En la introducción de los fundamentos científicos de los experimentos del Taller 1 ya se indicó que la materia está formada por partículas (moléculas) entre las que se establecen fuerzas de cohesión. La magnitud de estas fuerzas de cohesión condiciona que la materia se presente como un sólido, un líquido o un gas. También se habló allí del concepto de solubilidad y de la importancia de las fuerzas de cohesión entre moléculas diferentes para que las sustancias sean insolubles o solubles entre sí.

En este taller profundizaremos algo más en las propiedades de la materia, en los procesos de transformación entre  estados de agregación y la importancia de la temperatura. Utilizaremos la Teoría cinético-molecular (TCM) para fundamentar a este comportamiento de la materia

1. Fundamentos científicos

Recordemos que el volumen (V) de un cuerpo o de un objeto es el espacio que ocupa. Su unidad de medida en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es el m³, aunque el litro (L) es también una unidad de medida de volumen muy habitual. Recordemos también que la masa de un cuerpo (m) es una medida de la resistencia al movimiento que este cuerpo tiene cuando se le aplica una fuerza. Es una medida de la cantidad de materia que tiene y su unidad de medida en el SI es el kilogramo (kg)

Una de las magnitudes más características de la materia es la densidad (d). La densidad es la relación entre la masa que tiene un objeto y el volumen que ocupa. Esta definición la podemos también expresar como: densidad = masa/volumen. Si utilizamos las abreviaturas, d, m y V que hemos establecido previamente para densidad, masa y volumen, la relación anterior nos queda como: d=m/V. Por tanto, la unidad en las que se ha de expresar la densidad es kg/m³ o en cualquiera otras unidades equivalentes.

Muchas veces, sobre todo en el ámbito de la educación primaria, el concepto de densidad se liga al concepto de flotabilidad en un líquido. Desde luego la flotabilidad de una sustancia o, en general de un objeto, en otro medio líquido, sea este una sustancia pura o una disolución, está condicionada por la densidad de los dos medios, el objeto y el líquido. El objeto o la materia en cuestión sólo flotará si su densidad es menor que la del medio líquido. Si su densidad fuera mayor, el objeto se hundiría dentro del líquido. La diferencia entre las densidades del objeto y del medio líquido, condicionará el que el objeto se hunda totalmente, parcialmente o flote

Otra de las magnitudes de interés en el estudio y comprensión de las propiedades de la materia es la temperatura (T). La temperatura de una sustancia, como veremos a continuación, es una medida de su energía interna, es decir de la energía de las moléculas que la forman. Hay diferentes escalas para medir la temperatura. Aquí utilizaremos la escala centígrada o escala Celsius.

La Teoría Cinética Molecular

La ciencia utiliza el Método Científico como una herramienta para adquirir conocimiento sobre el comportamiento de la materia. Este método implica la formulación de hipótesis o, de una manera más amplia, teorías, que deben poder ser comprobadas. La teoría científica más simple que permite explicar el comportamiento de la materia en su visión más simple es la Teoría Cinética Molecular. Formulada inicialmente para explicar el comportamiento de los gases, puede ser también adaptada para explicar, en parte, el comportamiento de sólidos y líquidos. En los puntos que siguen se enumeran los postulados de interés en este contexto, es decir, en un contexto en el que simplemente queremos dar una explicación cualitativa al comportamiento de la materia.

• Las partículas que forman la materia, que tienen un volumen y una masa, están en continuo movimiento. Debido a este movimiento, las partículas tienen una energía (energía cinética)
• La cuanto mayor es la temperatura, mayor es la energía del movimiento molecular

Los estados de agregación de la materia

Del primer punto podemos deducir que el estado de agregación que muestran las sustancias a una temperatura dada, depende de cómo sean sus moléculas y de la magnitud de las fuerzas que se establecen entre ellas, tal como se muestra en el siguiente cuadro.

Del segundo punto de la TCM podemos deducir que, al dar calor a un sólido le comunicamos energía, con lo que aumentamos la velocidad del movimiento de sus partículas y, por tanto, se aumenta su temperatura.

Podría darse el caso que, mediante el calentamiento de una sustancia sólida, sus moléculas adquirieran la energía suficiente para superar, en parte, las fuerzas de cohesión  y cambiar de estado de agregación. Lo habitual, a la presión atmosférica (estudiamos la presión atmosférica en el Taller 6) es que al comunicar calor, el sólido pase a líquido y éste a gas.

Al proceso de cambio de sólido a líquido se denomina fusión y la temperatura a la que sucede es la temperatura de fusión o simplemente punto de fusión. El proceso contrario se conoce como solidificación. Al proceso de cambio de líquido a vapor o gas, se denomina vaporización (no confundir con evaporación) y a la temperatura a la que sucede es la temperatura de ebullición o punto de ebullición o de vaporización.  El proceso contrario se conoce como condensación.

Existe también la posibilidad de pasar directamente de estado sólido a gas, sin pasar por el estado líquido. Es el llamado de sublimación. El paso contrario de gas a sólido es la deposición. Ninguno de estos dos procesos es fácil de observar en la materia de uso cotidiano, en las condiciones habituales de trabajo.

Procesos de cambios de estado de agregación en las sustancias pura

Los experimentos que componen este taller  servirán para trabajar todos estos conceptos. Comprobaremos si los hechos experimentales y las predicciones teóricas están de acuerdo o muestran discrepancias.

2. Contenidos del currículum de Ciencias Naturales de Primaria que se trabajan en el Taller

• Observación de algunos fenómenos físicos observables: peso, masa, estado, volumen y relación con su uso.
• Diferentes procedimientos para medir la masa y el volumen de un cuerpo
• Explicación de fenómenos físicos observables en términos de diferencias de densidad. La flotabilidad en un líquido.
• Predicción del cambio en la forma de los cuerpos por efecto de las fuerzas.
• Planificación y realización de experimentos diversos para estudiar las propiedades de los materiales de uso común y su comportamiento frente al calor.

3. Objetivos específicos  que se trabajan en el  Taller  relativos a los contenidos del punto  

Experimento 7. Los gases tienen masa, ocupan un volumen y son compresibles

• Comprobar que los gases también ocupan un volumen
• Comprobar que los gases son más compresibles que los líquidos

Experimento 8. Gases diferentes con propiedades químicas diferentes

• Comprobar que hay gases diversos con diferentes propiedades

Experimento 9. Sólidos y líquidos: masa, volumen, forma y densidad

• Comprobar que, aunque sean poco compresibles, muchos sólidos son dúctiles y maleables
• Medir el volumen de sólidos y líquidos y comprobar que éste no depende de la forma
• Medir la masa de sólidos y líquidos con una balanza
• Calcular la densidad de sólidos y líquidos

Experimento 10. Densidad, miscibilidad y flotabilidad en líquidos

• Observar los cambios de flotabilidad provocados por el cambio en la densidad del medio

 Experimento 11. Experimentando con la temperatura: viendo el movimiento molecular

• Observar el aumento en la difusión de un fluido en otro al aumentar de la temperatura
• Observar la disminución de la densidad de un líquido al aumentar la temperatura

 Experimento 12. Procesos de cambios de estado de agregación

• Observar el cambio de estado líquido a vapor en una sustancia pura. Determinación del punto de ebullición
• Observar el cambio de estado sólido a líquido en una sustancia pura y en una disolución. Determinación del punto de fusión.

4. Seguridad y riesgos

Todos los productos y utensilios que se utilizan en el taller son totalmente inocuos y no hay que tomar precauciones especiales.

Para su realización en el aula o en el laboratorio de ciencias con los alumnos de la etapa de primaria, siempre que recomienda que, en la medida de lo posible se utilice material de plástico, para evitar roturas y cortes. También se recomienda especial vigilancia si hay que utilizar alguna fuente de calor. Dependiendo de la edad de los niños se recomienda que todo este trabajo de manipulación lo haga el maestro.