MATERIA
Ya has aprendido que materia es la sustancia de la cual están compuestos todos los objetos del universo. En el campo de la química, los científicos estudian la materia y los cambios asociados con ella. Por ejemplo, el agua es materia que puede existir en tres estados diferentes: sólido, líquido o gaseoso. Puedes congelar agua en estado líquido y se transformará en hielo (un sólido), o puedes calentar agua en estado líquido y se transformará en vapor de agua (un gas). ¿Qué distingue a estas formas de agua unas de otras, y de qué manera presentan comportamientos diferentes?
La materia tiene masa y volumen.
¿Acaso la materia tiene una definición más específica que la simple palabra “sustancia”? Los científicos definen la materia como todo lo que tiene masa y ocupa un lugar en el
espacio. Masa es la medida de la cantidad de materia que contiene una sustancia; volumen es la cantidad de espacio que ocupa una sustancia. Incluso los gases que no puedes ver, como el vapor de agua, tienen masa y volumen. Al igual que los sólidos y líquidos, los gases son materia.
La materia está formada por átomos, las partículas más pequeñas de una sustancia que aún conservan las
propiedades de dicha sustancia. Los átomos se combinan para formar moléculas; una molécula está compuesta por dos o más átomos unidos por enlaces químicos. Una molécula de agua siempre contiene dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Esta molécula es la misma ya sea en un cubo de hielo, una gota de agua o un chorro de vapor de agua. Cuando la materia cambia de estado, por ejemplo de sólido a líquido o a gaseoso, no forma diferentes clases de moléculas.
No confundas los términos átomo y elemento. Un átomo es una unidad individual de materia. Un elemento es una sustancia que contiene una sola clase de átomo. Los científicos han
reflexiona
¡atención!
¿Qué hace que el agua en estado líquido difiera del hielo o del vapor de agua?
Una molécula de agua está compuesta por un átomo de oxígeno (O) unido a dos átomos de hidrógeno (H).
protón: partícula con carga positiva que, junto con los electrones (de carga negativa) y los neutrones (sin carga), componen Esta muestra de boro,
un elemento, solo contiene átomos de
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Asimismo, no confundas los términos molécula y compuesto. Una molécula está formada por dos o más átomos unidos a través de enlaces químicos. Un compuesto está formado por dos o más elementos unidos a través de enlaces químicos. El gas hidrógeno (H2)
y el gas oxígeno (O2) son moléculas, y cada una está formada por múltiples átomos de
un solo tipo de elemento. El agua (H2O) y el dióxido de carbono (CO2) son moléculas y
compuestos.
Las propiedades de una sustancia pueden cambiar.
Los científicos usan dos tipos de propiedades para identificar la materia: físicas y químicas. Una propiedad física se puede observar o medir sin modificar la materia. Algunos ejemplos de propiedades físicas de la materia incluyen el color, el olor, los puntos de fusión y ebullición, el magnetismo y la densidad. Puedes observar el color del agua al mirarla y percibir el olor del agua al olerla. Puedes medir los puntos de fusión y ebullición del agua al calentarla; puedes provocar un cambio de estado, pero no producir nuevas clases de materia. Puedes observar si el agua tiene magnetismo al sostener un imán a su lado. Puedes calcular la densidad del agua al dividir la masa de una muestra (medida con una balanza) por su volumen (medido con una probeta graduada). Ninguna de estas observaciones o mediciones transforma al agua en una clase de materia diferente.
Una propiedad química se puede observar solo cuando la materia cambia como resultado de una reacción química. En otras palabras, observas propiedades químicas solo cuando un tipo de materia cambia a otro tipo de materia. Algunas propiedades químicas incluyen la reactividad a diferentes químicos y el grado de inflamabilidad. La combinación de moléculas de dos químicos diferentes, por ejemplo, hidrógeno y oxígeno, crean moléculas de un nuevo químico: el agua. Puedes observar si una sustancia es inflamable al quemarla; al quemar algo se produce una reacción química que produce nuevas clases de sustancias.
Las propiedades también se pueden clasificar según si cambia a medida que la cantidad de materia cambia. Las propiedades extensivas dependen de la cantidad de una sustancia en una muestra. Por ejemplo, el agua en un vaso grande posee una masa y un volumen mayores que el agua en un vaso pequeño). También tiene más energía térmica, la energía total de las partículas que vibran en una sustancia, porque contiene más partículas. La masa, el volumen y la energía térmica son propiedades extensivas.
La madera es una sustancia altamente inflamable. Quemar madera produce nuevas sustancias como dióxido de carbono y ceniza.
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Las propiedades intensivas son propiedades de la materia que no dependen de la cantidad de una sustancia presente en una muestra. El punto de ebullición, el punto de fusión y la densidad son propiedades intensivas comunes. Por ejemplo, bajo condiciones estándar, el agua en estado líquido siempre hervirá al alcanzar los 100 °C. Esto siempre ocurre ya sea que intentes hervir una taza pequeña de agua o una olla grande de agua. El agua congelada (o el hielo) siempre se derretirá al superar los 0 °C. Esto siempre ocurre, ya sea que intentes derretir un pequeño cubo de hielo o un bloque grande de hielo.
Bajo diferentes condiciones, las propiedades de una sustancia pueden cambiar. Durante un cambio físico, la composición química o identidad de una sustancia no cambia. En otras palabras, solo las propiedades físicas de la sustancia cambian durante un cambio físico. Por
ejemplo, se produce un cambio físico cuando quiebras hielo en numerosas partes pequeñas. Además, todos los cambios de estado son cambios físicos. Por ejemplo, se produce un cambio físico cuando congelas agua para formar un cubo de hielo o cuando derrites hielo para formar agua en estado líquido.
Como alternativa, un cambio químico da como resultado la formación de una sustancia nueva. En otras palabras, las propiedades químicas de la sustancia cambian.
(Generalmente se ven acompañadas por cambios físicos). Si disuelves una tableta antiácida en agua, se produce un cambio químico. El gas que burbujea en el agua a medida que la tableta se disuelve es un signo de este cambio. Las propiedades del gas son diferentes a las propiedades de la tableta o del agua.
La imagen de la izquierda muestra una medición de la longitud de un clip para papel. La imagen de la derecha muestra la medición de la temperatura del agua en una tubería. ¿Se trata de propiedades físicas o químicas? ¿Se trata de propiedades intensivas o extensivas?
¿qué piensas?
La muestra más grande de agua tiene diferentes propiedades extensivas en comparación con la muestra más pequeña. Ambas muestras tienen las mismas propiedades intensivas.
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El movimiento y la organización de partículas es diferente en sólidos, líquidos y gases.
Los átomos y las moléculas en la materia se encuentran en constante movimiento, pero algunas partículas se mueven más rápidamente y de manera más separada que otras. En consecuencia, los sólidos, líquidos y gases poseen diferentes propiedades. Recuerda que una molécula de una sustancia (como el agua) es la misma ya sea que se encuentre en estado sólido, líquido o gaseoso. El estado de la materia no
depende de los tipos de moléculas que conforman una sustancia sino de la manera en que estas moléculas se mueven e interactúan.
• Sólidos: De los tres estados de la materia, un sólido posee partículas con el menor grado de movimiento. Las partículas que forman un sólido tienen relativamente poca energía. Como resultado, se comprimen en forma estrecha, y vibran levemente en una organización fija. Como las partículas en un sólido no pueden moverse demasiado, los sólidos son relativamente incompresibles. En otras palabras, si ejerces presión sobre un sólido, no se mueve tanto como si lo hicieras sobre un gas o un líquido. Esta organización de partículas proporciona a los sólidos una forma fija y un volumen específico. Un cubo de hielo tiene la misma forma y el mismo volumen ya sea que se coloque en una caja cuadrada, en una jarra redonda o sobre una mesa plana.
• Líquidos: Las partículas en un líquido no poseen una
compactación tan estrecha como las partículas de un sólido. Tienen más energía y se mueven con mayor libertad unas alrededor de otras. Esto explica por qué los líquidos fluyen y adoptan las formas de sus recipientes. Sin embargo, las partículas en un líquido tienen menos energía que las partículas en un gas. Como resultado, aún se atraen bastante entre sí. Los líquidos son más compresibles que los sólidos, pero menos compresibles que los gases, y, al igual que los sólidos, un líquido tiene un volumen fijo. Si viertes agua en estado líquido en una jarra redonda, el agua adoptará una forma redonda. Si viertes agua en estado líquido en una caja cuadrada, el agua adoptará una forma cuadrada. Sin embargo, el agua no se expandirá hacia afuera para llenar el volumen del recipiente en cuestión. Las partículas en un sólido están estrechamente compactadas en una organización fija. Las partículas en un líquido se mueven libremente pero siempre permanecen juntas.
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• Gases: De los tres estados de la materia, un gas posee las partículas con mayor cantidad de energía. Las partículas de gas se pueden mover en forma separada una de otra. Como resultado, los gases no tienen ni forma ni volumen fijo. Son muy compresibles. Si viertes vapor de agua en un cilindro cerrado, el gas se dispersará para llenar el recipiente. Si ejerces presión sobre la tapa del recipiente, el gas disminuirá su volumen porque sus partículas se ven forzadas a permanecer juntas. Si alguna vez has observado el vapor elevándose de una olla con agua hirviendo, el vapor se dispersa, o se extiende, en el aire a medida que las moléculas de agua se mueven tan lejos unas de otras como es posible. Existe un cuarto estado de la materia: plasma. El plasma es
similar a un gas, pero está compuesto por partículas ionizadas, o cargadas. Algunas de las partículas en el plasma tienen cargas positivas, mientras que otras partículas son electrones libres (en otras palabras, electrones que no se encuentran adheridos al núcleo). El plasma es un componente importante de los focos fluorescentes, los carteles de neón y los televisores de plasma.
En la mayoría de los tipos de materia, las partículas están compactadas de manera más estrecha en el estado sólido que en el estado líquido. Estos sólidos son más densos que los líquidos en que se convierten cuando se derriten. (En otras palabras, una muestra del sólido contiene más partículas que el mismo volumen de líquido). El agua es una excepción importante. Las moléculas de agua en estado sólido se separan aún más que las moléculas de agua en estado líquido. Como resultado, el hielo es menos denso que el agua. El hielo flota en el agua. Este fenómeno es provocado por los enlaces de hidrógeno: interacciones débiles entre los átomos de hidrógeno y oxígeno de moléculas de agua cercanas. Los átomos de oxígeno tienen cargas levemente negativas, mientras que los átomos de hidrógeno tienen cargas levemente positivas. Recuerda que las cargas opuestas se atraen y que las cargas iguales se repelen. Cuando las
¡atención!
Las partículas en un gas se mueven libremente, lejos unas de otras.
Los enlaces de hidrógeno mantienen a las moléculas de agua separadas a medida que se unen para formar hielo.
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La materia puede ser una sustancia pura o una mezcla.
Una sustancia pura está formada por un solo componente. Las sustancias puras pueden contener un solo tipo de átomo (por ejemplo, una muestra del elemento boro) o un solo tipo de molécula (por ejemplo, un vaso con agua, que contiene tanto átomos de hidrógeno como átomos de oxígeno). El agua también es un compuesto porque contiene diferentes átomos; el boro no es un compuesto.
En contraposición a las sustancias puras, una mezcla es una combinación de dos o más sustancias que no forman enlaces químicos entre sí. El aire es una mezcla común. El aire contiene moléculas de gas nitrógeno (N2), gas oxígeno (O2) y dióxido de carbono (CO2), así
como átomos de argón (Ar) y otros elementos. La mayor parte del aire también contiene moléculas de vapor de agua (H2O). Las partículas de aire fluyen en forma conjunta en la
atmósfera sin formar enlaces químicos.
Imagina que tienes una mezcla de azúcar disuelta en agua. Aunque uses una lupa, no puedes distinguir las partículas de azúcar de las partículas de agua. En este tipo de
mezcla, la composición es uniforme. En otras palabras, cada muestra de agua con azúcar contiene la misma proporción de partículas de azúcar y partículas de agua. Este es un ejemplo de una mezcla homogénea. (El agua con azúcar no es un compuesto porque las partículas de agua y de azúcar no forman enlaces químicos). Otras mezclas homogéneas incluyen el aire, la gasolina y las aleaciones de metal.
Ahora, imagina que combinaste pequeñas piezas de hierro con granos de arena. Algunas partes de esta mezcla tienen más piezas de hierro, mientras que otras partes tienen menos piezas de hierro. Como su composición no es uniforme, este es un ejemplo de mezcla heterogénea. En una mezcla heterogénea típica, puedes identificar las diferentes piezas con bastante facilidad. Otros ejemplos de mezclas heterogéneas son el agua y el aceite, la ensalada y el granito, un tipo de roca.
Las mezclas se pueden separar en sus componentes a través de medios físicos. Si tuvieras una mezcla de pequeñas piezas de hierro y arena, puedes retirar las
piezas de hierro al pasar un imán sobre la arena. Si tuvieras una mezcla de arena en agua, puedes separar la arena al verter el agua a través de un filtro. Las mezclas homogéneas son más difíciles de separar, pero aun así puedes usar medios físicos. Para separar azúcar disuelta en agua, puedes calentar el agua hasta que se evapore. El agua en estado líquido se transforma en un gas, y deja atrás las partículas de azúcar.
Esta muestra contiene diferentes tipos de nueces. Como cada puñado contiene una proporción diferente de nueces, la mezcla es heterogénea.
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Vida diaria: El calor puede provocar tanto cambios físicos como químicos. Existen diversas maneras de modificar la materia, y estos cambios pueden ser físicos o químicos. Con frecuencia se usa el calor para provocar un cambio. Piensa en derretir helado o mantequilla. La adición de calor es lo que hace que cada alimento se derrita o cambie de sólido a líquido. En estos casos, el calor provoca cambios físicos.
Sin embargo, el calor también puede provocar cambios químicos. Piensa en lo que sucede cuando cocinas un huevo. Normalmente, las partes internas de un huevo, la clara y la yema, son casi en su totalidad líquidas. Sin embargo, cuando añades calor suficiente, la clara y la yema se vuelven sólidas. El calor vuelve a organizar los átomos que componen las moléculas del huevo, y esto da como resultado nuevas sustancias.
Otro ejemplo de cómo el calor puede provocar cambios físicos y químicos ocurre cuando encendemos una vela. La cera de vela es un compuesto simple formado por átomos de carbono (C) y átomos de hidrógeno (H). A medida que la vela se quema, la cera se calienta y se derrite: un cambio físico. Al mismo tiempo, el carbono y el
hidrógeno en la cera que se derrite provocan una reacción con los átomos de oxígeno (O) presentes en el aire. Como resultado de esta reacción química, la cera se transforma en dióxido de carbono (CO2)
y agua (H2O). Como se forman nuevas moléculas, encender una vela
también produce cambios químicos.
Antes de que se añada calor, la clara y la yema de un huevo son líquidas (izquierda). La cocción del huevo provoca un cambio químico, que da como resultado nuevas sustancias sólidas (derecha).
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¿Qué tanto sabes?
La materia existe en diferentes formas. Examina los tipos de materia en el siguiente recuadro. Decide si cada opción es una sustancia pura o una mezcla. Escribe tus respuestas en la tabla que se presenta a continuación de la lista. Si la sustancia es una mezcla, identifica si es una mezcla homogénea o una mezcla heterogénea.
Tipos de materia
• Un vaso de té frío con hielo • Papel aluminio
• Ácido acético y agua
• Latón (una aleación de cobre y zinc) • Dióxido de carbono • Oro • Té en infusión • Aire • Tierra • Agua destilada
• Sopa de pollo con fideos • Leche
Sustancia pura Mezcla
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Movimiento en los tres estados de la materia
Para ayudar a su hijo a aprender más acerca de la manera en que los átomos y las
moléculas se comportan en sólidos, líquidos y gases, reúna un pequeño frasco de vidrio y un conjunto de objetos pequeños y redondos (como canicas, uvas, pompones o cojinetes de bolas). Pida a su hijo que elabore una tabla como esta:
Estado de la
materia Imagen Movimiento (Energía) Interacciones
Sólido Líquido Gaseoso
Para ilustrar cómo las partículas se comportan en un sólido, su hijo debe llenar el recipiente de vidrio por completo con los objetos pequeños. Su hijo debe dibujar una imagen de las partículas de un sólido en la segunda columna y describir el movimiento de las partículas en la tercera columna. En la última columna, su hijo debe describir cómo interactúan las partículas en un sólido entre sí. (Puede agitar el frasco de vidrio para ilustrar cómo interactúan las partículas).
A continuación, su hijo debe retirar alrededor de un tercio de los objetos pequeños del frasco y luego agitar el frasco para ilustrar cómo se mueven las partículas en un líquido. Su hijo también debe completar la hilera de la tabla correspondiente a las partículas en un líquido. Por último, su hijo debe retirar casi todos los objetos pequeños del frasco y agitar el frasco para ilustrar cómo se mueven las partículas en un gas. Su hijo también debe completar la última hilera de la tabla correspondiente a las partículas en un gas.
Estas son algunas preguntas sobre las que puede comentar con su hijo:
• ¿Cómo interactúan las partículas cercanas en un sólido? ¿Y en un líquido? ¿Y en un gas?
• ¿Cómo se mueven las partículas en un sólido? ¿Y en un líquido? ¿Y en un gas?
• ¿Cómo difiere la energía de las partículas entre sí en cada estado? ¿En qué estado las partículas tienen el mayor nivel de energía? ¿Cómo lo sabes?
