PROGRAMACIÓN DIDÁCTICA 3º E.S.O. FISICA Y QUIMICA
Aranzazu Gasca Andréu
2. LA MATERIA Y SUS ESTADOS . Esta unidad es continuación de la anterior y en ella veremos cómo los científicos, para explicar las propiedades observables de la materia (como su color, su temperatura de fusión, su densidad…) tienen que suponer la existencia de partículas diminutas, en continuo movimiento. Aprenderéis algunas leyes, como las de los gases, o las de las reacciones químicas y, al mismo tiempo, veréis cómo al buscar explicaciones a estas leyes surgen las respuestas a la pregunta básica de esta unidad: ¿Cómo es la materia “por dentro”? ESQUEMA DE LA UNIDAD 1. SÓLIDOS, LÍQUIDOS Y GASES 1.1 Características generales de los tres estados físicos de la materia. 2. INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LOS GASES 2.1 La presión y sus unidades. Experiencia de Torricelli. 3. COMPORTAMIENTO DE LOS GASES. 3.1 Variación del volumen con la presión. Ley de Boyle. 3.2 Variación de la presión con la temperatura. Ley de Gay-Lussac. 3.3 Variación del volumen con la temperatura. Ley de Charles. 4. UN MODELO PARA LOS GASES 4.1 La difusión, fenómeno molecular. 4.2 La teoría cinética. 4.3 Los gases y la teoría cinética. 4.4 Los líquidos, los sólidos y la teoría cinética. 5. LOS CAMBIOS DE ESTADO 5.1 Del sólido al líquido: La fusión. 5.2 De líquido a sólido: La solidificación. 5.3 Temperatura de fusión y de solidificación. 5.4 Del líquido a gas: La vaporización. 5.5 Del Gas a líquido: Condensación.
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1. SÓLIDOS, LÍQUIDOS Y GASES 1.1 Características generales de los tres estados físicos de la materia.
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ACTIVIDADES INICIALES
2. INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LOS GASES 2.1 La presión y sus unidades. Experiencia de Torricelli. Ya has estudiado que nos hallamos sumergidos en un inmenso mar gaseoso que llamamos atmósfera. Estamos tan acostumbrados a vivir en su fondo que no nos damos cuenta de que existe. Y, sin embargo, es materia, que envuelve a nuestro planeta y pesa, por eso no se puede escapar, la Tierra la retiene. Si llenas un vaso alargado con agua, tapas la boca con la mano y dándole la vuelta con cuidado lo introduces en un pila llena de agua observarás cómo el agua permanece dentro del vaso. ¿Por qué? Esta experiencia fue la que realizó el físico italiano Torricelli para medir la fuerza ejercida por unidad de superficie por la capa de aire que se encuentra por encima de nosotros, es decir,
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la presión atmosférica pero en vez de agua utilizo mercurio, y en lugar del vaso, empleo un largo tubo de vidrio. La altura del mercurio en el tubo se estabilizó en 760mm sostenido por la presión de la atmósfera. Este experimento es el fundamento del barómetro, el aparto empleado para medir la presión atmosférica. Al nivel del mar le corresponde una presión de 760mmHg. Esta presión se llama también 1 atmosfera, 101300Pa. La presión que ejercen los gases dentro de los recipientes, como el interior de una rueda o una bombona de gas, también se expresa en atmosferas en milímetros de mercurio y se mide con unos instrumentos llamados manómetros. ACTIVIDADES SOBRE LA PRESIÓN. 1. Explica: ¿Por qué desciende el barómetro a medida que se asciende por una montaña? 2. ¿Por qué cuando se hincha la rueda de una bicicleta cuesta más trabajo al final que al principio? 3. ¿Qué sucedería con la experiencia de Torricelli si el tubo con mercurio estuviera abierto en su parte superior? 4. ¿Un manómetro indica 1,8 atm. Expresa este valor en milímetros de mercurio. 3. COMPORTAMIENTO DE LOS GASES. 3.1 Variación del volumen con la presión. Ley de Boyle.
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3.2 Variación de la presión con la temperatura. Ley de Gay-Lussac.
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3.3 Variación del volumen con la temperatura. Ley de Charles.
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4. UN MODELO PARA LOS GASES 4.1 La difusión, fenómeno molecular. 1. Pon en el fondo de una probeta un cristalito muy pequeño de permanganato de potasio. Echa agua en la probeta hasta más de la mitad. 2. Deja reposar y observa lo que ocurre durante unos minutos. 3. Anota lo que observas. 4. Vuelve a repetir la experiencia, pero esta vez emplea agua caliente. ¿Cómo es posible que las partículas del permanganato, más pesadas que el agua, difundan hacia arriba? Los sólidos, como el permanganato de potasio o el cloruro de sodio, se difunden debido al movimiento de las partículas de agua, que chocan y empujan a las partículas del sólido en todas direcciones. Date cuenta, además de que cuando aumenta la temperatura del líquido también lo hace la velocidad de las partículas, y, por tanto, estas se dispersan más deprisa. (Actividades hoja 7, 8, 9 y 10)
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4.2 La teoría cinética. 4.3 Los gases y la teoría cinética.
La teoría cinética de los gases explica las características y propiedades de la materia en general, y establece que el calor y el movimiento están relacionados, que las partículas de toda materia están en movimiento hasta cierto punto y que el calor es una señal de este movimiento. La teoría cinética de los gases considera que los gases están compuestos por las moléculas, partículas discretas, individuales y separadas. La distancia que existe entre estas partículas es muy grande comparada con su propio tamaño, y el volumen total ocupado por tales corpúsculos es sólo una fracción pequeña del volumen ocupado por todo el gas. Por tanto, al considerar el volumen de un gas debe tenerse en cuenta en primer lugar un espacio vacío en ese volumen. El gas deja muchos espacios vacíos y esto explica la alta compresibilidad, la baja densidad y la gran miscibilidad de unos con otros. Hay que tener en cuenta que: 1. No existen fuerzas de atracción entre las moléculas de un gas. 2. Las moléculas de los gases se mueven constantemente en línea recta por lo que poseen energía cinética. 3. En el movimiento, loas moléculas de los gases chocan elásticamente unas con otras y con las paredes del recipiente que las contiene en una forma perfectamente aleatoria. 4. La frecuencia de las colisiones con las paredes del recipiente explica la presión que ejercen los gases. 5. La energía de tales partículas puede ser convertida en calor o en otra forma de energía. Pero la energía cinética total de las moléculas permanecerá constante si el volumen y la temperatura del gas no varían; por ello, la presión de un gas es constante si la temperatura y el volumen no cambian. (Actividades hoja 11, 12 y 13)
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4.4 Los líquidos, los sólidos y la teoría cinética.
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5. LOS CAMBIOS DE ESTADO 5.1 Del sólido al líquido: La fusión. 5.2 De líquido a sólido: La solidificación. 5.3 Temperatura de fusión y de solidificación. 5.4 Del líquido a gas: La vaporización. 5.5 Del Gas a líquido: Condensación.
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UNIDAD 3. ACTIVIDADES
1. Observa la ilustración e indica en la segunda figura cuál será el volumen ocupado por el gas al eliminar la separación entre las dos regiones. gas 2. Explica: ¿Por qué desciende el barómetro a medida que se asciende por una montaña? 3. ¿Por qué cuando se hincha la rueda de una bicicleta cuesta más trabajo al final que al principio? 4. ¿Qué ocurriría con la experiencia de Torricelli si el tubo con mercurio estuviera abierto en su parte superior? 5. Un manómetro indica <1,8atm>. Expresa este valor en milímetros de mercurio.
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6. El aire encerrado dentro de una jeringuilla esta a 760mm de presión y ocupa un volumen de 10cm 3. Si bajas el émbolo, impidiendo que salga el aire, hasta que el volumen sea de 5cm 3, ¿Cuánto valdrá la presión en el interior de la jeringuilla? 7. Si el aire o cualquier gas son partículas diminutas separadas, ¿Qué hay entre dos partículas? 8. Trata de explicar qué es el “caos molecular”. 9. Imagina que hinchas un balón de fútbol durante el día. Por la noche cuando la temperatura desciende, el balón se deshincha ¿Por qué? (no, el balón no tiene ningún agujero). 10. Si tapas con un dedo el agujero de una jeringuilla y con otro dedo aprietas el émbolo, reduciendo el volumen a la mitad. ¿Qué sucede con la masa de aire del interior de la jeringuilla? 11. ¿Por qué se advierte en la etiqueta de algunos envases que no se dejen al sol incluso ya usados? 12. ¿Por qué cuando destapamos un frasco de perfume el olor se extiende rápidamente, aunque no haya corrientes de aire? 13. Imagínate que presionas el émbolo de una jeringuilla, sin permitir que se escape el aire, hasta que el volumen se hace la mitad. Si ahora sueltas el émbolo, éste sale, ¿hasta dónde? ¿Por qué? 14. ¿Por qué un sólido se disuelve más rápidamente si se agita el agua? 15. En las etiquetas de muchos medicamentos, etc. suele incluirse la recomendación “Agítese antes de usar”. Explica por qué. 16. Explica por qué los líquidos tienen unas densidades muy superiores (unas mil veces) a las de los gases. 17. ¿Por qué las densidades de los sólidos son aproximadamente iguales a las de los líquidos, en general un poco más elevadas? 18. ¿En qué estado físico se encuentra el agua por debajo de 0ºC? ¿Y el hierro a 1550ºC? ¿Y el oxígeno a -250ºC? 19. ¿Qué quiere decir la frase “esta noche va a helar”? ¿y “mañana de niebla tarde de paseo? 20. Justifica, aplicando la teoría cinética: “los sólidos tienen propia, mientras que los líquidos adoptan la forma del recipiente que los contiene”.
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21. Expresa la presión de 780mm de Hg en Atmósferas. 22. Un gas se encuentra a una presión de 2,5 atm. Expresa este valor en mm de Hg. 23. Explica, utilizando la teoría cinética, porque la miel caliente sale con más facilidad de su envase que la miel fría. 24. Un gas que se encuentra a 2atm de presión y 25ºC de temperatura ocupa un volumen de 240cm 3. ¿Qué volumen ocupará si la presión disminuye hasta 1,5 atm sin variar la temperatura? 25. Calcula la presión final de 2l de gas a 50ºC y 700mm de Hg. si al final ocupan un volumen de 0,75l a 50ºC. 26. Calcula el volumen que ocupa a 350K un gas que a 300K ocupaba un volumen de 5l (la presión no varia) 27. Justifica, utilizando la teoría cinética, porque los charcos se secan incluso en los días fríos de invierno. Describe el fenómeno que se produce. ¿En que se diferencia este proceso de la ebullición? 28. Una masa de cierto gas a 100ºC de temperatura ocupa un volumen de 200cm 3. Si se enfría sin varia su presión hasta 50ºC ¿Qué volumen ocupará?
29. ¿Por qué se debe medir la presión del aire en el interior de las ruedas de un coche con los neumáticos en frió mejor que después de un largo viaje? Justifica tu respuesta aplicando las leyes de los gases. 30. Indica en qué estado físico se encontrarán, a temperatura ambiente (20ºC), las sustancias que aparecen a continuación: agua, oxigeno, mercurio, hierro, dióxido de carbono, aluminio. 31. Contesta. (a) ¿Por qué nos refresca abanicarnos? (b) ¿El abanico enfría el aire? 32. Sóplate la palma de la mano. Humedécete la palma de la mano y vuelve a soplar. (a) ¿Qué has notado? (b) ¿por qué? 33. ¿Por qué se hacen mejor las infusiones con agua hirviendo que con agua fría?
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34. Un montañero afirma que en lo alto de las montañas los huevos no se cuecen bien. Seguro que tenía hambre y no los dejó cocer el tiempo suficiente. ¿O no? 35. ¿Por qué es peligroso calentar recipientes herméticamente cerrados? 36. ¿Por qué se seca antes la ropa los días ventosos? 37. ¿Por qué no se seca bien la ropa los días de lluvia, aunque esté a cubierto? 38. Paseo por la red. Busca el funcionamiento de una olla a presión. ¿Para qué sirve la válvula? 39. ¿Para que sirven los posavasos? 40. Si mezclamos dos gases de diferente densidad en un recipiente, ¿Es posible que permanezcan separados? Justifícalo aplicando la teoría cinética. LABORATORIO EN EL AULA EFECTOS DE LA PRESION. Realizaremos estas dos experiencias sencillas. Nos ayudarán a comprender las leyes de los gases. A. Cierra la boca de una botella con un globo de forma que quede un poco hinchado. Sumérgelo en agua caliente o déjalo un tiempo en el congelador. ¿Qué le ocurre al globo? La ley de Charles nos lo explica: Al aumentar o disminuir la temperatura varía la presión en el interior del globo y esto hace que se infle o se deshinche. B. Introduce una botella de plástico PET en agua caliente; cuando salga el vapor, ciérrala. - Al enfriarse el agua, el vapor se condensa y se hace el vacío en la botella, que se deforma. - Si la invertimos introduciendo su boca en agua fría, veremos como el agua penetra dentro del recipiente. DIFUSION En el fondo de una probeta, un frasco, etc., con agua depositamos un cristal de KMnO 4 o, con una pipeta, unas gotas de tinta. Observaremos como las partículas de la sustancia añadida, a pesar de ser más densa que el agua, difunden hacia arriba. La difusión se debe al movimiento o “agitación” de las particular que van ocupando el espacio del agua. Los científicos, a raíz de esta y otras experiencias, elaboraron la teoría cinética, en la que sugieren que los sólidos, los líquidos y los gases están formados por partículas que están siempre en movimiento.
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PUNTOS DE SOLIDIFICACION. ¿Cómo diferenciar entre el agua y el alcohol? El punto de fusión o de congelación es una propiedad característica de la materia. Los valores para el agua y el alcohol son, respectivamente, 0 y -114ºC, por lo que podemos diferencial fácilmente un líquido de otro con ayuda del frigorífico. 1. Tomaremos un vaso con agua a temperatura ambiente y lo introduciremos en el congelador. 2. Tomaremos otro vaso conteniendo la misma cantidad de etanol y los introduciremos también en el congelador del frigorífico. 3. Al cabo de unos minutos el agua se habrá congelado, mientras que el etanol permanecerá en estado líquido. Por esta razón, en las mañana de invierno en que los cristales de los coches aparecen helados, si añadimos agua sobre el parabrisas no conseguiremos deshelarlo, pero si añadimos una disolución de etanos, el hielo se fundirá y no impedirá la visión al conductor.