazamos las partículas más veloces que están en la superficie del líquido, quedando ahora en su lugar otras más lentas.

      ​

      ¿Qué ciclo conoces, estudiado en años anteriores, relacionado con la evaporación del agua de lagos, ríos y mares?

      3.2 La TCM y los estados de la materia

      La TCM, establecida en principio para gases, pronto se amplió para explicar el comportamiento de las denominadas fases condensadas.

      Se denominan fases condensadas aquellos estados de agregación de la materia en los que las fuerzas atractivas entre las partículas constituyentes son muy intensas: son los sólidos y, en menor medida, los líquidos.

      La TCM permite explicar los cambios de estado, en los que solo vamos a considerar los efectos de la temperatura:

      • Fusión. Al aumentar la temperatura del sólido, aumenta la energía cinética de sus partículas, con lo que su grado de agitación también lo hace. Por tanto, podrán abandonar las posiciones fijas que ocupaban en la estructura sólida y fluir con cierta libertad. Así, se forma el líquido.
      • Vaporización. Si seguimos aumentando la temperatura del líquido, la energía cinética de las partículas se va incrementando cada vez más. Ahora las partículas se separan unas de otras cada vez más y «vencen» las fuerzas de atracción que las mantenían unidas en el líquido. El resultado es la formación del gas.

      ​

      En el paso de sólido a líquido (fusión), las partículas de la materia adquieren más movilidad, al disponer de mayor energía cinética, y ello hace que la sustancia sea más fluida. La fusión de los polos es el resultado del calentamiento global.
      Cuando el líquido alcanza su temperatura de ebullición, toda la masa de líquido pasa de forma brusca a gas. En la imagen, erupción de un géiser, emitiendo agua líquida y vapor a muy alta temperatura.

      ​

      ​  Opina. La fusión de los polos como resultado del calentamiento global a veces se denomina «fusión anómala». ¿Te parece correcto? ¿Es una fusión diferente de otras?

      ​  Piensa. La nube de agua que se ve en la fotografía, ¿es líquida o sólida? ¿Se ve el vapor de agua en ella?

      ​

      1. Explica de otro modo las hipótesis 5 y 6 de la TCM.

      1. ​  Para una misma sustancia, ¿en qué estado de agregación es mayor la energía cinética de sus partículas constituyentes? ¿Por qué?

      1. Comenta el significado de esta frase: «al modificar la temperatura puede tener lugar un cambio de estado». Para ello, observa las gráficas de calentamiento o enfriamiento del epígrafe anterior.

      1. ​  Utiliza la TCM y explica cómo influye la temperatura en el estado de agregación de las sustancias.

      1. ​  Solicita la ayuda de tu profesor o profesora y explica por qué a veces se usa el término «gas» y otras, como ocurre con el agua, el término «vapor».

      1. El etanol hierve a 74 °C, y el metanol, a 64,5 °C. ¿En cuál de las dos sustancias son mayores las fuerzas de atracción entre sus partículas?

      2. Gráficas de cambio de estado
      4. Los gases
      1. La materia. Los gases
      1. La materia. Los gases
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      4 Los gases

      P

      La palabra «gas» deriva del griego khaos, término que significa ‘'abismo oscuro', pero también '‘masa de materia sin forma'. Fue utilizada por vez primera por J. B. VAN HELMONT, médico y «químico» holandés del siglo XVII.

      4.1 Sustancias que existen como gases

      De todas las sustancias conocidas, naturales o producidas por el ser humano, la minoría se presenta como gases, pero no por ello son menos importantes, ya que vivimos en el fondo de un océano gaseoso, el aire. La tabla nos muestra algunas sustancias gaseosas de interés.

      Algunas sustancias que se encuentran como gases a 1 atm y 25 °C
      Sustancias elementales Compuestos
      H2, hidrógeno molecular (dihidrógeno) CO2, dióxido de carbono
      N2, nitrógeno molecular (dinitrógeno) CO, monóxido de carbono
      O2, oxígeno molecular (dioxígeno) NO, monóxido de nitrógeno(óxido nítrico)
      O3, ozono (trioxígeno) NO2, dióxido de nitrógeno
      Cl2, cloro molecular (dicloro) NH3, amoniaco

       

      De los gases que aparecen en la tabla destacamos:

      • El O2, esencial para la vida. Otros, en la proporción adecuada, como el N2 o el CO2, o en su «sitio», como el O3, son necesarios para la vida.
      • Algunos son tóxicos (NH3, NO2 o SO2), o muy tóxicos (Cl2 y CO). Si alguno está en el aire, hablamos de contaminación atmosférica; esta puede ser de origen natural o antropogénica (si los produce el ser humano en algunas de sus actividades, principalmente al usar combustibles fósiles).

      ​

      Relaciona los contenidos de la imagen del ozono con los contenidos relacionados con las capas de la atmósfera, estudiados en cursos anteriores.

      4.2 Presión de un gas

      Hay varias características de los gases que nos son familiares: se expanden hasta llenar y ocupar completamente el volumen del recipiente que los contiene, y ejercen presión sobre cualquier superficie con la que entren en contacto.

      La presión de un gas es la fuerza que ejercen las partículas que lo constituyen al colisionar sobre la unidad de superficie.

      Unidades de presión

      La presión es una magnitud física derivada; su unidad en el SI es el newton por metro cuadrado, N/m2, denominado pascal, Pa, en honor a Blaise Pascal.

      La presión se mide con un aparato llamado manómetro. Si la presión la ejerce la atmósfera (presión atmosférica), el aparato se llama barómetro.

       

      ¿Y por qué chocan con cierta fuerza sobre las paredes del recipiente? Según la TCM, se debe a que las partículas del gas, en su continuo movimiento, chocan entre sí y contra las paredes del recipiente.

      ​
       

      Las partículas del gas del globo, en su movimiento, lo mantienen inflado y ejercen presión hacia el exterior. Por eso necesitamos ejercer cierta fuerza para deformarlo.

      ​

      1. Es muy habitual expresar la presión en otras unidades, como las mostradas en la tabla:
      Unidades de presión y sus equivalencias
      Unidad Símbolo Equivalencia
      Bar Bar 1 bar = 105 Pa
      Atmósfera atm 1 atm = 101325 Pa
      Milímetro de mercurio mmHg 1 atm = 760 mmHg
      Milibar mb 1 mb = 10-3 bar = 1 hPa

       

      Expresa en unidades del SI las siguientes unidades de presión. Realiza todos los cambios mediante factores de conversión:

      a) 0,01 kN/m2. b) 25,0 N/mm2. c) 5,0 kg-f/cm2.

      Nota. El kg-f, kilogramo-fuerza es una unidad de fuerza, ya en desuso, y vale 1 kg-f = 9,8 N.

      a) Como 1 kN = 103 N y solo debemos cambiar una unidad, usaremos un único factor de conversión:

      0 coma 01 fracción kN entre normal m al cuadrado por fracción numerador 10 al cubo entre denominador 1 kN fin fracción igual 10 espacio normal N dividido por normal m al cuadrado espacio paréntesis izquierdo Pa paréntesis derecho

      b) Ahora la unidad de fuerza ya está en el SI, N, pero no así la de superficie, por lo que también utilizaremos un único factor de conversión:

      25 coma 0 fracción normal N entre mm al cuadrado por fracción numerador 10 elevado a 6 mm al cuadrado entre denominador 1 normal m al cuadrado fin fracción igual 2 coma 5 por 10 elevado a 7 normal N dividido por normal m elevado a 2 espacio fin elevado paréntesis izquierdo Pa paréntesis derecho

      c) En este último caso tenemos que cambiar las dos unidades, de kg-f a N y de cm2 a m2; por tanto, son necesarios dos factores de conversión:

      5 coma 0 fracción numerador kg menos normal f entre denominador cm al cuadrado fin fracción por fracción numerador 10 elevado a 6 cm al cuadrado entre denominador 1 espacio normal m al cuadrado fin fracción por fracción numerador 9.8 espacio normal N entre denominador 1 kg menos normal f fin fracción igual 4 coma 9 por 10 elevado a 5 espacio normal N dividido por normal m elevado a 2 espacio fin elevado paréntesis izquierdo Pa paréntesis derecho

      ​

      1. ​  Busca información sobre los efectos de algunos gases contaminantes en la salud del ser humano o sobre el medio ambiente.

      1.   ​  Explica brevemente qué es la presión de un gas y cómo la explica la TCM.

      1. El uso de combustibles fósiles produce una serie de gases tóxicos que contaminan la atmósfera. ¿Qué usos le damos a esos combustibles?

      1. Razona la siguiente equivalencia entre dos unidades de presión: 1 atm = 1 013 mb.

      1. ​  Puesto que la presión se define como el cociente entre una fuerza y una superficie, indica cuál o cuáles de las siguientes unidades son unidades de presión, y expresa su valor en unidades del SI:

      a) 650 mmHg.                      b) hN/cm2.                         c) hN/cm3.

      d) mm.                                    e) N/km2.                             f) N/mm2.

      3. La teoría cinético-molecular, TCM
      5. Leyes de los gases
      1. La materia. Los gases
      1. La materia. Los gases
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      5 Leyes de los gases

      P

      Para describir el comportamiento de los gases, se utilizan cuatro magnitudes físicas: presión, volumen, temperatura y cantidad de sustancia. Combinándolas de dos en dos, se obtienen las leyes de los gases. En este curso, solo utilizaremos las tres primeras magnitudes.

      5.1 Gas ideal. Leyes de los gases ideales

      Para simplificar el estudio de los gases se parte de un concepto hipotético, muy sencillo, el de gas ideal o perfecto:

      Un gas ideal o perfecto se caracteriza porque las partículas que lo componen ocupan un volumen despreciable frente al del recipiente que lo contiene, siendo las fuerzas de atracción entre ellas nulas.

      Las combinaciones referidas originan tres leyes: la ley de Boyle (ode Boyle y Mariotte), que relaciona p y V, y las dos leyes de Charles y Gay-Lussac, que relacionan, en un caso, p y T, y en el otro, V con T.

      5.2 Ley de Boyle y Mariotte

      Numerosos trabajos experimentales, como, por ejemplo, el que muestra la figura inferior, nos muestran un hecho que ya comentamos en el inicio de la unidad: los gases son fácilmente compresibles. Así, a mediados del siglo XVII, R. BOYLE, en Inglaterra, y E. MARIOTTE, en Francia, estudiaron las variaciones que experimenta el volumen de un gas al modificar la presión, encontrando que:

      Para una misma masa de gas, y manteniendo constante la temperatura, el volumen que ocupa un gas es inversamente proporcional a la presión a la que está sometido.

      ​

      Experiencia p (atm) V (L) p ∙ V
      1.ª 1 0,500 0,500
      2.ª 2 0,250 0,500
      3.ª 3,4 0,147 0,500

      Mediante el tornillo modificamos el volumen de aire del cilindro. Al observar las parejas de valores p-V se aprecia que, al disminuir el volumen a la mitad, la presión se hace el doble: ambas magnitudes son inversamente proporcionales.

      ​

      Al disminuir el volumen, las partículas del gas llegan antes a las paredes del recipiente. En consecuencia, aumentará el número de choques contra dichas paredes, lo que se traduce en un aumento de la presión.

       

      Expresión de la ley de Boyle y Mariotte

      La experiencia anterior nos permite enunciar la ley de Boyle y Mariotte de otra forma, diciendo que:

      Cuando un gas experimenta un cambio desde un estado inicial, que llamamos 1, a otro estado, que llamamos 2, el producto p · V es constante, si no cambia la temperatura y la masa de gas.

      Matemáticamente:

      normal p subíndice 1 por normal V subíndice 1 igual normal p subíndice 2 por normal V subíndice 2 espacio flecha derecha espacio normal p por normal V espacio igual espacio cte

      La representación gráfica de p (eje de ordenadas) frente a V (eje de abscisas) es una hipérbola, curva característica de las relaciones de proporcionalidad inversa.

      La representación gráfica de p (eje de ordenadas) frente a V (eje de abscisas) es una hipérbola, curva característica de las relaciones de proporcionalidad inversa.

      ​

       

      ​

      1. Un cilindro como el de la figura superior contiene dióxido de carbono, CO2, a la presión de 2,25 atm.Cuando se permite que el émbolo suba hasta un volumen de 13,9 dm3, la presión baja hasta 750 mmHg. ¿Qué volumen ocupaba inicialmente el gas?

      El siguiente esquema nos permite visualizar los datos de los que disponemos y la magnitud física que debemos calcular. Cuidado con los datos de la presión, que están en unidades diferentes, por lo que debemos expresarla en atm o en mmHg:
       

      A partir de la ley de Boyle y Mariotte resulta:

      p subíndice 1 por V subíndice 1 igual p subíndice 2 por V subíndice 2

      2 coma 25 espacio atm por normal V subíndice 1 igual fracción 750 entre 760 atm por 13 coma 9 espacio dm al cubo flecha derecha normal V subíndice 1 igual 6 coma 1 espacio dm al cubo

       

      1. Un grupo de alumnos encuentra que cuando el volumen que ocupa un gas es de 2,5 dm3, la presión que ejerce es de 2,0 atm. Con este dato, completa los valores de la siguiente tabla, expresando la presión en atm y el volumen en dm3.
      p 2,2 atm     900 hPa  
      V   2,5 L 3,0 L   6,0 L

       

      En primer lugar debes observar que el dato inicial utiliza dm3 (o litros, L) para el volumen, y la atmósfera, atm, para la presión. El producto p · V vale:

      2,0 atm · 2,5 dm3 = 5,0 atm · dm3 (o atm · L)

      Si la temperatura y la cantidad de gas no cambian, el producto p · V valdrá siempre lo mismo, esto es: 5,0 atm · dm3. La tabla completa es:

      p (atm) 2,2 2,0 1,67 0,89 0,83
      V (dm3) 2,3 2,5 3,0 5,62 6,0

      ​

      1. Razona acerca de la veracidad o falsedad de la frase: al triplicar el volumen de un gas, la presión que ejerce se hace tres veces mayor.

      1. ​  Representa en papel milimetrado los valores de la tabla del ejercicio 5. A partir de ella, calcula el valor aproximado de la presión, en unidades SI, que ejercerá el gas cuando el volumen sea de 5,0 cm3.

      Solución: p = 1 atm.

      1. ​  Explica, poniendo dos ejemplos numéricos concretos de p y V, qué significa la frase del texto: «relaciones de proporcionalidad inversa».

      1. ​  Un cilindro de 2,5 m3 con un émbolo móvil contiene nitrógeno. Si p = 13,0 atm y se aumenta la presión hasta 19,5 atm, el émbolo, ¿subiría o bajaría? ¿Qué volumen ocuparía el gas?

      Solución: V = 1,7 m3.

      5.3 Comportamiento de un gas con la temperatura

      Hacia finales del siglo XVIII y principios del XIX, J. CHARLES y J. L. GAY-LUSSAC estudiaron cómo variaban la presión y el volumen cuando cambiaba la temperatura. Surgieron así las leyes que llevan su nombre.

      Primera ley de Charles y Gay-Lussac

      Explica qué le ocurre al volumen de un gas al cambiar la temperatura:

      Para una misma masa de gas y a presión constante, el volumen que ocupa dicha masa es directamente proporcional a su temperatura.

      Es decir, si aumenta la temperatura, el volumen también lo hace en la misma proporción, y viceversa. Así:

      V ; T (T en kelvin, siempre) flecha derechaV = cte · T flecha derecha fracción normal V entre normal T igual cte

      Para dos situaciones, inicial (1) y final (2), tenemos que:

      fracción normal V subíndice 1 entre normal T subíndice 1 igual fracción normal V subíndice 2 entre normal T subíndice 2

      La ecuación V = cte · T corresponde a una línea recta. Al representar (figura inferior izquierda) V (ordenadas) frente a T en grados Celsius (abscisas), se observa cómo el volumen del gas se va contrayendo según desciende la temperatura. Llega un momento en que el gas se licúa. Al prolongar la recta se obtiene por extrapolación que para T = -273,15 °C, el volumen sería nulo. Como esto no es posible, ese valor de la temperatura, denominado cero absoluto, es inalcanzable. Surge de aquí una nueva escala de temperatura, la escala Kelvin, cuyo valor cero es: 0 K = -273,15 °C. Por esto, T (K) = 273,15 + t (°C).

      Segunda ley de Charles y Gay-Lussac

      Esta ley nos dice qué le ocurre a la presión al cambiar la temperatura.

      Para una misma masa de gas, si el volumen es constante, la presión que ejerce un gas es directamente proporcional a su temperatura.

      Análogamente a como hicimos en la primera ley, tenemos:

      normal p punto y coma normal T paréntesis izquierdo normal T espacio en espacio kelvin coma espacio siempre paréntesis derecho flecha derecha normal p igual cte por normal T flecha derecha fracción normal p entre normal T igual cte flecha derecha fracción normal p subíndice 1 entre normal T subíndice 1 igual fracción normal p subíndice 2 entre normal T subíndice 2

      La representación gráfica de p frente a T es una línea recta.

      ​

      ​

       

      ​

      1. ​  Con un cilindro de émbolo móvil que lleva acoplado un termómetro, se va midiendo el volumen que ocupa una masa de gas a medida que se va calentando. Los valores obtenidos aparecen en la tabla:
      t (°C) 10 25 40 60 85
      V (dm3) 15,0 15,9 16,7 17,5 19,1


      a) Comprueba que el cociente V/T es constante.

      b) Representa gráficamente las parejas de valores, donde la temperatura ha de estar en kelvin.

      c) Calcula a partir de la gráfica el volumen que ocuparía el gas a t = 35 °C.

      Solución: V = 16,3 dm3.

      1. Comenta el significado de la siguiente frase: «El comportamiento de los gases se explica de manera mucho más sencilla utilizando la escala Kelvin; por ello, en cualquier cálculo de gases se debe expresar la temperatura en dicha escala».

      ​

      La TCM explica esta ley; al aumentar la temperatura, se incrementa el grado de agitación de las partículas que componen el gas, por lo que aumenta el volumen.

       

      Al subir la temperatura, aumenta la velocidad de las partículas del gas, que llegarán antes a las paredes del recipiente, incrementando el número de choques y, por tanto, la presión.

      ​

      1. Un cilindro de 15,0 m de altura y 2,5 m de radio está provisto de una pared móvil, y contiene un gas a −10 °C. Si se calienta el gas hasta 0 °C, ¿qué volumen ocupará ahora el gas?

      Planteamos el problema de forma análoga al ejercicio resuelto 4, con estos datos:

      Sustituyendo datos en la expresión matemática de la primera ley de Charles y Gay-Lussac, se obtiene el siguiente resultado:

      fracción numerador 294 coma 4 espacio normal m al cubo entre denominador 263 espacio normal K fin fracción igual fracción numerador normal V subíndice 2 entre denominador 273 espacio normal K fin fracción espacio flecha derecha normal V subíndice 2 igual 305 coma 6 espacio normal m al cubo

      1. Un cilindro de paredes fijas contiene cierta masa de gas a 12,5 atm y 40 °C. Si la presión máxima que puede soportar es de 25,0 atm, ¿hasta qué temperatura se podrá calentar sin peligro?

      El planteamiento del problema queda reflejado en el siguiente esquema:

      fracción numerador 12 coma 5 espacio a t m entre denominador 313 espacio K fin fracción igual fracción numerador 25 coma 0 espacio a t m entre denominador T subíndice 2 fin fracción espacio flecha derecha espacio T subíndice 2 igual 626 espacio K espacio paréntesis izquierdo 353 espacio º C paréntesis derecho

      Por tanto, si se ha duplicado la presión, es porque lo ha hecho la temperatura. Esto solo sucede si se resuelve el ejercicio en la escala kelvin.

      ​

      1. Explica por qué no se pueden alcanzar valores negativos de la temperatura en la escala kelvin.

      1. Un cilindro con un émbolo se llena con 25 cm3 de aire a 15 °C. Si su volumen máximo es de 30 cm3, ¿hasta qué temperatura se puede calentar a p = cte?

      Solución: T = 345,6 K (72,6 °C).

      1. ​  ¿A qué presión se encuentra un gas a la temperatura de 70 °C si a 20 °C su presión era de 1 atm, y no ha cambiado el volumen?

      Solución: p2 = 1,17 atm.

      1. ¿Qué ocurriría si se calentase mucho una olla a presión de cocina y fallase la válvula de seguridad?

      4. Los gases
      6. Un gas especial: el aire
      1. La materia. Los gases
      1. La materia. Los gases
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      6 Un gas especial: el aire

      P

      Cuando un astronauta mira la Tierra desde el espacio, la ve rodeada de una capa azul, muy fina, que denominamos atmósfera. En su interior transcurre la vida del ser humano y de otros muchos seres vivos.

      6.1 La atmósfera terrestre

      La atmósfera terrestre es una mezcla, en principio homogénea, compuesta por una serie de gases, que comúnmente denominamos aire. Como cualquier mezcla, su composición puede variar, pero está constituida en su casi totalidad por dos gases de los que ya hemos hablado: nitrógeno, N2, y oxígeno, O2.

      La tabla nos muestra la composición del aire «puro» seco a nivel del mar. La composición está expresada en porcentaje en volumen, que es una forma de expresar la concentración que también se aplica a mezclas líquidas, como veremos en la siguiente unidad.

      El porcentaje en volumen de un determinado gas en el aire indica el número de unidades de volumen de dicho gas referido a 100 unidades de volumen de aire.

      En la tabla no hemos reflejado ninguna unidad de volumen concreta, ya que podemos utilizar cualquiera, metros cúbicos, m3, decímetros cúbicos, dm3 (litros, L), etc. Si, por ejemplo, nos hablan de metros cúbicos de aire, utilizaríamos esta misma unidad para reflejar el volumen de cada gas en el aire.

      Composición del aire
      Gas % volumen
      Nitrógeno, N2 78,084
      Oxígeno, O2 20,946
      Argón, Ar 0,934
      Dióxido de carbono, CO2 0,037
      Neón, Ne 0,001818
      Helio, He 0,000524
      Hidrógeno, H2 0,00005


      En general, el aire puro no es seco, ya que contiene vapor de agua en cantidades variables.

      ​

       La atmósfera es fundamental para el mantenimiento de la vida. Nos protege de parte de la radiación solar, nociva para la vida, mantiene constante la temperatura, gracias al efecto invernadero, y es fuente de sustancias de gran importancia en la sociedad, como N2, O2 y algunos gases nobles.

      ​

      1. El oxígeno, O2, es una sustancia que se utiliza en numerosas reacciones en la industria química, y que se toma del aire. Si una fábrica utiliza diariamente 1 500 m3 de oxígeno, calcula el volumen de aire que necesitaría. ¿Qué cantidad de nitrógeno habrá en el volumen de aire necesario?

      De acuerdo con la tabla incluida en esta página, la presencia de oxígeno en el aire es del 20,946%.

      Teniendo esto en cuenta, resolvemos el ejercicio de forma inmediata mediante una sencilla proporción:

      fracción numerador 100 m al cubo d e espacio a i r e entre denominador 20 coma 946 m al cubo N subíndice 2 fin fracción igual fracción numerador V entre denominador 1500 m al cubo O subíndice 2 fin fracción

      V =7 161 m3 de aire

      O utilizando factores de conversión:

      1500 espacio m al cubo O subíndice 2 por fracción numerador 100 espacio m al cubo d e espacio a i r e entre denominador 20 coma 96 espacio m al cubo espacio O subíndice 2 fin fracción igual 7161 espacio m elevado a 3 espacio fin elevado d e espacio a i r e

      El cálculo de la cantidad de nitrógeno que habrá en 7 161 m3 de aire lo realizamos de forma parecida:

      fracción numerador 100 normal m al cubo de espacio aire entre denominador 78 coma 084 normal m al cubo normal N subíndice 2 fin fracción igual fracción numerador 7161 espacio normal m al cubo espacio aire entre denominador normal V fin fracción flecha derecha normal V igual 5592 espacio normal m al cubo de espacio normal N subíndice 2

      6.2 La presión atmosférica

      La fuerza gravitatoria de la Tierra, que estudiaremos en la unidad 6, es responsable de retener la capa de gases de la atmósfera. Toda esta masa de aire que tenemos encima de nosotros ejerce una presión.

      La presión atmosférica es la fuerza que ejerce la atmósfera por unidad de superficie sobre todos los cuerpos que están en su interior.

      Como ya hemos dicho, la presión atmosférica se mide con un aparato que se llama barómetro (del griego baros, presión, y metro, medida). Aunque no lo parezca, los valores que alcanza son muy elevados.

      El altímetro de un avión es un barómetro que «transforma» valores de presión en alturas, lo que permite al piloto de un avión saber a qué altitud se encuentra.

      Cómo varía la presión atmosférica

      El valor de la presión atmosférica no es constante, sino que depende de varios factores; el principal de ellos es la altitud. Como la cantidad de aire que tiene la atmósfera disminuye a medida que nos elevamos, también lo hace la presión. Por eso:

      ​

      1. Busca información contrastada y elabora un breve informe de los usos en la sociedad de algunos gases que contiene el aire como O2, N2 y gases nobles.

      1. ​  ¿Cuántos litros de CO2 habría en 250 m3 de aire que tuviese la composición que indica la tabla?

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

      1. ​  Una determinada fábrica de nanotecnología necesita 150 m3 de N2. ¿Qué volumen de aire debería tratar para obtener dicha cantidad?

      Solución: V = 192,1 m3 de aire.

      1. Las dimensiones de un aula son: 7,5 m · 4,5 m · 3,0 m. Calcula el volumen de O2 que hay en ella. Si la densidad de este gas es de 1,35 g/L, ¿qué masa de O2 contiene?

      Solución: Vo2 = 21,2 m3; = 28,62 kg.

      1. ​  Busca información sobre las capas de la atmósfera y explica la función de cada una.

      1. La presión en la cima del Everest es de unos 300 mmHg, y a nivel del mar, de 1 atm. ¿Cuántas veces es menor en la cima?

      Solución: 2,5 veces menor.

      5. Leyes de los gases
      Taller de ciencias
      1. La materia. Los gases
      1. La materia. Los gases
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      Taller de ciencias

      P

      Las ideas clave

      La materia y sus estados de agregación

      1.  La materia se presenta en la naturaleza en distintos estados de agregación, pero en las condiciones de la corteza terrestre, solo observamos tres: sólido, líquido y gaseoso.
      2.  El que una sustancia se presente en un estado u otro depende de la intensidad con que se unen las partículas que la componen y de las condiciones de presión y de temperatura a la que se encuentre.
      3.  La materia puede cambiar de estado si se modifica la presión o/y la temperatura. El estudio de los cambios de estado se lleva a cabo mediante las gráficas de cambio de estado.

      La teoría cinético-molecular, TCM

      1. Hacia la segunda mitad del siglo XIX se desarrolla la TCM, que describe el estado más sencillo de la materia: los gases. Entre otras hipótesis, supone que:

      •  Las partículas que componen el gas están en continuo movimiento.

      • La temperatura del gas es la manifestación de este movimiento. De otra forma, el grado de agitación de las partículas aumenta con la temperatura y disminuye si lo hace esta.

      Los gases. Leyes de los gases

      1. Los gases son una minoría dentro de los estados de agregación, pero algunos de ellos, como el oxígeno, son imprescindibles para la vida.
      2. Para estudiarlos, los científicos parten de una situación muy sencilla, el gas ideal, un tipo de gas que no existe, pero que nos permite establecer unas leyes sencillas que posteriormente se complican y nos acercan a los gases reales.
      3. Las leyes de los gases muestran qué relación existe entre cada dos de estas cuatro magnitudes físicas, presión, volumen, temperatura y cantidad de sustancia, aunque en este curso solo consideramos las tres primeras. Las tres leyes que hemos visto son:

      • Ley de Boyle y Mariotte: p1 · V1 = p2 · V2.

      • Las leyes de Charles y Gay-Lussac: fracción V subíndice 1 entre T subíndice 1 igual fracción V subíndice 2 entre T subíndice 2 espacio punto y coma espacio fracción P subíndice 1 entre T subíndice 1 igual fracción P subíndice 2 entre T subíndice 2

      Un gas especial: el aire

      1. Observa si son importantes los gases que el ser humano vive en una «burbuja» gaseosa. Es una mezcla de varios gases, entre los que destacan dos: el oxígeno, O2, con cerca de un 21 % en volumen, y el nitrógeno, N2, con un 78 % en volumen y que modera la gran reactividad del oxígeno.

      Organizo las ideas

      1. Autoevalúate. Lee con atención cada una de las ideas clave y asegúrate de que la comprendes y recuerdas los contenidos.
      2. Resume información en un dibujo. Explica, rotulando tus propios dibujos, estos contenidos:

      ••  Gráficas de calentamiento del agua.

      • • Los estados de agregación y la TCM.

      • • La TCM y las leyes de los gases.

      1. Confecciona un esquema conceptual. Completa el esquema conceptual con todos los contenidos de la unidad, además de los señalados con A, B y C.

       

      1 4 A
      2 5 B
      3 6 C

       Estudio experimental de cambios de estado

      Planteamiento del problema. Objetivo

      Observar cambios de estado y comprobar cómo estos dependen de la presión y de la temperatura a la cual tiene lugar el cambio de estado.

      Material que necesitas

      Vaso de precipitados •soporte universal ••arandela con soporte ••nuez doble ••varilla • termómetro ••mechero Bunsen ••tubo de ensayo ••tapón ••yodo ••trocitos de plato poroso (porcelana) ••pinza de madera.

      Procedimiento

      Experiencia 1. Determinación de la temperatura de ebullición del agua

      - Llena por la mitad con agua un vaso de precipitados de 250 mL y haz el montaje de la figura de la derecha.

      - Anota el valor de la presión atmosférica (que marcará el barómetro del laboratorio) y la temperatura a la que se encuentra el agua inicialmente.

      - Enciende el mechero Bunsen, asegurándote de que la llama sea lo más azulada posible. Para ello, el orificio de entrada del aire tiene que estar totalmente abierto.

      - Comienza a calentar, anotando la temperatura del agua cada minuto. Cuando veas que el agua comienza a hervir, deja de calentar y anota la temperatura. Ten cuidado y sigue atentamente las indicaciones de seguridad.

      - Anota el valor que has obtenido y compáralo con los datos tabulados (pide ayuda si lo necesitas).

      Experiencia 2. Sublimación del yodo

      - En un tubo de ensayo de unos 25 mm de espesor coloca en el fondo una espátula de yodo. Observa el color de esta sustancia en estado sólido.

      - Tapa el tubo de ensayo con el tapón, pero no lo hagas muy fuerte, simplemente que quede tapado. Ahora cógelo con la pinza por la boca y comienza a calentar muy suavemente la parte inferior. Observarás rápidamente la formación de unos vapores violetas, que si tumbas el tubo, verás como fluyen a lo largo de él.

      - Vuelve a ponerlo inclinado y calienta, con cuidado, un poco más, hasta que salte el tapón.

      - Ahora, con cuidado, enfría la parte más alejada de la base del tubo de ensayo y anota lo que ves.

      Comprende, piensa, investiga...

      1. Investiga qué indica que una llama sea azulada o su color sea amarillo-naranja. Explica, entonces, si en un sala cerrada, donde tenga lugar una combustión, la llama debe ser o no azulada.

      1. Busca valores de la temperatura de ebullición a distintas presiones, al menos siete parejas de valores, y representa la temperatura de ebullición (eje de ordenadas) frente a la presión externa (eje de abscisas).

      1. Con los valores de tiempo de calentamiento y temperatura, construye la correspondiente curva de calentamiento del agua de la fase líquida. ¿Sale una línea recta?

      1. En la experiencia del yodo, ¿a qué crees que es debido que el tapón haya salido despedido? ¿Qué ley de los gases permite explicar este hecho?

      1. ¿Qué es lo que ha ocurrido cuando has enfriado la parte del tubo de ensayo con vapores de yodo?

      6. Un gas especial: el aire
      Trabaja con lo aprendido
      1. La materia. Los gases
      1. La materia. Los gases
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      Trabaja con lo aprendido

      P

      La materia y sus estados de agregación

      1. Explica con tus propias palabras de forma clara el significado de las siguientes frases:

      a) En las condiciones de la corteza terrestre, la materia se presenta en los tres estados más conocidos, sólido, líquido y gaseoso.

      b) Los gases se caracterizan por no tener ni forma ni volumen propio.

      c) Los cambios de estado son procesos reversibles.

      1. ¿Es lo mismo fusión que solidificación? ¿Tienen el mismo valor numérico la temperatura de fusión y la de solidificación? Pon un ejemplo que aclare la respuesta.

      1. La propanona, llamada vulgarmente acetona, es un líquido que se utiliza como disolvente de pinturas, lacas de uñas, etc. Si su temperatura de fusión es de −95 °C y la de ebullición de 56 °C, ¿cuál crees que sería su estado de agregación, al sol y en verano, en el punto más caliente de la Tierra? ¿Y en el más frío? Busca la información que necesites.

      1. Razona la veracidad de las siguientes frases:

      a) Al enfriar un líquido, no siempre se produce una disminución de la temperatura.

      b) La temperatura de ebullición del agua pura siempre es de 100 °C, independientemente del lugar de la Tierra donde nos encontremos.

      c) La temperatura de fusión de un sólido puro es la misma que su temperatura de solidificación.

      d) La temperatura de fusión del cobre es de 2 010 °F,y la del hierro de 1 538 °C; por tanto, funde antes el hierro que el plomo.

      1. La figura muestra uno de los estados de la materia. Razona de cuál se trata e indica sus características.

      1. Las temperaturas de cambios de estado de una serie de sustancias, a p = 1 atm, son:
      Sustancia Tfusión(°C) Tebullición(°C)
      n-octano -57 126
      Cloruro de sodio 801 1413
      Glicerina 18 290
      Oxígeno -223 -183


      a) Razona su estado de agregación si la temperatura es: a1) 25 °C; a2) 75 °C; a3) −86 °C.

      b) Indica, para cada una de ellas, a qué temperatura sería siempre: b1) gas; b2) sólido.

      1. El nitrógeno líquido tiene numerosas aplicaciones por su capacidad para mantener a temperaturas muy bajas alimentos, muestras biológicas, etc. También se utiliza en la eliminación de verrugas y células tumorales. Su temperatura de ebullición, a p = 1 atm, es de −196 °C. Si se va a almacenar en un tanque a alta presión, razona si sería necesario mantener la temperatura por debajo de ese valor o no.

      1. El núcleo de la Tierra está compuesto principalmente por hierro y un pequeño porcentaje en masa, del orden del 5%, de níquel. Su temperatura alcanza los 6 700 °C, valor muy por encima de las temperaturas de ebullición de las sustancias anteriormente citadas. Entonces, ¿cómo es posible que el núcleo interno de nuestro planeta sea sólido y no gaseoso?

      1. El éter es una sustancia con una temperatura de ebullición normal de 34 °C:

      a) ¿Por qué decimos que es un líquido volátil?

      b) ¿Es correcto decir que el éter es una sustancia líquida en cualquier punto de la Tierra?

      c) Razona en qué estado de agregación lo podríamos encontrar a plena luz del día en un día de: c1) verano; c2) invierno en Siberia.

      La teoría cinético-molecular

      1. Explica brevemente las ideas fundamentales de la teoría cinético-molecular. Justifica a partir de ellas los cambios de estado.

      1. La figura muestra cierta cantidad de gas en dos momentos diferentes. Razona en cuál de los dos casos la temperatura es mayor.

      1. ¿Qué sucede con la velocidad media de las partículas de un líquido cuando se eleva la temperatura?

      1.  Justifica en cuál de las dos situaciones se seca mejor la ropa:

      a)

       

      b) 

      1. ¿Por qué es más fácil comprimir un gas que un líquido?

      1. ¿Cuándo crees que las moléculas de agua tienen más energía, cerca de la temperatura de solidificación o de la de ebullición? ¿El razonamiento que has hecho sería válido para otro líquido, por ejemplo, alcohol?

      ​ Recuerda que la energía cinética es un tipo de energía asociada al movimiento de las partículas  que componen un material, por ejemplo, agua.

      1. Indica cómo explica la TCM estos hechos:

      a) Al dejar en el fondo de un vaso de precipitados con agua un cristal de sulfato de cobre (II), de color azul, el agua adquiere rápidamente esta coloración.

      b) Al abrir un recipiente con perfume en una habitación, al cabo de poco tiempo su olor llega a todos los lugares de dicha habitación.

      c) Al bajar la temperatura, manteniendo constante la presión, el agua líquida solidifica.

      d) Para vaporizar éter, un disolvente orgánico, hay que subir la temperatura.

      Gráficas de cambio de estado

      1. a) ¿Qué es una gráfica de cambio de estado?

      b) ¿Qué zonas podemos distinguir en ella?

      c) ¿Qué información podemos obtener de una gráfica de cambio de estado?

      1. La gráfica de la figura inferior muestra la curva de calentamiento de una sustancia dada a p = 1 atm:

      a) Indica el estado en qué se encuentra la sustancia en los tramos AB, BC, CD, DE, y EF.

      b) ¿Cuál es su temperatura de fusión? ¿Y la de ebullición?

      c) Recuerda las escalas de temperaturas Kelvin y Fahrenheit y expresa los valores obtenidos en el anterior apartado en dichas escalas.

      d) ¿Podría corresponder esta gráfica a una sustancia como el hierro? ¿Y a un gas, como, por ejemplo, el dióxido de carbono?

      1. Al introducir un líquido puro a 20 °C en una nevera, se observa que durante 10 min su temperatura disminuye a razón de 2 °C/min. Después de este tiempo, se observa que la temperatura permanece constante durante 5 min, momento en el cual la temperatura comienza a bajar 5 °C/min. Representa la curva de enfriamiento del líquido citado.

      Los gases y sus leyes

      1. En los mapas del tiempo, la presión se suele expresar en hectopascales, hPa, y hasta hace poco, en milibares, mb. Dibuja el mapa inferior en tu cuaderno con los valores de la presión en hPa.

      1. Sin necesidad de ningún cálculo matemático, razona qué le ocurrirá a:

      a) La temperatura de un gas que reduce su volumen una cuarta parte, a presión constante.

      b) La presión de un gas que, a volumen constante, se calienta de 20 °C a 40 °C.

      c) El volumen que ocupa un gas que, a temperatura constante, reduce su presión a la mitad.

      1. La gráfica muestra una de las leyes de los gases. Indica de cuál se trata y explícala brevemente.

      1. Para cierto gas ideal se han encontrado los siguientes valores de la presión y del volumen para una misma masa de gas y a igual temperatura:
      Presión (atm) 0,95 1,0 1,2 1,5 2,0
      Volumen (dm3) 22,8 21,7 18,0 14,4 10,8


      Razona si se cumple la ley de Boyle. En caso afirmativo, ¿qué presión habría que ejercer sobre el gas para que su volumen fuese de 20 dm3? Resuelve esta cuestión a partir de la gráfica p-V.

      Solución: p = 1,1 atm.

      1. Dos recipientes contienen la misma masa de gas. En el primero la presión es de 0,75 atm, y en el segundo, de 990 mb. ¿En cuál de los dos es mayor la presión?

      Solución: En el segundo.

      1. Completa los valores que faltan:
      Magnitud
      constante
      Condiciones
      iniciales
      Condiciones
      finales
      Temperatura p1 = 995 mb
      V1 = 275 cm3

      p2 = 1,1 atm
      V2 =

      Presión V1= 75 cm3
      T1 =
      V2 = 150 cm3
      T2 = 300 K
      Volumen

      p1=
      T1 = 290 K

      p2 = 25 atm
      T2 = 373 K
      1. Siguiendo las normas elementales de seguridad, un conductor revisa la presión de los neumáticos de su vehículo antes de iniciar un viaje. Al cabo de cierto tiempo para a descansar y mide de nuevo la presión, observando que esta ha aumentado:

      a) ¿Debe preocuparse por este hecho o es lógico lo que ha ocurrido?

      b) ¿Qué observaría si vuelve a medir la presión al cabo de una hora?

      1. Una bombona que contiene cierto gas tiene un volumen de 50 dm3. A 25 °C, la presión que soportan las paredes de la bombona es de 2,9 atm. ¿Qué presión ejercerá el gas si se duplica la temperatura?

      Solución: p2 = 3,1 atm.

      1. Veinticinco litros de aire a 298 K se enfrían hasta 32 °F. Calcula el volumen que ocupará el aire, suponiendo que la presión se mantiene constante.

      Solución: V2 = 23 L.

      1. Completa la tabla . Supón que se cumple la primera ley de Charles y Gay-Lussac:
      Volumen (dm3) 23,2 24,6 26,6
      Temperatura (K) 273 283


      Ahora resuelve las siguientes cuestiones:

      a) ¿Qué tipo de gráfica se obtiene al representar V frente a T?

      b) ¿Cómo calcularías a partir de la gráfica el volumen que ocupa el gas si la temperatura es de −5 °C?

      1. Un grupo de científicos ha estudiado cómo varía el volumen de cierto gas con la temperatura, manteniendo constante la presión. Han realizado catorce experiencias y las parejas de valores V-t los han representado, obteniendo la siguiente gráfica.

      a) ¿Se ajusta a una de las leyes de los gases? ¿A cuál?

      b) A continuación deciden volver a representar los valores obtenidos, pero expresando ahora la temperatura en la escala absoluta y el volumen en litros. ¿Volverían a obtener una línea recta?

      1. Un grupo de alumnos estudia el comportamiento de un gas al calentarlo a p = cte, observando que su volumen aumenta linealmente con la temperatura. Para explicarlo, elaboran la siguiente hipótesis: «El volumen del gas aumenta porque aumenta el volumen de las partículas que lo componen»

      ¿Estás de acuerdo, o no, con su hipótesis?

      1. Determina la altura de una montaña, sobre el nivel del mar, en la que el barómetro marca 730 mmHg a 375 m de altura y 520 mmHg en la cima.

      ​  Recuerda que la presión atmosférica disminuye con la altitud. Para altitudes pequeñas, no mayores de 1 km, esta disminución es lineal, pudiendo suponer que por cada 10 mque nos elevemos, la presión disminuya 1 mmHg.

      Solución: h = 2475 m.

      1. En cierta industria de producción de ácido sulfúrico, H2SO4, necesitan 1 000 m3 de oxígeno, O2. Calcula:

      a) El volumen de aire necesario.

      b) Si la densidad de este gas, a p = 1 atm y temperatura de 0 °C, es de 1,429 kg/m3, ¿a qué masa equivale dicho volumen de oxígeno?

      c) Si la temperatura a la que se encuentra el oxígeno fuese mayor, por ejemplo, 50 °C, su densidad, ¿valdría lo mismo? ¿Sería mayor, menor?

      Solución: a) Vaire = 4 774 m3. b) mO2 = 1 429 kg.

      ​   Encontrarás una autoevaluación interactiva.

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      Física cotidiana
      1. La materia. Los gases
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      Física cotidiana

      P

      Presión atmosférica

      Vivimos en lo más profundo de un «océano de aire» que rodea la Tierra: la  atmósfera.

      La atmósfera ejerce presión sobre todos los objetos que se encuentran en su seno, y está presente en muchos de los fenómenos que observas a tu alrededor. Por ejemplo, cuando tapas con el dedo la parte superior de una pajita llena de líquido y este no cae, se debe a que la presión atmosférica lo retiene. Pero, ¿cómo lo retiene?

        En la web

      Para que aprecies el poder de la presión atmosférica, busca en Internet el «experimento de las esferas de Magdeburgo». Después, responde a las preguntas que se plantean sobre los fenómenos observados en las siguientes fotografías, utilizando en tus explicaciones el concepto de presión atmosférica.

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      Trabaja con lo aprendido
      • I. Introducción
      • 1. La materia y sus estados de agregación
      • 2. Gráficas de cambio de estado
      • 3. La teoría cinético-molecular, TCM
      • 4. Los gases
      • 5. Leyes de los gases
      • 6. Un gas especial: el aire
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