La materia.


La química estudia las propiedades y transformaciones de la materia hasta el nivel atómico.  El objetivo de este artículo es hablar de los conceptos de materia y energía, ver las transformaciones de la materia, extendernos un poco en las formas en las que se encuentra la materia, introduciremos curvas de solubilidad y finalmente hablaremos de métodos para descomponer compuestos y separar mezclas.

Materia y energía:

materia y energía

En la imagen se muestra la famosa ecuación de Albert Einstein, que expresa como la materia se puede transformar en energía y la energía se puede transformar en materia. Esta ecuación es una equivalencia y no una forma de energía.

 

Materia:

  • La materia es todo aquello que nos rodea.

http://su.doku.es/wp-content/images/200705/silla_puzzle.jpg

http://descubrirlaquimica.files.wordpress.com/2010/11/9515c-vaso_agua.jpg?w=169&h=213

Todo lo que nos rodea es materia: Unas sillas un vaso … Las dos imágenes que se muestran superiormente a este texto muestran formas de materia.

  • Se denomina materia todo aquello que tiene masa y que ocupa un lugar en el espacio, es decir un volumen.

Toda la materia tiene masa y volumen.

  • Las propiedades de la materia se clasifican en dos grupos: generales(masa y volumen) y específicas(color, dureza etc)
  • La materia se presenta en tres estados de agregación: sólido, líquido y gaseoso.
  • Cuando las partículas de una substancia ganan o pierden energía la substancia puede cambiar de estado. Cambios de estado:

En las siguientes imágenes se ilustran los cambios de estado de agregación:

 

De sólido a líquido: Fusión. De líquido a gas: vaporización. De sólido a gas: Sublimación. De gas a líquido: Condensación. De líquido a sólido: Solidificación. De gas a sólido: Sublimación inversa.

Un ejemplo de sublimación es el hielo seco que se utiliza por ejemplo en los conciertos.

hielo seco

HIELO SECO

Características de los estados de agregación:

Estados de agregación

En esta imagen se ven resumidas las características de los estados de agregación de un modo visual.

Gas:

-Masa fija a menudo muy pequeña para su gran volumen.

-No tiene un volumen fijo: puede ser comprimido. Tiende a ocupar el máximo volumen.

-No tiene forma fija: puede fluir (viento). Tiende a ocupar la forma del recipiente.

-Sus fuerzas de repulsión son mucho mayores que las de atracción.

-Difusión: Las partículas de un gas se mueven tan rápida y aleatoriamente (están en constante movimiento y su movimiento es de traslación) que se distribuyen en todas las direcciones hasta que encuentran la pared del recipiente que las contiene, esto es porque sus fuerzas de repulsión son mayores que las de atracción. Esta es la razón de que dos gases se mezclen por completo entre sí.

Teoría cinético-molecular:

Tanto las características de los estados de la materia como los procesos de cambio que en esta se suceden son explicados mediante la llamada teoría cinético – molecular que podemos resumir de la siguiente manera:

Una muestra gaseosa está constituida por un enorme número de partículas de tamaño muy pequeño y a unas distancias unas de otras mucho mayor que el citado tamaño. Las partículas se mueven en un movimiento rectilíneo y uniforme, caotico, y con choques perfectamente elásticos todo ello regido por unas fuerzas que pueden ser de atracción y de repulsión.

Esta imagen resume de un modo visual la teoría cinético – molecular. Se trata de una muestra gaseosa en un recipiente y las partículas chocando entre ellas, con choques perfectamente elásticos y con un M.R.U caótico. Todo ello regido por unas fuerzas de atracción y repulsión.

Para expresar correctamente su estado de la  materia hay que definir la presión, el volumen y la temperatura.

Líquido:

- Sus partículas tienen movimientos de traslación.

-Masa fija.

-Volumen fijo: incompresible.

-Tiende a ocupar la forma del recipiente. Sus fuerzas de atracción y repulsión son semejantes.

-Fluible.

-Sus fuerzas de atracción son equivalentes a las de repulsión.

Para determinar el estado de materia sólo necesitamos la temperatura.

Sólido:

-Sus partículas vibran.

-Masa fija.

-Volumen fijo.

-Incompresible.

-Sus fuerzas de atracción son mucho mayores que las de repulsión.

-Forma fija.

-Es incompresible e influible.

-Pueden ser cristalinos(enfriamiento lento, las partículas han tenido tiempo de formar redes ordenadas) y amorfos “polvos” (enfriamiento rápido, las partículas no han tenido tiempo de ordenarse).

Sus fuerzas de atracción son mayores que las de repulsión.

Para determinar el estado de materia sólo necesitamos la temperatura.

Puntos de fusión y ebullición: Temperaturas a las que las sustancias puras cambian de estado. Se utilizan para: reconocer sustancias y para comprobar la pureza.

Sublimación – Sólido a gas – Hielo seco (yodo – CO2).

Energía:

  • Capacidad de realizar trabajo.
  • Energía cinética: Energía asociada al movimiento. Matemáticamente se puede expresar como 1/2mv^2.
  • Energía potencial: Energía asociada a la posición. Matemáticamente se puede expresar como mgh.
energía cinética y energía potencial

En esta imagen se ilustran los conceptos de energía cinética y energía potencial. En los extremos de la rampa el patinador, tiene energía potencial, ya que está a una altura, pero no tiene energía cinética porque no está en movimiento. En el medio de la rampa posee energía cinética ya que está en movimiento pero no posee energía potencial ya que está “en altura 0″.

 

  • Otras clases de energía: Térmica, sonora, luminosa, química, nuclear. Son formas o bien de energía cinética o bien de energía potencial. Dependen o del movimiento o de la posición de las partículas.
  • Calor en una sustancia es la suma de las energías cinéticas de todas las partículas que la componen.
  • Temperatura – Medida de la energía cinética de las partículas en la misma. En una sustancia caliente, las partículas tienen más energía cinética que en una sustancia fría.

Las interacciones de la materia y la energía:

  • Plantas de energía química: Se aplican calor y presión a materias primas como el petróleo crudo para transformarlos en sustancias útiles que necesitamos.

En la imagen se muestra una planta petrolífera.

  • Centrales eléctricas: Reaccionar los combustibles con el aire. La energía potencial almacenada en el combustible se libera como energía cinética (calor) que se utiliza para trabajar generando electricidad.

En la imagen se muestra una central solar térmica y un poco el esquema de su funcionamiento.

Sistemas químicos:

 Son las proporciones de materia que se someten a estudio. Cada una de las partes homogéneas que presenta un sistema químico se denomina fase. Las fases pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas. Atendiendo al número de fases pueden ser homogéneos o heterogeneos.

  • Sistemas homogéneos: Presentan una única fase. Por ejemplo cobre.

En la imagen se muestra un cable de cobre.

  • Sistemas heterogéneos: Se distinguen varias fases. Por ejemplo mezcla de aceite y agua.

En la imagen se muestra un sistema heterogéneo de agua y aceite.

Elementos, sustancias, mezclas y compuestos:

-Elementos:

http://descubrirlaquimica.files.wordpress.com/2010/11/d158a-tabla_periodica.png?w=691&h=506

Los elementos que se conocen se encuentran todos en el sistema periódico.

Constituido por una sola clase de átomos (átomos semejantes), no pudiéndose separar en otras substancias más sencillas. Hay dos clases principales:

Metales:

  • Propiedades físicas: Conductores de electricidad, dúctiles y maleables(doblados y moldeados).
  • Propiedades químicas: Forman óxidos básicos, forman cationes(cuando cambia el número de protones de un átomo y es positivo).

No metales:

  • Propiedades físicas: Aislantes y frágiles(se parten cuando se sobrecargan o someten a tensiones).
  • Propiedades químicas: Forman óxidos ácidos (no metálicos) y forman aniones (cuando cambia el número de protones de un átomo y es negativo).
  • Cantidades relativas en la corteza terrestre:El oxígeno no metal más abundante, el aluminio es el metal más abundante, el carbono forma la mayoría de los compuestos.

-Sustancias químicas:

Son un tipo de materia con unas propiedades características bien definidas. Por ejemplo el azufre, el cobre, el agua y el dióxido de carbono son sustancias químicas. Las sustancias pueden ser puras simples o elementos(Es la constituída por átomos semejantes, no pudiendose separar en otras más sencillas por ejemplo carbono, oro y plata) puras compuestas o compuestos químicos (está constituido por moléculas semejantes que se pueden descomponer en otres más sencillas por métodos químicos tradicionales). Citamos como propiedades características la densidad, la temperatura de fusión, la temperatura de ebullición etc.

-Mezclas :

Son generadas por cambios físicos (garbanzos y lentejas), las propiedades originales permanecen intactas, poseen composiciones variables, no existe cambio energético en el proceso de mezcla, se separan por cambios físicos,  están constituidas por elementos y compuestos. Constan de dos o más sustancias denominadas componentes de la mezcla. Existen dos tipos de mezclas:

1. Homogéneas o disoluciones: Presentan una única fase.

  • Se reconocen porque son transparentes, se puede ver a través de ellas.
  • Son homogéneas y uniformes.
  • Está formada por dos o más substancias puras:

- Soluto: Componente que se encuentra en menor proporción (generalmente en estado sólido).

- Disolvente: Componente más abundante en la disolución(generalmente en estado líquido).

En la imagen se muestran moléculas de agua y cristales iónicos de sal común (cloruro sódico), antes de disolver. Luego lo disolvemos y encontramos una solución de cloruro sódico en agua donde el cloruro sódico es el soluto y el agua el disolvente. Una solución que conducirá la electricidad.

Las partículas de soluto y de disolvente son muy pequeñas casi del mismo tamaño, por lo que están en el mismo estado o fase.

Ejemplos de disoluciones:

Aire.

Petróleo crudo.

Agua de mar.

Una disolución también puede estar formada por varios solutos disueltos en un mismo disolvente.

El disolvente es siempre la sustancia que presenta la misma fase que la disolución final; es decir, la fase de una disolución siempre coincide con la del disolvente. Según cual sea la fase del disolvente, las disoluciones pueden ser sólidas líquidas o gaseosas.

Disoluciones diluidas, saturadas, insaturadas y sobresaturadas:

Para empezar diremos que solubilidad es la cantidad máxima de un soluto que se puede disolver en una cantidad determinada de disolvente, se expresa en g de suloto/100 g disolvente.

Curba de solubilidad: Representación gráfica de la solubilidad en función de una sustancia en función de la temperatura.

curva de solubilidad

Curva de solubilidad. Todas las disoluciones que se encuentren por debajo de esta curva se dice que son no saturadas. Las que se encuentren en esta curva son disoluciones saturadas. Y las que se encuentran por encima de esta curva son disoluciones sobresaturadas .

Una disolución se dice que es diluida cuando la cantidad de soluto es muy pequeña con respeto a la que podria disolver el disolvente.

Disolución concentrada es aquella que contiene gran cantidad de soluto para la de disolvente de que se trate.

Disolución saturada es aquella que contiene la máxima cantidad de soluto para la cantidad de disolvente que se tiene a una temperatura dada.

Disolución sobresaturada es aquella que contiene mayor cantidad de soluto que el permitido por el disolvente a la temperatura en que se encuentra. La adición (añadir) un pequeño cristal, un golpe o una vibración hacen que instantánea mente se deposite el exceso de soluto hasta la saturación.

Concentración en masa: masa de soluto/volumen de la disolución, es una forma de expresar cuantitivamente la composición de una disolución.

Existen ejercicios numéricos sobre la solubilidad y las curvas de solubilidad, si te interesa haz click aquí.

2. Heterogéneas o suspensiones: Presentan varias fases.

  • Se reconocen porque son opacas.
  • Las partículas en suspensión son en realidad grumos de un líquido o un sólido puro. Son lo suficientemente grandes para reflejar la luz, por lo que la mezcla es opaca. Debido a que estas partículas grandes están en un estado o una fase distintos al de las partículas más pequeñas, las suspensiones se denominan mezclas heterogéneas o no uniformes.
  • A menudo las partículas más grandes se hunden hasta el fondo, pero esto puede llevar mucho tiempo.

Ejemplos de suspensiones:

Leche.

Pintura.

Mezcla de agua y barro.

Aliño para la ensalada.

http://www.deleitame.com/images/leche.jpg

En esta imagen lo que se muestra es leche como un ejemplo de suspensión. Podemos identificarla ya que es opaca.

Diferencias entre una mezcla heterogénea y una disolución:

1. Si se divide una mezcla heterogénea en porciones más pequeñas llegará un momento en el cual se obtienen muestras con propiedades diferentes, esto en la disolución no ocurre, por mucho que dividas una muestra siempre tendra las mismas propiedades.

2. En una mezcla heterogénea cada una de las sustancias que la componen conservan sus propiedades características y su identidad. Las propiedades de una mezcla son las correspondientes a la sustancia que la forma, mientras que en una disolución las propiedades de esta pueden ser muy diferentes a las de sus componentes.

3. En las disoluciones sa sustancia sólo puede disolverse hasta que se ha alcanzado el límite de solibilidad mientras que en las mezclas los componentes pueden mezclarse en cualquier proporción.

Dispersiones coloidales:

Una dispersión coloidal es una mezcla heterogénea que precisa del microscopio para distinguir sus fases.

En toda dispersión hay 2 fases:

  • Fase dispersa: Se encuentra en menor proporción y es la fase discontinua cuando se observa al microscopio (miscropartículas, microgotas, microburbujas).
  • Fase dispersante: Es la que se encuentra en mayor proporción y constituye la fase continua.

Por ejemplo, la leche está formada por pequeñas gotas de grasa dispersas en un medio acuoso. Las gotitas de grasa forman la fase dispersa o discontinua, el liquido acuoso, la fase dispersante o continua.

Efecto Tyndall:  Un rayo de luz, al atravesar una dispersión coloidal traslúcida, se refleja y se refracta cuando choca con las partículas, gotitas o busbujas de la fase dispersa, lo que provoca que la luz se disperse. Debido a este efecto, las dispersiones coloidales suelen ser opacas o traslúcidas, a diferencia de las disoluciones cuyas partículas más pequeñas las hacen transparentes.

En las siguientes imágenes se ilustra en efecto Tyndall:

 El tamaño de la fase dispersa:

Las partículas coloidales atraviesan los filtros ordinarios, debido a su pequeño tamaño, pero son retenidas por los ultrafiltros.

El diámetro de las partículas coloidales oscila aproximadamente entre 10^-7 y 10^-8 m, mientras que el de las partículas de una suspensión no coloidal es superior a 10^-7 m, las de una disolución verdadera son inferiores a 10^-8 m.

-Compuestos:

  • Son producidos por un cambio químico.
  • Presentan  propiedades distintas y nuevas de las de los reactivos.
  • Poseen una composición y una formula definida.
  • Existe un cambio energético en el proceso de combinación.
  • Solo pueden separarse mediante procesos químicos.

Ejemplos:

Agua

agua

Amoniaco

amoniaco

Metano

metano

Dióxido de carbono

Dióxido de carbono

Criterios de pureza de una sustancia:

  • Densidad.
  • Temperatura de ebullición.
  • Temperatura de fusión.

Cambios físicos y químicos:

  • Cambios físicos: No alteran a la identidad de las sustancias que los experimentan.
  • Cambios químicos: Alteran a la identidad de las sustancias que los experimentan, los reactivos se transforman en productos.

¿Cómo saber si ha tenido lugar un cambio químico?

  1. Alguna de las sustancias que se forman tiene un color diferente.
  2. Alguna de las nuevas sustancias presenta un estado físico diferente.
  3. Se produce un precipitado, como consecuencia de haber obtenido una sustancia insoluble en una reacción con reacctivos en disolución.
  4. Se produce un desprendimiento de energía en ocasiones acompañado por luz.

Métodos más usuales para descomponer un compuesto:

  • Descomposición térmica: Consiste en someter una sustancia a altas temperaturas para transformarla en otras sustancias más sencillas.
  • Electrólisis: Proceso de descomposición de una sustancia por el paso de la corriente eléctrica.

Separación de mezclas:

Los diferentes métodos de separación de mezclas y disoluciones se basan en la diferencia de las propiedades físicas características de las sustancias que componen estas mezclas.

  • Evaporación: Se utiliza para recoger el soluto cambiando a gas el disolvente de manera que este abandone la mezcla. Se efectúa en una vasija con gran superficie.

http://descubrirlaquimica.files.wordpress.com/2010/11/884a6-evaporacion5b15d.jpg?w=129&h=257

  • Destilación: Método de separación de substancias en mezclas líquidas homogéneas aprovechando los diferentes puntos de fusión y ebullición de las mismas. Se calienta la mezcla hasta alcanzar el punto de ebullición del componente que lo tenga más bajo y posterior condensación de sus vapores mediante su enfriamiento al pasarlos por un refrigerante.

http://descubrirlaquimica.files.wordpress.com/2010/11/51204-figura_8_4.gif?w=450

  • Destilación fraccionada: Cuando hay dos o más  substancias que tienen puntos de ebullición cercanos, se someten estas a calor y la que tiene un menor punto de ebullición se evapora primero, entonces la licuan y así sucesivamente.
  • Cromatografía: Se trata de un método de separación cualitativa basado en el arrastre selectivo de los componentes de diferentes solutos de una mezcla homogénea por parte de un disolvente que asciende por capilaridad a través de una tira de papel o material. Cuando la ascensión del componente más rápido cesa, o cuando el disolvente llega a la cima del papel o material, se detiene el proceso. Se utiliza cuando hay mucho solutos o cantidades muy pequeñas de estos.
  • Centrifugación: Método  de  separación  de  mezclas heterogéneas basado en la acción promovida por un aparato llamado centrífuga que, en esencia, lo que hace es generar una gran fuerza centrífuga mediante el rápido giro de recipientes conteniendo las mezclas a separar. De modo que las partículas de gran tamaño se desplacen hacia el exterior.

http://descubrirlaquimica.files.wordpress.com/2010/11/15bfe-centrifugacion_r.jpg?w=450

http://descubrirlaquimica.files.wordpress.com/2010/11/8a49b-centrifuga3.jpg?w=450

  • Decantación: Método de separación de mezclas heterogéneas basado en que el componente más denso sedimente por la acción de la gravedad. Se utiliza un embudo de decantación.

http://pa1bachbjavmar.files.wordpress.com/2008/11/8f3m4pwyhdn1v8u81.jpg?w=450

  • Filtración: Se trata de un método de separación de mezclas heterogéneas, sólidos de fluidos tanto líquidos como gases, basado en la retención selectiva de aquéllos al hacer pasar el conjunto a través de un sistema poroso que dejaría pasar a su través los fluidos reteniendo los sólidos.

http://descubrirlaquimica.files.wordpress.com/2010/11/b2de6-filtracion.gif?w=450

  •  Extracción: Es una técnica que puede tener distintos usos: Extracción sólido-líquido se utiliza para separar una mezcla de dos sólidos, de los cuales sólo uno es soluble en un líquido. Se añade líquido a la mezcla y se disuelve el sólido soluble. A continuación se filtra y se evapora el disolvente, extracción líquido-líquido se utiliza para purificar una sustancia que se encuentra disuelta, juntamente con otras, en un líquido. Entonces se mezcla la disolución con otro disolvente en el cual la sustancia que se quiere purificar es la única soluble. Ambos disolventes han de ser inmiscibles.
  • Cristalización:Por medio de ella se separa un componente sólido-cristalino de una disolución, de un gas o de un líquido. Se basa en la diferente solubilidad de los sólidos en un determinado disolvente, y también en la diferente variación de su solubilidad con la temperatura. Cuando se trata de purificar una sustancia contaminada, ésta se disuelve y, por ejemplo por evaporación controlada de parte del disolvente, vuelve a cristalizarse sin la mayor parte de los acompañantes que la impurificaban.

 Aquí teneis un esquema de este articulo, es un archivo para abrir/descargar.

 la materia

Descubrirlaquimica: Aida Amor Cañoto López, estudiante de química en la USC.

Última actualización: 13/04/2014

3 comentarios to “La materia.”

  1. Anonimo Anonimato Says:

    Acidos tio: Se forman sustituyendo un Azufre(S) por un Oxigeno(O)-
    Acido Fosforico-H3PO4-H3PO3S
    LA QUÍMICA MOLA

  2. descubrirlaquimica Says:

    Quien eres?

  3. Isidro Says:

    Precioso trabajo. Alguna de las razones aquí expuestas me llevó a pensar en ciertos comportamientos sociales. La mezcla completa de los gases se basa en la repulsión. Pasará lo mismo con los humanos? La integración social tendrá q venir forzada por la repulsión entre los “más parecidos” en lugar una atracción similar entre todos?

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