INSTITUTO DE CICLO B ASICO Y BACHILLERATO EN CIENCIAS Y LETRAS POR MADUREZ

QUIMICA

Lic. MARCO TULIO MORÁN GONZÁLEZ

Módulo uno: La materia que vemos o sentimos

CICLO DIVERSIFICADO

ACHILLERATO EN CIENCIAS Y LETRAS POR MADUREZ

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PRIMER SEMESTRE

1. Enfoque del área curricular de Química

El enfoque del área curricular está en el estudio de la materia desde la

química inorgánica, el estudio del átomo, la tabla periódica, las reacciones

químicas elementales y la nomenclatura química. El propósito del curso es

desarrollar en los y las estudiantes las competencias de realizar diferentes clases

de lectura: textos cuyo contenido sea físico química, su entorno natural, y de

continuar estudios más amplios y profundos en las demás ramas de la Química.

Aunque el desarrollo del contenido del curso proporciona el material básico

para estudiar, será necesario que cada estudiante adquiera en las librerías “la

Tabla periódica de los elementos” (de 18 columnas).

2. Competencias

a) Lee comprensivamente textos de contenido de físico química elemental.

b) Traduce ecuaciones químicas que expresan cambios químicos inorgánicos.

c) Interpreta la información de los elementos químicos con base en la tabla.

d) Explica la naturaleza de la estructura de átomos de elementos, con base en la tabla periódica de los elementos.

e) Explica cambios físicos que se dan en su entorno natural.

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LA MATERIA

Todo lo que podemos ver y tocar es materia. También son materia cosas que no podemos ver, por ejemplo el aire que no se ve pero se siente. Observamos que la materia ocupa una cierta porción de espacio que llamamos volumen. Podemos decir que es materia todo lo que ocupa volumen y tiene masa.

No sólo lo que está a nuestro alcance es materia. También es materia lo que constituye los planetas, el Sol y las demás las estrellas, las galaxias... Y a escala microscópica, son también materia las células, los virus, el ADN...La materia forma todos los cuerpos del universo.

¿QUÉ ES EL AIRE?

El aire es una mezcla gaseosa que forma la atmósfera de la tierra. El aire se encuentra presente en todas partes, no se puede ver, oler, ni oír. Conozcamos sus propiedades físicas y químicas.

Los componentes del aire pueden dividirse en constantes y variables. Los componentes constantes del aire son alrededor de 78% de nitrógeno, 21% de oxígeno y el 1% restante se compone de gases como el dióxido de carbono, argón, neón, helio, hidrógeno, otros gases y vapor de agua.Los componentes variables son los demás gases y vapores característicos del aire de un lugar determinado, como por ejemplo, los óxidos de nitrógeno provenientes de las descargas

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ComponenteSímbolo Químico

Concentración aproximada

Nitrógeno N 78.03%

Oxígeno O 20.99%

Dióxido de Carbono

CO2 0.03%

Argón Ar 0.94%

Neón Ne 0.00123%

Helio He 0.0004%

Criptón Kr 0.00005%

Xenón Xe 0.000006%

Hidrógeno H 0.01%

Metano CH4 0.0002%

Oxido Nitroso N2O 0.00005%

Agua H2O Variable

Ozono O3 Variable

Partículas Variable

eléctricas durante las tormentas o el óxido de carbono que viene de los escapes de los motores.

¿Qué significa que el aire es una mezcla?.

Clasificación de la materia

La materia puede clasificarse en dos categorías principales:a) Sustancias puras, cada una de las cuales tiene una composición fija y un único conjunto de propiedades. b) Mezclas, compuestas de dos o más sustancias puras.Las sustancias puras pueden ser elementos o compuestos, mientras que las mezclas pueden ser homogéneas o heterogéneas.

ELEMENTO QUÍMICO

Elemento químico: Es una sustancia pura formada por una sola clase de átomos. Ejemplos: Hierro, el cobre, el sodio, qué otros elementos conoce?El término elemento químico hace referencia a una clase de átomos, todos ellos con el mismo número de protones en su núcleo. Aunque, por tradición, se puede definir elemento químico como aquella sustancia que no puede ser descompuesta, mediante una reacción química, en otras más simples.

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Es importante diferenciar a un «elemento químico» de una sustancia simple. El ozono (O3) y el dioxígeno (O2) son dos sustancias simples, cada una de ellas con propiedades diferentes. Y el elemento químico que forma estas dos sustancias simples es el oxígeno (O). Otro ejemplo es el del elemento químico carbono, que se presenta en la naturaleza como grafito o como diamante (estados alotrópicos).

Se conocen más de 118 elementos. Algunos se han encontrado en la naturaleza, formando parte de sustancias simples o de compuestos químicos. Otros han sido creados artificialmente en los aceleradores de partículas o en reactores atómicos. Estos últimos son inestables y sólo existen durante milésimas de segundo.

NOMBRES Y SÍMBOLOS DE ALGUNOS ELEMENTOS QUÍMICOS

NOMBRE SímboloNOMBRE

Símbolo NOMBRE Símbolo NOMBRE Símbolo

HidrógenoH

HelioHe

Litio Li Berilio Be

Boro B Carbono C Nitrógeno N Oxígeno O

Fluor F Neón Ne Sodio Na Magnesio Mg

Aluminio Al Silicio Si Fósforo P Azufre S

Cloro Cl Argón Ar Potasio K Calcio Ca

Escandio Sc Titanio Ti Vanadio V Cromo Cr

TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS QUÍMICOS

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Las grandes preguntas:

1.   ¿En la tabla periódica hay algún compuesto o mezcla?2. ¿Qué son compuestos y mezclas se identifican?

COMPUESTOS QUÍMICOS

En las sustancias puras se habían definido elementos y compuestos. Los primeros formados por átomos iguales o sea del mismo número atómico, y los segundos formados por átomos distintos, o sea con diferente número atómico. Si son 2 átomos distintos el compuesto se denomina binario, si 3; ternario, si 4, cuaternario etc.

Un compuesto químico es una substancia que resulta de la unión de dos o más elementos de la tabla periódica. El resultado de esta unión debe de poder expresarse con una fórmula química, por ejemplo el bióxido de carbono, que es producto de la respiración, resulta de la unión de Carbono con Oxígeno y tiene la fórmula química de CO2.

Ejemplos de compuestos químicos:

1. El agua que es la unión de hidrógeno con oxígeno (H20)2. La sal de cocina o cloruro de sodio (NaCl)3. Nitrato de plata (AgNO3).4. Sosa Cáustica o hidróxido de sodio (NaOH).5. Acido bórico (H3BO3)6. Acido Clorhídrico o muriático (HCl)7. Acido sulfúrico (H2SO4)8. Fluoruro de Sodio (NaF)9. Óxido de Zinc (ZnO)

Se observa que los compuestos están constituidos por dos o más elementos.Qué otros compuestos se pueden mencionar?

LA MOLÉCULA

La molécula es la parte más pequeña que representa a un compuesto. Las moléculas están formadas por combinaciones específicas de átomos de

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elementos. Las sustancias comunes pueden dividirse teóricamente en moléculas simples, como aquí se representa, pero no se pueden dividir más sin alterar su naturaleza. Cada molécula tiene una fórmula química. Si se quita o cambia un ingrediente, la molécula resultante será completamente diferente. INCLUDEPICTURE "../../../Usuario/AppData/Roaming/Microsoft/A%25C3%25B1o%202008/Matem%25C3%25A1tica/Qu%25C3%25ADmica/Mol%25C3%25A9culas_comunes_files/trans.gif" \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "../../../Usuario/AppData/Roaming/Microsoft/A%25C3%25B1o%202008/Matem%25C3%25A1tica/Qu%25C3%25ADmica/Mol%25C3%25A9culas_comunes_files/trans.gif" \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "../../../Usuario/AppData/Roaming/Microsoft/A%25C3%25B1o%202008/Matem%25C3%25A1tica/Qu%25C3%25ADmica/Mol%25C3%25A9culas_comunes_files/trans.gif" \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "../../../Usuario/AppData/Roaming/Microsoft/A%25C3%25B1o%202008/Matem%25C3%25A1tica/Qu%25C3%25ADmica/Mol%25C3%25A9culas_comunes_files/trans.gif" \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "../../../Usuario/AppData/Roaming/Microsoft/A%25C3%25B1o%202008/Matem%25C3%25A1tica/Qu%25C3%25ADmica/Mol%25C3%25A9culas_comunes_files/trans.gif" \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "../../../Usuario/AppData/Roaming/Microsoft/A%25C3%25B1o%202008/Matem%25C3%25A1tica/Qu%25C3%25ADmica/Mol%25C3%25A9culas_comunes_files/trans.gif" \* MERGEFORMAT

Molécula, la partícula más pequeña de una sustancia, que mantiene las propiedades químicas específicas de esa sustancia. Si una molécula se divide en partes aún más pequeñas, éstas tendrán una naturaleza diferente de la sustancia original. Por ejemplo, una muestra de agua puede dividirse en dos partes, y cada una dividirse a su vez en muestras de agua más pequeñas. El proceso de división y subdivisión finaliza al llegar a la molécula simple de agua, que si se divide dará lugar a algo que ya no es agua: hidrógeno y oxígeno. Cada molécula se presenta independientemente de las demás. Si se encuentran dos moléculas, se suele producir un rebote sin que ocurran cambios fundamentales. En caso de encuentros más violentos se producen alteraciones en la composición de las moléculas, y pueden tener lugar transformaciones químicas.

Las moléculas de los compuestos están constituidas por átomos de los elementos que los forman. Se dice que una molécula es diatómica cuando está compuesta por dos átomos y poliatómica si tiene más de dos átomos.

MEZCLAS

Cuando dos o más sustancias puras se mezclan y no se  combinan químicamente, aparece una mezcla. Una mezcla puede ser  separada  en sus

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componentes (sustancias) simplemente por métodos físicos. Estas pueden ser clasificadas en homogéneas y heterogéneas.

a) Mezclas heterogéneas: no son  uniformes;  en algunos casos, puede observarse la  discontinuidad  a  simple  vista (sal y carbón, por ejemplo); en otros casos, debe usarse una mayor resolución para observar la discontinuidad.

b) Mezclas homogéneas: son totalmente uniformes  (no presentan discontinuidades  al ultramicroscopio) y presentan iguales propiedades y  composición  en todo el sistema, algunos ejemplos son la salmuera, el aire. Estas mezclas homogéneas se denominan soluciones.

El límite a  partir  del cual se distinguen los sistemas heterogéneos de los sistemas  homogéneos  lo constituye precisamente el ultramicroscopio. Los diferentes sistemas homogéneos que constituyen el sistema heterogéneo se denominan fases.

Existen gran número de métodos para  separar  los  componentes que forman una mezcla; en realidad, cada mezcla implicará el uso  de uno o más métodos particulares para su separación en los componentes individuales.  Describiremos  brevemente  solo  algunos  de  estos métodos:

a) filtración: permite separar sólidos suspendidos  en  un  líquido. Implica el pasaje de todo el líquido a través de un filtro, una placa de vidrio, etc.b) destilación: permite la separación  de  sustancias de diferente punto de ebullición. Consiste en procesos de evaporación - condensación en los cuales se va enriqueciendo la fase vapor en el componente más volátil.c) disolución: permite separar un sólido soluble en algún líquido de otro que no lo es. d) reparto: separa sustancias de diferente solubilidad en otra fase. Consiste en adicionar otra fase al sistema en la cual se disuelva en gran proporción alguna sustancia del sistema original.Una extensión más sofisticada de los últimos dos  métodos,  lo constituye la cromatografía.

SOLUCIONES

Una solución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias dispersadas como moléculas, átomos o iones, en vez de permanecer como  agregados de regular tamaño. Existen soluciones donde las  sustancias que se mezclan tienen distintos estados de agregación; así, hay  soluciones de gas en gas (en

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realidad, todas las mezclas de gases son  soluciones), de gas en líquido, de líquido en líquido, de sólido en líquido, de sólido en sólido (aleaciones), etc. Una de las sustancias que forman la solución se denomina disolvente; suele ser el componente que se encuentra en mayor cantidad. La otra u otras sustancias en la solución se conocen como solutos.

Estado de la solución

Estado del disolvente

Estado del soluto

Ejemplo

Gaseoso Gaseoso Gaseoso AireLíquido Líquido Gaseoso Oxígeno en aguaLíquido Líquido Líquido Alcohol en aguaLíquido Líquido Sólido Sal en aguaSólido Sólido Gaseoso Hidrógeno en

PlatinoSólido Sólido Líquido Mercurio en PlataSólido Sólido Sólido Plata en Oro

Tabla: Clasificación de soluciones.

El solvente o disolvente es el componente considerado como  la sustancia que disuelve al otro componente o soluto. Esta distinción, aunque arbitraria, es bastante útil.  Cuando ambos son líquidos, y uno de ellos es mucho más abundante que el otro, se le llama disolvente al más abundante: en el vinagre, el agua es el  disolvente y el ácido acético, el soluto; en un ácido acético ligeramente contaminado con agua, la situación es inversa.  Pero en  ocasiones, la denominación de soluto y solvente se realiza simplemente  adjudicando el primer nombre a aquella sustancia que nos interesa más desde el punto de vista químico; así, en las soluciones concentradas de ácido sulfúrico (tienen 98 g de ácido por cada 2 g de agua) se llama convencionalmente soluto al ácido sulfúrico.

Una solución que contiene agua como solvente se llama solución acuosa.

En una solución, a diferencia de una mezcla, la sustancia se disuelve en el medio líquido en partículas pequeñísimas, que no se pueden ver. Por eso al desaparecer una sustancia en otra, se dice que se disuelve.

Si se trata de un sólido iónico, al entrar en solución, se separan los iones y viajan por el líquido.

De acuerdo a la cantidad de soluto disuelto en cierta cantidad de solvente, las soluciones pueden denominarse:

a) Diluida: es aquella que contiene solamente una  pequeña  cantidad de soluto (o solutos) en relación a la cantidad de disolvente.

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b) Concentrada: es aquella que contiene una gran proporción de soluto. Estos términos son tan imprecisos como las palabras  "grande"  o "pequeño", en realidad, estos términos serán usados de acuerdo a  la máxima cantidad de soluto que puede disolverse -en esas condiciones- en esa cantidad de solvente (que obviamente cambia de acuerdo a  las sustancias consideradas).

c) Saturada: precisamente, aquellas soluciones que contienen la  máxima cantidad de soluto posible disuelta en cierta cantidad de solvente, se denominan saturadas. La concentración de  soluto  en  esas soluciones se denomina solubilidad; esta cantidad varía, en general, con la temperatura.

d) Sobresaturada: en ocasiones, un solvente disuelve mayor  cantidad de soluto que la que es posible a esa temperatura (mayor que la  solubilidad); ese tipo de soluciones se  denomina  sobresaturada.  Una solución de este tipo no representa una situación estable  y  finalmente deriva en la solución saturada correspondiente y un exceso  de soluto sin disolver.

Si se analiza una muestra de alguna solución puede apreciarse que en cualquier parte de ella su composición es constante.Entonces, reiterando, llamaremos solución  o disolución a las mezclas  homogéneas que se encuentran en  fase líquida. Es decir,  las mezclas homogéneas que se presentan en fase sólida,  como las aleaciones (acero, bronce, latón) o las que se hallan en fase gaseosa (aire, humo, etc.) no se les conoce como disoluciones. 

Las mezclas de gases, tales como la atmósfera, a veces también se consideran como soluciones.

Las soluciones son distintas de los coloides y de las suspensiones en que las partículas del soluto son de tamaño molecular y están dispersas uniformemente entre las moléculas del solvente.

Las sales, los ácidos, y las bases se ionizan cuando se disuelven en el agua

Características de las soluciones (o disoluciones): 

I) Sus componentes no pueden separarse por métodos físicos simples como decantación, filtración, centrifugación, etc. 

II) Sus componentes sólo pueden separase por destilación, cristalización, cromatografía. 

III) Los componentes de una solución son soluto y solvente. 

   

Modo de expresar las concentraciones

Ya sabemos que la concentración de las soluciones es la cantidad de soluto contenido en una cantidad determinada de solvente o solución. También debemos aclarar que los términos diluidos o concentrados expresan concentraciones relativas.

Unidades físicas de concentración

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Las unidades físicas de concentración están expresadas en función del peso y del volumen, en forma porcentual, y son las siguientes:

a) Porcentaje en masa a masa (%m/m): es la relación de la masa del soluto en la masa de la disolución multiplicado por 100%

%m/m =    masa de soluto                    x 100                                  masa de soluto + masa del disolvente

b) Porcentaje volumen a volumen (% v/v):  se refiere al volumen de soluto por cada 100 unidades de volumen de la solución.

% v/v =                        Volumen (ml) de soluto                    x 100                                Volumen (ml) del disolventeSe recomienda en soluciones cuyos componentes sean líquidos.

c) Porcentaje masa a volumen (% m/v): indica el número de gramos de soluto que hay en cada 100 ml de solución.

% m/v =                        masa de soluto                    x 100                        Volumen (ml) del disolvente

Los gramos por litro indican la masa de soluto, expresada en gramos, contenida en un determinado volumen de disolución, expresado en litros. Así, una disolución de cloruro de sodio con una concentración de 40 g/l contiene 40 g de cloruro de sodio en un litro de disolución.

Veamos cómo se resuelve el siguiente problema:

1. Se sabe que el porcentaje en masa del yoduro de potasio KI en una disolución es del 2%. ¿Qué cantidad de KI estará disuelta en 25 g de disolución?

Lo primero que debemos hacer es identificar los diferentes elementos de la solución

Soluto →KI

Solvente → H2O

Solución → KI al 2%

Cuando en un problema no se mencione quien es el solvente se puede asumir que es el H2O.Ahora procedemos a calcular los gramos de KI despejando de la formula %m/m.

Porcentaje en masa =    masa de soluto                    x 100                                  masa de soluto + masa del disolvente

Despejando:Masa (g) soluto = (masa de soluto + masa del disolvente X %m/m) / 100

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Remplazamos valores

Masa (g) soluto = (25 g X 2) / 100

Masa (g) soluto = 0.5 g de yoduro de potasio.

2. Se tiene un litro de solución al 37%. ¿Cuántos litros de agua se tienen que agregar para que quede al 4%?

Resolvamos:

El problema no indica las unidades físicas de concentración. Se supondrá que están expresadas en % P/V.

Datos que conocemos: V = volumen,  C= concentración

V1  = 1 litro

C1  =  37% 

 37%  P/V = significa que hay 37 gramos de soluto en 100 ml de solución (solución = soluto + solvente).

C2  = 4%

V2 =  ¿?

Regla para calcular disoluciones o concentraciones

V1 • C1    =    V2 •  C2

Puede expresarse en:   % P/V

Reemplazando los datos que se tienen del problema, se obtiene: 

  1 litro x 37%  = V2 x 4%

V2 = 1 litro x 37%  ___________ = 9.25 litros

4%

Entonces, si tenemos un litro de solución al 37%; para obtener una solución al 4% es necesario tener un volumen de 9,25 litros; por lo tanto, para saber cuantos litros de agua hay que agregar al litro inicial, hacemos:

V2  –   V1  = Volumen de agua agregado

9,25   –  1   =  8,25 litros

Respuesta:   Se deben agregar 8,25 litros de agua.

Actividad

1. ¿Cuál sería el porcentaje en masa de una disolución que se ha preparado disolviendo 30 g de cloruro sódico en 250 g de agua?

2. Preparamos una disolución con 30 g de cloruro potásico KCl y 750 mL de agua. Calcula la concentración de dicha disolución expresada en porcentaje en masa.

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 Sol: a) 10,71 % b) 3,85 %

3. Se prepara una disolución formada por 50 g de nitrato sódico, 100 g de cloruro potásico y 250 mL de agua. Calcula el porcentaje en masa de cada uno de los componentes. Sol:12,5 % , 25 % y 62,5 %

4. Para sazonar un caldo de pescado se deben añadir 16 g de sal a 2 litros de caldo.

a. ¿Cuál es la concentración de sal (en g/l) en el caldo?

b. Si cogemos 150 ml de caldo ¿cuál será su concentración? ¿Qué cantidad de sal contendrán esos 150 ml?

5. En una bebida alcohólica leemos: 13,5 %vol. a) ¿Qué significa ese número? b) Si la botella contiene 700 ml de la bebida ¿Qué volumen de alcohol contiene?

6. En un vaso se han puesto 250 g de alcohol junto con 2 g de yodo, que se disuelven completamente.

a) Calcular la concentración de la disolución en % en masa.

b) ¿Cuántos gramos de disolución habrá que coger para que al evaporarse el alcohol queden 0,5 g de yodo sólido?

c) Si tomamos 50 g de disolución y dejamos evaporar el alcohol. ¿Cuántos gramos de yodo quedan?

7. Queremos preparar 250 cm3 de disolución de sal en agua, con una concentración de 5 g/l. ¿Qué cantidad de sal debemos disolver en agua?

Actividad

1. ¿Cuántos gramos de solución al 15 % m/m de NaCl se necesita para extraer 39 g de NaCl?a. 38.4 g b. 260 g c. 325 g d. 145 g e. 25 g2. ¿Cuántos gramos de agua deberán usarse para disolver 150 g de NaCl para producir una solución al 20% m/m?a. 600 g de H2O b. 750 g de H2O c. 13.3 g de H2O d. 10.66 g de H2Oe. Ninguna de las anteriores3. ¿Cuántos gramos de Ca(NO3)2 están contenidos en 175 mL de solución al 18.5 %m/v? a. 105 g b. 323.7 g c. 39.8 g d. 10.5 g e. 32.3 g

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4. ¿Cuántos mL de acetona se debe agregar a 250 mL de agua para que la solución resulte al 15 % v/v?a. 60.5 mL b. 27.7 mL c. 37.5 mL d. 2.77 mLe. falta datos para resolver el problema.5. Calcular el % m/m de una solución que contiene 10.8 g de NaNO3 en 400 g de agua.a. 40 % p/p b. 2.62 % p/p c. 2.7 % p/p d. 27% p/p e. 26.2 % p/p6. Se mezclan 25 mL de propanol con 55 mL de CCl4. calcular el % v/va. 4.45 % v/v b. 31.25 % v/v c. 45.45 % v/v d. 20% v/ve. Ninguna de las anteriores7. Se disponen de 0.05 L de etanol. Calcular el volumen de solución al 30 % v/v.a. 16.6 mL b. 60 mL c. 0.166 mL d. 166.6 mL e. Ninguna de las anteriores8. Se disuelven 7 g de CuSO4 en 53 g de agua. Calcular la concentración en %m/ma. 85.7 % m/m b. 4.2 % m/m c. 11.6 % m/m d. 13.20 % m/m8. La concentración de una disolución de sal en agua es de 3 g/l. Calcula la cantidad de sal que podremos obtener a partir de 500 ml de dicha disolución.

9. Calcula la concentración en % en masa de una disolución formada al disolver 20 gramos de azúcar en 280 ml de agua.

LOS ESTADOS DE LA MATERIA

Iniciaremos esta parte planteando interrogantes que en el transcurso del desarrollo del tema serán contestadas.a) ¿Conoce los distintos estados de agregación y cómo se

verifican los cambios de estado?

b) Qué es el ciclo del agua?

El agua existe en la Tierra en tres estados: sólido (hielo, nieve), líquido y gas (vapor de agua). Océanos, ríos, nubes y lluvia están en constante cambio: el agua de la superficie se evapora, el agua de las nubes precipita, la lluvia se filtra por la tierra, etc. Sin embargo, la cantidad total de agua en el planeta no cambia. La circulación y conservación de agua en la Tierra se llama ciclo hidrológico, o ciclo del agua.

ESTADO SÓLIDOLos sólidos se caracterizan por tener forma y volumen constantes. Esto se debe a que las partículas que los forman están unidas por unas fuerzas de atracción grandes de modo que ocupan

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posiciones casi fijas.En el estado sólido las partículas solamente pueden moverse vibrando u oscilando alrededor de posiciones fijas, pero no pueden moverse trasladándose libremente a lo largo del sólido.Las partículas en el estado sólido propiamente dicho, se disponen de forma ordenada, con una regularidad espacial geométrica, que da lugar a diversas estructuras cristalinas.

ESTADO LÍQUIDO

Las partículas están muy próximas, moviéndose con libertad y de forma desordenada. A medida que calentamos el líquido, las partículas se mueven más rápido y la temperatura aumenta. En la superficie del líquido se da el proceso de vaporización, algunas partículas tienen la suficiente energía para escapar. Si la temperatura aumenta, el número de partículas que se escapan es mayor, es decir, el líquido se evapora más rápidamente.

    En el interior del líquido, todas las moléculas están rodeadas por otras moléculas de líquido que la atraen, como todas las fuerzas de atracción son iguales, es como si no se ejerciera ninguna fuerza sobre ella, por lo que puede moverse libremente. En la superficie, las moléculas sólo están rodeadas por el interior del líquido y por su superficie, así que hay una fuerza neta sobre ellas que se manifiesta en la tensión superficial, la fuerza mantiene unida la superficie del líquido y hace que ésta se comporte como una lámina que hay que romper para penetrar en el líquido. Debido a la fortaleza de la tensión superficial, entrar en el seno del líquido cuesta algún trabajo y algunos insectos pequeños pueden moverse por la superficie del líquido sin hundirse en él. Es el caso del zapatero, una chinche acuática muy común en los estanques y aguas tranquilas de Europa.

Cuando la temperatura del líquido alcanza el punto de ebullición, la velocidad con que se mueven las partículas es tan alta que el proceso de vaporización, además de darse en la superficie, se produce en cualquier punto del interior, formándose las típicas burbujas de vapor de agua, que suben a la superficie. En este punto la energía comunicada por la llama se invierte en lanzar a las partículas al estado gaseoso, y la temperatura del líquido no cambia (100ºC).

ESTADO GASEOSO

No tienen forma propia, sus moléculas tienen mucha movilidad y lo hacen en espacios muy grandes con respecto a su propio volumen, poseen fuerza

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expansiva, no tienen superficie libre, son fácilmente compresibles, predominan entre sus moléculas las fuerzas de repulsión.

En un gas, las fuerzas intermoleculares son muy débiles, por lo que las moléculas del gas no se unen unas a otras, sino que se encuentran separadas, moviéndose al azar. Por esto, un gas no tiene una forma ni un volumen fijo, adoptan la forma del recipiente que los contiene y ocupan todo su volumen.

    Si el gas se encierra en un recipiente que tenga una pared móvil, como una jeringuilla, al tapar su extremo abierto con el dedo y empujar su émbolo haremos disminuir el volumen del aire que contiene. Si soltamos el émbolo veremos como vuelve a su posición inicial, empujado por el aire de la jeringuilla. Otro tanto ocurre si desplazamos el émbolo aumentando el volumen del aire, al soltarlo vuelve a su posición inicial. En el primer caso, el aire que ocupa la jeringuilla ejerce una fuerza sobre el émbolo, la presión, que es mayor que la del aire que hay fuera de la jeringuilla, ambos empujan al émbolo, pero gana el aire del interior de la jeringuilla. En el segundo caso ocurre lo contrario, la presión del aire de fuera es mayor que la del aire que contiene la jeringuilla y es la que gana en el empuje del émbolo.

Actividad

Sumerge un tubo "vacío" o un vaso con la boca hacia abajo en un recipiente con agua. El agua no puede entrar porque el tubo está lleno de aire, y el aire ocupa su propio volumen (para que el agua pudiera entrar en el tubo tendríamos que abrir una salida al aire en la parte superior).

Plasma

Gas ionizado en que los átomos se encuentran disociados en electrones e iones positivos cuyo movimiento es libre. La mayor parte del universo está formado por plasma.

El plasma es un estado que nos rodea, aunque lo experimentamos de forma indirecta. El plasma es un gas ionizado, esto quiere decir que es una especie de gas donde los átomos o moléculas que lo componen han perdido parte de sus electrones o todos ellos. Así, el plasma es un estado parecido al gas, pero compuesto por electrones, cationes (iones con carga positiva) y neutrones. En muchos casos, el estado de plasma se genera por combustión.

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El Sol situado en el centro de nuestro sistema solar está en estado de plasma, no es sólido, y los conocidos tubos fluorescentes contienen plasma en su interior (vapor de mercurio). Las luces de neón y las luces urbanas usan un principio similar. La ionosfera, que rodea la tierra a 80 km de la superficie terrestre, se encuentra también en estado de plasma. El viento solar, responsable de las deliciosas auroras boreales, también es un plasma. El fuego es plasma.

Los átomos normalmente están en estado neutro: la carga positiva del núcleo es igual a la carga negativa de los electrones. La agitación de un gas aumenta cuando absorbe calor; si el calor absorbido es suficiente, los electrones de los átomos son arrancados y la materia queda ionizada, diciéndose que está en estado de plasma.

Es plasma todo gas incandescente formado por átomos (a veces moléculas) convertidos en iones positivos y negativos, y todo en continua agitación. Dentro de ese gas pueden quedar también algunos átomos y moléculas sin ionizar (partículas neutras). Ejemplos de gases en estado de plasma son: algunas zonas de las llamas o flamas, el gas de los tubos fluorescentes, las luces de neón y el aire que se encuentra en el recorrido de un rayo. La materia que forma las estrellas y nuestro sol también se encuentra en estado de plasma.

Al plasma se le llama a veces el cuarto estado de la materia, además de los tres clásicos, sólido, líquido y gas. Es un estado en el que los átomos se han roto, y este queda formado por iones o átomos que han perdido electrones y que están moviéndose libremente.

Importante plasma en la naturaleza es la ionosfera, que está a 70-80 km por encima de la tierra). Aquí los electrones son expulsados de los átomos por la luz solar de corta longitud de onda, desde la ultravioleta hasta los rayos X.

PROPIEDADES DE LA MATERIA

Iniciaremos esta parte planteando interrogantes que en el transcurso del desarrollo del tema serán contestadas.c) ¿Conoce las propiedades fundamentales de la materia: volumen y masa,

así como las unidades en que se miden?d) ¿Comprende el concepto de densidad y en qué unidades se expresa?

e) ¿Relaciona la gravedad con la masa de los cuerpos y conoces algunos de los efectos de la gravitación?

Existe algo que nos permite identificar y distinguir un objeto de otro, lo cual recibe el nombre de propiedad. Esto es que, una propiedad es una característica o atributo de un objeto o una sustancia que permite clasificarla como igual o distinta a otra; en otras palabras, una propiedad es una cualidad que puede ser apreciada por los sentidos, por ejemplo el color, la dureza, el peso, etc.

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Esta es una propiedad general de la materia: la materia ocupa volumen.Otra propiedad esencial es que la materia tiene masa, lo que comprobamos cada vez que pesamos distintos objetos con una balanza.

Existen propiedades que son comunes a todos los tipos de materia, las cuales reciben el nombre de propiedades generales, como por ejemplo la masa y el volumen; así mismo, existe otro grupo de propiedades que permiten diferenciar a una clase de materia de otra, las cuales se conocen como propiedades específicas, tales como el sabor, olor.

Las propiedades de la materia se clasifican de diversas maneras: en generales y específicas, en extensivas e intensivas y en físicas y químicas. Las propiedades generales dependen de la cantidad de materia del objeto o cosa en estudio, como por ejemplo su peso y volumen; y las propiedades específicas dependen de la clase o tipo de materia del objeto de que se trate, como por ejemplo su dureza y densidad.

Mas propiedades generales de la materia son el peso, volumen, forma, tamaño, inercia, impenetrabilidad y divisibilidad; y entre otras propiedades específicas están: color, sabor, olor, dureza y conductividad.

Propiedades generales de la materia:

Volumen

Se relaciona con el espacio que ocupa un sistema material, sea sólido, líquido o gas.

La unidad de volumen en el Sistema Internacional es el metro cúbico (m3), aunque en el caso de fluidos suele emplearse el litro. Las equivalencias entre estas unidades son:

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1 dm3 = 1 litro = 10-3 m3

La medida de volúmenes es una técnica habitual en los laboratorios. A continuación estudiaremos la medida de volúmenes de sólidos, líquidos y gases.

En la medida de volúmenes de sólidos, recordar que tienen tanto forma como volumen propios y distinguiremos entre:

Sólidos con forma geométrica regular ( esferas, cilindros, prismas, etc): En estos casos recurriremos a las fórmulas matemáticas conocidas para el cálculo de volúmenes.

¿Cómo calcularía el volumen de un trozo de hierro de forma cúbica?.

Como se trata de un cubo, medimos la longitud de la arista y aplicamos la expresión correspondiente al volumen del cubo. Recuerde que V= a3.

Sólidos irregulares: Usaremos el método de inmersión, que consiste en tomar un determinado volumen conocido en una probeta. Introducimos el sólido irregular en la probeta con precaución y calculamos el volumen del sólido por diferencia.

Actividad

a) Explique cómo determinaría el volumen de un fragmento de piedra de forma irregular.

b) ¿Cómo resolvería el problema del cálculo del volumen de un sólido irregular que fuese soluble en agua?.

CAMBIOS DE ESTADO DE LA MATERIA.

Cuando un cuerpo, por acción del calor o del frío pasa de un estado a otro, decimos que ha cambiado de estado. En el caso del agua: cuando hace calor, el hielo se derrite y si calentamos agua líquida vemos que se evapora. El resto de las sustancias también puede cambiar de estado si se modifican las condiciones en que se encuentran. Además de la temperatura, también la presión influye en el estado en que se encuentran las sustancias.Si se calienta un sólido, llega un momento en que se transforma en líquido. Este proceso recibe el nombre de fusión. El punto de fusión es la temperatura que debe alcanzar una sustancia sólida para fundirse. Cada

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sustancia posee un punto de fusión característico. Por ejemplo, el punto de fusión del agua pura es 0 °C a la presión atmosférica normal.Si calentamos un líquido, se transforma en gas. Este proceso recibe el nombre de vaporización. Cuando la vaporización tiene lugar en toda la masa de líquido, formándose burbujas de vapor en su interior, se denomina ebullición. También la temperatura de ebullición es característica de cada sustancia y se denomina punto de ebullición. El punto de ebullición del agua es 100 °C a la presión atmosférica normal.

Los cambios de estado son cambios físicos ya que cambia el estado físico de la sustancia. Mientras dura el cambio de estado la temperatura permanece constante.Fusión: pasaje de estado sólido a estado líquido. Por ejemplo el hielo (agua sólida).Solidificación: pasaje de estado líquido a estado sólido.Vaporización: pasaje de estado líquido a estado de vapor. Por ejemplo el agua líquida, cloroformo, éter.Condensación: pasaje de estado de vapor a estado líquido.Gasificación: pasaje de estado líquido a estado gaseoso. Por ejemplo el metano líquido.Licuación: pasaje de estado gaseoso a estado líquido.Volatilización: pasaje de estado sólido a estado vapor. Por ejemplo el dióxido de carbono sólido (CO2) o hielo seco, la naftalina y el iodo.Sublimación: pasaje de estado vapor a estado sólido.

CALOR Y TEMPERATURA

En el lenguaje cotidiano solemos confundir los términos calor y temperatura. Así, cuando hablamos del calor que hace en el verano o lo mal que saben los refrescos calientes, realmente nos referimos a la temperatura, a la mayor o menor temperatura del aire o los refrescos. La temperatura es una magnitud física que nos permite definir el estado de una sustancia, lo mismo que cuando decimos que un coche circula a 90 km/h o que una casa tiene 5 m de alto.

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Sólido

Fusión Liquido

Solidificación

Sólido Volatilización

Gas Sublimación

Sólido Volatilización

Vapor Sublimación

Liquido Gasificación

Gas Licuación

Liquido Vaporización

Vapor Condensación

Cuando se ponen en contacto dos sustancias a distinta temperatura, evolucionan de forma que el cuerpo a mayor temperatura la disminuye y el que tenía menor temperatura la aumenta hasta que al final los dos tienen la misma temperatura, igual que al echar un cubito de hielo a un refresco, que el refresco se enfría y el cubito de hielo se calienta y termina convirtiéndose en agua. Decimos que la sustancia a mayor temperatura ha cedido calor a la sustancia que tenía menor temperatura.   

Sin embargo, el calor no es algo que esté almacenado en el cuerpo más caliente y que pasa al cuerpo más frío. Tanto uno como otro poseen energía, que depende de la masa del cuerpo, de su temperatura, de su ubicación, etc. y recibe el nombre de energía interna. Cuando esta energía interna pasa de una sustancia a otra a causa de la diferencia de temperatura entre ellas la llamamos calor.

PUNTO DE EBULLICIÓN

Si ponemos al fuego un recipiente con agua, como el fuego está a mayor temperatura que el agua, le cede calor y la temperatura del agua va aumentando, lo que podemos comprobar si ponemos un termómetro en el agua. Cuando el agua llega a 100 ºC, empieza a hervir, convirtiéndose en vapor de agua, y deja de aumentar su temperatura, pese a que el fuego sigue suministrándole calor: al pasar de agua a vapor de agua todo el calor se usa en cambiar de líquido a gas, sin variar la temperatura.

    La temperatura a la que una sustancia cambia de líquido a gas se llama punto de ebullición y es una propiedad característica de cada sustancia, así, el punto de ebullición del agua es de 100 ºC, el del alcohol de 78 ºC y el hierro hierve a 2750 ºC.

PUNTO DE FUSIÓN

    Si sacas unos cubitos de hielo del congelador y los colocas en un vaso con un termómetro verás que toman calor del aire de la cocina y aumentan su temperatura. En un principio su temperatura estará cercana a -20 ºC (depende del tipo de congelador) y ascenderá rápidamente hasta 0 ºC, se empezará a formar agua líquida y la temperatura que permanecerá constante hasta que todo el hielo desaparezca.

    Igual que en el punto de ebullición, se produce un cambio de estado, el agua pasa del estado sólido (hielo) al estado líquido (agua) y todo el calor se invierte en ese cambio de estado, no variando la temperatura, que recibe el nombre de punto de fusión. SE trata de una temperatura característica de cada sustancia:

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el punto de fusión del agua es de 0 ºC, el alcohol funde a -117 ºC y el hierro a 1539 ºC.

DENSIDAD

Por qué el hielo flota?

La estructura del hielo, forma un retículo que ocupa más espacio y es menos denso que el agua líquida. Cuando el agua se enfría, se contrae su volumen, como sucede en todos los cuerpos, pero al alcanzar los 4ºC cesa la contracción y su estructura se dilata hasta transformarse en hielo en el punto de congelación.

Por eso el hielo es menos denso que el agua y flota sobre ella.

¿Qué significa que el hielo es menos denso que el agua en estado líquido?

La densidad se define como el cociente entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa.

La mayoría de las sustancias tienen densidades similares a las del agua por lo que, de usar esta unidad, se estarían usando siempre números muy grandes. Para evitarlo, se suele emplear otra unidad de medida el gramo por centímetro cúbico (gr./c.c.), de esta forma la densidad del agua será:

La densidad de un cuerpo está relacionada con su flotabilidad, una sustancia flotará sobre otra si su densidad es menor. Por eso la madera flota sobre el agua y el plomo se hunde en ella, porque el plomo posee mayor densidad que el agua mientras que la densidad de la madera es menor, pero ambas sustancias se hundirán en la gasolina, de densidad más baja.

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Sustancia Densidad en g/c.c.

Agua 1

Aceite 0,92

Gasolina 0,68

Plomo 11,3

Acero 7,8

Mercurio 13,6

Madera 0,9

Aire 0,0013

Butano 0,026

Dióxido de carbono

0,018

La masa y el volumen son propiedades generales o extensivas de la materia, es decir son comunes a todos los cuerpos materiales y además dependen de la cantidad o extensión del cuerpo. En cambio la densidad es una propiedad específica, ya que nos permite identificar distintas sustancias. Por ejemplo, muestras de cobre de diferentes pesos 1,00 g, 10,5 g, 264 g, todas tienen la misma densidad, 8,96 g/cm3.

 Cálculo de la densidad

Para hallar la densidad, utilizaremos la relación:

d = m De esta fórmula se obtienen otras dos m = d x V, V = m

V d

En la fórmula dela densidad, la densidad es una cantidad inversamente proporcional, es decir, si aumenta el volumen la densidad disminuye, por el contrario, si el volumen disminuye la densidad aumenta, siempre y cuando se mantenga constante la masa.

En el anexo encontrará un formulario para calcular volúmenes.

1. ¿Cuál es la densidad de un material, si 30 cm cúbicos tiene una masa de 600 gr?

Solución:De los datos del problema sabemos que:

m = 600 gr. V = 30 cm3

Entonces reemplazando en la fórmula:

d = m / v

d = 600 gr / 30 cm3

d = 20 gr / cm3

2. La densidad del agua es 1.0 g/cm cúbico, ¿Qué volumen ocupará una masa de 3000 gr?Solución:Según los datos del problema:

d = 1 g / cm3

m = 3000 grReemplazando en la fórmula para calcular el volumen:

V = m

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d

V = 3000 gr / 1  gr /  cm3

V = 3000 cm3

3. Un trozo de material tiene un volumen de 2 cm cúbicos si su densidad es igual 2.7 gr / cm cúbico ¿Cuál es su masa?

Solución:Según los datos del problema:

d = 2,7 gr / cm V = 2 cm3

De la fórmula para calcular masa:

m = d x V

m = 2,7 gr / cm3 x 2 cm3

m = 5,4 gr

Actividad

1. Si le pidieran calcular en el laboratorio la densidad de un trozo de metal (de forma irregular), sin deformarlo, ¿qué tendría que hacer?.

2. Si tuviera que hallar la densidad de un líquido en el laboratorio, ¿cómo podríamos hacerlo?

3. Calcula la densidad de una esfera de 10 cm de radio y masa 900 g.4. Calcular la densidad de un cilindro de 20 cm de altura y 5 cm de radio de

base y cuya masa es de 1200 g.5. ¿Cuál es la densidad de un material si tiene una masa de 12 libras y un

volumen de 6 m cúbicos?6. Un trozo de oro tiene un volumen de 1 cm cúbico, si la densidad del oro es

19.30 gr/cm cúbico. ¿Cuál es su masa?7. . La densidad del Cobre es 8.9 g/cm cúbico ¿Qué volumen ocupará una

masa de 500 gr? Respuesta: V = 56,179 cm3

Actividad

1. ¿Cómo se llama el paso directo del estado sólido al gaseoso?.a) ebullición. b) evaporación. c) sublimación.

2. ¿Cómo se llama el paso de líquido a sólido?

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a) Condensaciónb) Sublimaciónc) Solidificación

ANEXOS

La medida de la temperatura, escalas termométricas

A partir de la sensación fisiológica, es posible hacerse una idea aproximada de la temperatura a la que se encuentra un objeto. Pero esa apreciación directa está limitada por diferentes factores; así el intervalo de temperaturas a lo largo del cual esto es posible es pequeño; además, para una misma temperatura la sensación correspondiente puede variar según se haya estado previamente en contacto con otros cuerpos más calientes o más fríos y, por si fuera poco, no es posible expresar con precisión en forma de cantidad los resultados de este tipo

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de apreciaciones subjetivas. Por ello para medir temperaturas se recurre a los termómetros.

Escalas termométricas

En todo cuerpo material la variación de la temperatura va acompañada de la correspondiente variación de otras propiedades medibles, de modo que a cada valor de aquélla le corresponde un solo valor de ésta. Tal es el caso de la longitud de una varilla metálica, de la resistencia eléctrica de un metal, de la presión de un gas, del volumen de un líquido, etc. Estas magnitudes cuya variación está ligada a la de la temperatura se denominan propiedades termométricas, porque pueden ser empleadas en la construcción de termómetros.

Para definir una escala de temperaturas es necesario elegir una propiedad termométrica que reúna las siguientes condiciones:

a. La expresión matemática de la relación entre la propiedad y la temperatura debe ser conocida.

b. La propiedad termométrica debe ser lo bastante sensible a las variaciones de temperatura como para poder detectar, con una precisión aceptable, pequeños cambios térmicos.

c. El rango de temperatura accesible debe ser suficientemente grande.

Escala Celsius

Una vez que la propiedad termométrica ha sido elegida, la elaboración de una escala termométrica o de temperaturas lleva consigo, al menos, dos operaciones; por una parte, la determinación de los puntos fijos o temperaturas de referencia que permanecen constantes en la naturaleza y, por otra, la división del intervalo de temperaturas correspondiente a tales puntos fijos en unidades o grados.

El científico sueco Anders Celsius (1701-1744) construyó por primera vez la escala termométrica que lleva su nombre. Eligió como puntos fijos el de fusión del hielo y el de ebullición del agua, tras advertir que las temperaturas a las que se verificaban tales cambios de estado eran constantes a la presión atmosférica. Asignó al primero el valor 0 y al segundo el valor 100, con lo cual fijó el valor del grado centígrado o grado Celsius (ºC) como la centésima parte del intervalo de temperatura comprendido entre esos dos puntos fijos. Para expresar la temperatura Farenheit en Celsius o Centígrada, se aplica la siguiente fórmula:

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t(oC) = 0.56 * ( t(oF) – 32 )

Escala Fahrenheit

En los países anglosajones se pueden encontrar aún termómetros graduados en grado Fahrenheit (ºF). La escala Fahrenheit difiere de la Celsius tanto en los valores asignados a los puntos fijos, como en el tamaño de los grados. Así al primer punto fijo se le atribuye el valor 32 y al segundo el valor 212. Para pasar de una a otra escala es preciso emplear la ecuación:

t(ºF) = 1.8 * t(ºC) + 32

donde t(ºF) representa la temperatura expresada en grados Fahrenheit y t(ºC) la expresada en grados Celsius o centígrados.

Escala Kelvin

La escala de temperaturas adoptada por el SI es la llamada escala absoluta o Kelvin. En ella el tamaño de los grados es el mismo que en la Celsius, pero el cero de la escala se fija en el - 273,16 ºC. Este punto llamado cero absoluto de temperaturas es tal que a dicha temperatura desaparece la agitación molecular, por lo que, según el significado que la teoría cinética atribuye a la magnitud temperatura, no tiene sentido hablar de valores inferiores a él. El cero absoluto constituye un límite inferior natural de temperaturas, lo que hace que en la escala Kelvin no existan temperaturas bajo cero (negativas). La relación con la escala centígrada viene dada por la ecuación:

T(K) = t(ºC) + 273.16siendo T(K) la temperatura expresada en grados Kelvin o simplemente en Kelvin.

Se utiliza el mercurio para construir termómetros porque es un metal que es líquido entre -20 ºC y 100ºC y porque se dilata mucho. Encerramos el metal dentro de un tubo fino (capilar) para que al dilatarse un poco avance mucho por el tubo (cuanto más fino sea el tubo más centímetros avanza). Midiendo longitudes de la columna podemos establecer una relación entre la dilatación y el nivel de agitación de la sustancia a medir.

¡Medimos la temperatura midiendo una longitud!

Volumen

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