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La materia

1. La materia. Propiedades de la materia. Materia es todo aquello que tiene masa y volumen , por tanto, podemos decir que la masa y el volumen son propiedades generales de la materia.  La masa es la cantidad de materia que posee un cuerpo, en el SI se mide en kilogramos  El volumen es el lugar que ocupa una sustancia en el espacio, en el SI se mide en m3 Para medir la masa de una sustancia utilizamos una balanza

22,00 g

10,00 g

Para medir volúmenes de sólidos utilizamos dos procedimientos a) Si es regular se calcula el volumen mediante una fórmula después de realizar una medida directa:

a

a b c

Cubo V= a3

paralelepípedo V= a·b·c R h

R

Esfera V= 4/3 Π R3

Cilindro V= Π R2 h

b) Si es irregular podemos medir el volumen desplazado en una probeta 40 ml

46 ml

Volumen del sólido= 46 ml - 40 ml= 6ml =6 cm3

1

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Propiedades específicas de la materia son aquellas que nos permiten identificarla y clasificarla, por ejemplo: la densidad, el punto de fusión, el punto de ebullición, la solubilidad, etc Densidad: la densidad mide la relación entre la masa de una sustancia y el volumen que ocupa. Es una propiedad que tiene siempre el mismo valor para una sustancia pura y por tanto, nos permite distinguirla de las demás. Supongamos que tomamos distintas muestras de cobre:

8,90 g

V1=1 cm3

5,34 g

V2=0,6 cm3

22,25 g

V3=2,5 cm3

Si ahora calculamos la densidad en los tres casos: dCu= 8,90 g/1 cm3 =8,9 g/cm3 dCu= 5,34 g/0,6 cm3 =8,9 g/cm3 dCu= 22,25 g/2,5 cm3 =8,9 3 g/cm Si en lugar de cobre tomamos una muestra de plata:

10,50 g

V1=1 cm3

6,30 g

V2=0,6 cm3

Si ahora calculamos la densidad en los tres casos: DAg= 10,5 g/1 cm3 =10,50 g/cm3 dAg= 6,30 g/0,6 cm3 =10,5 g/cm3 =10,5 g/cm3

26,25g

V3=2,5 cm3 dAg = 26,25 g/2,5 cm3

Punto de fusión, es la temperatura a la que una sustancia cambia de estado sólido a estado líquido. Depende de la presión Punto de ebullición, es la temperatura a la que una sustancia cambia de estado líquido a estado gaseoso. Depende de la presión. En la tabla se muestran algunos puntos de fusión y ebullición de sustancias puras a 1 atmósfera de presión : Sustancia Agua Etanol Oro Plata Mercurio Oxígeno

Punto de fusión (ºC) 0 -117,3 1063 960 -39 -210

Punto de ebullición(ªC) 100 78,9 2857 2210 357 -183 2

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2. Modelo cinético molecular y estados de agregación de la materia La materia está formada por partículas que están en movimiento continuo. Cuando de decimos que la materia es discontinua queremos indicar que las partículas al unirse dejan huecos entre ellas y en estos huecos no hay nada. Veamos algunos ejemplos:

Sólido

Líquido

Gas

1

En los tres estados de agregación las partículas están en continuo movimiento y vemos que entre ellas quedan espacios vacios en los que no hay nada. En el estado sólido las partículas el movimiento se limita a la vibración alrededor de una posición fija, esto se debe a que las fuerzas que las unen son muy grandes. En el estado líquido las partículas las fuerzas de cohesión entre ellas es menor que en el estado sólido y por tanto, tienen más movilidad. En este caso se pueden deslizar unas sobre otras. En el estado gaseoso las partículas las fuerzas de unión son muy pequeñas y se mueven con bastante libertad. Utilizando este modelo vemos que las propiedades de la materia se explican fácilmente: ESTADO DE AGREGACIÓN SÓLIDO

PROPIEDADES Forma propios

y

volumen

LÍQUIDO

Volumen propio y forma del recipiente que lo contiene

GAS

Forma y volumen del recipiente que lo contiene

EXPLICACIÓN Las partículas están unidas por fuerzas muy grandes que las mantienen en posiciones fijas, con un movimiento constante de vibración alrededor de esa posición Las fuerzas que unen las partículas las mantienen unidas, por este motivo pueden fluir y tienen un volumen fijo. Sin embargo, no son suficientemente fuertes para formar estructuras rígidas y se adaptan al recipiente. Las partículas se mueven a gran velocidad y se desplazan en todas direcciones, chocando unas con otras y ocupando todo el espacio.

Efecto de la temperatura sobre las partículas de un cuerpo Cuando calentamos una sustancia las partículas adquieren más energía y se mueven con mayor velocidad. Por este motivo, decimos que la temperatura es una medida de la agitación de las partículas, o mejor aún de la energía cinética media de las partículas de un cuerpo.

1

Se representa una mezcla de gases, como el aire, en este caso vemos que como hay oxígeno(azul) y nitrógeno(rojo), hay dos tipos de partículas.

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3. Cambios de estado. Es posible cambiar de un estado a otro intercambiando energía con el exterior. En el siguiente esquema se pueden ver los distintos cambios de estado y su relación: Sublimación directa Fusión SÓLIDO vaporización LÍQUIDO Solidificación

GAS Condensación

Sublimación inversa Una curva de calentamiento es un gráfico en el que se representa la evolución de la temperatura de una sustancia en función del tiempo cuando se le suministra calor: El gráfico siguiente representa la curva de calentamiento de una muestra de agua desde -10 ºC hasta 100 ºC a la presión de 1 atmósfera. Temperatura (ºC) Vaporización

100 3

4 1

2

Fusión 0 Tiempo (min) -10

En la gráfica encontramos cuatro zonas: Zona A (de -10 ºC a 0ºC): en este caso vemos que la energía se emplea en aumentar la velocidad de las partículas, es decir aumenta su temperatura. Zona B ( 0ºC) : Se produce la fusión y la temperatura permanece constante, aunque seguimos aportando calor. La diferencia entre sólidos y líquidos es la mayor fuerza de unión entre partículas en el hielo, es necesario superar esas fuerzas para poder llegar al estado líquido y este cambio requiere de un gasto de energía. 4

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Zona C (0ºC a 100ºC): sucede lo mismo que en la zona A la energía se invierte en aumentar la velocidad de las partículas y por tanto aumenta la temperatura. Zona D (100ºC): Ahora la energía suministrada se invierte en superar las fuerzas de unión entre partículas del líquido para pasar al estado gaseoso y al igual que en la fusión la temperatura permanece constante.

4.

Sustancias puras y mezclas

Las sustancias que hay en la naturaleza son muy diferentes: rocas, agua, aire, plásticos, etc. Sin embargo, los científicos han intentado clasificarlas desde el principio de los tiempos. El criterio más inmediato es su aspecto. Hay sustancias en las que a simple vista observamos distintos componentes y otras tienen un aspecto uniforme. Estas últimas, a pesar de su aspecto uniforme, a veces están formadas por varias sustancias y otras contienen un solo tipo de sustancia. La clasificación de la materia podemos resumirla en el siguiente cuadro:

Para clasificar una sustancia necesitamos saber si hay un solo componente o hay varios, por ejemplo: el agua o el hierro solo tienen un tipo de partículas y son sustancias puras. Sin embargo, el aire o el granito, están formados por varios componentes y son mezclas. 5

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Como podemos ver en los dibujos, si las partículas que forman la sustancia son todas iguales entonces tenemos una sustancia pura. En este grupo podemos tener dos tipos de sustancias: a) Elementos químicos, son sustancias puras cuyas partículas están formadas por un solo tipo de átomos, son los llamados elementos químicos y están en la tabla periódica. b) Compuestos químicos, son sustancias puras cuyas partículas son todas iguales, pero en este caso están formadas por una agrupación de átomos en una proporción fija El agua formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, o el amoníaco está formado por la agrupación de un átomo de nitrógeno y tres átomos de hidrógeno. Las mezclas pueden ser: a) Heterogéneas, los componentes se pueden distinguir por métodos ópticos sencillos y tienen diferente composición en todos sus puntos, como es el caso del granito

b) Mezclas homogéneas, no podemos distinguir los componentes por métodos ópticos sencillos y tienen la misma composición en todos sus puntos

5.

Mezclas de especial interés: disoluciones acuosas, aleaciones y coloides

Una disolución es una mezcla homogénea, en general con dos componentes: Llamamos DISOLVENTE al componente en mayor proporción, y SOLUTO al componente en menor proporción en la mezcla. Es muy habitual encontrar en la naturaleza disoluciones en las que el disolvente es el agua y el soluto es sólido. Pero, no son los únicos tipos de disoluciones que hay en nuestro entorno: Soluto

Disolvente

ejemplos

Sólido líquido gas

Gas Gas Gas

Humo Niebla Aire

Sólido Líquido Gas

Líquido Líquido Líquido

Sal+agua Alcohol+agua Bebida carbónica

Sólido Líquido Gas

Sólido Sólido Sólido

Bronce Metal + mercurio Hidrógeno +metal

6.

Métodos de separación de mezclas

Para separar los componentes de una mezcla homogénea, en general podemos utilizar métodos físicos que dependerán del estado físico de los mismos, Los métodos más habituales de separación de mezclas son: 6

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a) Mezclas heterogéneas:

Sirve para separar sólidos de líquidos mediante un filtro o papel poroso, que retiene las partículas sólidas. En el laboratorio el filtro se sitúa en un embudo para facilitar la separación.

se utiliza en mezclas constituidas por dos líquidos inmiscibles entre sí. Por ejemplo el aceite y el agua. Para separarlos, se coloca la mezcla inmiscible en un embudo de decantación, se agita y simplemente se le deja reposar para que el líquido más denso (agua) se sitúe por debajo del líquido menos denso (aceite)

Sirve para separar sólidos de distinto tamaño de partícula mediante una criba, el enrejado deja pasar las partículas más pequeñas y retiene las más grandes

Imantación: se utiliza cuando uno de los componentes de la mezcla tiene propiedades magnéticas:

b) Mezclas homogéneas:

Se utiliza para separar componentes de una mezcla de líquidos miscibles o un sólido disuelto en un líquido, que se basa en sus diferentes puntos de ebullición de los componentes de la mezcla.

Consiste en la evaporación lenta del disolvente y la formación de cristales del sólido disuelto.

La cromatografía es una técnica de separación de sustancias basadas en la distinta rapidez de avance de los componentes de la mezcla a lo largo de un soporte sólido cuando un disolvente asciende por él

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7.

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Actividades

1º. Tenemos cinco cubos iguales (todos tienen un volumen de 15,0 cm3) de distintos materiales y medimos la masa de cada uno de ellos obteniéndose los siguientes resultados:

Cobre Masa =133,5 g

Oro Masa =289,5 g

Hierro Masa = 118,0 g

Mármol Masa =46,5 g

Aluminio Masa =40,5 g

Calcula la densidad de cada uno de ellos y expresa el resultado en unidades del SI 2º. Tenemos 5 cilindros de oro de distinto volumen y medimos la masa de cada uno de ellos, obteniendo los siguientes resultados:

Volumen=25 cm Masa =222,5 g

3

Volumen= 20 cm Masa =178,0 g

3

Volumen=30 cm Masa = 118,0 g

3

Volumen=10 cm Masa =267,0 g

3

Volumen=15 cm Masa =133,5 g

3

Calcula la densidad para cada uno de los cilindros y expresa el resultado en unidades del SI Traslada los datos de masa y volumen a la siguiente tabla: Volumen (cm3)

Masa (g)

Masa/volumen (g/cm3)

Representa en una gráfica la masa de cobre frente al volumen. ¿qué gráfica obtenemos?

3º. ¿Qué conclusiones se pueden obtener de los resultados obtenidos en los dos problemas anteriores? 4º. A la vista de los datos del problema 1 completa los datos que faltan en la siguiente tabla: sustancia Oro Cobre Mármol Aluminio Hierro

Masa (g)

Volumen(cm3)

200 150 10 50 300

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5º. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas: a) La materia está formada por partículas y en los huecos entre ellas hay aire b) Si tenemos un gas encerrado en un recipiente y aumentamos el volumen sin variar la temperatura, la presión disminuye porque al tener más espacio las partículas del gas chocan menos y hacen menos fuerza en las paredes del recipiente c) Si aumentamos la temperatura de una sustancia la velocidad de sus partículas aumenta independientemente de su estado de agregación d) Los líquidos se dilatan menos que los sólidos porque las fuerzas que unen sus partículas son muy grandes y no se separan fácilmente. e) El aire caliente es menos denso que el aire frío porque al calentarlo sus partículas se mueven más rápido y se separan más. f) Los líquidos no tienen volumen propio porque las fuerzas de unión entre sus partículas es tan pequeña que ocupan todo el volumen del recipiente. 6º. Como podemos explicar que al aumentar la temperatura de un gas encerrado en un recipiente de volumen fijo, aumente su presión. 7º. Completa los huecos que faltan en el esquema siguiente:

vaporización LÍQUIDO Solidificación

GAS

8º. La curva de calentamiento de una sustancia es: Temperatura (ºC) 130

10

0 Tiempo (min) -10

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a) ¿Cuál es el punto de fusión?¿Y el de ebullición? b) ¿Qué estado físico presenta a 0 ºC?¿y a 20 ºC?¿y a 100ºC? c) Explica lo que sucede en los distintos tramos de la curva de calentamiento

9º. Completa los huecos del siguiente esquema:

10º. Completa los huecos del siguiente texto: Si las partículas que forman la sustancia son todas iguales entonces tenemos una ___________ ______ . Pueden ser ____________ ________ , si sus partículas están formadas por un solo tipo de átomos y están en la tabla ___________, o ______________ __________, si sus partículas están formadas por una agrupación de átomos en una proporción fija. Si una sustancia tiene varios componentes decimos que es ___ __________. Pueden ser _________________, si los componentes se pueden distinguir por __________ __________ , si no podemos distinguir los componentes por __________- ___________- decimos que es una ________ ____________ . Una característica muy importante de las mezclas ____________ es que tienen la ________ composición en todos sus puntos. 11º. Clasifica las siguientes sustancias en el grupo que les corresponde: Sustancias: una moneda, agua oxigenada, carbono, gasolina, aire, gaseosa, leche, oxígeno Grupos: Mezcla homogénea Mezcla heterogénea Elemento químico Compuesto químico

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12º. Lee el texto siguiente: El punto de ebullición del agua y las ollas a presión. "¿A qué temperatura hierve el agua? A: 10ºC; B: 80ºC; C: 100ºC; D: 200ºC". La respuesta parece obvia, la C. Pero sólo lo parece, porque la respuesta correcta es: ¡A, B, C y D! EL punto de ebullición de una sustancia la temperatura en grados a la que esa sustancia cambia de estado líquido a estado gaseoso. Creemos que el punto de ebullición del agua es 100ºC, pero esto no es del todo cierto. El punto de ebullición de las sustancias depende de la presión atmosférica. La presión atmosférica es el peso del aire que tenemos sobre nosotros. Es fácil de deducir por lo tanto que cuanto más aire haya sobre nuestra cabeza, más presión hará el aire sobre ella y viceversa, es decir, tendré más presión de aire en Alicante al nivel del mar que en el pico del Teide. Esta es la razón por la que se taponan los oídos cuando se sube un puerto de montaña o cuando despega un avión. El oído, acostumbrado a una presión de aire sobre el tímpano se agarrota cuando esta presión cambia de forma brusca. ¿Cómo cambiará de estado "mejor" ( a menor temperatura) el agua, cuando existe mucha presión atmosférica o cuando existe poca? o preguntado de otra manera ¿Cómo saltas más alto, desnudo o con un saco de patatas a cuestas? Así de simple el agua cambia de estado a menor temperatura cuanto menor sea la presión atmosférica, es decir con menor peso de aire sobre ella. Como ya hemos dicho cuanta más altitud menor presión y por lo tanto menor temperatura de ebullición, por lo tanto el agua de la cazuela estará a menor temperatura. La piel humana aguanta sin quemarse hasta unos 60ºC. En el pico del Everest aproximadamente esa es la temperatura a la que hierve el agua, así que será muy difícil cocinar allí un guiso, porque ¿acaso alguien de vosotros cocina con agua que ni siquiera le quema? Después de toda la explicación es sencillo entender cómo funciona una olla a presión. Lo primero es saber que el agua en estado vapor ocupa muchísimo más que en estado líquido (porque las moléculas se mueven mucho más) de forma que si cerramos la olla de herméticamente el vapor de agua hará un presión sobre el agua cada vez mayor por lo que el punto de ebullición cada vez será mayor, así que la temperatura que alcanzará el agua será muy grande, por eso es por lo que se cocinan antes los alimentos. Texto adaptado del blog ciencia con paciencia: http://cienciaconpaciencia.blogspot.com.es/2007/03/el-punto-de-ebullicin-del-agua-y-las.html

Después de leer el texto responde a las siguientes preguntas: 1º. Indica las palabras del texto que no conoces y busca su significado en un diccionario 2º. ¿Cuál es el tema que plantea este texto de divulgación científica? 3º.¿Cuál es la conclusión del autor en relación con el tema? 4º.¿Qué relación tiene la olla a presión con el tema tratado?

13. Las técnicas de separación de mezclas son muy útiles en nuestra vida diaria, las utilizamos a diario en la cocina, muchas industrias las utilizan en el proceso de preparación de las materias primas y forman parte fundamental en los procesos de tratamiento de residuos o tratamiento de aguas.

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Vamos a realizar un trabajo de investigación bibliográfica sobre la aplicación de las técnicas de separación de mezclas en la vida diaria, para ello formaremos grupos de 3, de acuerdo con las instrucciones del profesor. Indicaciones para la realización del trabajo:  El tema elegido puede ser un estudio centrado en una aplicación concreta o una selección de aplicaciones que nos parezcan más interesantes.  Cuando realizamos búsquedas en internet debemos tener en cuenta:  Utilizar varias palabras que representan lo más importante de nuestra búsqueda.  Google no diferencia entre mayúsculas y minúsculas.  Si variamos el orden en que ponemos las palabras se obtienen resultados diferentes.  Si buscamos dos o más palabras que deben aparecer juntas (por ejemplo, mezcla homogénea), debemos utilizar comillas El trabajo final se presentará en el grupo y para ello se podrá utilizar cualquier formato y es aconsejable incluir imágenes, esquemas o videos que faciliten la comprensión del tema. No se admitirá una copia literal de información de páginas web y no se podrá leer el texto completo, aunque si se podrá utilizar un guión en la presentación.

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