The world of Chemistry : marzo 2016

LA 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

La materia se presenta tres estados (solido, liquido, gaseoso)

La materia heterogénea no es uniforme en su composición ni 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

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.

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:

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.

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.

Punto de fusión. Temperatura a la cual los cuerpos en estado sólido pasan al estado líquido (figura 1).

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.

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.

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.

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

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.

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 sólidos.

Características de los cambios físicos, químicos y

nucleares de la materia

En nuestra vida diaria invariablemente están sucediendo cambios. 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.

Cambio quimico

Son procesos en los que cambia la naturaleza de las sustancias, además de formarse otras nuevas.

Ejemplos:

Combustión: Si quemamos un papel, se transforma en cenizas y, durante el proceso, se desprende humo. (Inicialmente, tendríamos papel y oxígeno, al concluir el cambio químico tenemos cenizas y dióxido de carbono, sustancias diferentes a las iniciales).
Corrosión: Si dejamos un trozo de hierro a la intemperie, se oxida y pierde sus propiedades iniciales. (Las sustancias iniciales serían hierro y oxígeno, la sustancia final es óxido de hierro, con unas propiedades totalmente diferentes a las de las sustancias iniciales)

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).

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.