El compañero que se sienta junto a vosotros está constituido por materia, lo mismo que la silla en la que se sienta, la mesa que usa para escribir y las hojas de papel que emplea para tomar apuntes. Reciben el nombre de cuerpos a una porción de materia, delimitada por unas fronteras definidas, como un folio, el lápiz o la goma de borrar; varios cuerpos constituyen un sistema material.
Aunque todos los cuerpos están formados por materia, la materia que los forma no es igual, ya que hay distintas clases de materia: la materia que forma el papel es distinta de la que forma el agua que bebemos o de la que constituye el vaso que contiene el agua. La materia que forma el asiento de la silla es distinta de la que forma sus patas o de la que forma el suelo en el que se apoya. Cada una de las distintas formas de materia que constituyen los cuerpos recibe el nombre de sustancia. El agua, el vidrio, la madera, la pintura ... son distintos tipos de sustancias.
En esta unidad estudiaremos las propiedades de la materia, los estados de agregación en que se presenta y, finalmente, la forma de materia más fácil de estudiar.
Propiedades de la materiaEstados de agregación
Los gases
La materia ¿Que es?
Todo lo que podemos ver y tocar es materia. También son materia cosas que no podemos ver, como el aire.
Observamos que la materia ocupa una cierta porción de espacio que llamamos volumen.
Esta es una propiedad general de la materia: la materia ocupa volumen.
Otra propiedad esencial es que la materia tiene masa, lo que comprobamos cada vez que pesamos distintos objetos con una balanza.
No sólo lo que está a nuestro alcance es materia. También es materia lo que constituye los planetas, el Sol y las demás las estrellas, las galaxias... Y a escala microscópica, son también materia las células, los virus, el ADN...
Podemos decir que es materia todo lo que ocupa volumen y tiene masa. La materia forma todos los cuerpos del universo.
Las propiedades de la materia:Casi siempre que miramos a nuestro alrededor, podemos distinguir las distintas clases de materia que forman los cuerpos que nos rodean. Así distinguimos la madera, el plástico y la pintura de la silla que usamos para sentarnos, el vidrio y el aluminio de la ventana, etc. Sabemos que todas esas sustancias son materia y que cada una de ellas es distinta a las demás. Si todas son materia, han de tener algo en común, alguna propiedad que nos permite afirmar que todas ellas son materia. Por otro lado, como podemos distinguir una sustancia de otra, también debe haber algo que nos permite diferenciarlas. Ese algo que nos permite identificar y distinguir las cosas recibe el nombre de propiedad. Propiedad es una característica o atributo de un objeto o una sustancia que nos permite clasificarla como igual o distinta a otra.
Las propiedades generales son aquellas que poseen todos los tipos de materia y, por eso, nos permiten saber qué cosas son materia y que cosas no lo son. Las propiedades características son aquellos atributos que nos permiten distinguir un tipo de materia de otro.
La masa Hemos definido como materia todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. En el sistema métrico, las unidades utilizadas para medir la masa son, normalmente, los gramos, kilogramos o miligramos. Aunque la unidad fundamental de masa es el kilogramo, el sistema de múltiplos y submúltiplos se estableció a partir del gramo:
1 Kilogramo (Kg) = 1000 gramos (103 g) y 1 miligramo (mg) = una milésima de gramo (10-3 g)
Hablando con propiedad, hay que distinguir entre masa y peso. Masa es una medida de la cantidad de materia de un objeto; peso es una medida de la fuerza gravitatoria que actúa sobre el objeto.
Para medir la masa de los objetos se utilizan balanzas. Uno de los tipos más utilizados en el laboratorio es la balanza de platillos, que permite hallar la masa desconocida de un cuerpo comparándola con una masa conocida, consistente en un cierto número de pesas.
Consta de un soporte sobre el que se sostiene una barra de la que cuelgan dos platillos. En el punto medio de la barra se halla una aguja llamada fiel.
El objeto que se quiere pesar se coloca en uno de los platillos y se van colocando pesas de masa conocida en el otro platillo hasta que el fiel indica que la balanza está equilibrada.
El volumen
Es la cantidad de espacio que ocupa un cuerpo.
El volumen es una magnitud física derivada. La unidad para medir volúmenes en el Sistema Internacional es el metro cúbico (m3) que corresponde al espacio que hay en el interior de un cubo de 1 m de lado. Sin embargo, se utilizan más sus submúltiplos, el decímetro cúbico (dm3) y el centímetro cúbico (cm3). Sus equivalencias con el metro cúbico son:
1 m3 = 1 000 dm3
1 m3 = 1 000 000 cm3
Para medir el volumen de los líquidos y los gases también podemos fijarnos en la capacidad del recipiente que los contiene, utilizando las unidades de capacidad, especialmente el litro (l) y el mililitro (ml). Existe una equivalencias entre las unidades de volumen y las de capacidad:
1 l = 1 dm3 1 ml= 1 cm3
En química general el dispositivo de uso más frecuente para medir volúmenes es la probeta. Cuando se necesita más exactitud se usan pipetas o buretas.
Las probetas son recipientes de vidrio graduados que sirven para medir el volumen de líquidos (leyendo la división correspondiente al nivel alcanzado por el líquido) y sólidos (midiendo el volumen del líquido desplazado por el sólido, es decir la diferencia entre el nivel alcanzado por el líquido solo y con el sólido sumergido).
La densidad
La densidad de una sustancia es el cociente entre la masa y el volumen:
Densidad = Masa/Volumen d = m/V
La masa y el volumen son propiedades generales o extensivas de la materia, es decir son comunes a todos los cuerpos materiales y además dependen de la cantidad o extensión del cuerpo. En cambio la densidad es una propiedad característica, ya que nos permite identificar distintas sustancias. Por ejemplo, muestras de cobre de diferentes pesos 1,00 g, 10,5 g, 264 g, ... todas tienen la misma densidad, 8,96 g/cm3.
La densidad se puede calcular de forma directa midiendo, independientemente, la masa y el volumen de una muestra.
La temperatura
La Temperatura es una propiedad de la materia que está relacionada con la sensación de calor o frío que se siente en contacto con ella. Cuando tocamos un cuerpo que está a menos temperatura que el nuestro sentimos una sensación de frío, y al revés de calor. Sin embargo, aunque tengan una estrecha relación, no debemos confundir la temperatura con el calor.
Cuando dos cuerpos, que se encuentran a distinta temperatura, se ponen en contacto, se produce una transferencia de energía, en forma de calor, desde el cuerpo caliente al frío, esto ocurre hasta que las temperaturas de ambos cuerpos se igualan. En este sentido, la temperatura es un indicador de la dirección que toma la energía en su tránsito de unos cuerpos a otros.
La medida
El instrumento utilizado habitualmente para medir la temperatura es el termómetro. Los termómetros de líquido encerrado en vidrio son los más populares; se basan en la propiedad que tiene el mercurio, y otras sustancias (alcohol coloreado, etc.), de dilatarse cuando aumenta la temperatura. El líquido se aloja en una burbuja -bulbo- conectada a un capilar (tubo muy fino). Cuando la temperatura aumenta, el líquido se expande por el capilar, así, pequeñas variaciones de su volumen resultan claramente visibles.
Escalas
Actualmente se utilizan tres escalas para medir al temperatura, la escala Celsius es la que todos estamos acostumbrados a usar, la Fahrenheit se usa en los países anglosajones y la escala Kelvin de uso científico.
Nombre Símbolo Temperaturas de referencia Equivalencia
Escala Celsius ºC Puntos de congelación (0ºC) y ebullición del agua (100ºC)
Escala Fahrenhit ºF Punto de congelación de una mezcla anticongelante de agua y sal y temperatura del cuerpo humano. ºF = 1,8 ºC + 32
Escala Kelvin K Cero absoluto (temperatura más baja posible) y punto triple del agua. K = ºC + 273
Estados de agregación
Aunque hemos visto que no toda la materia es igual, sino que está compuesta por diferentes sustancias con distintas propiedades características, toda la materia que vemos se presenta en tres formas distintas o estados de agregación: sólido, líquido o gaseoso.
Sin embargo, el estado de agregación de una sustancia no es fijo, sino que depende de la temperatura a la que se encuentre. Así, normalmente el agua la vemos en estado líquido, pero si la metemos en el congelador, al bajar la temperatura por debajo de los 0 ºC, se congela y se convierte en hielo, que es agua en estado sólido. Si por el contrario la calentamos al fuego, hierve y se convierte en vapor de agua, se transforma al estado gaseoso. El punto de fusión y el punto de ebullición, propiedades características de las sustancias, son justamente las temperaturas a las que cambian de estado las diferentes sustancias.
Las sustancias sólidas se caracterizan porque tienen un volumen y una forma determinada. Hacer que modifiquen su forma suele ser difícil: son indeformables, aunque algunos son relativamente elásticos.
Esto se debe a la estructura interna de las moléculas, átomos o iones que constituyen el sólido. Como las fuerzas intermoleculares son muy intensas, estas partículas están ordenadas espacialmente, fijas en unas posiciones determinadas. Por eso se dice que tienen una estructura interna cristalina.
A veces, esa estructura interna cristalina se manifiesta externamente como una figura geométrica: un poliedro más o menos perfecto: son los sólidos cristalizados o cristales. En la naturaleza estos se presentan como minerales, algunos de los cuales podrás ver si pulsas sobre la imagen pequeña de la izquierda.
Los vidrios y plásticos carecen de estructura interna cristalina, se dice que son sustancias amorfas y no se consideran sólidos sino líquidos con viscosidad (resistencia a fluir, debida al rozamiento entre sus moléculas) muy alta, tan alta que no pueden fluir y por eso presentan siempre la misma forma como si fueran sólidos.
En un líquido, las fuerzas intermoleculares son lo bastante intensas como para impedir que las partículas que forman el líquido se separen, pero no tienen el suficiente poder para mantenerlas fijas. Por eso, aunque los líquidos tienen un volumen constante, su forma no es fija, se adaptan al recipiente en el que están ubicados.
En el interior del líquido, todas las moléculas están rodeadas por otras moléculas de líquido que la atraen, como todas las fuerzas de atracción son iguales, es como si no se ejerciera ninguna fuerza sobre ella, por lo que puede moverse libremente. En la superficie, las moléculas sólo están rodeadas por el interior del líquido y por su superficie, así que hay una fuerza neta sobre ellas que se manifiesta en la tensión superficial, la fuerza mantiene unida la superficie del líquido y hace que ésta se comporte como una lámina que hay que romper para penetrar en el líquido. Debido a la fortaleza de la tensión superficial, entrar en el seno del líquido cuesta algún trabajo y algunos insectos pequeños pueden moverse por la superficie del líquido sin hundirse en él. Es el caso del zapatero, una chinche acuática muy común en los estanques y aguas tranquilas de Europa.
En un gas, las fuerzas intermoleculares son muy débiles, por lo que las moléculas del gas no se unen unas a otras, sino que se encuentran separadas, moviéndose al azar. Por esto, un gas no tiene una forma ni un volumen fijo, adoptan la forma del recipiente que los contiene y ocupan todo su volumen.
Los gases
Aunque vivimos inmersos en un gas, el aire que forma la atmósfera, pocas veces reparamos en él. Otro tanto ocurre con la mayoría de los gases que se nos presentan diariamente: el vapor de agua al cocinar, el dióxido de carbono que se forma en la combustión o el butano que sale de la cocina: normalmente no se ven y si uno se fija en ellos, al final se mezclan con el aire y parece que desaparecen. El primer científico que se fijó en los gases, e incluso inventó la palabra gas fue el filósofo belga Van Helmont
GRAN PREGUNTA
Después de haber investigado sobre la materia podemos planteranos la siguiente Gran Pregunta:
¿ Crees que nos sirve de algo estudiar la materia y sus propiedades ? ¿ Por qué ?
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LA ENERGÍA
Al mirar a nuestro alrededor se observa que las plantas crecen, los animales se trasladan y que las máquinas y herramientas realizan las más variadas tareas. Todas estas actividades tienen en común que precisan del concurso de la energía.
La energía es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza.
La energía se manifiesta en los cambios físicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo.
La energía está presente también en los cambios químicos, como al quemar un trozo de madera o en la descomposición de agua mediante la corriente eléctrica.
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