Exercicis dels estats de la matèria — Física i Química 2n ESO
Per què el gel es fon, per què s'entelen els vidres del cotxe o per què un globus s'infla al sol? Aquests exercicis responen aquestes preguntes amb el model cineticomolecular, que explica com estan i com es mouen les partícules en un sòlid, un líquid i un gas. Treballes els noms de cada canvi d'estat i interpretes gràfiques d'escalfament, amb els trams plans on la temperatura no puja. Al final apliques el comportament dels gasos en problemes numèrics, com comprimir un gas sense canviar-ne la temperatura. Errors freqüents: dir fusió a qualsevol canvi i pensar que mentre una substància bull la temperatura continua pujant.
Nivell bàsic
Exercici 1
Descriu com estan i com es mouen les partícules d'un sòlid, d'un líquid i d'un gas.
Mostra la solució
Sòlid: partícules molt juntes i ordenades que només vibren al seu lloc. Líquid: partícules juntes però desordenades que poden lliscar unes sobre les altres. Gas: partícules molt separades que es mouen molt de pressa i xoquen entre elles.
Exercici 2
Una substància té forma pròpia i volum fix, i no es pot comprimir. En quin estat és? Justifica-ho amb les partícules.
Mostra la solució
És un sòlid. Té forma pròpia i volum fix perquè les seves partícules estan molt juntes i ordenades i només vibren, sense poder-se moure de lloc. No es pot comprimir perquè no hi ha espai buit entre les partícules per apretar-les.
Exercici 3
Amb la mateixa quantitat de gas i sense canviar la temperatura, què li passa a la pressió si en redueixes el volum a la meitat? I si el dobles?
Mostra la solució
Si redueixes el volum a la meitat, la pressió es fa el doble (menys volum, més pressió). Si dobles el volum, la pressió es fa la meitat (més volum, menys pressió). Pressió i volum van al revés l'una de l'altre.
Exercici 4
Escriu el nom del canvi d'estat que es produeix en cada cas: a) sòlid → líquid; b) líquid → gas; c) gas → líquid; d) líquid → sòlid; e) sòlid → gas directament.
Mostra la solució
a) Fusió.
b) Vaporització (evaporació o ebullició).
c) Condensació.
d) Solidificació.
e) Sublimació.
Exercici 5
Tres substàncies, A, B i C, tenen aquestes propietats a 20 °C. A: forma i volum propis. B: volum propi però agafa la forma del recipient. C: no té ni forma ni volum propis. Indica en quin estat de la matèria es troba cada una.
Mostra la solució
A és un sòlid: forma i volum fixos.
B és un líquid: el volum és fix, però flueix i s'adapta al recipient.
C és un gas: ocupa tot el recipient i pren la seva forma i el seu volum.
Exercici 6
Una taula dona la temperatura de fusió i d'ebullició de tres substàncies: ferro (1538 °C i 2862 °C), etanol (-114 °C i 78 °C) i oxigen (-219 °C i -183 °C). En quin estat és cada una a 25 °C?
Mostra la solució
Es compara 25 °C amb les dues temperatures de canvi d'estat.
Ferro: 25 °C és inferior a 1538 °C, per tant és sòlid.
Etanol: 25 °C està entre -114 °C i 78 °C, per tant és líquid.
Oxigen: 25 °C és superior a -183 °C, per tant és gas.
Exercici 7
Converteix 300 K a graus Celsius, sabent que T(K) = t(°C) + 273.
Mostra la solució
t = T - 273 = 300 - 273 = 27 °C.
Comprovació: 27 + 273 = 300 K.
Exercici 8
Indica, per a cada canvi d'estat de l'aigua, si absorbeix energia o en desprèn: fusió, condensació, solidificació i vaporització.
Mostra la solució
Absorbeixen energia (cal escalfar): fusió i vaporització.
Desprenen energia (es refreda): condensació i solidificació.
Regla: si les partícules s'han de separar, cal donar energia; si s'acosten, n'alliberen.
Exercici 9
La naftalina que es guarda a l'armari va desapareixent sense deixar cap líquid. Quin canvi d'estat ha tingut lloc?
Mostra la solució
És una sublimació: el pas directe de sòlid a gas, sense passar per l'estat líquid.
El canvi invers (gas → sòlid) també es produeix sense estat líquid i es diu sublimació inversa (o deposició).
Exercici 10
Completa amb les paraules adequades (vibren, atracció, separen, lliscar): quan un sòlid es fon, les partícules que només ... al seu lloc guanyen energia, les forces d'... entre elles disminueixen una mica i les partícules poden ... unes sobre les altres, sense que es ... gaire.
Mostra la solució
Frase completa: quan un sòlid es fon, les partícules que només vibren al seu lloc guanyen energia, les forces d'atracció entre elles disminueixen una mica i les partícules poden lliscar unes sobre les altres, sense que es separin gaire.
Nivell intermedi
Exercici 11
Per què un gas ocupa tot el recipient on el poses (per gran que sigui) i un líquid no?
Mostra la solució
En un gas les partícules estan molt separades i es mouen molt de pressa en totes direccions, així que s'escampen fins a ocupar tot l'espai disponible. En un líquid les partícules estan juntes: llisquen i prenen la forma del recipient, però es queden al fons i no s'escampen per tot el volum.
Exercici 12
Al matí, els vidres de dins del cotxe estan entelats amb gotetes d'aigua per dins. El vapor d'aigua de l'aire ha tocat el vidre fred. Quin canvi d'estat ha passat?
Mostra la solució
La condensació. El vapor d'aigua (gas) de dins del cotxe ha tocat el vidre fred, s'ha refredat i ha passat a líquid, formant les gotetes. De gas a líquid és la condensació.
Exercici 13
Escalfem un sòlid des de 20°C. El gràfic d'escalfament té un tram pla a 50°C i un altre tram pla a 115°C. Digues la temperatura de fusió i la d'ebullició d'aquesta substància.
Mostra la solució
Els trams plans són els canvis d'estat. El primer (el més baix) és la fusió: temperatura de fusió = 50°C. El segon (el més alt) és l'ebullició: temperatura d'ebullició = 115°C. Per sota de 50°C és sòlida; entre 50°C i 115°C, líquida; per sobre de 115°C, gas.
Exercici 14
Un gas ocupa 6 L a 2 atm. Si el comprimeixes fins a 3 L sense canviar la temperatura, quina pressió tindrà? Fes servir · = ·.
Mostra la solució
Multiplico el principi: · = 2·6 = 12. Al final ha de valer igual: · = 12, amb = 3 L. Aleshores ·3 = 12, per tant = 4 atm. He reduït el volum a la meitat (de 6 a 3 L) i la pressió s'ha fet el doble (de 2 a 4 atm).
Exercici 15
Per què un esprai o una llauna d'aerosol duen escrit que no els tiris al foc?
Mostra la solució
Perquè a dins hi ha gas en un recipient tancat i rígid (volum fix). Si l'escalfes, les partícules es mouen més de pressa i xoquen més fort contra les parets: la pressió puja molt. Com que el volum no pot créixer, la pressió pot arribar a ser tan alta que la llauna explota.
Exercici 16
Infles un globus i el deixes al sol un dia de calor. Al cap d'una estona s'ha inflat una mica més (fins i tot pot petar). Explica-ho amb les partícules del gas.
Mostra la solució
El sol escalfa l'aire de dins del globus. Les partícules del gas es mouen més de pressa i xoquen més fort contra les parets. Com que el globus pot estirar-se, aquest empenyiment fa que el volum augmenti i el globus s'infli més. Si s'escalfa massa, la pressió pot ser tan gran que el globus peti.
Exercici 17
Explica dues diferències entre l'evaporació i l'ebullició de l'aigua.
Mostra la solució
1) L'evaporació es produeix a qualsevol temperatura, mentre que l'ebullició només a la temperatura d'ebullició (100 °C a nivell del mar).
2) L'evaporació passa només a la superfície del líquid i és lenta; en l'ebullició es formen bombolles de vapor a tot el líquid i és ràpida i tumultuosa.
Per això la roba estesa s'asseca sense que l'aigua arribi a bullir.
Exercici 18
S'escalfa gel a poc a poc i es mesura la temperatura cada pocs minuts: 0 min: -10 °C; 2 min: 0 °C; 6 min: 0 °C; 8 min: 20 °C; 10 min: 60 °C; 12 min: 100 °C; 18 min: 100 °C.
a) Què passa entre els 2 i els 6 minuts?
b) I entre els 12 i els 18 minuts?
c) En quin estat és l'aigua al minut 8?
Mostra la solució
a) La temperatura es manté a 0 °C: és la fusió. El gel es converteix en aigua líquida i l'energia s'usa per canviar d'estat, no per escalfar.
b) La temperatura es manté a 100 °C: és l'ebullició (vaporització). L'aigua líquida passa a vapor.
c) Al minut 8 (20 °C) tot el gel ja s'ha fos i encara no bull: és aigua líquida.
Exercici 19
Una xeringa tapada conté 30 mL d'aire a 1 atm. Si empenyem l'èmbol fins que la pressió és de 3 atm, sense canviar la temperatura, quin volum ocuparà l'aire?
Mostra la solució
A temperatura constant, un gas compleix la llei de Boyle: P1·V1 = P2·V2.
1 atm · 30 mL = 3 atm · V2, d'on V2 = 30/3 = 10 mL.
Comprovació: la pressió s'ha triplicat i el volum s'ha dividit per 3.
Exercici 20
Quan algú obre un flascó de perfum a un extrem de l'habitació, al cap d'una estona se n'olora a l'altre extrem. Explica-ho amb la teoria cinètica de la matèria.
Mostra la solució
Les partícules del perfum (en estat gas) es mouen contínuament i en totes direccions, i xoquen amb les de l'aire.
Poc a poc s'escampen per tot l'espai disponible fins a arribar a l'altre extrem: aquest fenomen es diu difusió.
S'escampa més de pressa si la temperatura és més alta, perquè les partícules es mouen més de pressa.
Exercici 21
Les vies del tren no són contínues: entre trams hi ha un petit espai. Explica per què, tenint en compte com es comporten les partícules d'un sòlid en escalfar-se.
Mostra la solució
En escalfar-se (per exemple, al sol d'estiu), les partícules del metall vibren més i necessiten una mica més d'espai: el sòlid es dilata.
Els espais deixen lloc perquè els rails s'allarguin sense deformar-se ni trencar-se.
A l'hivern, en refredar-se, es contreuen i l'espai augmenta una mica.
Nivell avançat
Exercici 22
Estàs escalfant aigua i, quan arriba a 100°C, comença a bullir. Segueixes escalfant amb el foc ben fort, però el termòmetre es queda clavat a 100°C una bona estona. Com és que no puja la temperatura si segueixes donant calor?
Mostra la solució
Perquè a 100°C l'aigua està canviant d'estat (vaporització): tota la calor que dones s'usa a convertir el líquid en gas, no a pujar la temperatura. Mentre quedi aigua líquida bullint, el termòmetre es queda a 100°C. Només tornarà a pujar quan tota l'aigua s'hagi convertit en vapor.
Exercici 23
Raona si és cert o fals: «Les partícules de vapor d'aigua a 100 °C es mouen, de mitjana, més de pressa que les d'aigua líquida a 100 °C».
Mostra la solució
Fals.
La temperatura mesura l'agitació mitjana de les partícules: si les dues són a 100 °C, tenen la mateixa energia cinètica mitjana.
El vapor té més energia total perquè durant l'ebullició s'ha aportat energia per separar les partícules (vencent les forces d'atracció), no per fer-les anar més de pressa.
Exercici 24
Un gas a 3 atm ocupa 8 L. Sense canviar la temperatura:
a) Quina serà la pressió si passa a un recipient de 12 L?
b) I si es comprimeix fins a 2 L?
Mostra la solució
Llei de Boyle: P·V = constant = 3 · 8 = 24 atm·L.
a) P = 24/12 = 2 atm (el volum augmenta, la pressió baixa).
b) P = 24/2 = 12 atm (el volum és 4 vegades més petit, la pressió és 4 vegades més gran).
Exercici 25
La taula dona la temperatura de fusió i d'ebullició de quatre substàncies: A (-20 °C; 60 °C), B (30 °C; 200 °C), C (-100 °C; -30 °C) i D (800 °C; 1400 °C). Indica l'estat de cada una a 25 °C, a 100 °C i a -50 °C.
Mostra la solució
Regla: per sota de la fusió és sòlid; entre fusió i ebullició, líquid; per sobre de l'ebullició, gas.
A 25 °C: A líquid; B sòlid; C gas; D sòlid.
A 100 °C: A gas; B líquid; C gas; D sòlid.
A -50 °C: A sòlid; B sòlid; C líquid; D sòlid.
Exercici 26
En un experiment es mesura el volum d'un gas a diferents pressions, a temperatura constant: 1 atm → 12 L; 2 atm → 6 L; 3 atm → 4 L; 4 atm → 3 L. Comprova que compleix la llei de Boyle i prediu el volum a 6 atm i la pressió si el volum fos d'1 L.
Mostra la solució
Es calcula el producte P·V: 1·12 = 12; 2·6 = 12; 3·4 = 12; 4·3 = 12. És constant (12 atm·L), per tant es compleix la llei de Boyle.
A 6 atm: V = 12/6 = 2 L.
Per a V = 1 L: P = 12/1 = 12 atm.
Exercici 27
Una bossa de patates tancada al nivell del mar apareix ben inflada després de pujar amb cotxe a un port de muntanya. Explica per què, parlant de la pressió.
Mostra la solució
L'aire de dins la bossa fa pressió sobre les parets perquè les partícules hi xoquen. Aquesta pressió es compensa amb la pressió de l'aire de fora.
A la muntanya la pressió atmosfèrica és més baixa, de manera que la pressió del gas de dins (que no ha canviat) és més gran que la de fora i empeny les parets.
El gas s'expandeix i la bossa s'infla (en aquest cas, la temperatura es considera constant).
Exercici 28
Corregeix l'afirmació d'un alumne: «Quan l'aigua es congela, les seves partícules deixen de moure's i el gel ja no té energia».
Mostra la solució
És incorrecta.
En el gel, les partícules ocupen posicions fixes i ordenades, però continuen vibrant al seu lloc. Només al zero absolut (0 K = -273 °C) la vibració quedaria pràcticament aturada.
El gel té menys energia que l'aigua líquida, però no zero.
Exercici 29
A dalt d'una muntanya alta, l'aigua bull a menys de 100 °C i els aliments triguen més a cuinar-se. Explica per què.
Mostra la solució
L'aigua bull quan la pressió del seu vapor iguala la pressió exterior. A l'alçada, la pressió atmosfèrica és més baixa, així que la temperatura d'ebullició també és més baixa (per exemple, 95 °C).
L'aigua bullent està menys calenta que a nivell del mar, de manera que cuina més lentament els aliments.
En una olla a pressió passa el contrari: la pressió és més alta i l'aigua bull a més de 100 °C.
Exercici 30
Redacta un paràgraf de quatre o cinc línies que expliqui el cicle de l'aigua en la natura amb els canvis d'estat que hi intervenen: evaporació, condensació i solidificació.
Mostra la solució
Model de resposta: El sol escalfa l'aigua dels mars i dels rius i una part s'evapora (canvi de líquid a gas). El vapor puja, es refreda a l'altura i es condensa (de gas a líquid) formant petites gotes que constitueixen els núvols. Si les gotes cauen com a pluja, tornen a la superfície; si fa molt de fred, l'aigua es solidifica (de líquid a sòlid) i cau com a neu o calamarsa. Després, el gel que es fon (fusió) torna a alimentar rius i mars i el cicle recomença.
T'encalles amb aquest tema?
A L'Acadèmia de Vic t'ajudem amb classes individuals. Escriu-nos per WhatsApp.
Escriu-nos per WhatsApp (604 95 79 95)Més informació: Reforç d'ESO a Vic · Classes particulars
Preguntes freqüents
Per què la temperatura no puja mentre l'aigua bull?
Perquè tota l'energia que rep s'utilitza per separar les partícules i fer el canvi d'estat. Fins que no s'ha evaporat tota, la temperatura es manté.
Què passa amb el volum d'un gas si el comprimeixes a temperatura constant?
Disminueix en la mateixa proporció que augmenta la pressió. Si dobles la pressió, el volum es redueix a la meitat.