Estados de la materia y clasificación: teoría cinético-molecular

Conocimiento del Medio Natural

Estados de la materia y clasificación

¿De qué está formada la materia? La versión escolar de la teoría cinético-molecular Se va a presentar la versión escolar de la teoría cinetico-molecular a partir de unos supuestos básicos, las simplificaciones didácticas y la explicación de los estados de agregación de la materia. Esta versión a pesar de estar simplificada para que pueda transmitirse a nivel escolar es compleja para su abordaje en edades tempranas. No obstante, es preciso conocerla para llegar a poder adaptar la comprensión de la materia a niveles más básicos sin cometer errores o imprecisiones que lleven a mitos y concepciones alternativas en cursos superiores de Infantil, Primaria y Secundaria.

Supuestos básicos de la teoría cinético-molecular

• Toda materia está formada por unas pequeñas partículas que no se pueden ver a las que denominamos moléculas.
• Entre las moléculas no hay nada (vacío).
• Cada sustancia está formada por un tipo distinto de moléculas.
• Cada tipo de moléculas tiene masa, tamaño y forma propios.
• Las moléculas están en continuo movimiento.
• Cuando aumenta o disminuye la temperatura de un cuerpo es porque la velocidad media de sus moléculas aumenta o disminuye.
• Entre moléculas existen fuerzas atractivas cuyo valor depende del tipo de molécula y de la distancia entre ellas. Si se aceran demasiado, aparecen fuerzas repulsivas.

Simplificaciones didácticas

Al formular estas suposiciones se realizan una serie de simplificaciones para facilitar su comprensión y su uso consiguiente en la explicación y predicción de los fenómenos que se presentan a los alumnos. CC C BY NC SAConocimiento del Medio Natural Se considera que las entidades básicas de las sustancias son las moléculas, término que engloba a todos los tipos de especies químicas1 conocidos (moléculas, átomos o iones). Sin embargo, una molécula desde el sentido químico es la agrupación discreta de átomos unidos entre sí por fuerzas de enlace y sin carga eléctrica neta (ejemplo, agua, azúcar o alcohol). No sería una molécula en sentido escrito la sal o los sólidos metálicos. En consecuencia, las moléculas se conforman por átomos y a su vez los átomos se forman por protones, neutrones y electrones. No obstante, para facilitar el proceso de enseñanza denominamos moléculas a otras especies químicas. Existen fuerzas de atracción entre moléculas. Cuando la separación entre moléculas es grande la fuerza atractiva resulta extremadamente débil; su valor aumenta cuando se aproximan. No obstante, cuando las moléculas se acercan demasiado aparecen fuerzas repulsivas, este hecho se puede simplificar atendiendo a que dicha fuerza aparece por la imposibilidad física de que dos moléculas se superpongan.

Explicación de los estados de agregación

Podemos encontrar la materia en tres estados de agregación, sólido, líquido y gaseoso. Las diferencias en el comportamiento observable de la materia en los estados de agregación pueden interpretarse según el movimiento y el agrupamiento de las moléculas.

El estado gaseoso

La gran compresibilidad de los gases apunta a una estructura en la que las moléculas2, independientes unas de otras, están separadas por enormes distancias en relación con su tamaño. Los valores extremadamente pequeños de las densidades de los gases en relación con sólidos y líquidos lo confirman. Por ejemplo, 1g de agua a 20°C ocupa un volumen de 1,04 cm3; en cambio, 1 La especie química constituye el objeto de estudio de la Química y su concepto se delimitó por primera vez a partir del concepto de molécula. 2 Las partículas que corresponden a los gases más comunes son moléculas formadas por dos o más átomos (N2 CO2 ... ). Solo los gases nobles están constituidos por moléculas monoatómicas (He). Cc C BY NC SAConocimiento del Medio Natural en estado de vapor a 100℃ y 1 atm (atmósfera), el volumen es de 1680 cm3. La densidad se ha hecho mucho menor. Las moléculas que forman un gas se encuentran en movimiento continuo tal y como se muestra en la imagen. Dicho movimiento es al azar. Los incesantes choques contra las paredes del recipiente es lo que percibimos como presión del gas. La presión aumenta con el número de moléculas que golpean las paredes y con la mayor energía cinética de las mismas. Si ningún obstáculo se opone al movimiento de las moléculas, el conjunto de ellas, es decir, el gas, se expende hasta un volumen prácticamente infinito (resumen de las características en la Figura 1).

Figura 1: Resumen de las características de los gases

Las moléculas están: - Muy separadas unas de otras. - Moviéndose continuamente en todas direcciones. - Sin unión unas con otras. Las fuerzas de atracción tienen un valor prácticamente nulo. Finalmente se exponen las, interpretaciones de las características básicas de los gases en la Tabla 1.

Tabla 1: Interpretaciones de las características básicas de los gases

Hechos Interpretaciones Bastante más ligeros que un Las moléculas estan muy separadas volumen equivalente de sólido o de líquido No tienen forma ni volumen Las moléculas se mueven libremente determinados y las interacciones entre ellas son débiles. Pueden ser comprimidos fácilmente Las moléculas pueden acercarse de forma considerable CC BY NC SAConocimiento del Medio Natural Ejercen presión La velocidad de las moléculas es elevada, produciéndose choques entre ellas mismas y las paredes del recipiente. Finalmente cabe destacar que la temperatura del gas depende de la rapidez con que se muevan sus moléculas.

El estado sólido

La forma y el volumen invariables, junto con la debil compresibilidad conducen a suponer que en u sólido las partículas se encuentra prácticamente en contacto unas con otras y dispuestas según un determinado orden geométrico. Es lo que se llama una red cristalina (pueden existir materias amorfas, como el vidrio o los plásticos, que carecen del orden mencionado). En un sólido la libertad de movimiento de sus partículas casi ha desaparecido. Pero estas tampoco están completamente fijas, sino que realmente se encuentran oscilando alrededor de posiciones fijas. Al calentar el sólido se transmite energía cinética a las partículas, con lo que vibran cada vez más rápidamente. A una cierta temperatura (temperatura de fusión) la agitación es lo suficientemente grande como para que se aparten de sus posiciones medias de vibración. Se rompe el orden geométrico y el sólido funde (resumen de las características en la Figura 2).

Figura 2: Resumen de las características de los sólidos

Sólido Sus moléculas están: - Juntas - Dispuestas de forma ordenada (con excepciones) - Vibrando sobre posiciones fijas. CC C BY NC SAConocimiento del Medio Natural - Fuertemente unidas a las moléculas vecinas. Finalmente se exponen las, interpretaciones de las características básicas de los sólidos en la Tabla 2.

Tabla 2: Interpretaciones de las características básicas de los sólidos

Hechos Interpretaciones Tienen una forma definida Las moléculas están ordenadas y no se desplazan unas sobre otras. Con frecuencia forman redes Las moleculas se atraen y regulares permanecen ordenadas de una manera muy exacta, que se repite millones de veces. Se necesita energía para fundirlos Existen importantes fuerzas de atracción entre sus moléculas. Se dilatan cuando se calientan Sus moléculas se separan debido al aumento de la amplitud de su movimiento vibratorio. Calientes y dilatados no tienen más No es el número de moléculas o que masa que fríos, simplemente ocupan ha aumentado, sino las distancias más espacio medias entre ellas.

El estado líquido

Los líquidos poseen volumen constante y débil compresibilidad, por lo que sus partículas han de encontrar asimismo a distancias constantes entre sí y parecidas a las que guardan en el sólido. Esta suposición se ve confirmada por el hecho de que las densidades de los líquidos son, en general, algo inferiores a las de los sólidos, aunque del mismo orden. Lo que distingue a los sólidos de los líquidos es la capacidad de flujo que tienen los líquidos, la cual les impide tener forma propia. Esto hace suponer que las partículas que constituyen el líquido no se encuentran alrededor de posiciones fijas, sino que, al existir mayor agitación térmica, poseen mayor cc BY NC SAConocimiento del Medio Natural libertad de movimiento y pueden desplazarse o rotar unas en relación con otras (resumen de las características en la Figura 3).

Figura 3: Resumen de las características de los líquidos

LÍQUIDO Sus moléculas están: - Juntas - Dispuestas de forma desordenada - Libres para deslizarse unas sobre otras - Débilmente unidas a las moléculas vecinas Finalmente se exponen las, interpretaciones de las características básicas de los líquidos en la Tabla 3.

Tabla 3: Interpretaciones de las características básicas de los líquidos

Hechos Interpretaciones Tienen volumen fijo Las moléculas están juntas porque las fuerzas de atracción entre ellas no permiten que se separen No tienen forma definida y se vierten Las moléculas no están ordenadas con facilidad de forma regular y pueden desplazarse unas sobre otras Se difunden Las moléculas pueden desplazarse y mezclarse con las de otras sustancias

Consideraciones sobre la enseñanza de los estados de la materia

Aunque en las escuelas se tiende a comenzar el estudio de la materia trabajando los sólidos, ya que se manipulan fácilmente, numerosos estudios recomiendan comenzar a trabajar los estados de la materia mediante el concepto de líquido. Estos estudios demuestran que los niños a partir de los Cc BY NC SAConocimiento del Medio Natural 5 años son capaces de clasificar distintos tipos de líquido. El agua es el líquido más próximo al alumnado, pero tenemos que ayudarlos a reconocer otro tipo de líquidos (miel, champú, aceite, zumo), incluso a establecer comparaciones entre ellos. Establecer semejanzas y diferencias y acostumbrarse a emplear el término líquido para referirse a todos ellos puede ser un buen ejercicio. Una vez estudiados los líquidos, así como los distintos tipos se puede continuar con los sólidos. Los estudios en la didáctica de la química nos muestran que entre los 8 y los 9 años los niños y niñas no suelen reconocer similitudes y diferencias entre sólidos diversos como los rígidos, los elásticos y los plásticos. Se recomienda entonces profundizar en estas diferencias de los sólidos a partir de los 9 años. Es en este momento cuando comenzar a aplicar similitudes como el término sólido para todos ellos y diferencias, como los efectos de las fuerzas en los distintos materiales. Este rango de queda fuera de la EI, no obstante, en la EI sí se pueden realizar ejercicios para distinguir los sólidos de los líquidos, así como distinguir algunas propiedades de elementos sólidos en relación con las propiedades de la materia (sin hacer énfasis en la clasificación de materiales). Al trabajar los sólidos rígidos, elásticos y plásticos se puede trabajar la idea preconcebida de los niños de que los sólidos no cambian. Es primordial que los niños y niñas experimenten los cambios físicos de la materia asociados a las fuerzas, con el fin de que puedan desechar esta concepción alternativa y puedan asumir estos cambios. En el estudio de los sólidos se debe también prestar especial atención a los sólidos en polvo, puesto que incluso cerca de los 12 años pueden incluir estos materiales junto con los líquidos. Cuanto más grande es la partícula es más fácil que lo identifiquen como sólido. En la EI a no ser que el grupo nuestre signos de poder enfrentarse a este tipo de sustancias es mejo evitar las posibles confusiones no enfrentándoles a estas sustancias en ejercicios de diferenciación de sólidos y líquidos. El reto educativo de que identifiquen pequeñas partículas como sólidos se abordará con más garantías durante la Educación Primaria. CC C BY NC SA