Autor: Quique Casado

Capítulo 1. ENERGÍA. UNIDADES.

Llamamos energía a la propiedad que asociamos con la capacidad que tienen los cuerpos para producir cambios o transformaciones en ellos mismos o en otros cuerpos. Ej.: El aire tiene energía, es capaz de mover un velero o las aspas de un molino. La madera posee energía, ya que al quemarla puede hacer hervir el agua.

Casi toda la energía de que disponemos proviene del Sol. Por ejemplo, gracias a la luz solar las plantas realizan la fotosíntesis y fabrican materia orgánica que es utilizada por el resto de los seres vivos para obtener la energía que necesitan.

La energía posee unas características importantes:

• Se transfiere. Puede pasar de unos cuerpos a otros. Por ejemplo mezclamos agua caliente con agua fría, pasa energía del agua caliente a la fría.
• La energía se transforma. Con esto queremos indicar que una forma de energía puede convertirse en otra. Por ejemplo, la energía eléctrica puede convertirse en energía química al cargar la batería de un teléfono móvil.
• Puede ser transportada. Puede pasar de un lugar a otro, en forma de combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas), mediante tendidos eléctricos…
• Se puede almacenar, en pilas, baterías, pantanos etc.
• La energía se conserva. Permanece constante cuando pasa de un cuerpo a otro o cuando una forma de energía se transforma en otra. Esta característica se conoce como el principio de conservación de la energía: la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma.
• La energía se degrada. Hay formas de energía más útiles que otras (en el sentido de que nos permiten provocar más trasformaciones). Una vez que se usa la energía en una transformación determinada, pierde parte de su utilidad. Decimos entonces que la energía se ha degradado o ha perdido calidad (no decimos que se ha gastado). Por ejemplo, una resistencia eléctrica produce calor, pero es muy difícil volver a convertir ese calor en energía eléctrica.

La energía produce cambios en los cuerpos, se transfiere de un cuerpo a otro, se puede transportar y almacenar, cambia de una forma a otra y se conserva en cantidad pero pierde en calidad durante los cambios.

La unidad de energía en el Sistema Internacional es el julio (J). Otras unidades de energía utilizadas con frecuencia en la vida diaria se muestran en la siguiente tabla.

Capítulo 2. TIPOS. TRANSFORMACIONES DE LA ENERGÍA Y SU CONSERVACIÓN.

La energía se presenta de distintas formas, que se pueden convertir unas en otras.

Energía cinética. Está asociada a los objetos en movimiento. Un cuerpo en movimiento es capaz de provocar cambios que no podría realizar estando en reposo. Esta energía depende de la velocidad y la masa del cuerpo.

Energía potencial. Está asociada a la posición que ocupa el cuerpo. Por ejemplo, un cuerpo situado a cierta altura del suelo puede caer, poniéndose en movimiento y empujar a otro.

Energía eléctrica. Relacionada con el movimiento de las cargas eléctricas. Es una energía muy versátil pues puede convertirse fácilmente en otras formas de energía. Es limpia, de fácil transporte y disponible. El funcionamiento de los electrodomésticos en el hogar es un ejemplo de su uso.

Energía interna. Se relaciona con los movimientos que tienen las partículas que forman los objetos. Es proporcional a la masa y a la temperatura de los objetos y es importante en los cambios de estado. Por ejemplo, cuando el agua pasa de sólido (hielo) a líquido aumenta su energía interna.

Energía química. La poseen los compuestos químicos y se pone de manifiesto en las reacciones químicas. La poseen los alimentos, las baterías, las pilas, la gasolina o el gas natural.

Energía nuclear. Se genera en el núcleo de los átomos, de donde se liberan grandes cantidades de energía. Se utiliza en las centrales nucleares para producir electricidad.

Energía térmica o calor. Es una energía que pasa de un cuerpo a otro al estar a diferente temperatura. El calor es una energía en tránsito, una forma de pasar energía a otro (desde el de mayor temperatura al de menor temperatura).

Sin duda, alguna vez habrás oído frases como “ya no tiene energía” o “se le está acabando la energía”; sin embargo, desde el punto de vista de la física, es incorrecto. Lo que ocurre es, sencillamente, que la forma de energía inicial se ha transformado en otro tipo de energía que ya no podemos usar. Si pensamos en los fuegos artificiales, la pólvora contiene energía química que se transforma en cinética, potencial, sonora, luminosa y calorífica, manteniéndose constante la energía total.

La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma.

Capítulo 3. ENERGÍA TÉRMICA. EL CALOR Y LA TEMPERATURA.

Calor y temperatura son términos que tendemos a confundir. Hablamos de calor cuando queremos referirnos a la temperatura, y decimos que un cuerpo tiene calor cuando lo correcto sería decir que se encuentra a una determinada temperatura.

Calor es la energía que pasa de un cuerpo a otro cuando están en contacto y tienen distinta temperatura. El calor pasa del cuerpo caliente al frío hasta que las temperaturas se igualan, entonces alcanza el equilibrio térmico.

Las sustancias están formadas por partículas que están en continuo movimiento. Este movimiento se denomina agitación térmica. Debido a esta agitación, cada partícula posee energía cinética. La suma de las energías cinéticas de todas las partículas de un cuerpo se denomina energía interna.

Temperatura es una medida del movimiento de las partículas que forman las sustancias. A mayor temperatura, mayor agitación de las partículas.

Cuando se suministra calor a un cuerpo, aumenta el movimiento de sus partículas, la energía cinética de cada una y, por tanto, la energía interna y, en consecuencia su temperatura. Esta es la causa de que los cuerpos varíen de tamaño o cambien de estado.

Cuando un cuerpo se calienta, las partículas que lo forman se mueven más deprisa, ocupan más espacio, y su volumen aumenta (dilatación).

Si un cuerpo cede calor, sucede lo contrario; sus partículas se mueven menos, se enfría y disminuye su volumen (contracción).

La dilatación es el aumento de volumen de los cuerpos con la temperatura. Al aumentar la temperatura, aumenta la agitación térmica y con ella la distancia entre las partículas, aumentando su tamaño.

Cambios de estado.

La materia se puede presentar en tres estados, variando la temperatura puede pasar de uno a otro. Es posible explicar los cambios de estado mediante la teoría cinética.

Al suministrar calor aumenta la agitación de sus partículas. Si seguimos calentado llegará un momento en que sus partículas se muevan tanto que pasará a líquido (fusión). Si el calentamiento es aún mayor las partículas se moverán más y la sustancia llegara a pasar a gas (vaporización).

Por el contrario, al enfriar una sustancia gaseosa, disminuye la agitación de sus partículas y terminará pasando a líquido (condensación). Si seguimos enfriando sus partículas se moverán aún más lentamente y alcanzará el estado sólido (solidificación).

Algunos sólidos pasan directamente de sólido a gas (sublimación) o de gas a sólido (sublimación regresiva o inversa).

Mientras tiene lugar un cambio de estado, la temperatura no varía aunque estemos aportando o quitando calor. Esta energía se utiliza en deshacer o formar las uniones entre las partículas para pasar a un nuevo estado.

Capítulo 4. FUENTES DE ENERGÍA.

El desarrollo de la humanidad está atado al descubrimiento y uso de las diferentes fuentes de energía. Estas fuentes han permitido la mejora de las condiciones de vida de nuestra sociedad en muchos ámbitos: vivienda, alimentación, salud, cultura, trabajo, etc.

En la Tierra hay enormes cantidades de energía, pero no todas ellas son accesibles y explotables.

Las fuentes de energía son el conjunto de recursos existentes en la naturaleza, al alcance del ser humano, y con los cuales se puede obtener la energía necesaria para utilizar en el desarrollo de sus actividades.

Las fuentes de energía se pueden clasificar en:

En los últimos años se ha ido incrementando la utilización de las energías procedentes de fuentes renovables, debido al agotamiento de las fuentes no renovables y al intento de reducir los efectos perjudiciales que estas tienen sobre el medio ambiente (emisión de gases de efecto invernadero, lluvia ácida, suciedad ambiental y residuos tóxicos).

4.1 Fuentes de energía no renovables

Carbón.

El carbón es un combustible fósil de color negro formado hace millones de años cuando los restos de vegetales quedaron enterrados en zonas poco profundas. Estos restos se han ido transformando en carbón bajo ciertas condiciones de presión y temperatura, a lo largo de millones de años. Existen cuatro tipos de carbón: la antracita, la hulla, el lignito y la turba. La antracita es el carbón mineral más antiguo, tiene mayor contenido en carbono y por tanto mayor capacidad calorífica. Le sigue la hulla, el lignito y la turba.

Entre los usos del carbón destacan:

• Combustible utilizado en las centrales térmicas para producir electricidad (90%).
• Usos domésticos: calefacción, cocina…
• En la siderurgia para la producción de acero.

En Asturias hay varias centrales térmicas que queman carbón. Las más importantes se recogen en la siguiente tabla.

Petróleo

El petróleo está formado por una mezcla de sustancias que se formaron hace millones de años por acumulación de microorganismos marinos en el fondo del mar. Al quedar enterrados y bajo condiciones adecuadas de presión y temperatura, se transformaron en petróleo.

El petróleo no tiene aplicaciones tal como sale del pozo (crudo). Para utilizarlo como combustible debe ser sometido a una serie de operaciones de destilación fraccionada en las refinerías, obteniéndose: gases combustibles (propano, butano), gasolina, gasóleo, fuel, lubricantes y asfalto.

Desde el principio del siglo XX el petróleo ha ido desplazando al carbón, pero a partir de la segunda mitad de ese siglo se hace imprescindible en las economías occidentales, siendo insustituible en la industria petroquímica para la elaboración de fibras, plásticos, pinturas, abonos, etc y en el transporte.

Gas Natural

El gas natural es una mezcla de gases en la que el metano es el componente principal. Se emplea tal como se obtiene de la naturaleza. Aunque una vez extraído debe ser licuado para facilitar su transporte y almacenamiento. Se usa:

• Como combustible doméstico, industrial y en ciertos vehículos.
• En la centrales térmicas para producir electricidad.

Cada vez es mayor su utilización, porque produce menos contaminación que el carbón y el petróleo y tiene gran poder calorífico. Puede sustituir al carbón y al petróleo en casi todas sus aplicaciones.

Uranio

Es la materia prima de la que se alimentan las centrales nucleares. En el proceso nuclear que tiene lugar en el núcleo del reactor, los núcleos de uranio se rompen liberando gran cantidad de energía. Un kilogramo de uranio produce unos dos millones de veces más de energía que un kilo de carbón.

El almacenamiento de los residuos nucleares radiactivos es, quizás, el mayor problema al que se enfrenta esta fuente de energía. En la figura se muestra un esquema de una central nuclear.

A la izquierda se encuentra la cúpula que contiene al reactor, donde tienen lugar los procesos nucleares y la liberación del calor. A continuación se encuentra el edificio donde están las turbinas y el alternador que produce electricidad. La gran torre central sirve para refrigerar.

4.2 Fuentes de energía renovables

Energía hidráulica

Consiste en utilizar la energía potencial del agua embalsada a cierta altura y transformarla en energía eléctrica mediante turbinas.

Es relativamente sencillo almacenar grandes cantidades de agua mediante embalses, por lo que es una fuente de energía segura, rentable y no produce residuos. Además la construcción de embalses ayuda a controlar las inundaciones y a suministrar agua durante las estaciones secas

Tiene algunos inconvenientes, tales como su dependencia de la pluviosidad, pérdida de suelos fértiles, desalojo de poblaciones, modificación de cauces de ríos y el impacto ecológico sobre su entorno. Precisa de grandes inversiones para la construcción de presas y para el tendido de grandes redes de distribución al estar los centros de producción lejos de los de consumo. Es una de las energías renovables más utilizada en países con geografía accidentada y suficientes ríos, como el nuestro.

Las centrales hidráulicas en Asturias son de tamaño pequeño no superando los 125 MW. Las más importantes se recogen en la tabla siguiente:

Central	Ubicación	Potencia (MW)
Proaza	Proaza	48
Tanes	Caso-Sobrescobio	123
Priañes	Oviedo	18,4
La Barca	Tineo	57,7
Miranda	Belmonte de Miranda	64,8
Salime	Grandas de Salime	112

Hay otras 26 minicentrales que no superan los 10 MW de potencia cada una y que en total suman 87 MW entre las que destacan las de La Malva (Somiedo), La Riera o La Florida (Narcea-Tineo).

Energía eólica

Se aprovecha la energía cinética del aire que se transforma en electricidad en unos aparatos llamados aerogeneradores (molinos de viento especiales). Al igual que la energía solar, es limpia, inagotable, gratuita y no contaminante.

Pero presenta inconvenientes: es dispersa, intermitente y de irregular intensidad. Los aerogeneradores tienen grandes dimensiones. Necesitan vientos de dirección y velocidad adecuados. Así, con vientos menores de 5 m/s no funcionan, y con superiores a 20 m/s se pueden producir grandes averías.

En Asturias hay más de una docena de parques eólicos, la mayoría situados en la zona occidental (Valdes, Boal, Allande, Grandas, Tineo, Oscos,…)

Energía solar

Consiste en transformar la energía que nos llega del Sol en energía eléctrica o térmica.

Ventajas: Es inagotable, gratuita y no contamina. Inconvenientes:

• Su disponibilidad varía en función de diferentes factores: nubosidad, estaciones, sucesión día-noche, no se puede almacenar, etc.
• Su utilización a gran escala necesita de sistemas de captación que utiliza grandes extensiones de terreno, que quedan inutilizadas para otros usos.

Se puede aprovechar por dos vías: térmica y fotovoltaica.

• La energía solar térmica consiste en la utilización de la energía solar para calentar agua. La energía obtenida se utiliza para obtener agua caliente y calefacción de uso doméstico.
• La energía solar fotovoltaica permite la transformación directa de energía del Sol en energía eléctrica mediante paneles solares. El rendimiento de los paneles solares es bajo y los propios paneles son caros, por lo que la energía eléctrica obtenida con ellos está subvencionada.

Energía de la biomasa

Se llama biomasa a la cantidad de materia orgánica procedente de la transformación de los seres vivos.

La energía que se obtiene de la biomasa se produce de tres formas:

• Mediante cultivo de especies de rápido crecimiento y alto contenido energético, como algas, cardos, chumberas o cereales.
• Aprovechando los residuos urbanos, agrícolas, ganaderas, forestales.
• Transformando sustancias vegetales para convertirlas en productos energéticos: el biodiésel, biogás y etanol. En Brasil hay un programa para sustituir, parcialmente, la gasolina de los coches por alcohol obtenido por la fermentación de la caña de azúcar. De los desechos de aceites usados se puede extraer otro combustible, el biodiésel. Actualmente el uso de la biomasa se hace principalmente para producir biogás (composición parecida al gas natural).

Otras energías renovables

• La energía geotérmica se basa en el calor que sale de las profundidades de la Tierra, y que se trasmite por conducción hasta la superficie. Es producido continuamente por la lenta desintegración de los elementos radiactivos que se hallan en las profundidades de nuestro planeta. En Islandia la mitad de las viviendas utilizan este calor para la calefacción.
• Las energías mareomotriz y la del oleaje consisten en aprovechar la energía cinética del agua en las mareas y las olas. La energía térmica aprovecha la diferencia de temperaturas entre la superficie del mar y las profundidades donde el agua está más fría. Es una fuente de energía limpia, sin residuos y prácticamente inagotable. Inconveniente: la energía dispersa y las instalaciones son grandes y costosas. La tecnología que se requiere está poco desarrollada.

Capítulo 5. USO RACIONAL DE LA ENERGÍA.

Es fundamental el ahorro de fuentes de energía tradicionales, debido a que son un recurso limitado que no se debe desperdiciar. Además, reduciendo el consumo reduciremos el impacto sobre el medio ambiente, el ruido, la contaminación del aire y de las aguas y la acumulación de desechos.

Se calcula que en las ciudades se consume el 75% de la energía en usos domésticos, calefacción, transporte y alumbrado. Por esto la mayor parte de los programas de ahorro (reciclado de papel, vidrio, metales, aislamiento de viviendas, uso de transporte público) van dirigidos al ciudadano. El ahorro y el reciclado deben considerarse como una actividad rentable por lo que debe contar con apoyos financieros y constituir un objetivo básico en todo plan energético.

Se puede ahorrar mucha energía con muy poco esfuerzo, sólo hay que seguir algunas normas sencillas:

Ahorro de electricidad

• Apagar las luces y los electrodomésticos cuando no se utilicen.
• Cambiar las bombillas tradicionales por las de bajo consumo.
• Si es posible, no utilizar la electricidad como sistema de calefacción o para cocinar.
• Usar los electrodomésticos a pleno rendimiento: poner la lavadora llena, abrir la puerta del frigorífico el menor tiempo posible, desconectar la plancha al terminar, etc.

Ahorrar en calefacción

• Disponer de buen aislamiento en paredes, puertas y ventanas de la vivienda.
• No tener demasiado caliente la casa en invierno. Con 20 ºC es suficiente.
• No poner muy frío el aire acondicionado en verano. Con 22 ºC está bien.
• Emplear combustibles menos contaminantes como el gas natural.
• Realizar un mantenimiento periódico de la caldera para que su rendimiento sea óptimo.

Ahorrar en transporte

Viajar, siempre que sea posible, en transporte público y, si las distancias son pequeñas, ir a pie o en bicicleta. Viajar en coche a velocidades moderadas con marchas largas. Realizar un mantenimiento periódico del motor para optimizar su rendimiento y disminuir el consumo.

Capítulo 1. PROPIEDADES DE LA MATERIA

Llamamos materia a aquello que tiene masa y ocupa un espacio, es decir, tiene volumen.

La masa y el volumen son características comunes a toda la materia, por eso se llaman propiedades generales de la materia.

Cada clase de materia o sustancia tiene unas propiedades específicas que nos sirven para identificarla. Estas propiedades son: el color, la textura, el estado físico, la temperatura de fusión, la temperatura de ebullición, la densidad, etc.

La masa.

 La masa indica la cantidad de materia que tiene un cuerpo. Para medirla se utilizan balanzas. En el Sistema Internacional de unidades (SI) se utiliza como patrón de medida el kilogramo (kg). Otras unidades que se utilizan son el gramo (g), el miligramo (mg) y la tonelada (t). En la tabla figuran las equivalencias.

El volumen 

El volumen nos indica el espacio que ocupa un cuerpo. Para medir el volumen de los líquidos utilizamos recipientes graduados. En los laboratorios se utilizan probetas, pipetas y buretas.

La unidad de volumen en el Sistema Internacional es el metro cúbico (m3). Otras unidades utilizadas son el litro (L) o el decímetro cúbico y el centímetro cúbico o el mililitro. La relación entre ellas está en la siguiente tabla:

La temperatura:

La temperatura es una medida del movimiento de las partículas que forman las sustancias. A mayor temperatura, mayor agitación de las partículas.

Para medir la temperatura utilizamos termómetros: se basan en la dilatación de un líquido (mercurio o alcohol) con la temperatura, en la variación del color con la temperatura, etc.

La temperatura se puede medir utilizando diferentes escalas. La graduación de estas escalas se realiza a partir de unos puntos de referencia que son constantes.

Las escalas de temperatura

Escala Celsius (ºC). Para calibrar los termómetros se utilizan como puntos de referencia la temperatura de fusión del hielo (que se le asigna 0º) y la temperatura de ebullición del agua (que se le asigna el valor 100º). Establece 100 divisiones entre los puntos de referencia. Cada división es 1 ºC.

Escala absoluta o Kelvin (K). Para esta escala la temperatura de fusión del hielo es 273 K y la de ebullición del agua 373 K. Establece 100 divisiones entre los puntos de referencia. Cada división es 1 K.

Relación entre ambas escalas:

T (K) = T (ºC) + 273

Cuando hablamos de grados centígrados en la vida diaria nos estamos refiriendo a la escala Celsius.

Escala Fahrenheit (ºF). En ella la temperatura de fusión del hielo corresponde a 32 ºF, y la de la ebullición del agua a 212 ºF. Establece 180 divisiones entre los dos puntos de referencia. Cada división es 1 ºF.

La densidad.

La densidad de un cuerpo es la cantidad de materia que tiene en relación con el espacio que ocupa

Cuando decimos que el agua es más densa que el aceite, estamos diciendo que, en el mismo volumen, el agua tiene más cantidad de materia que el aceite.

En el Sistema Internacional, la densidad se mide en kg/m³. Otras unidades de uso común son el g/cm³ y el kg/l.

A partir de aquí se pueden hacer varios cálculos. Por ejemplo:

Sabiendo que la densidad del agua es 1000 kg/m3, halla: a) Su densidad en kg/L, b) en gr/cm3, c) en g/l

 

Un taco de madera de 40 cm³ tiene una masa de 36 g. ¿Cuál es la densidad de la madera en g/cm³?

Sabemos que la masa = 36 g y el volumen = 40 cm³. La densidad se calcula:

3. Sabiendo que la densidad del aluminio es 2,7 g/cm³, ¿cuál es la masa de una esfera de aluminio de 30 cm³?

Sabiendo que el V = 30 cm³ y la d = 2,7 g/cm³

Se aplica la fórmula, Masa = Volumen x Densidad = 30 x 2,7 = 81 g

4. La densidad del hielo es 0,9 g/cm³. ¿Qué volumen ocupa 1 kg de hielo?

Sabemos que la masa 1 kg = 1000 g y la densidad 0,9 g/cm3. El volumen se calcula:

Conocida la densidad podemos calcular la masa o el volumen, mediante las siguientes expresiones:

 

 

Capítulo 2. ESTADOS DE AGREGACIÓN. CAMBIOS DE ESTADO. MODELO CINÉTICO-MOLECULAR. 

La materia que nos rodea se presenta en tres estados físicos: sólido, líquido y gaseoso. Cada estado tiene unas características propias que son:

Propiedades	SÓLIDO	LÍQUIDO	GASEOSO
Forma	Mantienen su forma, por lo que no se adaptan a la forma del recipiente que los contiene	No tienen forma propia. Se adaptan a la del recipiente	No tienen forma propia. Se adaptan a la del recipiente
Volumen	Fijo	Fijo	Variable. Se adaptan al del recipiente
Compresibilidad	No se comprimen	No se comprimen	Se comprimen
Expansibilidad	No se expanden	No se expanden	Se expanden
Pueden fluir	No fluyen	Fluyen	Fluyen

 

2.1 Modelo cinético-molecular.

Para explicar las propiedades de la materia recurrimos a la teoría cinética, que es un modelo basado en dos ideas:

• La materia está constituida por pequeñas partículas, entre ellas existen espacios vacíos.
• Las partículas están en continuo movimiento, que aumenta con la temperatura.

La disposición de estas partículas nos permite explicar las propiedades de cada uno de los estados de la materia:

Sólidos	Líquidos	Gases
Las partículas están fuertemente unidas, muy juntas y ordenadas. Sólo pueden vibrar, sin cambiar de posición.	Las partículas están menos unidas, más separadas y menos ordenadas que las de los sólidos. Pueden desplazarse unas sobre otras.	Las partículas no están unidas, se encuentran alejadas entre sí. Se pueden mover libremente.

¿Cómo explica la teoría cinética que los líquidos y los gases puedan fluir? Según la teoría cinética, los líquidos y los gases pueden fluir porque las partículas que los forman no están muy unidas y pueden desplazarse unas sobre otras (líquidos) o moverse libremente (gases).

2.2 Los cambios de estado.

El estado en que se presenta una sustancia depende de la temperatura y la presión. Si la temperatura cambia, una sustancia puede pasar de un estado a otro: se produce un cambio de estado. El agua puede encontrarse en estado sólido, líquido y gaseoso

Para comprobar que la evaporación es un fenómeno de superficie, se puede colocar la misma cantidad de agua en un vaso estrecho y en un plato. El agua del plato se evapora más rápidamente que la del vaso por tener mayor superficie.

El proceso mediante el cual al calentar un sólido pasa al estado líquido se denomina fusión. La temperatura a la que tiene lugar el proceso se denomina temperatura de fusión. El proceso inverso se llama solidificación. La temperatura de los puntos de fusión y de solidificación de una sustancia es la misma.

El proceso por el que un líquido pasa a gas se llama vaporización y se puede producir mediante dos mecanismos distintos: ebullición y evaporación. La evaporación es el paso de líquido a gas a cualquier temperatura. El cambio de estado se produce solo en la superficie. La ebullición es el paso de líquido a gas cuando se alcanza una determinada temperatura, denominada temperatura o punto de ebullición. El cambio de estado se produce en todo el volumen del líquido. El paso de gas a líquido se denomina condensación.

El paso directo de sólido a gas se llama sublimación. Es un cambio de estado poco frecuente en la naturaleza. El proceso inverso, de gas a sólido, se denomina también sublimación inversa o regresiva.

La teoría cinética nos permite explicar los cambios de estado. Cuando un sólido se calienta, las partículas se mueven más rápidamente hasta que se separan, transformándose en líquido. Si seguimos calentando, llega un momento en que las partículas del líquido están tan separadas que se escapan unas de otras y se transforman en gas.

Capítulo 3. SUSTANCIAS PURAS Y MEZCLAS.

Un sistema material es una porción de materia que se considera de forma aislada para ser objeto de estudio. Teniendo en cuenta su composición, los sistemas materiales pueden clasificarse en mezclas y sustancias puras.

La materia puede estar formada por una sola sustancia o por varias sustancias mezcladas en proporción variable.

Las sustancias puras tienen unas propiedades específicas que las caracterizan, las mezclas no.

Por ejemplo, el agua tiene unas propiedades específicas que la caracterizan: siempre hierve a 100 ºC, se congela a 0 ºC y su densidad es 1 kg/L. En cambio, la mezcla de agua y alcohol tendrá un punto de fusión, de ebullición y una densidad cuyos valores dependerán de la proporción en la que estén sus componentes.

3.1 Sustancias puras

Una sustancia pura es aquella que tiene unas propiedades específicas que la caracterizan y que sirven para diferenciarla de otras sustancias. Las sustancias puras pueden ser elementos o compuestos.

Los compuestos químicos son sustancias puras que se pueden descomponer en otras más simples por métodos químicos. Por ejemplo el agua es un compuesto químico que se puede descomponer en dos gases (hidrógeno y oxígeno) al pasar por ella una corriente eléctrica.

Los elementos químicos son sustancias puras que no pueden descomponerse en otras más simples. Por ejemplo, el oxígeno y el hidrógeno obtenidos al descomponer el agua no se pueden descomponer en ninguna otra sustancia, son elementos químicos.

3.2 Mezclas

En la vida real, lo frecuente es que la materia esté en forma de mezclas. Se pueden distinguir:

• Mezclas homogéneas o disoluciones: Están formadas por varias sustancias, pero con aspecto homogéneo. (Ej.: agua salada, vino).
• Mezclas heterogéneas: En ellas se puede distinguir a simple vista o con la lupa las sustancias que las componen. (Ej.: sopa de verdura).

3.1 Mezclas homogéneas o disoluciones.

La disolución es una mezcla de aspecto homogéneo de dos o más componentes.

• El que está en mayor proporción es el disolvente.
• El que está en menor proporción es el soluto.

La teoría cinética explica por qué los componentes de la disolución no pueden verse, considerando que las partículas del soluto se mueven y se dispersan por todo el disolvente, de la misma forma que las partículas de un gas ocupan todo el volumen del recipiente que lo contiene.

Por ejemplo, al disolver el azúcar en el agua el sabor dulce se aprecia en toda el agua del vaso. El azúcar se disgrega y se mueve por el agua, de la misma forma que un perfume llega al último rincón de la habitación donde se eche. Dependiendo del estado físico de la disolución, podemos tener disoluciones: líquidas, sólidas y gaseosas

A simple vista no se puede distinguir una mezcla homogénea de una sustancia pura. Pero sí se pueden distinguir experimentalmente.

Las diferencias más importantes entre una disolución y una sustancia pura son las siguientes:

SUSTANCIA PURA	DISOLUCIÓN
•     Mediante procesos físicos como evaporación o destilación, solo conseguimos que cambie     de estado. •     Tiene propiedades características y constantes que la diferencian de las demás sustancias. •     Los cambios de estado se producen siempre a igual temperatura.	• Sus componentes se pueden recuperar por procesos físicos como la evaporación o la destilación. • Sus propiedades no son fijas, dependen de la proporción en que estén mezclados sus componentes. • Los cambios de estado no se producen siempre a igual temperatura. Varían según las proporciones de la mezcla.

Por ejemplo:

Sustancia pura: Agua pura	Disolución: Agua salada
Cuando se calienta hasta 100 ºC hierve, pasando a vapor de agua, manteniendo constante esa temperatura hasta que el agua se evapora por completo. Tiene propiedades características y constantes. Por ejemplo: •     Densidad: 1 kg/ L •     Punto de fusión: 0 ºC •     Punto de ebullición: 100 ºC •     No tiene sabor, etc.	Si se calienta, empezará a hervir, quedando en el recipiente sal cuando toda el agua se haya evaporado. La temperatura de ebullición cambia ligeramente. Sus propiedades no son fijas, dependen de la proporción de sal presente en el agua. Por ejemplo: •     Densidad: mayor que 1 kg/L •     Punto de fusión: inferior a 0 ºC •     Punto ebullición superior a 100 ºC •     Sabor salado

 Capítulo 4. MÉTODOS DE SEPARACIÓN DE MEZCLAS.

En una mezcla, cada uno de los componentes que la forman mantiene sus propiedades. Cuando queremos separar esos componentes, podemos utilizar alguna propiedad que sea diferente para cada uno de ellos.

Tamización: esta puede ser utilizada para la separación de mezclas sólidas, compuestas con granos de diversos tamaños. Lo que se hace es hacer pasar a la mezcla por varios tamices (tabla con agujeros de pequeño tamaño).

Filtración: esta técnica permite la separación de aquellas mezclas que están compuestas por líquidos y sólidos no solubles, es decir que los sólidos no se disuelven en el líquido. Por ejemplo el azúcar se disuelve con el agua, pero si echamos arena esta no se disuelve, es decir no es soluble. Para separar estas mezclas, se utiliza un embudo con un papel de filtro en su interior. Lo que se hace pasar a la mezcla por ellos.

Separación magnética: esta técnica sólo es útil a la hora de separar sustancias con propiedades magnéticas de aquellas que no las poseen. Para esto, se utilizan imanes que atraen a las sustancias magnéticas y así se logra separarlas de las que no lo son.

Decantación: Decantar es dejar reposar la mezcla. Esta técnica sirve para la separación de líquidos que tienen diferentes densidades y no son solubles entre sí. En esta técnica se requiere un embudo de decantación que contiene una llave para la regulación del líquido. Una vez decantada la mezcla (dejar en reposo) el elemento más denso irá al fondo y por medio del embudo de decantación, cuando se abre la llave se permite el paso del líquido más denso hacia un recipiente ubicado en la base, quedando el líquido con menor densidad en la parte de arriba del embudo.

Cristalización y precipitación (evaporación): esta permite la separación de un soluto sólido de que se encuentra disuelto en un disolvente. Se calienta la disolución para concentrarla, luego se la filtra y se la coloca en un cristalizador hasta que se evapore el líquido, quedando el sólido en forma de cristal.

Destilación: es útil para la separación de líquidos que son solubles entre sí. Lo que se hace es hervirlos y, como esto lo hacen a distintas temperaturas de ebullición, se toman sus vapores por un tubo para luego pasarlo al estado líquido nuevamente. Esto es posible gracias a que hierven en distintos tiempos. Por ejemplo imaginemos agua y sal. El agua hierve a 100ºC, si calentamos la mezcla a esa temperatura lo que se evapora será el agua, la sal no se evaporará (tiene temperatura de ebullición más alta). Si recogemos el vapor tenemos el agua separada de la sal.

Capítulo 5. ESTRUCTURA ATÓMICA. MODELO ATÓMICO DE DALTON.

La teoría cinética es capaz de explicar los estados de la materia, pero no es capaz de explicar la diferencia entre los distintos tipos de sustancias. Para intentar explicar estas diferencias, en el siglo XIX, John Dalton propuso esta teoría:

• Todas las sustancias están formadas por unas partículas muy pequeñas e indivisibles llamadas átomos.
• Cada elemento químico está formado por átomos iguales que, a su vez, son diferentes a los átomos de otros elementos químicos. Por ejemplo, los átomos de oxígeno son diferentes a los átomos de hidrógeno.
• Los compuestos están formados por la unión de dos o más átomos diferentes. Además, la proporción de átomos de cada clase que se unen para formar una sustancia es siempre la misma. Por ejemplo, el agua es un compuesto formado por la unión de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.

Los átomos son tan pequeños que no podemos verlos, ni siquiera utilizando microscopios. Por ejemplo el átomo de hidrógeno tiene un diámetro de aproximadamente 0,0000000001 m

La materia está formada por partículas La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos. Los átomos de un elemento son iguales. Los átomos de un compuesto son diferentes.

La teoría de Dalton, aunque explica algunas propiedades de la materia, no es correcta. El átomo sí se puede dividir, y está formado por otras partículas más pequeñas: protones, electrones y neutrones. Los protones y neutrones se encuentran el centro formando el núcleo, mientras que los electrones están moviéndose alrededor del núcleo.

Capítulo 6. EL SISTEMA PERIÓDICO DE LOS ELEMENTOS

Se conocen más de 100 elementos químicos distintos en la naturaleza. Cada uno de ellos está formado por átomos iguales, que son diferentes a los átomos de otros elementos.

El número de protones del núcleo, número atómico, es lo que diferencia los átomos de un elemento de los átomos de otro elemento distinto. Por ejemplo, los átomos de hidrógeno tienen un protón en el núcleo, mientras que los átomos de nitrógeno tienen siete protones en núcleo. Cada elemento químico tiene un nombre que se representa mediante un símbolo. Estos símbolos suelen coincidir con las primeras letras de su nombre.

En la ilustración aparecen ordenados los átomos conocidos con sus correspondientes símbolos. Es lo que se llama sistema periódico.

La tabla periódica de los elementos fue presentada por Mendeleiev en 1869 como una manera de clasificar los elementos conocidos. Permitía establecer relaciones entre sus propiedades facilitando su estudio.

En el sistema periódico los elementos están distribuidos en filas y columnas. A cada una de las filas la llamamos periodo y a cada columna, grupo. Por lo tanto, el sistema periódico está formado por 7 periodos y 18 grupos.. Todos los elementos de un grupo tienen propiedades químicas semejantes.

Todos aquellos elementos que pertenecen al mismo grupo se caracterizan por tener propiedades similares (carácter metálico, capacidad para combinarse con otros elementos,…). Por ello, algunos grupos reciben nombres particulares; así, el primero de ellos es el grupo de los elementos alcalinos, el siguiente el de los alcalino-térreos,…

La clasificación más general de los elementos del sistema periódico los divide en dos grandes grupos. Así, llamaremos metales a todos aquellos elementos que sean buenos conductores del calor y la electricidad, que tengan brillo metálico y que reaccionen con sustancias ácidas. Llamaremos no metales a los que carezcan de esas propiedades.

La combinación de elementos da lugar a millones de sustancias compuestas, con propiedades muy diferentes.

Esta variedad se debe a que los átomos pueden unirse de diferentes maneras. Podemos encontrar los átomos aislados o unidos, formando moléculas o cristales

Átomos aislados. Los gases nobles son los únicos elementos que podemos encontrar formados por átomos aislados. Los gases nobles son los elementos que aparecen en el último grupo de la tabla periódica: He, Ne, Ar, Kr, Xe y Rn.

Los átomos de los elementos que no son gases nobles se pueden unir, formando agrupaciones llamadas moléculas.

Las moléculas de los elementos están constituidas por átomos iguales. Por ejemplo el oxígeno del aire está formado por moléculas que tienen dos átomos de oxígeno unidos. (O2). Las moléculas de los compuestos son el resultado de la unión de átomos distintos. Por ejemplo el agua (H2O) está formada por moléculas con dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno

En los cristales hay un gran número de átomos unidos entre sí, formando agrupaciones sólidas. Los elementos que se encuentran en estado sólido forman cristales en los que se unen muchos átomos del elemento. Ejemplos de este tipo de cristales son: el cobre, el oro o el diamante. Hay compuestos sólidos formando cristales, por ejemplo la sal común (NaCl) que está formado por muchos átomos de sodio y de cloro unidos.

Para representar un elemento utilizamos símbolos. Para representar una sustancia utilizamos una fórmula. En la fórmula química escribimos los símbolos de todos los elementos que contiene la sustancia acompañados de subíndices, que expresan el número de átomos de cada elemento.

 

Por ejemplo, el oxígeno está constituido por moléculas en las que hay dos átomos unidos, su fórmula es O₂. La fórmula de un compuesto nos informa de los elementos que intervienen en la molécula y el número. Por ejemplo la molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno unido a dos átomos de hidrógeno. Su fórmula es H₂O.

 

Capítulo 7. ELEMENTOS Y COMPUESTOS DE ESPECIAL INTERÉS.

 

Aunque se conocen más de 100 elementos químicos, muchos de ellos se encuentran en cantidades minúsculas en la Tierra.

 

El elemento más abundante es el oxígeno, tanto en la materia inerte como en la materia viva. El segundo elemento más importante en la materia viva es el carbono. Se encuentra sobre todo en los compuestos que forman la materia viva. Mientras que en la corteza terrestre es el silicio.

 

7.1 Elementos más importantes de la Tierra:

 

El Oxígeno (O)

 

• Es el elemento más abundante tanto en la corteza como en los seres vivos.
• Es un componentes mayoritario del aire (21%), donde se encuentra en forman de moléculas 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 capa de ozono nos protege de las radiaciones ultravioletas que nos llegan del espacio.
• Forma parte de las moléculas que permiten la vida, la inmensa mayoría de ellas tienen oxígeno entre sus componentes, entre ellas el agua.
• Es altamente reactivo y es el responsable de la oxidación de los metales y de la combustión.

 

 

El Silicio (Si)

 

• La mayoría de los minerales son compuestos del oxígeno y el silicio, se les conoce como silicatos.
• El silicio muy puro se utiliza en la fabricación de microchips, empleados en los ordenadores y aparatos electrónicos.
• Es uno de los componentes de los cristales y vidrios.

 

El Aluminio (Al)

 

• En la corteza se encuentra combinado con otros elementos y forma minerales.
• El metal puro se mezcla con otros metales para formar aleaciones duras y ligeras que se utilizan en la fabricación de aviones, barcos y automóviles.
• Tiene unas características que le convierten en ideal para envolver alimentos.

 

El hierro (Fe)

 

• En los minerales se encuentra combinado con oxígeno y azufre.
• La extracción del hierro es la base de la industria siderúrgica, para la obtención de acero a partir de una mezcla de hierro y carbono.

 

El Calcio (Ca)

 

• En la corteza forma parte de las rocas calizas.
• Es también un elemento importante en los seres vivos, está presente en los huesos y los dientes de los animales
• Los elementos más abundantes en la corteza terrestre son: oxígeno, silicio, aluminio, hierro, calcio y sodio.

 

7.2 Elementos más importantes de los seres vivos

 

El Carbono (C)

 

• Aunque la proporción de carbono no es muy alta, es un elemento importante porque todas las moléculas que forman los seres vivos tienen como base el carbono.

 

• Se puede encontrar:

 

• En la corteza terrestre formando los yacimientos de carbón.
• El grafito y el diamante están formados exclusivamente por átomos de carbono, la diferencia entre ellos es como se juntan los átomos de carbono.
• Combinado con oxígeno formando el dióxido de carbono (CO2)
• Combinado con hidrógeno, oxígeno y nitrógeno en los compuestos orgánicos. Con otros elementos, originando rocas como la caliza.

 

 

El Hidrógeno (H)

 

• Es el elemento más ligero y abundante del Universo (representa el 83% de la materia del universo, aunque en la Tierra apenas alcanza el 1%).
• Es el combustible principal de las estrellas.
• Forma parte de las moléculas de la vida, de los hidrocarburos que quemamos, del agua, etc.

 

El Nitrógeno (N)

 

• Componente mayoritario del aire (78%), donde se encuentra en forma de moléculas de N₂.
• Es uno de los elementos esenciales para la vida. Componente básico de las proteínas.
• En el suelo se encuentra en forma de nitratos.

 

Otros elementos importantes:

 

• Sodio (Na). Junto con el cloro (Cl) forma la sal común (cloruro de sodio). El sodio y el potasio (K) están presentes en los seres vivos, y son esenciales para realizar ciertas funciones como la transmisión del impulso nervioso.
• Fósforo (P). Forma parte de las moléculas de los seres vivos. Los compuestos de fósforo se utilizan como fertilizantes. Reacciona violentamente con el oxígeno y produce una combustión. Esta propiedad se utilizó para la fabricación de las cerillas (o fósforos).

 

• Compuestos de especial interés.

 

Agua.(H₂O)

Ácido clorhídrico (HCl) Lo segregamos en el estómago para hacer la digestión. Cuando se produce en exceso sentimos Acidez de estómago. Disoluciones diluidas de éste ácido se venden como agua fuerte, un producto para limpiar metales. Puede causar graves quemaduras. Está compuesto por hidrógeno y cloro

Sosa o hidróxido de sodio (NaOH). Forma parte de muchos productos de limpieza como la lejía. La sosa se usa para la fabricación del jabón. Está compuesto por Sodio, Hidrógeno y Oxígeno. Si este líquido nos toca la piel, puede producir grandes quemaduras y abrasiones, siempre en grandes cantidades.

Amoniaco (NH₃)

Metano (CH₄)

Ácido sulfúrico (H₂SO₄)

Carbonato de Calcio (calcita) (CaCO₃)

Sílice (cuarzo) (SiO₂)

…