1 CHAPTER 2. PHYSICAL CHANGE 1. Kinetic molecular theory 1. Kinetic molecular theory 2. Gases 2. Gases 3. Substance classification 3. Substance classification

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CHAPTER 2. PHYSICAL CHANGE

1. Kinetic molecular theory1. Kinetic molecular theory

2. Gases2. Gases

3. Substance classification3. Substance classification

4. Separating methods4. Separating methods

5. Solutions5. Solutions

6. Solubility6. Solubility

1. Teoría Cinética.

2. Gases.

3. Clasificación de las sustancias.

4. Métodos de separación.

5. Disoluciones.

6. Solubilidad.

TEMA 2. CAMBIO FISICO

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CHAPTER 2. PHYSICAL CHANGE

1. Kinetic molecular theory

Kinetic molecular theory of material was developed in the second half of the XIX (nineteenth) century. It’s based on the following hypothesis:

La teoría cinético molecular de la materia se desarrolló en la segunda mitad del siglo XIX. Está basada en las siguientes hipótesis:

La materia está formada por partículas muy pequeñas (átomos y moléculas), tan pequeñas que no podemos verlas con los ojos, o ni siquiera con la ayuda de un microscopio.

Las partículas están en continuo movimiento. Nunca paran.

Las partículas se pueden unir por fuerzas atractivas o por enlaces.

1. Teoría cinético molecular

Material is formed by very small particles (atoms and molecules), so tiny that we can’t see them with our eyes, or even with the help of a microscope.

Every particle has mass.

The particles are in continuous movement . They never stop.

The particles can be united by attractive forces or by bonds.

Maxwell and Boltzmann were important physicists. They developed the kinetic theory.

TEMA 2. CAMBIO FISICO

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CHAPTER 2. PHYSICAL CHANGE TEMA 2. CAMBIO FISICO

1.1. Kinetic theory for gases

For gases, kinetic molecular theory is based on the following hypothesis:

The particles are homogeneously distributed throughout space. The particles are moving in all directions of space.

There isn’t any bond between the particles. They aren’t united.

When a particle collides with another particle or with the walls of the container, it doesn’t stick. The particle collides elastically.

Between the particles there is only vacuum.

Typical aspect of a gas.Particles are moving alone in random directions. There is complete disorder.

1.1. Teoría cinética para gases

Para gases, la teoría cinético molecular se basa en las siguientes hipótesis:

Las partículas están distribuidas homogéneamente por todo el espacio.

Las partículas están moviéndose en todas las direcciones del espacio.

No hay ningún enlace entre las partículas. No están unidas.

Cuando una partícula choca con otra partícula o con las paredes del recipiente que las contiene, no se pega. La partícula colisiona elásticamente.

Entre las partículas hay solamente vacío.

Aspecto típico de un gas. Las partículas están moviéndose solas en direcciones arbitrarias. El desorden es completo.

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The temperature of the gas (macroscopic magnitude) and the average speed of the particles (microscopic magnitude) are related. As the average speed is higher, the temperature will be higher too.

The pressure of the gas (macroscopic magnitude) and the number of collisions of the particles (microscopic magnitude) against the walls of the recipient which contains them are related. As the number of collisions are higher, the pressure is higher too.

GAS A GAS B

Which gas has got a higher temperature? Why?

GAS A

Which gas has got more pressure? Why?

GAS B

La temperatura del gas (magnitud macroscópica) y la velocidad media de las partículas (magnitud microscópica) están relacionadas. Cuanto más alta sea la velocidad media de las partículas, la temperatura será más alta también.

La presión del gas (magnitud macroscópica) y el número de choques de las partículas (magnitud microscópica) contra las paredes del recipiente las contienen están relacionadas. Cuanto más alto es el número de choques, la presión también es más alta.

¿Qué gas tiene más temperatura? ¿Por qué?

¿Qué gas tiene más presión? ¿Por qué?

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1.2. Kinetic theory for liquids

For liquids, kinetic molecular theory is based on the following hypothesis:

The particles are united in groups by attractive forces. These forces are called cohesion forces .

Some layers of particles can move over each other.


Typical aspect of a liquid.Particles are united in sets. These sets can move.The disorder is medium.

1.2. Teoría cinética para líquidos

Para líquidos, la teoría cinético molecular se basa en las siguientes hipótesis:

Las partículas están unidas en agrupaciones por fuerzas atractivas.

Estas fuerzas se llaman fuerzas de cohesión.

Algunas capas de agrupaciones de partículas pueden moverse unas sobre otras.

Entre las partículas sólo hay vacío.

Aspecto típico de un líquido. Las partículas están unidas en conjuntos. Estos conjuntos pueden moverse. El desorden es medio.

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1.3. Kinetic theory for solids

For solids, kinetic molecular theory is based on the following hypothesis:

The particles are perfectly ordered in the space. They form the crystalline structure, or crystal.

The particles are united by forces. These forces are very intense.

Every particle can vibrate around its equilibrated position. They can’t move a long distance freely.


Typical aspect of a solid.Particles are united by strong bonds. Particles can vibrate but can’t move long distances.There is a high level of order.

1.3. Teoría cinética para sólidos

Para sólidos, la teoría cinético molecular se basa en las siguientes hipótesis:

Las partículas están ordenadas en el espacio perfectamente. Forman la estructura cristalina, o cristal.

Las partículas están unidas por fuerzas. Estas fuerzas son muy intensas.

Cada partícula puede vibrar alrededor de su posición de equilibrio. No pueden moverse largas distancias libremente.

Entre las partículas sólo hay vacío.

Aspecto típico de un sólido.Las partículas están unidas por fuertes enlaces.Las partículas pueden vibrar pero no pueden moverse largas distancias.Hay un alto nivel de orden

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2. Gases2.1. Physical properties

Gases have the following physical properties:

They have mass.

They always occupy all the space. This property is known like diffusion. Figure 1.

They are fluids. Their form is exactly the same as the form of their container.

Pressure, volume and temperature are very important properties that describe the state of a gas.

The density of a gas is very low.

To increase the volume of a gas is very easy.

Figure 1. Diffusion. When the central wall is broken, the particles occupy all the volume.

2.1. Propiedades físicas.

Los gases tienen las siguientes propiedades físicas:

Tienen masa.

Siempre ocupan todo el espacio. Esta propiedad se conoce como difusión. Figura 1.

Son fluidos. Su forma es exactamente la misma que la forma del recipiente que los contiene.

La presión, el volumen y la temperatura son propiedades muy importantes que describen el estado de un gas.

La densidad de un gas es muy baja.

Es muy fácil variar el volumen de un gas.

Figura 1. Difusión. Cuando se rompe la pared central, las partículas ocupan todo el volumen

2. Gases

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2.2. Boyle-Mariotte’s law

“In an isothermal process, (when temperature stays constant) the pressure is inversely proportional to the volume”.

P.V = ConstantIf T = ConstantRobert Boyle (1627-1691)

P1 . V1 = P2 . V2

P (atm)

V (l)

P1

P2

V1 V2

Isothermalprocess

In a P-V diagram an isothermal process is a hyperbole.

Keeping temperature constant, If the volume increases by double the pressure will be reduced to the half.

2.2. Ley de Boyle-Mariotte.

En un proceso isotermo, (cuando la temperatura permanece constante) la presión es inversamente proporcional al volumen.

Si T = cte P:V = cte

Manteniendo la temperatura constante, se el volumen aumenta el doble la presión se reducirá a la mitad

En un diagrama P-V un proceso isotermo es una hipérbola.

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2.3. Charles’s law

“In an isobaric process, (when pressure stays constant) the volume is directly proportional to the absolute temperature”.

Jacques Charles (1746-1823) = ConstantIf P = Constant

V

T

V1

T1

V2

T2

=

Keeping constant pressure, if the absolute temperature increases by double, the volume will increase by double too.

V (l)

T (K)V1

V2

T1 T2

Isobaricprocess

In a V-T diagram an isobaric process is a straight line.

2.3. Ley de Charles.

En un proceso isóbaro, (cuando la presión permanece constante) el volumen es directamente proporcional a la temperatura absoluto

Si P = cte V/T= cte

Manteniendo la presión constante, se la temperatura absoluta aumenta el doble, el volumen aumentará el doble también.

En un diagrama V-T un proceso isóbaro es una línea recta.

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2.4. Gay-Lussac’s law

“In an isochoric process, (when volume stays constant) the pressure is directly proportional to the absolute temperature”.

Louis Joseph Gay-Lussac (1778-1850)

= ConstantIf V = ConstantP

T

P1

T1

P2

T2

=

P (atm)

T (K)P1

P2

T1 T2

Isochoricprocess

In a P-T diagram an isochoric process is a straight line.

Keeping the volume constant, if the absolute temperature increases by double, the pressure will increase by double too.

2.4. Ley de Gay-lussace.

En un proceso isócoro, (cuando el volumen permanece constante) la presión es directamente proporcional a la temperatura absoluta.

Si V = cte P/T = cte

Manteniendo el volumen constante, si la temperatura absoluta aumenta el doble la presión aumentará el doble también.

En un diagrama P-T un proceso isócoro es una línea recta.

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3. Substances classification

Substances

Impure

Pure

Elements

Compounds

Solutions

Mixtures

The substances of material can be classified in:

3. Clasificación de las sustancias

Las sustancias materiales se pueden clasificar en

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4. Separating methods

4.1. Screening

4.2. Magnetic separation

(a) Screen

(c) Sand

(b) Gravel

(d) Clay

(a) Magnet

(c) Iron shavings(b) Mixture of iron shavings and powdered sulphur

4. Métodos de separación

4.1. Tamizado

a) Cedazo

b) Grava

c) Arena

d) Arcilla

4.2. Separación magnética

a) Imán

b) Mezcla de limaduras de hierro y azufre en polvo

c) Limaduras de hierro

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4.3. Filtration

4.4. Decantation

(a)

(b)

(c)

(d)

(e) Water

Beaker

Funnel

Sand

Filter paper

(a)

(b)

(c)

(d)

Oil

Water

Beaker

Separatory funnel

4.3. Filtración

a) Papel de filtro

b) Arena

c) Embudo

d) Vaso de precipitados

e) Agua

4.4. Decantación

a) Embudo de separación

b) Aceite

c) Agua


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4.5. Crystallization by heating

(a)

(b)

(c)

(g) Small crystalsBunsen burner

Tripod

Grate

(d) Beaker

(e) Solution

(f) Ebullition

(b)

(d)

(c)

(a) Crystallizer

Solution

Evaporation

Big crystals

4.6. Crystallization by evaporation

4.5. Cristalización por calentamiento

a) Mechero Bunsen

b) Trípode

c) Rejilla


e) Disolución

f) Ebullición

g) Cristales pequeños

4.6. Cristalización por evaporación

a) Cristalizador

b) Disolución

c) Evaporación

d) Cristales grandes

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4.6. Distillation

(c)

(b)

(e)

(h)

(i)

Tripod

(d) Solution (water and ethylic alcohol)

Ebullition

(f) Round bottom flask

Cold water

Hot water

(j) Refrigerator tube

(k) Condensation

(l) Distillate ethylic alcohol

(m) Erlenmeyer flask(a) Bunsen burner

(g) Thermometer

Grate

4.6. Destilación

a) Mechero Bunsen

b) Trípode

c) Rejilla

d) Disolución (agua y alcohol etílico)

e) Ebullición

f) Matraz

g) Termómetro

h) Agua fría

i) Agua caliente

j) Tubo de refrigeración

k) Condensación

l) Alcohol etílico destilado

m) Matraz Erlenmeyer

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5. Solutions

Solvent Solute Solution

Water Salt Salted water

A solution is an homogeneous mixture. The most abundant component is called the solvent. In the majority of the cases the solvent will be water. The other components are called solutes.

If we mix water and salt we'll obtain salted water. The solvent is water, the solute is salt and the solution is salted water.

5.1 Solvent and solute 5.1 Disolvente y soluto

Una disolución es una mezcla homogénea. El componente más abundante se llama disolvente. En la mayoría de los casos el disolvente será el agua. Los otros componentes se llaman solutos.

Disolvente Soluto Disolución

Agua Sal Agua salada

Si mezclamos agua y sal obtenemos agua salada. El disolvente es el agua , el soluto es la sal y la disolución es agua salada.

5 Disoluciones

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We can classify solutions according to the amount of solute

Diluted solution. The amount of solute is low.

Concentrated solution. The amount of solute is medium or high

Saturated solution. The amount of solute is the maximum that can be dissolved .

Oversaturated solution. The amount of solute is higher than the maximum that can be dissolved. The rest precipitates on the bottom.

5.2 Types of solutions 5.2 Clases de disoluciones

Podemos clasificar las disoluciones acorde a la cantidad de soluto

Disolución diluida. La cantidad de soluto es baja.

Disolución concentrada. La cantidad de soluto es media o alta.

Disolución saturada. La cantidad de soluto es la máxima cantidad que se puede disolver.

Disolución sobresaturada. La cantidad de soluto es más alta que el máximo que puede disolverse. El sobrante precipita en el fondo.

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5.3 Kinetic molecular theory kinetic for solutions

Everybody knows that a piece of solid salt dissolves into water very

easily. But, does anybody know how it really happens?

Kinetic molecular theory can explain the process of dissolution of a salt

into water.

The particles of salt are strongly bonded. But molecules of water attract

these particles with very intensive forces. Forces between the particles

of salt and water are higher than the forces between particles of salt.

So, the particles of salt escape from the crystalline structure and stand

among the molecules of water.

5.3 Teoría cinético molecular para disoluciones.

Todo el mundo sabe que un trozo de sal sólida se disuelve en agua muy bien.Pero, ¿alguien sabe como sucede verdaderamente?.La teoría cinético molecular puede explicar el proceso de disolución de una sal en agua.

Las partículas de sal están fuertemente enlazadas.Pero las moléculas de agua atraen a estas partículas con fuerzas muy intensas.Las fuerzas entre las partículas de sal y agua son mayores que las fuerzas entre partículas de sal.Así pues, las partículas de sal escapan de la estructura cristalina y se sitúan entre las moléculas de agua

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6. Solubility

Solubility is the maximum amount of solute which can be dissolved in a certain volume.Solubility is a characteristic property of a substance. In the following table we can see the solubility of some substances in water, at 0º C (cero centigrade degrees):

Solubility in grams of solute per 100 g of water

Ammonium chloride, NH4Cl 29.7

Aluminium oxide, Al2O3 insoluble

Calcium carbonate, CaCO3 0.006

Calcium hydroxide, Ca(OH)2 0.185

Copper (II) sulphate, CuSO4 14.3

Cooper (II) carbonate, CuCO3 insoluble

Iron disulfide, FeS2 0.0005

Lead (II) nitrate, Pb(NO3)2 37.6

Sodium chloride, NaCl 35.7

6. Solubilidad

La solubilidad es la máxima cantidad de soluto que puede permanecer disuelta en un cierto volumen.La solubilidad es una propiedad característica de una sustancia. En la siguiente tabla podemos ver la solubilidad de algunas sustancias en agua, a 0 ºC (cero grados centígrados):

6.1 Definition of solubility 6.1 Definición de solubilidad

Solubilidad en gramos de soluto por 100 g de agua

Cloruro de amonio, NH4Cl 29.7

Óxido de aluminio, Al2O3 insoluble

Carbonato de calcio, CaCO3 0.006

Hidróxido de calcio, Ca(OH)2 0.185

Sulfato de cobre (II), CuSO4 14.3

Carbonato de cobre (II), CuCO3 insoluble

Disulfuro de hierro, FeS2 0.0005

Nitrato de plomo (II), Pb(NO3)2 37.6

Cloruro de sodio, NaCl 35.7

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Solubility depends on the temperature. In the case of solids and liquids the solubility increases with the temperature. It means that if we heat the water we’ll be able to solve more amount of salt in it.

La solubilidad depende de la temperatura. En el caso de sólidos y líquidos la solubilidad aumenta con la temperatura. Esto significa que si calentamos agua podremos disolver más cantidad de sal en ella.

Kinetic molecular theory can explain why solubility of a solid or liquid substance increases when temperature increases.When temperature increases, molecules move more quickly. It makes the distance between molecules of solvent increase too. There’s more free vacuum space which can be occupied by more molecules of solute.

At 10 ºC molecules of water are nearer. There is room for few molecules of solute between molecules of water.

At 60 ºC molecules of water are further apart. There is room for a lot more molecules of solute between the molecules of water.

6.2 Temperature and solubility for a solid or a liquid 6.2 Temperatura y solubilidad para un sólido o un líquido

La teoría cinético molecular puede explicar por qué la solubilidad de una sustancia sólida o líquida aumenta cuando la temperatura aumenta.Cuando la temperatura aumenta, las moléculas se mueven más deprisa. Esto hace que la distancia entre moléculas de disolvente aumente también. Hay mayor espacio vacío que puede ocuparse por más moléculas de soluto.

A 10 ºC las moléculas de agua están más próximas. Entre las moléculas de agua caben pocas moléculas de soluto.A 60 ºC las moléculas de agua están más alejadas. Entre las moléculas de agua caben muchas moléculas de soluto.

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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

t (ºC)

Solubility (g/100 g of water)

Sodium nitrate

Potassium nitrate

Sodium chloride

In the following graph we can see the dependence between solubility and temperature.

En la siguiente gráfica podemos ver la dependencia entre la solubilidad y la temperatura.

t (ºC)

Solubilidad (g/100 g del agua)

Nitrato de sodio

Nitrato de potasio

Cloruro de sodio

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6.3 Temperature and solubility of a gas

Solubility of a gas depends on temperature. Solubility decreases with temperature. How is it possible, if it’s the opposite for solids and liquids? Kinetic molecular theory has the answer again.

When temperature increases, molecules of liquid solvent and molecules of gas move faster. It means that it’s easier for a molecule of gas to escape from inside the liquid.

La solubilidad de un gas depende de la temperatura. La solubilidad disminuye con la temperatura. ¿Cómo será esto posible si es lo contrario que para sólidos y líquidos?La teoría cinético molecular tiene la respuesta de nuevo.

Cuando la temperatura aumenta las moléculas del disolvente líquido y las moléculas del gas se mueven más rápido. Esto significa que para la molécula de gas es más fácil escapar del interior del líquido.

6.3 Temperatura y solubilidad de un gas

At 10 ºC molecules of gas move slow enough not to escape.

At 60 ºC molecules of gas have enough speed to escape.

A 10 ºC las moléculas de un gas se mueven lo suficientemente lentas para no escapar.A 60 ºC las moléculas de un gas tienen velocidad suficiente para escapar.

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