Transformaciones de la materiaLos cambios físicos

Capítulo 3

El vapor de agua es invisible y se encuentra por ejemplo en la zona más cercana al pico de la caldera. Frecuentemente llamamos “va-por” a la “nube visible” de peque-ñísimas gotitas de agua que se formaron cuando el vapor con-densa en contacto con el aire a menor temperatura.

Las nubes son acumulaciones de pequeñísimas gotitas de agua y en algunos casos también crista-les de hielo.

¿Sabías qué... ?La materia experimenta cambios constantemente. Así por ejemplo,

si colocamos agua en el congelador, se transforma en hielo; si dejamos un frasco de alcohol destapado el volumen del líquido va disminuyen-do porque éste se evapora; si mezclamos el contenido de un sobre para preparar refresco con agua, el polvo se disuelve; si acercamos un fósforo encendido a un trozo de papel, éste arde.

En algunas de estas transformaciones, la composición de la mate-ria que experimenta el cambio no se modifica: la sustancia es la misma antes y después de la transformación, solo se aprecia un cambio en su aspecto.

Los cambios de estado como la fusión de un sólido, la evaporación de un líquido, la condensación de un vapor y otras transformaciones como la dilatación de un material, el estiramiento de un resorte son cambios físicos (fig. 1).

Un cambio físico es una transformación de la materia en la cual su composición no se modifica.

Fig. 1 El material con el que está fabricado el resorte es el mismo tanto sin estirar como estirado. Es decir la composición del resorte es idéntica en ambas situaciones.

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Cambios de estado

El siguiente esquema resume los cambios de estado producidos por transferencia de energía en forma de calor.

Procesos exotérmicos

Se llaman exotérmicos aquellos procesos que ocurren con liberación de energía.

Vaporización: cambio de estado líquido a gaseoso, que puede tener lugar como eva-poración o como ebullición.

Evaporación: fenómeno que se produce en la superficie del líquido a cualquier tempera-tura.

Ebullición: fenómeno que se produce en todo el líquido a una temperatura constante y característica.A esa temperatura constante se le llama punto de ebulli-ción y su valor depende de la presión exterior. Si la pre-sión exterior es de 1 atmós-fera (1 atm) se llama punto de ebullición normal.

Relación entre punto de ebu-llición y presión exterior: a medida que aumenta la pre-sión sobre la superficie del líquido (presión exterior), aumenta el punto de ebulli-ción y viceversa.

(o sublimación inversa)

• evaporación• ebullición

AGuA LÍQuIDA

BROMO GASEOSO

YODO GASEOSO

AGuA SÓLIDA

BROMO LÍQuIDO

YODO SÓLIDO

FUSIÓN

VAPORIZACIÓN

SUBLIMACIÓN

SOLIDIFICACIÓN

CONDENSACIÓN

CONDENSACIÓN SÓLIDA

Procesos endotérmicos

Se llaman endotérmicos aquellos procesos que ocurren con absorción de energía.

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Fig. 4. Las partículas de la superficie es-tán solo atraídas por las partículas del interior del líquido, por lo tanto logran separarse si adquieren suficiente energía para vencer las fuerzas de atracción. El resto de las partículas, las que se en-cuentran en el interior del líquido, están atraídas en todas direcciones por otras partículas.

Fig. 5. Representación de la evaporación con el modelo de partículas.

Fig. 3. Gas y vapor.

En el estado gaseoso los cuerpos pueden presentarse como gas o como vapor. Para cada sustan-cia depende de las condiciones de temperatura y presión.

Fig. 2. Cambio físico y el modelo de par-tículas.

En un cambio físico las partí-culas no se modifican; varía la distancia entre ellas, las fuer-zas que las mantienen unidas y su movimiento.

Interpretación de los cambios de estado utilizando el modelo de partículas

Analizaremos dos ejemplos de cambios físicos (fig. 2).

Evaporación

Para explicar la evaporación tendremos en cuenta que: • este cambio consiste en el pasaje del estado líquido al estado ga-

seoso (fig. 3)• las partículas en el estado líquido están formando grupos y se

mantienen unidas mediante fuerzas de atracción • las partículas en el estado gaseoso están en continuo movimiento

y casi no existen fuerzas de atracción entre ellas ¿Cómo explicar que en el estado líquido, las partículas logran sepa-

rarse venciendo las atracciones entre ellas? Necesariamente debemos suponer que para ello absorben energía (fig. 4).

¿Qué partículas tendrán mayor facilidad para separarse del resto sa-liendo del líquido?. Es razonable pensar que las partículas que están en la superficie del líquido tienen mayor facilidad para “salir”, que las ubi-cadas en el interior del mismo.

Uniendo ambas respuestas surge una posible explicación: algunas partículas de la superficie, que adquieren suficiente energía, pueden vencer las fuerzas de atracción logrando “escapar” del líquido. Así pa-san a formar el estado gaseoso (fig. 5).

Basándonos en ese razonamiento podemos explicar los factores que afectan la velocidad de evaporación:

• si la temperatura aumenta, la energía cinética de las partículas es mayor; por lo tanto habrá más partículas capaces de vencer las fuerzas de atracción, ya que poseen energía suficiente para lo-grarlo.

• según el líquido considerado, cuánto menores son las fuerzas de atracción entre las partículas, menor será la energía necesaria para vencerlas y el líquido se evaporará más fácilmente (líquidos volátiles).

Fusión

Para explicar la fusión tendremos en cuenta que:• este cambio consiste en el pasaje del estado sólido al estado líquido• las partículas en el estado sólido están muy juntas, con escaso

movimiento y con fuerzas de atracción mayores que en el estado líquido

• en el estado líquido las partículas están más separadas que en el estado sólido y se mantienen unidas mediante fuerzas de atrac-ción de menor intensidad

Representa fuerza de atracción

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Representación del estado sólido con el modelo de partículas

¿Cómo se puede explicar que las partículas en el estado sólido logren vencer las intensas fuerzas de atracción y se separen pasando a formar el estado líquido? (fig.6).

Evidentemente en el estado sólido, para que las partículas logren separarse, deberán adquirir suficiente energía para vencer las intensas fuerzas atractivas que las mantienen muy juntas y unidas.

A medida que el sólido va absorbiendo energía del ambiente, au-menta el movimiento de vibración de las partículas sin cambiar su po-sición. La manifestación macroscópica de este proceso es un aumento de temperatura.

En el momento que algunas de las partículas del sólido tienen sufi-ciente energía para vencer las fuerzas de atracción que las mantienen unidas, comienza el cambio de estado, es decir la fusión.

Macroscópicamente la temperatura no varía porque la energía ab-sorbida por las partículas es usada para vencer dichas fuerzas atractivas y no para aumentar su movimiento.

Esa temperatura constante se llama punto de fusión.

Expresión simbólica de los cambios de estado

La Química estudia las transformaciones de la materia y ha estable-cido representaciones simbólicas para transmitir la información.

Comenzaremos por simbolizar estas transformaciones indicando: • el cambio mediante una flecha • los estados físicos (fig. 7)

Para simbolizar la condensación del agua se escribe:

AGuA (g) AGuA (l)

Esta expresión se lee: “el agua en estado gaseoso se transforma en agua líquida”.

Para simbolizar la fusión del hierro se escribe:

HIERRO (s) HIERRO (l)

Esta expresión se lee:“el hierro sólido se transforma en hierro líquido”

En los cambios físicos no se modifica la composición química de la materia. Esto se evidencia en las expresiones simbólicas del cambio donde se lee “agua” antes y después de la transformación (o “hierro” en el otro ejemplo).

Fig. 6. Representación de la fusión con el modelo de partículas.

Fig. 7. Significado de la simbología quí-mica (notación química).

Símbolo Significado

Cambio. Se lee: “se transforma en... ”

(s) Estado sólido

(l) Estado líquido

(g) Estado gaseoso

Al absorber energía aumenta el movi-miento de vibración de las partículas, sin cambiar la posición.A nivel macroscópico se manifiesta en un aumento de temperatura.

La energía absorbida por las partículas es usada en vencer las fuerzas de atrac-ción que las mantienen unidas y así se produce la fusión. Durante el cambio de estado la temperatura permanece constante y a esa temperatura se le lla-ma punto de fusión.

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Aplicaciones y problemas

1) En un experimento se debe medir la temperatura del agua conteni-da en un vaso de Bohemia.

La profesora dice: “estamos observando que el mercurio sube por el capilar del termómetro” y pregunta:

“¿Cuál es la propiedad termométrica en que se basa la construcción de este termómetro?”

Varios estudiantes responden (fig.1) a) Indica cuál es la respuesta correcta y justifica la elección. b) Explica por qué esta modificación que experimenta el mercurio

es un cambio físico. Luego la profesora les propone aplicando el modelo discontinuo de

la materia, elaborar una hipótesis para interpretar ese fenómeno. Las respuestas dadas se encuentran en la figura 2.

c) Elige la respuesta correcta. Redacta un argumento a favor de tu elección e indica los errores en las otras respuestas.

Fig. 2 Ejercicio 1

2) La velocidad de evaporación de un líquido es mayor al aumentar la superficie del mismo.

a) Explica este hecho usando el modelo discontinuo. b) Interpreta con el modelo el siguiente hecho cotidiano: cuando

llueve y queda el agua estancada, los charcos se eliminan rápi-damente si se barre el agua (fig.3).

3) Al aumentar la temperatura es mayor la velocidad de evaporación de un líquido.

a) Explica este hecho usando el modelo discontinuo. b) Interpreta con el modelo el siguiente hecho: luego de una lluvia

la vereda se seca más rápidamente en verano que en invierno y en ninguno de los dos casos el agua hierve (fig.4).

Fig. 1 Ejercicio 1

Fig. 3 Ejercicio 2

Fig. 4 Ejercicio 3

Actividades

Mariana: entraron partículas de agua al termómetro y por eso crece el volumen dentro del capilar.

Joaquín: las partículas de mercurio absorben energía

y aumentan de tamaño.

Felipe: el mercurio absorbe energía, sus

partículas se mueven más y aumenta así el espacio

vacío entre ellas.

Cecilia: la temperatura entra al termómetro y hace que las partículas de mercurio suban.

Mariana: es la dilatación.

Joaquín: creo que es la temperatura.

Cecilia: para mí es el volumen.

Felipe: es la densidad.

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4) En el texto se ha afirmado que durante la evaporación las partículas que se encuentran en la superficie del líquido son las que “escapan” y pasan a formar el estado gaseoso.

a) ¿Por qué es improbable que puedan salir las partículas que se encuentran en el medio o en el fondo del líquido?

b) Establece una analogía entre: las partículas en un líquido y mu-chas personas en una habitación con una única puerta. Conside-ra que deben desalojar el lugar por alarma de incendio.

5) a) Usando el modelo discontinuo explica cómo ocurren los si-guientes cambios de estado:

• Sublimación de yodo • Condensación de agua (fig.5) b) Representa ambos cambios usando el modelo de partículas.

6) La acetona es más volátil que el alcohol y éste es más volátil que el agua. a) ¿Qué significa volátil? b) Considerando los tres líquidos a temperatura ambiente, elabora

una explicación que justifique la diferencia de volatilidad, usan-do el modelo discontinuo.

c) ¿Por qué es tan importante mantener bien tapados los frascos que contienen alcohol o acetona? Justifica.

7) Se ha explicado que se llama “hielo seco” al dióxido de carbono só-lido porque pasa directamente del estado sólido al estado gaseoso. Esta particularidad lo hace muy útil para conservar helados porque mantiene la temperatura muy baja y no moja (fig. 6).

a) ¿Cuál es el nombre de ese cambio de estado? b) Explica esa transformación usando el modelo de partículas y

realiza la representación del mismo. c) Elabora una hipótesis que justifique por qué solo algunos sóli-

dos logran ese cambio de estado a temperatura ambiente.

8) Escribe los enunciados oracionales correspondientes a cada una de estas expresiones:

a) Alcohol(l) Alcohol(g)

b) Plomo(s) Plomo(l)

c) Azufre(l) Azufre(s)

9) Representa las siguientes transformaciones físicas empleando la notación química:

• Evaporación de acetona • Solidificación de hierro • Condensación de agua • Sublimación de naftalina

Fig. 5 Ejercicio 5

Fig. 6 Ejercicio 7

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10) La variación de la temperatura de ebullición del agua al cambiar la presión que soporta la superficie del líquido es usada en diferentes aplicaciones.

Un ejemplo son las cocciones en las ollas a presión a temperaturas mayores que en las ollas comunes (fig. 7).

a) ¿Cómo funciona una olla a presión y qué ventajas tiene? b) ¿Qué relación tiene una olla a presión con las autoclaves usadas

para la esterilización de instrumental médico?

Investiga y reflexiona

11) Si bien son varios los agentes que causan el deterioro de los comes-tibles se estima que alrededor del 20% de la producción mundial de alimentos se pierde a causa de los microorganismos (bacterias, levaduras y hongos). La conservación de los alimentos fue y es una prioridad en la vida del hombre.

Los microorganismos se desarrollan y reproducen en el agua, por lo tanto una manera de evitar su proliferación es eliminarla de los alimentos (deshidratación y liofilización) (fig. 9) o transformarla en estado sólido (congelación) (fig. 10).

a) Analiza y discute con tus compañeros las razones por las que la conservación de alimentos fue y es una prioridad.

b) ¿Cuáles son los cambios físicos involucrados en los procesos de conservación de alimentos mencionados?

c) Con la liofilización se produce la deshidratación del alimento por sublimación del agua al vacío. Investiga las etapas de la lio-filización (fig. 11) y describe cuáles son las ventajas de sublimar el agua del alimento en lugar de evaporarla.

d) Investiga cuáles son los alimentos que pueden ser conservados mediante congelación y cuáles mediante deshidratación.

Fig. 10 Ejercicio 11 Fig. 11 Ejercicio 11

Congelación -Método de conservación que consiste en la soli-dificación del agua de los alimentos. Los cristales de hielo ocu-pan mayor volumen que el agua líquida, lo que hace necesario un congelamiento rápido para que estos sean bien pequeños. De esta manera no se rompen las membranas celulares, y el ali-mento no pierde firmeza en su consistencia al descongelarse.

Liofilización -Fue ideada a principios del siglo XX para la con-servación de medicamentos y recién a mediados de siglo fue aplicada en el sector alimenticio. Es una técnica costosa usada para algunos alimentos, como café instantáneo, sopas y le-che en polvo, los que recuperan las propiedades cuando se les agrega el volumen de agua que inicialmente tenían.

Fig. 9 Ejercicio 11

Deshidratación -Método de conser-vación de los alimentos que consiste en reducir su contenido de agua a menos del 13%. Se debe diferenciar entre secado (puede realizarse al sol) deshidratación propiamente dicha (en corriente de aire caliente) y liofilización (deshidratación al vacío).

Fig. 7 Ejercicio 10

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Ampliando el horizonte...

Leeeltexto,buscainformaciónycontesta:

• ¿Quéeslalicuación?• ¿Cómoesposiblequeelnitrógenocongelelapreparaciónenpocosmi-

nutosobteniéndoseheladosbiencremosos?• ¿Por qué dice que el N

2 “desaparece”? ¿No contamina la comida o el

ambiente?• ¿Quésignificalaexpresión:“cocciónabajatemperatura”?¿Cómoespo-

siblequeproduzcaquemadurassilatemperaturaesmuybaja?• Sugerencia:buscaenInternetvideosreferidosaestetema.

El nitrógeno en el arte culinario

Elnitrógeno(N2)eselcomponentedelairequeseencuentra

enmayorproporción,alrededordel79%.

MediantelalicuacióndelaireselograextraerelN2enesta-

dolíquidoparaserusadoenmúltiplesaplicaciones:parafabri-caramoníaco,fertilizantes,explosivos,combustibles,…yahoratambiénenlacocina.

Actualmentealgunoschefsdevanguardialohanincorpora-do.Logranrealizarverdaderosshowsalprepararenminutosyenpresenciadelosclientes,heladosbiencremososococinan-docamaronesa“bajatemperatura”.

Aldestaparlostermosdondeseconservaelnitrógenolíqui-do,seproducealrededorunanubeblanca,laqueevidenciaelpasajealestadogaseoso.

Alseragregadoalaspreparacionesculinarias,lascongelaalinstantedebidoalabajatemperatura,obteniéndoseunatexturacremosa.Elresto“desaparece”enelambiente.

Esaconsejablerealizarestatécnicadenoche,alavistadelclien-te,conunailuminaciónindirectageneralyunpequeñofocoquealumbreelrecipientedecocción.

Sedebeevitarelcontactodelnitrógenolíquidoconlapiel,puesporlabajatemperaturaproducequemaduras.

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