Siéntate en una habitación mientras alguien hace café al lado. Pronto puedes olerlo, incluso desde el otro lado de la habitación. ¿Cómo? Todo lo que te rodea está hecho de partículas diminutas, mucho…
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1.1
The three states of matter · Los tres estados de la materia
Syllabus
English
Core
Supplement
1 State the distinguishing properties of solids, liquids and gases
2 Describe the structures of solids, liquids and gases in terms of particle separation, arrangement and motion
3 Describe changes of state in terms of melting, boiling, evaporating, freezing and condensing
5 Explain changes of state in terms of kinetic particle theory, including the interpretation of heating and cooling curves
4 Describe the effects of temperature and pressure on the volume of a gas
6 Explain, in terms of kinetic particle theory, the effects of temperature and pressure on the volume of a gas
Español
Central
Complementario
1 Enunciar las propiedades distintivas de los sólidos, líquidos y gases
2 Describir las estructuras de sólidos, líquidos y gases en términos de separación entre partículas, disposición y movimiento
3 Describir los cambios de estado en términos de fusión, ebullición, evaporación, congelación y condensación
5 Explicar los cambios de estado en términos de la teoría cinética de las partículas, incluida la interpretación de las curvas de calentamiento y enfriamiento
4 Describir los efectos de la temperatura y la presión sobre el volumen de un gas
6 Explicar, en términos de la teoría cinética de las partículas, los efectos de la temperatura y la presión sobre el volumen de un gas
Source: Cambridge International syllabus · Fuente: Plan de estudios Cambridge International
English
Solid, liquid, gas: particle motion
Everything around you is made of tiny particles 粒子 — these can be atoms 原子, molecules 分子, or ions 离子. The kinetic particle theory 粒子动理论 says these particles are always moving. How close the particles are, how they are arranged, and how they move decides whether matter is a solid 固体, a liquid 液体, or a gas 气体.
Properties you can observe
You do not need a microscope to tell the three states apart. They behave in different ways:
A solid has a fixed shape and a fixed volume 体积. It does not flow and you cannot compress 压缩 it (squeeze it smaller).
A liquid has a fixed volume but no fixed shape. It flows and takes the shape of its container. It is almost impossible to compress.
A gas has no fixed shape and no fixed volume. It flows and spreads out to fill the whole container. A gas is easy to compress.
The table below sums up these properties. Density 密度 means how much mass 质量 is packed into a given volume.
Property
Solid
Liquid
Gas
Shape
fixed
takes the shape of the container
fills the whole container
Volume
fixed
fixed
fills the whole container
Can it be compressed?
no
almost none
yes, easily
Does it flow?
no
yes
yes
Density
high
high
low
The particle picture
The kinetic particle theory explains these properties by looking at three things: the separation 间距 of the particles (how far apart they are), their arrangement 排列 (the pattern), and their motion 运动 (how they move).
Solid
Liquid
Gas
Separation
touching, very close
close together
far apart
Arrangement
regular 规则 pattern
random, no pattern
random, no pattern
Motion
vibrate 振动 about fixed positions
move and slide past each other
move quickly in all directions
Strong forces of attraction 引力 hold the particles together. In a solid these forces are strong enough to hold every particle in place, so a solid keeps its shape. In a liquid the forces are weaker, so particles can move around. In a gas the particles move so fast that the forces hardly act at all, so the gas spreads out.
Español
Solid, liquid, gas: particle motion
Todo a tu alrededor está hecho de pequeñas partículas — estas pueden ser átomos, moléculas o iones. La teoría cinética de las partículas dice que estas partículas están siempre en movimiento. Qué tan cerca están las partículas, cómo están dispuestas y cómo se mueven determina si la materia es un sólido, un líquido o un gas.
Propiedades que puedes observar
No necesitas un microscopio para distinguir los tres estados. Se comportan de manera diferente:
Un sólido tiene una forma fija y un volumen fijo. No fluye y no se lo puede comprimir (aplastar para hacerlo más pequeño).
Un líquido tiene un volumen fijo pero no tiene forma fija. Fluye y adopta la forma de su recipiente. Es casi imposible de comprimir.
Un gas no tiene forma fija ni volumen fijo. Fluye y se expande para llenar todo el recipiente. Un gas es fácil de comprimir.
La tabla a continuación resume estas propiedades. La densidad significa cuánto masa está empaquetada en un volumen dado.
Propiedad
Sólido
Líquido
Gas
Forma
fija
adopta la forma del recipiente
llena todo el recipiente
Volumen
fijo
fijo
llena todo el recipiente
¿Se puede comprimir?
no
casi nunca
sí, fácilmente
¿Fluye?
no
sí
sí
Densidad
alta
alta
baja
El modelo de partículas
La teoría cinética de las partículas explica estas propiedades al mirar tres cosas: la separación de las partículas (qué tan separadas están), su disposición (el patrón) y su movimiento (cómo se mueven).
Sólido
Líquido
Gas
Separación
tocándose, muy juntas
juntas
muy separadas
Disposición
patrón regular
aleatorio, sin patrón
aleatorio, sin patrón
Movimiento
vibran sobre posiciones fijas
se mueven y deslizan unas sobre otras
se mueven rápidamente en todas direcciones
Las fuertes fuerzas de atracción mantienen unidas a las partículas. En un sólido estas fuerzas son lo suficientemente fuertes como para mantener cada partícula en su lugar, por lo que un sólido mantiene su forma. En un líquido las fuerzas son más débiles, por lo que las partículas pueden moverse. En un gas las partículas se mueven tan rápido que las fuerzas apenas actúan, por lo que el gas se expande.
Las partículas están empaquetadas y regulares en un sólido, cerca y desordenadas en un líquido, y muy separadas en un gas
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Estados de la materia
Calienta la caja y observa cómo las partículas se liberan: un sólido vibrante se derrite en un líquido fluido, luego se expande como gas. Mismas partículas — solo con más energía.
When you heat or cool a substance, it can change from one state to another. You must know the name of each change.
Change
What happens
Name
solid → liquid
melting 熔化
melting
liquid → solid
freezing 凝固
freezing
liquid → gas (at the surface, below the boiling point)
evaporating 蒸发
evaporation
liquid → gas (all through the liquid)
boiling 沸腾
boiling
gas → liquid
condensing 凝结
condensation
A pure solid melts at one fixed temperature, the melting point 熔点. A pure liquid boils at one fixed temperature, the boiling point 沸点. The same substance freezes at its melting point and condenses at its boiling point.
A few substances change straight from solid to gas without melting first. This is called sublimation 升华. In the photo below, warmed solid iodine in a beaker turns directly into a purple gas; the gas then cools on the round flask of ice above and turns back into a solid.
Explaining changes of state with the particle theory
Each change of state is really a change in the energy 能量 of the particles.
When you heat a solid, the particles gain energy and vibrate faster. At the melting point the particles have enough energy to break away from their fixed places and slide around — the solid melts.
When you heat a liquid, the particles move faster. At the boiling point they have enough energy to fully escape the forces of attraction and become a gas.
Cooling does the opposite. The particles lose energy, move more slowly, and the forces of attraction pull them back together.
During a change of state the energy goes into breaking the forces of attraction, not into making the particles move faster. This is why the temperature stays the same while a substance is melting or boiling.
Heating and cooling curves
A heating curve 加热曲线 is a graph of temperature against time as you heat a substance steadily. A cooling curve 冷却曲线 is the same graph as the substance cools.
On a heating curve there are two flat (level) parts:
The first flat part is at the melting point. Here solid and liquid are both present. The heat energy breaks the forces holding the solid together, so the temperature does not rise.
The second flat part is at the boiling point. Here liquid and gas are both present, and the temperature again stays constant.
A cooling curve is the reverse. It has a flat part at the boiling point (the gas condenses) and a flat part at the melting point (the liquid freezes). As the particles slow down, thermal energy 热能 is released to the surroundings.
Español
Hielo derritiéndose en agua: un cambio de estado mientras el sólido se calienta.
Cuando calientas o enfrías una sustancia, puede cambiar de un estado a otro. Debes conocer el nombre de cada cambio.
Cambio
Qué sucede
Nombre
sólido → líquido
fusión / derretimiento
fusión
líquido → sólido
congelación
congelación
líquido → gas (en la superficie, por debajo del punto de ebullición)
evaporación
evaporación
líquido → gas (en toda la masa líquida)
ebullición
ebullición
gas → líquido
condensación
condensación
Un sólido puro funde a una temperatura fija, el punto de fusión. Un líquido puro hierve a una temperatura fija, el punto de ebullición. La misma sustancia se congela en su punto de fusión y se condensa en su punto de ebullición.
Calentamiento: sólido → líquido → gas; el enfriamiento invierte cada cambio
Algunas sustancias cambian directamente de sólido a gas sin fundirse primero. Esto se llama sublimación. En la foto de abajo, el yodo sólido calentado en un vaso de precipitados se convierte directamente en un gas púrpura; luego el gas se enfría en el matraz redondo con hielo de arriba y vuelve a convertirse en sólido.
El yodo sólido calentado se convierte directamente en gas púrpura (sublimación)El ejemplo cotidiano: el hielo seco es dióxido de carbono sólido, y también sublima — nunca deja charcos
Explicando los cambios de estado con la teoría de las partículas
Cada cambio de estado es realmente un cambio en la energía de las partículas.
Cuando calientas un sólido, las partículas ganan energía y vibran más rápido. En el punto de fusión, las partículas tienen suficiente energía para separarse de sus posiciones fijas y deslizarse — el sólido se funde.
Cuando calientas un líquido, las partículas se mueven más rápido. En el punto de ebullición tienen suficiente energía para escapar completamente de las fuerzas de atracción y convertirse en gas.
El enfriamiento hace lo contrario. Las partículas pierden energía, se mueven más despacio y las fuerzas de atracción las vuelven a juntar.
Durante un cambio de estado, la energía se destina a romper las fuerzas de atracción, no a hacer que las partículas se muevan más rápido. Por eso la temperatura permanece constante mientras una sustancia se funde o hierve.
Curvas de calentamiento y enfriamiento
Una curva de calentamiento es una gráfica de temperatura contra tiempo mientras calientas una sustancia de manera constante. Una curva de enfriamiento es la misma gráfica cuando la sustancia se enfría.
En una curva de calentamiento hay dos partes planas (horizontales):
La primera parte plana está en el punto de fusión. Aquí coexisten el sólido y el líquido. La energía calorífica rompe las fuerzas que mantienen unido al sólido, por lo que la temperatura no sube.
La segunda parte plana está en el punto de ebullición. Aquí coexisten el líquido y el gas, y la temperatura nuevamente se mantiene constante.
Una curva de enfriamiento es el reverso. Tiene una parte plana en el punto de ebullición (el gas se condensa) y una parte plana en el punto de fusión (el líquido se congela). A medida que las partículas disminuyen su velocidad, la energía térmica se libera al entorno.
La temperatura se mantiene constante en los puntos de fusión y ebullición mientras se rompen las fuerzas de atracción
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Calentamiento de una sustancia a través de sus estados
Aumenta la temperatura. Añadir calor proporciona más energía a las partículas hasta que se liberan — y la temperatura se detiene en cada cambio de estado mientras la energía realiza ese trabajo.
Gases: temperature, pressure and volume · Gases: temperatura, presión y volumen
English
A gas pushes on the walls of its container. This push, spread over the area of the wall, is the pressure 压强 of the gas. Pressure comes from the gas particles hitting the walls.
Effect of temperature
If you heat a fixed mass of gas while keeping the pressure the same, its volume increases.
Using the particle theory: heating gives the particles more kinetic energy 动能, so they move faster. They hit the walls harder and more often. To keep the pressure the same, the gas must take up more space, so the volume gets bigger.
If instead the volume is fixed (a sealed, rigid container), heating the gas makes the pressure rise, because the faster particles collide 碰撞 with the walls harder and more often.
Effect of pressure
If you increase the pressure on a fixed mass of gas while keeping the temperature the same, its volume decreases. Squeezing the gas into a smaller space means the particles hit the walls more often, which is what a higher pressure means.
Español
Un gas empuja contra las paredes de su recipiente. Este empuje, distribuido sobre el área de la pared, es la presión del gas. La presión proviene de las partículas del gas golpeando las paredes.
Efecto de la temperatura
Si calientas una masa fija de gas manteniendo la presión constante, su volumen aumenta.
Un gas calentado: las partículas más rápidas se expanden y ocupan más espacio
Usando la teoría de las partículas: calentar da a las partículas más energía cinética, así que se mueven más rápido. Golpean las paredes con más fuerza y con mayor frecuencia. Para mantener la presión constante, el gas debe ocupar más espacio, por lo que el volumen se hace más grande.
Si en cambio el volumen es fijo (un recipiente sellado y rígido), calentar el gas hace que la presión aumente, porque las partículas más rápidas chocan contra las paredes con más fuerza y con mayor frecuencia.
Efecto de la presión
Si aumentas la presión sobre una masa fija de gas manteniendo la temperatura constante, su volumen disminuye. Comprimir el gas en un espacio más pequeño significa que las partículas golpean las paredes con más frecuencia, lo cual es lo que significa una presión mayor.
Comprimir un gas en un volumen menor hace que las partículas golpeen las paredes con más frecuencia, por lo que la presión aumenta
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Gases, presión y volumen
p = k / V
Comprime el volumen y la presión aumenta (ley de Boyle).
1 Describe and explain diffusion in terms of kinetic particle theory
2 Describe and explain the effect of relative molecular mass on the rate of diffusion of gases
Español
Núcleo
Suplemento
1 Describir y explicar la difusión en términos de la teoría cinética de las partículas
2 Describir y explicar el efecto de la masa molecular relativa sobre la velocidad de difusión de los gases
Source: Cambridge International syllabus · Fuente: Plan de estudios Cambridge International
English
Diffusion: random motion, one-way flow
Diffusion 扩散 is the spreading of particles from a region where they are crowded to a region where they are spread out — that is, from high concentration 浓度 to low concentration. It happens because particles are always moving in random directions.
Diffusion explains why you can smell food from across a room: the smell particles move and mix with the air until they reach your nose. Diffusion happens in gases and in liquids, but not in solids, because solid particles cannot move from place to place.
Rate of diffusion and molecular mass
Lighter gas particles move faster than heavier ones at the same temperature. So a gas with a smaller relative molecular mass 相对分子质量 (a smaller mass for each molecule) has a faster rate 速率 of diffusion.
A classic experiment shows this. Cotton wool soaked in ammonia 氨气 ($\text{NH}_3$) is put at one end of a long glass tube. Cotton wool soaked in hydrogen chloride 氯化氢 ($\text{HCl}$) is put at the other end. Both gases diffuse along the tube and meet to form a white ring of ammonium chloride 氯化铵 ($\text{NH}_4\text{Cl}$).
Ammonia has $M_r = 17$ and hydrogen chloride has $M_r = 36.5$. Ammonia is lighter, so it diffuses faster and travels further along the tube. The white ring forms nearer the hydrogen chloride end.
Worked example. Bromine ($M_r = 160$) and ammonia ($M_r = 17$) are released at the same moment from opposite ends of a long tube. Which travels further before they meet? Compare the relative molecular masses. Ammonia's $M_r$ is far smaller, so its molecules move faster at the same temperature and it diffuses more quickly. Ammonia therefore travels the greater distance, and the two gases meet nearer the bromine end. The rule is always "lighter means faster" - argue from $M_r$, never from how big the formula looks on paper.
Español
Diffusion: random motion, one-way flow
La difusión es la expansión de partículas desde una región donde están agrupadas hacia una región donde están dispersas — es decir, de alta concentración a baja concentración. Ocurre porque las partículas están siempre moviéndose en direcciones aleatorias.
Las partículas se difunden de alta a baja concentración hasta distribuirse uniformemente
La difusión explica por qué puedes oler comida desde el otro lado de una habitación: las partículas del olor se mueven y se mezclan con el aire hasta llegar a tu nariz. La difusión ocurre en gases y líquidos, pero no en sólidos, porque las partículas sólidas no pueden moverse de un lugar a otro.
Velocidad de difusión y masa molecular
Las partículas de gas más ligeras se mueven más rápido que las más pesadas a la misma temperatura. Por lo tanto, un gas con una masa molecular relativa menor (una masa menor para cada molécula) tiene una velocidad de difusión más rápida.
Un experimento clásico lo demuestra. Algodón empapado en amoníaco ($\text{NH}_3$) se coloca en un extremo de un tubo largo de vidrio. Algodón empapado en cloruro de hidrógeno ($\text{HCl}$) se coloca en el otro extremo. Ambos gases se difunden a lo largo del tubo y se encuentran para formar un anillo blanco de cloruro de amonio ($\text{NH}_4\text{Cl}$).
El amoníaco tiene $M_r = 17$ y el cloruro de hidrógeno tiene $M_r = 36.5$. El amoníaco es más ligero, por lo que se difunde más rápido y recorre una mayor distancia a lo largo del tubo. El anillo blanco se forma más cerca del extremo del cloruro de hidrógeno.
El amoníaco ($M_r=17$) es más ligero, por lo que se difunde más rápido y más lejos; el anillo blanco se forma más cerca del extremo del HCl
Ejemplo resuelto. El bromo ($M_r = 160$) y el amoníaco ($M_r = 17$) se liberan simultáneamente en extremos opuestos de un tubo largo. ¿Cuál viaja más lejos antes de encontrarse? Compara las masas moleculares relativas. El $M_r$ del amoníaco es mucho menor, por lo que sus moléculas se mueven más rápido a la misma temperatura y se difunden más rápidamente. Por lo tanto, el amoníaco viaja una mayor distancia, y los dos gases se encuentran más cerca del extremo del bromo. La regla es siempre "más ligero significa más rápido" — argumenta basándote en el $M_r$, nunca en el tamaño de la fórmula en papel.
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Difusión
Lanza la nube y las partículas se expanden solas desde la esquina congestionada hasta llenar uniformemente la caja: difusión, acelerada por el calor.
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Difusión
Establezca la concentración en cada lado. Las partículas se dispersan de alto a bajo hasta mezclarse uniformemente.
During melting and boiling the temperature stays constant (the flat parts of a heating curve), because the energy breaks the forces between particles instead of making them move faster.
Evaporation happens only at the surface and at any temperature; boiling happens throughout the liquid at one fixed temperature.
Explain gas behaviour with the particle theory: heating a gas at fixed volume raises the pressure because the particles hit the walls harder and more often — the particles themselves do not get bigger.
Diffusion is faster for lighter particles (smaller $M_r$) and cannot happen in solids. In the ammonia/hydrogen chloride tube the lighter ammonia travels further, so the white ring forms nearer the HCl end.
Español
Durante la fusión y la ebullición, la temperatura se mantiene constante (las partes planas de una curva de calentamiento), porque la energía rompe las fuerzas entre las partículas en lugar de hacer que se muevan más rápido.
La evaporación ocurre solo en la superficie y a cualquier temperatura; la ebullición ocurre en toda la masa líquida a una temperatura fija.
Explica el comportamiento de los gases con la teoría de las partículas: calentar un gas a volumen fijo aumenta la presión porque las partículas golpean las paredes con más fuerza y con mayor frecuencia — las propias partículas no se hacen más grandes.
La difusión es más rápida para partículas más ligeras (menor $M_r$) y no puede ocurrir en sólidos. En el tubo de amoníaco/cloruro de hidrógeno, el amoníaco más ligero viaja más lejos, por lo que el anillo blanco se forma más cerca del extremo del HCl.
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