sábado, 4 de julio de 2009

Teoría 5: Cuerpo y Materia

Materia

“Es todo lo que ocupa un lugar en el espacio, impresiona a nuestros sentidos y tiene masa”.La materia se nos presenta en “trozos” a los cuales les vamos a llamar “cuerpos”.
Cuerpo
“porción limitada de materia”.Un cuerpo puede estar formado por uno o varios componentes. Cada uno de los componentes que podemos distinguir en un trozo de materia, recibe el nombre de sustancia.Cada sustancia se caracteriza por tener propiedades físicas y químicas determinadas que las diferencia de las demás.
Propiedades de la materia:

Compresibilidad: Se pueden comprimir, dependiendo de su estado de agregación.
Dilatabilidad: Es la variación de volumen por acción del calor.
Divisibilidad: La materia se puede dividir en partes cada vez más pequeñas.
Propiedades de los cuerpos:
Inercia: Es la propiedad que tiene todo cuerpo de mantenerse en reposo si está en reposo o en movimiento si está en movimiento rectilíneo y uniforme.
Extensión: Los cuerpos tienen cierta extensión, es decir, que ocupan un determinado volumen.
Impenetrabilidad: Dos cuerpos no pueden ocupar el mismo lugar en el espacio al mismo tiempo.
Peso y Masa: diferencias

Medida de la fuerza gravitatoria ejercida sobre un objeto. En las proximidades de la Tierra, y mientras no haya una causa que lo impida, todos los objetos caen animados de una aceleración, g, por lo que están sometidos a una fuerza constante, que es el peso.Los objetos diferentes son atraídos por fuerzas gravitatorias de magnitud distinta.La aceleración de la gravedad, g, es la misma para todas las masas situadas en un mismo punto, pero varía ligeramente de un lugar a otro de la superficie terrestre. Por estos motivos, el peso de un objeto se puede determinar por un método comparativo (como se hace en una balanza de laboratorio) o por medición directa de la fuerza gravitatoria suspendiendo el objeto de un muelle o resorte calibrado en newtons (como se hace en una balanza de resorte).
La deformación del muelle depende del valor de la aceleración de la gravedad del lugar donde se realiza la medida; por eso una balanza de resorte marca pesos diferentes para una misma masa (o cantidad de materia) en lugares con una aceleración de la gravedad diferente. Por ejemplo, cualquier objeto pesa algo más si está situado a nivel del mar que sí está en la cima de una montaña, o si está cerca del polo que si está en el ecuador terrestre. Sin embargo, su masa es la misma.
Si se compara el peso en la Tierra y en la Luna, las diferencias son más espectaculares. Así, un objeto con 1 kilogramo de masa, que en la Tierra pesa unos 9,8 newtons (en un lugar donde g valga 9,8 mIs2), pesaría solamente 1,6 newtons en la Luna (donde g vale aproximadamente 1,6 m/s2). Una balanza de brazos, como la que se utiliza en el laboratorio, está formada por dos platos suspendidos de una barra transversal que descansa sobre un punto de apoyo. Una aguja fijada a la barra señala cuándo los platos contienen masas idénticas. Como ambas masas se encuentran en el mismo lugar, están sometidas a la misma aceleración de la gravedad, y la medida del peso se realiza por comparación.

Propiedades de las sustancias

Los atributos o cualidades de las sustancias se conocen con el nombre de propiedades. Estas propiedades se pueden clasificar en dos grupos: propiedades intensivas y propiedades extensivas.

Propiedades intensivas
Entre las propiedades de las sustancias hay algunas que se pueden apreciar por medio de los sentidos, como el color, sabor, sensación al tacto, sonido, etcétera, y que se denominan caracteres organolépticos. Si bien son fáciles de percibir, presentan el inconveniente de que, en muchos casos, no permiten distinguir claramente dos sustancias, pues no hay una diferencia apreciable entre ellas. Así, por ejemplo, la sal y el azúcar tienen color blanco, son inodoras y de brillo parecido, a pesar de ser sustancias distintas.Existen otras propiedades que deben ser determinadas a través de mediciones experimentales, tales como el punto de fusión, punto de ebullición, densidad, índice de refracción, calor específico, etcétera, que al ser establecidas en las mismas condiciones, tienen valores definidos y constantes para cada sustancia y que suelen denominarse constantes fisicas. Estas propiedades permiten diferenciar las distintas sustancias con mucha mayor certeza.Los caracteres organolépticos y las constantes físicas reciben el nombre de propiedades INTENSIVAS o ESPECÍFICAS. Estas propiedades no dependen de la masa de que se dispone, puesto que para una misma sustancia son iguales, tanto en una pequeña porción como en una cantidad mayor. Así, 10 g de agua pura, a 40 °C, tienen una densidad de 1 g/ml, igual que 100 g en las mismas condiciones.

Propiedades extensivas
Además de las propiedades intensivas, hay otras que sí dependen de la masa con que se cuenta, como es cl caso del volumen, peso, superficie. capacidad calorífica, etcétera. A estas propiedades se les da el nombre de EXTENSIVAS, resultando obvio que no permiten identificar a una sustancia diferenciándola de otras. Por el peso, el volumen ola superficie no se puede decir qué sustancia es, pues se puede tener el mismo volumen de agua que de éter, o igual peso de sal que de cal, o la misma superficie de hierro que de madera, a pesar de ser sustancias distintas.

SISTEMAS MATERIALES

La observación de nuestro mundo circundante nos muestra una realidad compleja e intrincada. Pensemos solamente en lo que se encuentra en nuestra aula: personas, aire, pizarrón, tizas, bancos, sillas, escritorio, paredes, ventanas, vidrios, puerta, etcétera. Y si ampliamos nuestra consideración fuera del edificio escolar, veremos plantas, más personas, automóviles, edificios, animales, etc., etc., o sea, que la complejidad se in­crementa rápidamente.Es evidente que resulta imposible estudiar en forma simultánea todo lo que nos rodea. Necesitamos aislar de modo real o imaginario un conjunto de objetos, o uno de ellos o una fracción para su estudio detenido y minucioso. Así, analizamos el agua de un vaso, un lápiz, un borrador, un cubito de hielo, la sal de mesa, el aceite, el aire, el alcohol, un trozo de granito, una porción de arena, un pedazo de madera...

Cada una de estas porciones del Universo presentan una organización más o menos intrincada, pero siempre compleja, y constituyen diferentes sistemas. Por otra parte, ya sea que se encuentren en estado sólido, líquido o gaseoso, dichas fracciones se caracterizan por ocupar un lugar en el espacio y por estar dotadas de masa, es decir, por estar compuestas de materia. Esto determina que las porciones mencionadas, cuando son sometidas a un estudio experimental, reciban la denominación de sistemas materiales. Entonces, podemos definir:Sistema Material: es toda porción del Universo dotada de masa que se aísla en forma real o imaginaria para su estudio experimental.

El estudio de los sistemas materiales es fundamental en Química.¿Cuáles son las sustancias y los elementos químicos que constituyen dichos sistemas materiales, cómo interactúan entre sí, cuáles son sus propiedades, qué transformaciones e intercambios de masa y energía se producen en ellos?, son cuestionamientos esenciales en Química.El químico, para encontrar respuestas a los diversos interrogantes que se le plantean, realiza experimentos, descubre leyes, elabora teorías, propone modelos..., que lo llevan a crear un lenguaje propio. En consecuencia, podemos establecer que:Química es la disciplina científica que se ocupa de investigar la composición de los sistemas materiales y los cambios que se producen en ellos.

¿Cómo se clasifican los sistemas materiales?Las propiedades de las sustancias se pueden clasificar en propiedades extensivas e intensivas. Estas últimas son aquellas que no dependen de la masa de que se dispone, como por ejemplo el punto de fusión, el punto de ebullición, la densidad, etcétera.

Sistemas homogéneos
Entre los sistemas materiales podemos observar en muchos de ellos que las propiedades intensivas son iguales en todas sus partes, como es el caso del agua destilada. Cualquier fracción de ella que se considere tiene el mismo punto de fusión, densidad, índice de refracción, etcétera. Estos sistemas se denominan sistemas homogéneos y se caracterizan por estar constituidos por una sola fase. Además del agua destilada, podemos señalar como ejemplos al azúcar, aceite, sal de mesa, agua de mar filtrada, nafta, agua azucarada, etcétera, es decir, las distintas soluciones y sustancias puras que existen en la Naturaleza.Fase: Es toda porción homogénea de un sistema material.

Sistema heterogéneo
Por el contrario, hay otros sistemas como el vino con borras, agua con aceite, granito (roca formada por cuarzo, mica y feldespato), en que las propiedades intensivas son diferentes según la porción que se examine. Estos sistemas se llaman heterogéneos y están formados por lo menos por dos fases. La superficie de separación entre las fases (interfase) es evidente y bien definida. Los sistemas heterogéneos están constituidos por sistemas homogéneos agrupados, pues cada fase, si es separada de las demás, forma un sistema homogéneo.

Sistemas inhomogéneos
Además, hay otra clase de sistemas materiales, menos frecuentes, en los cuales las interfases son imprecisas y no están bien determinadas. Así, si colocamos en el fondo de una probeta llena de agua un trozo de remolacha o cristales de sulfato de cobre ylo dejamos en reposo varias horas, veremos la formación de zonas de diferente intensidad de color sin interfases definidas. Estos sistemas se denominan inhomogéneos. Un ejemplo típico es la atmósfera terrestre, cuya concentración disminuye gradualmente a medida que se asciende en ella (a 10km de altura queda menos del 5% de aire). Por lo tanto, las propiedades intensivas, como la densidad, varían continuamente según la altitud a la cual se determine.

En resumen, tomando en cuenta las propiedades intensivas, los siste­mas materiales se pueden clasificar del siguiente modo:
HOMOGÉNEOS: Presentan propiedades intensivas iguales en todas sus partes, y están constituidos por una sola fase (monofásicos).
HETEROGÉNEOS: Presentan propiedades intensivas diferentes en sus distintas partes, y están constituidos por dos o más fases (bifásicos, trifásicos o polifásicos).
INHOMOGÉNEOS: No presentan una interfase definida, variando sus propiedades intensivas en forma gradual y continua.

Separación de las fases de un sistema heterogéneos
Las fases que forman un sistema heterogéneo se pueden separar unas de otras utilizando procedimientos adecuados a cada caso:
• Cuando el sistema está formado por una fase líquida y otra sólida, como agua y arena, se lo deja cierto tiempo en reposo para que sedimente la arena y luego se separa el agua, trasvasándola con cuidado a otro recipiente o succionándola con pipeta o sifón.En el caso de que se trate de dos líquidos no miscibles o inmiscibles, como agua y aceite, se utiliza una ampolla de decantación. Se coloca el sistema dentro de la ampolla y se lo deja en reposo hasta que se separen los líquidos (el agua ocupa la parte inferior, por ser más densa). Luego, al abrirla llave se deja salir el agua, debiendo cerrarse el paso cuando está por pasar el aceite. Esta operación que permite separar sistemas sólido-líquido o líquido-líquido de diferente densidad, se denomina decantación.

• Algunos sistemas están formados por una fase líquida en cuyo inte­rior hay partículas sólidas en suspensión, como por ejemplo el agua tur­bia de un charco. En este caso se puede proceder de dos modos distintos:
a) Se hace pasar el sistema líquido-sólido a través de una superficie porosa, llamada filtro, generalmente colocada dentro de un embudo. Las partículas sólidas son retenidas por el filtro porque tienen un diámetro mayor que los poros. Como filtro es muy utilizado un papel poroso, denominado papel de filtro, aunque también se utilizan arena, algodón, polvo de carbón, telas especiales, lana de vidrio, porcelana, amianto, etcétera. Este procedimiento se llama filtración.
b) En otras ocasiones, primero se precipitan las partículas sólidas y luego se hace una decantación.Para acelerar la sedimentación de dichas partículas se las somete a la acción de la fuerza centrífuga: el sistema se coloca en tubos cónicos que giran a gran velocidad dentro de aparatos llamados centrífugas, lo cual determina que las partículas, por ser más densas, precipiten, ocupando el fondo de dichos recipientes. Este procedimiento recibe el nombre de centrifugación.Una vez lograda la separación de las fases, se realiza la decantación del líquido.

• En el caso de sistemas cuyas fases son sólidas, se opera de diferentes modos, según las características que presenten:
a) Cuando una de las fases se encuentra dividida en trozos bien diferenciables, éstos se pueden separar tomándolos con una pinza. Es el caso de extraer trozos de mármol mezclados en arena. Este método es denominado tría.b) Si las pantículas que forman cada fase sólida tienen diferente tamaño, se coloca el sistema material sobre una malla de metal o plástico (tamiz), se sacude y entonces las partículas de menor diámetro atraviesan la malla, mientras que las de mayor tamaño quedan retenidas. El procedimiento se llama tamización y como ejemplo se puede señalar la separación del canto rodado, de la arena.c) Cuando los sólidos tienen diferente densidad, tal como una mezcla de arena y corcho, se agrega un líquido que tenga una densidad intermedia con respecto a ellos, como el agua. El corcho flota y la arena se deposita en el fondo. Este método se denomina flotación.d) En el caso de que una de las fases sea soluble en un determinado solvente y la otra no, como ocurre en la mezcla de arena y sal, se agrega agua, se agita para asegurarla disolución de la sal, y se procede a filtrar, separando la arena del agua salada. Este procedi­miento se denomina disolución.Luego, por evaporación se separa la sal del agua.e) Si los sólidos tienen diferente densidad, como la arena y el oro, se hace circular una corriente de agua que arrastra la mezcla a través de canales; entonces, las pepitas metálicas (más densas) sedimentan, mientras que la arena se mantiene en suspensión. Esta forma de separación de fases recibe el nombre de levigación.f) Cuando uno de los sólidos está compuesto por hierro, se puede separar de la mezcla acercándole un imán. Este método se llama separación magnética. Así, en el proceso de fabricación de la harina, una de las operaciones previas consiste en apartar de los granos de trigo pequeños trozos metálicos (clavos, alambres, etc.), haciéndolos pasar por un campo magnético.Además de estos procedimientos para la separación de las fases de un sistema heterogéneo, existen muchos otros que no describiremos por razones de tiempo.

Todos los procedimientos antes mencionados, también se denominan métodos separativos.Como se observa en los ejemplos, los métodos separativos que se utilizan varían de un caso a otro, según las propiedades de las fases que forman el sistema, corno por ejemplo el tamaño de las partículas, su densidad, la solubilidad, etcétera.
En un sistema heterogéneo, cada una de las fases que lo integran, después de ser separadas constituyen sistemas homogéneos.

Fraccionamiento de un sistema homogéneo
Entre los sistemas homogéneos debemos diferenciar aquellos que están constituidos por una sustancia pura (agua destilada, cloruro de sodio), de otros que están formados por dos o más sustancias (agua salada) y que se denominan soluciones. En éstas últimas es posible separar las sustancias que las componen, es decir, proceder al fraccionamiento del sistema homogéneo.Para fraccionar una solución es necesario escoger el método más apropiado para cada caso:
a) Cuando el sistema está formado por una sustancia sólida disuelta en otra líquida, como el agua salada, para separar el agua de la sal, se realiza una destilación simple.Para ello se usa un aparato constituido por un balón con tubo de desprendimiento, un termómetro, un refrigerante y un recipiente colector. (Véase dibujo más adelante.)En el balón se coloca el agua salada y luego se calienta hasta la ebullición. Los vapores de agua que se forman ascienden y salen por el tubo de desprendimiento. Al chocar con la superficie fría del refrigerante se condensan, cayendo gota a gota como agua líquida en el recipiente colector. Como la sal no se vaporiza queda retenida en el balón, y de ese modo se separa el agua de la sal.En consecuencia:La destilación comprende, primero, la vaporización de un líquido y luego, la condensación de los vapores por enfriamiento.
b) En ciertas ocasiones, como para separar los pigmentos de una solución coloreada, se utiliza la técnica denominada cromatografía. Este método admite diferentes variantes, siendo una de las más usadas la cromatografía de partición sobre papel.Consiste en una tira de papel de filtro suspendida en un recipiente, cuya extremidad inferior está sumergida en un solvente orgánico (éter de petróleo, butanol, etanol, etc.) La muestra a analizar se deposita sobre el papel próxima al solvente. Este asciende por capilaridad y arrastra las sustancias que forman la muestra, las cuales van alcanzando distintas alturas de acuerdo con su masa molecular, afinidad con el solvente, etcétera. De ese modo se lo­gra la separación de los diferentes componentes de una solución.
c) En el caso de que los componentes de un sistema sean solubles en un mismo solvente a la temperatura de ebullición, pero uno de ellos es insoluble o poco soluble en frío, se procede a realizar una cristalización fraccionada, la cual consiste en disolver el sistema en el solvente hirviendo y luego, se deja enfriar.De esta forma el componente menos soluble se cristaliza y sus cristales se separan por filtración.Las técnicas que permiten separar los componentes de una solución, como la destilación, la cromatografía y la cristalización fraccionada, reciben la denominación de métodos de fraccionamiento.

Soluciones y sustancias puras

De acuerdo con lo que se ha expresado, si se aplica un método de fraccionamiento adecuado a una solución, se obtienen porciones o fracciones que tienen propiedades intensivas distintas entre sí y con relación a dicha solución. Cada una de esas fracciones corresponde a una sustancia diferente.Entonces se puede afirmar que:
Soluciones es todo sistema homogéneo fraccionable.En cambio, si se trata de fraccionar una sustancia pura, no hay posi­bilidades de hacerlo. Todas las porciones que se obtienen presentan las mismas propiedades intensivas. Por lo tanto:Sustancia pura es todo sistema homogéneo no fraccionable.Cuando en un recipiente se encuentra una sustancia pura, todas las moléculas tienen la misma composición. Así, una muestra de agua es pura si todas las moléculas que la forman están constituidas por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Por el contrario, si además de moléculas de agua hay otras compuestas por un átomo de cloro y otro de sodio (cloruro de sodio) el agua no es pura, pues contiene sal y entonces es agua salada.

Por lo tanto:Una sustancia es pura cuando todas las moléculas que la cons­tituyen son iguales.En el caso de tener varias sustancias diferentes mezcladas entre sí, hay tantas clases de moléculas como sustancias constituyen la mezcla.En razón de que las moléculas no son visibles, se plantea un problema: ¿Cómo se puede comprobar si una sustancia es pura o no?Experimentalmente se ha comprobado que ciertas propiedades intensivas, como el punto de ebullición, el punto de fusión, la densidad, etcétera, tienen valores constantes para cada sustancia pura. Así, en el caso del agua su punto de fusión es de O °C y el de ebullición de 100 °C (a la presión normal), la densidad es de 1 g/ml a los 4 °C de temperatura; mientras que el alcohol etílico (etanol) tiene un P.F. de -114 °C, P.E. de 78,4 °C y una densidad de 0,79 g/ml a 20 °C de temperatura.
Sobre la base de estos datos se deduce que determinando esas propiedades, también llamadas constantes físicas, se puede verificar si la sustancia es pura o no.

SOLUCIÓNSUSTANCIA PURA
Sistema homogéneo.Sistema homogéneo.Propiedades intensivas idénticas en todas sus porciones.Propiedades intensivas idénticas en todas sus porciones.Fraccionable por métodos físicos.No fraccionable por métodos físicos.La proporción de sus componentes puede variar.Composición química constante.Dos o más clases de moléculas.Una sola clase de moléculas.
Clasificación de las sustancias puras

Al examinar las sustancias puras podemos distinguir dos clases:
a) aquellas que se pueden descomponer en otras más simples, como el agua que origina hidrógeno y oxígeno, o el dióxido de carbono que se descompone en carbono y oxígeno. Estas sustancias reciben la denominación de sustancias compuestas.
b) Otras, como el oxígeno, el hidrógeno, el hierro, no se pueden descomponer y se las llama sustancias simples.
El análisis de la composición de las moléculas de las sustancias compuestas muestra que están formadas por átomos de dos o más especies.Molécula de agua compuesta por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. H2OMolécula de dióxido de carbono constituida por un átomo de carbono y dos de oxígeno. CO2En cambio, el examen de las moléculas que forman a las sustancias simples revela que están constituidas por átomos de la misma especie. Veamos a modo de ejemplo:Molécula de hidrógeno formada por dos átomos de hidrógeno: H-HMolécula de oxígeno constituida por dos átomos de oxígeno: O=OMolécula de helio compuesta por un solo átomo de helio: He

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