Comprender el estado gaseoso de la materia ha representado un reto para la humanidad, así los griegos consideraban que el aire era uno de los elementos fundamentales de la materia, mientras que los alquimistas hablaban de los espiritus invisibles que en ocasiones tenían olores desagradables y característicos, serían los químicos neumáticos ingleses quienes realizaron investigaciones importantes con los gases, desde su aislamiento hasta su identificación y explicación de su comportamiento.
Reconocer la diversidad de los gases existentes fue una ardua labor en la que trabajaron destacados científicos como Boyle, Charles, Gay Lussac, Van Helmont, Schelee, Priesley, Hooke entre otros. En particular para Van Helmont (1577- 1644) estas sustancias parecidas al aire, sin forma ni volumen definidos eran semejantes al “caos” razón por la cual los llamó gases. El interés por los gases llevo a descubrimientos insospechados.
a) El peso del aire y los diferentes pesos de cada gas.
b) La variación del volumen del gas con respecto a la temperatura.
c) La variación de su volumen con la presión, estudiada por Robert Boyle.
Quien publico en el siglo XVII un texto al cual llamo el “Químico escéptico” donde vertió sus ideas rompiendo con la tradición alquímica para dar paso a la química. Este investigador enunció: El volumen de un gas varía en forma inversamente proporcional con respecto a la presión que se ejerce sobre el mismo.
En efecto la incomprensibilidad de sólidos y líquidos es compatible tanto con un modelo de sustancia continua como una discontinua. La comprensibilidad de los gases podía interpretarse como un apoyo de la existencia de entidades discretas (partículas) cuya separación dependía de la presión. Y si los gases están formados por partículas, los líquidos (como el agua), que se transformen en gases también están formados por partículas. Este argumento podía extenderse a los sólidos que se transforman en líquidos (como el hielo).
Estas partículas constituyentes de la materia se identificaron con los átomos propuestos desde tiempos de los antiguos griegos (escuela de Demócrito) y se contó con nuevos argumentos experimentales para apoyar la teoría atómica propuesta por Dalton a principios del siglo XX.
Objetivos:
· Identificar al aire como un gas, que a su vez puede ser confinado dentro de recipientes.
· Reconocer la posibilidad de medir el volumen y la presión de un gas y realizarlas empleando dispositivos sencillos.
· Interpretar el experimento de Torrichelli, así como discutir los conceptos de presión manométrica y presión absoluta identificando las unidades más usuales para expresar la presión.
· Efectuar el experimento de Boyle para encontrar la variación entre el volumen al variar la presión manteniendo la temperatura constante.
Material:
v Balanza.
v Soporte Universal.
v Jeringa.
v 1 Tapón.
v 1 Pinzas para bureta.
v 1 Pinzas para tubo de ensayo.
v 1 Lámpara de alcohol.
v 1 Tubo de ensayo.
v 1 Globo.
v 1 Banco de pesas.
v Permanganato de sodio.
v Yodo.
Procedimiento:
Experimento 1: Colocar aproximadamente 10 ml. de aire en una jeringa de plástico de 20 ml, cierra con un tapón el extremo abierto de la misma y empuja el émbolo cuidadosamente
¿Hasta dónde es posible empujar? Las partículas de aire se dispersan dentro de toda la jeringa, pero solo ocupan un espacio determinado que es el que se menciona anteriormente, por lo tanto el embolo solo es posible empujarlo hasta los 10 ml de la jeringa.
Deja el émbolo suelto ¿Qué observas? Que empieza aumentar su volumen, porque las partículas vuelven a esparcirse.
Experimento 2: Este será una experiencia de cátedra a realizar por la maestra con apoyo de dos o tres estudiantes, solicitando al resto del grupo su atención recordando que se está trabajando con mercurio el cual se debe manejar con cuidado y evitado su contacto directo, se recomienda usar guantes de látex y cubrebocas.
Colocar un kilogramo de mercurio en un recipiente abierto que puede ser un cristalizador pequeño. Llenar con cuidado un tubo de vidrio sellado en un extremo de mercurio, para este fin se puede usar una jeringa sin aguja para pasar del recipiente abierto al tubo el mercurio, una vez lleno invertirlo cuidadosamente sobre el seno del mercurio dentro del recipiente abierto, marcar con un plumón la altura alcanzada por el mercurio dentro del tubo de vidrio así como el nivel que alcanza el liquido inferior.
¿Por qué desciende el nivel del mercurio dentro del tubo de vidrio? Porque está registrando la presión atmosférica que hay en la Cd. de México que es de 585 atm.
¿Se pasa todo el mercurio del tubo al recipiente inferior? No, solo se pasa el que no ejerce ninguna presión.
¿Quién lo detiene? La presión atmosférica ejercida a la altura del mar.
¿En qué unidades se mide la altura alcanzada por la columna de mercurio? Se mide en atmosferas.
Experimento 3: Tapa con un globo la boca de un tubo de ensayo y calienta suavemente el tubo, observa y registra el cambio ocurrido.
Las partículas de aire se distribuyeron por todo el espacio permitido.
Experimento 4: Llena una jeringa con aire, inserta la ajuga de la jeringa en un tapón y sujétala al soporte universal mediante las pinzas para bureta, ve colocando diferentes pesas sobre el embolo de la jeringa y registra el volumen en cada caso.
Masa Presión Volumen
0.2 Kg 12810.45 Pa 0
0.05 Kg 32026.14 Pa 5.0 ml.
1 Kg 64052.28 Pa 4.0 ml.
Experimento 5: Determina la presión que ejerce un borrador en sus diferentes caras.
P1= 0.0776Kg (9.8m/s2)/0.00006272m2 P1=0.012125 Pa
P2= 0.0776Kg (9.8m/s2)/0.003072m2 P2= 247.5520 Pa
P3= 0.02761Kg (9.8m/s2)/0.000672m2 P3=1131.6660 Pa
Experimento 6: Determina la presión que ejerces sobre el piso, parado en un pie y en dos.
Conclusiones:
1) ¿El aire es materia? Si ¿Qué cualidades tiene para identificarlo como materia? Es un gas, no tiene una forma ni volumen definido, pero su energía cinética es muy elevada.
2) Investigar al menos 5 unidades utilizadas para medir volúmenes de líquidos y gases. M3, cm3, mm3, ml, L.
3) ¿Cómo se define a la presión? La presión es la magnitud que relaciona la fuerza con la superficie sobre la que actúa, es decir, equivale a la fuerza que actúa sobre la unidad de superficie. ¿Es lo mismo que fuerza? No, fuerza es toda causa agente capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma de los cuerpos materiales. ¿En qué unidades se mide cada una de ellas? La presión se mide en Pascales ( Pa) y la fuerza en Newtons (n) 4) ¿Cuánto vale la presión que ejerce un ladrillo de 20x5x5 cm. Con una masa de 500 gr. Primero se coloca sobre la mesa como se muestra en la figura 1, ¿La presión ejercida será la misma al colocar el ladrillo en forma vertical como lo muestra la figura 2?
Realiza los cálculos en cada caso en Pa y exprésalos en atm y mm de Hg.
1) P=F/A (P=500gr./100cm2) (P=4900N/0.01m2) (P=490000 Pa) (P=04835.92 atm) (P=3675302.245 mm de Hg)
2) P=F/A (P=500 gr/25cm2.) ( P=4900N/0.0025m2) (P=1960000 Pa) (19343.69 atm) (P=14701208.98 mm de Hg).
5) ¿Cuál es la diferencia entre presión manométrica y presión atmosférica?
La presión atmosférica es la que ejerce la masa de aire de la atmosfera terrestre sobre su superficie, medida mediante un barómetro. A nivel del mar, la presión atmosférica es de aproximadamente 760 mm de Hg absolutos, que es equivalente a 14.7 psia. La presión manométrica es la presión media con referencia a la presión atmosférica entre la presión medida y la presión atmosférica real. Como esta es variable, la comparación de valores medidos en diferentes intervalos de tiempo, resulta incierta.
6) De acuerdo con la grafica realizada ¿Cuál es la inclinación de la pendiente en la recta obtenida? Esto nos indica ¿Cómo varia la presión con respecto al volumen de un gas? ¿Cómo se interpreta el valor del producto PV de la tabla número 2?
7) Averigua la ley de Boyle y escribe su enunciado así como su expresión matemática. “A temperatura constante, el volumen de una masa fija de gas varia de manera inversa a la presión aplicada” P1V1=P2V2 ¿Concuerdan tus resultados experimentales con lo investigado? Sí.
8) Si el volumen del aire contenido dentro del manómetro se reduce a la tercera parte del volumen inicial ¿Cómo será la presión final con respecto a su presión inicial, si se mantiene la temperatura constante? La presión será tres veces mayor.
9) Investiga los enunciados del modelo cinético molecular de la materia.
1. Las sustancias están constituidas por moléculas pequeñísimas ubicadas a gran distancia entre sí; su volumen se considera despreciable en comparación con los espacios vacíos que hay entre ellas.
2. Las moléculas de un gas son totalmente independientes unas de otras, de modo que no existe atracción intermolecular alguna.
3. Las moléculas de un gas se encuentran en movimiento continuo, en forma desordenada; chocan entre sí y contra las paredes del recipiente, de modo que dan lugar a la presión del gas.
4. Los choques de las moléculas son elásticos, no hay pérdida ni ganancia de energía cinética, aunque puede existir transferencia de energía entre las moléculas que chocan.
5. La energía cinética media de las moléculas es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas; se considera nula en el cero absoluto.
Los gases reales existen, tienen volumen y fuerzas de atracción entre sus moléculas. Además, pueden tener comportamiento de gases ideales en determinadas condiciones: temperaturas altas y presiones muy bajas
10) Representa los resultados de los experimentos 2,3 y 5 usando los postulados del modelo cinético molecular.
Para explicar el comportamiento de la materia y las características de los gases, los científicos propusieron, durante el siglo XIX, la denominada "teoría cinética de los gases". Su ampliación a líquidos y sólidos dio lugar al modelo cinético-molecular de la materia.
Este modelo se basa en dos postulados fundamentales. La materia es discontinua, es decir, está formada por un gran nº de partículas separadas entre sí. Estas partículas materiales se encuentran en constante movimiento debido a dos clases de fuerzas: de cohesión y de repulsión
a) Las fuerzas de cohesión tienden a mantener las partículas materiales unidas entre sí.
b) Las fuerzas de repulsión tienden a dispersar las partículas y a alejarlas unas de otras.
En el experimento 2 y 3 podemos observa que se encuentra una fuerza de repulsión que tiende a dispersar las partículas y a alejarlas unas de otras.
En el experimento 5 observamos que es un material solido en el que predomina la fuerza de cohesión.
