Los estados de la materia y el modelo de partículas
Lo que vas a aprender
- Describir el sólido, el líquido y el gas según tengan o no forma y volumen propios.
- Explicar con el modelo de partículas (distancia, orden y movimiento) cómo se comporta cada estado.
- Clasificar materiales de la vida diaria en sólidos, líquidos y gases, y justificar la clasificación.
- Reconocer que un gas tiene masa y ocupa todo el espacio del recipiente cerrado que lo contiene.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
El agua de la jarra toma la forma del vaso cuando la sirves; el hielo, en cambio, conserva su forma de cubito. El olor de una arepa recién asada llega hasta tu cuarto, aunque nadie lo lleve. Una pelota se puede inflar con mucho más aire del que parece que le cabe. ¿Por qué cada material se comporta así?
En esta lección vas a conocer los tres estados en que encuentras la materia en tu vida diaria y una idea poderosa que los explica todos: el modelo de partículas. Con ese modelo vas a poder explicar, con un dibujo, cosas que ves todos los días.
Antes de empezar necesitas recordar qué son la masa y el volumen, y que 1 mL = 1 cm³.
Explicación
Tres estados
Casi toda la materia que te rodea está en uno de tres estados: sólido, líquido o gas. Para reconocerlos basta hacerse dos preguntas:
- ¿Tiene forma propia, o toma la forma del recipiente?
- ¿Tiene volumen propio, o se estira hasta llenar todo el recipiente?
Un sólido, como una piedra o un lápiz, tiene forma propia y volumen propio: si lo pasas de una caja a otra, sigue igual. Un líquido, como la leche, tiene volumen propio pero no forma propia: toma la forma del vaso, pero medio litro sigue siendo medio litro en cualquier recipiente. Un gas, como el aire, no tiene ni forma ni volumen propios: ocupa todo el espacio del recipiente cerrado en el que está.
Los líquidos y los gases pueden fluir, es decir, correr y pasar de un recipiente a otro. Por eso se llaman fluidos.
El modelo de partículas
Los científicos explican estos comportamientos con un modelo: una idea que no se ve directamente, pero que explica lo que sí se ve. El modelo dice tres cosas:
- Toda la materia está hecha de partículas muy pequeñas, tan pequeñas que no se ven ni con una lupa.
- Las partículas están siempre en movimiento.
- Las partículas se atraen entre sí; cuanto más cerca están, más fuerte las mantiene unidas esa atracción.
Lo que cambia de un estado a otro es qué tan cerca están las partículas, qué tan ordenadas están y cómo se mueven.
Modelo de partículas de los tres estados. En el sólido, las partículas están juntas y ordenadas, y el bloque conserva su forma. En el líquido, siguen juntas pero desordenadas, y llenan el fondo del recipiente. En el gas, están muy separadas y se mueven en todas direcciones por todo el recipiente, que tiene que estar cerrado.
Cada estado, con partículas
En un sólido, las partículas están muy juntas y ordenadas, como los huevos en una cubeta. Se atraen con fuerza, así que no pueden cambiar de lugar: solo vibran en su sitio. Por eso un sólido conserva su forma y su volumen.
En un líquido, las partículas siguen muy juntas, pero desordenadas. Se atraen menos que en el sólido, y pueden deslizarse unas sobre otras, como canicas en una bolsa. Por eso el líquido corre y toma la forma del recipiente. Pero como siguen juntas, no se pueden apretar más: el volumen se mantiene.
En un gas, las partículas están muy separadas y casi no se atraen. Se mueven rápido, en línea recta, en todas direcciones, hasta chocar con otra partícula o con una pared. Por eso un gas llena todo el recipiente y, si el recipiente está abierto, se escapa. Así llega el olor de la arepa hasta tu cuarto: las partículas que salen de ella se mueven por el aire y se reparten por la casa.
Apretar un gas y apretar un líquido
Entre las partículas de un gas hay mucho espacio vacío. Si encierras aire en una jeringa tapada y empujas el émbolo, las partículas se acercan y el aire ocupa menos volumen: el gas se puede comprimir. Si haces lo mismo con agua, el émbolo casi no se mueve: las partículas del líquido ya están juntas y no hay espacio para acercarlas más.
El aire también tiene masa
Como el aire no se ve, a veces parece que no fuera nada. Pero el gas es materia: tiene masa y ocupa lugar. Si pones un balón en una balanza antes y después de inflarlo, la balanza marca un poquito más después, porque le metiste más partículas de aire.
Cuidado con dos confusiones
La arena y el azúcar toman la forma del recipiente, pero no son líquidos: cada grano es un sólido pequeñito, con su forma propia. Lo que toma la forma del frasco es el montón de granos.
Y las partículas no cambian de un estado a otro. Las partículas del hielo y las del agua líquida son las mismas; el hielo no tiene partículas «duras» ni el agua partículas «blandas». Lo que cambia es cómo están ordenadas y cómo se mueven. Tampoco hay aire entre las partículas de un gas: entre ellas solo hay espacio vacío.
Sube la temperatura del agua desde −10 °C hasta 110 °C y mira las partículas: en el hielo vibran juntas y en orden; en el líquido se deslizan, todavía juntas; en el vapor se separan y vuelan por todo el recipiente. Las partículas son las mismas en los tres.
Ejemplo resuelto
La jeringa con aire y con agua
Tapas la punta de una jeringa llena de aire y empujas el émbolo. Después haces lo mismo con la jeringa llena de agua. ¿Qué pasa en cada caso? ¿Cómo lo explica el modelo de partículas?
Ver la solución paso a paso
Con aire, el émbolo baja: el aire queda en menos volumen. El gas se puede comprimir.
Entre las partículas del gas hay mucho espacio vacío. Al empujar, las partículas se acercan; no se encogen ni desaparecen.
El aire es el mismo: no entró ni salió nada, así que su masa no cambió.
Con agua, el émbolo casi no se mueve: las partículas del líquido ya están juntas y no hay espacio para acercarlas más.
Respuesta: El aire se comprime porque sus partículas están separadas y se pueden acercar; el agua casi no, porque sus partículas ya están juntas.
Ejemplo resuelto
¿El aire de un balón tiene masa?
Pones un balón medio desinflado en una balanza de cocina. Lo inflas con un inflador y lo vuelves a poner en la balanza. ¿Qué marca la balanza la segunda vez? ¿Por qué?
Ver la solución paso a paso
La balanza marca un poquito más que la primera vez.
Lo único que cambió es que entró aire. La diferencia entre las dos lecturas es la masa del aire que le metiste.
Son pocos gramos, porque las partículas del aire están muy separadas; pero no son cero.
El aire no se ve, pero es materia: tiene masa y ocupa lugar.
Respuesta: Marca más, porque el aire que entró tiene masa: el gas también es materia.
Práctica
Un frasco cerrado tiene jugo hasta la mitad. ¿Qué espacio ocupa el aire que hay dentro?
Un gas no tiene volumen propio: sus partículas se mueven en todas direcciones y llenan todo el espacio libre del recipiente cerrado. El jugo, que es líquido, se queda en el fondo con su volumen.
¿Verdadero o falso? Cuando empujas el émbolo de una jeringa tapada con aire, el aire ocupa menos volumen porque sus partículas se hacen más pequeñas.
Las partículas no cambian de tamaño. Lo que cambia es la distancia entre ellas: en el gas hay mucho espacio vacío, y al empujar las partículas se acercan.
Pasas el jugo de un vaso alto y delgado a un vaso bajito y ancho, sin regar nada. ¿Qué cambia?
Un líquido no tiene forma propia: toma la del vaso. Pero sí tiene volumen propio: la cantidad de jugo es la misma en los dos vasos.
¿Verdadero o falso? Un balón inflado tiene más masa que el mismo balón desinflado, porque el aire que le metiste es materia.
El aire tiene masa, aunque no se vea. Por eso la balanza marca unos gramos más después de inflar el balón.
¿Verdadero o falso? Si echas un poco de agua en una botella vacía y la tapas, el agua se reparte hasta ocupar toda la botella.
El agua es un líquido: tiene volumen propio y se queda en el fondo de la botella. El resto lo ocupa el aire. El que llena todo el recipiente cerrado es el gas, no el líquido.
Pasas un bloque de hielo de un vaso a un plato, sin que se derrita. ¿Qué pasa con su forma y su volumen?
Un sólido tiene forma y volumen propios: sus partículas están juntas y ordenadas, y solo vibran en su sitio. Por eso el hielo no cambia por cambiarlo de recipiente.
Lucía dice que la arena es un líquido, porque toma la forma del frasco en el que la echas. ¿Qué le respondes?
Si miras un grano con una lupa, ves que tiene su forma y no se acomoda al frasco. La arena es un montón de sólidos pequeñitos. Lo mismo pasa con el azúcar y la sal.
Con una jeringa tapada, el aire se puede apretar y el agua casi nada. ¿Cómo lo explica el modelo de partículas?
Las partículas no cambian de tamaño ni se vuelven blandas o duras. Lo que cambia es la distancia entre ellas: en el gas hay mucho espacio vacío entre una y otra, y en el líquido casi nada.
Reto
Lleva cada material a su estado.
Piensa si tiene forma propia y si tiene volumen propio.
Reto
Encuentra las palabras de los estados de la materia.
Las palabras van sin tildes.
Cierre
En resumen
La materia de la vida diaria está en tres estados: sólido, líquido o gas.
El sólido tiene forma y volumen propios; el líquido tiene volumen propio y toma la forma del recipiente; el gas ocupa todo el recipiente cerrado.
Según el modelo de partículas, toda la materia está hecha de partículas muy pequeñas, siempre en movimiento, que se atraen.
En el sólido las partículas están juntas, ordenadas y vibran; en el líquido, juntas y desordenadas, y se deslizan; en el gas, muy separadas y moviéndose en todas direcciones.
Un gas se puede comprimir y tiene masa; las partículas son las mismas en los tres estados, solo cambia su orden y su movimiento.
Vocabulario
- Estado de la materia
Forma en que se presenta una sustancia: sólido, líquido o gas.
- Modelo de partículas
Idea científica según la cual toda la materia está hecha de partículas muy pequeñas que están siempre en movimiento.
- Fluido
Materia que puede fluir, es decir, correr y tomar la forma del recipiente. Los líquidos y los gases son fluidos.
- Comprimir
Hacer que una cantidad de materia ocupe menos volumen, apretándola.
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Muestre un cubo de hielo, un vaso de agua y una jeringa tapada (sin aguja) con aire. Pregunte qué pasa con la forma y el volumen de cada uno si se cambian de recipiente; con la jeringa, mueva el émbolo: el aire llena siempre todo el espacio que le queda.
- Explicación · 15 min — Estados por forma y volumen, y el modelo de partículas con la figura. Si puede, pida a tres grupos que representen con su cuerpo el sólido (juntos y quietos, vibrando), el líquido (juntos, deslizándose) y el gas (separados, moviéndose por el salón).
- Práctica · 20 min — Haga usted la demostración de la jeringa tapada (sin aguja), primero con aire y luego con agua, y deje que algunos estudiantes empujen el émbolo. Después, preguntas y retos en parejas.
- Cierre · 5 min — Pida que cada estudiante dibuje en el cuaderno las partículas de un vaso de jugo con hielo y del aire que hay encima.
Preguntas para el salón
- ¿Por qué el olor de la comida llega a otro cuarto? Explíquenlo con partículas.
- Si la arena toma la forma del frasco, ¿por qué no es un líquido?
- ¿Qué hay entre las partículas de un gas?
Errores típicos
- Creer que las partículas del hielo son duras y las del agua blandas, o que se agrandan al calentarse. Insista en que las partículas son las mismas en los tres estados; cambian la distancia, el orden y el movimiento.
- Pensar que el aire no tiene masa porque no se ve. Pese en una balanza de cocina un balón medio desinflado, ínflelo con el inflador y péselo otra vez: la balanza marca unos gramos más.
- Clasificar la arena, el azúcar o la harina como líquidos. Pida que miren un grano con lupa y describan su forma.
- Dibujar aire entre las partículas de un gas. Pregunte de qué está hecho el aire; si el aire es el gas, entre sus partículas no puede haber más aire, sino espacio vacío.
Tarea sugerida
Buscar en la casa dos sólidos, dos líquidos y un gas, y dibujar para cada uno cómo se verían sus partículas según el modelo, explicando con una frase su forma y su volumen.