Propiedades y cambios de la materia Septiembre 2011

Propiedades y cambios de la materia
Septiembre 2011
Contenido
Página
Propiedades y cambios de la materia
Introducción
1. Propiedades de la materia: extensivas e intensivas, físicas y químicas
4
4
5
1.1 Materia
5
1.2 Propiedades de la materia
6
1.2.1 Propiedades extensivas
6
1.2.2 Propiedades intensivas
6
1.2.3 Propiedades físicas
7
1.2.4 Propiedades químicas
8
1.3 Estados de agregación de la materia
1.4 Cambios de estado
2. Características de los cambios físicos, químicos y nucleares de la materia
9
10
12
2.1 Cambio físico
12
2.2 Cambio químico
12
2.3 Cambio nuclear
13
Referencias
15
PROPIEDADES Y CAMBIOS DE LA MATERIA
Introducción
Alguna vez has reflexionado sobre la química como la ciencia que estudia las
características, propiedades y transformaciones de la materia? En tales transformaciones,
la química se encarga de examinar sus efectos y establecer los principios o las leyes que
rigen su interacción con la materia.
Nuestro objetivo en este material, es ayudarte a que aprendas los principios
básicos de la interacción entre materia y energía, y los utilices para conocer cómo
funciona el planeta en el que vives y para que tomes conciencia de tu actitud en su
conservación.
El mapa conceptual que tienes a continuación puede ayudarte a entender mejor
los contenidos de este material.
Propiedades y
cambios de la materia
Entendiendo el concepto de
Materia
Conoce sus
Propiedades
Pueden ser
extensivas
intensivas
químicas
físicas
Cambios de la materia
Se clasifican en
Cambio físico
Cambio químico
Cambio nuclear
Química I
Propiedades y cambios de la materia
1. Propiedades de la materia: extensivas e intensivas, físicas y químicas
1.1 Materia
Propiedades de la materia: extensivas e intensivas,
físicas y químicas
Materia
Si el campo de la química es la materia, entonces ¿Qué es la materia? La materia es todo
lo que ocupa un lugar en el espacio, tiene masa y es susceptible de experimentar cambios
físicos y químicos.
En el universo y, en general, en el entorno, la materia se presenta como una mezcla; son
pocos los casos en los que se encuentra en forma pura. Se presenta en los tres estados
físicos (sólido, líquido y gas), aunque existe un cuarto estado llamado plasma.
Independientemente de su estado físico, la materia puede ser heterogénea y homogénea.
La heterogénea no es uniforme en su composición ni en sus propiedades; por su parte, la
homogénea sí es uniforme en su composición y en sus propiedades.
La materia homogénea se divide en sustancias puras y mezclas homogéneas. Una
sustancia pura se caracteriza porque su composición y propiedades son definidas y
constantes. Ejemplo: agua, sal, azúcar y oro.
Las mezclas homogéneas, también llamadas disoluciones, se caracterizan por tener una
composición y propiedades uniformes en todas sus partes. Ejemplo: aire no contaminado,
vinagre, latón y refrescos.
Las sustancias puras se clasifican en compuestos y elementos. Un compuesto es una
sustancia pira que se puede descomponer en dos o más sustancias simples usando
métodos químicos. Por ejemplo, si adicionamos ácido sulfúrico a una muestra de azúcar,
la descompone en carbono y agua.
Un elemento es una sustancia pura que no se puede descomponer en sustancias
más simples utilizando métodos químicos. Ejemplo: oxígeno, carbono, aluminio, oro.
Los elementos están constituidos por átomos. Los átomos son las partículas más
pequeñas de un elemento que puede existir y sin dejar de ser ese mismo elemento.
Química I
Propiedades y cambios de la materia
1. Propiedades de la materia: extensivas e intensivas, físicas y químicas
1.2 Propiedades de la materia
1.2.1 Propiedades extensivas
1.2.2 Propiedades intensivas
1.2.3 Propiedades físicas
1.2.4 Propiedades químicas
Propiedades de la materia
La materia es todo lo que se encuentra en el universo y se compone de partículas
elementales. Se organiza en niveles; el más complejo consiste en la agrupación de
moléculas y éstas, a su vez, de átomos.
Propiedades extensivas
Son aquellas propiedades comunes a toda clase de materia y dependen de la cantidad de
masa que el cuerpo posee. Como ejemplos de propiedades extensivas, mencionemos las
siguientes:
Masa. Cantidad de materia contenida en los cuerpos.
Inercia. Propiedad que poseen los cuerpos de mantener su estado de reposo o de
movimiento hasta que una fuerza externa los obligue a cambiar.
Peso. Fuerza con la que la Tierra atrae los cuerpos por acción de la gravedad.
Impenetrabilidad. Resistencia que opone un cuerpo a que otro ocupe simultáneamente
su lugar; ningún cuerpo puede ocupar a la vez el lugar de otro.
Volumen. Espacio que ocupa un cuerpo.
Divisibilidad. La materia puede dividirse hasta cierto límite, que puede ser microscópico o
macroscópico.
Elasticidad. Propiedad que tiene los cuerpos de cambiar de forma cuando son afectados
por una fuerza, recobrando la original cuando tal fuerza ha cesado.
Propiedades intensivas
También se denominan específicas, y no dependen de la cantidad de masa que posee un
cuerpo, sino que corresponden a una sustancia determinada y sirven para identificarla y
distinguirla del resto. Mencionemos algunos ejemplos:
Punto de ebullición. Temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido se iguala
con la presión atmosférica; por ejemplo, el agua posee un punto de ebullición
–y de congelación– específico que sirve, entre otras cosas, para distinguirla de
cualquier otra sustancia que pudiera tener una apariencia similar, como el etanol.
Química I
Propiedades y cambios de la materia
1. Propiedades de la materia: extensivas e intensivas, físicas y químicas
1.2 Propiedades de la materia
1.2.1 Propiedades extensivas
1.2.2 Propiedades intensivas
1.2.3 Propiedades físicas
1.2.4 Propiedades químicas
Punto de fusión. Temperatura a la cual los cuerpos en estado sólido pasan
al estado líquido (figura 1).
Densidad. No cambia su valor cuando aumenta o disminuye la cantidad de
masa, por ejemplo, podemos determinar la densidad del agua tomando una
muestra de un gramo o una tonelada: el valor será, con el margen de error,
el mismo.
En el cuadro 1, se observa que cada sustancia se distingue por su punto de fusión y de
ebullición; por ello, ambas características se clasifican como propiedades intensivas.
CUADRO 1. PUNTOS DE FUSIÓN Y DE EBULLICIÓN DE ALGUNAS SUSTANCIAS
Sustancia
Punto de fusión (°C)
Punto de ebullición (°C)
Agua
0
100
Alcohol
-117
78
Aluminio
660
2400
Cobre
1083
2600
Hierro
1539
2750
Mercurio
-39
357
Plomo
328
1750
Propiedades físicas
Son aquellas relacionadas con el aspecto de las sustancias y con su comportamiento físico,
es decir, cuando no hay transformación en la estructura interna de la materia. Dentro de
las propiedades físicas, además de los puntos de ebullición y de fusión, se incluyen:
Propiedades organolépticas. Son aquellas que se distinguen con los órganos de
los sentidos: color, olor, sabor y textura.
Densidad. Relación masa-volumen de un cuerpo y se expresa con la fórmula
ρ = m/v, donde: ρ = densidad, m = masa y v = volumen. Las masas de las muestras
no cambian al aumentar o disminuir la temperatura.
Química I
Propiedades y cambios de la materia
1. Propiedades de la materia: extensivas e intensivas, físicas y químicas
1.2 Propiedades de la materia
1.2.1 Propiedades extensivas
1.2.2 Propiedades intensivas
1.2.3 Propiedades físicas
1.2.4 Propiedades químicas
Sin embargo, los volúmenes de los sólidos y de la mayor parte de los líquidos cambiar al
elevarse su temperatura; por esa razón se acostumbra expresar los valores de densidad
anotando a qué temperatura se ha efectuado la medición.
Solubilidad. Para sustancias sólidas se define como masa (g) la que satura 100 g de
disolvente a una temperatura y presión determinadas.
Calor específico. Capacidad de una sustancia para almacenar energía interna en forma de
calor. Su valor es específico para cada sustancia y se determina de forma experimental.
Para el agua, se debe suministrar 1 caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura
en 1 °C.
Propiedades químicas
Son aquellas que se observan sólo cuando la sustancia experimenta un cambio en su
composición. Este tipo de propiedades describen la capacidad de una sustancia para
reaccionar con otras, como su capacidad de arder en presencia de oxígeno, de sufrir
descomposición por acción del calor o de la luz solar, con qué tipo de sustancias reacciona
y qué sustancias se obtienen de la reacción.
Por ejemplo, una propiedad química del hierro es que a temperatura ambiente se
combina con el oxígeno del aire para formar una sustancia nueva conocida como óxido de
hierro. El carbón o gasolina tienen la propiedad química de arder en presencia de oxígeno,
formando así otros tipos de sustancias como el bióxido de carbono y el agua. En el caso
del peróxido de hidrógeno, también conocido como agua oxigenada, una de sus
propiedades químicas es que se descompone por acción de la luz solar, por lo que se debe
almacenar en recipientes que lo protejan de ésta.
Química I
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1. Propiedades de la materia: extensivas e intensivas, físicas y químicas
1.3 Estados de agregación de la materia
Estados de agregación de la materia
Se dice estado de agregación a las distintas maneras en el cual los átomos o partículas se
agregan o se juntan. Es evidente que no todas las sustancias de la naturaleza se presentan
en el mismo estado de agregación-sólido, líquido y gaseoso-. La teoría cinético-molecular
nos ayuda a entender la razón por la cual se puede pasar de un estado de agregación a
otro. De acuerdo con esta teoría, las moléculas o los átomos que componen un cuerpo se
encuentran, según su temperatura y presión, más o menos separadas y en constante
movimiento.
La materia en estado sólido tiene forma y volumen definidos. Esto se debe a que las
partículas que la constituyen, ya sean átomos, moléculas o iones, están estrechamente
empaquetados y unidos gracias a una fuerza interna de atracción llamada cohesión.
En el estado líquido, la materia adopta la forma del recipiente que lo contiene y ocupan
un volumen fijo. La fuerza de unión ente las partículas es menor que en el estado sólido.
Sin embargo, se encuentran muy próximas unas de otras. Algunas características de los
líquidos son la viscosidad, la miscibilidad, la volatilidad, la tensión superficial, etcétera.
El estado gaseoso es aquel en el cual la materia no tiene forma definida ni volumen fijo.
Los gases ocupan todo el volumen del recipiente que lo contiene. En un gas no existe
fuerza de atracción entre las partículas, lo que les permite estar separadas, desordenadas
y moverse libremente por todo el volumen del recipiente que lo contiene. Algunas de sus
propiedades son la difusión, la compresión y la expansión.
El plasma es el estado físico menos común en el universo, pero menos común en la
Tierra. El sol y otras estrellas están formados por plasma. El plasma es un gas ionizado
(especie química con carga eléctrica) que se forma a temperatura muy elevadas
superiores a los 50 millones de grados centígrados, cuando la materia absorbe energía y
se separa formando iones positivos y electrones, o en algunas ocasiones, núcleos
atómicos y electrones libres. Tanto en el sol como en las estrellas, la energía
que ioniza los gases se produce como consecuencia de una fusión nuclear.
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1. Propiedades de la materia: extensivas e intensivas, físicas y químicas
1.4 Cambios de estado
Cambios de estado
El aumento o la disminución de la temperatura provocan, en la mayoría de los casos, el
paso de un estado de agregación a otro.
El proceso de los cambios de estado de la materia se explica a continuación (figura 2).
Fusión: es el cambio del estado sólido al líquido. Cuando se eleva la temperatura de un
sólido debido a la aplicación de calor, parte de la energía calórica aplicada es absorbida
por las partículas que los constituyen, haciendo que se muevan, más rápido y provocando
una disminución en la fuerza que las mantenía unidas. A medida que se suministra más
calor, la energía de las partículas también aumenta hasta alcanzar el punto de fusión del
sólido, que es la temperatura a la cual éste se convierte en líquido.
Evaporación: es el cambio de un líquido a gas. Si a un líquido se le incrementa su
temperatura por la adición de calor, la energía de las partículas que los constituyen
se incrementa al grado de vender la fuerza de atracción que las mantenía unidas en el
estado líquido, escapan hacia el espacio que está arriba del líquido y se convierte
en gas.
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1. Propiedades de la materia: extensivas e intensivas, físicas y químicas
1.4 Cambios de estado
Sublimación: es el cambio directo de un sólido a gas, sin pasar por el estado líquido.
Es una característica de ciertos sólidos, donde mediante un calentamiento sus
partículas adquieren la energía suficiente para romper la fuerza de unión en el
estado sólido y pasar al estado gaseoso.
Sublimación regresiva (depositación): es el cambio directo de un gas a sólido sin pasar
por el estado líquido. Mediante este proceso las partículas en el estado gases liberan su
energía de movimiento reagrupándolos nuevamente para formar el sólido. Un ejemplo de
desopilación es la formación de hielo o de nieve a partir del vapor de agua de las nubes. Es
el proceso inverso a la sublimación.
Condensación: es el cambio de un gas a líquido. Es el proceso inverso a la evaporación en
el cual disminuye la energía de movimiento de las partículas gaseosas, lo que provoca que
estén más cerca unas de otras y formen el estado líquido. Un ejemplo de condensación es
la formación del rocío que se observa por las mañanas.
Solidificación: también conocido como congelación; es el cambio de un líquido a sólido.
Cuando un líquido se enfría, la energía de movimiento de las partículas disminuye al grado
de quedar demasiado juntas, lo que origina una fuerza de unión entre ellas y forma el
estado sólido.
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2. Características de los cambios físicos, químicos y nucleares de la materia
2.1 Cambio Físico
2.2 Cambio Químico
2.3 Cambio Nuclear
Características de los cambios físicos, químicos y
nucleares de la materia
En nuestra vida diaria invariablemente están sucediendo cambios. Observamos cómo
algunos alimentos se alteran por falta de refrigeración; las frutas se descomponen; la
leche se puede fermentar para hacer yogur; el gas doméstico arde; el agua se evapora; las
estructuras de hierro se oxidan. En fin, toda la materia se transforma continuamente.
Todos los cambios que experimenta la materia, en ocasiones también llamados
fenómenos, se clasifican en tres categorías: físicos, químicos y nucleares.
Cambio físico
Un cambio físico no cambia la naturaleza íntima de las sustancias, sino sólo su forma,
posición, tamaño y estado de agregación. Por ejemplo, cuando el agua al hervir pasa del
estado líquido al estado de vapor, sigue siendo la misma sustancia y puede regresar al
estado inicial sin alterarse. Otro ejemplo es la manteca de cerdo; si se caliente se funde y
cambia al estado líquido, pero si se deja enfriar, regresa al estado sólido y otro ejemplo
puede ser el yodo que en condiciones normales se encuentra en estado sólido y al
calentarse pasa directamente al estado gaseoso.
En un cambio físico las propiedades de la materia se conservan.
Cambio químico
Si partes una manzana a la mitad y la deja expuesta al ambiente, ¿qué sucede? ¿A qué
crees que se deba? Cuando ingerimos alimentos, ¿qué sucede con ellos en tu organismo?
Cuando te administran un medicamento, ¿qué crees que suceda con él y con el
sitio donde actúa?
Química I
Propiedades y cambios de la materia
2. Características de los cambios físicos, químicos y nucleares de la materia
2.1 Cambio Físico
2.2 Cambio Químico
2.3 Cambio Nuclear
Los casos anteriores sólo son algunos ejemplos de cambios químicos. Como puedes
observar, éstos pueden estar incluidos tanto en situaciones cotidianas como en procesos
complejos, como la acción de los fármacos sobre los organismos.
El francés Antoine Lavoisier realizó mediciones de cambios químicos en recipientes
sellados. Observó que la masa de los reactivos contenidos en el recipiente antes de una
reacción química era igual a la masa de los productos después de la reacción. Por ejemplo,
en un recipiente sellado, dos gramos de hidrogeno reaccionan siempre con 16 gramos de
oxígeno para formar 18 gramos de agua.
Cambio nuclear
Uno de los cambios que sufre la materia, y tal vez el que mpas ha sorprendido a la
humanidad, en parte por los efectos letales que causó la primera de sus aplicaciones en la
construcción de la “bomba atómica”, y por otro lado debido a la gran cantidad de energía
que libera, es el cambio nuclear, debido a una transformación que experimenta el núcleo
del átomo.
Albert Einstein, uno de los científicos más conocidos, fue el primero en considerar la
enorme cantidad de energía potencial disponible en el átomo. En 1905 desarrolló la
famosa ecuación de masa-energía: E = mc2
Donde E representa la energía, m la masa y c la velocidad de la luz.
En su ecuación, Einstein estableció que la masa y la energía son manifestaciones
equivalentes de una misma cosa: la materia.
La cantidad de energía liberada durante una reacción nuclear es enorme comparad con la
que se libera en una reacción química. Por ejemplo, el efecto devastador causado
por la energía que liberó la bomba atómica lanzada sobre la ciudad japonesa
Hiroshima el 6 de agosto de 1945 durante la Segunda Guerra Mundial fue un
efecto equivalente al de 12 500 toneladas de (TNT, trinitrotolueno).
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2. Características de los cambios físicos, químicos y nucleares de la materia
2.1 Cambio Físico
2.2 Cambio Químico
2.3 Cambio Nuclear
Los cambios nucleares son de dos tipos: por fisión y por fusión.
La fisión nuclear es el proceso en el que un núcleo atómico se desdobla en dos o más
fragmentos de menos tamaño.
Por su parte, la fusión nuclear es la combinación de dos núcleos atómicos pequeños para
producir uno más grande.
En la actualidad, el procesos de fisión nuclear es el que se lleva a cabo en las plantas
nucleoeléctricas. México cuenta con una de ellas, localizada en Laguna Verde, en el estado
de Veracruz. La fusión nuclear, debido a las condiciones en las cuales se debe realizar,
por el momento sólo se efectúa en el sol; sin embargo, se están haciendo estudios para
que tal vez en un futuro no lejano se pueda obtener energía mediante este tipo de
reacciones.
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Propiedades y cambios de la materia
Referencias
Landa, B. M., Beristain, B. B. (2011). Química 1. (2ª ed.) México: Saber Creativo.
Mora, G.V. (2010). Química 1. Desarrolla Competencias. (2ª ed.) México: ST Editorial.