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Objetivos de aprendizaje
- Describir las propiedades básicas de cada estado físico de la materia: sólido, líquido y gas.
- Definir y dar ejemplos de átomos y moléculas.
- Clasificar la materia como elemento, compuesto, mezcla hom*ogénea o mezcla heterogénea con respecto a su estado físico y composición.
- Utilice representaciones simbólicas, particuladas o macroscópicas para describir o clasificar los diferentes tipos de materia.
- Distinguir entre masa y peso.
- Aplicar la ley de conservación de la materia.
La materia se define como cualquier cosa que ocupa espacio y tiene masa, y está a nuestro alrededor. Los sólidos y los líquidos son más obviamente materia: Podemos ver que ocupan espacio, y su peso nos dice que tienen masa. Los gases también son materia; si los gases no ocupaban espacio, un globo permanecería colapsado en lugar de inflarse cuando se llenara de gas.
Sólidos, líquidos y gases son los tres estados de materia que se encuentran comúnmente en la tierra (Figura\(\PageIndex{1}\)). Un sólido es rígido y posee una forma definida. Un líquido fluye y toma la forma de un recipiente, excepto que forma una superficie superior plana o ligeramente curvada cuando se actúa sobre ella por gravedad. (En gravedad cero, los líquidos asumen una forma esférica.) Tanto las muestras líquidas como las sólidas tienen volúmenes que son casi independientes de la presión. Un gas toma tanto la forma como el volumen de su contenedor.
Un cuarto estado de la materia, el plasma, ocurre naturalmente en los interiores de las estrellas. Un plasma es un estado gaseoso de materia que contiene números apreciables de partículas cargadas eléctricamente (Figura\(\PageIndex{2}\)). La presencia de estas partículas cargadas imparte propiedades únicas a los plasmas que justifican su clasificación como un estado de materia distinto de los gases. Además de las estrellas, los plasmas se encuentran en algunos otros ambientes de alta temperatura (tanto naturales como artificiales), como rayos, ciertas pantallas de televisión e instrumentos analíticos especializados utilizados para detectar trazas de metales.
Video\(\PageIndex{1}\): En una celda diminuta de un televisor de plasma, el plasma emite luz ultravioleta, lo que a su vez hace que la pantalla en esa ubicación aparezca de un color específico. El compuesto de estos diminutos puntos de color conforma la imagen que ves. Mira este video para conocer más sobre el plasma y los lugares donde lo encuentras.
Algunas muestras de materia parecen tener propiedades de sólidos, líquidos y/o gases al mismo tiempo. Esto puede ocurrir cuando la muestra está compuesta por muchas piezas pequeñas. Por ejemplo, podemos verter arena como si se tratara de un líquido porque está compuesta por muchos pequeños granos de arena sólida. La materia también puede tener propiedades de más de un estado cuando es una mezcla, como con las nubes. Las nubes parecen comportarse algo como gases, pero en realidad son mezclas de aire (gas) y diminutas partículas de agua (líquida o sólida).
La masa de un objeto es una medida de la cantidad de materia que contiene. Una forma de medir la masa de un objeto es medir la fuerza que se necesita para acelerar el objeto. Se necesita mucha más fuerza para acelerar un automóvil que una bicicleta porque el auto tiene mucha más masa. Una forma más común de determinar la masa de un objeto es usar una balanza para comparar su masa con una masa estándar.
Aunque el peso está relacionado con la masa, no es lo mismo. El peso se refiere a la fuerza que la gravedad ejerce sobre un objeto. Esta fuerza es directamente proporcional a la masa del objeto. El peso de un objeto cambia a medida que cambia la fuerza de la gravedad, pero su masa no. La masa de un astronauta no cambia sólo porque va a la luna. Pero su peso en la luna es solo una sexta parte de su peso ligado a la tierra porque la gravedad de la luna es solo una sexta parte de la de la tierra, puede sentirse “ingrávida” durante su viaje cuando experimenta fuerzas externas insignificantes (gravitacionales o cualquier otra), aunque, por supuesto, nunca es “sin masa”.
La ley de conservación de la materia resume muchas observaciones científicas sobre la materia: Afirma que no hay ningún cambio detectable en la cantidad total de materia presente cuando la materia se convierte de un tipo a otro (un cambio químico) o cambios entre estados sólidos, líquidos o gaseosos ( un cambio físico). La elaboración de cerveza y el funcionamiento de las baterías proporcionan ejemplos de la conservación de la materia (Figura\(\PageIndex{4}\)). Durante la elaboración de la cerveza, los ingredientes (agua, levadura, granos, malta, lúpulo y azúcar) se convierten en cerveza (agua, alcohol, carbonatación y sustancias aromatizantes) sin pérdida real de sustancia. Esto se ve más claramente durante el proceso de embotellado, cuando la glucosa se convierte en etanol y dióxido de carbono, y la masa total de las sustancias no cambia. Esto también se puede ver en una batería de plomo-ácido de automóvil: Las sustancias originales (plomo, óxido de plomo y ácido sulfúrico), que son capaces de producir electricidad, se transforman en otras sustancias (sulfato de plomo y agua) que no producen electricidad, sin cambio en la cantidad real de materia.
Si bien esta ley de conservación es cierta para todas las conversiones de materia, los ejemplos convincentes son pocos y distantes porque, fuera de las condiciones controladas en un laboratorio, rara vez recolectamos todo el material que se produce durante una conversión particular. Por ejemplo, cuando comes, digieres y asimilas los alimentos, se conserva toda la materia en el alimento original. Pero debido a que parte de la materia se incorpora a tu cuerpo, y mucho se excreta como diversos tipos de desechos, es un reto verificar por medición.
Átomos y moléculas
Un átomo es la partícula más pequeña de un elemento que tiene las propiedades de ese elemento y puede entrar en una combinación química. Considera el elemento oro, por ejemplo. Imagina cortar una pepita de oro por la mitad, luego cortar una de las mitades por la mitad, y repetir este proceso hasta que quedó una pieza de oro que era tan pequeña que no se podía cortar por la mitad (independientemente de lo pequeña que sea tu cuchillo). Esta pieza de oro de tamaño mínimo es un átomo (del griego atomos, que significa “indivisible”) (Figura 1.2.4). Este átomo ya no sería oro si se dividiera más.
La primera sugerencia de que la materia está compuesta por átomos se atribuye a los filósofos griegos Leucipo y Demócrito, quienes desarrollaron sus ideas en el siglo V a. C. Sin embargo, no fue hasta principios del siglo XIX que John Dalton (1766-1844), un maestro de escuela británico con un gran interés en la ciencia, apoyó esta hipótesis con mediciones cuantitativas. Desde entonces, experimentos repetidos han confirmado muchos aspectos de esta hipótesis, y se ha convertido en una de las teorías centrales de la química. Otros aspectos de la teoría atómica de Dalton todavía se utilizan pero con revisiones menores (los detalles de la teoría de Dalton se proporcionan en el capítulo sobre átomos y moléculas).
Un átomo es tan pequeño que su tamaño es difícil de imaginar. Una de las cosas más pequeñas que podemos ver a simple vista es un solo hilo de una tela de araña: Estas hebras tienen aproximadamente 1/10,000 de centímetro (0.0001 cm) de diámetro. Aunque la sección transversal de una hebra es casi imposible de ver sin un microscopio, es enorme a escala atómica. Un solo átomo de carbono en la banda tiene un diámetro de aproximadamente 0.000000015 centímetros, y tomaría alrededor de 7000 átomos de carbono para abarcar el diámetro de la hebra. Para poner esto en perspectiva, si un átomo de carbono fuera del tamaño de una moneda de diez centavos, la sección transversal de una hebra sería más grande que una cancha de fútbol, lo que requeriría alrededor de 150 millones de “monedas de diez centavos” de átomos de carbono para cubrirlo. (Figura\(\PageIndex{5}\)) muestra vistas cada vez más cercanas a nivel microscópico y atómico del algodón ordinario.
Un átomo es tan ligero que su masa también es difícil de imaginar. Mil millones de átomos de plomo (1,000,000,000 de átomos) pesan alrededor de\(3 \times 10^{−13}\) gramos, una masa que es demasiado ligera para ser pesada incluso en los balances más sensibles del mundo. Requeriría pesar más de 300,000,000,000,000 de átomos de plomo (300 billones, o 3 × 10 14), y pesarían solo 0.0000001 gramo.
Es raro encontrar colecciones de átomos individuales. Sólo unos pocos elementos, como los gases helio, neón y argón, consisten en una colección de átomos individuales que se mueven independientemente unos de otros. Otros elementos, como los gases hidrógeno, nitrógeno, oxígeno y cloro, están compuestos por unidades que consisten en pares de átomos (Figura\(\PageIndex{6}\)). Una forma del elemento fósforo consiste en unidades compuestas por cuatro átomos de fósforo. El elemento azufre existe en diversas formas, una de las cuales consiste en unidades compuestas por ocho átomos de azufre. Estas unidades se llaman moléculas. Una molécula consiste en dos o más átomos unidos por fuerzas fuertes llamadas enlaces químicos. Los átomos en una molécula se mueven como una unidad, al igual que las latas de refresco en un paquete de seis o un montón de llaves unidas en un solo llavero. Una molécula puede consistir en dos o más átomos idénticos, como en las moléculas que se encuentran en los elementos hidrógeno, oxígeno y azufre, o puede consistir en dos o más átomos diferentes, como en las moléculas que se encuentran en el agua. Cada molécula de agua es una unidad que contiene dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Cada molécula de glucosa es una unidad que contiene 6 átomos de carbono, 12 átomos de hidrógeno y 6 átomos de oxígeno. Al igual que los átomos, las moléculas son increíblemente pequeñas y ligeras. Si un vaso ordinario de agua se ampliara al tamaño de la tierra, las moléculas de agua en su interior serían aproximadamente del tamaño de las pelotas de golf.
Clasificación de la materia
Podemos clasificar la materia en varias categorías. Dos categorías amplias son mezclas y sustancias puras. Una sustancia pura tiene una composición constante. Todos los especímenes de una sustancia pura tienen exactamente el mismo maquillaje y propiedades. Cualquier muestra de sacarosa (azúcar de mesa) consiste en 42.1% de carbono, 6.5% de hidrógeno y 51.4% de oxígeno en masa. Cualquier muestra de sacarosa también tiene las mismas propiedades físicas, como punto de fusión, color y dulzura, independientemente de la fuente de la que se aísla.
Podemos dividir las sustancias puras en dos clases: elementos y compuestos. Las sustancias puras que no pueden descomponerse en sustancias más simples por cambios químicos se denominan elementos. El hierro, la plata, el oro, el aluminio, el azufre, el oxígeno y el cobre son ejemplos familiares de los más de 100 elementos conocidos, de los cuales alrededor de 90 ocurren naturalmente en la tierra, y dos docenas más o menos han sido creados en laboratorios.
Las sustancias puras que pueden descomponerse por cambios químicos se denominan compuestos. Esta descomposición puede producir elementos u otros compuestos, o ambos. El óxido de mercurio (II), un sólido cristalino de color naranja, se puede descomponer por calor en los elementos mercurio y oxígeno (Figura\(\PageIndex{7}\)). Cuando se calienta en ausencia de aire, el compuesto sacarosa se descompone en el elemento carbono y el compuesto agua. (La etapa inicial de este proceso, cuando el azúcar se vuelve marrón, se conoce como caramelización, esto es lo que imparte el característico sabor dulce y a nuez a las manzanas de caramelo, las cebollas caramelizadas y el caramelo). El cloruro de plata (I) es un sólido blanco que se puede descomponer en sus elementos, plata y cloro, por absorción de luz. Esta propiedad es la base para el uso de este compuesto en películas fotográficas y anteojos fotocrómicos (aquellos con lentes que se oscurecen cuando se exponen a la luz).
Las propiedades de los elementos combinados son diferentes de las que se encuentran en el estado libre o no combinado. Por ejemplo, el azúcar cristalino blanco (sacarosa) es un compuesto resultante de la combinación química del elemento carbono, que es un sólido negro en una de sus formas no combinadas, y los dos elementos hidrógeno y oxígeno, que son gases incoloros cuando no se combinan. El sodio libre, un elemento que es un sólido metálico suave, brillante, y cloro libre, un elemento que es un gas amarillo-verde, se combinan para formar cloruro de sodio (sal de mesa), un compuesto que es un sólido cristalino blanco.
Una mezcla está compuesta por dos o más tipos de materia que pueden estar presentes en cantidades variables y pueden separarse por cambios físicos, como la evaporación (aprenderás más sobre esto más adelante). Una mezcla con una composición que varía de un punto a otro se denomina mezcla heterogénea. El aderezo italiano es un ejemplo de una mezcla heterogénea (Figura\(\PageIndex{1a}\)). Su composición puede variar porque podemos elaborarla a partir de cantidades variables de aceite, vinagre y hierbas. No es lo mismo de punto a punto a lo largo de la mezcla; una gota puede ser principalmente vinagre, mientras que una gota diferente puede ser principalmente aceite o hierbas porque el aceite y el vinagre se separan y las hierbas se asientan. Otros ejemplos de mezclas heterogéneas son las galletas con chispas de chocolate (podemos ver los trozos separados de chocolate, nueces y masa para galletas) y granito (podemos ver el cuarzo, la mica, el feldespato y más).
Una mezcla hom*ogénea, también llamada solución, exhibe una composición uniforme y aparece visualmente igual en todo momento. Un ejemplo de solución es una bebida deportiva, que consiste en agua, azúcar, colorante, saborizante y electrolitos mezclados uniformemente (Figura\(\PageIndex{1b}\)). Cada gota de una bebida deportiva sabe igual porque cada gota contiene las mismas cantidades de agua, azúcar y otros componentes. Tenga en cuenta que la composición de una bebida deportiva puede variar, podría hacerse con algo más o menos azúcar, saborizante u otros componentes, y aún así ser una bebida deportiva. Otros ejemplos de mezclas hom*ogéneas incluyen aire, jarabe de arce, gasolina y una solución de sal en agua.
Aunque hay poco más de 100 elementos, decenas de millones de compuestos químicos resultan de diferentes combinaciones de estos elementos. Cada compuesto tiene una composición específica y posee propiedades químicas y físicas definidas por las cuales podemos distinguirlo de todos los demás compuestos. Y, por supuesto, hay innumerables formas de combinar elementos y compuestos para formar diferentes mezclas. En (Figura 1.2.8) se muestra un resumen de cómo distinguir entre las diversas clasificaciones principales de la materia.
Once elementos constituyen alrededor del 99% de la corteza terrestre y la atmósfera (Tabla\(\PageIndex{1}\)). El oxígeno constituye casi la mitad y el silicio aproximadamente una cuarta parte de la cantidad total de estos elementos. La mayoría de los elementos en la tierra se encuentran en combinaciones químicas con otros elementos; alrededor de una cuarta parte de los elementos también se encuentran en estado libre.
| Element | Símbolo | Porcentaje de Masa | Element | Símbolo | Porcentaje de Masa | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| oxígeno | O | 49.20 | cloro | Cl | 0.19 | |
| silicio | Si | 25.67 | fósforo | P | 0.11 | |
| aluminio | Al | 7.50 | manganeso | Mn | 0.09 | |
| hierro | Fe | 4.71 | carbono | C | 0.08 | |
| calcio | Ca | 3.39 | azufre | S | 0.06 | |
| sodio | Na | 2.63 | bario | Ba | 0.04 | |
| potasio | K | 2.40 | nitrógeno | N | 0.03 | |
| magnesio | Mg | 1.93 | flúor | F | 0.03 | |
| hidrógeno | H | 0.87 | estroncio | Sr | 0.02 | |
| titanio | Ti | 0.58 | todos los demás | - | 0.47 |
Descomposición del Agua/Producción de Hidrógeno
El agua consiste en los elementos hidrógeno y oxígeno combinados en una proporción de 2 a 1. El agua se puede descomponer en gases de hidrógeno y oxígeno mediante la adición de energía. Una forma de hacerlo es con una batería o fuente de alimentación, como se muestra en (Figura\(\PageIndex{9}\)).
La descomposición del agua implica un reordenamiento de los átomos en las moléculas de agua en diferentes moléculas, cada una compuesta por dos átomos de hidrógeno y dos átomos de oxígeno, respectivamente. Dos moléculas de agua forman una molécula de oxígeno y dos moléculas de hidrógeno. La representación de lo que ocurre\(\ce{2H2O}(l)\rightarrow \ce{2H2}(g)+\ce{O2}(g)\),, será explorada con mayor profundidad en capítulos posteriores.
Los dos gases producidos tienen propiedades claramente diferentes. El oxígeno no es inflamable pero se requiere para la combustión de un combustible, y el hidrógeno es altamente inflamable y una potente fuente de energía. ¿Cómo se podría aplicar este conocimiento en nuestro mundo? Una aplicación implica la investigación de un transporte más eficiente de combustible. Los vehículos de celdas de combustible (FCV) funcionan con hidrógeno en lugar de gasolina (Figura\(\PageIndex{10}\)). Son más eficientes que los vehículos con motores de combustión interna, no contaminantes y reducen las emisiones de gases de efecto invernadero, haciéndonos menos dependientes de los combustibles fósiles. Sin embargo, los FCV aún no son económicamente viables y la producción actual de hidrógeno depende del gas natural. Si podemos desarrollar un proceso para descomponer económicamente el agua, o producir hidrógeno de otra manera ambientalmente racional, los FCV pueden ser el camino del futuro.
Química de los Teléfonos Celulares
Imagina lo diferente que sería tu vida sin celulares (Figura\(\PageIndex{11}\)) y otros dispositivos inteligentes. Los teléfonos celulares están hechos de numerosas sustancias químicas, que se extraen, refinan, purifican y ensamblan utilizando un amplio y profundo conocimiento de los principios químicos. Alrededor del 30% de los elementos que se encuentran en la naturaleza se encuentran dentro de un típico teléfono inteligente. La caja/cuerpo/marco consiste en una combinación de polímeros resistentes y duraderos compuestos principalmente de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno [acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) y policarbonato termoplásticos], y metales ligeros, fuertes y estructurales, como el aluminio, el magnesio y el hierro. La pantalla de visualización está hecha de un vidrio especialmente endurecido (vidrio de sílice reforzado por la adición de aluminio, sodio y potasio) y recubierto con un material para hacerlo conductor (como el óxido de indio y estaño). La placa de circuito utiliza un material semiconductor (generalmente silicio); metales de uso común como cobre, estaño, plata y oro; y elementos más desconocidos como itrio, praseodimio y gadolinio. La batería se basa en iones de litio y una variedad de otros materiales, incluyendo hierro, cobalto, cobre, óxido de polietileno y poliacrilonitrilo.
Resumen
La materia es cualquier cosa que ocupa espacio y tiene masa. El bloque básico de construcción de la materia es el átomo, la unidad más pequeña de un elemento que puede entrar en combinaciones con átomos del mismo u otros elementos. En muchas sustancias, los átomos se combinan en moléculas. En la tierra, la materia comúnmente existe en tres estados: sólidos, de forma y volumen fijos; líquidos, de forma variable pero de volumen fijo; y gases, de forma y volumen variables. En condiciones de alta temperatura, la materia también puede existir como plasma. La mayor parte de la materia es una mezcla: Está compuesta por dos o más tipos de materia que pueden estar presentes en cantidades variables y pueden separarse por medios físicos. Las mezclas heterogéneas varían en composición de punto a punto; las mezclas hom*ogéneas tienen la misma composición de punto a punto. Las sustancias puras consisten en un solo tipo de materia. Una sustancia pura puede ser un elemento, que consiste en un solo tipo de átomo y no puede descomponerse por un cambio químico, o un compuesto, que consiste en dos o más tipos de átomos.
Glosario
- átomo
- partícula más pequeña de un elemento que puede entrar en una combinación química
- compuesto
- sustancia pura que se puede descomponer en dos o más elementos
- elemento
- sustancia que se compone de un solo tipo de átomo; una sustancia que no puede ser descompuesta por un cambio químico
- gas
- estado en el que la materia no tiene ni volumen ni forma definidos
- mezcla heterogénea
- combinación de sustancias con una composición que varía de punto a punto
- mezcla hom*ogénea
- (también, solución) combinación de sustancias con una composición que es uniforme a lo largo
- líquido
- estado de la materia que tiene un volumen definido pero forma indefinida
- ley de conservación de la materia
- cuando la materia se convierte de un tipo a otro o cambia de forma, no hay ningún cambio detectable en la cantidad total de materia presente
- masa
- propiedad fundamental que indica cantidad de materia
- materia
- cualquier cosa que ocupe espacio y tenga masa
- mezcla
- materia que se puede separar en sus componentes por medios físicos
- molécula
- colección unida de dos o más átomos de elementos iguales o diferentes
- plasma
- estado gaseoso de materia que contiene un gran número de átomos y/o moléculas cargadas eléctricamente
- sustancia pura
- sustancia hom*ogénea que tiene una composición constante
- sólido
- estado de materia que es rígido, tiene una forma definida y tiene un volumen bastante constante
- peso
- fuerza que la gravedad ejerce sobre un objeto
