Tema 13

1. Adaptación de los libros del proyecto 2.0 de la editorial SM
Unidad 14. Cambios de estado en la materia
1 Est ados de la materia
La materia puede presentarse en estado sólido, líquido y gaseoso:
Los sólidos, como la madera o el vidrio, mantienen su forma.
Los líquidos, como el agua o el aceite, se adaptan perfectamente al recipiente que los contiene porque carecen de forma
propia.
Los gases, como el aire o el oxígeno, no mantienen su forma ni su volumen y se expanden si no los encerramos en
recipientes.
Cada estado tiene características propias.
CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS TRES ESTADOS DE LA MATERIA
ESTADO FÍSICO ¿MANTIENEN SU FORMA? ¿MANTIENEN SU VOLUMEN?
Sólido
Sí, siempre que no ejerza- Sí, pero aumenta un poco al ca-
mos fuerzas sobre ellos. lentarlos y disminuye al enfriarlos.
Líquido
No; se adaptan al recipiente Sí, pero aumenta un poco al ca-
que los contiene. lentarlos y disminuye al enfriarlos.
Gas
No; se adaptan al recipiente No; se expanden hasta ocupar
que los contiene. todo el volumen disponible.
Las diferentes formas en las que se mantienen unidas las partículas en cada
material determinan que se encuentren normalmente en estado sólido, lí-quido o
gaseoso. Por ello, estos estados se denominan estados de agre-gación de la
materia.
En todos estos casos, la temperatura y la presión determinan que un ma-terial
pueda encontrarse en estado sólido, líquido o gaseoso.
La lava son rocas que, por efecto de la alta
temperatura, se encuentran en estado líquido.
2 Carac terís tic as de los sól idos
Las principales características de los sólidos son:
Mantienen su forma si no ejercemos fuerzas sobre ellos.
Son incompresibles, no se puede reducir su volumen presionándolos.
Se dilatan, aumentando de volumen, si los calentamos; y se contraen,
disminuyendo de volumen, al enfriarlos. Por eso, y para evitar que los edi-
ficios o puentes se dañen con los cambios de temperatura, se dejan pe-queñas
separaciones llamadas juntas de dilatación.
Las características específicas de los sólidos permiten diferenciar unos de otros:
Junta de dilatación en un puente.
Dureza. Un sólido es más duro que otro cuando puede rayarlo. La dureza se mide mediante la escala de Mohs. El
diamante es el material más duro que se conoce.
Fragilidad. Un sólido es frágil cuando se rompe al tratar de deformarlo. Muchos materiales duros son frágiles. Por
ejemplo, el vidrio es un material duro, pero frágil; se rompe con un golpe.
Tenacidad. Un sólido es tenaz cuando resiste grandes esfuerzos sin romperse.
Elasticidad. Un sólido es elástico cuando recupera su forma después de haberlo deformado. Es algo que ocu-rre, por
ejemplo, con una goma del pelo.
Plasticidad. Un sólido es plástico si no recupera la forma aunque cese la causa que lo deformó. Son materiales plásticos
la arcilla, la plastilina o los alambres que podemos doblar.
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2. Adaptación de los libros del proyecto 2.0 de la editorial SM
3 Características de los líquidos
Las principales características de los líquidos son:
No tienen forma propia. Se adaptan al recipiente que los contiene.
Pueden fluir. Se deslizan o escurren a través de pequeños orificios.
Son incompresibles. No se puede reducir su volumen presionándolos.
Se dilatan y contraen como los sólidos. Esta característica de los líquidos se emplea, por ejemplo, para cons-truir
termómetros.
Se mezclan con otras sustancias con mucha facilidad. En el agua se disuelven con facilidad gases, como el oxí-geno o el
dióxido de carbono; esta capacidad permite, por ejemplo, respirar a los peces.
Las características específicas de los líquidos permiten diferenciarlos unos de
otros:
Viscosidad. Expresa el grado de fluidez. Por ejemplo, la miel es más vis-cosa
que el agua porque fluye mucho peor que esta. Si un líquido es poco fluido,
decimos que es muy viscoso.
Capacidad de disolución. Expresa la posibilidad de disolver determina-das
sustancias. El agua disuelve la sal o el azúcar, pero no los metales o las grasas.
La gasolina disuelve las grasas y se mezcla con el aceite.
La miel es un líquido muy viscoso.
4 Características de los gases
Las principales características de los gases son:
No tienen forma propia. Se adaptan al recipiente que los con-tiene.
Se expanden hasta ocupar todo el espacio libre.
Se pueden comprimir con facilidad reduciendo su volumen.
Se dilatan cuando aumenta su temperatura y pasan a ocupar un
mayor volumen. Por el contrario, se contraen al enfriarlos.
Se difunden al mezclarse con otras sustancias gaseosas, lí-quidas o
incluso sólidas. Es lo que ocurre cuando la colonia se evapora y
podemos olerla; también sucede con los gases ex-pulsados por los
volcanes o producidos por los seres vivos, que se difunden por la
atmósfera.
Al calentar el matraz, el aire interior se dilata
e infla el globo.
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3. Adaptación de los libros del proyecto 2.0 de la editorial SM
5 Los cambios de estado
Los cambios de estado son procesos que experimentan las sustancias al ganar o al perder energía. Una sustan-cia cambia
de un estado a otro en ciertas circunstancias de presión y temperatura.
Los cambios de estado se nombran en función de los estados de agregación inicial y final del proceso.
CAMBIO DE ESTADO ESTADO INICIAL ESTADO FINAL PROCESO INVERSO
Fusión Sólido Líquido Solidificación
Vaporización Líquido Gas Condensación
Sublimación Sólido Gas
Condensación o
sublimación inversa
Todos los cambios de estado son reversibles, es decir,
pueden ocurrir en un sentido o en el contrario; así, el
agua líquida procedente de un cubito de hielo derretido
puede volver a congelarse si se enfría de nuevo.
Para que las sustancias se fundan, se vaporicen o
sublimen hay que suministrarles energía. Por el
contrario, cuando se solidifican o condensan, las
sustancias ceden energía al medio que les rodea. Por
ejemplo, hay que calentar el agua para que hierva y
enfriarla para que se congele.
n
ió
c
a
lim
b
u
S n
ió
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S in
GAS
SÓLIDO
Vaporización
Condensación
Solidifi
cació
Fusión
n
LÍQUIDO
El cambio de estado líquido a gaseoso, vaporización, se puede realizar de dos formas diferentes:
La evaporación es un tipo de vaporización que se realiza a cualquier temperatura solo en la superficie libre del líquido.
La ebullición es un tipo de vaporización tumultuosa que se realiza en todo el líquido a una temperatura caracte-rística.
Decimos que el líquido hierve.
6 Temperat ura de camb io de estad o
Se llama temperatura de cambio de estado a la temperatura a la cual se produce el paso de un estado de agregación a otro.
Temperatura de fusión es la temperatura a la que una sustancia pasa de sólido a líquido; coincide con la tem-peratura a
la que un líquido pasa a sólido, llamada temperatura de solidificación.
Temperatura de ebullición es la temperatura a la que hierve una sustancia.
Las sustancias puras tienen temperaturas de fusión y ebullición que las caracterizan. Por ejemplo, el agua funde a 0 °C y
hierve a 100 °C.
Sin embargo, si añadimos sal al agua, su temperatura de cambio de estado
será diferente, puesto que ya no es una sustancia pura, sino una mezcla.
El agua con sal congela a temperaturas inferiores a 0 °C; por eso se echa
sal en la carretera cuando nieva (según la concentración de la sal, puede
llegar a -20 °C). El agua con sal hierve a más de 100 °C.
La temperatura de ebullición de una sustancia aumenta en fun-ción de la
presión. Por ejemplo, en las grandes profundidades de los océanos, donde
la presión es enorme, el agua que se encuentra en contacto con los
volcanes submarinos no puede hervir, a pesar de que alcanzan más de 400
°C.
TEMPERATURA DE CAMBIO DE ESTADO
A PRESIÓN ATMOSFÉRICA
SUSTANCIA FUSIÓN (°C)
EBULLICIÓN
(°C)
Oxígeno -219 -183
Nitrógeno -210 -196
Agua 0 100
Sal común 801 1413
Hierro 1540 2800
Wolframio 3387 5527

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7 La materia está formad a por átomos
El número de sustancias que existen en el universo es enorme; sin embargo, todas tienen en común que están for-madas
por átomos.
Los átomos son muy pequeños, y cualquier objeto o porción de materia contiene un
número de átomos difícil de imaginar. Por ejemplo, en 56 g de hierro hay apro-
ximadamente 6,02·1023
(seiscientos dos mil trillones) átomos de hierro.
Los átomos, a su vez, están formados por tres clases de partículas, que reciben el nombre
de partículas elementales: son los protones, los neutrones y los elec-trones.
Los protones y los neutrones se encuentran en el centro del átomo, constituyendo un
núcleo muy denso y pequeño. Los electrones forman una nube alrededor, con-tribuyendo
mayoritariamente al volumen del átomo.
Cada tipo de átomo se diferencia del resto por el número de protones de su núcleo; este
número se llama número atómico. Cada uno de los distintos tipos de átomos se denomina
elemento químico. Así, el oro y el mercurio son elementos químicos distintos.
ESTRUCTURA DEL ÁTOMO
Protón
Neutrón
Electrón
Cada elemento químico se identifica mediante un nombre y un símbolo; todos los que existen se recogen en la tabla
periódica, ordenados por su número atómico.
8 Propiedades de alguno s elementos químicos
Elementos en el universo. Los más abundantes son:
– Hidrógeno. Constituye la fuente de energía del Sol. Se trata de un gas
muy ligero y reactivo.
– Helio. Es el segundo elemento más abundante en el Sol. Es un gas ligero
y fluido que no se une a ningún otro elemento.
Elementos en la corteza terrestre. Los principales elementos que la
componen son:
– Oxígeno. Se combina con otros elementos y da lugar a muchos minerales.
Además, se encuentra en forma molecular (O2) en la at-mósfera. Sin él,
los seres vivos no podríamos respirar.
– Silicio. Es el elemento principal de los silicatos y la sílice (arena). Se
emplea para fabricar vidrio, construir componentes electrónicos, etc.
– Aluminio. Se encuentra en el basalto, la roca más abundante de la corteza.
Debido a su ligereza, se emplea en la construcciónde aviones.
– Hierro. Está presente en muchas rocas, generalmente combinado con
oxígeno. Mezclándolo con el carbono se obtiene acero.
Elementos en los seres vivos. Los más abundantes son:
– Carbono. Elemento fundamental en toda la materia orgánica. Con el
oxígeno forma dióxido de carbono (CO2), necesario para la fotosín-tesis
de las plantas.
– Hidrógeno y oxígeno. Se encuentran juntos formando el agua (H2O),
esencial para los seres vivos.
– Nitrógeno. Forma parte de algunos compuestos orgánicos como las
proteínas.
ELEMENTOS DE LA CORTEZA
TERRESTRE
46,6%
Oxígeno
27,7%
Silicio
8,1%
Aluminio
5% Hierro
3,6% Calcio
2,8% Sodio
2,6% Potasio
2,1% Magnesio
1,5% Otros elementos
ELEMENTOS DEL CUERPO HUMANO
65%
Oxígeno
18%
Carbono
10%
Hidrógeno
3% Nitrógeno
Además de estos cuatro, hay otros muchos elementos que constitu-yen las
sustancias que forman los seres vivos. Aunque están en menor proporción,
son esenciales para la vida. Son el calcio, el cloro, el sodio, el potasio y el
hierro.
2% Calcio
2% Otros elementos
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9 Átomos , moléculas y cristales
El número de sustancias que podemos encontrar a nuestro alrededor es enorme, pero todas se forman por com-binaciones
de los elementos químicos. Cuando los átomos de los elementos se unen, pueden dar lugar a moléculas o a cristales.
Moléculas. Son agrupaciones de un número fijo, generalmente pequeño, de átomos iguales o distintos. Por ejemplo el
agua.
Cristales. El número de átomos que se unen es muy grande y guarda relación con el tamaño del cristal. Por ejemplo la
sal común.
Las sustancias que encontramos a nuestro alrededor se forman por combinaciones de elementos químicos. Según se
combinen elementos iguales o diferentes, se distinguen:
MOLÉCULA DE OXÍGENO MOLÉCULA DE AGUA
Átomos de oxígeno
Oxígeno
Hidrógeno
Las sustancias simples contienen un solo elemento
químico. Por ejemplo, el oxígeno que respiramos es una
sustancia simple formada por moléculas que tienen dos
átomos de oxígeno.
Las sustancias compuestas están constituidas por
agrupaciones que tienen diferentes elementos quí-micos.
Por ejemplo, el agua está formada por molé-culas que
tienen un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno.
Para representar las sustancias se emplean fórmulas químicas. Las fórmulas son combinaciones de símbolos de elementos
químicos que intervienen en ellas y subíndices, que son números que indican cuántos átomos de cada tipo hay en una
molécula o cristal de esa sustancia.
Por ejemplo, el agua se representa mediante la fórmula H2O porque sus moléculas tienen dos átomos de hidrógeno y uno
de oxígeno.
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10 Determinación de la temperatura de ebullición de una sustancia
Las sustancias puras se caracterizan por tener temperaturas de cambio de estado fijas. Para medir estas tem-peraturas es
necesario cambiar la temperatura de una muestra hasta provocar el cambio de estado. En ocasiones, es difícil observar con
claridad el momento del cambio de estado, pero este tiene una característica que aprove-charemos: durante el cambio de
estado, la temperatura permanece constante.
1.Preparamos una muestra de la sustancia.
Introducimos el agua en un recipiente que pueda
ser calentado con seguridad y con un
termómetro.
2.Tomamos nota de los datos. Calentamos la
muestra y anotamos cada cierto período de
tiempo la temperatura y los cambios.
Repetimos la misma experiencia, añadiendo
alcohol al agua para comprobar el cambio de
estado cuando se trata de una mezcla.
3.Representamos los datos gráficamente.
Dibujamos unos ejes de coordenadas; en el eje
horizontal o eje de abscisas indicamos el tiempo
en segundos, y en el eje vertical o eje de
ordenadas representamos la temperatura en
grados centígrados. En las gráficas inclui-mos
los datos que hemos recogido en las
experiencias.
Termómetro digital
Agua
GRÁFICO DEL AGUA GRÁFICO DEL AGUA CON ALCOHOL
4.Analizamos los resultados. Si observamos que la temperatura se mantiene constante mientras hierve, conclui-mos que se
trata de una sustancia pura y esa es su temperatura de cambio de estado. Si la temperatura no per-manece constante y
observamos un cambio de estado, significa que se trata de una mezcla, como es el caso del agua y alcohol.
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