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1 ¿Por qué en el aire el oxígeno es un gas y el agua es un vapor?

Grado 10 Tema

Ciencias naturalesUnidad 2¿De qué está hecho todo lo que nos rodea?

¿Por qué en el aire el oxígeno es un gas y el agua es un vapor?

Diferentes estados de la materia

Sólido, líquido, plasma y gaseoso, son los estados en los que se puede encontrar la materia en nuestro planeta. Dichas fases se presentan en estado natural debido a las condiciones básicas de temperatura y presión. Estas condiciones van cambiando un poco dependiendo del sitio de la tierra donde nos encontremos y las propiedades de cada una de las moléculas que allí se encuentren. Por ello, las moléculas responderán a estas circunstancias y mostrarán entonces los diferentes estados de la materia.

Sin embargo podemos manipular dichas condiciones casi a nuestro antojo, para tomar la mayor ventaja posible de lo que tenemos en el medio, un ejemplo de esto es el hielo seco o CO2 sólido, me imagino que alguna vez has tenido contacto con él.

Así mismo, en nuestro planeta las condiciones de temperatura y presión no siempre son constantes, por lo que podemos percibir en ellas pequeños o grandes cambios. Sin embargo, es posible encontrar lugares más allá de nuestro planeta, en los que las condiciones de temperatura y presión son totalmente distintas, por ejemplo, Venus posee una temperatura promedio de 462, 85°C y una presión de 92 atm. En este sentido, antes de visitar cualquier lugar es necesario conocer sus condiciones ambientales, para así poder saber en qué condiciones encontraremos algunos compuestos, sustancias o recursos.

Figura 1: Estados de la materia

2 ¿Por qué en el aire el oxígeno es un gas y el agua es un vapor?

Figura 2: hielo seco

Tarea problema:

Es hora de predecir: si nos hablan de un planeta que no tiene agua en estado líquido ni sólido, pero sí se encuentran moléculas de agua en el aire...

1. ¿Cuál sería tu hipótesis sobre las condiciones de presión y temperatura de este planeta?

2. ¿Qué es lo que no permite que la molécula de agua alcance un estado diferente al gaseoso?

Me imagino que alguna vez has tenido contacto con él.

3 ¿Por qué en el aire el oxígeno es un gas y el agua es un vapor?

3. Escribe un texto donde expliques con tus propias palabras, los procesos de cambio de estado y su relación con la temperatura y presión.

4 ¿Por qué en el aire el oxígeno es un gas y el agua es un vapor?

4. ¿Cómo las variables de temperatura y presión influyen en la organización de las moléculas para que se produzca un cambio de estado?

A partir de lo que sabes y has visto hasta el momento, determina cuáles son los posibles objetivos que crees que alcanzarás durante la clase.

Con tus conocimientos y sin ayudas de dispositivos electrónicos o información adicional, con tu grupo responde las siguientes preguntas, recuerda que el error es parte importante del proceso de aprendizaje, así que no temas responder de la manera que creas más adecuada.

Objetivo propuesto para la clase:

» Explicar diagramas de fase para un compuesto puro

Actividad 1: Los cambios de estado de Yuki

5 ¿Por qué en el aire el oxígeno es un gas y el agua es un vapor?

Antes de realizar las actividades que verás a continuación, responde:

1. ¿Cómo crees que están organizados los líquidos, los sólidos y los gases a nivel macroscópico y submicroscópico? Describe por medio de dibujos o esquemas.

2. ¿Qué es lo que cambia en las moléculas para estar en estos diferentes estados de la materia? Explica.

3. ¿Qué condiciones externas pueden influir en estos cambios y como lo hacen? Explica

6 ¿Por qué en el aire el oxígeno es un gas y el agua es un vapor?

Lee la siguiente situación Historia:

La agitada vida de Yuki:

Sinopsis: YUKI, UNA MOLÉCULA DE AGUA NARRA SUS AVENTURAS DE CÓMO GANA Y PIERDE ENERGÍA, Y ASÍ, CAMBIA SU ESTADO.

YUKI: Querido diario: Hoy fue un día de locos, como siempre… (Suspira) Me siento tan cansada…Tanto ir y venir, sin poder hacer amistades duraderas… A veces me pregunto si estoy exagerando o si en verdad tengo razón.

YUKI: No puedo negar que hay momentos de felicidad extrema, cuando floto de un lado a otro con total libertad. A lo lejos veo a algunos conocidos, pero no me acerco, pues tengo suficiente energía para volar y ¿quien querría atarse teniendo tanta energía y libertad?

YUKI: La caída no es cualquier cosa… casi siempre impactamos de frente contra una reunión de otras moléculas que están juntitas y abrazadas fuertemente. Después mis amigas y yo nos dispersamos y nos encontramos con otras moléculas.

YUKI: Pero algo sucede cuando estamos juntas y es que pesamos más, así que nos precipitamos. Querido diario: ¿te imaginas lo que es caer del cielo y sin paracaídas? Bajamos a gran velocidad mientras tratamos de mantenernos juntas.

YUKI: He conocido lugares inimaginables…

YUKI: ¡y nos adaptamos a todo!

YUKI: Tomamos las formas de cada nuevo hogar.

YUKI: Entre nosotras bailamos un poco tomadas de la mano, supongo que desde arriba debe ser un bonito espectáculo.

YUKI: Pero después empiezo a sentir que mi energía es arrebatada, mi entorno empieza a ponerse frio y entonces sí preferiría estar acompañada. En ese momento consigo muchas amigas y amigos, nos tomamos de la mano y bailamos intercambiando parejas.

Querido diario...

7 ¿Por qué en el aire el oxígeno es un gas y el agua es un vapor?

YUKI: Pero en ciertas épocas del año, en lugares lejanos, cambia la temperatura ¡Qué frío tan tenaz! Me quedo sin energía como todas mis amigas, por lo que nos acercamos lo más que podemos. Eso sí, la energía nos alcanza para quedar en la mejor forma posible, nos acomodamos lo mejor que podemos en un mínimo espacio (jeje) ¡Es una aglomeración! Y hasta lo compartimos con algunos compañeros diferentes.

YUKI: Así pasamos esos momentos de frío. Pero eso no dura mucho porque luego comenzamos a sentir calor, otra vez ganamos energías y nos alejamos unas de otras. ¡De nuevo nos ponemos a bailar!

YUKI: Lo que no me gusta es que a veces el aire se calienta tanto que algunas amigas que han quedado en la parte de arriba nos son arrebatadas. No las podemos sostener, pues la energía rompe nuestras uniones y salimos de nuevo a flotar, flotar libres. Claro, a veces, me toca a mí.

Como sabemos que las ideas cambian un poco, de acuerdo a lo que aprendiste :

YUKI: Así que me la paso en ese sube y baja todo el tiempo y expuesta de vez en cuando a caer en manos de seres que me usan para infinidad de cosas, me quitan y dan energía todo el tiempo ¡estoy ya mareada de tanta cosa!(Azarada) Quisiera seguir escribiendo querido diario pero… pero… ayyyy ¡Ahí voy de nuevo! ¡Adiooooos!

Después de leer la historia de Yuki:

1. ¿Cómo crees que esta organizados los líquidos, los sólidos y los gases a nivel macroscópico y submicroscópico? Describe por medio de diagramas.

8 ¿Por qué en el aire el oxígeno es un gas y el agua es un vapor?

2. ¿Qué es lo que cambia en las moléculas para estar en estos diferentes estados? Explica.

3. ¿Qué condiciones externas pueden influir en estos cambios y como lo hacen? Explica.

Experimenta los cambios de estado en diferentes sustancias:

Para esta actividad, en tu grupo de trabajo busca ejemplos de experimentos o representaciones (también pueden ser ejemplos escritos), que evidencien diferentes cambios de estado que ocurren en sus vidas diarias. La idea, es que tengamos experiencias tangibles de lo que acabamos de observar.

Para la presentación, cada grupo toma la vocería de la clase, con el fin de mostrar la experiencia (experimento, representación o ejemplo) que escogieron a sus compañeros. Cuando otro compañero este exponiendo su experiencia, intenta decir que cambio de estado, están representado a través de dicho fenómeno. Los expositores al final, explicarán cual es el cambio de estado que escogieron representar y traer a la clase. Al culminar todas las exposiciones y demostraciones, deberán escribir las diferentes experiencias, haciendo énfasis al tipo de estado que representan.

9 ¿Por qué en el aire el oxígeno es un gas y el agua es un vapor?

Recupera algunas experiencias vistas:

10 ¿Por qué en el aire el oxígeno es un gas y el agua es un vapor?

Lee la siguiente historia:

Diagramas de fases: Un diagrama de fases muestra los estados físicos de una sustancia, en una determinada presión y temperatura. Por ejemplo, el diagrama de fase del agua muestra las fronteras de transición entre los estados sólido (hielo), líquido (agua líquida) y gaseoso (vapor de agua), en función de la temperatura y la presión.Las curvas que separan las fases son denominadas límites de fase.

A 100°C y 1,0 atmósfera, tenemos un equilibrio entre agua líquida y agua en vapor. Este punto es denominado temperatura de ebullición normal. Manteniendo la presión constante y disminuyendo la temperatura a cero grados centígrados nos encontramos otro límite de fase, donde tenemos un equilibrio entre agua en estado sólido y agua líquida. Este punto es denominado punto de congelación o fusión normal.

Sin embargo, en determinados momentos las tres curvas se encuentran y entonces tenemos el agua en equilibrio en los tres estados físicos simultáneamente. Ese punto es denominado punto triple. Allí, el agua se encuentra parcialmente sólida, parcialmente líquida y parcialmente gaseosa.

Una muestra de agua a un atm y menos cincuenta grados centígrados está en estado sólido. Si la temperatura aumenta a cero grados centígrados, esta muestra sufre fusión. En este punto tenemos un equilibrio entre los estados sólido y líquido. Pero, si la temperatura aumenta a 100 °C el agua hierve. En este punto tenemos un equilibrio entre los estados líquido y vapor. Si seguimos aumentando su temperatura el agua se vaporiza completamente.

Actividad 2: Los diagramas de fases

Diagrama de fases

Punto triple

0 ºC

11 ¿Por qué en el aire el oxígeno es un gas y el agua es un vapor?

Para valores de presión o temperatura más bajas que el punto triple, el agua no puede existir en estado líquido y solo puede pasar desde sólido a gaseoso en un proceso conocido como sublimación, es decir: un paso directo de un estado sólido a vapor, sin pasar por estado líquido. A 250 grados centígrados y 1 atm (a te eme) el agua está en estado de vapor.

Si aumentamos la presión a 3, 5 atm (tres coma cinco a te eme) llegamos a una situación donde ocurre un equilibrio entre vapor y líquido. En presiones superiores a ésta el agua estará solamente en estado líquido.

Y una muestra de agua sólida a – 20 ° C (menos veinte grados centígrados) al aumentar la presión atmosférica presentará fusión y también cambiará a estado líquido.

Sublimación

Temperatura crítica

12 ¿Por qué en el aire el oxígeno es un gas y el agua es un vapor?

La temperatura crítica, una temperatura a la cual o por encima de la cual el agua solamente es encontrada en estado gaseoso, no puede cambiar a líquido aunque se aumente la presión. La presión correspondiente a esta temperatura es denominada presión crítica. El punto de intersección entre ambas corresponde al punto crítico, donde la curva desaparece y encontramos agua solamente en estado gaseoso.

En la Tierra a nivel del mar estamos habituados a ver que el agua se congela a 0ºC y que se evapora a 100ºC. Esto se puede apreciar en la línea roja, que indica la presión de una atmósfera.

Gráfica 1: Diagrama de fase del H2O

Grafica 2: Diagrama de fase del CO2.Punto de sublimación: 1 atm, -78°C.

Grafica 3: Diagrama de fase del O2.Punto de fusión: 1 atm, -218°C. Punto de ebullición: 1 atm, -183°C. Punto crítico: 50 atm.1, -118°C

13 ¿Por qué en el aire el oxígeno es un gas y el agua es un vapor?

• En condiciones de 10 atm y una temperatura de -50°C, en qué estado podemos encontrar al dióxido de carbono.

• A una presión de 50 atm y una temperatura de 0°C en qué estado podemos encontrar al oxígeno molecular.

¿Se puede hervir un huevo en la cima de una montaña?

Lee la siguiente historieta:

Tres escaladores deciden subir hasta el pico de una gran montaña con una altura de 4273 metros y una presión atmosférica aproximada de 0.6 atm.15 pulgadas, por lo que el viaje es muy dificultoso y les exige mucho esfuerzo.

Juan decide cocinar los alimentos en una olla grande llena de agua. Durante su estancia en el fuego, percibe que el agua hirvió muy rápido.

Después de 10 minutos, sacó las papas y los huevos del agua hervida y los sirvió a sus compañeros.

Y entonces…

¿Qué pasó?

0.6 atm.15

14 ¿Por qué en el aire el oxígeno es un gas y el agua es un vapor?

Después de leer la historieta, trata de sacar los eventos críticos o las situaciones más importan-tes, así como datos que te permitan interpretar el problema.

1. ¿Por qué crees que no se cocinaron los alimentos?

2. ¿La presión influye en los puntos ebullición y fusión?

3. ¿Los diagramas de fases nos permiten interpretar el problema de los escaladores?

15 ¿Por qué en el aire el oxígeno es un gas y el agua es un vapor?

Para resolver esta pregunta, analiza el diagrama de fases y nuevamente la situación problema.

Intenta correlacionar las condiciones del problema con los datos que muestra el diagrama.

Después, redacta un texto en el cual expliques por qué los alimentos no se cocinaron. Apóyate en el diagrama de fases del agua.

16 ¿Por qué en el aire el oxígeno es un gas y el agua es un vapor?

Lee la siguiente historia:

Yuki enamorada

YUKI: Querido diario: (con voz de enamorada) acabo de llegar del cielo… sí, literalmente. Entre tantas idas y vueltas, siempre voy al cielo y sí que me siento bien allí, porque allí y sólo allí… está él, (suspira) tan perfecto y maravilloso como siempre…

YUKI: Su nombre es Sanso, aunque algunos lo llaman Oxígeno. Yo sé que somos moléculas diferentes y que yo paso la mayor parte del tiempo abajo, en forma de líquido, pero la verdad es que amo cuando soy vapor y lo puedo ver.

YUKI: (Imitando a Sando) Yuki, yo soy un gas y tú eres un vapor, somos diferentes aunque ambos estemos en las mismas condiciones. Yo no necesito del calor, como tú, para llegar aquí. Tampoco necesito energía extra… en cambio, tú, sin energía siempre estarás abajo.

YUKI: ¡Ay, qué dolor! Nuestro amor es imposible… yo siempre de un lado a otro cambiando mientras que él ahí arriba siempre constante.

YUKI: (Imitando a Sando) Yuki, tendría que hacer mucho frío para que yo bajara… Por eso no podemos estar juntos.

YUKI: Querido diario… necesito ayuda… necesito saber si todo eso es sólo una excusa porque no me quiere, o si es verdad y debo conformarme sólo con mirarlo, como siempre, desde la distancia.

Oh, cómo me gustaría poder llorar, o por lo menos, convertirme en lágrima…

YUKI: siempre libre, flotando por allí, moviéndose de un lado a otro. ¡Lo amo! (suspiro) Cuanto diera por ser como él y quedarme en el cielo para siempre…

YUKI: siempre libre, flotando por allí, moviéndose de un lado a otro. ¡Lo amo! (suspiro) Cuanto diera por ser como él y quedarme en el cielo para siempre…

YUKI: Querido diario ¿qué voy a hacer? ¿Por qué no puedo quedarme con él para siempre? ¿Cuál es la diferencia entre nosotros? Ah… no me vayas a decir lo mismo que él, porque esas palabras duelen:

Actividad 3: ¿Gas o vapor?

Gas

Vapor

Querido diario...

17 ¿Por qué en el aire el oxígeno es un gas y el agua es un vapor?

En tu grupo de trabajo determina cuáles son las características del agua y el oxígeno molecular, para ello, ten en cuenta los puntos de fusión y ebullición en relación con la temperatura y presión. Intenta organizar tu información en una tabla.

Una vez determinadas las características de estos compuestos, redacta un texto donde describas las diferencias entre un gas y un vapor.

18 ¿Por qué en el aire el oxígeno es un gas y el agua es un vapor?

Para terminar, ya conociendo las condiciones y características del agua y el oxígeno, intenten imaginar en qué condiciones ambientales se pueden mantener en estado gaseoso las dos sustancias, haciendo que puedan enamorarse, escríbelos en el espacio asignado.

Lee individualmente y prestando mucha atención el siguiente texto, donde te explicarán un proceso que en la actualidad las industrias utilizan.

Los fluidos supercríticos

Uno de los propósitos de las industrias es mejorar sus procesos de producción, actualmente a este hecho se le ha agregado un nuevo interés, el de proteger y cuidar el ambiente. Por eso se espera que los procesos llevados a cabo en las industrias se modifiquen.

Actividad 4: Utilidad de los fluidos súper críticos

19 ¿Por qué en el aire el oxígeno es un gas y el agua es un vapor?

• Glosario:

Después de leer individualmente, organízate en tu grupo de trabajo y realicen de ser necesario, una segunda lectura. Esto es con el fin de determinar cuáles son las palabras o vocabulario que aún no tenemos claro y no nos permiten entender a profundidad el texto.

Como alternativa más eficiente y ecológica a los procesos de extracción de sustancias, encontramos de gran utilidad y versatilidad a los Fluidos Supercríticos. Estos, son aquellas sustancias que al ser sometidas, de forma controlada, a una temperatura y presión por encima de su punto crítico, generan una sustancia que se comporta como un gas y un líquido, es decir que sufren una modificación de su densidad. Dicho comportamiento le confiere su principal característica: un elevado poder disolvente. Por otra parte, los fluidos supercríticos presentan poca viscosidad y alta difusión, lo que facilita su penetración y dispersión.

Todo esto genera su gran versatilidad y utilidad en los procesos de extracción de sustancias, pues reduce tiempo, hace más seguro el proceso, ecológico y saludable, tanto para el ser humano como para el ambiente.

Por ejemplo, la extracción de una sustancia como el aceite de canela. Normalmente en el laboratorio se realiza a través de la técnica del arrastre de vapor, la cual es dispendiosa y tarda mucho tiempo en realizarse. Pero al utilizar un fluido supercrítico, que tiene un alto valor de disolvente, este atrapa la sustancia que queremos extraer. Y luego para conseguir el extracto deseado se modifica la temperatura y presión del fluido supercrítico, lo que reduce el poder disolvente y hace que se precipite el extracto, separándose del fluido supercrítico.

Actualmente estos fluidos se están utilizando ampliamente en los procesos de extracción como por ejemplo, el CO2 supercrítico se usa a escala comercial para la obtención de lúpulo en la elaboración de cerveza, la extracción de aromas, aceites o esencias, sabores de especias, hierbas aromáticas, café y té sin cafeína.

20 ¿Por qué en el aire el oxígeno es un gas y el agua es un vapor?

1. ¿Qué son los fluidos supercríticos y cuáles son las ventajas de su uso frente al arrastre de vapor?

2. ¿Cómo crees que el uso de esto fluidos supercríticos puede ayudar a minimizar el impacto ambiental?

Después de tener todas las palabras claras, si es necesario realiza una consulta adicional usando medios informáticos, puedes buscar textos o páginas que te den los conceptos. También, puedes buscar videos que te ayuden a aclarar las ideas, con respecto a los fluidos supercríticos y otros métodos de extracción como el arrastre por vapor. Finalmente, responde los siguientes interrogantes:

21 ¿Por qué en el aire el oxígeno es un gas y el agua es un vapor?

Realiza una red conceptual que permita conocer la relación entre los diferentes temas vistos en esta unidad.

Apóyate en la información que se encuentra consignada en el material del estudiante.

Elabora un texto en el cual expliques el funcionamiento de las ollas a presión y cómo estas permiten que los alimentos se cocinen más fácilmente.

Pssss !

Figura 3: Olla a presión

22 ¿Por qué en el aire el oxígeno es un gas y el agua es un vapor?

Chang, R., Goldsby, K. (2013). Química. (10 Ed.). China: Mc Graw Hill/Inter Americana.

Raventós Mercè, Santamaria. (2010). Industria alimentaria. Tecnologías emergentes. Univ. Politèc. de Catalunya. Pág. 131-134

Figura 1: Estados de la materia.Figura 2: Hielo seco. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/36/Dry_Ice_Pellets_ Subliming.jpgFigura 3: Olla a presión.

Grafica 1: Diagrama de fase del H2O.Grafica 2: Diagrama de fase del CO2.Grafica 3: Diagrama de fase del O2.

Lista de referencias

Lista de figuras

Lista de gráficas