GASES Y ÁTOMOS

FÍSICA Y QUÍMICA | Versión impresa
GASES Y ÁTOMOS
FÍSICA Y QUÍMICA | GASES Y ÁTOMOS | Versión impresa
Estados de la materia
Clásicamente, se han definido tres estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso.
En el agua, estos estados corresponden al hielo, al agua líquida y al vapor de agua.
• Los sólidos mantienen su forma y su volumen, son rígidos y no pueden fluir.
• Los líquidos adoptan la forma del recipiente que los contiene y mantienen su volumen. Pueden fluir (deslizarse por un tubo y pasar por un agujero estrecho). Son incompresibles, no se pueden comprimir.
• Los gases también adoptan la forma del recipiente que los contiene pero sin mantener su volumen (tienden a ocupar todo el espacio disponible). Al igual que los líquidos, también fluyen. Pero los gases, además, son compresibles: se pueden comprimir.
Que un estado sea compresible significa que, si aplicamos una presión (hacemos
fuerza), su volumen (el espacio que ocupa) disminuye (lo aplastamos).
Leyes de los gases
Existen relaciones directas entre diferentes factores del gas: la temperatura, la presión y
el volumen.
A temperatura constante: Boyle-Mariotte
A temperatura constante, el producto entre la presión (P) y el volumen (V) de un gas
siempre es constante.
Si T (tº) = ct:
P · V = ct
A presión constante: Charles y Gay-Lussac
A presión constante, el cociente entre el volumen (V) y la temperatura (T) de un gas
siempre es constante.
Si P = ct
V
= ct
T
A volumen constante: Gay-Lussac
A volumen constante, el cociente entre la presión (P) y la temperatura (T) de un gas
siempre es constante.
Si V = ct
P
= ct
T
GASES Y ÁTOMOS | 1
FÍSICA Y QUÍMICA | GASES Y ÁTOMOS | Versión impresa
Gas ideal
Los gases que encontramos en la naturaleza no siempre siguen estas leyes al pie de la
letra. A altas presiones o bajas temperaturas, los gases se alejan de estas leyes. Los gases
que encontramos en la naturaleza se llaman gases reales.
Para poder trabajar con estas leyes tenemos que imaginar un gas ideal, un gas perfecto
que cumpla siempre estas condiciones.
Condiciones normales
Se definen como condiciones normales los 0 ºC de temperatura y 1 atmósfera de presión.
Como siempre, debemos expresar estas magnitudes en unidades del Sistema Internacional (SI):
Condiciones Normales: 273 K y 1,01·105 Pa.
Teoría cinéticocorpuscular
Estados de la materia
Los gases se comportan de esta manera porque están formados por partículas (corpúsculos) en movimiento (cine significa ‘movimiento’ en griego).
Las partículas que forman un gas se mueven libremente por el espacio, separadas unas
de otras.
• Este hecho es el que nos permite comprimir un gas; cuando lo hacemos, reducimos el
espacio que hay entre sus partículas: las juntamos.
Que las partículas del gas estén en movimiento explica la presión que ejercen sobre el
recipiente que las contiene.
• La presión se debe al choque de las partículas contra las paredes del recipiente.
En los líquidos, las partículas están separadas por espacios menores y se mueven o
vibran menos que en los gases, ya que hay fuerzas que interactúan entre ellas y las mantienen unidas.
En los sólidos, las partículas todavía se mueven o vibran menos que en los líquidos, ya
que las fuerzas que las mantienen unidas son más fuertes.
Cambios de estado
Los cambios de estado se pueden entender como un cambio en la vibración de las partículas: cuando aumentamos la temperatura del material, en realidad incrementamos la
vibración de sus partículas.
Cuando un sólido aumenta de temperatura, sus partículas vibran cada vez con más intensidad, hasta que vibran tanto que superan la fuerza que las mantiene en estado sólido (pasan a líquido). Si seguimos calentando, las partículas superan la fuerza que las
mantiene en estado líquido y pasan a estado gaseoso.
GASES Y ÁTOMOS | 2
FÍSICA Y QUÍMICA | GASES Y ÁTOMOS | Versión impresa
Por el contrario, si un gas se enfría, las partículas cada vez vibran menos y se juntan
formando un líquido. Si disminuimos aún más la temperatura, el movimiento de las partículas se va apaciguando y se juntan todavía más, con lo que pasan al estado sólido.
El cero absoluto
Existe una temperatura teórica en la que las partículas carecen completamente de movimiento, el cero absoluto (0 K = -273 ºC).
No puede haber una temperatura menor que ésta.
Átomos y moles
Los corpúsculos que forman la materia son los átomos.
Moles
Un mol es la cantidad de átomos de un elemento cuyo peso, en gramos, es el mismo que
el de un único átomo de ese elemento en unidades de masa atómica (uma).
Para todos los elementos este número es el mismo, el número de Avogadro:
6,022 x 1023
Un mol de átomos son 6,022 x 1023 átomos.
Esta nueva magnitud aportó una nueva observación respecto a los gases:
Un mol de cualquier gas, a igual temperatura y presión, ocupa el mismo volumen
que un mol de cualquier otro gas.
Gases en condiciones normales
Siempre que estemos en condiciones normales, un mol de cualquier gas ocupa 22,4
litros.
Ley general de los gases ideales
Esta ley contiene todas las leyes anteriores:
P·V = n·R·T
Si trabajamos con unidades del Sistema Internacional (Pa, m3, K, mol):
R = 8,31 J/K·mol
Si trabajamos con estas otras unidades, fuera del Sistema Internacional (atm, l, K, mol):
R = 0,082 atm·l/K·mol
GASES Y ÁTOMOS | 3
FÍSICA Y QUÍMICA | GASES Y ÁTOMOS | Versión impresa
Teoría atómica de la materia
Hace más de 2.000 años, un griego llamado Demócrito, fijándose en el agua, ya postuló
la existencia de unas partículas minúsculas que serían la base de todo lo que vemos. A
estas partículas las llamó átomos.
Teoría atómica
• Toda la materia está formada por átomos.
• Los átomos de un elemento son iguales entre sí y diferentes de los de otro elemento.
• Los átomos de diferentes elementos se pueden combinar para formar los compuestos.
Composición de los átomos: Partículas subatómicas
El átomo tiene un núcleo positivo rodeado de una nube de electrones negativos.
Los protones son partículas con la misma carga que el electrón, pero positiva. Su tamaño es mayor que el del electrón.
Los neutrones son partículas muy parecidas a los protones, pero sin carga.
Los protones (+) tienen tendencia a separarse. Si se mantienen en el núcleo es gracias a
los neutrones.
Los electrones (-) deberían tener tendencia a ir hacia el núcleo (+), pero no lo hacen debido a que no paran de moverse a su alrededor.
Elementos
Los elementos son las sustancias homogéneas que no se pueden descomponer en ninguna otra más simple porque están formados por un único átomo.
El número de protones de los átomos de un mismo elemento (su número atómico, Z)
no varía, siempre es el mismo.
El número másico (A) es el número de protones y neutrones presentes en el núcleo.
El número de neutrones será la resta de A – Z.
Isótopos
Los átomos que tienen el mismo número de protones pero diferente número de neutrones se llaman isótopos de un mismo elemento.
Iones
Cuando lo que varía es el número de electrones, hablamos de iones de un mismo elemento.
Ciertos elementos se sienten «incompletos» y tienden a coger electrones. Cuando los
cogen, adquieren una carga negativa: se forma un ion negativo.
Ciertos elementos se sienten más cómodos cuando pierden un electrón. Entonces queda una carga + en el núcleo que no está compensada: se forma un ion positivo.
GASES Y ÁTOMOS | 4
FÍSICA Y QUÍMICA | GASES Y ÁTOMOS | Versión impresa
Radiactividad
Determinadas sustancias emiten radiaciones de manera natural: son las sustancias radiactivas.
Estas sustancias (normalmente son isótopos con un exceso de neutrones) tienen un núcleo inestable que se rompe espontáneamente y liberan una grandísima cantidad de
energía en forma de «partículas».
• Las partículas alfa son núcleos de helio y no pueden atravesar una hoja de papel (o
la piel).
• Las partículas beta son electrones que sí traspasan la hoja de papel o la piel, pero no
atraviesan una hoja de aluminio.
• Las partículas gamma son ondas que sólo se pueden parar con una pantalla de plomo.
Esta radiación contiene una energía enorme que procede del núcleo. Es la llamada energía nuclear.
Energía nuclear de fisión
Es la energía nuclear derivada de las rupturas de los núcleos.
Es la que se utiliza para generar electricidad en las centrales nucleares.
• Si disparáis neutrones contra un elemento radiactivo, éste se desintegra y libera energía y más neutrones.
• Estos neutrones chocarán contra otros núcleos, rompiéndolos y liberando más energía y más neutrones.
• Se trata de una reacción en cadena que libera muchísima energía.
Energía nuclear de fusión
Esta energía se produce cuando se juntan dos núcleos atómicos para formar un nuevo
elemento y no genera residuos radiactivos.
La fusión es el motor de las estrellas. La energía que se libera es la responsable de la luz
y el calor de nuestro Sol.
Tabla periódica de los elementos
La tabla consta de 118 elementos ordenados en siete filas y 18 columnas que se llaman
grupos porque contienen los elementos que presentan propiedades similares.
Las filas se llaman periodos porque las propiedades de los elementos de una fila van
variando de forma periódica: se repiten en el mismo orden en la fila siguiente.
Se indica en la tabla en qué estado se encuentran los elementos naturales a 30 ºC, o si
son sintéticos.
GASES Y ÁTOMOS | 5
FÍSICA Y QUÍMICA | GASES Y ÁTOMOS | Versión impresa
Elementos químicos básicos
Todos los elementos químicos se representan con su símbolo químico formado por una
o dos letras de su nombre en latín o griego.
Muchos de los 118 elementos son naturales (se encuentran en la naturaleza); el resto los
ha creado el hombre (son sintéticos).
Hidrógeno (H)
• Es el elemento más ligero y abundante del Universo.
• Es el combustible principal de las estrellas.
• Forma parte de las moléculas de la vida, de los hidrocarburos que quemamos, de los
ácidos, del agua, etc.
Helio (He)
• Es un elemento inerte, no reacciona con ningún otro.
• Se encuentra en forma gaseosa y se utiliza para hinchar globos, ya que es más ligero
que el aire.
Litio (Li)
• Es el elemento sólido más ligero.
• Es altamente reactivo.
• Forma parte de los compuestos que encontramos en las baterías de diferentes aparatos (como los móviles).
Carbono (C)
• Este átomo puede formar múltiples enlaces (cuatro como máximo) con otros átomos
(tanto de carbono como de otros elementos, principalmente H, O, N y P).
• Las moléculas que forman a los seres vivos tienen todas como base el átomo de carbono.
• Los hidrocarburos, moléculas que quemamos para obtener energía (como el carbón o
el petróleo), también son moléculas ricas en carbono.
• El grafito y diamante están formados exclusivamente por átomos de carbono. La diferencia entre el grafito y el diamante es únicamente cómo se juntan los átomos entre
ellos.
Nitrógeno (N)
• En forma gaseosa (N2) es el principal componente del aire atmosférico (78%).
• Es uno de los elementos esenciales para la vida.
• Sus compuestos se utilizan en productos de limpieza (el amoníaco), en la fabricación
de combustibles y explosivos y como fertilizantes (en la justa medida, ya que si nos
excedemos puede ser perjudicial).
GASES Y ÁTOMOS | 6
FÍSICA Y QUÍMICA | GASES Y ÁTOMOS | Versión impresa
Flúor (F)
• El flúor es el elemento más reactivo de todos.
• Determinados compuestos que contienen flúor se utilizan en la fabricación de pasta
de dientes para prevenir las caries.
Oxígeno (O)
• Es el componente más abundante de la corteza terrestre y representa el 21% de la
atmósfera actual de la Tierra, en forma de O2.
• Es el gas que necesitamos para nuestra respiración celular, es decir, para obtener
energía.
• En la atmósfera lo encontramos también en forma de ozono (O3). La famosa capa de
ozono nos protege de las radiaciones ultravioletas que nos llegan desde el espacio.
• El oxígeno también forma parte de las moléculas que permiten la vida (la inmensa
mayoría de ellas tienen oxígeno entre sus componentes), comenzando por la más importante de todas, el agua.
• El oxígeno, además, es altamente reactivo y es el responsable de la oxidación de los
metales y de la combustión.
Sodio (Na)
• Participa en la transmisión de los impulsos nerviosos, en la contracción muscular, en la
absorción de los nutrientes, etc.
Magnesio (Mg)
• El magnesio ayuda en muchas de las funciones de las células y mantiene la estructura
del DNA.
• Participa en la fotosíntesis y, por tanto, interviene en la producción de oxígeno por
parte de las plantas.
Aluminio (Al)
• El aluminio es el tercer elemento más abundante de la corteza terrestre.
• Es un metal con unas características muy interesantes, que lo convierten en ideal para
envolver alimentos.
Silicio (Si)
• Sus compuestos son los que conforman el paisaje que vemos.
• El silicio es el principal componente de los chips de los ordenadores y aparatos electrónicos que utilizamos.
• Es uno de los componentes de los cristales y vidrios.
GASES Y ÁTOMOS | 7
FÍSICA Y QUÍMICA | GASES Y ÁTOMOS | Versión impresa
Fósforo (P)
• La principal molécula energética de los seres vivos (ATP) lleva fósforo.
• Los compuestos de fósforo se utilizan como fertilizantes.
• Debido a su alta reactividad, reacciona violentamente con el oxígeno y produce una
combustión.
Esta propiedad se utilizó para la fabricación de las cerillas (o fósforos).
Azufre (S)
• El azufre es un elemento que, en estado puro, presenta un color amarillo característico
y olor a huevos podridos.
• También es esencial para la vida, ya que forma parte de las proteínas.
• Se utiliza en la fabricación de pólvora, laxantes, cerillas e insecticidas. También se utiliza en las peluquerías.
Cloro (Cl)
• El cloro es un elemento altamente reactivo y venenoso, que utilizamos como desinfectante, sobre todo en forma de salfumán y lejía.
• A pesar de su peligrosidad, muchos seres vivos necesitamos pequeñísimas cantidades
de cloro para continuar con vida.
• Pero el cloro que necesitamos lo obtenemos directamente de las plantas y de los
animales que digerimos. Si pretendiésemos beber cloro directamente o uno de
sus compuestos, moriríamos.
Potasio (K)
• Es un elemento poco abundante en los seres vivos, pero extremadamente importante.
• Al igual que el sodio, participa en la transmisión de los impulsos nerviosos y es absolutamente imprescindible para el crecimiento vegetal.
Calcio (Ca)
• El calcio, como el K, el Na y el Mg, es otro elemento totalmente imprescindible para
nosotros.
• Sin calcio no tendría lugar la contracción muscular y no tendríamos ni huesos ni
dientes.
Mercurio (Hg)
• El mercurio es el único metal líquido a temperatura ambiente.
• Es extremadamente venenoso, y se utiliza en los termómetros como indicador de la
temperatura, debido a su dilatación.
GASES Y ÁTOMOS | 8
FÍSICA Y QUÍMICA | GASES Y ÁTOMOS | Versión impresa
Metales
• Son metales el hierro (Fe), cobre (Cu), plata (Ag), estaño (Sn), oro (Au), plomo (Pb), etc.
• Normalmente, encontramos los metales en forma sólida, dura y maleable; lo que permite construir herramientas y edificaciones.
Compuestos
• Si los átomos que se unen son todos del mismo tipo, forman los elementos.
• Si los átomos que se unen pertenecen a dos o más tipos diferentes, forman los compuestos, que presentan propiedades distintas de las de los elementos de los átomos que los
forman.
GASES Y ÁTOMOS | 9