Historia

Durante muchos años, la humanidad ha observado diferencias entre los estados de agregación, e intento explicar la condensación y la vaporización, la solidificación y la fusión, la solubilidad de las sustancias, las propiedades de las disoluciones y los demás tipos de mezclas. Por lo que, a lo largo de la historia del pensamiento humano se ha elaborado un modelo acerca de cómo está constituida la materia, se conoce como Modelo Cinético Molecular.

 

 

• El modelo

Desde la antigüedad griega muchos pensadores reflexionaron acerca de la composición de la materia; por ello diversas hipótesis se propusieron, más no en bases científicas y estas hipótesis tampoco fueron aceptadas en general; de hecho, fue hasta principios del siglo XIX que, con los trabajos de John Dalton (1766-1844), se empezaron a dar los primeros pasos serios en el estudio de la estructura atómica de la materia. Posteriormente también contribuyeron de manera muy importante científicos como Joseph L. Gay-Lussac (1778-1850). Amedeo Avogadro (1776-1856) y Jöns Jacob Berzelius (1779-1848). Hacia mediados del siglo pasado ya se tenía un cuerpo de teoría adecuado, aunque incompleto, que implicaba que la materia estaba compuesta de partículas microscópicas, llamadas átomos. Debemos mencionar que de ninguna manera esta hipótesis fue aceptada en esa época por la mayoría de los científicos activos. De hecho fueron relativamente pocos los que así lo hicieron.
 

 








Gay-Lussac   

 

                                                                           

John Dalton

 

 

 

 

 

 

Jacob Berzelius
  

Hacia mediados del siglo XIX se enfrentaba la siguiente situación: por un lado, se habían planteado las leyes de la termodinámica que, como podemos recordar, se refieren a aspectos macroscópicos del comportamiento de las sustancias; y, por el otro lado, se vislumbraba cada vez con mayor claridad que la materia estaba compuesta de átomos. Surgió entonces la necesidad de conciliar estos dos conocimientos. Dicho en otras palabras, se planteaba la siguiente cuestión: era si la materia, en efecto, está compuesta de partículas microscópicas, ¿qué consecuencias macroscópicas tiene el comportamiento microscópico de una sustancia?

 

Fue en la primera mitad del siglo XIX cuando se empezaron a dar los primeros pasos en firme. Varios trabajos de J. Herapath presentados alrededor de 1820 y de J. J. Waterston alrededor de 1845 retomaron la cuestión. Sin embargo, fue hasta mediados de siglo en que este tipo de teoría tuvo un feliz renacimiento. En efecto, entre 1850 y 1875 August Krönig (1822-1879), Rudolf Clausius, James C. Maxwell (1831-1879) y Ludwig Boltzmann (1844-1906) desarrollaron las bases de la moderna teoría cinética de la materia. Supusieron que las sustancias estaban compuestas de átomos y a partir de su comportamiento microscópico obtuvieron como consecuencia algunas propiedades macroscópicas. En particular, pudieron fundamentar varios resultados que ya se conocían en termodinámica y explicar diversos fenómenos. Calcularon, por ejemplo, propiedades tales como el calor específico, la conductividad térmica y la viscosidad de gases poco densos y todo ello en términos de propiedades de los átomos que los constituyen.

 

  







 Boltzmann

 

 

 





Krönig    

Maxwell

 

 

En 1905 Einstein aplicó la teoría cinética al movimiento browniano de una partícula pequeña suspendida en un fluido (Sec. 3.7). Las ecuaciones teóricas de Einstein fueron confirmadas por los experimentos de Perrín en 1908, convenciendo de esta forma a los energéticos de la realidad de los átomos. La teoría cinética de los gases utiliza una descripción molecular para derivar las propiedades macroscópicas de la materia, por lo que constituye una rama de la mecánica estadística.

 

Einstein

Según éste modelo de materia, todo lo que vemos está formado por unas partículas muy pequeñas, que son invisibles aún a los mejores microscopios y que se llaman moléculas. Las moléculas están en continuo movimiento y entre ellas existen fuerza atractivas, llamadas fuerzas de cohesión. Las moléculas al estar en movimiento, se encuentran a una cierta distancia unas de otras. Entre las moléculas hay espacio vacío.

Teoria Cinética de la Materia

La teoría cinética molecular consta de postulados que describen el comportamiento de las moléculas en la materia. Estos postulados se basan en algunas nociones físicas y químicas muy simples y básicas, aunque también involucran algunas suposiciones con el fin de simplificar los postulados.
 

• Todos los gases tienen átomos ó moléculas en continuo movimiento rápido, rectilíneo y aleatorio.
• Los átomos ó moléculas de los gases están muy separados entre sí, y no ejercen fuerzas sobre otros átomos ó moléculas salvo en las colisiones. Las colisiones entre ellos o con las paredes son igualmente elásticas.

 

 

Lo cual iremos explicando a lo largo de este blog.

Postulados de la Teoría cinética de la Materia

Las leyes de los gases desarrolladas por Boyle, Charles y Gay-Lussac, que establecieron las principales relaciones entre la presión, el volumen y la temperatura, están basadas en observaciones empíricas y describen el comportamiento de los gases en términos macroscópicos.

 

Sin embargo, existe otra opción para aproximarse al comportamiento de la materia: a través de la teoría atómica que postula, básicamente, que todas las sustancias están compuestas por un gran número de pequeñas partículas (moléculas o átomos). 
En principio, las propiedades observables de la materia (presión, volumen y temperatura) están directamente ligadas a las moléculas que lo componen.

La teoría cinética molecular consta de cinco postulados que describen el comportamiento de las moléculas en la materia. Estos postulados se basan en algunas nociones físicas y químicas muy simples y básicas, aunque también involucran algunas suposiciones con el fin de simplificar los postulados.

• Postulados de la teoría cinética molecular

Estos son los principales postulados de la teoría cinética molecular:

1.            El número de moléculas es grande y la separación media entre ellas es grande comparada con sus dimensiones. Por lo tanto ocupan un volumen despreciable en comparación con el volumen del envase y se consideran masas puntuales.

2.            Las moléculas obedecen las leyes de Newton, pero individualmente se mueven en forma aleatoria, con diferentes velocidades cada una, pero con una velocidad promedio que no cambia con el tiempo.

3.            Las moléculas realizan choques elásticos entre sí, por lo tanto se conserva tanto el momento lineal como la energía cinética de las moléculas.

4.            Las fuerzas entre moléculas son despreciables, excepto durante el choque. Se considera que las fuerzas eléctricas o nucleares entre las moléculas son de corto alcance, por lo tanto solo se consideran las fuerzas impulsivas que surgen durante el choque.

5.            El gas es considerado puro, es decir todas las moléculas son idénticas.

6.            El gas se encuentra en equilibrio térmico con las paredes del envase.

• ¿Qué significan estos postulados?

Según el modelo cinético molecular que se toma como válido hoy en día, como decíamos, todo material que vemos está formado por partículas muy pequeñas llamadas moléculas. Estas moléculas están en movimiento continuo y se encuentran unidas por la fuerza de cohesión que existe entre moléculas de una misma materia. Entre una y otra hay un espacio vacío, ya que están en continuo movimiento.
Cuando las moléculas están muy juntas y se mueven en una posición fija, las fuerzas de cohesión son muy grandes. Es el estado sólido de la materia. En cambio cuando están algo más separadas y la fuerza de cohesión es menor, lo que les permite cambiar de posición libremente de forma independiente, estamos en presencia de un líquido.
En el estado gaseoso, las moléculas están totalmente separadas unas de otras y se mueven libremente. Aquí no existe fuerza de cohesión.

La energía de la materia, su fuerza de cohesión y el movimiento de las moléculas dependen de la temperatura. Es por eso que podemos lograr pasar una materia del estado líquido al gaseoso y del sólido al líquido, si aplicamos la cantidad de energía necesaria en forma de temperatura.
Esta teoría también describe el comportamiento y las propiedades de los gases. Todos los gases están formados por moléculas que se encuentran en movimiento continuo. Es un movimiento rápido, rectilíneo y aleatorio. Las moléculas de los gases están muy separadas entre sí y no ejercen fuerzas sobre otras moléculas, a excepción de cuando se produce una colisión.
Las propiedades de los gases se describen en términos de presión, volumen, temperatura y número de moléculas. Estos son los parámetros que se usan para definir a los gases.

 

• Diferencia entre un sólido, un líquido y un gas

 

  En un sólido las fuerzas entre las partículas que lo forman son muy grandes, por eso están muy juntas formando estructuras ordenadas. Aún en los sólidos las partículas no están quietas, tienen un movimiento de vibración. 

En un gas las fuerzas de atracción entre las partículas, aunque existen, son muy débiles. Por tanto, se mueven en todas direcciones chocando continuamente unas con otras y contra las paredes del recipiente que las contiene. Existe una gran separación entre las partículas, grandes espacios vacíos. 

En un líquido la situación es intermedia. Las fuerzas entre partículas no son tan grandes como en los sólidos, ni tan débiles como en los gases. Las partículas están más separadas que en los sólidos, pero mucho menos que en los gases.

Sabias Qué ... ?

 

En la vida cotidiana, la materia que nos rodea se nos presenta en sus tres diferentes fases: la líquida, la sólida y la gaseosa. También es conocido por muchos de nosotros los cambios que pueden presentarse entre ellas, por ejemplo solidificar un líquido, derretir un sólido, etc. Todos estos cambios parecen sugerir que de no existir un agente externo que los provoque, la materia se encontraría en una sola fase. Normalmente, si queremos evaporar un líquido hay que calentarlo, a un gas comprimirlo para licuarlo, a un líquido enfriarlo para solidificarlo. 


Pero surgen varias preguntas: ¿Por qué ocurren tales fenómenos?, ¿Cuáles son las propiedades de cada una de estas fases en términos de las partículas o entes que constituyen a la materia?. Pues bien a continuación daremos respuesta a dichas cuestiones.

En la antigüedad filósofos griegos hicieron una hipótesis en la cual mencionaban que la materia está formada por partículas pequeñas indivisibles a las cuales denominaron átomos. En la actualidad dicha hipótesis ha sido plenamente confirmada y hay prueba s de que la materia que nos rodea aparte de estar constituida por átomos hay familias de estos llamadas moléculas.

Cuando examinamos el comportamiento de una muestra de la materia, normalmente nos referimos a una cantidad de ella formada o constituida por un número enorme de átomos o moléculas. Por tanto, se hace necesario establecer relaciones entre las propiedades de un sistema, sea sólido, líquido o sólido  con la presión, la temperatura, la densidad y otros atributos accesibles a nuestros sentidos. Una de las ramas de la fisicoquímica contemporánea que se ocupa de este estudio es la llamada  teoría cinética de la materia.

 

Estados de la Materia

 

Para comprender mejor los estados de agregación de la materia y los cambios de estado según la Teoría cinética de la materia

La materia se presenta en tres estados o formas de agregación: sólido, líquido y gaseoso.

Dadas las condiciones existentes en la superficie terrestre, sólo algunas sustancias pueden hallarse de modo natural en los tres estados, tal es el caso del agua. Los metales o las sustancias que constituyen los minerales se encuentran en estado sólido y el oxígeno o el CO2 en estado gaseoso.

Presión

En el marco de la teoría cinética la presión es explicada como el resultado macroscópico de las fuerzas implicadas por las colisiones de las moléculas de la materia con las paredes del contenedor. La presión puede definirse por lo tanto haciendo referencia a las propiedades microscópicas de la materia.

En general se cree que hay más presión si las partículas se encuentran en estado sólido, si se encuentran en estado líquido es mínima la distancia entre una y otra y por último si se encuentra en estado gaseoso se encuentran muy distantes.

En efecto, para un gas ideal con N moléculas, cada una de masa m y moviéndose con una velocidad aleatoria promedio o raíz cuadrada de la media aritmética de los cuadrados de las velocidades, en inglés "root mean square" vrms = v, contenido en un volumen cúbico Vlas partículas del gas impactan con las paredes del recipiente de una manera que puede calcularse de manera estadística intercambiando momento lineal con las paredes en cada choque y efectuando una fuerza neta por unidad de área que es la presión ejercida por el gas sobre la superficie sólida.

La presión puede calcularse como:

 

(gas ideal)                                   

 

 

Este resultado es interesante y significativo no sólo por ofrecer una forma de calcular la presión de un gas sino porque relaciona una variable macroscópica observable, la presión, con la energía cinética promedio por molécula, 1/2 mv², que es una magnitud microscópica no observable directamente. Nótese que el producto de la presión por el volumen del recipiente es dos tercios de la energía cinética total de las moléculas de gas contenidas.

 

Presión ejercida por un gas

Supongamos que el gas está encerrado en un recipiente, tal como se muestra en la figura. El recipiente dispone de un émbolo móvil de área A. Para mantener fijo el émbolo es necesario ejercer una fuerza F, normalmente a la superficie del émbolo. El valor de la fuerza F es igual al producto de la presión ejercida por el gas por el área del émbolo.

F=PA

Las moléculas del gas chocan elásticamente con el émbolo, de modo que la componente X de la velocidad cambia de sentido. Por tanto, el cambio en el momento lineal de cada molécula es

Dp=2mvx

Si el número total de moléculas que chocan con el émbolo en el intervalo de tiempo comprendido entre t y t+Dt es Nx, la variación de momento lineal será 2mvxNx.

Podemos calcular Nx considerando que solamente la mitad de las moléculas, en promedio, tienen el sentido de la velocidad hacia la parte positiva del eje X, es decir, se dirigen hacia el émbolo.

 

Si suponemos que las moléculas que chocan con el émbolo tienen el mismo valor de la componente X de la velocidad, cruzarán el área A en el tiempo Dt todas las partículas contenidas en el volumen AvxDt. Si n es el número de partículas por unidad de volumen Nxvaldrá entonces, nAvxDt/2.

La variación de momento lineal Dp en el intervalo de tiempo comprendido entre t y t+Dt esmvx nAvxDt.

La fuerza sobre el émbolo es el cociente entre el cambio de momento lineal y el tiempo que tarda en efectuarse dicho cambio.

 

y por tanto, la presión ejercida por el gas vale

P=n(mv2x)

 

Todas las moléculas no tienen el mismo valor vx de la velocidad, sino que la distribución de velocidades es tal que su valor medio cuadrático es <v2x>. Por tanto, en la expresión de la presión P, hemos de sustituir v2x por <v2x>.

ya que <v2x>=<v2>/3

 

El último término que aparece en la fórmula es el valor medio de la energía cinética.

 

Volumen

 

El volumen es todo el espacio ocupado por algún tipo de materia. En el caso de los gases, estos ocupan todo el volumen disponible del recipiente que los contiene.

Las unidades para medir el volumen, pero en nuestras fórmulas usaremos el litro (L) y el milílitro (ml).

 

 Recordemos que un litro equivale a mil milílitros:

1 L = 1.000 mL

 

1 L equivale a 1 decímetro cúbico (1 dm3) o a mil centímetros cúbicos (1.000 cm3) , lo cual hace equivalentes (iguales) 1 mL con  1 cm3:

 

1 L = 1 dm3 = 1.000 cm3 = 1.000 mL

 

1 cm3 = 1 mL    

 

 
En el siguiente video se mostrara como es el comportamiento de las partículas en los diferentes estados

Las partículas que vibran son una sustancia que es calentada y que cambia a fase gaseosa a 100°C, se puede ver como la fase gaseosa solo puede ser contenida por las paredes del contenedor.

En resumen, el volumen del gas será igual al volumen del recipiente que lo encierra.

Las unidades de volumen que emplearemos serán el metro cúbico

Los gases poseen las siguientes propiedades únicas que los caracterizan:

• Compresibilidad:  la capacidad de reducir su volumen ante la acción de la presión (una fuerza externa).
• Elasticidad:  la habilidad de recuperar volumen ante la supresión de una presión externa.
• Capacidad de Difusión:  la expansión de un gas a través de todo el volumen de su contenedor.
• Dilatabilidad:  el incremento en  volumen ante un aumento en temperatura.

Estas propiedades de los gases se deben a su composición, su comportamiento y a cuatro importantes factores – la presión (P), la temperatura (T), el volumen (V) y el número de moles (n).