Matter and its properties La materia y sus propiedades

Ciencias Naturales 1º de E.S.O. Francisco J. Barba Regidor Curso: 2008-09

What is matter?: The Concept ¿Qué es la materia?: el concepto Everything that takes up space and has mass is matter. That supposes that everything around us is matter. All of the matter types are made up of small particles, even more than you can imagine. The properties of the matter are: - General properties. - Specific properties.

Todo lo que ocupa un espacio y está hecho de masa es materia. Ello supone que todo lo que hay a nuestro alrededor es materia. Todos los tipos de materia están hechos de pequeñas partículas, incluso más de lo que se puede imaginar. Las propiedades de la materia son: - Generales. - Específicas.

Matter properties Propiedades de la materia - General properties. They are the properties common to all matter: mass, volume, weight and density. - Specific properties. They are the characteristics that allows us to differentiate one kind of matter to another: colour, shape, size, texture, hardness, etc. They can be used to identify and describe matter.

- Generales. Son las propiedades comunes a toda materia: masa, volumen, peso y densidad. - Específicas. Son las características que nos permiten diferenciar un tipo de materia de otro: color, tamaño, textura, dureza, etc. Pueden ser usadas para identificar y describir materia.

Matter is anything that has both mass and volume Materia es todo lo que tiene a la vez masa y volumen.

Matter examples/Ejemplos de materia

Physical magnitudes Magnitudes físicas A physical magnitude is a property of the matter that we can measure. So, it is a physical magnitude the volume of a coin, for example. We measure the coin’s volume with a test-tube Medimos el volumen de la moneda con una probeta

Imágenes tomadas de http://www.slideshare.net/jmaq1997/

Una magnitud física es una propiedad de la materia que se puede medir. Así, es una magnitud física el volumen de una moneda, por ejemplo. Beauty isn’t a magnitude. We can’t measure it with an instrument or with a machine. However, there’s a world beauty competition every year. Knowledge isn’t a magnitude. We can’t measure it with an instrument or with a machine. However, you have to pass many exams every year.

How can we measure a physical magnitude? We can measure a physical magnitude with an instrument of measure. And we must express a magnitude with a number or quantity and a unit. Magnitude = quantity x unit

For example, a car is running at 120 km/h. We express it like: REMEMBER!:

V = 120 km/h Speed, (magnitude) Number or quantity

Unit

You always must express the magnitude like a number followed by a unit. Put the unit! Don’t forget it!

The International System/El Sistema Internacional Magnitudes and units/Magnitudes y unidades All the magnitudes and their units are gathered in a common set called the International System. Scientists choose an arbitrary number of magnitudes. They are most important. These ones are called fundamental magnitudes. The rest of the magnitudes are called derived magnitudes. The seven fundamental magnitudes of the International System:

FUNDAMENTAL MAGNITUDES AND THEIR UNITS MAGNITUDE

UNIT

Length

meter (m)

Time

second (s)

Mass

Kilogram (kg)

Temperature

kelvin (K)

Intensity of electric current

ampere (A)

Amount of substance

Mol (mol)

Luminous intensity

candela (cd)

The rest of the magnitudes are called derivate. Every derivate magnitude is defined from fundamental magnitudes. For example, the speed is the space divided by the time. So, speed = Longitude Time

meter And unit of speed is second

In the International System, some of the most used derivate magnitudes are: MAGNITUDE UNIT Surface: S = L x L

m2

Volume: V = L x L x L

m3

Density: d = m / V

(kg/m3)

Speed: V = L/t

m/s

Aceleration: a = (v – v0) / t

m/s2

Force: F = m . a

Newton (N)

Work, Energy: W = F . L

Joule (J)

Power: P = W / t

watt (W)

Pressure: P = F / S

Pascal (Pa)

Definitions of fundamental units or standards Meter or standard meter/Metro o metro patrón Many years ago, the meter was defined like the 10.000.000th (ten millionth) part of the half meridian earth that passes through Greenwich, (nearly to London). What does it mean? Imagine the meridian 0º or Greenwich Meridian, a fictitious line between the North Pole and the South Pole. Let's take the half meridian (between the North Pole and Equator), and let's divide it in 10.000.000 (ten million) equals parts. Every part is a meter long. Meridian 0º

1m ete r

Hace muchos años se definió el metro como la diez millonésima parte de la mitad del meridiano terrestre que pasa por Greenwich (próximo a Londres). ¿Qué significa esto? Imagina el meridiano 0º o de Greenwich: una línea ficticia entre el Polo Norte y el Polo Sur. Tomamos medio meridiano (entre el Polo Norte y el Ecuador), y dividámoslo en diez millones de partes iguales. La longitud de cada parte es de un metro.

Equator

At the end of the XIX Century, the international prototype of the meter was defined as the distance between two lines on a standard bar composed of an alloy of ninety percent platinum and ten percent iridium, kept in the International Bureau of Weights and Measures from Sèvres, Paris. Of course, this bar measures 1 meter exactly. Nowadays, the definition of meter is more difficult to understand: The meter is the length of the path traveled by light during a time interval of 1/299.792.458 of a second, in the vacuum. It means that in one second the light covers 299.792.458 meters long.

El metro patrón internacional es la distancia entre dos marcas sobre una barra patrón compuesta por una aleación de un 90% de platino y un 10% de iridio, conservada en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas de Sèvres, París. Por supuesto, esta viga mide 1 metro exactamente. Hoy día, la definición de metro es más difícil de comprender. Metro es la longitud del camino recorrido por la luz durante un intervalo de tiempo de 1/299.792.458 segundos en el vacío. Esto significa que en un segundo la luz recorre 299.792.458 metros de distancia.

Surface/Superficie Surface is the space occupied by the length and the width of a body. It is a derived unit of length. In the International System of Units the surface is measured in square metres (m2). To calculate the surface area of 1. Regular-shaped objects, you must use the mathematical equation corresponding to the shape. 2. Irregular-shaped objects, you must divide the irregular shape into regular ones, and calculate the area of each one. Then, add these areas together to calculate the total surface (this method will give you only an estimation).

La superficie es el espacio ocupado por la longitud y la anchura de un cuerpo. Es una unidad derivada de la longitud. En el Sistema Internacional de Unidades la superficie se mide en metros cuadrados (m2). Para calcular el área de la superficie de 1. cuerpos de forma regular, debes utilizar la ecuación matemática correspondiente a la forma. 2. objetos de forma irregular, debes dividir la forma irregular en formas regulares y calcular el área de cada una de ellas. Luego, sumas las áreas para calcular la superficie total (este método sólo proporciona una estimación).

Regular-shaped objects

Surface/Superficie

Objetos de forma regular Irregular-shaped objects Objetos de forma irregular

The volume of a solid is the amount of space it occupies. It is a derived unit from length and it is measured in cubic metres (m3). To measure the volume, it depends both on the shape and on the state of the body (see picture).

Volume/Volumen

El volumen de un sólido es la cantidad de espacio que ocupa. Es una unidad derivada de la longitud y se mide en metros cúbicos (m3). Para medir el volumen, depende tanto de la forma como del estado del cuerpo (ver figura). 1. In the case of recular geometric solids, we can use the corresponding methematical formula. 2. In the case of irregular-shaped solids, we must use a measuring cylinder to measure its volume: we submerge the body in water, and then we can measure the amount of water displaced. 3. If liquids, we can directly use a measuring cylinder. 4. If gases, first fill a measuring cylinder with water. Then, place it upside down in a dish of water and mark the water level in the cylinder: it is the initial volume. Next, blow air through a tube into the cylinder: the air displaces some water. Mark the new water level: it is the final volume. The difference between the two levels is the volume of added gas to the cylinder.

Volume vs. Capacity Volumen frente a Capacidad The Volume of a liquid can be calculated by measuring the capacity of its container.

El volumen de un líquido puede calcularse midiendo la capacidad de su contenedor.

Capacity is the amount of liquid a container can hold when it is full. For example, the bottles of the picture have different capacity.

Capacidad es la cantidad de líquido que puede almacenar un contenedor cuando está lleno. P.ej., las botellas de la figura tienen diferente capacidad.

Capacity is measured in litres (l)

La capacidad se mide en litros (l).

Multiples and submultiples of the volume and capacity units. Equivalences Equivalences. It depends on the colour of cells: - 1 m3 = l kl - 1 dm3 = 1 l - 1 cm3 = 1 ml - 1 mm3 = 0,001 ml

In spanish…: http://sauce.pntic.mec.es /jdiego/glosario/capacida d.swf

Volume Cubic metre (m3)

1 m3

Cubic decimetre (dm3)

1 dm3 =

Capacity

0,001 m3

Kilolitre (kl)

1000 l

Hectolitre (hl)

100 l

Cubic 1 cm3 = Decalitre centimetre (cm3) 0,000001 m3 (dal)

10 l

Cubic millimetre (mm3)

1l

1 mm3 = Litre 0,000000001 m3 (l)

Besides these volume units, are usual the next multiples: Cubic kilometre (km3): - 1 km3 = 1.000.000.000 m3 Cubic hectometre (hm3) - 1 hm3 = 1.000.000 m3 Cubic decametre (dam3) - 1 dam3 = 1.000 m3

Decilitre (dl)

0,1 l

Centilitre (cl)

0,01 l

Millilitre (ml)

0,001 l

Mass/Mass Mass is the amount of matter in a body. Mass is a base unit and it is measured in kilograms (kg). Many other units of mass are also employed, such as: - gram: 1 g = 0,001 kg (1000 g = 1 kg) - tonne: 1 tonne = 1000 kg Scales are used to measure mass:

Masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo. Masa es una unidad fundamental. Y se mide en kilogramos (kg). Se suelen emplear otras muchas unidades de masa, como: - gramo: 1 g = 0,001 kg (1000 g = 1 kg) - tonelada: 1 tonelada = 1000 kg

Se suelen usar escalas de medida: Unit and symbol

Equivalence in kg

Ton (t)

1.000 kg

Kilogram (kg)

1 kg

Gram (g)

1kg = 1.000 g

Decigram (dg)

1g = 10 dg

Centigram (cg)

1g = 100 cg

Milligram (mg)

1g = 1.000 mg

Standard kilogram/Kilogramo patrón The standard kilogram is a platinum-iridium cylinder held in a vault at the International Bureau of Weights and Measures in Sèvres, Paris. El kilogramo patrón es un cilindro de platinoiridio encerrado en una cámara en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas en Sèvres, Paris.

How to measure the mass of a body? To measure the mass of a body different types of scales are used (in the case of the picture, with two saucers to be balanced until the equilibrium as it is explained).

Density Density is the relationship between the mass and the volume of a body, that is, how concentrated the mass is in a specific volume. Density is measured in kg/m3 or g/cm3. Iron has a higher density than wood. These two blocks, one of iron, and one of wood, have the same volume. The block of iron has more mass, or amount of matter, so it is harder to move. The block of iron feels heavy for its size. The relationship between mass and volume: • The greater the mass is, the greater the density. • The greater the volume is, the smaller the density. Density is a specific property of matter. It helps differentiate one substance iron another. Density = mass/volume Generally speaking, solids have a higher density than liquids. Liquids have a higher density than gases. For example, air weighs very littie because it has little mass: it feels light for its size.

La densidad es la relación entere la masa y el volumen de un cuerpo, esto es, nos indica cómo está de concentrada la masa en un volumen determinado. Se mide en kg/m3 or g/cm3. El hierro es más denso que la madera. Estos dos bloques, uno de hierro y otro de madera, tienen el mismo volumen. El de hierro tiene más masa –o cantidad de materia-, de ahí que sea más difícil de mover. El bloque de hierro parece más pesado para su tamaño. La relación entre masa y volumen: - A mayor masa, mayor densidad. - A mayor volumen, menor densidad. La densidad es es una propiedad específica de la materia. Nos ayuda a diferenciar una substancia de otra. Densidad = masa/volumen En general, los sólidos son más densos que los líquidos, y éstos que los gases.

Oil floats on water because it is less dense…

Temperature Temperature mark

Temperature can be defined as the measure of the thermal state of a body, because this measurement is related to the body’s internal state. It is another general propiety of the matter. It can also change easily, like mass and volumen. Temperature is related to the amount of heat a body gives off or absorbs; a hot body will heat a cold one until they are both at the same temperature: energy always passes from the hoter to the colder body.

Mercury deposit

The instrument used to measure temperature is the thermometer. The unit for temperature is the Kelvin (K) in the I.S.U. You freqwuently users the degrees Celsius (ºC). In this case the scale puts the zero value (0ºC) corresponding to the water freezing point; the one hundred (100ºC) value is put in the boiling point of water. In some countries, like in the U.S.A., Fahrenheit (ºF) scale is used. Termperature scales

Kelvin

Celsius

Fahrenheit

Kelvin (K)

Celsius deg. (ºC)

Fahrenheit deg. (ºF)

Boiling point of water

373,15

100

212

Freezing point of water

273,15

0

32

0

-273,15

-459,67

Unit symbol

When it heats up, mercury increases in volume; then, it is going up the narrow and graduated tube

Absolute zero

Time is a component of the measuring system used to sequence events, to compare the durations of events and the intervals between them, and to quantify the motions of objects. There are differente instruments to measure time (hourglass and sundials, see pictures).

Time

Sundial, from http://www.steveirvine.com/sundial.html

In the I.S.U, time is measured in seconds. Sundial, from http://www.germesonline.com/catalog/26/12/877/116164/ sell_sundial.html

The flow of sand in an hourglass can be used to keep track of elapsed time. It also concretely represents the present as being between the past and the future (Picture and text from Wikipedia).

Matter classification Clasificación de la materia Matter/Materia

Mixtures/Mezclas

Pure Substances Substancias puras

Homogeneous Homogéneas

Heterogeneous Heterogéneas

Compounds Compuestas

Elements Elementos

Substance/Substancia Every type of matter is called substance. The different types of subtance are differentiated by means its specific properties, depending on its composition.

Cada tipo de materia se denomina substancia. Los diferentes tipos de substancia se diferencian por medio de sus propiedades específicas, que dependen de su composición.

Atoms: the Nature of matter Átomos: la naturaleza de la materia It is huge the number of substances existing in the Universe, but all of them are made up of atoms. Atom is the smaller unit characterizing and identifying the different types of matter, keeping both its identity and its propieties. Every object has so many atoms that we cannot imagining it: In 12 g of carbon there are 6,022*1023 atoms. Atoms are made up of three different classes of particles (elemental particles): protons, neutrons and electrons. In this model, protons and neutrons are in a dense, central zone: the nucleus. This is surrounded by a cloud of negatively charged electrons.

Es enorme el número de substancias que existen en el Universo, pero todas ellas están formadas por átomos. El átomo es la unidad más pequeña que caracteriza e identifica a los distintos tipos de materia, manteniendo tanto su identidad como sus propiedades. Cada objeto tiene tantos átomos que no lo podemos imaginar: en 12 g de carbono hay 6,022*1023 átomos. Los átomos están formados por tres clases de partículas diferentes (partículas elementales): protones, neutrones y electrones. En este modelo, los protones y los neutrones están en una zona densa y central: el nucleo. Éste está rodeado por una nube de electrones cargados negativamente.

Atoms/Átomos Every type of atoms differs by the number of protons there are in its nucleus. It is the atomic number. For example, the gold atoms have one proton more than those of the platinum. Each one of these different types of atoms are called chemical element. So, Platinum and Gold are chemical elements. But different. Every chemical element is identifying by means a name and a symbol. All of the chemical elements are gathered in the periodic table (next slide). The order is due to the atomic number.

Nucleus/Núcleo

Electronic cloud Nube electrónica

Cada tipo de átomos difiere por el número de protones que hay en su núcleo. Es el número atómico. Por ejemplo, los átomos de oro tienen un protón más que los del platino. Cada uno de estos diferentes tipos de átomos se denomina elemento químico. Así, el Platino y el Oro son elementos químicos. Cada elemento químico se identifica por un nombre y un símbolo. Todos los elementos químicos están recogidos en la tabla periódica (ver diapositiva siguiente) el orden se debe al número atómico.

http://www.ptable.com/

Names and symbols/Nombres y símbolos Groups/grupos Every chemical element is identified by means a name and a symbol. All of them are grouped in the periodic table as rows (periods) ant columns (groups). Periods/periodos Cada elemento químico se identifica por un nombre y un símbolo. Todos ellos están agrupados en la tabla periódica en filas (periodos) y columnas (grupos).

IIIA

1 2 3 4 5 6

IVA

VA

VIA

VIIA

VIII

Elements and Nature/Elementos y Naturaleza Although all of the atoms are made up of the same elemental particles, every element has different properties and are present in the matter in different proportions. The most abundant elements in the Universe are hydrogen and helium. Both of them are the basic components of the stars (the Sun is one of them). So, for example, they represent 92,4 and 7,5 % respectively of our Solar System.

Aunque todos los átomos están formados por las mismas partículas elementales, cada elemento tiene diferentes propiedades y está presente en la materia en diferentes proporciones. Los elementos más abundantes en el Universo son el hidrógeno y el helio. Ambos son los componentes básicos de las estrellas (el Sol es una de ellas). Así, por ejemplo, representan el 92,4 y el 7,5% respectivamente de nuestro Sistema Solar.

ELEMENTS IN THE EARTH CRUST

ELEMENTOS EN LA CORTEZA TERRESTRE

As far as we know, the most abundant elements in the Earth are iron (40%) and oxygen (28%). Nevertheless, the crust composition is quite different: oxygen, silicon, aluminium and iron are the most abundant elements, and they are generally combined whith each other, as it happens in silicates and many other minerals (oxides).

Hasta donde sabemos, los elementos más abundantes en la Tierra son el hierro (40%) y el oxígeno (28%). No obstante, la composición de la corteza es muy diferente: oxígeno, silicio, aluminio y hierro son los más abundantes, y generalmente aparecen combinados unos con otros, como ocurre en los silicatos y en muchos otros minerales (óxidos).

http://geography.sierra.cc.ca.us/Booth/Physical/c hp13_earth/crust_composition.gif

Elements in the living beings/Elementos en los seres vivos The chemical elements forming living beings are called bioelements. Their proportions in those are different.

Los elementos químicos que forman los seres vivos se llaman bioelementos. Sus proporciones en aquellos son diferentes.

Carbon, hydrogen and nitrogen form 95% of all living beings.

El carbono, hidrógeno y nitrógeno forman el 95% de todos los seres vivos.

Atoms of carbon combine with many other atoms to form a wide variety of molecules in living beings (carbohydrates, proteins, lipids, nucleic acids)

Los átomos de carbono se combinan con otros átomos para formar una gran variedad de moléculas en los seres vivos (carbohidratos, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos).

Other elements/Otros elementos In Sea Water

En el agua del mar

- Chlorine. It is a gas that combines with metals to form salts.

- Cloro. Es un gas que se combina con metales para formar sales.

- Sodium. It is a metal. It forms sodium chloride, that is the common salt.

- Sodio. Metal que forma el cloruro sódico, esto es, la sal común.

- Potassium. It is an other metal. It can be found in potassium chloride.

- Potasio. Otro metal. Forma el cloruro de potasio

- Calcium. It is a metal present in many solved salts: sulphates and carbonates. It is also present in the shells of manjy invertebrates and in the innner skeleton of vertebrates.

- Calcio. Metal presente en muchas sales disueltas: sulfatos y carbonatos. Está presente también formando los caparazones de invertebrados y el esqueleto interno de los vertebrados.

Atoms, molecules and crystals Átomos, moléculas y cristales It is huge the number of substances we can find around us, but all of them are made up of different combinations of the described chemical elements. When atoms are combined, they can produce molecules or, even, crystals. 1. Molecules are groups of atoms. These atoms might be the same or not. For example: O2 is a molecule of oxygen with only two atoms of this element, but H2O is an other molecule with three atoms: two of hydrogen and one of oxygen. 2. In the case of crystals, the number of atoms in combination may be higher, and they are strictly ordered in fixed positions.

Es enorme el número de substancias que podemos encontrar a nuestro alrededor, pero todas ellas están formadas por diferentes combinaciones de los elementos químicos descritos. Cuando los átomos se combinan, pueden producir moléculas o, incluso, cristales. 1. Las moléculas son grupos de átomos. Estos átomos pueden o no ser los mismos. Por ejemplo: El O2 es una molécula de oxígeno con sólo dos átomos de este elemento, pero H2O es otr molécula con tres átomos: dos de hidrógeno y uno de oxígeno 2. En los cristales, el número de átomos en combinación puede ser mayor, y esto están en posiciones estrictamente ordenadas y fijas.

Different types of molecules

An example of a crystal. Atomic representation of sodium chloride or table salt. This compound forms in nature as a highly ordered, three-dimensional network of oppositely charged ions. The bonds that form between the sodium (Na+) and (Cl-) chloride ions give this compound great internal strength allowing it to form large crystals.

Pictures from: http://www.physicalgeography.net/fundamentals/ 6a.html

Formulae/Fórmulas If we use symbols to recognize chemical elements (O: oxygen; H: hydrogen; Fe: Iron; Ag: Silver, etc.), we must to use formulae to recognize molecules. A chemical formula consists of chemical symbols and numbers to indicate how many atoms of each element make up a molecule. There are different types of formulae and they depend of the molecule represented:

Si usamos símbolos para reconocer elementos químicos (O: oxígeno; H: hidrógeno; Fe: hierro; Ag: plata, etc.), debemos usar fórmulas para reconocer moléculas. Una fórmula química consiste en símbolos químicos y números que indican cuántos átomos de cada elemento hay en una molécula. Hay diferentes tipos de fórmulas y dependen de la molécula representada:

Types of formulae/Tipos de fórmulas • Simple substances. In this case there are only a class of element: N2 is the formula for the substance with molecules made up of two nitrogen atoms joined together. • Compound substances. The formula indicates which elements make up the molecule. In the case of the carbon dioxide, CO2, it consists of one atom of carbon joined to two atoms of oxygen.

• Substancias simples. En este caso sólo hay una clase de elemento: N2 es la fórmula de la substancia con moléculas formadas por dos átomos de nitrógeno unidos entre sí. • Substancias compuestas. La fórmula indica qué elementos forman una molécula. In el caso del dióxido de carbono, CO2, consiste Pictures from: en un átomo de carbono http://www.windows.ucar.edu/physic al_science/chemistry/n2_molecule_s unido a dos de oxígeno. m.gif

The case of crystals/El caso de los cristales Crystals. Some elements form simple crystals. In this case, the chemical formula is the same as for the chemical symbol for the element. For example, carbon crystals in diamonds, C. Compound crystals. The chemical formula indicates the elements and their proportions whitin the crystal. For common salt is very easy, NaCl, but in many other cases this is more complicated: Na2SO4, CaCO3, etc.

Cristales. Algunos elementos forman cristales simples. En este caso, la fórmula química es la misma que el símbolo químico del elemento. Por ejemplo, los cristales de carbono en los diamantes, C. Cristales compuestos. La fórmula química indica los elementos y sus proporciones dentro del cristal- Para la sal común, NaCl, es muy fácil, pero en muchas otras ocasiones es más complicado: Na2SO4, CaCO3, etc.