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UNIDAD 2. MATERIA Y SUS PROPIEDADES
1ESTUDIO DE LAS TRES PARTÍCULAS ELEMENTALES Y SU ASOCIACIÓN
Observemos todo nuestro entorno; si estamos en un parque veremos árboles, plantas, pájaros, pasto, resbaladillas, columpios, etc.; y si estamos en una biblioteca veremos libros, sillas, mesas, personas, puertas, pisos, paredes, ventanas y lámparas, entre otras cosas.
Todo lo que nos rodea está formado por materia, pero ¿qué es la materia? Pretender dar una respuesta satisfactoria a esta pregunta aún no es posible, pues de la materia únicamente se conoce su estructura.
Por tanto, decir que la materia es todo lo que ocupa un lugar en el espacio e impresiona nuestros sentidos es una definición imprecisa, porque no todo lo existente en el espacio es registrado por nuestros sentidos y, aún más, existen muchas dudas acerca de diferentes tipos de energía en los cuales se desconoce si están constituidas por materia o no.
Pero entonces, ¿qué es la materia? Podemos decir, la materia es todo cuanto existe en el Universo y se halla constituido por partículas elementales, mismas que generalmente se encuentran agrupadas en átomos y en moléculas. El concepto de materia ha evolucionado enormemente a partir de las teorías modernas y de los progresos de la Física Experimental. La materia es indestructible y puede ser transformada en energía. De la misma manera se puede crear materia a partir de energía radiante.
Cuando hablamos de masa nos referimos a la cantidad de materia contenida en un cuerpo. La masa y la energía son dos aspectos de una misma realidad y dan como resultado fenómenos como el de la emisión de radiaciones de las estrellas o las materializaciones de los rayos gamma, entre otros. Estos fenómenos prueban cómo los cuerpos pueden radiar ondas electromagnéticas perdiendo una parte correspondiente de su masa y cómo las ondas de alta frecuencia pueden desaparecer dando lugar a la formación de partículas materiales. Dichas transformaciones obedecen a la misma ley propuesta por Albert Einstein, de la equivalencia de la masa m y de la energía E que se representa por la fórmula E = mc2, donde c es la velocidad de propagación de la luz en el vacío y cuyo valor es igual a 300 mil km/s.
Como ya señalamos, no se sabe con certeza que es la materia, pero sí se conocen algunos de sus constituyentes casi elementales, éstos son:
A. PROTONES: partículas cargadas de electricidad positiva. B. ELECTRONES: partículas cargadas con electricidad negativa. C. NEUTRONES: partículas sin carga eléctrica.
Estas partículas generalmente se encuentran asociadas formando átomos.
Un átomo es la partícula más pequeña de la materia que puede entrar en combinación química. Una sustancia que sólo contiene átomos de una misma clase recibe el nombre de elemento, pero si está formada por átomos de más de una clase se llama
compuesto. El oro, el mercurio, el oxígeno el hierro, la plata y el azufre son ejemplos de elementos; mientras el agua, el azúcar, la sal y el petróleo son ejemplos de compuestos.
LOS CUATRO ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA: SÓLIDO, LÍQUIDO, GASEOSO Y PLASMA
La materia se presenta en cuatro estados de agregación molecular: sólido, líquido, gaseoso y plasma. De acuerdo con la teoría cinética molecular, la materia se encuentra formada por pequeñas partículas llamadas moléculas y éstas se encuentran animadas de movimiento, el cual cambia constantemente de dirección y velocidad. Debido a este movimiento las moléculas presentan energía cinética que tiende a separarlas, pero también tienen una energía potencial que tiende a juntarlas. Por tanto, el estado físico de una sustancia puede ser:
a) Sólido, si la energía cinética es menor que la energía potencial (cohesión). b) Líquido, si la energía cinética y la potencial son aproximadamente iguales. c) Gaseoso, si la energía cinética, es mayor que la energía potencial.
d) Plasma. Por sus características especiales mencionaremos aparte el estado de agregación llamado plasma.
En el estado sólido cada molécula está confinada en un espacio pequeño entre moléculas cercanas, por lo cual vibran sin cambiar prácticamente de lugar debido a su alta fuerza de cohesión. Sin embargo, si al sólido se le suministra calor las moléculas lo absorben y lo transforman en energía cinética, que al aumentar disminuye la fuerza de cohesión y el sólido cambia al estado líquido. Si el líquido se calienta aún más, las moléculas aumentan su energía cinética nulificando la fuerza de cohesión y se producirá un nuevo cambio del estado líquido al gaseoso; estado en el cual las moléculas se mueven libremente a gran velocidad de un lado a otro, chocan entre sí y con las paredes del recipiente que las contiene, y dan como resultado la denominada presión del gas.
El plasma, denominado cuarto estado de la materia, seproduce al aumentar la temperatura a millones de grados. Bajo estas condiciones las moléculas se rompen,los átomos chocan en forma violenta y pierden sus electrones, lo cual da origen a un gas extraordinariamente ionizado, mezcla de iones y electrones.
Este estado sólo presenta en las estrellas como el Sol o en la explosión de bombas termonucleares. En la actualidad el hombre investiga la producción de plasmas, pero su principal problema es el de aún no haber hallado ningún material natural o artificial, resistente a tan altas temperaturas.
Ley de la Conservación de la Materia
El químico francésAntoine Laurent Lavoisier (1743-1794) demostró que durante un fenómeno físico la materia puede sufrir modificaciones en su estado de agregación molecular, y en un fenómeno químico su estructura molecular se modifica; sin embargo, en ambos casos la cantidad de materia permanece constante. Con base en ello enunció la Ley de la Conservación de la Materia que dice:
La materia no se crea ni se destruye sólo se transforma.
Ahora se sabe que la materia puede ser transformada en energía y viceversa, por tanto, la suma total de ambas es una cantidad constante en el Universo.
PROPIEDADES GENERALES Y PARTICULARES DE LA MATERIA
Las propiedades que presentan los cuerpos sin distinción reciben el nombre de propiedades generales, por tal motivo no permiten diferenciar una sustancia de otra.
A algunas de las propiedades generales de la materia también se les daelnombre deextensivas, pues su valor depende de la cantidad de materia, tal es el caso de la masa, el peso, el volumen, la inercia y la energía.
A continuación definiremos ciertas propiedades generales: Extensión
Todo cuerpo ocupa una porción de espacio llamadovolumen.
Masa
Es la cantidad de materia contenida en un cuerpo. Muchas veces se le trata indistintamente como peso, pero no son lo mismo; por ejemplo, cuando un astronauta llega a la Luna su masa, o cantidad de materia, es la misma pues no cambian las dimensiones de su cuerpo, sin embargo, su peso se habrá reducido a la sexta parte de lo que pesaba en la Tierra porque el peso de los cuerpos está en función de la fuerza de atracción gravitacional ejercida sobre ellos. Así, la Luna atrae a los cuerpos de su superficie con una fuerza equivalente a 1/6 de la fuerza con la cual la Tierra atrae a los cuerpos que se encuentran sobre su superficie. La razón de esta diferencia de fuerza con la que la Luna y la Tierra atraen a los cuerpos es la mayor masa de esta última.
Peso
El peso de un cuerporepresenta la fuerza gravitacional con la que es atraída la masa de dicho cuerpo. Por tal motivo, el peso de un cuerpo será mayor si es atraído por una fuerza gravitatoria mayor y viceversa. Por ello, el peso de un hombre es mayor en la Tierra que en la Luna. El peso de un cuerpo sobre la Tierra será mayor si se encuentra sobre el nivel del mar, pues la distancia entre el cuerpo y el centro de gravedad de nuestro planeta es menor al nivel del mar. Por representar una fuerza, el peso de un cuerpo se considera una magnitud vectorial, cuya dirección es vertical y su sentido está dirigido siempre hacia el centro de la Tierra. El valor del peso se calcula multiplicando la masa (m) del cuerpo por la aceleración de la gravedad (g), donde: P = mg. Su unidad es el newton (N) en el Sistema Internacional, mientras en el Sistema MKS técnico la unidad es el kilogramo-fuerza (kg): 1 kg = 9.8 N.
Inercia
3 debe provenir de su energía incrementada.
Por tanto, la materia puede convertirse en energía y viceversa. La fórmula relativista que relaciona a la masa con la energía es: E = mc2.
Impenetrabilidad
El espacio ocupado por un cuerpo no puede ser ocupado por otro al mismo tiempo. Porosidad
Independientemente del estado físico de la materia,existen grandes espacios vacíos entre las partículas de un cuerpo.
Divisibilidad
Toda la materia puede ser dividida en partículas, esto se logra al vencer las fuerzas intermoleculares que mantienen unidos a los cuerpos.
Elasticidad
Propiedad de los cuerpos de recuperar su forma original una vez que desaparece la fuerza que ocasiona la deformación. Dentro de los límites de la elasticidad, los sólidos tienen elasticidad de alargamiento, elasticidad de esfuerzo cortante y elasticidad de volumen; mientras que líquidos y los gases sólo presentan elasticidad de volumen.
Las propiedades características o particulares permiten identificar a una sustancia de otra, pues cada una tiene propiedades que la distinguen de las demás.
Las propiedades características de la materia también reciben el nombre de propiedades intensivas, porque su valor es independiente de la cantidad de materia. Tal es el caso de la densidad de cualquier sustancia como es el agua, en la cual su densidad será la misma para 2 cm3 que para 10 litros o cualquier otra cantidad.
Las propiedades características o intensivas se clasifican en:
PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS FÍSICAS PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS
Densidad, Punto de fusión, Solubilidad, índice de refracción, módulo de Young, organolépticas llamadas así porque se perciben con los sentidos (color, sabor, olor), entre otras.
Se refieren al comportamiento de las sustancias al combinarse con otras, y a los cambios en su estructura íntima como consecuencia de los efectos de diversas clases de energía.
A continuación estudiaremos algunas propiedades intensivas o características más importantes. DENSIDAD O MASA ESPECÍFICA
Se define como el cociente que resulta de dividir la masa de una sustancia dada entre el volumen que ocupa. La expresión matemática para la densidad es:
v
m
donde:
= densidad en kg/m3 m = masa en kg v = volumen en m3
PUNTO DE FUSIÓN
Es la temperatura a la cual una sustancia sólida comienza a licuarse estando en contacto íntimo con el estado líquido resultante que se encontrará en equilibrio termodinámico, es decir, a la misma temperatura. Cada sustancia se funde y se solidifica a la misma temperatura llamada punto de fusión.
El punto de fusión también es una propiedad característica o intensiva de la materia, pues independientemente de la cantidad de sustancia que se tenga, el punto de fusión será el mismo a una presión determinada, trátese de 1 g o de toneladas.
Para que un sólido pase al estado líquido necesita absorber la energía necesaria para destruir la unión entre sus moléculas, por tanto, mientras dura la fusión no aumenta la temperatura. El punto de fusión de una sustancia se eleva si aumenta la presión, aunque en el agua al incrementar la presión disminuye su punto de fusión. A la presión de una atmósfera el hielo se funde, y el agua se congela a 0°C. Para fundir el hielo o para congelar el agua sin cambio en la temperatura, se requiere un intercambio de 80 calorías por gramo. El calor requerido para este cambio en el estado físico del agua sin que exista ningún cambio en la temperatura recibe el nombre de calor de fusión.
El punto de fusión de una sustancia siempre será el mismo a una presión determinada.
5 disminuye la cantidad de líquido y la de gas aumenta.
PUNTO DE EBULLICIÓN
A una presión determinada la temperatura a la cual un líquido comienza a hervir se le llama punto de ebullición. Este se mantiene constante independientemente del calor suministrado al líquido, ya que si se aplica mayor cantidad de calor, habrá más desprendimiento de burbujas sin cambio de temperatura en el líquido. El punto de ebullición de un líquido cuya presión de vapor, al aumentar la temperatura, llega a ser igual a la presión a que se halla sometido el líquido, se caracteriza por el rápido cambio al estado gaseoso Si el líquido se encuentra en un recipiente abierto, la presión que recibe es la atmosférica.
Al medir la temperatura del líquido en ebullición y la del gas, se observa que ambos estados tienen la misma temperatura, por eso se dice que coexisten en equilibrio termodinámico.
El punto de ebullición de una sustancia aumenta a medida que se eleva la presión recibida.
Las ollas de presión pueden cocer rápidamente los alimentos porque en su interior se alcanzan temperaturas mayores a 100 °C, adentro de la olla es altalapresión y consecuentemente el agua hierve a más de 100°C.
Sin embargo, los alpinistas tienen serias dificultades para lograr la cocción de sus alimentos cuando se encuentran en las altas montañas, pues debido a la escasa presión atmosférica el agua hierve a temperaturas mucho menores a 100°C.
A presión normal (1 atm 760 mm de Hg), el agua hierve y el vapor se condensa a 100°C, esta temperatura recibe el nombre de punto de ebullición del agua. Para que el agua pase de líquido a vapor o de vapor a líquido, sin variar su temperatura, necesita un intercambio de 540 calorías por gramo. El calor requerido para cambiar de estado sin variar de temperatura se llama calor de vaporización del agua. El calor de vaporización permanece en un gas hasta que se convierte en líquido al realizar su condensación. El vapor de agua, al estar en contacto con el cristal de una ventana fría, cede su calor de vaporización y se condensa en gotas ca-lentando ligeramente el cristal.
El punto de ebullición de una sustancia es igual a su punto de condensación. El punto de ebullición de algunas sustancias se encuentra en el cuadro siguiente.
Un líquido pasa al estado gaseoso cuando alcanza su punto de ebullición, pero también lo hace a temperaturas menores si se evapora, porque algunas moléculas de los líquidos se mueven con más velocidad debido a una mayor energía; cuando estas moléculas se encuentran cerca de la superficie libre del líquido, su energía les permite vencer las fuerzas de cohesión de las otras moléculas, escapan hacia el aire y producen el fenómeno llamado
evaporación.
La evaporación de un líquido es más rápida si aumenta su temperatura, debido a que la energía cinética de las moléculas aumenta, escapando un mayor número de ellas. Mientras mayor es el área de la
superficie libre de un líquido, mayor es el número de moléculas evaporadas.
Fig. 2 A una presión de una atmósfera o 760 mm de Hg, el agua hierve a 100°C,
pero al disminuir la presión mediante una bomba de vacío,
el agua hierve a menor temperatura.
COEFICIENTE DE SOLUBILIDAD DE UNA SUSTANCIA EN OTRA
Es la cantidad de soluto en gramos que satura a 100 gramos de disolvente a una temperatura dada
Con objeto de poder estudiar esta propiedad es conveniente tomar en cuenta lo siguiente:
Solución
Es la mezcla homogénea de dos o más sustancias. Cada solución consta de dos partes: el solvente o disolvente y el soluto. El solvente es la sustancia que disuelve a otra. El soluto es la sustancia que se disuelve en el solvente. Un ejemplo es la sal cuando se disuelve en agua, ésta es el solvente y la sal el soluto.
a) Líquidas, comprenden las de sólido en líquido, líquido en líquido y gas en líquido.
b) Sólidas, comprenden las de sólido en sólido (como las aleaciones de cobre y níquel) y las de gas en sólido (como las de hidrógeno disuelto en paladio).
c) Gaseosas, comprenden las de gas en gas (como el gas húmedo de los pozos petroleros).
CONCENTRACIÓN DE LAS SOLUCIONES
La concentración está determinada por la masa del soluto contenida en una unidad de masa o de volumen de solvente. Con base en la concentración, se tiene una solución saturada cuando el solvente contiene la mayor cantidad de soluto que puede disolver a una temperatura y presión dadas; la solución es sobresaturada cuando existe una mayor concentración de soluto que la correspondiente a la saturación. Los conceptos de las soluciones concentradas y soluciones diluidas no están perfectamente definidos, pero se dice que es concentrada aquellasolución cuya concentración se aproxima a la saturada, y diluida si su concentración es mucho menor a la saturada.
FACTORES QUE AFECTAN LA SOLUBILIDAD DE LAS SUSTANCIAS
La solubilidad de una sustancia en otra depende de:
a) La semejanza en la composición y estructura química sobre todo en los compuestos orgánicos.
b) El tamaño de las partículas, pues a menor tamaño es más rápida la disolución y es posible una mayor solubilidad. c) La temperatura, ya que la solubilidad de un líquido en un líquido o de un sólido en un líquido aumenta al elevarse la
temperatura. Se exceptúan de esta regla, entre otros, el acetato de calcio y el hidróxido de calcio, así como la solubilidad de un gas en un líquido, que disminuye al aumentar la temperatura.
d) La agitación,porque a mayor agitación mayor velocidad en la disolución. e) La presión, influye notablemente en las soluciones de gases y líquidos.
El coeficiente de solubilidad de una sustancia es una propiedad característica pues al fijar una masa de 100 g de disolvente puede determinarse la cantidad máxima de soluto a disolverse en él. De esta manera, para varios solutos es posible calcular s u valor particular de coeficiente de solubilidad, el cual se definirá en términos de la cantidad de soluto que satura 100 g de disolvente a una determinada temperatura. Es común fijar un volumen de 100 cm3 de disolvente en lugar de una masa de 100 g del mismo. Por tanto, el coeficiente de solubilidad sobre todo para sólidos disueltos en agua, también se expresa como la masa en gramos de soluto disuelta en 100 cm3 de agua hasta saturarla, es decir, la máxima cantidad de soluto posible de disolver en 100 cm3 de agua.
Curva de solubilidad
La temperatura es el parámetro con mayor influencia en la solubilidad de una sustancia en otra. Para conocer la cantidad de soluto que satura 100 gramos de disolvente a una temperatura determinada, por ejemplo: sal disuelta en agua, se procede de la siguiente manera:
7 Preguntas:
1. ¿Cuál es la temperatura necesaria para disolver 40 g de cloruro de potasio en 100 g de agua? 2. ¿Cuál es la temperatura necesaria para disolver 70 g de nitrato de potasio en 100 g de agua? 3. ¿Cuál es la mayor cantidad de cloruro de potasio que se disuelve en 100 g de agua a 50°C? 4. ¿Cuál es la mayor cantidad de nitrato de potasio que se disuelve en 100 g de agua a 60°C?
5. Si se disuelven 30 g de nitrato de potasio en 100 g de agua a una temperatura de 40°C, ¿podemos decir que está saturada la solución? Sí o no y por qué.
6. ¿A qué temperatura tienen el mismo coeficiente de solubilidad el cloruro de potasio y el nitrato de potasio? 1 y: Si la soluc ión saturada de nitrato de potasio se enfría de 60 a 30°C, ¿qué cantidad de sólido se precipita?
7. Si a 100 g de agua a 50°C se le agregan 20 g de nitrato de potasio, ¿cuántos gramos más de soluto deben agregarse para saturar la solución?
Respuestas:
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CUESTIONARIO SOBRE MATERIA Y SUS PROPIEDADES
1. ¿Por qué resulta difícil definir el concepto de materia? (Estudio de las tres partículas elementales y su asociación)
2. ¿Cómo definirías la materia?
3. ¿Cómo se relaciona la materia con la energía?
4. Menciona las características de los constituyentes elementales de la materia.
5. ¿Cuáles son los cuatro estados de agregación molecular de la materia y bajo qué circunstancias se presenta cada estado?.
6. Enuncia la Ley de Conservación de la Materia.
7. Explica por qué algunas de las propiedades generales de la materia reciben el nombre de propiedades extensivas.
8. Explica por qué a las características de la materia se les da el nombre de propiedades intensivas.
9. ¿Qué propiedades reciben el nombre de generales? Describe por lo menos cuatro de ellas.
10.Qué entiendes por propiedades características de la materia?
11.Define qué es densidad ó masa específica, cuál es su fórmula y sus unidades en el S. I.
12.Explica qué es el punto de fusión de una sustancia.
13.Explica por qué un líquido entra en ebullición.
