2 Sistemas materiales

Transcripción

1 EJERCICIOS PROPUESTOS 2.1 Indica cuáles de las siguientes expresiones definen sistemas materiales y cuáles se refieren a sus propiedades. Una hoja de papel, el butano de un encendedor, el sabor amargo, el magnetismo, una roca de magnetita. Son sistemas materiales: una hoja de papel, el butano de un encendedor, una roca de magnetita. Son propiedades de los mismos: el sabor amargo y el magnetismo. 2.2 Se puede diferenciar una sustancia de otra midiendo su masa? Y conociendo su volumen? Y conociendo su dureza y su conductividad? La masa y el volumen son propiedades generales de todos los sistemas materiales, por lo que no permiten identificar la sustancia que constituye el sistema. Por el contrario, la dureza y la conductividad son propiedades específicas de los sistemas materiales y permiten identificar de qué sustancia están formados. A veces no basta con una sola propiedad específica porque esta puede coincidir en varios tipos de sustancias. 2.3 Indica las propiedades generales que diferencian a dos canicas de igual radio, una de hierro y otra de mármol. Ambas canicas, al tener el mismo radio, tienen el mismo volumen. Sin embargo, al tratarse de sustancias distintas, la propiedad específica de su densidad no coincide. La del hierro es en torno a 7,8 g / cm 3, y la del mármol está entre 2,7 y 2,9 g / cm 3. Así pues, la masa (propiedad general) será distinta en ambas canicas, siendo la de hierro casi el triple de la otra. 2.4 Un recipiente hueco de forma cúbica tiene 0,8 cm de arista. Cabe 1 ml de agua dentro de él? Caben 0,7 ml de agua? El volumen del recipiente es de 0,8 0,8 0,8 0,51 cm 3, por lo que caben como máximo 0,51 ml de agua. 2.5 Ordena de menor a mayor estos volúmenes: una esfera de 10 cm de radio, un balón de 4 dm 3 y un cubo de 5 cm de arista. Volumen de la esfera: V 4/3 r 3 4/ cm 3 4,19 dm 3 Volumen del cubo: V cm 3 0,125 dm 3 Por tanto, el orden será: cubo balón esfera 2.6 Determina la masa de aire contenido en una habitación de dimensiones m. Volumen de la habitación: m 3 m V d 150 (m 3 ) 1,29 (kg / m 3 ) 194 kg 2.7 Calcula el volumen que ocupa una plancha de material aislante porexpan si su masa es de 5 kg. 5 (kg) Como la densidad del poexpan es 50 kg / m 3, el volumen de la plancha es: V 50 (kg/m 3 0,1 m ) En algunos mecheros puede verse el combustible líquido en su interior. Por qué sale gas al presionar sobre la válvula? La presión exterior es más baja que la interior. Al salir la sustancia, baja la presión y el combustible pasa a fase vapor, que es el estado en que se encuentra a presión atmosférica.

2 2.9 La sal común molida pasa a través de los agujeros del salero. Puede considerarse un fluido a pesar de que cada cristalito de sal es un sólido? La sal común, al igual que la arena, se comporta a veces como un fluido (por ejemplo, puede fluir a través de pequeños agujeros), pero en realidad sus propiedades no son las de un fluido. Así, cuando se amontona no adopta la forma del recipiente, sino la del tradicional montón cónico. Por otra parte, los cristalitos individuales son sólidos Considera una ventana de aluminio, un litro de alcohol y medio kilogramo de propano gaseoso, cuáles de las siguientes afirmaciones son correctas y por qué? a) Los tres sistemas tienen forma propia. b) Los tres ocupan un lugar en el espacio. c) Cada sistema tiene una determinada dureza. La a) es falsa, y la b), verdadera. Todos los sistemas materiales ocupan un lugar en el espacio, pero no todos tienen forma propia. La afirmación c) es verdadera, aunque la propiedad específica dureza solo es aplicable en estado sólido Indica cuáles de las siguientes afirmaciones son verdaderas y cuáles no. Razona la respuesta. a) Las partículas que constituyen un sólido, a pesar de estar fuertemente unidas, mantienen un movimiento de vibración. b) Entre partícula y partícula de un gas hay espacio vacío, pero cuando se convierte en líquido ese espacio se llena. a) Es verdadera. Las partículas de un sólido ocupan posiciones fijas, pero vibran en torno a dichas posiciones. b) Es falsa. Al convertirse en líquido, las partículas se cohesionan mucho y aumenta la densidad, pero siguen quedando huecos entre ellas Indica razonadamente cuáles de las siguientes afirmaciones son verdaderas y cuáles no. a) Debido a los choques, las partículas de un gas pueden acabar perdiendo su energía y por eso se deshincha un globo. b) Al aumentar la temperatura de un gas aumenta su volumen; por eso, si ponemos un globo hinchado encima de un radiador, puede explotar. a) Es falsa. Según la teoría cinética, los choques entre las partículas son elásticos y en ellos no se pierde energía. Con el tiempo, un globo se deshincha porque el gas escapa lentamente por los pequeños poros de la goma. b) Es verdadera. Según la teoría cinética, al aumentar la temperatura, aumenta la velocidad media de las moléculas y, con ella, su energía cinética. Entonces, la intensidad y la frecuencia de los choques son mayores, con lo que aumenta la presión. Al tratarse de un globo, con sus paredes elásticas, si el interior del mismo tiene más presión que el exterior, las paredes se expanden hasta igualar las presiones, por lo que el globo se hincha más aún y puede llegar a explotar Disponemos unos cristalitos de yodo en un vaso tapado por un matraz que contiene agua fría como muestra la figura. Al calentar, desaparece el yodo y aparecen cristales pegados al fondo del matraz. Explica lo sucedido. Al calentar los cristales de yodo, subliman y pasan a fase vapor, que asciende por el vaso. El vapor encuentra la superficie fría del fondo del matraz y vuelve a sublimar, esta vez de forma regresiva, apareciendo de nuevo los cristalitos de yodo pegados al fondo del matraz.

3 2.14 Indica cuáles de estas características corresponden a una evaporación, a una ebullición o a ambos procesos. a) Ocurre a una temperatura dada. b) Es un proceso que absorbe energía mediante calor. c) Se da a cualquier temperatura. d) Es rápido y tumultuoso. e) Es el paso de líquido a gas. Exclusiva de la evaporación: c) Exclusiva de la ebullición: a) y d) Se da en ambos procesos: b) y e) 2.15 Cuánta energía hay que comunicar a 35 g de hielo a 0C para convertirlo en agua a 0C? Para convertir 1 g de hielo a 0 C en agua, también a 0 C, es necesario comunicar 334,4 J de energía. Por tanto, son necesarios: 35 (g) 334,4 (J / g) J 2.16 Cuánta energía absorben 35 g de agua a 100C para pasar a fase vapor a 100 C? Para convertir 1 g de agua a 100 C en vapor, también a 100 C, es necesario comunicar J de energía. Por tanto, se absorberán: 35 (g) (J / g) J 2.17 El émbolo de la figura se ha introducido en agua fría. Explica lo ocurrido apoyándote en el modelo cinético. - Según la teoría cinética, al disminuir la temperatura, se reduce la velocidad media de las moléculas y, por tanto, también su energía cinética. Entonces, la intensidad de los choques y su frecuencia serán menores, con lo que baja la presión del gas y disminuye su volumen En la transformación representada en el gráfico, el gas no varía su temperatura. Qué se puede decir de la presión y el volumen? Si en ambos casos la temperatura es la misma, significa que se ha duplicado la presión en el segundo émbolo, por lo cual se divide su volumen por la mitad, ya que ambas magnitudes son inversamente proporcionales y cumplen la ley de Boyle: p V cte

4 CIENCIA APLICADA 2.19 Por qué Boyle sumaba 73,9 cm a la altura de la columna de mercurio? En el dispositivo empleado para su experimento, la parte superior del manómetro queda libre y sobre ella actúa siempre la presión atmosférica, que él estimaba en 73,9 cm (hoy sabemos que 1 atm equivale a 76 cm de Hg) Recuerda situaciones de la vida cotidiana en las que se utilicen manómetros. Se utilizan manómetros para medir la presión de los neumáticos de los automóviles, la presión de las tuberías de la calefacción, la presión sanguínea, etc.

5 EJERCICIOS DE APLICACIÓN 2.21 Indica razonadamente cuál de las siguientes afirmaciones es correcta. a) La densidad de los sólidos es siempre mayor que la de los líquidos. b) Si la densidad del mercurio es de 13,6 g / cm 3, significa que 1 litro de mercurio tiene una masa de 13,6 kg. c) 1 ml de agua no cabe en un cubo de 1 cm 3 de volumen. d) El volumen de un taco de madera de forma cúbica es de 8 cm 3 ; por tanto, la arista del cubo mide 8 cm. Es verdadera la b), ya que 1 L equivale a 1 dm cm 3, que contienen g 13,6 kg. La a) es falsa porque hay sólidos muy poco densos, como los aerogeles, y líquidos muy densos, como el mercurio. La c) es falsa porque 1 ml equivale precisamente a 1 cm 3. La d) es falsa porque la arista de ese cubo debe medir cm a) La densidad de la sal común es de 2,16 g/cm 3. Qué volumen corresponde a un salero de 220 g? b) La densidad del aire es de 0,0013 g/cm 3. Calcula la masa de 2,5 litros de aire. a) V m d 220 ( g) 2,16 ( g/ cm cm ) 3 b) Masa del aire V d (cm 3 ) 0,0013 (g / cm 3 ) 3,25 g 2.23 Un bastón de madera de ébano tiene una masa de 0,84 kg y un volumen de 620 cm 3. a) Expresa en toneladas por metro cúbico la densidad de la madera de ébano. Flotará en agua? b) Averigua qué puede decirse sobre el nivel de secado del ébano del bastón consultando la página web a) La densidad del ébano es: d m V 840 ( g) 620 (cm 3 1,35 g / cm ) 3 1, t 6 3 1,35 t/m 3 m Por tanto, no flotará en agua, cuya densidad es de 1 g / cm 3. b) La densidad de la madera de ébano recién cortada es de 1,5 toneladas por metro cúbico, mientras que, una vez seca, su densidad baja a 1,35. Como la densidad del bastón es de 1,35, significa que su madera está bastante seca Señala cuál de estas afirmaciones es correcta. a) Vaporización es el paso de sólido a gas. b) Fusión es el paso de sólido a líquido. c) Sublimación es el paso de gas a líquido. d) Condensación es el paso de líquido a gas. Es correcta la b).

6 2.25 Un cilindro de hierro tiene una masa de 2,3 kg y su radio mide 2 cm. Qué altura tiene? Qué volumen de líquido desplazará si se sumerge? Dato: Densidad del hierro: 7,9 g/ cm 3. El volumen del cilindro es: V m d 2,3 (kg) 7,9 ( kg/dm 3 0,291 dm ) cm 3 Sabemos que el volumen tiene por fórmula V r 2 h, por tanto: La altura del cilindro es de 23,2 cm. 291 cm h h 23,2 cm El volumen de líquido que desplazará será, precisamente, el mismo volumen del cilindro, 291 cm Completa en tu cuaderno las frases siguientes: a) La ebullición es una vaporización tumultuosa. Para una presión determinada, cada líquido tiene una temperatura de ebullición característica. b) La evaporación es una vaporización lenta que se realiza solo en la superficie libre de los líquidos y a cualquier temperatura Se saca una botella de naranjada del frigorífico y se observa que al poco rato está mojada por fuera. Por qué? De dónde procede esa agua? El agua procede del vapor de agua que hay en el aire, que se condensa sobre la superficie fría de la botella Ponemos en la balanza un matraz aforado, destaramos e introducimos en él 250 ml de cierto aceite. La balanza marca 212,5 g. a) Calcula la densidad del aceite. b) A continuación se calienta el matraz y se observa que el volumen sube 8 ml. A qué es debido? Cuánto valdrá ahora la masa del aceite? Y la densidad? a) d m V 2 12, 5 (g) 0,85 g / ml 250 ( ml) b) Al calentar el matraz, el líquido se dilata hasta un volumen de 258 ml. Puesto que la masa no cambia, forzosamente cambiará la densidad, que ahora vale: d m V 2 12, 5 (g) 0,82 g / ml 258 ( ml) 2.29 Explica los siguientes procesos según la teoría cinética: a) Colocas 50 ml de alcohol en un vaso y viertes la mitad sobre la mesa. Al cabo de poco tiempo, la mesa está seca y en el vaso aún queda alcohol. b) El alcohol del vaso lo echas sobre tu mano y sientes frío. c) Notas que toda la habitación huele a alcohol. a) En la evaporación se da un equilibrio: algunas partículas de la superficie, cuando tienen energía suficiente (un poco más que el resto, podríamos decir), pasan a fase vapor. A otras que están en fase gaseosa les sucede lo contrario y se condensan. Pero este equilibrio se puede romper aumentando la superficie libre de líquido, con lo que un mayor número de partículas tendrá descompensadas sus fuerzas de cohesión y podrán pasar a fase gaseosa más fácilmente que si el líquido está dentro de un vaso. También se puede favorecer el proceso aumentando la temperatura, bajando la presión, con viento, en un ambiente de poca humedad b) Es necesario aportar energía mediante calor para que una sustancia cambie de estado (esta energía se denomina calor latente). La evaporación del alcohol solo es posible robando calor de la superficie donde se encuentra. Por ello sentimos frío en la mano. c) Según la teoría cinética, las partículas constituyentes del gas están en continuo movimiento y se difunden por toda la habitación. Por eso, al poco tiempo, cualquier punto de la misma tendrá partículas de alcohol.

7 PROBLEMAS DE SÍNTESIS 2.30 Completa en tu cuaderno esta tabla. Masa (g) Volumen Densidad (dm 3 ) (g/cm 3 ) Sustancia ,741 2,7 Aluminio 720 0,8 0,9 Aceite 200 0,125 1,6 Glicerina Densidades. Glicerina: 1,6 g / cm 3 ; aluminio: 2,7 g / cm 3 ; aceite: 0,9 g / cm La siguiente tabla muestra datos referidos al benceno. a) Calcula la masa de benceno que cabe en un matraz de 250 ml. b) Se llena el matraz con benceno, se calienta hasta 70C, se retira del fuego y se deja enfriar. Dibuja su gráfica de enfriamiento. a) Masa V d 250 (cm 3 ) 0,88 (g / cm 3 ) 220 g Densidad T f (C) T e (C) 0,88 g/cm 3 5,5 80,1 b) Se ha desenterrado un objeto metálico en una excavación y se quiere saber si es de cobre o no. La balanza arroja un valor de 137 g y al sumergirlo en agua desplaza un volumen de 15,4 cm 3. a) A qué conclusión llegarías? b) Qué otras propiedades habría que determinar para estar seguros? Dato. Densidad del cobre: 8,93 g/cm 3. La densidad del objeto es: d m V 137 (g) 15, 4 (cm 3 8,9 g / cm ) 3 Por tanto, el objeto es probablemente de cobre. Para asegurarnos, podríamos someterlo a otras pruebas con el fin de obtener el valor de alguna otra propiedad característica (dureza, temperatura de fusión ) para poder comparar con su valor en el caso del cobre. Sin embargo, la necesidad de conservar el objeto sin dañar puede aconsejar tomar una pequeña muestra y efectuar un análisis químico Disponemos de un émbolo que encierra un gas. Al introducirlo en un recipiente es necesario colocar un peso para que el émbolo no se desplace. Explica este hecho. La experiencia significa que ha aumentado la presión, lo cual a su vez indica que el baño se encuentra a mayor temperatura que el ambiente. En efecto, al aumentar la temperatura, aumenta la velocidad media de las moléculas y, con ella, su energía cinética. Entonces, la intensidad y la frecuencia de los choques serán mayores, con lo que aumenta la presión. Para compensarla es preciso colocar un peso sobre el émbolo.

8 2.34 Analiza estas gráficas y extrae toda la información posible. Qué representan los tramos horizontales? Qué técnica de laboratorio se habrá seguido en cada caso para obtener la gráfica? a) - b) - a) La primera es una gráfica de calentamiento que nos indica que: Se toma plomo a una temperatura inicial aproximada de 30 C y se calienta. En torno al minuto 15 se ha alcanzado una temperatura de unos 327 C (327,4 C), que se mantiene inalterable mientras queda sólido por fundir. Cuando el plomo termina de fundirse, la temperatura sigue aumentando. b) La segunda es una gráfica de enfriamiento. Se parte de yeso líquido a unos 160 C (el yeso se funde entre 100 y 150 C) y se deja enfriar anotando la temperatura. A los 10 minutos aproximadamente se alcanza una temperatura de unos 120 C, que se mantiene constante a medida que el yeso pasa a fase sólida. Cuando todo es sólido, el sistema sigue enfriándose hasta alcanzar la temperatura ambiente Se echa agua a 80C en una botella de plástico y se cierra herméticamente. A continuación, se sumerge la botella en agua fría. Explica lo que ocurrirá considerando el modelo cinético. Al echar agua en la botella, queda vapor de agua en equilibrio con agua líquida. Cuando se sumerge la botella en agua fría, las partículas de vapor pierden velocidad y energía cinética, con lo que van pasando a fase líquida, es decir, este vapor se condensa. Entonces se crea un vacío en el interior de la botella, de modo que la presión exterior aplastará la botella y la arrugará.

9 PARA PENSAR MÁS 2.36 Organiza las palabras en el siguiente esquema: Temperatura de Fusión (Tf), Temperatura de Ebullición (Te), Generales, Masa, Propiedades, Densidad, Volumen, Estados de Agregación, Específicas. Ó Í ó Ó Ó 2.37 Con una probeta y una balanza se han tomado pares de valores de dos sustancias. Estaño Sal común masa (g) vol. (cm 3 ) masa (g) vol. (cm 3 ) , ,5 45 Para cada sustancia, representa masa frente a volumen y calcula la densidad Para calcular la densidad, se halla la pendiente de cada gráfica: En el caso del estaño, la pendiente es 7,3. En efecto, podemos tomar dos puntos de la gráfica para calcular la pendiente: pendiente ,3 0

10 Por tanto, la densidad del estaño es de 7,3 g / cm 3. En el caso de la sal común, la pendiente es 2,1; pendiente 9 5, ,5 3 2,1 0 Por tanto, la densidad de la sal común es de 2,1 g / cm Para hallar la densidad del gas dióxido de carbono (CO 2 ), se calientan 16 g de un carbonato y se recogen 242 cm 3 de CO 2 y 15,52 g de residuo. Halla la densidad del CO 2. La masa del CO 2 es 16 (g) 15,52 (g) 0,48 g de CO 2. La densidad, por tanto, es d m V 0, 48 ( g) 242 (cm 3 1,9810 ) 3 g/cm Responde a partir de los datos. Sustancia T f (C) T e (C) Benceno 5,5 80,1 Sodio Naftaleno 80,5 218 a) En qué estado permanece el benceno una fría mañana de invierno en que aparecen los charcos congelados? b) En qué rango de temperatura permanece líquido el sodio? c) Se saca benceno del congelador a una temperatura de 20C. Construye su gráfica de calentamiento. d) Construye la gráfica de enfriamiento del naftaleno a 100C. a) Su temperatura de fusión es de 5,5 C, por lo que se solidifica antes que el agua. El benceno sería sólido en esa situación. b) Permanece líquido entre 98 y 885 C. c) d) - - -

11 2.40 Se funde una sustancia desconocida y luego se deja enfriar, anotando cada cierto tiempo su temperatura. a) A partir de los datos tomados, construye la gráfica de enfriamiento. b) Cuál es la temperatura de fusión? De qué sustancia puede tratarse? c) Qué temperatura corresponde al minuto 9? En qué estado se encuentra la sustancia en el minuto 15? a) t (min) T (C) b) La temperatura de fusión es de 98 C, que corresponde, entre otras sustancias, al sodio. c) En el minuto 9 se mantienen los 98 C correspondientes al cambio de estado. En el minuto 15 ya se ha solidificado todo el sodio. Es sólido.

12 TRABAJO EN EL LABORATORIO 1 Por qué es necesario poner en contacto el capilar del primer procedimiento con el termómetro? Para conseguir que el termómetro mida su temperatura. 2 Por qué se utiliza este tipo de ensayo para decidir sobre la pureza de una sustancia? La existencia de una temperatura de fusión característica es una prueba de que se trata de una sustancia pura, y no de una mezcla.