Capítulo 2

Materia y Energía.

 

Tabla de contenido

Capítulo 2. 1

Materia y Energía. 1

Objetivos: 1

La materia. 1

Estado de agregación de la materia. 2

Elementos y compuestos. 4

Mezclas. 5

Los cambios en la materia. 6

Energía y cambio químico. 7

La conversión de materia en energía. 7

 

 

Objetivos:

1.      Describir la diferencia entre masa y peso.

2.      Describir tres o más propiedades macroscópicas y una propiedad submicroscópica de cada uno de los tres estados de la materia.

3.      Describir la diferencia entre elementos y compuestos.

4.      Clasificar una mezcla específica como homogénea o heterogénea.

5.      Describir la diferencia entre las propiedades físicas y químicas de las sustancias.

6.      Mencionar dos ejemplos que muestren un aumento de energía potencial y dos más que muestren una disminución de la misma.

7.      Describir las implicaciones entre masa y energía.

 

La materia.

Por definición, la materia es cualquier cosa que ocupa un lugar en el espacio y posee masa. De hecho, la química es una ciencia que se ocupa de la materia y de los cambios que ésta sufre.

Las propiedades generales de la materia son aquellas características que posee la materia en general, sin importar su estado de agregación molecular. Son propiedades generales:

1.      Masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo.

2.      Peso es la fuerza que ejerce la gravedad de la Tierra sobre la masa de un cuerpo.

3.      Volumen es el espacio ocupado por un cuerpo.

4.      Impenetrabilidad es la característica por la cual un cuerpo no puede ocupar el espacio de otro cuerpo al mismo tiempo.

5.      Inercia es la tendencia de un cuerpo a permanecer en estado de movimiento o de reposo.

6.      Porosidad es el espacio hueco que existe entre las partículas que forman la materia.

7.      Divisibilidad es la capacidad que la materia tiene de fragmentarse.

8.      Elasticidad es la capacidad, dentro de cierto límite, que tiene la materia de deformarse cuando se le aplica una fuerza y recupera su forma original al dejar de aplicarle dicha fuerza.

Las propiedades específicas de la materia se dividen en propiedades químicas y propiedades físicas. Las propiedades químicas se derivan de la capacidad que tienen las sustancias de reaccionar químicamente.

Una reacción química es el proceso por el cual una o varias sustancias, al combinarse, se transforman en otras sustancias diferentes.

Algunas propiedades químicas son:

1.      Combustibilidad. Es la cualidad de reaccionar con el oxígeno desprendiendo, como consecuencia, energía en forma de calor o luz.

2.      Reactividad con las sustancias ácidas. Es la cualidad de reaccionar con los ácidos.

3.      Reactividad con las bases. Es la cualidad de reaccionar con las sustancias básicas.

Las propiedades físicas son aquellas que pueden ser descritas sin referencia a otras sustancias. Algunas propiedades físicas son:

1.      Dureza. Es la resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados.

2.      Estado físico. Es la cualidad de la materia que se deriva del grado de cohesión de las moléculas. Los estados son: sólido, líquido y gaseoso.

3.      Punto de ebullición. Es la temperatura a la cual una sustancia pasa del estado líquido al estado gaseoso.

4.      Punto de fusión. Es la temperatura a la cual una sustancia pasa del estado sólido al estado líquido.

5.      Densidad. Es la relación entre la masa y el volumen de un cuerpo.

También son propiedades físicas el color, el olor, el sabor, la solubilidad, la ductilidad, la maleabilidad, la conductividad térmica y eléctrica.

Estado de agregación de la materia.

En física y química se observa que, para cualquier cuerpo o agregado material considerado, modificando las condiciones de temperatura, presión o volumen se pueden obtener distintos estados de agregación, denominados estados de agregación de la materia, con características peculiares.

Estado sólido.

Manteniendo constante la presión, a baja temperatura los cuerpos se presentan en forma sólida tal que los átomos se encuentran entrelazados formando generalmente estructuras cristalinas, lo que confiere al cuerpo la capacidad de soportar fuerzas sin deformación aparente. Son, por tanto, agregados generalmente rígidos, duros y resistentes. El estado sólido presenta las siguientes características:

·         Fuerza de cohesión (atracción).

·         Vibración.

·         Tiene forma propia.

·         Los sólidos no se pueden comprimir.

·         Resistentes a fragmentarse.

·         Volumen definido.

·         Puede ser orgánico o inorgánico.

Estado Líquido.

Incrementando la temperatura el sólido se va "descomponiendo" hasta desaparecer la estructura cristalina alcanzándose el estado líquido, cuya característica principal es la capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene. En este caso, aún existe una cierta ligazón entre los átomos del cuerpo, aunque de mucha menor intensidad que en el caso de los sólidos. El estado líquido presenta las siguientes características:

·         Fuerza de cohesión menor (regular)

·         Movimiento-energía cinética.

·         Sin forma definida.

·         Toma el volumen del envase que lo contiene.

·         En frío se comprime.

·         Posee fluidez.

·         Puede presentar fenómeno de difusión.

Dos líquidos son miscibles entre sí cuando se disuelven el uno al otro. Es posible mezclarlos en cualquier proporción (y permanecen mezclados) sin que se separen en capas. Dos líquidos son inmiscibles entre sí cuando al mezclarlos forman una mezcla turbia que contiene gotas diminutas de uno de ellos claramente suspendidas en el interior del otro. Si se dejan en reposo, los líquidos inmiscibles se separan en dos capas distintas.

Estado gaseoso.

Incrementando aún más la temperatura se alcanza el estado gaseoso. Los átomos o moléculas del gas se encuentran virtualmente libres de modo que son capaces de ocupar todo el espacio del recipiente que lo contiene, aunque con mayor propiedad debería decirse que se distribuye o reparte por todo el espacio disponible. El estado gaseoso presenta las siguientes características:

·         Fuerza de cohesión casi nula.

·         Sin forma ni volumen definidos.

·         Se puede comprimir fácilmente.

·         Ejerce presión sobre las paredes del recipiente que los contiene.

·         Los gases se mueven con libertad.

 

Plasma.

Al plasma se le llama a veces "el cuarto estado de la materia", además de los tres "clásicos", sólido, líquido y gas. Es un gas en el que los átomos se han roto, que está formado por electrones negativos y por iones positivos, átomos que han perdido electrones y han quedado con una carga eléctrica positiva y que están moviéndose libremente.

Condensado de Bose – Einstein.

Otro estado de la materia es el condensado de Bose-Einstein (CBE), predicho en 1924 por Satyendra Nath Bose y Albert Einstein, y obtenido en 1995 (los físicos Eric A. Cornell, Carl E. Wieman y Wolfgang Ketterle compartieron el Premio Nobel de Física de 2001 por este hecho). Este estado se consigue a temperaturas cercanas al cero absoluto y se caracteriza porque los átomos se encuentran todos en el mismo lugar, formando un superátomo.

Otros estados de la materia.

Existen otros posibles estados de la materia; algunos de éstos sólo existen bajo condiciones extremas, como en el interior de estrellas muertas, o al comienzo del Universo, después del big bang: Fluidos supercríticos, coloides, superfluido, supersólido, materia degenerada, neutronio, materia fuertemente simétrica, materia débilmente simétrica, condensado fermiónico, plasma quark – gluón, materia extraña o materia de quarks.

Los cambios de fase o estado que se producen en la materia son:

1.      Fusión: paso del estado sólido al líquido.

2.      Vaporización: paso del estado líquido al gaseoso. Puede ser de dos tipos: evaporación (vaporización que se da al nivel de la superficie del líquido) y ebullición (vaporización tumultuosa que se da en toda la masa del líquido).

3.      Sublimación: paso directo del estado sólido al gaseoso y viceversa.

4.      Condensación: paso del estado gaseoso al líquido.

5.      Solidificación: paso del estado líquido al sólido.

 

Elementos y compuestos.

Una sustancia pura es una sustancia química individual que se compone íntegramente de la misma clase de materia (con la misma clase de partículas). Puede ser un elemento o un compuesto.

Los elementos son las sustancias fundamentales con las que se construyen todas las cosas materiales. La partícula más pequeña que conserva las propiedades del elemento es el átomo. Los átomos de un elemento sólido se encuentran dispuestos siguiendo un patrón regular, y son del mismo tipo. Los átomos de un elemento en particular no pueden dividirse para dar átomos más sencillos. De los más de 100 elementos conocidos, tan sólo unos 10 elementos componen el 99% de todo lo que hay en la corteza terrestre. Los elementos se representan mediante símbolos.

Los compuestos son sustancias puras que están formadas por uno o más elementos que se combinan entre sí en proporciones fijas. Un compuesto en particular tiene siempre una proporción específica de átomos y un porcentaje específico, en masa, de cada elemento del compuesto. Esto constituye un enunciado de la ley de las proporciones definidas. Los compuestos se representan mediante fórmulas químicas.

 

Mezclas.

Una mezcla es un material formado por dos o más sustancias que pueden hallarse en proporciones variables, que no se combinan químicamente entre sí. La composición de una mezcla puede variar. Las mezclas pueden ser homogéneas o heterogéneas.

1.      Mezclas homogéneas. Son aquellas mezclas que poseen la máxima fuerza de cohesión entre las sustancias combinadas; las partículas de la fase dispersa (soluto) se encuentran distribuidas uniformemente en la fase dispersante (solvente). Sus componentes no son identificables a simple vista, es decir, se perciben cono una sola fase. También reciben el nombre de soluciones o disoluciones.

2.      Mezclas heterogéneas. Son aquellas mezclas en las que la fuerza de cohesión entre las sustancias es menor; las partículas de la fase dispersa son más grandes que en las soluciones y dichas partículas no se encuentran distribuidas de manera uniforme. De esta forma sus componentes se pueden distinguir a simple vista. Las mezclas heterogéneas pueden ser suspensiones o coloides.

a.       Suspensiones: son las mezclas en las que se aprecia con mayor claridad la separación de las fases. Las partículas de la fase dispersa se sedimentan. El tamaño de las partículas es mayor que en las disoluciones y en los coloides.

b.      Coloides: son mezclas heterogéneas en las cuales las partículas de la fase dispersa tienen un tamaño intermedio entre las disoluciones y las suspensiones, y no se sedimentan. Las partículas coloidales se reconocen porque pueden reflejar y dispersar la luz.

Algunos de los procesos de separación de mezclas son:

1.      Procesos mecánicos:

a.       Tamización: es la técnica mediante la cual se separan sólidos de diferente tamaño por medio de instrumentos que poseen perforaciones.

b.      Filtración: es la técnica mediante la cual se separan de los líquidos partículas pequeñas de sólidos por medio de un instrumento poroso. Este instrumento puede ser el papel de filtro.

c.       Decantación: esta técnica se basa en las diferencias de densidad y se emplea para separar mezclas heterogéneas formadas por sólidos o líquidos suspendidos en líquidos.

d.      Sedimentación: es la técnica en la que se agita enérgicamente un sólido finamente fragmentado, disperso en un líquido, se deja en reposo la suspensión; podrá advertirse que el sólido disperso se deposita en el fondo con una velocidad que dependerá de diversos factores. La sedimentación se puede acelerar usando la centrifugación (se coloca la mezcla en recipientes que se hacen girar a gran velocidad, los componentes más densos se depositan primero.

 

 

2.      Procesos no mecánicos:

a.       Evaporación: este método se emplea para separar un sólido de un líquido, cuando se quiere recuperar el sólido. Simplemente se calienta la mezcla y al evaporarse el componente líquido, queda el sólido en el recipiente.

b.      Sublimación: este método se usa para separar el yodo de otros materiales sólidos, ya que el yodo se sublima al calentarlo, es decir, pasa directamente del estado sólido al gaseoso y se condensa en una superficie fría.

c.       Destilación: consiste en separar mezclas homogéneas, basándose en la diferencia entre los puntos de ebullición de sus componentes.

d.      Cromatografía: este proceso se basa en el fenómeno de adsorción. La adsorción consiste en la adherencia de las partículas de un sólido, un líquido o un gas a la superficie de un sólido, llamado sustancia absorbente, que atrae las partículas de cada componente de la mezcla con diferente fuerza.

Tabla 1. Algunas soluciones comunes (mezclas homogéneas)

Solución

Composición

 

 

Soluciones gaseosas

   Aire

78.0% de nitrógeno, 20.9% de oxígeno, 0.9% de argón y cantidades diminutas de dióxido de carbono y otros gases.

   Gas natural

Metano y pequeñas cantidades de otros gases.

 

 

Soluciones líquidas

   Tintura de yodo

Yodo disuelto en alcohol.

   Alcohol para curar

70% de alcohol isopropílico y 30% de agua

   Vino

10-12% de alcohol etílico

   Cerveza

5% de alcohol etílico

 

 

Soluciones sólidas (aleaciones)

   Latón

Cobre (alrededor del 70%) con zinc (alrededor del 30%)

   Bronce

Cobre y estaño en proporciones variables

   Acero al carbono

1.0% de manganeso, 0.9% de carbono y el resto es hierro

   Acero al cromo

3.5% de cromo, 0.9% de carbono y el resto es hierro

   Plata sterling

92.5% de plata con 7.5% de cobre

   Oro amarillo (14K)

58% de oro, 24% de plata, 17% de cobre, 1% de zinc

   Oro amarillo (10K)

42% de oro, 12% de plata, 40% de cobre, 6% de zinc

 

Los cambios en la materia.

Los cambios en la materia pueden ser químicos o físicos.

1.      Cambios químicos. Son cambios en los que se produce una transformación de la composición química de las sustancias. También reciben el nombre de reacciones químicas.

2.      Cambios físicos. Son cambios reversibles en los que no se altera la composición química de la materia.

 

Energía y cambio químico.

La energía se puede definir como la capacidad para realizar trabajo o transferir calor. Se realiza trabajo cuando se mueve una masa a través de una distancia. Entre las formas comunes de energía están la luz, el calor, la energía eléctrica, la energía mecánica y la energía química. La energía se puede convertir de una forma a otra.

Cada una de las diversas formas de energía se puede clasificar como energía potencial o como energía cinética. La energía potencial es energía almacenada; es la energía que posee un objeto debido a su posición o a su composición química. La energía cinética es energía de movimiento. Desde el punto de vista matemático, la energía cinética (E.C.) de un objeto es igual a la mitad de su masa (m) multiplicada por el cuadrado de su velocidad (v).

E.C. = ½mv²

En la mayor parte de las reacciones químicas, la energía potencial de las sustancias que intervienen disminuye. En otras palabras, los compuestos de alta energía se convierten por lo general en compuestos de baja energía. Cuando esto sucede, se libera energía en los alrededores, comúnmente en forma de calor. Si se invierte una reacción química que libera energía (es posible para algunas de ellas), es preciso suministrar energía en forma continua para que prosiga la reacción.

Una reacción que libera energía calorífica se llama reacción exotérmica. Cuando se emplea el término exergónico en vez de exotérmico, significa que se puede liberar energía en una forma distinta del calor. Cuando se incorpora o se absorbe calor u otras formas de energía durante las reacciones, se dice que éstas son endotérmicas y endergónicas, respectivamente.

La conversión de materia en energía.

Albert Einstein puede ser el científico más conocido de todos los tiempos por su aporte a la ciencia con su Teoría de la relatividad (1905). Al hacerlo, dedujo una relación entre la materia y la energía, la ahora famosa ecuación de Einstein que a menudo se escribe como,

E = mc²      o con más precisión,   E = ∆mc²

Donde ∆E representa un cambio de energía, ∆m representa un cambio de masa, y c es la velocidad de la luz.

Para las reacciones químicas el cambio de energía resulta extremadamente pequeño cuando se le compara con el cambio de energía en las reacciones nucleares.