Canvis d'estat

Com ja hem comentat, les partícules que formen els cossos o sistemes materials es troben en continu moviment i aquest moviment està molt relacionat amb la quantitat d’energia que reben els cossos, és a dir, amb la temperatura. Conforme puja la temperatura, les partícules vibren i xoquen unes amb altres cada vegada més. Això augmenta l’espai existent entre elles i el cos es dilata (s’expandeix), és a dir, que es produeix un augment del volum que ocupa al espai. Pel contrari, si baixa la temperatura les partícules van deixant de vibrar tant i l’espai entre elles disminueix. Així, en general, la matèria es contrau en refredar-se.

El mode en que es troba la matèria és el resultat de la relació entre les seues partícules, la qual produeix tres estats físics principalment: sòlid, líquid i gasós. Aquests estats de la matèria es diferencien en les seues propietats. La transformació d'un estat en un altre s'anomena “canvi d'estat”.

•          En condicions ambientals normals, cada tipus de material té un estat típic, però, de vegades, açò pot canviar-se.                         [Per exemple: el ferro és sòlid, l'aigua és líquida, l’oxigen es gasós]

SÒLIDS

        Els cossos sòlids són aquells en els que les partícules que el formen, encara que es troben en continua vibració, estan juntes i ordenades en una estructura estable. 

      ·Tenen forma pròpia, que es manté si no s’hi exerceix cap força en ells.

      ·Mantenen el volum, encara que en calfar-los augmenten una miqueta (es dilaten) i disminueixen (es contrauen) quan es refreden.

LÍQUIDS

        Els sistemes líquids són aquells en els que les partícules es troben juntes, però desordenades i fluint unes damunt d’altres. És molt més fàcil que es mesclen substàncies diferents en aquest estat; de fet, fins i tot els gasos es poden dissoldre en ells.

      ·         No tenen forma pròpia, sinó que s’adapten al recipient que els conté. 

      ·      Mantenen el volum, encara que en calfar-los augmenten una miqueta (es dilaten)  i disminueixen (es contrauen) quan es refreden.

GASOS

        Els sistemes gasosos són aquells en els que les partícules es troben molt separades unes d’altres.

      ·   No tenen forma pròpia, sinó que s’adapten al recipient que els conté.

      ·   No mantenen el volum, de fet, s’expandeixen tant com poden fins a ocupar tot l’espai lliure. Així i tot, en calfar-los augmentarien una miqueta el volum i el disminuirien en refredar-se.

  Fusió

Les partícules de sòlid que vibren ordenades es mouen cada vegada més conforme augmenta la temperatura fins que se desestabilitzen i comencen a fluir unes damunt d’altres.

 

Solidificació

Les partícules de líquid que estan fluint s’ordenen cada vegada més conforme disminueix la temperatura fins que s’estabilitzen formant una estructura sòlida.

La solidificació es produeix per parts, de manera que algunes partícules s’ordenen en grups amb una orientació i unes altres en altra orientació. Cada grup forma el que es diu grans cristal•lins diferents dins d’un mateix sòlid. De vegades, la ordenació de les mateixes partícules a la solidificació pot ocórrer amb reorientacions diferents.

Açò explica perquè a la naturalesa apareixen substàncies amb formes geomètriques perfectes sense que ningú no las haja tallat: els àtoms o molècules de l’interior s’han disposat de forma completament ordenada.

Vaporització

En qualsevol recipient on hi haja un líquid, sempre n’hi haurà (encara que siga en petita quantitat) el vapor d’eixe mateix líquid. En augmentar la temperatura les partícules, que estaven desordenades però encara juntes, es mouen a més velocitat; tant que es separen i el cos en expansió passa a estat gasos. 

Es pot produir de 2 formes:

• L’evaporació: pot ocórrer a qualsevol temperatura. [ex.: quan la roba mullada estesa s’eixuga, les molècules d’aigua, a poc a poc, passen a l’atmosfera en forma de gas.]

• L’ebullició: ocorre a una temperatura determinada. [ex.: quan calfem aigua fins que bulla (als 100^oC), a l’interior de la massa de líquid es formen bombolles gasoses de la mateixa matèria que el líquid]

Condensació

Quan les partícules de gas es refreden, comencen a apropar-se i a unir-se unes i altres fins que es transformen en líquid, formant gotetes cada vegada més grosses.

• De vegades ho fan al posar-se en contacte amb una superfície freda. [ex.: les molècules d’aigua en estat gasos dissoltes a l’aire, en contacte en una superfície freda, s’adhereixen unes amb altres formant una capa fina d’aigua en estat líquid].

• Altres vegades ho fan surant en gotetes enmig del gas. [ex.: els núvols (que no estan fets de vapor d’aigua), sinó de gotetes microscòpiques d’aigua líquida, es formen per la condensació de l’aigua gasosa (blau del cel) dissolta a l’atmosfera] [ex.: la boira està feta de xicotetes gotetes d’aigua líquida].

Sublimació

Algunes substàncies són capaces de passar de sòlid a gas directament, sense passar per l’estat líquid. [ex.: la naftalina o el iode tetes gotetes d’aigua líquida].

Sublimació inversa

Les partícules de gas s’ordenen tant i tan de pressa que passen directament a formar estructures sòlides. [ex.: el gebre o la neu estan fets de microscòpiques estructures cristal•lines d’aigua sòlida].

Eureka!!!

Hierón II, rei de Siracusa en el segle III a.C. i parent d’Arquímedes, tenia suficient confiança en ell per a plantejar-li problemes aparentment impossibles. Cert orfebre li havia fabricat una corona d’or. El rei no estava molt segur de que l’artesà hagués actuat correctament; podria haver-se guardat part de l’or que li havien entregat i haver-lo substituït per plata o coure. Així que Hierón encarregà a Arquímedes que esbrinara si la corona era d’or pur.

Arquímedes no sabia com fer. La corona tenia el mateix pes que els lingots d'or que el rei havia donat a l'orfebre. Però el coure i la plata són més lleugers que l’or. Si l'orfebre haguera afegit qualsevol altre metall a la corona, encara que l'aliatge pesara el mateix que una corona feta tota d'or, ocuparia un espai major que el d’un pes equivalent d’or. Si coneguera l’espai ocupat per la corona (és a dir, el seu volum) podria contestar a Hierón, el que no sabia era com calcular el volum de la corona.

Arquímedes va seguir pensant en el problema, fins que un dia als banys públics, de sobte es posà en peu com impulsat per un ressort: se'n va adonar que el seu cos desplaçava l’aigua fora de la banyera. El volum d’aigua desplaçat tenia que ser igual al volum del seu cos. Per a esbrinar el volum de qualsevol cosa, a soles s’hauria de mesurar el volum d’aigua que es desplaçava.

Arquímedes va córrer cap a casa, completament nu i cridant: "EUREKA!" (“ho he trobat!")

Va omplir d’aigua un recipient, va col·locar dins la corona i mesurà el volum d’aigua desplaçada. Després va fer el mateix amb una peça d’or pur de la mateixa massa; el volum desplaçat amb la peça d'or era menor. L’or de la corona s’havia mesclat amb un metall més lleuger, la qual cosa li donava un volum major. Quan ho va comunicar al rei Hierón, aquest ordenà executar a l’orfebre. 

Adaptat de "Momentos estelares de la ciencia" d'Isaac Asimov

Ara contesta les següents questions i envia la resposta al meu correu. (Si ho fas be, podràs pujar fins a 1 punt de la nota de classe!!!)

1. De quines 3 magnituds parla Arquímedes en el següent fragment? enllaça les frases amb les seues magnituds i defineix cada una.

"... La corona tenia el mateix pes que els lingots d'or que el rei havia donat a l'orfebre. Però el coure i la plata són més lleugers que l’or. Si l'orfebre haguera afegit qualsevol altre metall a la corona, encara que l'aliatge pesara el mateix que una corona feta tota d'or, ocuparia un espai major que el d’un pes equivalent d’or..." 

2. Quin volum ocuparà una corona d'or pur de 5 kg de massa?
[densitat de l'or = 19,3 g/cm³]


3. Si es substitueix 1 kg d’or de la corona anterior per coure, quin volum ocuparà? 
[densitat del coure = 8,9 g/cm³]


4. Quina corona tindrà un volum major, la de l'aliatge d'or amb coure o la d'or pur?
I quina tindrà una densitat major?

Si voleu jugar una miqueta a fer d'Arquímedes, cliqueu ací: 

http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/intro.htm

I ací teniu un còmic de com va ocòrrer la història... probablement xD

http://archimedespalimpsest.org/images/kaltoon/index.php

(Tret de The "Eureka" Story illustrated by Kevin Kallaugher - "The Archimedes Palimsest")

Pràctiques de laboratori

Ací teniu les dades de la pràctica de laboratori de cada grup...






Acordeu-vos de fer l'exercici 7 i fixeu-vos bé en les unitats que poseu!!!

¹* = Recordeu que aquest grup s'ha enganyat al mesurar la massa d'eixos líquids. Hauríem de restar la massa de la proveta buida.

²* = Com que al tercer grup les masses estaven errades, les densitats de l'aigua i l'oli també ho estaran (per això la densitat és una magnitud derivada de la massa i del volum). Si vols fer la mitjana de les densitats de la classe, recorda que pots fer dues coses: o agafes els altres dos resultats i ho divideixes entre 2; o bé tornes a calcular les masses equivocades restant-li la massa del recipient buit per calcular bé la densitat equivocada i fer a mitjana amb les 3.

1 ) goma = 1,4 g/cm³ 

2) aigua = 1 g/cm³

3) pirita = 5 g/cm³

4) oli = 0,9 g/cm³

5) quars = 2,65 g/cm³

6) alcohol = 0,789 g/cm³

Magnituds

Massa 

La massa és la quantitat de matèria d'un cos. La massa d’un cos        equival a la suma de les masses de tots els àtoms que formen aquest      cos. Normalment, l’instrument de mesura emprat és la balança.             Algunes unitats són el quilograms (kg), els mil•ligrams (mg), les            tones (t),…  

• No és el mateix massa que pes. El pes necessita d’una força (la gravetat) [pes = massa x gravetat]. Pel contrari, per mesurar la quantitat de matèria d’un cos (massa), no cal cap força.  

       Longitud 

La longitud és la distància existent entre dos punts a una dimensió lineal. Es pot mesurar amb la cinta mètrica. Algunes unitats són els metres (m), els quilòmetres (km), els mil•límetres (mm),… 

       Superfície 

La superfície és l’extensió d’un cos en dues dimensions: alçària i amplària. Per tant, aquesta magnitud és derivada perquè es calcula amb el producte de dos longituds. És per això que la superfície es mesura amb els mateixos instruments que la longitud i, com que és un producte d’aquesta, també es multiplicaran les seues unitats: metres quadrats (m²), km², cm²,…

      Volum 

El volum és la quantitat d’espai ocupat per un cos en tres dimensions. Com    passa amb la superfície, el volum deriva de la longitud. És el producte de les 3 longituds que poden ocupar un cos a l’espai. Normalment es mesura amb recipients graduats (vasos de precipitats, probetes, …) i les seues unitats son els metres cúbics (m³), decímetres cúbics (dm³ = L), centímetres cúbics (cm³ = mL),…  

       Densitat 

La densitat és la relació entre la massa i el volum d’un cos. Cal emprar, tant l’instrument de mesura de la massa (balança), com el del volum (recipient graduat). 

Les unitats d’aquesta magnitud són els quilos per metre cúbic (kg/m³), encara que és més freqüent emprar els g/cm³.  

• No té res a veure amb la "viscositat"que és la resistència que presenten alguns fluïts a l’expansió sobre una superfície.

      Temperatura 

La temperatura és l’estat tèrmic d'un cos degut a les vibracions de les seues partícules. Com després vorem, les partícules que formen els cossos o sistemes materials es troben en continu moviment.

Com més energia tèrmica li afegeixes a un cos, és a dir, com més puges la temperatura, major serà el moviment entre les partícules d’aquest cos. Així, arribarà un moment en que les partícules es mouen tant que perden estabilitat. El cos comença a canviar l’estructura que tenien abans, s'expandeix i, si aquesta expansió continua, ocorre el que anomenem un “canvi d’estat” (el pas d’un sòlid a líquid, de líquid a gas, o de sòlid a gas). 

Tanmateix, baixant la temperatura disminueixen les vibracions i el cos perd energia tèrmica, amb el que les partícules es mouen menys i tenen més estabilitat. Així es pot arribar als canvis d’estat en l’altre sentit (el pas d’un gas a líquid, d’un líquid a sòlid, o d’un gas a sòlid).  

La temperatura es mesura gràcies als termòmetres i les unitats són els graus de temperatura, que es poden expressar en diferents escales. Les més conegudes són l’escala Celsius, que mesura en graus centígrads (^oC) i l’escala Kelvin, que es mesura en graus Kelvin (K).  

L’escala Celsius posa els 0 ^oC al punt de fusió de l’aigua pura, és a dir, la temperatura a la qual el gel es fon en aigua (que és la mateixa a la qual l’aigua se solidifica). I els 100 ^oC al punt d’ebullició de l’aigua pura, és a dir, la temperatura a la qual l’aigua bull (que és la mateixa a la qual el vapor d’aigua comença a passar a forma líquida).  

L’escala Kelvin s’empra sobretot en l’àmbit científic i posseeix el zero absolut, és a dir, no té graus negatius perquè el 0 K és el més fred que es coneix. Els 0 ^oC de l’escala Celsius equivalen als 273 graus de l’escala Kelvin; així, per a passar de graus centígrads a graus Kelvin, a soles cal afegir-ne 273.  

                         

A practicar...  

http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/indice.htm   

(Tret de Iniciación interactiva a la materia - Autor: Mariano Gaite Cuesta)

Mesures (S.I.)

   Com ja hem dit, les magnituds físiques són propietats quantitatives, és a dir, que ens permeten calcular matemàticament una quantitat i mesurar-la mitjançant la seua unitat corresponent.

Però, què és mesurar?...  

-> Mesurar és comparar qualsevol cosa que volem determinar amb un model conegut que servisca de patró. Aquest patró conegut ha de ser de la mateixa magnitud i li diem "unitat". 

-> Cal emprar un instrument de mesura, segons la propietat que es vol mesurar. 

   (S.I.) Sistema Internacional de mesures

  Al 1960, uns senyors a Paris es posaren d’acord per instaurar un sistema d’unitats, és a dir, un conjunt d’unitats de diverses magnituds que emprarien a diversos països. Així i tot, encara hi ha països que volen mantenir les seues pròpies unitats, amb la conseqüent confusió...

[P.E.: la sonda espacial Mars Climate s’estavella en Mart el 23 sept. 1999. N’hi havien diverses empreses en la construcció i una d’elles li va manar les dades de les mesures en el sistema anglosaxó d’unitats (peus, milles, libres,…). Com que no estaven especificades les unitats, els altres interpretaren les dades com si hi hagueren estat mesurades en el Sistema Internacional de unitats (metres, quilòmetres, quilograms…). Resultat: 125 milions de dòlars tirats al fem perquè els ordinadors realitzaren malament els càlculs d’aproximació a Mart.]

Tipus de matèria

 Com ja hem vist, n’hi ha molts tipus de matèria a l’univers i cadascuna té unes propietats específiques, és a dir, unes característiques que les fan diferents a les altres. Així, podem distingir entre diferents tipus de matèria:

Substàncies

Són aquelles composades per un o més tipus de partícula en proporcions definides i constants, amb propietats especifiques característiques. 

[P.e. • El ferro té una duresa característica i el diamant té una altra diferent. Tanmateix, l’alcohol té una densitat pròpia i és diferent a la de l’aigua pura.]

A més, dins de les substàncies hi podem distingir entre:

-Elements:

  Els tipus de matèria més simple. Totes les classes de matèria estan formades per partícules tan menudes que no es poden veure: els "àtoms". N'hi ha molts tipus diferents, cadascun amb les seues propietats. Cada àtom té un nucli amb un nombre determinat de partícules subatòmiques encara més xicotetes, segons l’element químic que siga. Formant el nucli es troben els protons i els neutrons, mentre que al voltant del nucli n’hi ha d’altres partícules subatòmiques que es diuen electrons. I entre aquestes partícules subatòmiques no hi ha res, està el buit.  

 Els àtoms poden aparèixer en forma individual. Però, sovint, s’atrauen entre ells i arriben a unir-se de manera estable mitjançant enllaços formant agregats anomenats “molècules”. Aquestes molècules, serien noves partícules amb noves propietats, diferents de les dels àtoms que els formaven abans.

[P.e. • L’oxigen (O) és un element que es troba formant diferents agregats a la naturalesa. La forma més abundant i estable és la del dímer anomenat “oxigen molecular” (O₂), encara que també pot formar trímers, més coneguts com ozó (O₃).]

  Tant els àtoms com les molècules es troben vibrant en continu moviment. 
  Quant major és la temperatura, més ràpid és aquest moviment.

-Compostos:

  Són agregacions que es poden descompondre en dos o més elements.  

[P.e. • L’aigua pura (H₂O) és un compost format per 2 àtoms d’hidrogen (H) i un àtom d’oxigen (O). La major part de l’aigua que apareix en la naturalesa no és pura, sinó que porta afegides moltes substàncies gracies als enllaços que les molècules d’aigua formen amb aquestes substàncies dissoltes, com gasos, sals, …]

A cada tipus de matèria que presenta les seues propietats específiques, li diem substància i es diferencia d'altra substància per aquestes propietats característiques.

Mescles

Una mescla està composada per dos o més substàncies. Segons el seu aspecte, diferenciem entre mescles homogènies (tenen aspecte uniforme, com la llet, l’aigua de mar, el bronze,…) i heterogènies (no tenen aspecte uniforme, com el granit, una sopa, la fusta,…).

   De vegades, les mescles no ho semblen tant i pareixen formades per una mateixa substància. Aquest és el cas de les mescles homogènies. Però la veritat és que es poden separar en altres substàncies. Dins de les mescles homogènies diferenciem entre: 

--> Les que no són vertaderes mescles homogènies. Per exemple, emulsions com la llet o l’allioli. Aquestes mescles contenen components que es poden distingir millor amb la llum. 

     --> Les vertaderes mescles homogènies, que romanen més estables i són més difícils de separar. Aquestes són les Dissolucions. Totes les dissolucions es conformen pel dissolvent (component majoritari) i pel solut (component minoritari) que es dissol en l’altre formant eltotal de la dissolució. De vegades trobem que a la mateixa dissolució n’hi ha més d’un solut. 

• Dissolucions sòlides: hi ha molts aliatges de metalls, com el bronze(on el dissolvent és el coure i el solut és l’estany) o l’acer (on el dissolvent es el ferro i el solut és el carboni). 

• Dissolucions gasoses: l’aire que respirem a l’atmosfera esta format per molts gasos diversos, a més de les molècules d’aigua evaporada,de pols,… en aquest cas, el dissolvent seria el nitrogen (N₂), present en més d’un 70%. Mentre que la resta de gasos i molècules serien soluts (O₂, CO₂, H₂O, N₂, CH₄,…). 

• Dissolucions líquides: les més típiques són les dissolucions de sal o clorur sòdic (NaCl) com a solut i aigua com a dissolvent. Degut a els enllaços que formen les molècules de aigua amb les partícules de clor (Cl) per un costat i amb les de sodi (Na) per altre, desfan la xarxa cristal•lina de NaCl i envolten cada partícula de sal. Així la sal queda dissolta i no es veurà a la dissolució. 

Parlem de concentració d’una dissolució quan volem expressar la quantitat de solut que hi ha respecte del total de la dissolució; és a dir, la massa de solut/volum total de la dissolució. Per això s’empren els grams per litre (g solut/L dissolució). 

Segons el grau de concentració d’una dissolució líquida distingim entre: 

      -Diluïda: la dissolució té baixa concentració de solut. 

      -Concentrada: la dissolució té una concentració elevada. 

      -Saturada: la dissolució en té tant de solut que ja no es pot dissoldre més. Si s’afegeix
                      més solut, precipitarà i es mantindrà sense dissoldre.  

 I ara, proveu el que heu après...

http://www.juntadeandalucia.es/averroes/~29701428/ccnn/interactiv/materia01.htm

(Tret de la pàgina del I.E.S Suel - Fuengirola - Departament de Ciències Naturals)