Un cambio físico no implica cambio en la composición de una sustancia sino solamente en su estado de agregación o en su forma. Existe una buena cantidad de ejemplos en los que se involucra solamente el cambio en el estado físico debido a la interacción materia-energía, algunos de los fenómenos que se incluyen en las preguntas anteriores, son ejemplos de cambios físicos, veamos por qué:
El chocolate se derrite en la mano, ya que el calor transmitido por ella es suficiente para superar la temperatura de fusión de muchos de sus componentes sólidos pasando al estado líquido, es decir, existe un cambio en el estado de agregación molecular, pero el chocolate sigue siendo chocolate.
El refrigerador tiene un motor (compresor), el cual convierte la energía eléctrica en energía mecánica para comprimir al freón (gas) y que éste pase al estado líquido, posteriormente se expande y regresa al estado gaseoso; este ciclo de gas a líquido y líquido a gas, se repite constantemente. Cuando se produce la expansión, el freón absorbe la energía calorífica de los alimentos e incluso del aire que se encuentra en el interior del refrigerador, registrándose un descenso en la temperatura. En este ejemplo se observan dos cambios físicos: un cambio de estado de agregación -cuando el freón pasa de líquido a gas- y un cambio de temperatura -la transferencia de calor de los alimentos al freón-, pero ni la naturaleza del freón ni la de los alimentos cambió.
Si se aplica calor al hielo, éste se funde cambiando al estado líquido. Esto es lo que ocurre cuando la temperatura ambiente es igual o superior a su temperatura de fusión. Algo similar sucede cuando aplicamos energía en forma de calor al agua, al llegar alrededor de los 100ºC se alcanza su temperatura de ebullición (hierve) pasando del estado líquido al gaseoso.
Al destapar un frasco de perfume, las sustancias aromáticas que contiene se esparcen pasando del estado líquido al gaseoso (evaporación); esto se debe a que absorben energía térmica del ambiente.
En los ejemplos citados se hizo alusión a cambios en la materia y, en todos los casos, alguna forma de energía fue la causante de los mismos.
Todos los cambios de estado son ejemplos de cambios físicos, ya que en ellos la materia pasa de un estado de agregación a otro debido a una transferencia de energía, sin alterar su composición. En un mismo estado de agregación, también puede haber cambios físicos, por ejemplo, el grafito y el diamante, son formas distintas de la misma sustancia sólida (Carbono, C) y que sólo difieren en la distribución y acomodo de sus partículas, por lo que se les llama formas alotrópicas. En este caso, el grafito podría convertirse en diamante si se somete a presiones muy grandes, para lo cual, se requeriría tal cantidad de energía que resulta más barato extraerlo de las minas, que tratar de producirlo de esta forma.
Cuando preparas una mezcla, como por ejemplo, una limonada o pasta para pastel, estás realizando un cambio físico, ya que la estructura de las sustancias que combinas no cambia aunque las propiedades de la mezcla son diferentes a las que tenían cada una de las sustancias originalmente.
ACTIVIDAD DE REGULACIÓN
Describe con tus palabras en qué consiste un cambio físico.
En este apartado podrás poner en práctica los conocimientos que has aprendido a lo largo del fascículo, por lo que deberás realizar todo lo que se te pide en cada caso.
I. Lee con atención las preguntas y contesta en los renglones la respuesta correcta.
a) ¿Qué es materia?.
b) Menciona y describe cuáles son los estados de agregación de la materia .
c) ¿Qué es la fusión?.
d) ¿Qué es ebullición?.
e) ¿Qué es la densidad?.
Menciona qué es la cuantificación y su importancia dentro de la Química.
f) ¿Qué es una Mol?.
g) ¿Cuál es el número de Avogadro?.
i) Calcula el Peso Molecular (PM) de los siguientes compuestos:
Hidróxido de Sodio (Na OH) _________________________ Bióxido de Carbono (CO2) _________________________ Agua (H2O) _________________________
j) Menciona cuáles son los pasos que se deben seguir en el método científico aplicado a la química.
2. Anota en los renglones la respuesta correcta:
a) 3.5 litros equivalen a ______________________ cm3 b) 260 º C equivalen a ______________________ °K c) 100 °K equivalen a ______________________ º C d) 480 cm3 es igual a ______________________ mL e) 270 g equivalen a ______________________ Kg f) 28 Kg son igual a ______________________ g g) 300 cm3 equivalen a ______________________ L
3. En este apartado te presentamos el planteamiento de un problema en laboratorio, por tal motivo deberás poner mucha atención en lo que se te pide.
Planteamiento del Problema
En un laboratorio de química se llevó a cabo un experimento en el cual se deseaba conocer la variación de temperatura de una mezcla de hidróxido de sodio (NaOH) y agua (H2O), o mejor conocida como sosa, para tal efecto se emplearon las siguientes cantidades:
.5 gr
1 gr
2 gr
4 gr
100 ml
Sosa (NaOH)
Agua H 0Temperatura inicial de 18°C 2
Figura 17
Una vez que se realizaron las mezclas correspondientes se obtuvieron los siguientes resultados:
Sosa (NaOH) .5 gr 1.0 gr 2.0 gr 4.0 gr
Temperatura 19 ºC 19 ºC 20 ºC 22 ºC
Para complementar este experimento debes realizar lo siguiente:
a) Observa con cuidado la tabla y la gráfica en donde se presentan los resultados y contesta la siguiente pregunta, ¿existe un desprendimiento de energía al realizar la mezcla?
Sí ______________ No. ___________________
b) Si la respuesta a la pregunta anterior es afirmativa ¿qué relación existe entre la cantidad de materia y el desprendimiento de energía?.
c) Por lo tanto, en este experimento, ¿cómo se puede cuantificar la energía?.
d) Dentro del experimento, ¿cuál es la variable independiente, (VI) variable dependiente (VD) y constante (K)?, menciónalas.
VI _________________ VD ____________________ K __________________
e) Anota, en el siguiente cuadro, cuál es el número de moles y de moléculas conforme a las cantidades empleadas en el experimento, recuerda que el cálculo de la masa molecular de la sosa ya la realizaste.
SOSA (gr)
Número de Moles
Átomos
0.5 gr
1.0 gr
2.0 gr
4.0 gr
f) A partir de los datos anteriores, qué puedes concluir en cuanto a la transformación de la energía, su medición como tal, y la relación que existe entre masa y energía.
En la ley de Avogadro existen cuatro variables que describen completamente cualquier cantidad de gas: n, V, T y P. Estas variables no son independientes una de otras; en realidad si tres de ellas están fijas, la otra también lo está.
El volumen de un gas es directamente proporcional al número de moles presentes (n) y a la temperatura absoluta (T), es inversamente proporcional a la presión (P). La combinación de las leyes de Boyle, Charles, Gay-Lussac y Avogadro en un solo enunciado recibe el nombre de Ley del gas ideal, la cual se expresa matemáticamente de la siguiente manera:
nTVD P
Si esta proporcionalidad se plantea con una igualdad, se escribirá:
RnT
V
P
donde R es una constante de proporcionalidad. Esta igualdad se escribe generalmente así:
PV = nRT
se conoce como la Ley del gas ideal6.
6 También se conoce como ecuación de estado para un gas ideal. Una ecuación de estado es la que relaciona variables que pueden definir el estado de un sistema, es decir, la condición exacta del sistema.
Para saber el valor de la constante R, es necesario conocer cuatro variables de una determinada muestra de gas. Así, pues, para un mol de gas a presión y temperatura estándar tenemos que:
n (número de moles) = 1 mol V (Volumen) = 22.4 L T (Temperatura) = 273 K P (Presión) = 1 atm.
Sustituyendo en la ecuación general de los gases, tenemos que:
VP 22.4 L 1 atm atm L
R= = = 0.082
Tn 273 K 1 mol mol K
En este caso es importante hacer notar que el valor de R es posible calcular para diferentes unidades. Como por ejemplo si la presión se mide en kPa.
Otra variable de la ley general de los gases es el siguiente ejemplo:
Un volumen de 1.64 L de un gas medido a una temperatura de 27 ºC y a una presión de 890 mmHg pesa 2.273 g. Calcula la masa molar del gas.
En este sentido, lo primero que debemos hacer es ordenar los datos e identificar la incógnita:
Datos Fórmula
V = 1.64 L PV = nRT
T= 27 ºC P= 890 mm Hg m = 2.273 g PM = ?
atm L R = 0.082
mol K
Si sustituimos los valores conforme a la fórmula general observarás que existen dos variables o literales que no corresponden con ésta.
Como recordarás, en el fascículo anterior se mencionó que:
masa en gramos m m
Número de moles (n) = o n =
Peso Molecular PM PM
A partir de esta igualdad podemos sustituir el valor de “n” en la fórmula General de los gases de la siguiente manera:
m
PV= RT
PM Una vez que contamos con las variables correctas en la fórmula, tendremos que llevar a cabo el siguiente despeje para encontrar el valor del peso molecular (PM):
PM PV = mRT Por lo tanto:
mRT
PM =
PV
Por último sustituimos los valores y obtenemos como resultado: § atm L ·
Calcula la presión de un cilindro de gas que contiene 40 L de gas a 45 ºC y tiene una presión de 650 mm Hg. Si la temperatura cambia a 100 ºC.
No olvides que en algunos casos deberás hacer despejes de la fórmula general y conversiones de las unidades.
ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 1
Experimento I
Tema: Leyes de los gases.
Objetivo: el estudiante demostrará en el laboratorio la Ley de Boyle-Mariotte.
Para llevar a cabo este experimento debes tener claros conceptos antecedentes como; lo que son los gases, principales leyes que los rigen, propiedades que los caracterizan, la definición de presión, instrumentos que se utilizan para medir la presión de los gases, a qué escala de temperatura debe trabajarse con gases, la relación entre presión y temperatura en la ley de Gay-Lussac. Así como la variación de la temperatura y volumen de un gas con presión constante, según la ley de Charles.
Experimentación (Ley de Boyle-Mariotte).
Objetivo del experimento: el estudiante demostrará la relación entre el volumen de una cantidad constante de gas y la presión, manteniendo constante la temperatura.
Material:
Un tubo en forma de U cerrado por un extremo.
Una regla graduada de 50 cm.
Sustancia, mercurio o agua.
Procedimiento, esquema o diagrama.
A. Aire encerrado.
B. Mercurio.
C. Regla graduada.
Figura 9. Representación gráfica del aparato diseñado por Boyle-Mariotte para comprobar el efecto que tiene la presión sobre el volumen de una masa.
Coloca el mercurio tal como se indica en la figura7.
Realiza tus mediciones y, al mismo tiempo, aumenta el volumen de mercurio y registra los datos de tal forma que llenes el cuadro del punto 3.5.
Hipótesis.
Guía de observación y registros de datos. Con los datos obtenidos realiza la gráfica.
Análisis y discusión de resultados (cuestionamiento o reflexión).
a) ¿Qué sucede con el volumen de un gas que se encuentra a temperatura constante, si
7 Debes tener cuidado al manejar el mercurio, puede provocar transtornos en tu organismo ya que es altamente tóxico.
c) ¿Qué ocurrirá con el volumen de un gas al momento que disminuyas la presión, si la temperatura es constante?. ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________
d)¿A qué temperatura trabajaste en el laboratorio?. ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________
e) ¿Qué sucedió con los niveles de las ramas del tubo cuando empezaste a agregar el mercurio?. ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________
Conclusión.
Bibliografía.
METCALFE, H. C. et al. : Química moderna. Interamericana, México, 1988.
Experimento II
Tema: Presión de vapor.
Objetivo: medir la presión de vapor de líquidos: agua y tetracloruro de carbono CCI4.
Para llevar a cabo este experimento debes conocer los siguientes conceptos previos: presión de vapor, factores que determinan el valor de la presión de vapor de un líquido, la manera en que varía el punto de congelación de un líquido cuando su presión de vapor es menor, lo que ocurre cuando la presión de vapor de un líquido aumenta su temperatura.
Experimentación: Medir la presión de vapor de los líquidos mencionados en el punto 1.
Objetivo del experimento: comportamiento de los líquidos para medir su presión de vapor.
Materiales, sustancias y equipo:
Tubos capilares.
Mercurio.
Agua.
Tetracloruro de carbono.
Tres cristalizadores.
Un metro.
Procedimiento, esquema o diagrama de flujo: Coloca con cuidado el mercurio en cada cristalizador; procura hacerlo como se indica en la siguiente figura:
Medir X y Y para saber cuál es la presión de vapor del agua y del tetracloruro de carbono. Hipótesis: La presión de vapor de los líquidos no varía. Se mantiene igual.
Guía de observaciones y registro de datos: Determinar la presión de vapor del agua y del tetracloruro de carbono, y registrar los datos en la siguiente tabla:
Tabla 2
Núm. De lectura
Volumen de mL
Desnivel del Hg
Presión
Producto
(cm)
(cm Hg)
de Pxv = K
Análisis y discusión de resultados (cuestionamiento y reflexión). a) ¿Cuál de los dos líquidos es más volátil?. b) ¿Cómo varía la presión de vapor de un líquido con respecto de su volatilidad?. c) ¿Qué sustancia tiene mayor velocidad de evaporación a la misma temperatura?. d) ¿Qué pasaría con la presión de vapor de algunas de las sustancias que estás
utilizando si aumentas la temperatura de tu experimento?.
Conclusiones.
Bibliografía:
FLORES de Labardini, T., García, G. M., et al.; Química. Publicaciones Cultural, México,1990.
ACTIVIDAD EXPERIMENTAL No. 2
“LEYES DE LOS GASES” (OBLIGATORIA).
Objetivo
Establecer la relación de las variables que determinan el estado gaseoso de la materia, a partir de experimentos donde se manipulen la presión, la temperatura y el volumen del aire para deducir las leyes de los gases.
Cuestionario de conceptos antecedentes
1) ¿Cuáles son las propiedades que caracterizan a los gases?.
2) ¿De qué manera se define la presión?.
3) ¿En qué consisten la expansión y la compresión?.
4) ¿Con qué aparato se mide la presión?.
5) ¿Cuál es la diferencia entre gas y vapor?.
6) ¿Con qué unidad se mide la temperatura?.
Experimento I Objetivo
Establecer la relación entre la presión y el volumen de un gas.
Hipótesis
A partir de la siguiente pregunta elabora tu hipótesis.
¿Qué sucedería con el volumen de un gas que se encuentra a temperatura constante, si aumentamos su presión?.
¿Qué necesitas?
Materiales
Sustancias
☞ 1 Manómetro
☞ Agua (cantidad suficiente)
☞ 1 Perilla de hule
☞ 1 Pinzas de Mohr
Prevención y seguridad
La requerida en el laboratorio.
¿Cómo hacerlo?
Figura 11
Antes de iniciar tu experimento mide y anota la temperatura ambiente. Coloca agua en el manómetro, hasta que los niveles estén a la misma altura, en estas condiciones, la presión inicial es igual a la presión atmosférica.
Mide la altura del aire que se encuentra en el extremo cerrado del manómetro y el diámetro del tubo, para calcular el volumen inicial del aire. Coloca en el extremo abierto una perilla de hule; comprime un poco la perilla y manténla oprimida hasta hacer la lectura, midiendo la diferencia de alturas en los niveles del agua. Medir la altura del aire encerrado y calcular el volumen correspondiente.
Repite esta operación tres veces más, comprimiendo un poco más la perilla cada vez y calculando las presiones y volúmenes correspondientes para llenar el cuadro y construir la gráfica.
Registro de observaciones
Tabla 3
No
VOLUMEN
PRESIÓN
1
2
3
4
Elabora la gráfica correspondiente.
Experimento II
Objetivo
Observar el comportamiento de un gas a volumen constante.
Hipótesis
¿Qué tipo de relación existe entre la temperatura del gas y la presión que ejerce ésta sobre las paredes de la jeringa?.
¿Qué necesitas?
1 Soporte Universal ☞ 1 Jeringa
1 Anillo de hierro ☞ 1 Mechero Bunsen
1 Tela de alambre con asbesto ☞ 1 Termómetro
1 Vaso de precipitados ☞ 1 Tapón de hule
1 Marco de pesas ☞ 1 Pinzas para bureta
Agua la necesaria.
Prevención y seguridad
La indicada para el caso de calentar con mechero y para el uso del material de vidrio.
¿Cómo hacerlo?
En un vaso de precipitados de 500 mL colocar una jeringa con un volumen determinado de aire y un termómetro como se muestra en la figura:
Figura 12
Empezar a calentar tratando de mantener el volumen de aire constante, colocando pesas sobre el émbolo de la jeringa a medida que aumenta la temperatura. Tabular los datos de presión y temperatura obtenidos.
Debes ir midiendo la temperatura (K) y presiones (g/cm2) del gas, tanto la inicial como a lo largo del experimento.
Registro de observaciones.
Tabla 4.
No.
T (K)
P (g/cm2)
px 1 T
K
K
Elabora la gráfica correspondiente.
Experimento III
Objetivo
Observar el comportamiento de un gas a presión constante.
Hipótesis
Considera la siguiente pregunta para elaborar tu hipótesis. ¿Cuál es la relación que existe entre el volumen y la temperatura de un gas?.
¿Qué necesitas?
Materiales
Sustancias
☞ 1 Baño María
☞ Agua suficiente.
☞ 1 Matraz Erlenmeyer 250 mL
☞ 1 Termómetro
☞ 1 Tapón de hule No. 5.5
☞ 1 Tubo de vidrio con punta capilar
☞ 1 Cuba hidroneumática
☞ 1 Pinzas para matraz Erlenmeyer
Prevención y seguridad.
La indicada para el caso de calentar con mechero y para el uso del material de vidrio.
¿Cómo hacerlo?
En un baño María se pone a hervir agua y se introduce el matraz con aire y después de tres minutos se mide la temperatura del aire dentro del matraz.
Se coloca al matraz un tapón monohoradado con un tubo de vidrio terminado en una punta capilar y se invierte en la cuba que contenga agua muy fría (mide la temperatura del agua, que será la misma que la del aire); cuando deje de entrar el agua saca el matraz, de la cuba mide el agua que entró al matraz y calcula el volumen del aire por diferencia con el volumen total del matraz. Recuerda anotar los datos en el cuadro y construir la gráfica.
Figura 13
Registro de observaciones Tabla 5.
No.
V (mL)
T (K)
V x 1/T = K
K
1
2
Elabora la gráfica correspondiente.
Cuestionario de reflexión. 1.- Explica la relación entre la presión y el volumen de un gas:
2.- Explica la relación entre la presión y la temperatura.
3.- Explica la relación entre la temperatura y el volumen.
Conclusiones.
Considerando el cuestionario de reflexión y contrastando los resultados con tu hipótesis, elabora tus conclusiones.
EXPLICACIÓN INTEGRADORA
A continuación te presentamos un mapa conceptual con los conceptos más importantes tratados en este tema.
En éstos, el número de hidrocarburos es muy grande; además, existen compuestos con igual fórmula condensada y diferente estructura, a los que también se les llama isómeros.
Existen diferentes clases de isomería, pero sólo mencionaremos dos, la isomería de posición y la isomería de cadena.
La isomería de posición se presenta en los alquenos y los alquínos, tomando en cuenta el lugar donde se encuentra la doble o triple ligadura. Ejemplos:
Fórmula
Cadena
Posición
Nombre
condensada
1
2
3
4
5
C5 H10
CH3 -CH = CH -CH2 -CH3 CH2 = CH -CH2 -CH2 -CH3
2 1
Penteno Penteno
La isomería de cadena la presentan compuestos con igual número de átomos de carbono e hidrógeno, pero la estructura es distinta en la cadena debido a la presencia de arborescencias. Ejemplo:
Octanaje. Se le llama octanaje o índice de octano a la medida de la calidad de una gasolina como combustible. Este dato se toma de una escala que va de cero, representado por un carburante muy explosivo como el h-heptano, a cien presentado por el iso-octano que carece de propiedades detonantes.
Artificialmente se puede aumentar el octanaje de una gasolina añadiendo sustancias como benzol, plomo tetraetilo, algunos éteres y alcoholes. Ejemplos:
Gasolina común para vehículos
octanaje 80
Algunos combustibles para aviones
mayor de 100
ACTIVIDAD DE REGULACIÓN
a) Anota en las líneas la cantidad de Carbonos ( C ) e hidrógenos ( H ) que integran el compuesto, así como el tipo de isometría al que corresponden. b) Anota en los paréntesis la ( s ) fórmula ( s) que es (son) isometrica (s). C H Isometría 1) CH3-CH-CH2-CH2-CH3 _____ _______ ______________ ( ) CH3
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