Lesson 3.1“Liquid Oxygen”

Phase ChangeLesson Guides

Lesson 3.1

© The Regents of the University of California

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© 2018 The Regents of the University of California. All rights reserved. Permission granted to photocopy for classroom use.

Phase Change—Lesson 3.1—Activities 2–3

Reading “Liquid Oxygen”

1. Read and annotate the article “Liquid Oxygen.”

2. Choose and mark annotations to discuss with your partner. Once you have discussed these annotations, mark them as discussed.

3. Now, choose and mark a question or connection, either one you already discussed or a different one you still want to discuss with the class.

4. Answer the reflection question below.

Rate how successful you were at using Active Reading skills by responding to the following statement:

As I read, I paid attention to my own understanding and recorded my thoughts and questions.

 Never

 Almost never

 Sometimes

 Frequently/often

 All the time

Active Reading Guidelines

1. Think carefully about what you read. Pay attention to your own understanding.

2. As you read, annotate the text to make a record of your thinking. Highlight challenging words and add notes to record questions and make connections to your own experience.

3. Examine all visual representations carefully. Consider how they go together with the text.

4. After you read, discuss what you have read with others to help you better understand the text.

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Liquid Oxygen  E1

In your daily life, oxygen is everywhere. It’s in the air all around you, and even inside you, traveling from your lungs to every cell in your body. You probably think of oxygen as a gas, because that’s how you encounter it—but it isn’t always a gas. Oxygen can also exist as a liquid with a beautiful blue color. However, you’ll never see puddles of liquid oxygen on the ground, and you can’t buy a bottle of liquid oxygen at the store. Oxygen is very different from water, the most common liquid on Earth. Scientists can produce liquid oxygen, but it’s not easy. Why is oxygen gas all around us, while liquid oxygen is so rare?

Oxygen is most commonly found in the gas phase, but scientists can make it change phase into a liquid.

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E2 Liquid Oxygen

The Role of Attraction

Liquid oxygen is much harder to find than liquid water because oxygen molecules aren’t strongly attracted to other oxygen molecules. Every substance has a certain level of attraction between its molecules that pulls the molecules toward each other. This molecular attraction is stronger in some substances, like water, than it is in other substances, like oxygen. Molecules in liquids and solids stay close together because of the attraction between molecules. In the gas phase, molecules are able to move away from each other because they have a lot of kinetic energy, but attraction between the molecules still keeps them in the same general area. Different substances have different levels of attraction, but the level of molecular attraction for any one substance is always the same.

Since attraction never changes for a substance, something else has to change before the substance can change phase. You can think of each substance as always being in a game of tug-of-war at the molecular level.

Attraction is always pulling the molecules together, while kinetic energy allows the molecules to move around. Substances change phase when either molecular attraction or kinetic energy wins the tug-of-war—and since each substance’s molecular attraction is always the same, the change must be in the amount of kinetic energy the molecules have. A large increase in kinetic energy can move molecules so fast that they overcome the pull of attraction and move away from each other. The opposite is also true: a large decrease in kinetic energy allows attraction to overcome kinetic energy and pull the molecules toward each other.

For oxygen gas to change to a liquid, the attraction that pulls the oxygen molecules toward each other must overcome the kinetic energy that pulls them away from each other. Because the attraction between oxygen molecules is weak, a great deal of kinetic energy needs to be removed from the molecules (by making the oxygen very cold) before their attraction can pull the molecules toward each other.

Substance A is a gas and Substance B is a liquid. They are at the same temperature. Why is one a gas and one a liquid? Substance A has weaker attraction, and its molecules have enough energy to overcome the attraction between the molecules and fly apart. Substance B has a stronger attraction, and its molecules don’t have enough energy to overcome the attraction between the molecules. Therefore, its molecules stay together.

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Liquid Oxygen  E3

When scientists need liquid oxygen, they can get it by separating oxygen molecules right out of the air. Air is a mixture of nitrogen and oxygen combined with small amounts of other gases like water vapor and carbon dioxide. Since the gases in air have different levels of molecular attraction, scientists can separate them by sending the air through a machine with different tanks that are at different temperatures.

In the first tank, scientists decrease the temperature enough to condense the water into a liquid—that is, they decrease the kinetic energy of the molecules so the attraction between them can pull the molecules together. The liquid water that forms in the first tank is drained away. Then the remaining gases

Using Attraction to Make Liquid Oxygen

Scientists use their knowledge of attraction to produce liquid oxygen. They know they need to allow the weak attraction between oxygen molecules to pull them together. They do this by transferring energy out of the oxygen, lowering the temperature of the oxygen molecules until their kinetic energy is so low that it can’t overcome the attraction between molecules. The temperature required to turn oxygen gas to liquid is far colder than what’s required to turn water vapor to liquid. That’s why oxygen needs to be extremely cold to change phase into a liquid, while water doesn’t need to be very cold at all.

Oxygen is pale blue when it is condensed into a liquid.

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E4 Liquid Oxygen

To produce liquid oxygen from air, scientists use a machine with three tanks. Air goes into the first tank and liquid oxygen comes out of the last tank.

are put into a second tank and cooled below -183°C (-297.4°F). That’s cold enough that the molecules in those gases have very little kinetic energy to push molecules apart. Because of this, the attraction between the molecules pulls them together and condenses the gases into a liquid, just like the water in the first tank. This liquid contains the molecules from the remaining gases in the air, including oxygen. The liquid mixture is then moved into a third tank that is heated up just a little so the nitrogen evaporates—the kinetic energy of the nitrogen becomes too strong for the attraction between molecules, and they escape into a gas. When the nitrogen evaporates, the liquid left behind is mostly oxygen.

Oxygen isn’t the only substance that’s hard to condense because of weak attraction. Hydrogen and methane also have very weak attraction, and so are difficult to condense. Like oxygen, these are substances we tend to think of as only being gases on Earth. However, also like oxygen, they can become liquid if they are cooled enough. Cooling these substances just a little won’t cause them to condense: these gases reach extremely cold temperatures before condensing into liquids. It’s all about the attraction.

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Cambio de fase—Lección 3.1—Actividades 2–3

Leer “Oxígeno líquido”

1. Lee y añade apuntes al artículo “Oxígeno líquido”.

2. Escoge y marca apuntes para discutir con tu compañero/a. Una vez que hayas discutido estos apuntes, marca que los discutieron.

3. Ahora, escoge y marca una pregunta o conexión, ya sea una que ya discutiste o una diferente que todavía quieres discutir con la clase.

4. Contesta la pregunta de reflexión debajo.

Evalúa qué tan exitoso/a fuiste en usar las habilidades de Lectura Activa respondiendo a la siguiente declaración:

Al leer, yo presté atención a mi propia comprensión y apunté mis pensamientos y preguntas.

 Nunca

 Casi nunca

 A veces

 Frecuentemente/a menudo

 Todo el tiempo

Pautas de la Lectura Activa

1. Piensa cuidadosamente sobre lo que lees. Presta atención a tu propia comprensión.

2. Mientras lees, añade apuntes al texto para tener un registro de tus ideas. Destaca las palabras difíciles, y agrega notas para apuntar tus preguntas y hacer conexiones con tu propia experiencia.

3. Examina cuidadosamente todas las representaciones visuales. Considera cómo se relacionan con el texto.

4. Después de leer, discute lo que leíste con otros/as estudiantes para ayudarte a comprender mejor el texto.

© 2018 The Regents of the University of California. All rights reserved.

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En tu vida diaria, el oxígeno está en todas partes. Está en el aire a tu alrededor, e incluso dentro de ti, viajando desde tus pulmones a cada célula en tu cuerpo. Probablemente piensas en el oxígeno como un gas, porque así lo encuentras. Pero no siempre es un gas. El oxígeno también puede existir como un líquido con un lindo color azul. Sin embargo, nunca verás charcos de oxígeno líquido en el suelo, y no puedes comprar una botella de oxígeno líquido en la tienda. El oxígeno es muy diferente al agua, el líquido más común en la Tierra. Los/as científicos/as pueden producir oxígeno líquido, pero no es fácil. ¿Por qué se encuentra el gas de oxígeno en todas partes a nuestro alrededor, mientras que el oxígeno líquido es tan poco común?

El oxígeno se halla por lo general en fase de gas, pero los/as científicos/as pueden hacer que cambie de fase a líquido.

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E2 Oxígeno líquido

El papel de la atracción

Es mucho más difícil encontrar oxígeno líquido que agua líquida porque las moléculas de oxígeno no tienen una fuerte atracción hacia otras moléculas de oxígeno. Cada sustancia tiene un nivel de atracción determinado entre sus moléculas que jala las moléculas unas hacia otras. Esta atracción molecular es más fuerte en algunas sustancias, como el agua, de lo que es en otras sustancias, como el oxígeno. Las moléculas en líquidos y sólidos permanecen unas cerca de otras debido a la atracción entre moléculas. En la fase de gas, las moléculas pueden alejarse unas de otras porque tienen mucha energía cinética, pero la atracción entre las moléculas todavía las mantiene en la misma área general. Las diferentes sustancias tienen niveles diferentes de atracción, pero el nivel de atracción molecular para cualquier sustancia específica es siempre igual.

Ya que la atracción nunca cambia para una sustancia, otra cosa debe cambiar antes de que la sustancia pueda cambiar de fase. Puedes pensar sobre cada sustancia como si estuviera siempre en un juego de tirar de la cuerda al nivel molecular. La atracción está siempre jalando

las moléculas unas hacia otras, mientras que la energía cinética permite que las moléculas se muevan de un lado a otro. Las sustancias cambian de fase cuando la atracción molecular o la energía cinética gana el juego de tirar de la cuerda. Como la atracción molecular de cada sustancia es siempre igual, el cambio debe ser en la cantidad de energía cinética que tengan las moléculas. Un aumento grande en la energía cinética puede mover las moléculas tan rápido que superan el jalón de atracción y se alejan unas de otras. Lo contrario también es cierto: Una reducción grande en la energía cinética permite que la atracción supere la energía cinética y que jale las moléculas unas hacia otras.

Para que el gas de oxígeno cambie a líquido, la atracción que jala las moléculas de oxígeno unas hacia otras debe superar la energía cinética que las aleja unas de otras. Ya que la atracción entre moléculas de oxígeno es débil, una gran cantidad de energía cinética debe ser quitada de las moléculas (enfriando el oxígeno a una temperatura muy baja) antes de que la atracción entre las moléculas las pueda jalar unas hacia otras.

La Sustancia A es un gas y la Sustancia B es un líquido. Se encuentran a la misma temperatura. ¿Por qué una es un gas y la otra un líquido? La Sustancia A tiene una atracción más débil, y sus moléculas tienen suficiente energía para superar la atracción entre moléculas y separarse volando. La Sustancia B tiene una atracción más fuerte, y sus moléculas no tienen suficiente energía como para superar la atracción entre moléculas. Por lo tanto, sus moléculas permanecen juntas.

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Oxígeno líquido E3

para cambiar de fase a líquido, mientras que el agua no tiene que estar muy fría en absoluto.

Cuando los/as científicos/as necesitan oxígeno líquido, pueden conseguirlo separando moléculas de oxígeno directamente del aire. El aire es una mezcla de nitrógeno y oxígeno combinados con pequeñas cantidades de otros gases como vapor de agua y dióxido de carbono. Ya que los gases en el aire tienen niveles diferentes de atracción molecular, los/as científicos/as pueden separarlos enviando el aire a través de una máquina con diferentes tanques a diferentes temperaturas.

En el primer tanque, los/as científicos/as bajan la temperatura lo suficiente como para condensar el agua a un líquido. Es decir,

Usar la atracción para hacer oxígeno líquido

Los/as científicos/as utilizan su conocimiento acerca de la atracción para producir oxígeno líquido. Saben que tienen que permitir que la atracción débil entre moléculas de oxígeno las jale unas hacia otras. Logran esto al transferir energía afuera del oxígeno, bajando la temperatura de las moléculas de oxígeno hasta que su energía cinética sea tan baja que no pueda superar la atracción entre moléculas. La temperatura necesaria para cambiar gas de oxígeno a líquido es mucho más fría de la que se necesita para cambiar vapor de agua a líquido. Es por eso que el oxígeno tiene que estar extremadamente frío

El oxígeno es de color azul pálido cuando es condensado a un líquido.

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E4 Oxígeno líquido

disminuyen la energía cinética de las moléculas para que la atracción entre ellas pueda jalar las moléculas unas hacia otras. El agua líquida que se forma en el primer tanque es drenada. Entonces los gases restantes son puestos en un segundo tanque y enfriados a menos de -183°C (-297.4°F). Eso es lo suficientemente frío para que las moléculas en esos gases tengan muy poca energía cinética como para separar moléculas. Debido a esto, la atracción entre las moléculas las jala unas hacia otras para luego condensar los gases a líquido, igual que el agua en el primer tanque. Este líquido contiene las moléculas de los gases restantes en el aire, incluyendo el oxígeno. La mezcla líquida es entonces trasladada a un tercer tanque que es calentado solo un poco para que el nitrógeno se evapore. La energía cinética del nitrógeno

se vuelve demasiado fuerte para la atracción entre moléculas, y estas se escapan en forma de gas. Cuando el nitrógeno se evapora, el líquido que queda atrás es casi todo oxígeno.

El oxígeno no es la única sustancia difícil de condensar debido a atracción débil. El hidrógeno y el metano también tienen una atracción muy débil, por lo que son difíciles de condensar. Como el oxígeno, estas son sustancias en las que tendemos a pensar solamente como gases en la Tierra. Sin embargo, también al igual que el oxígeno, pueden convertirse en líquido si son enfriadas lo suficiente. Enfriar estas sustancias solo un poco no causará que se condensen. Estos gases alcanzan temperaturas extremadamente frías antes de condensarse a líquidos. Se trata simplemente de la atracción.

Máquina de oxígeno líquidoTanque 1 Tanque 2 Tanque 3

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gas de nitrógeno y oxígeno

nitrógeno líquido y oxígeno líquido oxígeno

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gas de nitrógeno

El aire, que contiene principalmente nitrógeno, oxígeno y vapor de agua, entra a la máquina de oxígeno líquido.

El tanque es enfriado y el agua es escurrida.

El tanque es enfriado aún más, produciendo una mezcla de nitrógeno líquido y oxígeno líquido.

El tanque es calentado un poco, permitiendo que el nitrógeno se evapore y que el oxígeno líquido se quede atrás.

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Para producir oxígeno líquido del aire, los/as científicos/as usan una máquina con tres tanques. El aire entra al primer tanque y oxígeno líquido sale del último tanque.

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