ESTRUCTURA CORPUSCULAR DE LA MATERIA

¿Cómo es la materia por dentro?

Si todas las sustancias existentes (hierro, diamante, plomo, agua, dióxido de carbono, yeso, mercurio, etc.), tuvieran una estructura interna básicamente igual, a pesar de la gran diversidad depropiedades existentes (unas conducen la corriente y otras no, unas son duras y otras blandas, etc), deberían existir también propiedades comunes a todas ellas. Esto será, pues, lo primero que estudiaremos en este tema.

Una vez que constatemos que existen propiedades comunes, independientemente del tipo de material o sustancia de que esté hecho un cuerpo y de que éste se nos presente como un sólido o un líquido, nos plantearemos si los gases también tienen esas mismas propiedades y, a continuación, cómo podrían estar hechos los gases para explicar su comportamiento.

Todo ello nos permitirá elaborar un modelo acerca de cómo son los gases, es decir, de su estructura interna, y, finalmente, analizar en qué medida ese modelo es aplicable también a sólidos y líquidos.

1. ALGUNAS PROPIEDADES COMUNES A SÓLIDOS Y A LÍQUIDOS

Mirando a nuestro alrededor podemos ver líquidos como el agua, la gasolina, el aceite, el alcohol, el vino, etc, y también sólidos como el hierro, el aluminio, el mármol, etc.

A.1. Citad propiedades que sean comunes a los sólidos y a los líquidos.

Sabemos que una muestra de un líquido o de un sólido tiene una cantidad de materia determinada (decimos que tiene masa), que pesa y que ocupa un “espacio” (tiene volumen). La masa, el peso y el volumen son propiedades de cualquier sólido y de cualquier líquido. A continuación estudiaremos dichas propiedades y, después, nos plantearemos si también las presentan los gases.

1.1. Qué es la masa y cómo se mide

Supongamos que disponemos de un trozo de hierro. Podemos calentarlo, romperlo, deformarlo,triturarlo, colocarlo en órbita en un satélite, llevarlo a la Luna, etc. Si lo hacemos, veremos que algunas magnitudes como su temperatura, su forma, el espacio que ocupa, su peso, etc, cambian.

Sin embargo, existe algo que permanece inalterable, independientemente de dónde se encuentre el trozo de hierro y cuál sea su temperatura. Nos referimos a la masa, o cantidad de hierro presente.

Así pues la masa de cualquier objeto es una propiedad que, en principio, nos indica la “cantidad de materia” que tiene dicho objeto. Su valor no cambia mientras tengamos el mismo cuerpo sin quitarle ni añadirle ningún trozo.

Como ya vimos en el capítulo anterior, la unidad internacional que se utiliza para medir la masaes el kilogramo (kg). Para hacernos una idea de esta unidad, diremos que 1 litro de agua tiene, aproximadamente, una masa de 1 kg. También vimos que se utilizan otras unidades como el gramo (g) o milésima parte del kg:

1 kg = 1000 g = 103 g o bien: 1 g = (1/1000) kg = 0’001 kg = 10-3 kg

A.2. Sometemos a un mismo trozo de hierro a los siguientes procesos:a) Calentarlo hasta que se haga totalmente líquidob) Pulverizarloc) Colocarlo en órbita en el espaciod) Partirlo en dos pedazos iguales y dejar sólo uno de ellos.e) Llevarlo a la Luna¿En cuál o cuáles de los anteriores procesos variará su masa?

A.3. Se dispone de distintos objetos cuyas masas son: m1 = 69 g; m2 = 2500 mg; m3 = 3 kg.Ordenadlos de menor a mayor masa. ¿Qué tiene más masa, 1 kg de plomo o 1 kg de cartón?

1.2. Qué es el peso y cómo se mide

La mayoría de la gente está de acuerdo en que todos los cuerpos en estado sólido o líquido pesan. Cuando decimos que un cuerpo pesa, nos imaginamos que tenemos que hacer una fuerza para sostenerlo (tanto mayor cuanto más pese). Nosotros mismos tenemos la sensación de que pesamos porque notamos que hacemos una fuerza sobre el suelo (el cual nos “aguanta”). ¿Cómo se explica la existencia del peso?

El científico inglés Newton ya demostró hace tres siglos que la materia ordinaria tiene una propiedad (a la que llamó propiedad gravitatoria) tal que, dos trozos cualesquiera de materia, se ejercen siempre entre ellos una fuerza de atracción y que el valor de dicha fuerza dependía de la distancia entre los trozos (a más distancia menos fuerza) y de la masa de cada uno (a más masa más fuerza). Sin embargo, la fuerza de atracción gravitatoria entre dos cuerpos no depende para nada del medio en el que éstos se encuentren, da igual que estén en el aire, que en el agua o en el vacío.

Una característica de la fuerza gravitatoria entre dos cuerpos es que, en muchos casos, tiene un valor tan pequeño que resulta inapreciable a no ser que, al menos uno de los dos cuerpos, tenga una masa enorme, como sucede con la masa del planeta Tierra cuando se compara con la de cualquier cuerpo situado en su superficie. Esto explica que no nos percatemos, por ejemplo, de la fuerza de atracción (gravitatoria) entre dos alumnos que se sientan uno al lado de otro, pero sí entre cualquier persona y la Tierra (sobre todo si la persona cae desde una cierta altura).

El peso es la fuerza gravitatoria con que la Tierra atrae a cualquier cuerpo que se encuentre sobre ella o colocado a una cierta altura sobre el suelo. Dicha fuerza es menor cuanto mayor sea la distancia a que se encuentre el cuerpo del centro de nuestro planeta, de forma que, por ejemplo, un astronauta en una nave espacial que se fuera alejando de la Tierra cada vez pesaría menos (decimos que la atracción gravitatoria tiende a 0 conforme la distancia entre el cuerpo y la Tierra tiende a ser infinita) y, sin embargo, seguiría teniendo la misma masa.

El peso de un cuerpo es la fuerza con que la Tierra lo atrae. Su valor disminuye según el cuerpose va alejando de la Tierra. En la Luna y en otros planetas, los cuerpos también pesan, ya que esos astros también los atraen con una fuerza apreciable, al ser sus masas muy grandes. El peso, por tanto, no es una propiedad intrínseca del cuerpo (como lo es la masa) ya que su valor depende de dónde esté situado.

Como el peso es una fuerza, se mide en las mismas unidades que cualquier fuerza, es decir: ennewtons (N). 1 N de fuerza es, aproximadamente, la fuerza que hemos de hacer (situados en la superficie terrestre) para aguantar sobre la mano un cuerpo de 100 g de masa. Aunque el peso y la masa no son lo mismo, sí sucede que los valores de esas magnitudes son directamente proporcionales y, por tanto, un cuerpo de 200 g de masa pesará aproximadamente unos 2 N (en la superficie terrestre).

A.4. De acuerdo con la información del párrafo anterior ¿cuántos newtons pesa 1 kg de masa situado cerca del suelo?

Para contestar la pregunta anterior basta con tener en cuenta que 1 kilogramo de masa son 10 veces 100 gramos. Por tanto el resultado será que cada kg de masa pesará unos 10 N.

El peso de un mismo cuerpo no vale lo mismo en la superficie de la Tierra, de la Luna, o de Mar-te. Podemos tener en cuenta este hecho si conocemos el peso de 1 kg de masa en la superficie de cada uno de estos astros. Existe una magnitud cuyo valor representa la fuerza con que un astro cualquiera atrae a una masa de 1 kg situada a una cierta distancia del mismo. Se llama intensidad gravitatoria, se representa por el símbolo “g” y se mide en N/kg.

A.5. ¿Qué quiere decir que la intensidad gravitatoria en la superficie de la Tierra es de 9’81 N/kg?

De acuerdo con el razonamiento anterior, significará que 1 kg de masa en la superficie de la Tie-rra pesa (es atraído por el planeta) 9’81 N. Fijémonos que eso quiere decir que 2 kg pesarán 19’62 N, 3 kg pesarán 29’43 N, y así sucesivamente.

A.6. Proponed una fórmula para calcular el peso de un cuerpo en función de su masa y de la intensidad gravitatoria del punto donde se encuentre.

Si conocemos el valor de la intensidad gravitatoria en la superficie de distintos astros, podemoshallar fácilmente el peso de un cuerpo en cada uno de ellos.

A.7. A continuación se dan distintos astros y la intensidad gravitatoria aproximada en la superficie de cada uno de ellos. Calculad cuál sería el peso de un cuerpo de 80 kg de masa situado en la superficie de cada uno de ellos (y luego rellenad la tabla adjunta con los resultados obtenidos)

A.8. Señalad si las siguientes proposiciones son verdaderas (V) o falsas (F), explicando por qué. a) 1 kg de plomo pesa más que 1 kg de paja b) El peso se mide en kg c) En el vacío los cuerpos no pesan. d) Dentro del agua se pesa menos que fuera

Si reflexionamos sobre la actividad anterior, hemos de concluir que las cuatro proposiciones sonfalsas, ya que 1 kg de masa siempre es 1 kg de masa, sin importar que se trate de plomo o de paja. Lo que ocurre es que, si es de plomo, ocupará mucho menos espacio que si es de paja o de papel. Por otra parte, el peso no es lo mismo que la masa (aunque estén relacionados): el peso es una fuerza (se mide en N) y la masa es la cantidad de materia (se mide en kg).

La fuerza gravitatoria no depende del medio en el que se mida, da igual que estemos en el vacío o no. Un astronauta que ya ha dejado la atmósfera y se aleja de la Tierra en su nave, sigue siendo atraído por la Tierra (cada vez con menos fuerza) aunque se encuentre en el vacío; el Sol y los planetas que le rodean se atraen gravitatoriamente (y están en el “vacío”) y lo mismo ocurre con todas las estrellas de una galaxia y con las galaxias entre sí. La gravedad es una fuerza universal. Finalmente, el peso de un cuerpo es la fuerza con que la Tierra lo atrae y da igual que esté o no dentro del agua (lo que ocurre es que, en el agua, además del peso –que nos empuja hacia abajo- existe otra fuerza, que hace el agua, y que nos empuja hacia arriba).

A.9. Hallad la masa que corresponde a los siguientes pesos (todos ellos correspondientes a cuerpos situados al nivel del mar, donde g = 9’81 N/kg). a) 730 N; b) 12000 N; c) 2’5 N. Indicad objetos o cuerpos que pudieran tener los pesos indicados

Para medir el peso de un cuerpo se pueden utilizar unos instrumentos de medida llamados dinamómetros. Un dinamómetro es esencialmente un muelle situado sobre una escala calibrada.Cuando colgamos un objeto del muelle éste se alargará más o menos dependiendo del peso del objeto. La escala está calibrada de forma que nos indica el peso en N.

A.10. Utilizad distintos dinamómetros para medir el peso de diferentes objetos expresando correctamente los resultados. Una vez obtenido el peso, hallad también la masa de cada uno, en gramos.

Hemos visto que podemos calcular la masa de un cuerpo si previamente conocemos el peso. Sin embargo, la masa también se puede medir directamente mediante una balanza. La balanza más sencilla consta de dos brazos iguales de los que cuelgan dos platillos iguales y a la misma altura.

Podemos calcular la masa de cualquier objeto que coloquemos en uno de los platillos, equili-brando la balanza con pesas (de masas conocidas), que se van colocando en el otro. En el momento que la balanza quede en equilibrio podemos afirmar que los pesos (y por tanto también las masas) de lo que hay en ambos platillos, serán iguales.

Existen también balanzas monoplato (un solo platillo) y balanzas electrónicas, con cuyo usoconviene familiarizarse.

A.11. Utilizad alguna balanza para hallar la masa de los mismos objetos manejados en la actividad anterior, expresando correctamente los resultados.

1.3. Qué es el volumen y como se mide

Anteriormente hemos estudiado dos propiedades como la masa y el peso. La primera es indepen-diente de las condiciones en que se encuentre el cuerpo, es una característica propia de cada cuerpo. Sin embargo, la segunda podía tomar valores distintos dependiendo de lo alejado de la Tierra que estuviera el cuerpo.

A.12. Ahora vamos a estudiar otra propiedad de la materia llamada volumen (V). Expresad qué es el volumen y considerad si se trata de una propiedad invariable de un objeto dado (como la masa) o, por el contrario, su valor depende de algunas condiciones.

En principio podemos pensar en el volumen de un objeto macizo como el espacio que ocupadicho objeto. Así, el volumen del cristal de un vaso no viene dado por lo que cabe en el mismo (su capacidad), sino por el espacio que ocupa dicho cristal.

Por otra parte, se puede apreciar experimentalmente que, el volumen de un trozo de hierro o deuna cantidad determinada de agua o de mercurio, cambia con la temperatura, de modo que, a mayor temperatura, mayor es el volumen (en esta propiedad se basa el funcionamiento del termómetro).

A.13. ¿Por qué en las vías de ferrocarril hay cortes y no son un rail continuo? ¿Qué son las juntas de dilatación?

Conviene no confundir el volumen con la forma. Si disponemos de un trozo de hierro, le podemos dar distintas formas (plana, esférica, alambre o lineal, hacer una caja, etc) pero el volumen de hierro (el espacio que ocupa) será siempre el mismo (si la temperatura no cambia, y mantenemos la misma masa de hierro siempre).

El símbolo del volumen es “V” y la unidad internacional empleada para medirlo es el metro cú-bico (m3 ). 1 m3 es el espacio ocupado por un cuerpo de forma cúbica y de 1 m de lado.

Recordemos que existen submúltiplos (dm3 , cm3 , mm3 ) y que cada uno de ellos es mil veces más pequeño que el anterior. Habitualmente también se utiliza como unidad de volumen el litro (l)con sus múltiplos y submúltiplos (1dm3 = 1 litro y 1 cm3 = 1 mililitro).

Para medir el volumen de los cuerpos podemos utilizar diversos procedimientos e instrumentos,dependiendo del estado físico en que se encuentre el cuerpo, como veremos a continuación.

A.14. Proponed diversas formas de hallar el volumen del objeto que suministre el profesor.

Se trata de utilizar, en primer lugar, un objeto de forma regular, como un cilindro o una bola (que

quepan en una probeta) y determinar su volumen. Primero lo haremos de forma matemática (introduciendo la fórmula correspondiente), expresando el resultado en cm3 . Después, se procederá a sumergir totalmente el objeto en cuestión dentro de una probeta con agua, midiendo el aumento del nivel del líquido que se produce (que corresponderá al volumen del objeto), expresando correctamente el resultado en cm3 . Conviene tener en cuenta que el segundo procedimiento (a diferencia del primero) también sirve para determinar fácilmente el volumen de objetos irregulares.

Cuando se trata de líquidos, existen diversos instrumentos para medir el volumen como son: Laprobeta, la bureta, la pipeta graduada, el matraz aforado, etc. Es importante que los alumnos se familiaricen con ellos (cuándo conviene utilizar cada uno) y que aprendan cómo se enrasa correctamente y cómo se mira para hacer la lectura.

A.15. Expresad en litros: 1200 cm3; 1 m3; 250 ml. Expresad en cm3: 0’5 l; 1 m3; 2 dm3

A.16. Ordenad de menor a mayor: a) 752 cm3; b) 0’025 m3; c) 8’5 l; d) 950 ml

2. UNA PROPIEDAD PARA DISTINGUIR UNAS SUSTANCIAS DE OTRAS: LA DENSIDAD

La masa, el peso y el volumen se caracterizan por que, en principio, pueden tomar cualquier valor, sea cual sea la sustancia o material2 de que se trate. Si, por ejemplo, pensamos en una bola de hierro o de acero, no hay ningún inconveniente para que la masa de ésta pueda ser de 1 g, de 20 kg o de 3 t (toneladas). El mismo razonamiento podríamos hacer con el volumen y con el peso.

No obstante, no podemos olvidar que las distintas sustancias son útiles debido a que tienen otraspropiedades que, a diferencia de las anteriores, toman un valor característico para cada sustanciaindependientemente del tamaño de la muestra escogida. Estas propiedades pueden servirnos para identificar o reconocer distintas sustancias.

A.17. Citad sustancias o materiales de uso habitual y las causas por las que son utilizados.

Podemos pensar en goma, diamante, amianto, acero, cobre, vidrio, madera, pólvora, gasolina,mercurio, aluminio, plomo, etc. Éstos pueden interesarnos por distintos motivos, como por ejemplo: su elasticidad, poder aislante del calor, dureza, capacidad para conducir la corriente eléctrica, combustibilidad, capacidad para dilatarse, ser ligeros, ser pesados, etc.

3.1. ¿Qué es la densidad?

Las propiedades anteriores pueden tomar valores muy distintos según qué se considere. Por ejemplo, decimos que no es igual de duro el acero que el plomo, ni conduce igual la corriente eléctrica el cobre que el hierro, ni es igual de pesado el plomo que el aluminio. Como es lógico, no podemos realizar aquí un estudio en profundidad de cada una de ellas, de modo que nos limitaremos a considerar a título de ejemplo una de las más importantes, relacionada con la existencia de sustancias o materiales más o menos ligeros. El concepto que se ha elaborado para describir esta propiedad recibe el nombre de densidad.

A.18. Anteriormente se han señalado materiales que se utilizan porque son "ligeros" y otros porque son "pesados". Tenemos un trozo de madera junto a otro trozo de hierro. ¿Cuál será más pesado de los dos?

La pregunta anterior es absurda a menos que se haga la comparación con volúmenes iguales. Así un clavo de hierro pesa menos que una puerta de madera, pero un clavo de hierro pesará más que otro de igual volumen hecho de madera (y una puerta de hierro más que otra igual, pero de madera). Por tanto, siempre que consideremos dos volúmenes iguales de hierro y de madera, el primero pesará más, y por tanto, tendrá más masa que el segundo. Análogamente, si lo que tenemos son dos masas iguales de hierro y de madera (por ejemplo 1 kg de hierro y 1 kg de madera), el volumen del trozo de hierro será menor que el volumen del trozo de madera. Decimos entonces que el hierro es más denso que la madera. En general, decimos que:

Un material es más denso que otro si, a igualdad de volumen, la masa del primero es mayorque la del segundo.

Nota: Hay materiales, como el hierro, el aluminio o el agua, que están formados por una sola sustancia, mientras quetambién hay otros materiales, como el acero, el bronce o la madera, formados por varias sustancias. En el tema siguienteya definiremos el concepto de sustancia de una forma más precisa.

O lo que es equivalente:

Un material es más denso que otro si, a igualdad de masa, el volumen del primero es menorque el del segundo.

La densidad es una propiedad que depende, a la vez, de la masa y del volumen. Cuanto mayor sea la masa de un material por cada unidad de volumen (por ejemplo, cuantos más gramos por cada cm3) , más denso será. El plomo es más denso que el corcho porque 1 cm3 de plomo posee más masa que 1 cm3 de corcho. Un material muy ligero o poco denso es aquel que, teniendo muy poca masa, ocupa mucho espacio (tiene mucho volumen). El corcho blanco, por ejemplo, es un material de baja densidad. En cambio, el mercurio, el plomo, el oro, son mucho más densos, ya que en poco volumen hay concentrada mucha masa. Una masa de 1 kg de corcho blanco ocupa mucho más espacio que 1 kg de mercurio o de oro.

En los materiales muy densos la masa está muy concentrada (ocupa poco volumen) mientras queen los materiales de baja densidad, la masa está poco concentrada (ocupa mucho volumen).

A.19. Tenemos dos sustancias (que llamaremos A y B) de 1 kg de masa cada una. El volumen de A es de 1000 cm3 mientras que el de B es de 80 cm3 . Razonad cuál de las dos es más ligera o, lo que es equivalente, cuál tiene menor densidad.

A.20. Tenemos dos sustancias (que llamaremos A y B) de 1 cm3 de volumen cada una. La masa de A es de 1g mientras que la de B es de 12’5 g. Razonad cuál de las dos es más ligera o, lo que es equivalente, cuál tiene menor densidad.

Hasta aquí ha sido fácil razonar de dos sustancias cuál era más densa y cual menos, ya que, obien tenían la misma masa, o bien tenían el mismo volumen, pero ¿qué hacer cuando las masas y los volúmenes son diferentes? ¿cómo podremos comparar en ese caso?

A.21. Supongamos que 11’2 g de un determinado material (X) ocupan un volumen de 14 cm3 , mientras que 15 g de otro material (Y) ocupan un volumen de 25 cm3 . ¿Cuál de estos dos materiales es más denso? Proponed una expresión para calcular la densidad.

Para poder comparar podemos hallar la masa que le correspondería a una misma unidad de volumen en cada caso. Por ejemplo cuántos gramos de X habrá en cada cm3 de volumen de X y cuántos gramos de Y habrá en cada cm3 de Y. Para ello no tenemos más que dividir cada masa entre su volumen correspondiente.

Por tanto, el material X es más denso que el material Y ya que en cada cm3 de X hay una masa de 0’8 g mientras que en cada cm3 de Y la masa es sólo de 0’6 g.

De acuerdo con la anterior expresión, podemos definir la densidad como una propiedad de la materia que toma un valor característico para cada sustancia o material determinado. Dicho valor coincide con el de la masa correspondiente a una unidad de volumen. Para calcularlo, basta con tomar un trozo del material que sea y dividir su masa entre su volumen.

Un valor alto de la densidad quiere decir que la masa está muy concentrada, que hay mucha masa en poco volumen.

La densidad se representa por la letra griega (léase “ro”). Su unidad internacional es el kg/m3,aunque son habituales otras unidades como g/cm3 o g/l.

En la tabla siguiente se dan algunas densidades para una temperatura de 20 ºC (excepto en los casos del agua y el hielo) y a presión normal (1 atm).

A.22. ¿Qué quiere decir que la densidad del oro, a 20ºC, es de 19’3 g/cm3 ? ¿Por qué se especifica la temperatura a la que se mide la densidad?¿Qué volumen tendrá 1 kg de oro? (dad el resultado en litros).

A.23. Calculad cuál será la masa en kilogramos de 1 litro de mercurio y comparadla con la masa en kg de un litro de agua a 4º C. (Obtened los datos necesarios de la tabla anterior).

Experimentalmente se comprueba que, para que un sólido macizo flote sobre un líquido, el primero ha de ser menos denso que el segundo. Lo mismo ocurre con líquidos no miscibles (por ejemplo aceite sobre agua) y con los gases.

A.24. ¿Qué importancia tiene para la naturaleza que el hielo sea menos denso que el agua?

A.25. ¿Por qué en el mar se flota mejor que en el agua dulce?

A.26. ¿Qué hay que hacer para que un globo aerostático lleno de aire se eleve en el aire?

A.27. Un material A tiene una densidad de 5’2 g/cm3, otro B de 586 g/l y otro C de 2700 kg/m3. Ordenadlos de menor a mayor densidad.

A.28. Un alumno ha escrito como fórmula para hallar el valor de la densidad: = V/m. Explicad por qué esa expresión resulta incoherente con el concepto de densidad tal y como éste ha sido definido.

Unos estudiantes afirman que la densidad de un material determinado depende de la cantidad de ese material que tomes para hallar su valor. Otros, por el contrario dicen que la densidad es una propiedad que toma un valor determinado para cada material, independientemente de lo grande o pequeño que sea el trozo que coges para calcularla.

A.29. Formulad vuestras propias hipótesis sobre el párrafo anterior y diseñad -y llevad a cabo- alguna experiencia para comprobarlas.

Cabe esperar que, entre vuestras hipótesis, haya surgido la idea de que el tamaño del trozo de material considerado no tendría ninguna influencia en el valor de la densidad, ya que todo cambio de volumen se vería compensado por un cambio en la misma proporción en la masa. Por ejemplo: si cojo un trozo mayor, también su masa será mayor, de modo que el cociente m/V dará siempre lo mismo.

Para comprobar la hipótesis anterior basta con utilizar trozos de tamaño diverso de un mismo material e ir determinando en cada caso la masa y el volumen, recogiendo los datos en una tabla. Resulta sencillo hacerlo, por ejemplo, con aceite de oliva.

Unos alumnos han procedido a medir la masa y el volumen de distintas muestras de un mismoaceite de oliva. Los resultados se exponen en la tabla siguiente:

A.30. Analizad los resultados de la tabla anterior.

Si la densidad es independiente de lo grande o pequeña que sea la muestra considerada, veremos que, al dividir cada masa por su volumen correspondiente en la tabla anterior, salen resultados muy parecidos (recordad que toda medida viene afectada de una cierta imprecisión inevitable). Mejor todavía sería (si es posible) representar gráficamente los valores de m frente a los valores de V y comprobar que sale una línea recta, con lo que se concluye que, efectivamente, ambas magnitudes (m y V) son directamente proporcionales. La constante de proporcionalidad es precisamente la densidad del aceite de oliva y su valor se puede obtener de la gráfica fácilmente, para luego compararlo con el que figura en la tabla de densidades.

A.31. Ya hemos comentado la utilidad de ciertas propiedades como la densidad en la identificación de distintos materiales. Utilizad lo aprendido hasta aquí para identificar los materiales que podáis, de entre los que suministre el profesor.

Para esta actividad se puede utilizar, por ejemplo: acero, aluminio, plomo, cinc, vidrio, aceite, agua, porexpan, etanol, etc., junto con una tabla de densidades adecuada. La actividad puede aprovecharse también para mostrar de forma experimental que las sustancias menos densas que el agua (e inmiscibles en ella), flotan (y al contrario), lo que permite comprender mejor muchos fenómenos cotidianos importantes como, por ejemplo, que los globos llenos de ciertos gases se elevan, o por qué el aire caliente (menos denso), sube mientras que el frío (más denso) desciende (brisas costeras). En los casos de sustancias en estado sólido, conviene utilizar objetos regulares, para facilitar una medida del volumen más precisa de la que se obtendría por inmersión del objeto en una probeta.

El profesor puede suministrar un trozo de un material cuya densidad sea conocida. Los alumnos

proceden a hallar su volumen aproximado, introduciéndolo en una probeta (o por consideraciones geométricas si es regular) y a multiplicar el valor obtenido por el de la densidad correspondiente. La actividad puede completarse comprobando el resultado mediante una balanza.

2.2. Importancia práctica de un metal de baja densidad: el aluminio

El aluminio es un metal de color grisáceo y que tiene una gran cantidad de usos. Se trata del metal más abundante en la corteza terrestre. Debido a que se combina bastante fácilmente con el oxígeno no se encuentra libre en la naturaleza, sino formando compuestos con el oxígeno. Así, el mineral denominado Bauxita tiene un elevado contenido de óxido de aluminio. Los primeros objetos de aluminio comenzaron a fabricarse en 1845.

El aluminio tiene una serie de propiedades que lo hacen especialmente interesante. Entre ellaspodemos destacar las siguientes:

a) No es tóxico ni él ni muchas de sus combinaciones.b) Es resistente a la mayoría de los ácidos orgánicos.c) Es blando y muy maleable (se puede laminar en hojas muy finas).d) Se oxida fácilmente, pero tiene la particularidad de que lo hace con una fina capa superficial de óxido, que actúa impidiendo que la oxidación prosiga en su interior, con lo que, en la práctica, es más resistente a la corrosión que el hierro.e) Es un metal muy ligero. Su densidad es 2’7 g/cm3 (casi tres veces menor que la del hierro).

A.33. Teniendo en cuenta las propiedades anteriores, haced una reflexión sobre los distintos usos que puede tener el aluminio.

Podemos referirnos en primer lugar a que, debido a su no toxicidad, resistencia a muchos ácidosy diversos líquidos orgánicos, y capacidad para formar con él láminas muy finas (papel de aluminio), es un material ideal en la industria alimentaria, donde se usa ampliamente para envolver alimentos. También para fabricar envases que contengan líquidos destinados al consumo humano (cerveza, refrescos, etc).

Por otra parte, debido a su baja densidad y a su notable resistencia a la corrosión, tanto el aluminio como algunas de sus aleaciones están siendo extraordinariamente utilizados en la industria de la construcción (por ejemplo, marcos de ventanas de aluminio) y en la fabricación de muchos vehículos en los que la ligereza es una cualidad deseable, como, aviones, bicicletas, etc. En la actualidad se están fabricando ya automóviles con carrocerías en las que una gran parte es de aluminio. Esto puede tener una gran importancia ya que, al reducir el peso del vehículo, el consumo de combustible es menor, lo que puede contribuir a disminuir la contaminación atmosférica y ahorrar energía.

Desgraciadamente frente a todas estas ventajas también se han producido graves inconvenientes. Así, por ejemplo, cada vez es más frecuente encontrar latas de aluminio vacías en cualquier parte, ya queéstas han sustituido ampliamente a los envases de vidrio retornables. Análogamente ocurre con el papel de aluminio utilizado para envolver, etc. Es necesario que todos nos impliquemos en evitar hechos como estos y depositemos las latas de aluminio y en general todos los residuos que generamos en los contenedores adecuados para el reciclaje de los mismos.

Hasta aquí hemos estudiado algunas propiedades generales de los sólidos y líquidos (masa, pesoy volumen) y hemos realizado un estudio más detenido de la densidad, como un ejemplo de propiedadque toma un valor distinto según el material o sustancia que se trate. Hemos aprendido mucho, pero también se han abierto nuevos interrogantes como, por ejemplo: ¿por qué hay unos materiales más densos que otros? que trataremos de contestar en capítulos posteriores.

Por otra parte, también nos quedan pendientes algunos problemas importantes como el de si laspropiedades estudiadas hasta aquí, para las sustancias en estado sólido o líquido, se pueden aplicar también a los gases. En concreto:a) ¿Tienen masa los gases?b) ¿Pesan o no?c) ¿Tienen volumen?d) ¿Se puede hablar de densidad de un gas?

Si resulta que las propiedades anteriores se pueden extender también a los gases, habremos de concluir que los gases también son materia como los líquidos o los sólidos, solo que en un estado distinto. Además como los gases se comportan todos de forma parecida y bastante simple, resultará que el estudio de los gases será lo más conveniente para investigar cómo es la materia en general por dentro (la estructura de la materia) y poder así avanzar en la comprensión de los distintos cambios materiales.

3. NATURALEZA Y COMPORTAMIENTO DE LOS GASES

Como acabamos de señalar, el estado gaseoso es aquél en el que la materia presenta un comportamiento más simple. No es de extrañar pues, que el estudio de las propiedades comunes de los gases esté íntimamente ligado al desarrollo de las primeras concepciones acerca de la estructura de la materia. Comenzaremos por una breve descripción de dicho comportamiento.

A.34. Citad sustancias que habitualmente se encuentren en estado gaseoso y elaborad una lista, describiendo todas las propiedades que se atribuyen a los gases.

El hecho de que la mayoría de las sustancias gaseosas habituales no se puedan ver, puede llevar apensar, erróneamente, que todos los gases son aire (que tampoco se puede ver). No obstante, aunque hay muchos gases incoloros, estos no son idénticos al aire (el cual es una mezcla nitrógeno, oxígeno y algunos otros gases). Así, por ejemplo el amoniaco, el agua, el butano, el hidrógeno, el helio, el sulfuro de hidrógeno, etc, son sustancias que, en estado gaseoso, tienen propiedades diferentes entre ellas y con el aire. Además, es posible observar algunos gases coloreados como, por ejemplo, el yodo en estado gaseoso.

De todas formas, a pesar de la variedad de gases existentes, lo cierto es que es bastante sencillo darse cuenta de que la mayoría de ellos presentan toda una serie de propiedades comunes, entre las que se encuentran las siguientes:1º) Se pueden recoger y almacenar.2º) Se mezclan fácilmente entre si.3º) Se pueden comprimir mucho.4º) Ejercen presión sobre las paredes del recipiente que los contiene.5º) Ocupan la totalidad del recipiente en el que se encuentren.6º) En el caso de que el recipiente tenga alguna pared móvil (por ejemplo un émbolo) se observa que, al calentar el gas de dentro (elevar su temperatura), éste se dilata empujando al émbolo hacia fuera (aumenta el volumen).7º) En caso de que todas las paredes sean fijas y el recipiente hermético, al calentar el gas aumenta la presión que éste ejerce sobre las paredes.

A.35. Diseñad experimentos sencillos que permitan poner de manifiesto las propiedades enumeradas.

La difusibilidad de los gases, puede ponerse en evidencia mediante la conexión de dos recipientes, uno de los cuales contenga un gas coloreado y el otro simplemente aire. El uso de bombines de bicicleta o de jeringuillas taponadas, puede servir para mostrar la compresibilidad de los gases, y resulta cómodo y espectacular la utilización de globos colocados cerca de focos caloríficos, para comprobar la influencia de la temperatura en el volumen.

Más dificultades plantea la constatación de la variación de la presión con la temperatura (a volumen constante). En este sentido podemos pensar en el aumento de la presión en los neumáticos de los vehículos tras rodar algún tiempo. Se puede conseguir fácilmente una visión directa de este aumento de presión con la temperatura, colocando una moneda sobre el gollete de una botella vacía (mojándolo previamente para hacer un cierre hermético). Para ello y una vez puesta la moneda, se rodea la botella con las manos, con lo que rápidamente se observa cómo el aumento de presión provoca que la moneda se levante; esto permite que escape algo de gas, lo que hace disminuir la presión, con lo que la moneda cae de nuevo y se repite otra vez el proceso.

A.36. Algunas personas piensan que los gases no pesan. Otras dicen que eso no es verdad ya que hay algunos, como el butano, que sí pesan. Diseñad una experiencia sencilla de realizar que sirva para demostrar que todos los gases pesan y que, por lo tanto, tienen masa.

Se pueden pensar (y llevar a cabo) experiencias muy sencillas, como las siguientes:

a) Colocad un vaso con un poco de agua sobre una balanza electrónica y, a continuación, añadid una pastilla efervescente al agua. Es fácil comprobar que, nada más añadir la pastilla, la balanza señala un peso mayor pero, inmediatamente, ese peso empieza a disminuir y lo sigue haciendo mientras dure la efervescencia de la pastilla (se siga escapando dióxido de carbono gaseoso).

b) Utilizando un tapón de goma horadado de los que existen en el laboratorio, insertad en el mismo una válvula de bicicleta (el profesor recortará la goma si es necesario). A continuación, tapad fuertemente con él un matraz erlenmeyer y pesad el conjunto en una balanza adecuada. Luego, con una bomba de aire apropiada, meted unas pocas emboladas de aire dentro del recipiente (si se meten muchas, debido al aumento de presión, el tapón puede saltar). Se comprobará que se produce un aumento de peso. Si, a continuación se aprieta la válvula, se observará como sale el aire introducido y el peso toma el mismo valor que anteriormente.

Después de haber descrito algunas de las propiedades comunes de los gases, podemos buscar unmodelo que sea capaz de explicar todas ellas.

Si los gases pesan han de tener masa. Por tanto, también podemos hablar de la densidad de un gas y podemos hallarla sin más que dividir la masa entre el volumen del recipiente ocupado por el gas.

Así, la densidad del aire a una temperatura de 0 ºC y a presión normal (1 atm) es de 1’30 kg/m3 o, lo que es equivalente, de 0’0013 g /cm3. Un mismo gas puede tener valores muy distintos de la densidad, ya que las variaciones de ésta con la presión y la temperatura son mucho más acusadas en los gases que en sólidos y líquidos.

En caso de que todas las paredes sean fijas y el recipiente hermético, al calentar el gas aumentala presión que éste ejerce sobre las paredes.

A.37. Hallad la masa y el peso aproximados del aire existente en el aula de clase, sabiendo que, a 20 ºC y presión normal, la densidad del aire es de 1’20 kg/m3.

4. ELABORACIÓN DE UN MODELO CAPAZ DE EXPLICAR LAS PROPIEDADES DE LOS GASES. MODELO CINÉTICO-CORPUSCULAR

A.38. Elaborad posibles modelos que representen cómo están hechos los gases y puedan explicar por qué éstos se difunden tan fácilmente y por qué ocupan todo el volumen del recipiente que los contiene.

Podemos pensar que los gases están formados por partículas extraordinariamente pequeñas (tanto que, en sólo un gramo de cualquier gas existirán muchos millones) y que éstas se encuentran moviéndose continuamente a grandes velocidades de forma totalmente caótica y desordenada. Así, con tan solo unos pocos gramos de un gas, como hay tantas partículas y tan pequeñas, moviéndose sin parar en todas direcciones, podemos entender que el gas se expanda, difundiéndose por todo el recinto que lo contenga, de modo que, en cualquier zona del mismo, podemos detectar su existencia (pensemos por ejemplo en una botella de perfume que se deja abierta, en el aroma que nos llega de una cocina en la que se está elaborando algún guiso, etc).

A.39.Utilizad el modelo anterior para explicar por qué los gases se pueden comprimir tanto, se pueden mezclar tan fácilmente unos con otros, ejercen presión sobre las paredes del recipiente donde se encuentran, al calentarlos se dilatan o, si el volumen del recipiente no puede variar, aumenta la presión interna que ejercen sobre las paredes.

Como las partículas tienen un tamaño tan sumamente pequeño, aunque haya muchas, entre ellas existen grandes espacios vacíos (en comparación siempre con el tamaño de las partículas), lo que explica que los gases se puedan comprimir tanto (las partículas se aproximarán unas a otras).

Al haber millones de partículas en movimiento y en todas direcciones, cada segundo se producirán millones de choques contra todas las paredes del recipiente (a los lados, arriba y abajo). El resultado de estos choques es que el gas ejerce una presión sobre todas las paredes.

Al calentar el gas, se le comunica energía y las partículas se mueven en general más deprisa de lo que lo hacían antes. El resultado es que los choques son más violentos con lo que, si el recipiente tiene

una pared móvil, el gas la empujará aumentando así el volumen (decimos que el gas se dilata) sin que cambie la presión. Si el recipiente no tiene ninguna pared móvil sino que todas son rígidas y fijas, como los choques contra las paredes serán más numerosos y más violentos (hay muchas partículas que se mueven más rápidamente que antes de calentar) y el volumen no varía, la presión que hace el gas sobre las paredes aumentará.

Así pues, podemos pensar en un modelo denominado modelo cinético-corpuscular para los gases, según el cual todos los gases estarían formados por muchísimas partículas o corpúsculos, sumamente pequeños, en continuo y caótico movimiento, tanto más rápidos cuanto mayor sea la temperatura y separados entre ellos por grandes distancias o espacios huecos (en comparación con su tamaño). De hecho, tan sólo en 1 cm3 de aire a la presión atmosférica (como un dado de jugar al parchís) sabemos que existen más de un trillón (un millón de millones de millones) de partículas, correspondientes a los distintos gases que lo forman. Entre esas partículas no hay nada.

Otra característica del modelo cinético de los gases es que las partículas que forman un gas nosufren dilataciones ni compresiones ni tampoco cambios de estado. Se trata de corpúsculos con masa y prácticamente puntuales. De hecho, si fueran las propias partículas de un gas las que se dilataran al calentarlo, cabría esperar que, al aumentar de tamaño, se difundieran más lentamente (por ejemplo aumentara la dificultad para salir por un pequeño orificio). Sin embargo ocurre justamente lo contrario. La masa y el tamaño no cambian, lo que varía es la velocidad, y si se mueven más deprisa también se difundirán más rápidamente.

A.40. Conseguid una cafetera como la de la figura adjunta, desmontadla y tratad de explicar cómo funciona. Para ello, tened en cuenta lo que acabamos de estudiar sobre las propiedades y comportamiento de los gases.

Si abrimos una cafetera como la de la figura anterior, veremos que consta de un recipiente inferior en el que se coloca agua (sin sobrepasar una válvula de seguridad). En dicho recipiente ajusta una especie de embudo que, en su interior, tiene una base metálica llena de pequeños agujeros y sobre la que se dispone el café molido. En cuanto a la parte superior (que se suele enroscar en la inferior), tiene una tapadera que se puede levantar, un asa de material refractario y del fondo sale una especie de tubo cónico con un agujero arriba. Además, la base que hace contacto con el café (cuando se rosca la parte superior con la inferior) está llena de pequeños agujeros que comunican con el tubo anterior. Una arandela de goma rodea esos pequeños agujeros para asegurar la estanqueidad.

En las figuras siguientes se muestran dos esquemas de la cafetera ya dispuesta para hacer el café.Como puede comprobarse, en la parte inferior hay aire entre el nivel del agua y el café.

Cuando la cafetera está al fuego, el aire contenido en la parte superior está a la presión atmosférica pero no ocurre lo mismo con el aire situado en la parte inferior (A) que, al ir aumentando su temperatura aumentará también la presión que ejerce sobre las paredes de la cafetera y sobre el agua, con lo que el agua caliente se moverá debido a esa presión y saldrá por el único sitio disponible, esto es, subirá por el tubo del contenedor y pasará por los agujeros atravesando el café (formando un disolución) y, ascendiendo por el cono hueco de la parte superior, saldrá finalmente por el agujero B.

5. EXTENSIÓN A TODA LA MATERIA ORDINARIA DEL MODELO CORPUSCULAR ELABORADO

PARA LOS GASES.

A.41. El estudio del comportamiento de la materia que hemos realizado hasta aquí, lo hemos basado en la naturaleza y comportamiento de los gases. Cabe plantearse ahora: ¿En qué medida podemos aceptar que la existencia de partículas es una característica de toda la materia y no sólo de los gases?

Para contestar a la pregunta anterior podemos reflexionar acerca de algunas propiedades de líquidosy sólidos, como las siguientes:

Líquidos y sólidos, aunque muy poco, se pueden comprimir y en general se dilatan con el calor.Muchas sustancias que en condiciones ambientales habituales se encuentran en estado líquido, sólido o gas, pueden sufrir cambios de estado reversibles sin dejar por ello de ser la misma sustancia. Por ejemplo: el agua se puede encontrar en estado sólido (hielo) o también en estado gaseoso (vapor) además del estado líquido y no por ello deja de ser agua, ya que puede pasar de uno a otro con relativa facilidad.Existen sustancias que, en estado líquido, se pueden mezclar fácilmente unas con otras. Incluso, en algunos casos (como sucede con el agua y el alcohol) resulta que al adicionar dos volúmenes V1 y V2 el volumen resultante es apreciablemente menor que la suma de los volúmenes.Algunos sólidos como la sal común, el azúcar, el sulfato de cobre, etc, se pueden disolver fácilmente en líquidos como el agua, extendiendo a todas las partes de la disolución su presencia (color, sabor, etc).

La existencia de propiedades como las anteriores parece apoyar la idea de que, al igual que ocurre en los gases, los sólidos y los líquidos también están formados por partículas pequeñísimas, aunque en estos casos, unidas mediante fuerzas de atracción (que no tendrían prácticamente influencia entre partículas moviéndose a grandes velocidades) y situadas a cortas distancias entre ellas. Esta unión entre las partículas permitiría movimientos de vibración más o menos amplios según la temperatura (lo que explicaría las dilataciones que pueden sufrir muchos sólidos y líquidos al calentarse).

Por último que un líquido pueda difundirse en otro (ejemplo, tinta en agua) y cambiar de forma según el recipiente que lo contenga, sugiere fuerzas atractivas entre las partículas, de menor intensidad que en los sólidos, así como la existencia de huecos entre ellas de modo que, además de vibrar, puedan desplazarse, ocupando alternativamente esos huecos.

En cuanto a los cambios de estado, podemos entender que, por ejemplo, un gas se pueda convertir en líquido (sin dejar de ser la misma sustancia) si admitimos que al enfriarlo o comprimirlo hacemos que las partículas se aproximen lo suficiente como para que comiencen a actuar las fuerzas de atracción entre ellas y se enlacen. Análogamente cuando un sólido se calienta, las vibraciones de las partículas se hacen más intensas la distancia entre ellas aumenta y algunos enlaces se rompen, de modo que se pasa al estado líquido. Si se sigue calentando, muchas partículas pueden conseguir energía suficiente para escapar al medio que rodea a la sustancia.

RECAPITULACIÓNEn este capítulo hemos intentado, fundamentalmente, contestar a una pregunta: ¿Cómo es la

materia por dentro? y hemos llegado a la conclusión de que está compuesta por partículas muy pequeñas, lo que nos ha llevado a elaborar un modelo cinético-corpuscular para toda la materia.

Hemos visto cómo el modelo cinético-corpuscular explica el comportamiento de la materia y quetanto sólidos como líquidos y gases están compuestos por partículas, entre las que existen fuerzas de atracción más o menos intensas, que se encuentran en movimiento (vibratorio y restringido en sólidos y líquidos, caótico en los gases).

Para llegar a elaborar el modelo cinético corpuscular, hemos estudiado algunas propiedades como la masa, el peso y el volumen. También le hemos dedicado una especial atención a otra propiedad muy importante: la densidad y a mostrar que los gases también son materia y, por tanto, también tienen masa y también pesan.

No obstante, se nos plantean nuevas preguntas: ¿cómo son las partículas materiales?, ¿de qué naturaleza son las fuerzas de atracción que las mantienen unidas en sólidos y líquidos?, ¿cómo pueden enlazarse las partículas entre ellas? En los temas siguientes, trataremos de darles respuesta.

PROPIEDADES GENERALES DE LA MATERIA. ACTIVIDADES DE REFUERZO

1. Disponemos de 500 g de agua en estado líquido. La ponemos en el congelador hasta que todael agua se haya convertido en hielo. Señalad si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas, explicando en cada caso, el porqué:A) Habrá aumentado su volumen pero también su masa, de modo que la densidad no habrá cambiado.B ) Habrá aumentado su volumen, pero no su masa ni su densidad.C) No habrá cambiado ni su masa ni su volumen.2. ¿Dónde será mayor la masa de un astronauta, en la superficie de la Tierra o en la de la Luna? ¿Dónde será mayor su peso?3. Tenemos tres objetos cuyas masas son: m1 = 15200 mg; m2 = 16 g; m3= 0'02 kg. ¿Cuál de ellos tiene mayor masa? ¿Cuál la tiene menor?4. Una chica se pesa en una balanza y ésta marca 52'3 kg. ¿Qué magnitud física mide la balanza? ¿Cuál sería el peso de la chica?5. ¿Cómo determinaríais el volumen de una moneda de 50 céntimos? ¿y el de un cubo?6. Expresad en m3 las siguientes cantidades: 1350 dm3 ; 1’5· 106 cm3 ; 14500 l.7. Las mareas negras se producen debido a que algunos barcos petroleros sufren accidentes y parte del petróleo que transportan se vierte al mar. ¿Cuál creéis que es el motivo de que los derivados del petróleo floten sobre la superficie del agua del mar?8. Expresad las siguientes densidades en unidades del SI:a) = 0'8 g/cm3; b) = 8900 g/l; c) = 6 g/dm3

9. Si la densidad del aceite a 20°C es de 0'93 g/cm3, calculad la masa que tendrá 1 l de aceite a esa temperatura.10. Calculad el volumen que ocupa 200 g de mercurio a 20°C y presión normal (densidad del mercurio en esas condiciones = 13'6 g/cm3).11. Explicad por qué el aluminio ha sustituido al hierro en la construcción de marcos de ventanas y barandillas de balcones y miradores.12. ¿Qué ventajas presenta el aluminio frente al acero como material en la construcción de vehículos?13. Dibujad cómo creéis que estarían dispuestas las partículas, según la teoría cinético-corpuscular, en el estado sólido, líquido y gaseoso.14. Explicad por qué las ollas a presión deben tener una válvula de seguridad por donde sale el vapor de agua que se produce en ellas al cocer los alimentos.