LOS ESTADOSDE LA MATERIAY SUS CAMBIOS

LOS ESTADOS DE LA MATERIA

1.- CARACTERÍSTICAS DE LOS TRES ESTADOS.A) ESTADO SÓLIDOB) ESTADO LÍQUIDOC) ESTADO GASEOSO

2.- LOS ESTADOS FÍSICOS SEGÚN LA TEORÍA CINÉTICA.3.- CAMBIOS DE ESTADO

A) FUSIÓNB) EBULLICIÓNC) LICUEFACIÓND) SOLIDIFICACIÓNE) SUBLIMACIÓN

4.- LA TEMPERATURA DURANTE LOS CAMBIOS DEESTADO.

5.- VARIACIÓN DE MASA, VOLUMEN Y DENSIDAD EN LOS CAMBIOS DE ESTADO6.- LOS CAMBIOS DE ESTADO EXPLICADOS DESDE

LA TEORÍA CINÉTICA

LOS ESTADOS DE LA MATERIA

Toda la materia que existe en la naturaleza o bien todo aquello que ha creado el hombre de forma artificial sólo puede encontrarse en tres estados, aunque en situaciones especiales también aparece un cuarto estado. Por tanto, los estados físicos de la materia son las diferentes formas en las que puede encontrarse la materia.

Los tres estados en los que normalmente se encuentra la materia son: el estado sólido, el estado líquido y el estado gaseoso. El cuarto estado se denomina plasma y sería un estado intermedio entre el sólido y el líquido, cuando el medio es muy denso y viscoso, fluido pero sin llegar a ser líquido.

Las rocas y los seres vivos son las materias sólidas naturales, mientras que los materiales y objetos producidos por el hombre son, en su mayoría, también sólidos.

En la naturaleza es poco frecuente el estado líquido, siendo el agua el único material en este estado. Otros materiales naturales son el petróleo. El hombre produce muchos tipos de líquidos como bebidas alcohólicas (vino, cerveza, etc.), derivados del petróleo como la gasolina, metales puros líquidos como el mercurio, el aceite, productos químicos derivados como acetona y colonias, etc.

Debido a que la temperatura es relativamente baja, apenas se da el estado gaseoso en la naturaleza. Todos los materiales gaseosos, como pesan poco, tienden a escapar de los sólidos o líquidos donde se producen y se acumulan sobre la superficie terrestre, formando la atmósfera. El gas que nos rodea es el aire, formado por varios componentes gaseosos en estado puro (nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono, etc.)

EL ESTADO SÓLIDO

Una gran parte de los materiales y objetos que utilizamos normalmente son sólidos. Las características que definen a un SÓLIDO son las siguientes:

1.- Tienen una forma propia que podemos describir fácilmente y que se reconoce a simple vista.

2.- Sólo cambian de forma cuando se les aplica una fuerza.Si cuando se les aplica la fuerza se deforman y luego recuperan su forma

inicial se dice que son Materiales Elásticos.Si cuando se les aplica la fuerza se deforman y luego no recuperan su forma

inicial se dice que son Materiales Plásticos.Si cuando se les aplica la fuerza no se deforman y mantienen su forma se

dice que son Materiales Rígidos. Si al aplicarles una fuerza se rompen fácilmente se dice que son Materiales Frágiles y sin no se rompen se dice que son Materiales Resistentes.

3.- Tienen un volumen fijo que puede calcularse fácilmente por un método directo si tienen una forma regular o por métodos indirectos.

4.- Los sólidos pueden cambiar ligeramente de volumen cuando se producen cambios elevados de temperatura.

Cuando la temperatura es alta, los sólidos aumentan ligeramente su volumen. Ocurre entonces una Dilatación.

Cuando la temperatura baja, los sólidos disminuyen ligeramente su volumen. Ocurre entonces una Contracción.

5.- Presentan una propiedad llamada dureza, definida como la resistencia que opone un sólido a ser rayado. Se mide con la escala de Mohs. Según esta propiedad los sólidos pueden ser blandos o duros.

MATERIAL SÓLIDO ELÁSTICO MATERIAL SÓLIDO PLÁSTICO

MATERIAL SÓLIDO RÍGIDO Y FRÁGIL

MATERIAL SÓLIDO RÍGIDO Y RESISTENTE

EL ESTADO LÍQUIDO

Algunas materias que existen en la naturaleza se presentan en estado líquido, las cuales, si no están contenidas en un recipiente, se derraman y discurren por una superficie.

Las características que presentan los líquidos son las siguientes:1.- No tienen una forma propia y por eso tienen que estar contenidos en

recipientes para ser manipulados.2.- Se adaptan perfectamente a la forma del recipiente que los contienen. Así

decimos, una botella de agua, un vaso de agua, una copa de agua, un bidón de agua, un depósito de agua, etc.

3.- Tienen un volumen fijo aunque al colocarlos en diferentes recipientes parezca que en unos hay más cantidad que en otros, pero es una sensación óptica y engañosa. Así, si colocamos medio litro de agua en una botella de 750 ml, parece que hay mucho líquido porque está bastante llena, pero si colocamos medio litro de agua en una garrafa de diez litros parece que hay poco volumen poco ocupa poco espacio en el recipiente. Pero, en ambos casos, tenemos la misma cantidad.

4.- Se dilatan ligeramente con el calor y se contraen al disminuir la temperatura.5.- Fluyen fácilmente al depositarlos sobre una superficie. En esta situación el

líquido se desliza por la superficie hacia abajo si está inclinada. Cuando el material es absorbente, el líquido penetra en su interior y lo empapa, con lo que no se observa, como sucede con cuando vertemos agua sobre un tejido o un cartón.

6.- Se mezclan con facilidad al colocar en contacto dos líquidos debido a su capacidad de fluir.

7.- Presentan viscosidad que expresa el grado de fluidez del líquido. Un líquido es viscoso cuando fluye muy mal, como sucede con la miel.

PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS

ADAPTACIÓN DE LA FORMA PUEDEN FLUIR

EMPAPAN LOS MATERIALES SE MEZCLAN ENTRE ELLOS

EL ESTADO GASEOSO

Los gases son sustancias que no se aprecian a simple vista porque son muy tenues. Algunos tienen un cierto color y eso permite detectarlos, como el ozono que tiene un ligero tono azulado. La mayoría de los gases se perciben porque son sustancias olorosas.

Las propiedades de los gases son las siguientes:1.- No tienen forma propia y se adaptan al volumen del recipiente que los

contiene.2.- Fluyen con gran facilidad, mezclándose rápidamente con los líquidos y

también con otros gases formando mezclas. En este caso se habla con más propiedad diciendo que los gases se difunden en el ambiente, como ocurre con una colonia que se evapora se difunde por el aire y podemos así olerla.

3.- No tienen un volumen fijo ya que ocupan todo el volumen completo del recipiente que los contiene y cuando este recipiente está abierto se escapan. Se dice, por tanto, que los gases tienen la capacidad de expandirse hasta ocupar todo el espacio disponible en el recipiente donde los coloquemos.

4.- Se comprimen fácilmente al aplicarles una fuerza de tal manera que si un volumen de gas ocupa un recipiente grande, si lo pasamos a otro recipiente más pequeño, también cabe todo el volumen porque se comprime.

5.- Se dilatan cuando aumenta su temperatura y pasan a ocupar un mayor volumen. Por el contrario, también pueden contraerse cuando disminuye su temperatura.

EL AIRE ES UNA MEZCLA DE GASESPOR LO QUE ESTÁ EN ESTADOGASEOSO

EL HUMO ES UNA SUSTANCIA GASEOSA FORMADA POR LA COMBINACIÓN DE GASES

LA TEORÍA CINÉTICA Y LOS ESTADOS DE LA MATERIA

La Teoría Cinética es una teoría que intenta explicar la estructura interna de la materia determinando cómo se encuentran sus componentes en cada estado físico. Según esta teoría, la materia estaría constituida por partículas que contienen energía y que se encuentran en continuo movimiento.

En el caso del estado sólido, las partículas contienen poca energía, por lo que se localizan próximas entre sí ocupando posiciones fijas. La pequeña energía que tienen sólo les permite vibrar en su sitio, pero sin moverse ni desplazarse. Por eso los sólidos son duros y rígidos al estar muy compactadas sus partículas y tienen una forma fija porque sus partículas están ocupando una posición estable.

En algunos sólidos, las partículas se encuentran ordenadas de forma regular en el espacio, con lo que forman figuras geométricas con vértices, caras y aristas. Se dice que forman así redes cristalinas y tienen una estructura cristalina. Cuando esta forma se aprecia en el exterior se dice que el sólido es un cristal.

Sin embargo, en muchos sólidos, sus partículas no se encuentran ordenadas sino que están dispuestas al azar no presentando, por tanto, una estructura interna cristalina. Se dice que estas materias son amorfas o vítreas, como ocurre con materiales como el vidrio o el plástico que se forman por un enfriamiento rápido de una masa viscosa y por lo tanto sus partículas no tienen tiempo suficiente como para ordenarse en el espacio y adquirir una estructura cristalina.

En el caso del estado líquido, las partículas presentan un mayor nivel energético. De este modo, las partículas están más separadas entre sí, ocupando mayor volumen. Como tienen más energía, pueden moverse o desplazarse unas respecto a otras, con lo que las partículas no ocupan posiciones fijas. Debido a que su energía no es excesiva, las partículas no pueden desplazarse más de una cierta distancia máxima. Por estas razones, los líquidos ocupan un mayor volumen que el mismo número de partículas en estado sólido, pero como no pueden desplazarse más allá de una cierta distancia, su volumen permanece fijo, siendo máximo para una determinada temperatura. También por ello pueden moverse, desplazándose unas partículas con respecto a otras. De este modo pueden fluir y deslizarse por superficies no absorbentes. Como sus partículas se mueven unas respecto a otras, no pueden mantener su forma, que siempre está cambiando. Este movimiento les permite adaptarse a la forma del recipiente que los contiene.

El flujo de las partículas determina su capacidad para introducirse en otros materiales sólidos absorbentes, con lo que los empapan. Así mismo, como sus partículas se desplazan facilita que las partículas de dos líquidos diferentes se entremezclen entre sí, con lo que los líquidos se mezclan. Y también permiten, al separarse, que otras moléculas (de sólidos o gases) se introduzcan en los espacios entre las partículas y así los líquidos, como el agua, tienen capacidad para disolver moléculas.

En el caso de los gases, sus partículas están dotadas de una alta energía, lo cual les confiere una gran capacidad de movimiento. Este movimiento determina que las moléculas se encuentren muy separadas unas de otras, no permitiendo que adquieran una forma fija. Así mimo, estos desplazamientos provocan la existencia de grandes espacios entre las moléculas con lo cual pueden separarse tanto que ocupan todo el volumen completo del recipiente que los contiene. Si el recipiente se abre, el movimiento de las partículas es tan grande que las partículas llegan a escapar del recipiente y pasan al aire. También esta capacidad de movimiento les permite fluir y mezclarse con otros gases y líquidos.

http://www.youtube.com/watch?v=Qb75G--wTNcEn este vídeo se muestran los tres estados de la materia en la naturaleza

http://vids.myspace.com/index.cfm?fuseaction=vids.individual&videoid=2515091En este vídeo se muestra la estructura interna de sólidos, líquidos y gases,

siendo con lo que se observa con claridad la composición y movimientos de las partículas que los forman.

En las siguientes animaciones se pueden comprobar el comportamiento de las partículas en estado sólido, líquido y gaseoso al aumentar la temperatura.

http://iessuel.org/ccnn/flash/solido.swf

http://iessuel.org/ccnn/flash/liquido.swf

http://iessuel.org/ccnn/flash/gas.swf

LOS CAMBIOS DE ESTADO

Una sustancia puede variar de estado dependiendo de la temperatura a la que se encuentre. Cuando hablamos de que el agua está en estado líquido, el oxígeno en estado gaseoso o el granito en estado sólido nos estamos refiriendo a su estado físico a temperatura ambiente. Sin embargo, cuando aumenta o disminuye la temperatura una determinada materia puede cambiar de estado físico. El ejemplo más común es el caso del agua, ya que si bajamos la temperatura ésta se congela y pasa a estado sólido (hielo) y cuando subimos la temperatura pasa a estado gaseoso y forma vapor de agua.

Por tanto, decimos que se produce un cambio de estado cuando un material pasa de un estado a otro al variar la temperatura, bien porque ésta aumenta o bien porque disminuye.

Los cambios de estado que pueden producirse por aumento de la temperatura son la Fusión y la Vaporización. Los cambios de estado que pueden producirse por disminución de la temperatura son la Licuefacción y la Solidificación.

Los cambios de estado anteriores son graduales, pero existe un cambio de estado más drástico en el que se pasa directamente de sólido a gas o viceversa. En ambos casos, se denomina Sublimación, siendo más común el caso de la transformación de un gas a un sólido al bajar la temperatura de forma muy acusada.

FUSIÓN

La fusión es el proceso mediante el cual un material en estado sólido se transforma en líquido al aumentar la temperatura. La temperatura a la cual se produce este cambio de estado se le denomina Punto de Fusión. Cada materia tiene su propio punto de fusión.

VAPORIZACIÓN

Este proceso consiste en el paso de una sustancia en estado líquido a estado gaseoso al aumentar la temperatura. Este paso se produce generalmente al aplicarle calor y en este caso se denomina EBULLICIÓN. A la temperatura en la que ocurre este cambio de estado se le denomina punto de ebullición.

Hay muchas sustancias líquidas que si se dejan a temperatura ambiente se van transformando poco a poco en gas sin que haya un aumento de la temperatura, como le ocurre a las colonias. Este proceso especial de cambio de estado se llama EVAPORACIÓN y sucede sólo en la superficie.

LICUEFACIÓN O CONDENSACIÓN

En este cambio de estado se produce el paso de un gas a estado líquido, por un proceso inverso a la ebullición. Este cambio sucede también a la misma temperatura.

En la naturaleza existe un proceso de condensación muy curioso que sucede cuando la temperatura de la superficie terrestre es muy baja, en el amanecer de los días fríos. En este caso, cuando la temperatura baja, entonces el vapor de agua del aire se condensa y se deposita sobre la superficie de las hojas de las plantas formando gotas de rocío. A la temperatura a la que esto ocurre se le denomina punto de rocío.

SOLIDIFICACIÓN

La solidificación es el proceso por el cual una sustancia que está en estado líquido se transforma en una sustancia sólida al disminuir la temperatura. La temperatura a la cual sucede el proceso es la misma que el proceso inverso o fusión.

SUBLIMACIÓN

En algunas ocasiones muy especiales, un material sólido puede transformarse directamente en gas o, al contrario, un gas puede solidificarse sin pasar por el estado líquido. A estos procesos tan especiales e inversos entre sí se les denomina con el nombre de Sublimación.

LA TEMPERATURA DURANTE LOS CAMBIOS DE ESTADO

Cuando aplicamos calor a un material sólido, lo que sucede al cabo de un tiempo es que se produzca un cambio de estado y éste pase a estado líquido. Así mismo, si continuamos aplicando calor a este material líquido sucederá un nuevo cambio de estado y éste pasará a estado gaseoso.

Es evidente que para que se produzcan los cambios de estado es necesario aplicar calor a los materiales. Sin embargo, duranto todo el tiempo en que estamos aplicando calor a un cuerpo, no se produce un aumento de la temperatura. Así, mientras el cuerpo es sólido, al aplicarle calor, su temperatura sube paulatinamente con el tiempo de aplicación del calor. Sin embargo, cuando se alcanza el punto de fusión y comienza el cambio de estado, la temperatura no aumenta, sino que permanece constante en el punto de fusión mientras se está realizando el cambio de estado. Una vez transformado en líquido, al seguir aplicando calor sobre él, se produce un aumento de la temperatura a lo largo del tiempo. Pero, cuando se alcanza el punto de ebullición del líquido y comienza el cambio de estado, no se produce tampoco un aumento de la temperatura, la cual permanece constante en el valor del punto de ebullición durante todo el proceso del cambio de estado. Cuando se forma el gas, éste aumenta de temperatura y se expande al calentarlo.

De todo esto se deduce que el calor es necesario para los cambios de estado, pero que la temperatura sólo aumenta mientras el material permanece en el mismo estado físico y que permanece constante durante los cambios de estado.

Esto se explica porque mientras un material es sólido, el calor que se le aplica se emplea en aumentar su temperatura, llevándolo a alcanzar su punto de fusión o de ebullición, pero cuando se está produciendo el cambio de estado no aumenta la temperatura porque el calor que se le aplica se emplea, precisamente, en producir el cambio de estado.

Cada sustancia pura tiene su propio punto de fusión y de ebullición, caracterizándola. Así, el agua tiene como punto de fusión una temperatura de 0º C y tiene como punto de ebullición una temperatura de 100º C.

En el valor del punto de fusión y de ebullición de una sustancia se ve influido por la presión. Así, cuando aumenta la presión, es más difícil que las partículas se muevan (en estado líquido o gaseoso) y que ocupen mayor volumen ya que tienen que vencer la fuerza de la presión. Por eso, el aumento de la presión provoca que aumente el punto de fusión y de ebullición de una sustancia.

Por otra parte, la presencia de otros materiales en un líquido también provoca que varíe su punto de fusión y de ebullición. Por eso, las mezclas de sustancias no poseen temperaturas características de cambio de estado, ya que dichas temperaturas dependen de los materiales de la mezcla y también de la proporción en que éstos se encuentren.

En esta dirección web puedes apreciar la variación de temperatura durante los cambios de estado.

SUSTANCIA FUSIÓN (ºC) EBULLICIÓN (ºC)Oxígeno -219 -183Nitrógeno -210 -196Etanol (alcohol) -114 78Agua 0 100Sal común 801 1413Hierro 1540 2800Wolframio 3387 5527

http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/estados/cambios.htm

CAMBIOS EN LA MASA, EL VOLUMEN Y LA DENSIDADDURANTE LOS CAMBIOS DE ESTADO

Durante los cambios de estado, la masa de un cierta cantidad de materia no varía, puesto que no le ha añadido ni quitado materia a la cantidad inicial. Es decir, que tan sólo ha ocurrido un cambio en la disposición de las partículas que componen dicha materia, pero el número de partículas que la componen sigue siendo la misma.

Sin embargo, el espacio que ocupan las partículas de la materia varía al aumentar o al disminuir la temperatura. Por eso, en los cambios de estado si se produce una variación del volumen. En el estado sólido, las partículas están más próximas entre sí que en el estado líquido, por lo que habrá menos espacio entre ella. Esto provoca que el volumen ocupado por una materia en estado sólido sea menor que el volumen ocupado por esa misma cantidad de materia en estado líquido. Del mismo modo, una materia en estado gaseoso presenta sus partículas muy separadas, alejadas unas de otras y dejando grandes espacios entre ellas. Por eso, el volumen que ocupan una materia en estado gaseoso es mucho mayor que el ocupado por esa materia en estado líquido.

Ya que la densidad es el cociente entre la masa y el volumen, cuando una cierta cantidad de materia en estado sólido aumenta su temperatura hasta que pasa a estado líquido y luego a estado gaseoso, también experimentará un cambio en la densidad.

La masa o cantidad de materia es la misma en los tres estados por los que pasa la materia pero el volumen aumenta al pasar de estado sólido a líquido y de éste a estado gaseoso. Por lo tanto, la densidad de la materia en estado sólido será mayor que la densidad en estado líquido y, por último, en estado gaseoso la materia presentará una menor densidad.

El Caso Especial del Agua

Aunque, como ya hemos visto, la densidad es menor en estado sólido que en estado líquido para cualquier sustancia, hay que reseñar que esto no es así para el caso del agua. De tal manera que el volumen ocupado por una cierta cantidad de agua en estado sólido (hielo) es mayor que el ocupado por la misma cantidad de agua líquida.

Este hecho se explica porque las partículas de agua sólida se mantienen próximas entre sí, pero no llegan a juntarse como en cualquier otro sólido, sino que éstas ocupan unas posiciones fijas formando una red tridimensional en la que aparecen grandes huecos entre las partículas. De este modo, las partículas de agua ocupan un gran volumen en estado sólido.

Sin embargo, en estado líquido, las partículas de agua están más próximas entre sí que las de otros líquidos porque las moléculas de agua se encuentran unidad unas a otras mediante enlaces débiles, que las acercan. De este modo, las partículas de agua ocupan un menor volumen que en estado sólido.

Este hecho de que el hielo sea menos denso que el agua líquida es de vital importancia para los ecosistemas acuáticos de las zonas polares. En estas zonas, al llegar el invierno, la capa superficial de agua de los lagos se congela y se forma así una delgada capa de hielo, que permanece en la superficie, flotando sobre el agua líquida, al ser menos denso. Por eso, el agua líquida del interior del lago no se congela y se permite así que sigan viviendo sin problemas los seres vivos acuáticos en el seno de la masa de agua. Si, como ocurre en las otras materias, el hielo fuese más denso que el agua líquida, entonces el hielo se depositaría en el fondo y, poco a poco, desde abajo hacia arriba se iría congelando toda la masa de agua del lago y los seres vivos que habitan en él morirían por congelación.

El hielo es más denso que el agua líquida por lo que las masas de hielo flotan sobre el agua.La imagen muestra fragmentos de hielo (icebergs) flotando en el mar.

En un lago, cuando se hiela, se forma una capa superficial helada bajo la cual aún permanece el agua líquida. Esto permite la supervivencia de los seres vivos acuáticos durante el invierno

LOS CAMBIOS DE ESTADO DESDE LA TEORÍA CINÉTICA

Los cambios de estado pueden ser explicados fácilmente desde la teoría cinética. El proceso de fusión (cambio de sólido a líquido) se produce porque al aumentar la

temperatura, las partículas del sólido adquieren más energía, se separan entre sí y pueden moverse con mayor facilidad y libertad, deslizándose unas sobre otras con lo que pueden fluir. Pierden entonces sus posiciones iniciales y ya no tienen forma, adquiriendo la forma del recipiente que lo contiene. Es decir, que adquiere las características propias del estado líquido.

El proceso de solidificación (cambio de líquido a sólido) se produce por un proceso inverso. En este caso, la energía de las partículas del líqudio es cedida al ambiente, más frío y con ello disminuye su energía. Al tener menos energía, las partículas pierden movimiento y se posicionan en una localización fija, uniéndose unas a otras, adquiriendo la forma más estable a su estado energético. De este modo se forma un material sólido a partir de un líquido.

La vaporización (cambio de líquido a gas) se produce porque al incrementarse la temperatura del líquido, las partículas adquieren más energía y por eso pueden moverse con mayor facilidad y velocidad, alcanzando mayores distancias. Llega un momento en que las partículas están tan separadas entre sí que ya no guardan relación alguna y escapan de la masa del líquido pasando al estado gaseoso. Cuando todas las partículas del líquido inicial tienen la suficiente energía como para moverse por separado, entonces se dice que se ha transformado en un gas, cuyas partículas se expanden y ocupan todo el volumen del recipiente que las contiene, pudiendo fácilmente comprimirse y expandirse.

El proceso de condensación (cambio de gas a líquido) sucede de manera contraria, ya que al bajar la temperatura, las partículas del gas pierden energía y, por tanto, capacidad de movimiento. Poco a poco se mueven menos hasta que se encuentran bastante unidas entre sí, perdiendo las características propias del estado gaseoso y formando un líquido con partículas en movimiento pero que interaccionan entre ellas.

LOS CAMBIOS DE ESTADO SEGÚN LA TEORÍA CINÉTICA