A los alumnos de segundo año de la EES 2 y la EES 9, saludos y buena cursada. En este blog encontrarán todo el material teórico necesario para entender todo lo explicado en clase.
Saludos.

La teoría cinético-molecular y los estados de agregación de la materia

08/07/2016

Por todos es sabido que las sustancias se pueden encontrar en tres estados físicos, llamados estados de agregación de la materia, que son: estado sólido, estado líquido y estado gaseoso. El agua es, seguramente, el ejemplo más evidente, pues todos hemos experimentado cómo el agua líquida se convierte en hielo a bajas temperaturas, o entra en ebullición cuando supera los 100 ºC. Pero, ¿qué diferencia existe entre cada uno de estos estados? A grandes rasgos, no podemos decir que haya ningún cambio químico cuando pasamos de un estado a otro, pues en todos los casos hablamos de la misma sustancia, el agua. Por eso hablamos de estados “físicos” de la materia, pues es esa la naturaleza de las propiedades que nos permiten hacer semejante distinción.

La teoría cinético-molecular de la materia es una extensión de la teoría cinética de los gases que nos permite explicar el comportamiento de las sustancias en cada uno de los estados, a partir de unos principios o postulados generales que, comúnmente, se resumen de la manera siguiente:

• La materia está formada por entidades muy pequeñas llamadas partículas (átomos o moléculas).

• Las partículas están en continuo movimiento, chocando entre sí de manera elástica.

• Entre las partículas existen interacciones, más o menos intensas dependiendo del estado de agregación.

Estado sólido

En el estado sólido, las partículas están muy próximas y fuertemente unidas entre sí, por lo que mantienen fijas sus posiciones, manteniendo las distancias que hay entre ellas. Es por ello que adoptan estructuras tridimensionales de volumen definido y constante (se consideran incompresibles).
No obstante, las partículas poseen un cierto movimiento de vibración, que aumenta con la temperatura, motivo por el cual, al calentarlos, las vibraciones crecen, aumentando el volumen (dilatación), y pueden llegar a vencerse las fuerzas de atracción (cambio de estado).

Estado líquido

En el estado líquido, las distancias entre las partículas son ligeramente mayores que en los sólidos, pero su movimiento y sus interacciones impiden que este espacio se reduzca, por lo que son prácticamente incompresibles. Sin embargo, aunque las interacciones son los suficientemente grandes como para evitar su dispersión, la movilidad que poseen las partículas permite que se desplacen unas respecto a otras, otorgándoles la capacidad de fluir y de amoldarse al recipiente que las contiene.
Una característica de los líquidos es que presentan propiedades de superficie, ya que las partículas situadas en el interior experimentan interacciones con las que se encuentran alrededor, a diferencia de las partículas superficiales, que poseen interacciones que no están equilibradas o completamente compensadas. Por ejemplo, los líquidos tienden a presentar la mínima superficie posible, ya que existen una serie de fuerzas en ella que tiran de las partículas hacia el interior, formando gotas (fenómeno que se conoce como tensión superficial).

Estado gaseoso

En los gases, las partículas estás separadas grandes distancias (en comparación con su tamaño) y, en consecuencia, las interacciones entre ellas se consideran nulas. Por ello, los gases adoptan la forma y ocupan el volumen del recipiente que los contienese.
Las partículas gaseosas se mueven libre y azarosamente, chocando elásticamente entre sí y con las paredes del recipiente (ejerciendo una determina presión), aumentando la velocidad media y los choques con la temperatura.

LOS ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA

1.- Los estados de agregación y la teoría cinética Todo en el Universo está formado por materia. La materia se puede encontrar en 3 estados de agregación o estados físicos: sólido, líquido y gaseoso. Sus propiedades son: SÓLIDO LÍQUIDO GAS Masa constante Volumen constante Forma constante Masa constante Volumen constante Forma variable Masa constante Volumen variable Forma variable Puedes ver más información en esta página web.   La teoría cinética La teoría cinética nos indica que la materia, sea cual sea su estado, está formada por partículas tan diminutas que no se pueden observar a simple vista y que, además, se encuentran en continuo movimiento. Ese estado de movimiento depende de la temperatura, siendo mayor conforme más alto es el valor de dicha temperatura. Para comprender mejor la teoría cinética puedes trabajar con esta webquest. Realiza las siguientes actividades.   Los estados de agregación y la teoría cinética La teoría cinética es capaz de explicar porqué una misma sustancia se puede encontrar en los 3 estados: sólido, líquido y gas. Esto depende sólo de la manera de agruparse y ordenarse las partículas en cada estado. Estado sólido: La teoría cinética explica este estado como puede verse en esta página web y en esta otra. Estado líquido: La teoría cinética explica este estado en esta página web y en esta otra. Estado gaseoso: La teoría cinética lo explica como puede verse aquí y en esta otra página. La temperatura de los cuerpos y la teoría cinética Cuando calentamos un cuerpo, sus partículas se mueven más deprisa con lo cual aumentan su energía cinética. Si lo enfriamos ocurre lo contrario: disminuye la energía cinética de las partículas. La energía cinética es la energía que tiene un cuerpo en movimiento. La temperatura es la medida de la energía térmica (energía cinética media de todas las partículas que forman un cuerpo) de una sustancia. Se mide con un termómetro. Las escalas más empleadas para medir esta magnitud son la Escala Celsius (o centígrada) y la Escala Kelvin. 1ºC es lo mismo que 1 K, la única diferencia es que el 0 en la escala Kelvin está a - 273 ºC. En la escala Celsius se asigna el valor 0 (0 ºC) a la temperatura de congelación del agua y el valor 100 (100 ºC) a la temperatura de ebullición del agua. El intervalo entre estas dos temperaturas se divide en 100 partes iguales, cada una de las cuales corresponde a 1 grado. En la escala Kelvin se asignó el 0 a aquella temperatura a la cual las partículas no se mueven (temperatura más baja posible). Esta temperatura equivale a -273 ºC de la escala Celsius. Para convertir ambas temperaturas, tenemos que tener en cuenta que: T (K) = t(ºC) + 273 En esta página, Calor y temperatura, puedes ver lo que es la temperatura y su relación con el calor. En esta web Temperatura puedes ver qué es la temperatura y cómo se mide. Realiza las siguientes actividades. 2.- Las propiedades de los gases La teoría cinética explica el estado gaseoso de la siguiente forma: Los gases están formados por un gran número de partículas muy pequeñas, sobre todo si se las compara con la distancia que las separa. Las fuerzas de atracción entre las partículas son muy débiles. Estas partículas se mueven continuamente y de forma desordenada. Las partículas en su movimiento chocan entre sí y contra las paredes del recipiente que contiene el gas. Los gases tienden a ocupar todo el volumen disponible En los gases, las partículas están muy separadas unas de otras y se mueven libremente a gran velocidad; por eso ocupan todo el espacio disponible y no tienen volumen ni forma fijos. El que las partículas se encuentren tan separadas da lugar a que los gases sean compresibles y ocupen el volumen del recipiente que los contiene. Los gases pueden sufrir compresión y expansión. Si acercamos las partículas del gas, entonces se comprime y si las alejamos se expanden. Los gases ejercen presión Debido a que las partículas del gas están en continuo movimiento chocan entre ellas y con las paredes del recipiente. Estas colisiones son las responsables de la presión que ejerce el gas. La presión varía con el volumen Si la temperatura de un gas permanece constante: Su presión aumenta al disminuir su volumen. Su presión disminuye al aumentar su volumen. Esto puedes verlo en la siguiente página. El volumen de los gases varía con la temperatura Si la presión a la que se ve sometido un gas permanece constante: Su volumen aumenta al elevar la temperatura. Su volumen disminuye al descender la temperatura. En esta página encontrarás información sobre este fenómeno. La presión y la temperatura están relacionadas Si el volumen de un gas permanece constante: Su presión aumenta al elevar la temperatura. Su presión disminuye al bajar la temperatura. Puedes estudiar este fenómeno aquí. Realiza las siguientes actividades. 3. Cambios de estado Un cambio de estado es el paso de un estado de agregación a otro en una sustancia como consecuencia de una modificación de la temperatura (o de presión). Ver página. Existen varios cambios de estado, que son: - Fusión: Es el paso de una sustancia de sólido a líquido. La temperatura a la que esto ocurre se llama Temperatura de fusión o punto de fusión de esa sustancia. Mientras hay sólido convirtiéndose en líquido, la temperatura no cambia, se mantiene constante. Por ejemplo, en el agua el punto de fusión es 0 ºC; mientras haya hielo transformándose en agua la temperatura no variará de 0 ºC. Esto ocurre porque toda la energía se invierte en romper las uniones entre partículas y no en darles mayor velocidad en ese tramo. Puedes verlo en esta página. - Solidificación: Es el cambio de estado de líquido a sólido. La temperatura a la que ocurre es la misma: el punto de fusión. - Vaporización: Es el cambio de estado de líquido a gas. Se puede producir de 2 formas: evaporación y ebullición. La evaporación se produce sólo en la superficie del líquido y a  cualquier temperatura, se escapan las partículas más energéticas del líquido. por el contrario, la ebullición se produce en todo el líquido y a una temperatura característica llama temperatura o punto de ebullición. por ejemplo, en el agua es de 100 ºC y se mantiene mientras hay agua pasando a vapor. En esta página puedes ver la diferencia entre ambas formas de vaporización. - Condensación: Es el cambio de estado de gas a líquido. La temperatura a la que ocurre es el punto de ebullición. - Sublimación: Es el cambio de estado de sólido a gas (sin pasar por el estado líquido). Esto ocurre, por ejemplo, en sustancias como: alcanfor, naftalina, yodo, etc. Un buen ejemplo práctico serían los ambientadores sólidos o los antipolillas. - Sublimación inversa: Es el cambio de estado de gas a sólido (sin pasar por el estado líquido). En esta animación puede verse cómo se producen los cambios de estado y, al mismo tiempo, qué les ocurre a las partículas de la sustancia. Los cambios de estado se suelen representar en unas gráficas llamadas gráficas de calentamiento o gráficas de enfriamiento que son iguales para todas las sustancias, ya que sólo varían en su punto de fusión y en su punto de ebullición, que son propiedades características de cada sustancia. Un ejemplo de estas gráficas se puede ver en la siguiente animación, que muestra la gráfica al mismo tiempo que el cambio de estado. Los puntos de fusión y de ebullición de las sustancias puras tienen valores constantes y cada sustancia pura tiene su propio punto de fusión y de ebullición. Por ejemplo, el agua tiene como punto de fusión 0 ºC y como punto de ebullición 100 ºC (a la presión del nivel del mar), el alcohol etílico tiene punto de fusión -114 ºC y punto de ebullición 78 ºC. En la siguiente tabla puedes ver algunos ejemplos: Sustancia P. F. (ºC) P. E. (ºC) Agua 0 100 Etanol - 114 78 Sodio 98 885 Hierro 1540 2900 Mercurio - 39 357 Oxígeno - 219 - 183 Los puntos de fusión y de ebullición se pueden calcular como muestra esta animación. Realiza estas actividades. Realiza las siguientes actividades. 4. La presión atmosférica La presión atmosférica es la presión que ejerce la atmósfera debido a su peso sobre la superficie de los cuerpos que están en contacto con ella. Puedes aprender más sobre la presión atmosférica visitando esta página. La presión atmosférica se mide con un instrumento llamado barómetro. La presión a nivel del mar es de 1013 mb o 1 atm. La presión superior a 1013 mb se llama alta presión y, si es menor, baja presión. En los mapas meteorológicos se unen puntos con la misma presión mediante unas líneas llamadas isobaras. Puedes consultar esta página para obtener más información sobre los mapas meteorológicos y la información del tiempo, además puedes hacer actividades para practicar.