4 materia y energía

7/18/2019 4 Materia y Energía

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4 MATERIA Y ENERGÍA

Imagen Google: Mapa conceptual la materia

La materia es todo aquello que nos rodea, ocupa un lugar en el espacio y tiene masa.

4.1 PROPIEDADES DE LA MATERIA

Al observar la materia nos damos cuenta que existen muchas clases de ella porque la materia tiene propiedades generales y propiedades particulares.

Propiedades generalesLas propiedades generales son aquellas que presentan características iguales para todo tipo de materia. Dentrode las propiedades generales tenemos:

Masa = Es la cantidad de materia que posee un cuerpo.

Peso = Es la fuerza de atracción llamada gravedad que ejerce la tierra sobre la materia para llevarla hacia sucentro.

Extensión = Es la propiedad que tienen los cuerpos de ocupar un lugar determinado en el espacio.

Impenetrabilidad = Es la propiedad que dice que dos cuerpos no ocupan el mismo tiempo o el mismo espacio.

Inercia= Es la propiedad que indica que todo cuerpo va a permanecer en estado de reposo o movimientomientras no exista una fuerza externa que cambie dicho estado de reposo o movimiento.

Porosidad = Es la propiedad que dice que como la materia esta constituida por moléculas entre ellas hay unespacio que se llama poro.

Elasticidad = Es la propiedad que indica que cuando a un cuerpo se le aplica una fuerza esta se deforma y queal dejar de aplicar dicha fuerza el cuerpo recupera su forma original; lógicamente sin pasar él limite deelasticidad. "limite de influenza”

Divisibilidad = Esta propiedad demuestra que toda la materia se puede dividir.

Propiedades EspecíficasTodas las sustancias al formarse como materia presentan unas propiedades que las distinguen de otras y esas

propiedades reciben el nombre de especificas y dichas propiedades reciben el nombre de color, olor, sabor,estado de agregación, densidad, punto de ebullición, solubilidad, etc.

El color, olor y sabor demuestra que toda la materia tiene diferentes colores, sabores u olores.

El estado de de agregación indica que la materia se puede presentar en estado sólido, liquido o gaseoso.



2

La densidad es la que indica que las sustancias tienen diferentes pesos y que por eso no se pueden unirfácilmente.

4.2 CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA

Figura 1: Clasificación de la materia

Materia heterogénea: Es una mezcla de sustancias en más de una fase o que son físicamente distinguibles.Ejemplo: mezcla de agua y aceite.

Material homogéneo: Constituido por una sola sustancia o por varias que se encuentran en una sola fase.Ejemplo: mezcla de sal y agua.

Solución: Es un material homogéneo constituido por más de una sustancia. Son transparentes, estables y no producen precipitaciones. Una característica muy importante es la composición, la cual es igual en todas sus partes. Ejemplo: las gaseosas.

Sustancia pura: Es un material homogéneo cuya composición química es invariable. Ejemplo: alcohol(etanol)

Elemento: Sustancia conformada por una sola clase de átomos. Ejemplo: nitrógeno gaseoso (N2), la plata(Ag)

Compuesto: Sustancia conformada por varias clases de átomos. Ejemplo: dióxido de carbono (CO2)

Ejemplos 1

1 ¿Las siguientes imágenes qué tipo de mezclas representan?

Heterogénea heterogénea homogénea

Homogénea heterogénea homogénea



3

Solido liquido gas

Mezcla compuesto mezcla

2 Observa las siguientes figuras para los siguientes casos, escriba la letra que corresponda. Para cadaalternativa puede haber más de una respuesta.

1 Representa una mezcla homogénea = B, H

2 Representa una mezcla heterogénea = E, G

3 Representación de un elemento = A, D, F

4 Representación de un compuesto = C, I

4.3 CAMBIOS DE LA MATERIA

Cambio físico: Cambio que sufre la materia en su estado, volumen o forma sin alterar su composición.Ejemplo: en la fusión del hielo, el agua pasa de estado sólido a líquido, pero su

composición permanece inalterada.

Cambio químico: Cambio en la naturaleza de la materia, variación en su composición. EJEMPLO: en lacombustión de una hoja de papel, se genera CO, CO2 y H2O a partir de celulosa, cambiando la composiciónde la sustancia inicial.

Cambios de estado: El estado en que se encuentre un material depende de las condiciones de presión ytemperatura, modificando una de estas variables o ambas, se puede pasar la materia de un estado a otro.Sólido, liquido, gaseoso o plasma

Figura 2: Cambios de estado de la materia



4

TABLA 1: Características de los diferentes estados de la materia.

Característica Sólidos Líquidos Gases

Compresibilidad No se pueden comprimir No se pueden comprimir Sí pueden comprimirse

Volumen No se adaptan al volumen

del recipiente

Se adaptan al volumen del

recipiente

Se adaptan al volumen del

recipiente

Grados de libertad Vibración Vibración, rotaciónVibración, rotación,

traslación

Expansibilidad No se expanden No se expanden Sí se expanden

4.4 REPRESENTACIÓN DE LOS COMPUESTOS QUÍMICOS

Símbolo: Es la letra o letras que se emplean para representar elementos químicos. Ejemplo: Al (aluminio)

Molécula: Se forman por enlaces químicos de dos o más átomos y siempre en proporciones definidas y

constantes. Son la estructura fundamental de un compuesto.Compuesto químico: Un compuesto químico es una substancia que resulta de la unión de dos o más elementosde la tabla periódica. El resultado de esta unión debe de poder expresarse con una fórmula química, porejemplo el bióxido de carbono, que es producto de la respiración, resulta de la unión de Carbono con Oxígenoy tiene la fórmula química de CO2.

Los compuestos químicos también pueden ser el resultado de efectuar una reacción química entreotros compuestos químicos.

Por ejemplo: la reacción de hidróxido de sodio con ácido clorhídrico da como resultado cloruro de sodio yagua. Esto se expresa de la siguiente forma: NaOH + HCl produce NaCl + H2O

Fórmula química: es la representación escrita y simbólica de la molécula de una sustancia. Indica la

proporción estequiométrica en que se encuentran los átomos de cada elemento que forman la unidadestructural de una sustancia pura. Ejemplo: agua: H2O, ácido sulfúrico: H2SO4, benceno: C6H6

Tabla 2: Clases de fórmulas químicas

Fórmulaquímica

Fórmulaempírica o

mínima

Fórmulamolecular

Fórmulaestructural :

Fórmula deLewis o

electrónica:

Es larepresentación

de uncompuesto e

indica la clasey la cantidad

de átomos queforman unamolécula.

Estáconstituido

por el símbolode cada

elemento presente en la

sustancia.

Informa

sobre eltipo deátomos queforman la

molécula yla relaciónmínima en

la cual estosse

combinan.

Expresa lacomposición real de

un compuesto,indicando el númerode átomos de cada

especie que forma lamolécula. La

fórmula moleculares un múltiplo de la

empírica.

Muestra elordenamientogeométrico o posición que

ocupa cadaátomo dentro

de lamolécula.

Representa la

moléculaincluyendotodos los

electrones devalencia de los

átomosconstituyentes,

estén o nocomprometidos

en enlaces.

EJEMPLO:Fe2O3

EJEMPLO:La fórmulamínima del

etano(C2H6) es

CH3

EJEMPLO:

EJEMPLO: EJEMPLO:



5

4.5 UNIDADES QUÍMICAS DE MASA

1 Mol: Es el número de partículas igual al número de Avogadro

2 Número de Avogadro = 6.023 x 1023 partículas

3 Peso Atómico: Es el peso de una mol de átomos de un elemento.

En un mol de Fe (hierro) hay 6.023 x 1023 átomos de hierro y estos pesan en total 55.8 g de hierro

1Mol = 6.023 x 1023 = peso atómico del elemento

4 Unidades de Masa Atómica (uma): La unidad de masa atómica uma es en realidad una unidad de peso yse define exactamente como 1/2 de la masa del átomo de 12C. Su tamaño extremadamente pequeño es cómodo

para la descripción del peso de los átomos. Por ejemplo, el peso real de un átomo de hidrogeno es 1.67 x 10-24 g 0 1.008 uma.

Como todos los pesos atómicos se basan en el mismo patrón, todos ellos pueden utilizarse para comparar los pesos de dos átomos cualesquiera. Así, el peso atómico del azufre, 32.06 uma.

El cobre tiene un peso atómico de 63.54 uma.

5 Peso Molecular: Es el peso de una mol de moléculas de un compuesto. Se obtiene sumando el pesoatómico de todos los átomos que forman la molécula.

1 MOL = 6.023 x 1023 moléculas = peso molecular (peso fórmula)

En un mol de H2SO4 (ácido sulfúrico) hay 6.023 x 1023 moléculas de ácido y estas pesan 98 g. Este resultadose obtiene teniendo en cuenta el número de átomos y sus pesos atómicos, así:

Hidrógeno 2 x 1 = 2azufre 1 x 32 = 32oxígeno 4 x 16 = 64

Peso molecular del ácido sulfúrico = 2+32+64 = 98 g de H2SO4

6 Composición porcentual en masa de un compuesto

Composición porcentual en masa es el porcentaje en masa de cada elemento en un compuesto. Lacomposición porcentual se obtiene al dividir la masa de cada uno de los elementos en un mol de compuestoentre el peso molecular y multiplicándolo por 100%. Matemáticamente la composición porcentual se expresacomo:

Donde n es el número de moles de un elemento en un mol de compuesto.

Ejemplo 2

Calcular la composición porcentual del peróxido de hidrógeno ( 22O H )

En un mol de peróxido de hidrógeno hay dos moles de hidrógeno y dos moles de oxígeno. El peso moleculardel compuesto es 34g/mol. El Hidrógeno pesa 1g/mol y el Oxígeno 16g/mol, por tanto, la composición

porcentual del peróxido de hidrógeno se calcula de la siguiente forma.

Relación entre mol, peso molecular y número de partículas:



6

4.6 CÁLCULO DE FORMULAS EMPÍRICAS Y MOLECULARES

La fórmula empírica es una expresión o forma que representa la proporción más simple en la que están presentes los átomos que forman un compuesto químico, en ella se relacionan los símbolos de los elementoscon un número entero correspondiente a cada símbolo. Puede coincidir o no con la fórmula molecular, queindica el número de átomos presentes en la molécula.

Determinación experimental de fórmulas empíricas.

1. El análisis químico indica el número de gramos de cada elemente presentes en una determinada cantidad de un

compuesto.

2. Las cantidades de gramos se convierten a moles de cada elemento, recuerde que para convertir moles a gramoses necesario utilizar el peso atómico del elemento.

3. Seguidamente se debe realizar una comparación entre las moles obtenidas a fin de determinar la de menor valor.

4. Por último las moles de los demás elementos deben ser divididas por el número de moles de menor valorescogido en el numeral anterior. El cociente de esta división debe ser un numero entero, en caso contrariodebe aproximarse (siempre y cuando sea posible) al valor entero más cercano o por ensayo y error determinarun numero entero que multiplique a todos los cocientes y los convierta en valores enteros. Una vez realizadoeste procedimiento se escribe la formula empírica con lo cocientes determinados para cada elemento.

Ejemplo 3

Determine la f órmula empírica y la fórmula molecular de un compuesto que contiene 40.0 % de C, 6.67 % deH y 53.3 % de O y tiene un peso molecular de 180.2 g/mol

Determinación de la fórmula empírica: Cuando los datos se expresan como porcentaje, se puedenconsiderar 100 gramos del compuesto para realizar los cálculos. Los pesos atómicos son:

C = 12.0, O = 16.0 y H = 1.0El primer paso para el cálculo es determinar el número de moles de cada elemento.

# Moles de C = 40/12.0 = 3.33# Moles de O = 53.3/16.0 = 3.33# Moles de H = 6.67/1.0 = 6.67

El siguiente paso consiste en dividir cada valor entre el valor más pequeño.C = 3.33/3.33 = 1O = 3.33/3.33 = 1H = 6.67/3.33 = 2

Puede apreciarse que los valores obtenidos son los números enteros más pequeños y la fórmula empírica será:C1H2O1 o bien, CH2O.

Determinación de la fórmula molecular: Para obtener la Fórmula Molecular, calculemos el peso de laFórmula empírica:

C = (12.0).(1) = 12.0H = (1.0).(2) = 2.0

O = (16.0).(1) = 16.0Suma = 30.0

Ahora se divide el Peso Molecular entre el Peso de la Fórmula Empírica

180/30 = 6La Fórmula Molecular será igual a 6 veces la Fórmula empírica:

C6H12O6 En los casos en que una fórmula empírica dé una fracción, como por ejemplo: PO2.5 Habrá que multiplicar por un número entero que nos proporcione la relación buscada, por ejemplo 2: P2O5

Ejemplo 4

Calcule el Peso Fórmula del BaCl2 (Cloruro de Bario).

http://www.cespro.com/DocumentosD/CESPRO/Material%20Educativo/quimica/defcap2.htm#fempirica

http://www.cespro.com/DocumentosD/CESPRO/Material%20Educativo/quimica/defcap2.htm#pmolecular

http://www.cespro.com/DocumentosD/CESPRO/Material%20Educativo/quimica/defcap2.htm#fmolecular

http://www.cespro.com/DocumentosD/CESPRO/Material%20Educativo/quimica/defcap2.htm#fmolecular

http://www.cespro.com/DocumentosD/CESPRO/Material%20Educativo/quimica/defcap2.htm#pmolecular

http://www.cespro.com/DocumentosD/CESPRO/Material%20Educativo/quimica/defcap2.htm#fempirica



7

Primero deben consultarse los Pesos Atómicos del Bario y del Cloro. Estos son:Peso Atómico (P. A.) del Bario = 137.3 g/molPeso Atómico (P. A.) del Cloro = 35.5 g/molPeso Fórmula del BaCl2 = (1) x (P. A. del Bario) + (2) x (P. A. del Cloro)Peso Fórmula del BaCl2 = (1) x (137.3) + (2) x (35.5) = 137.3 + 71 = 208.3

Ejemplo 5

Cuántos moles de Aluminio hay en 125 gramos de Aluminio?Primero se consulta el Peso Atómico del Aluminio, el cual es 27 g/mol. En seguida hacemos el planteamiento:

27 gramos de Al ------ 1 Mol de Aluminio125 gramos de Al -----?

Moles de Aluminio = 4.63 Moles de AluminioTambién es posible determinar al composición porcentual utilizando factores de conversión;

Ejemplo 6

Un hidrocarburo contiene 85.63% de carbono y 14.37% de hidrogeno. Deducir su formula empírica.La solución del problema cuando se aplica a 100 g del compuesto es como sigue:

Peso del C= 85.63 g peso del H = 14.37 g

La formula empírica es CH2. La formula molecular puede ser CH2, C2H4, C3H6, etc., puesto que cualquiera deestas formulas tienen una composición porcentual igual a la de CH 2.

Ejemplo 7

Un compuesto contiene 63.53% de hierro y 36.47 % de azufre. Deducir su formula empírica.( Parafacilidad de los cálculos tómese por pesos atómicos Fe= 55.8 y S=32.1)

La fórmula empírica expresa solamente el número relativo de los átomos de cada elemento y todo lo que sedice acerca de los números relativos de los átomos de cada elemento se pude aplicar a los números relativosde moles de átomos. Por tanto el calculo del numero relativo de moles de hierro y de azufre conducirá a laformula empírica. La solución, cuando se aplica a 100 g del compuesto, es como sigue:

La formula empírica del sulfuro es FeS

Ejemplo 8

Deducir la fórmula empírica de un compuesto formado por 9.6 x 1023 átomos de carbono, 2.888 x1024 átomos de hidrogeno y 4.816 x 1023 átomos de oxígeno.

La manera más conveniente de resolver el problema es conocer el número relativo de átomos; para lograrlo,

dividimos por el número menor, es decir, 4.816 x 1023

Por cada átomo de O, tenemos de 2 de C y 6 de H. Así, fórmula empírica es C 2H6O



8

4.7 MÉTODOS DE SEPARACIÓN DE MEZCLAS

Veremos aquí los diferentes métodos de separación, de acuerdo a cada componente empezaremos por.

Métodos físicos: estos métodos son aquellos en los cuales la mano del hombre no interviene para que estos se produzcan, un caso común es el de sedimentación, si depositas una piedra de mayor densidad que la de unlíquido, el sólido rápidamente se sumergirá por el efecto de la gravedad. Los principales métodos físicos deseparación de mezclas son: Evaporación, sublimación, cristalización, cromatografía, centrifugación y

destilación.

Métodos mecánicos: Los métodos mecánicos de separación de mezclas son: filtración, tamizado y separaciónmagnética.

Métodos Físicos de separación de mezclas

1 Evaporación:

Figura3: La evaporación del agua deUna mezcla de agua y arena

La evaporación sirve para evaporar mezclas de sustancias dediferente temperatura de ebullición. Aquí un sólido soluble yun líquido por el aumento de temperatura en la cual ellíquido se evaporara completamente; luego por

condensación se recuperara el líquido mientras que el sólidoquedara a modo de cristales pegado en las paredes delrecipiente de donde podría ser recuperado. En la anteriorfigura se aprecia mezcla de agua y arena el agua se evaporay la arena se deposita en el fondo del recipiente.

2 Sublimación:

Figura 4: Sublimaciónde yodo

La sublimación sirve para separar una mezcla de dos sólidos con lacondición que uno de ellos puede sublimarse, a esta mezcla se aplica unacantidad determinada de calor produciendo los gases correspondientes a loselementos, estos vuelven a recuperarse en forma de sólidos al chocar sobre

una superficie fría como una porcelana que contenga agua fría, de estemodo los gases al condensarse se depositan en la base de la pieza de porcelana en forma de cristales. En la anterior figura se aprecia una mezclade arena e yodo, al aplicar calor con un mechero el yodo se evapora y secristaliza sobre el vidrio reloj en la pata del vaso.

3 Cristalización:

Figura 5: Mezcla de sulfato de sodio yAgua

La cristalización se utiliza para separar los componentesde una disolución formada por un sólido y un líquidocon diferentes temperaturas de evaporación o de fusión.Se deposita en el cristalizador la disolución y se aplicay/o quita calor, al final el soluto insoluble quedarádepositado en el fondo del cristalizador. En la anteriorfigura se observa una mezcla de sulfato de sodio yagua, se le quita calor al sistema con hielo y loscristales de sulfato de sodio quedarán en el fondo delrecipiente.

4 Cromatografía:



9

Figura 6: Cromatografía líquida

La Cromatografía es la separación de aquelloscomponentes de una mezcla que es homogénea condiferentes pesos moleculares y densidades, se basaen las diferentes velocidades con que se mueve cadauna de ellas a través de un medio poroso arrastradas

por un líquido en movimiento

5. Centrifugación:

Figura 7: CentrigugaciónDel hematocrito de lasangre

La centrifugación es en realidad un proceso de sedimentaciónacelerado, la mezcla de sustancias con diferentes densidades, secoloca en una centrifugadora y se hace girar a alta velocidad y losfragmentos sólidos de mayor densidad irán a fondo.

5 Decantación:

Figura 8: Separación deuna mezcla de agua yaceite

Figura 9: Mezcla de agua y arena

La decantación es un proceso físico de separación de mezclas de diferente densidad, especial para separarmezclas heterogéneas, estas pueden ser exclusivamente líquido – líquido ó sólido – líquido. Esta técnica se

basa en la diferencia de densidades entre los dos componentes, que hace que dejándolos en reposo se separenquedando el más denso arriba y el más fluido abajo. Para realizar esta técnica se utiliza como instrumento

principal un embudo de decantación, que es de cristal y está provisto de una llave en la parte inferior

6 Destilación:

Figura 10: Destilación simple de una mezclaagua y etanol.

La destilación se aplica para separar una mezcla dedos o más líquidos miscibles, los líquidos comocondición deben de tener por lo menos 5 ºC dediferencia del punto de ebullición.

De esta forma se ira calentando hasta llegar al punto de ebullición del primer líquido, semantendrá esta temperatura colocando o sacando elmechero para mantener la temperatura de

ebullición, a modo de calor regulado devaporización, cuando ya no se observa vapores seaumenta la temperatura al punto de ebullición delsegundo líquido, podría ser repetitiva la operaciónsegún el número de líquidos que contenga lamezcla.

Los vapores que se producen pasan por un condensador o refrigerante de tal manera que los vapores se iránrecuperando en recipientes.



10

En la destilación se trabaja en dos etapas: estas son la transformación del líquido en vapor y condensación delvapor.

Existen diferentes tipos de destilación, a continuación se expone en la figura el método de destilación simple.

Métodos mecánicos de separación de mezclas

1 Filtración:

Figura 11: Filtración de agua y arena

La filtración es aplicable para separar unsólido insoluble de un líquido se empleauna malla porosa tipo colador, la mezcla sevierte sobre la malla quedando atrapada enella el sólido y en el otro recipiente sedepositara el líquido, de ese modo quedanseparados los dos componentes.

2 Tamización:

Figura 12: Tamizado

El tamizado es un método de separación de los más sencillos,consiste en hacer pasar una mezcla de cualquier tipo de sólidos, dedistinto tamaño, a través del tamiz.Los granos más pequeños atraviesan el tamiz y los más grandes sonretenidos, de esta forma podrás separa dos o más sólidos,dependiendo tanto de dichos sólidos como el tamizador queutilizamos.

3 Separación magnética:

Figura 13: Separación magnética.

La separación magnética se utiliza para extraer mineralesferromagnéticos como la magnetita, para separar el hierro yotros metales paramagnéticos de las basuras, etc. Los mineralesque repelen un campo magnético se denominan diamagnéticos

Ejemplos 9

1. ( D ) Un método para separar una mezcla homogénea de líquidos seria:a) Decantación

b) Sublimaciónc) Filtraciónd) Destilación

2. ( A ) Método que emplearías para separar una mezcla formada por un líquido con un sólido insoluble:a) Filtración

b) Sublimaciónc) Cristalizaciónd) Destilación

3. ( B ) Para separar una mezcla de agua y aceite utilizarías el método de:a) Filtración

b) Decantaciónc) Sublimaciónd) Cristalización

http://4.bp.blogspot.com/_-yrjNhEJ5uw/SX5GZeyamRI/AAAAAAAAAPU/LAfXKGp2y9o/s1600-h/20070924klpcnafyq_15.Ies.SCO.jpg



11

4. ( D ) Cuál de los siguientes pares de métodos utilizarías para separar los componentes de una mezcla desal, azufre y agua (la sal se disuelve en agua, el azufre no):

a) Imantación y filtración b) Evaporación y centrifugaciónc) Decantación e imantaciónd) Filtración y evaporación

5. ( C ) Elige la opción que contenga la característica de un cambio físico:

a) No cambia la naturaleza intima de la materia. b) La cantidad de materia no se conserva.c) La naturaleza íntima de las sustancias sufren transformación.d) Las sustancias no conservan sus propiedades.

6. ( B ) Los estados físicos que encontramos durante la ebullición del agua son:a) Líquido

b) Líquido y gaseosoc) Sólido, líquido y gaseosod) Sólido y líquido

7. Escribe dentro del paréntesis (V) si el enunciado es verdadero o (F) si es falso.

A) (V) En la mezcla homogénea sus componentes no se distinguen a simple vistaB) (F) Las mezclas heterogéneas presentan una separación de fases.C) (V) Los componentes de una mezcla homogénea forman una sola fase.D) (V) En la mezcla heterogénea sus componentes se distinguen a simple vista.E) (F) Los componentes de una mezcla homogénea se separan por métodos químicosF) (F) Las mezclas heterogéneas forman una sola fase.

8. Si se sabe que el carbonato de calcio es insoluble en agua y se coloca un gramo de esta sustancia en 10mL de agua y se agita perfectamente, el tipo de mezcla que se forma es: A homogénea B heterogénea

A Homogénea, ¿Por qué? Por qué sus componentes no se distinguen entre si

9. ¿Cuál de los siguientes esquemas representa una mezcla heterogénea y explica brevemente por qué? B Por que sus componentes se visualizan

A B

10. Con el código que a continuación se te proporciona, elabora los modelos (dibujos) que representen alas siguientes sustancias:

Código

Elemento A = Elemento B =a) Una mezcla de elementos A y B

b) Un compuesto ABc) Uno de los elementosd) Una mezcla de uno de los elemento con el compuesto AB

4.8 ENERGÍA

La Energía es la capacidad para realizar un trabajo. Se presenta en diferentes formas: potencial, cinética,eléctrica, calórico, lumínica, nuclear y química.

Equivalencias de unidades de enrgía



12

2

2

2

*11

*11

*11

10001

184.41

sm Kg J

s

m Kg N

m N J

cal Kcal

J cal

Caloría = Es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1º C un gramo de agua.

Calor = Es una forma de energía que fluye entre cuerpos debido a una diferencia de temperatura.

El calor fluye de un cuerpo caliente a uno frío, hasta que los dos alcanzan igual temperatura.

Capacidad calorífica (C). Como regla general, y salvo algunas excepciones puntuales, la temperatura de uncuerpo aumenta cuando se le aporta energía en forma de calor. El cociente entre la energía calorífica Q de uncuerpo y el incremento de temperatura T obtenido recibe el nombre de capacidad calorífica del cuerpo C,que se expresa como:

La capacidad calorífica es un valor característico de los cuerpos, y está relacionado con otra magnitudfundamental de la calorimetría, el calor específico.

Para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 ºC es necesario aportar una cantidad de calor igual a unacaloría. Por tanto, la capacidad calorífica de 1 g de agua es igual a 1 cal/K.

Calor específico (c) Es la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de un gramo de unasustancia en un grado centígrado. Ejemplo: Cp del oro: 0.129 J/ g ºC, lo cual indica que son necesarios 0.129 J

para elevar en 1°C la temperatura de 1 g de oro.

El valor de la capacidad calorífica por unidad de masa se conoce como calor específico. En términosmatemáticos, esta relación se expresa como:

Donde c es el calor específico del cuerpo, m su masa, C la capacidad calorífica, Q el calor aportado y T elincremento de temperatura.

El calor específico es característico para cada sustancia y, en el Sistema Internacional, se mide en julios porkilogramo y kelvin (J/(kg·K)). A título de ejemplo, el calor específico del agua es igual a:

Del estudio del calor específico del agua se obtuvo, históricamente, el valor del equivalente mecánico delcalor, ya que:

Ejemplo 10

1 Determina la capacidad calorífica de un cuerpo de 3 kg, sabiendo que cuando desprende 5 KJ de calor, su

temperatura disminuye 1.85 K. Determina además, la capacidad calorífica de la sustancia que lo compone.

Calor extraído del cuerpo: Q = - 5 KJ = - 5·103 J (El signo negativo indica que el calor se transfiere desde el

cuerpo al entorno)

Disminución de temperatura: ∆T = -1.85 k

Masa del cuerpo: m = 3 kg

Aplicando la expresión para la capacidad calorífica del cuerpo, nos queda:



13

kg J T

QC /7,2702

85.1

10*5 3

Por otro lado, la capacidad calorífica nos permite entender cómo se comporta la sustancia térmicamente,

independientemente de la cantidad de masa que tenga:

c=Cm=2702.73=900.9 J /k ⋅kg

Leyes de conservación de la materia y energía

Primera: (Ley de Lavoisier) En una reacción química ordinaria la masa de todos losProductos es igual a la masa de las sustancias reaccionantes

Segunda: (ley de la Termodinámica) La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.

Tercera: (Ley de Einstein) La materia y al energía pueden transformarse mutuamente, pero la suma total dela materia y la energía del universo es constante.

4.9 DIAGRAMA DE FASES

Se denomina diagrama de fase a la representación gráfica de las fronteras entre diferentes estados de lamateria de un sistema, en función de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo. Cuando en una deestas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación diferentes se suele denominardiagrama de cambio de estado.

En ciencia de materiales se utilizan ampliamente los diagramas de fase binarios, mientras que entermodinámica se emplean sobre todo los diagramas de fase de una sustancia pura.

La figura 8 muestra un ejemplo de un diagrama de fase, que resume el efecto de la temperatura y de la presión en una sustancia en un recipiente cerrado. Cada punto en este diagrama representa una combinación posible de la temperatura y de la presión para el sistema. El diagrama se divide en tres áreas, que representanlos estados sólidos, líquidos, y gaseosos de la sustancia.

Figura 14: Diagrama de fase del agua

La mejor manera de recordar qué área corresponde a cada uno de estos estados es recordar las condiciones detemperatura y de presión que son más probables de ser asociados a un sólido, a un líquido, y a un gas. Las

bajas temperaturas y las altas presiones favorecen la formación de un sólido. Los gases, por otra parte, sonmás probables de ser encontrados a altas temperaturas y presiones bajas. Los líquidos se mienten entre estosextremos.

Podemos por lo tanto probar si se ha etiquetado correctamente un diagrama de fase dibujando una línea deizquierda a derecha a través de la parte más alta del diagrama, que corresponde a un aumento en latemperatura del sistema a presión constante. Cuando un sólido se calienta a presión constante, se derrite paraformar un líquido, que hierve eventualmente para formar un gas.

kg k J m

C c ./9,900

3

7,2702



14

Los diagramas de fase se pueden utilizar en varias maneras. Podemos centrarnos en las regiones separadas porlas líneas en estos diagramas, y conseguimos una cierta idea de las condiciones de temperatura y de presiónque son más probables para producir un gas, un líquido, o un sólido. Podemos también centrarnos en laslíneas que dividen el diagrama en los estados, que representan las combinaciones de la temperatura y de la

presión en las cuales se tienen estados en equilibrio.

Los puntos a lo largo de la línea que conecta A y B en el diagrama de fase en la figura 8 representan todas las

combinaciones de temperatura y de presión a las cuales el sólido está en equilibrio con el gas. A estastemperaturas y presiones, la tasa a la cual el sólido sublima para formar un gas es igual a la tasa a la cual elgas condensa para formar un sólido.

A lo largo de línea AB: Razón a la que el sólido sublima para formar un gas razón a la que ungas se condensa para formar un sólido.

La línea entre los puntos B y C es idéntica con el diagrama de la dependencia de la temperatura a la presióndel vapor del líquido. Contiene todas las combinaciones de temperatura y de presión a las cuales el líquidohierve. En cada punto a lo largo de esta línea, el líquido hierve para formar un gas y el gas condensa paraformar un líquido.

A lo largo de la línea BC: Razón a la cual un líquido hierve para formar un gas razón a la cualun gas condensa para formar un líquido

La línea entre los puntos B y D contiene las combinaciones de temperatura y de presión a las cuales el sólidoy el líquido están en equilibrio. En cada punto a lo largo de esta línea, el sólido se derrite en la misma razón

con la cual el líquido se congela. A lo largo de línea de BD: Razón en la cual un sólido se funde para formar un líquido razón a la

cual un líquido se congela para formar un sólido.

La línea de BD es casi vertical porque el punto de fusión de un sólido no es muy sensible a los cambios en la presión. Para la mayoría de los compuestos, esta línea presenta una pendiente positiva pequeña, según lomuestra la figura 8. Debe tenerse en mente que la pendiente de esta línea es levemente negativa para el caso

particular del agua. Consecuentemente, el agua se puede derretir a temperaturas cercanas a su punto decongelación cuando está sujetada a presión. La facilidad con la cual los patinadores del hielo se deslizan através de un lago congelado se puede explicar por el hecho de que la presión ejercida por sus patines derriteuna porción pequeña del hielo y se forma una superficie líquida entre el hielo y sus patines.

El punto B en este diagrama de fase representa la única combinación de temperatura y de presión a la cual una

sustancia pura puede existir simultáneamente como un sólido, un líquido, y gas. Por lo tanto se llama el puntotriple de la sustancia, y se representa por un único punto en el diagrama de fase en el cual los tres estadosestán en equilibrio. El punto C es el punto crítico de la sustancia, que es la temperatura y la presión más altasa la cual un gas y un líquido pueden coexistir en el equilibrio.

Figura 15: Nombres de los diferentes puntos en un diagrama de fases

Los diagramas de fase más sencillos son los de presión – temperatura de una sustancia pura, como puede serel del agua. En el eje de ordenadas se coloca la presión y en el de abscisas la temperatura. Generalmente, parauna presión y temperatura dadas, el cuerpo presenta una única fase excepto en las siguientes zonas:

Punto triple: En este punto del diagrama coexisten los estados sólido, líquido y gaseoso. Estos puntos

tienen cierto interés, ya que representan un invariante y por lo tanto se pueden utilizar para calibrartermómetros. Los pares (presión, temperatura) que corresponden a una transición de fase entre:

o Dos fases sólidas: Cambio alotrópico;o Entre una fase sólida y una fase líquida: fusión - solidificación;o Entre una fase sólida y una fase vapor (gas): sublimación - deposición (o sublimación

inversa);o Entre una fase líquida y una fase vapor: vaporización - condensación (o licuefacción).

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f6/Phase-diag_es.svg



15

Es importante señalar que la curva que separa las fases vapor-líquido se detiene en un punto llamado puntocrítico. Más allá de este punto, la materia se presenta como un fluido supercrítico que tiene propiedades tantode los líquidos como de los gases. Modificando la presión y temperatura en valores alrededor del punto críticose producen reacciones que pueden tener interés industrial, como por ejemplo las utilizadas para obtener cafédescafeinado.

Es preciso anotar que, en el diagrama PV del agua, la línea que separa los estados líquido y sólido tiene pendiente negativa, lo cual es algo bastante inusual. Esto quiere decir que aumentando la presión el hielo se

funde, y también que la fase sólida tiene menor densidad que la fase líquida.

Ejemplo 11

1) Responda sobre la base a la observación del gráfico de presión de vapor en función de latemperatura que se muestra. Se tiene un sistema de un solo componente formado por unacantidad dada de agua encerrada en un recipiente al vacío. Si el sistema evoluciona desde Ahasta C siguiendo el sentido que indican las flechas:

este gráficosuele recibir el

nombre de diagrama de

fases

a) ¿Cuántas fases existen en el punto A? ¿Cuáles son? b) Describa cualitativamente qué pasa con la presión y temperatura cuando el sistemaevoluciona de A hasta B.c) Idem a) para cuando el sistema se encuentra en los puntos B y C.d) Idem b) para la evolución de B hasta C.e) Repita las preguntas anteriores cuando el sistema evoluciona ahora siguiendo el caminoADB.f) Concluya a partir del análisis de los incisos anteriores hacia qué estado evoluciona el sistemasi situándose inicialmente en el punto B se producen pequeños desplazamientos:

· modificando sólo la temperatura (P = cte.)· modificando sólo la presión (T = cte.)

En ambos casos tenga en cuenta el sentido de la evolución, es decir, según se realice unaumento o disminución de las variables en juego.g) Idee una experiencia que le permita ejemplificar el proceso ABC. Describa sus etapas ¿Leresultaría igualmente simple hacer evolucionar en la práctica al sistema siguiendo el caminoADB? Justifique su respuesta.

Respuesta:Lo primero que hay que hacer es comprender el gráfico. (Me refiero a la curva que lo abarcacompletamente, no a la parte de las evoluciones A, B). Esa curva se puede construir con latabla de presión de vapor y temperatura, que se usa, entre otras cosas para resolver losejercicios de humedad.

La humedad es agua en estado gaseoso. Es un gas, y se comporta como cualquier otro gas. Y

combinando temperatura y presión todos los gases se licúan (o todos los líquidos se evaporan).



16

La curva indica para cada temperatura y cada presióncuál es el punto de ebullición (si se va de líquido a gas) ocuál es el punto de condensación (si se va de gas alíquido). Es el mismo punto para ambos sentidos.

También podríamos decirlo así: la curva se construye

con todos los estados en los que las fases líquida/gaseosa pueden convivir en equilibrio dinámico.

Para cadasustancia hay

una curvacaracterística ytodas tienen el

mismo estilo

Resumiendo: la curva separa los dos estados en que puede presentarse el agua entre líquido ygaseoso.

De modo que ya podemos responder la primera pregunta:

a) una sola fase: líquida

Vamos a la segunda pregunta. Tenemos un recipiente con una cantidad de agua líquida.

Estamos en A. Dejamos la presión constante y aumentamos la temperatura del agua y elrecipiente. Seguimos aumentando la temperatura y cuando llegamos a la temperatura B el aguacomienza a hervir.

Y no vayas a preguntar si ahí la temperatura es de 100 °C ¡no! El agua sólo hierve a 100 gradosa presión atmosférica, o sea 760 mmHg.

b) el agua h ierve: dos fases, líqui da y gaseosa

Ahora estamos en B. Si nos quedamos ahí vamos a tener el agua hirviendo permanentemente.El espacio vacío se va a llenar de vapor de agua a una presión P. Se establece un equilibriodinámico entre las moléculas que se evaporan y las que se condensan (no te olvides que elrecipiente está herméticamente cerrado).

Para desplazarse hacia C como indica el gráfico, hay que mantener constante la temperatura ydisminuir la presión (eso se logra fácilmente aumentando el volumen del recipiente). Si el

proceso es suficientemente lento como para avanzar sobre equilibrios, entonces al llegar al punto C (y antes también) toda el agua se va a encontrar en estado gaseoso.

c) en C hay una sola f ase: gaseosa

Moverse sobre la curva, ya sea BD o DB, es lo prácticamente lo mismo.

d) el agua h ierve: dos fases, líqui da y gaseosa

Con lo dicho tenéis prácticamente todo respondido. Pero hace el esfuerzo y termínalo.

Para completar la información puedes buscar en INTERNET con las siguientes claves:"diagrama de fases", "punto triple del agua".



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EJERCICIOS

1. ¿Cuál o cuáles de estas afirmaciones son correctas?

a) La densidad se mide en 3/mkg el sistema internacional.

b) Él 3/mkg es igual al kg/l.

c) Él 3/mkg es superior al g/l

d) El kg/l es mayor que el 3/ cm g

2 Conteste frente a cada una de las siguientes afirmaciones si es un cambio físico o químicoa). Disolvemos azúcar en agua

b) Obtenemos sal del agua de marc) Hacemos la digestión de comer pand) Cocemos un huevoe) Encendemos un fósforo

3 La representación con el modelo de partículas para el hidrógeno molecular es y la del oxígeno

molecular es , con base en esta información, indica qué representa la siguiente figura ¿una mezcla o unasustancia pura? Justifica tu respuesta.

4 Indica qué cambio de estado se presenta en cada una de las siguientes situaciones, relaciona con una letralas dos columnas:a). La ropa tendida se seca ( ) Solidificación

b) El agua se congela ( ) Condensaciónc) El hielo se derrite ( ) Evaporaciónd) Se empaña un espejo al respirar sobre él. ( ) Fusióne) El agua hierve ( ) Ebullición

5 Indica el método de separación de mezclas apropiado en cada una de las siguientes situaciones, relacionacon una letra las dos columnas:a). Hierro y sal ( ) Destilación

b) Arena y agua ( ) Evaporaciónc) Alcohol y agua ( ) Decantaciónd) Sal y agua. ( ) Filtracióne) Harina y agua ( ) Imantación

6 A partir de la información dada en cada apartado, identifica los componentes de las disoluciones e indicacuáles son los disolventes y cuáles los solutos:

a) Cada litro de agua del mar contiene entre 33 g y 37 g de sales. b) Cada kilogramo de oro de 18 quilates contiene 750 g de oro y 250 g de plata.c) En 100 mL de alcohol desinfectante hay 96 mL de alcohol y 4 mL de agua.d) El gas natural es gas metano con algo de etano, propano y butano.

7 Llenar el espacio con la palabra adecuada (decantación, destilación, evaporación, extracción, filtración) delmétodo de separación de mezclasa) La ___________ se basa en la diferencia de volatilidad entre los componentes de una disolución.

b) La ___________ se basa en la diferencia de densidad entre los componentes no miscibles.c) La ___________ se basa en la diferencia de solubilidad de un soluto entre dos disolventes.d) La ___________ consiste en la eliminación del disolvente en una disolución.e) La ___________ se basa en la separación por la diferencia entre el tamaño de las partículas.

8 Un vaso contiene 100,0 gramos de agua ( O H 2 ) ¿Cuántas moles-gramo de agua hay en el vaso?

9 Un cilindro contiene 20 moles gramo de dióxido de carbono. ( 2CO ). ¿Cuántos gramos de dióxido de

carbono hay en el cilindro?

10 Hallar a) el número de moles y b) moléculas que hay en 5,0 g de hidrógeno.

11. Razona cuál de las siguientes cantidades tendrá un mayor número de átomos:



18

a) 20 g de Fe

b) 20 g de S

c) 20 g de oxígeno

d) 20 g de Ca

e) 20 g de CaCO3

12 El oxígeno gaseoso reacciona con azufre en polvo, para producir óxido de azufre (VI). Para obtener 1,0mol de SO3, es necesario que reaccionen 32 g de azufre con 48 g de oxígeno para formar 80 g de SO3. Segúnestos datos, calcule la composición porcentual del SO3, sabiendo que la masa molar del compuesto es 80(g/mol).

13 Calcule la composición porcentual de H2SO4, sabiendo que su masa molar es 98 (g/mol)

14 El análisis de una muestra sólida que contiene los elementos potasio, carbono y oxígeno, da los siguientesresultados: 56,58% de potasio, 8,68% de carbono, y 34,73% de oxígeno. Según estos datos, calcule la fórmulaempírica de la sustancia. Las masas molares para los elementos K, C y O son 30,10 (g/mol), 12,01 (g/mol) y16,00 (g/mol) respectivamente.

15 El propileno es un hidrocarburo cuya masa molar es 42,00 (g/mol). El análisis elemental de esta sustanciaindica que contiene un 14,3 % de hidrogeno y 85,7 % de carbono. Según estos datos, calcule la fórmula

molecular del hidrocarburo. Las masas molares del carbono e hidrógeno son 12,01 (g/mol) y 1,00 (g/mol)respectivamente.

16 Un alimento produce 500 cal, convierta esta cantidad a las siguientes unidades de energía: a) BTU b)Kcal c) Julios (J)

17 Realice las siguientes conversiones:a) 32 °C a °F

b) -8,6 °F a °Cc) 273 °C a K

18 Observa los dos diagramas que se muestran a continuación y:

a) Relaciona los puntos A, B, C, D, E y F del diagrama de enfriamiento que se produce a la presión P, con los puntos 1, 2, 3 y 4 del diagrama de fases. b) Explica brevemente lo que sucede en cada uno de ellos y lo que representan.c) Indica lo que sucede en los intervalos mostrados en ambos diagramas.

19 Analiza cada uno de los diagramas de fase, del agua y del dióxido de carbono, y completa la siguientetabla:



19

20 Indicar los procesos a utilizar (Destilación, filtración, cristalización, decantación, magnetismo) y el ordende aplicación para separar las siguientes mezclas:a) Arena, sal y agua

b) Aceite, etanol y aguac) Arena, aceite y aguad) Azufre, sal y virutas de hierro

21 Qué procedimiento utilizarías para separar los componentes del bronce una aleación de cobre y estaño:a) Tamizado

b) Cambio de estadoc) Decantaciónd) Cromatografía

22 El mar está saturado de gas CO2 disuelto. Si sube la temperatura del agua:a.- Aumenta el CO2 en la atmósfera

b.- Disminuyec.- Se disuelve mejoren el mard.- Ninguno de estos efectos.

RESPUESTAS DE ALGUNOS EJERCICIOS SELECCIONADOS

1 a, 2 a) Físico e) Químico 3 Es una mezcla por que tiene dos compuestos 4 a) evaporación e) ebullición 5 a)Imantación e) Filtración 6 a) Disolvente agua, soluto sales d) Disolvente metano, soluto: etano, ´propano y

butano 7 a) destilación c) extracción 8 5,56 molg agua 10 b) 2410*49,1 moléculas 12 40% S, 60% O 13

S=32,69% 14 32CO K 15 62 H C 16 a) 1,98 BTU 17 b) -22,6ºC 18 1F, 2E-D, 3C-B, 4A.

19 Agua, punto triple T=273,16 K, P= 0,006 atm; 2CO , punto triple T = 216,8K, P = 5,11Bar 20 a)

Filtración y cristalización c) filtración, decantación 21 b) cambio de estado 22 a) Aumenta el CO2 en laatmosfera.

BIBLIOGRAFÍAhttp://ies.alpajes.aranjuez.educa.madrid.org//argos/actividades/1eso/1eso_3.htmhttp://www.slideshare.net/DGS998/8-mtodos-de-separacin-de-mezclas-6423431http://books.google.com.co/books?id=ifnceRGljrYC&pg=PA210&lpg=PA210&dq=m%C3%A9todo+para+se

parar+mezcla+de+harina+y+agua&source=bl&ots=Ypfx3rhiEB&sig=nTekm9UiVQ0qCb6ZzDM3xGI84do&hl=es-419&sa=X&ei=qIHlUKK9GJKC9QT_noDwAw&sqi=2&ved=0CGYQ6AEwBQ#v=onepage&q=m%C3%A9todo%20para%20separar%20mezcla%20de%20harina%20y%20agua&f=false http://www.cespro.com/Materias/MatContenidos/Contquimica/QUIMICA_INORGANICA/IndexQca.htmhttp://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/Termodinamica/node39.htmlhttp://www.fisicanet.com.ar/http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cursoJava/applets/ejemplos/conversion/conversion.htm

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4 materia y energía

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