La materia - Química [Tema completo y explicado]
Química entrada 2: "La materia"
Esta es la segunda entrada del curso de química preuniversitaria y va después del tema introductorio, podrán encontrar los subtemas explicados con algunas opciones para su memorización, imágenes a modo de resumen y de apoyo, diferencias entre términos un tanto confusos y al final encontrarán preguntas y ejercicios para recordar la información importante.
El contenido es el siguiente:
Índice
1. ¿Qué es la materia para la química?
2. Estados físicos de la materia
2.1. Tipos
2.2. Cambios de estado principales
2.3. Introducción al diagrama de fases
3. Propiedades físicas y químicas de la materia
4. ¿Cuáles son los fenómenos de la materia?
5. ¿Cómo se divide la materia?
6. ¿Cuál es la clasificación de la materia?
7. Métodos físicos de separación
8. Preguntas para repasar el tema [Uso de la repetición espaciada]
ENLACES DE INTERÉS (actualizables conforme se publiquen):
Tema anterior: Introducción a la química
Problemas resueltos de este capítulo
Siguiente tema: El átomo
1. ¿Qué es la materia?
Como se mencionó brevemente en la entrada anterior, la materia es todo aquello que posee MASA y VOLUMEN y por ende ocupa un lugar único en la realidad, es útil recordar que es justamente el objeto de estudio de la química.
Nota: Por "lugar único" debemos entender que no puedes poner un objeto en exactamente el mismo lugar en donde esta el otro, trata de hacerlo con dos lápices, vemos que es imposible.
Ahora, probablemente la característica mas importante de la materia que debemos recordar es que puede ser "TRANSFORMADA" bajo ciertas circunstancias que veremos mas adelante (fenómenos físicos y químicos).
1.1. ¿Qué es un cuerpo?
Para estudiar a la materia haremos uso de una "porción" de ella, por ejemplo, si queremos estudiar al oro podríamos usar una moneda de oro que es representativa. Esta última recibe el nombre de "CUERPO".
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Nota
La palabra "oro" hace referencia en conjunto a todo aquello que sea, bueno, oro como materia. Sin embargo, al decir una "moneda/lingote/fragmento/etc", nos referimos a algo específico que podemos "ver" (el cuerpo). Esto es similar a una proposición lógica, si estas solo con alguien y te dice "Él es alto", tu no sabes quién es "él", pero si dice "Mi amigo Juan es alto", puedes saber a quién se refiere y comprobar la veracidad de lo que dice. En este caso "Él" vendría a ser el "oro"; "Mi amigo Juan" la "moneda de oro" y reemplazaríamos "comprobar" por "estudiar".
Puede que la explicación este de más pero espero que sea de ayuda para alguno.
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2. ¿Qué son los estados físicos de la materia?
Otra forma de llamarlos es "Estados de agregación".
En pocas palabras, son una serie de CARACTERÍSTICAS que adopta la materia bajo ciertas condiciones de PRESIÓN y TEMPERATURA.
2.1. ¿Cuántos y cuáles son los estados de agregación de la materia a nivel preuniversitario? - Características
Son tres los que debemos conocer y estudiar, sólido, líquido y gaseoso, aunque se conocen mas como el plasmático o el condensado Bose-Einstein.
Mencionaremos brevemente las características mas significativas de los tres primeros pues en temas futuros los veremos mas a fondo.
I. Estado sólido
- Posee forma y volumen definido (Fuerzas de cohesión > Fuerzas de repulsión)
- Sus partículas vibran
- Incompresibilidad (No puedes volver un objeto sólido mas pequeño si le aplicas presión y mantenerlo igual al mismo tiempo, solo lo dañarías)
II. Estado líquido
- Posee forma variable y volumen definido.
- La característica anterior lleva a que el agua sea prácticamente incompresible pues en todo caso ocupará el mismo espacio.
- Sus fuerzas de cohesión son prácticamente iguales a las de repulsión.
III. Estado gaseoso
- Su forma y volumen son variables.
- Sus fuerzas de repulsión son mayores a las de cohesión.
- Los gases ocupan todo el espacio del recipiente en el que estén por sus grandes fuerzas de repulsión, esto lleva a que sean COMPRESIBLES.
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Nota
¿Qué son las fuerzas de cohesión y repulsión de la materia?
Las fuerzas de cohesión (Fc) tratan de mantener una forma fija en todos los cuerpos al acercar a las moléculas que lo conforman.
Las fuerzas de repulsión (Fr) cumplen el rol opuesto (alejar a las partículas de un cuerpo para que no tenga forma específica).
Dependiendo de las variaciones en estas fuerzas y otros factores, la materia puede estar en diferentes estados.
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2.2. CAMBIOS DE ESTADO DE LA MATERIA
El saber que la materia adopta determinados estados debido a la temperatura y presión significa que podemos "obligarla" a tener el estado físico que queramos siempre y cuando contemos con las herramientas necesarias.
De esta forma, cada proceso usado para realizar un cambio de estado recibe un nombre específico que debemos recordar.
Pueden encontrar el resumen en la siguiente imagen.
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Suelen existir algunas confusiones entre términos para los procesos de cambios de estado líquido a gaseoso y viceversa. Sucede que existen "gases" y "vapores" y según sea el caso se usa un proceso ligeramente diferente para cambiar su estado a líquido, primero aclararemos sus definiciones para conocer sus diferencias y luego seguiremos con la explicaciones.
¿Qué es un vapor?
De forma sencilla, diremos que un vapor es "un líquido que ha pasado a estado gaseoso", esta es la forma mas fácil de recordarlo, por ahora.
¿Qué es un gas?
Un gas es una sustancia que se encuentra en estado gaseoso de forma natural y prácticamente hace referencia a ese estado en si.
Diferencias y similitud entre vapor y gas
La palabra "gas" puede usarse para referir al estado gaseoso, por ende el vapor es un gas, sin embargo el gas no es un vapor por las características mencionadas. Además, un gas no puede ser convertido en líquido al cambiar únicamente la presión sobre él a diferencia del vapor donde suele ser posible (esto último se explica a continuación).
También, se puede confundir la "EVAPORACIÓN" con la "EBULLICIÓN", el primero hace referencia al proceso natural de los líquidos a convertirse en vapor, para entenderlo tenemos el ejemplo común del vaso de agua, déjalo en un lugar y verás con el paso de los días que va disminuyendo su contenido. La "ebullición" ocurre cuando fuerzas este proceso al aumentar la temperatura de un líquido hasta que alcance su "punto de ebullición" y cambie de estado rápidamente.
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2.3. Diagrama de fases ¿Qué es eso?
Un diagrama de fase es un esquema que indica los requisitos de presión y temperatura para lograr un cambio de estado, entenderlo y poder graficarlo a voluntad nos ayudará enormemente a explicar los cambios de estado de la materia.
Este diagramita tiene su propio tema que se verá a fondo en un futuro, he considerado necesario mencionarlo brevemente ahora para que no queden dudas, de cualquier forma, no es nada difícil de entender.
Podrán ver el diagrama del agua, caracterizado por una línea diagonal, en la imagen estará en negrita, cada sustancia tiene un gráfico diferente pero el razonamiento para entenderlos es el mismo.
¿Cómo realizar un cambio de estado?
A continuación, encontrarán los nombres de los procesos de cambio de estado y su explicación GENERAL, existen casos con ligeras variaciones dependiendo de la ubicación elegida, para practicar recomiendo ubicar un punto en alguna zona del gráfico y escribir los pasos necesarios en base a la presión y temperatura para cambiar al estado que desees, de esta forma irás aprendiendo a usar y entender un diagrama de fases.
- La temperatura se cambia al mover a la izquierda o derecha.
- La presión varía al moverla arriba o abajo.
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Ejemplo:
- Ubico el punto en: eje X (T= 0,01°C) y "Y" (P=218 atm)
- Observo que se encuentra en la fase líquida.
- Deseo que pase a fase sólida
- Disminuyo únicamente la temperatura hasta que el punto pase al lado izquierdo de la línea diagonal (movimiento hacia la izquierda)
- Logré mi objetivo al realizar el proceso de FUSIÓN
Puesto que el gráfico no tiene los valores de los ejes detallados, imagina el punto o ubícalo usando un dedo, también puedes graficarlo en una hoja.
- El hecho de poder observar el diagrama nos ayuda a entender una de las diferencias entre "vapor" y "gas" que fue mencionada anteriormente, si ubicamos un punto en la fase del "gas", es imposible volverlo líquido si únicamente se varía la presión.
Ahora practica tú.
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a. De sólido a líquido = Fusión
- Ocurre al aumentar la temperatura lo suficiente.
b. De líquido a sólido = Solidificación
- Lograble al disminuir la temperatura.
c. De sólido a gaseoso = Sublimación
- Muy probablemente se necesite disminuir primero la presión y luego aumentar la temperatura.
d. De gaseoso a sólido = Sublimación inversa o deposición (ambos nombres refieren al mismo proceso)
- Como en el caso anterior, comúnmente se necesita disminuir la presión y luego disminuir la temperatura.
e. De gas a líquido = Licuación
- Se aumenta la presión y luego se disminuye la temperatura.
f. De vapor a líquido = Condensación
- Generalmente solo bastará con disminuir la temperatura, en ciertos casos se necesitará aumentar la presión.
g. De líquido a vapor por aumento de temperatura = Ebullición
h. De líquido a vapor de forma natural = Evaporación
3. ¿Qué propiedades tiene la materia y para que sirven?
Según el efecto que tienen o las características que detallan sobre la composición de la materia, podemos identificar dos grandes grupos.
Son útiles para poder identificar y diferenciar los diferentes cuerpos que queramos estudiar.
I. PROPIEDADES FÍSICAS
- Señalan las características que pueden ser calculables y las relacionadas con FENÓMENOS FÍSICOS.
Se dividen en dos subgrupos:
a. PROPIEDADES GENERALES DE LA MATERIA
- Como su nombre lo dice, están presentes en todo cuerpo.
- Algunos ejemplos pueden ser la "masa", "peso", "volumen" y la "divisibilidad".
b. PROPIEDADES ESPECÍFICAS DE LA MATERIA
- Estas propiedades varían según el cuerpo elegido y permiten diferenciarlo de otros.
- Por ejemplo, el "color", "olor", "densidad", "brillo", "sabor", "conductividad", etc.
II. PROPIEDADES QUÍMICAS
- Tienen relación con las reacciones químicas, estas afectan la estructura interna de un cuerpo.
Algunos ejemplos explicados:
- Inflamabilidad : Si quemas algo se vuelve ceniza, no puedes regresarlo a su estado anterior pues su estructura interna ha cambiado.
- Reactividad : Tendencia a reaccionar con otras sustancias.
- Inerte : El cuerpo no reacciona con ninguna sustancia.
No obstante, según la naturaleza de las propiedades, podemos reagruparlas en dos grupos diferentes.
+ PROPIEDADES EXTENSIVAS
- Pueden sumarse con otras de su misma unidad, masa en kg con masa en kg y así.
- Se calculan en base a la masa de un cuerpo.
- Ejemplos: Masa, volumen, área, peso, longitud, inercia, etc.
+ PROPIEDADES INTENSIVAS
- La característica mas importante es que no pueden sumarse (no son aditivas), esto las diferencia de las anteriores.
- Otro punto a destacar es que algunas son producto de una división de dos propiedades extensivas, por ejemplo, la densidad es igual a la masa entre el volumen.
- Toda propiedad química es intensiva, no al revés.
- Ejemplos: Densidad, color, sabor, olor, presión, viscosidad, dureza, brillo, Temperatura de fusión, etc.
4. ¿Qué y cuáles son los fenómenos de la materia?
Para la materia, los fenómenos son sucesos que alteran su composición.
La palabra "fenómeno" puede ser cambiada por "cambio" y el significado es el mismo, creo que con el segundo se entiende mejor el concepto.
Dependiendo de si el efecto cambia su composición interna o no, podemos dividirlos en dos grupos, para entender completamente esto último necesitaríamos conocer el tema de "reacciones químicas" que se verá en un futuro en el blog.
I. FENÓMENOS O CAMBIOS FÍSICOS
- No alteran la composición interna de un cuerpo.
- Ejemplo, romper el vidrio, podemos notar que se dividirá en pedacitos de distinto tamaño pero todos sin excepción conservan sus características.
- Otros fenómenos pueden ser: Cortar, disolver o realizar un cambio de estado
- Es importante reconocer que los cambios de estado forman parte de este grupo, tomemos al agua de ejemplo, su símbolo es H2O y se mantendrá sin importar si esta en estado gaseoso, líquido o sólido.
II. FENÓMENOS O CAMBIOS QUÍMICOS
- Alteran la composición interna de un cuerpo, su efecto es el opuesto al de los cambios físicos.
- En general, las propiedades químicas se relacionan con los fenómenos químicos.
- Ejemplos: Oxidación, combustión, corrosión, reacciones químicas en general.
4.1. ¿Qué diferencia hay entre un fenómeno y una propiedad de la materia?
Para entender esto diremos que:
- Una propiedad es la "capacidad" de que un fenómeno pueda ocurrir.
- El fenómeno es el hecho que ocurre.
Tomemos el ejemplo de la propiedad química "inflamabilidad".
Nos dice que un cuerpo es capaz de arder, esto es la propiedad, si dicho objeto por alguna razón arde, queda afectado permanentemente y esto es viene a ser el fenómeno químico.
5. División de la materia y como recordarla intuitivamente
Imaginemos un objeto cualquiera, un lápiz por ejemplo, ¿Qué pasaría si decidimos volverlo polvo? Primero deberíamos encontrar una herramienta lo suficientemente fuerte para lograrlo, cuando lo hagamos, habremos obtenido "partículas", estas vienen a ser una división de un cuerpo (el lápiz en este caso). Al final podrán encontrar un resumen y mas aclaraciones para entender mejor.
De esta forma, intuimos que un "CUERPO" puede ser dividido en "PARTÍCULAS" mediante un PROCEDIMIENTO FÍSICO (uso de la herramienta para volver polvo al cuerpo).
Sigamos preguntando, ¿Qué pasaría si logramos aislar una "unidad" de polvo?
Para esto probablemente tengamos que usar un microscopio y herramientas mas sofisticadas pero sigue siendo posible físicamente, cuando lo logremos habremos obtenido una "MOLÉCULA".
Ahora, por definición, una molécula está formada por átomos diferentes, ¿Es posible lograr obtener un átomo mediante procesos físicos?
Creo que la razón de cualquier persona diría le que NO.
Para dividir una molécula y conseguir un átomo nos veremos obligados a usar "PROCEDIMIENTOS QUÍMICOS".
Una vez logramos obtener un átomo, debemos saber que estos están formados por "PARTÍCULAS SUBATÓMICAS", las mas nombradas son el "protón", "neutrón" y "electrón". Para conseguir alguna de las anteriores partículas deberemos usar "MÉTODOS NUCLEARES", podemos recordar esto último al asociar "nucleares" con el "núcleo" de un átomo, donde se ubican los protones y neutrones.
Lo último que debemos recordar es que los neutrones y protones están formados por unas partículas mas pequeñas llamadas "QUARKS", estas son obtenibles a través de MÉTODOS NUCLEARES como el caso anterior.
Hasta ese punto llega la teoría comprobada y que debemos saber, puede que a futuro esto se expanda.
Puedes encontrar una imagen a modo de resumen de lo anterior, recomiendo abrirla en una nueva pestaña para hacerle zoom.
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Nota:
Para alguien que vea por primera vez el tema, ciertamente será algo un poco confuso y puede creer que es difícil de recordar, por ello recomiendo tratar de usar la lógica para entender esta secuencia y añadir los nuevos conceptos, muchos de ellos se explicarán mejor en futuros temas, conforme pase el tiempo y con la práctica verás que aquello que parecía ser complicado de recordar era solo una ilusión.
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Algunas aclaraciones:
Partículas es el nombre que recibe un grupo de moléculas y estas a su vez están formadas por diversos átomos unidos, podemos decir que un átomo es la partícula mas pequeña.
Es importante saber que un átomo de un elemento cualquiera es la partícula mas pequeña que conserva sus propiedades y no confundirlo con una molécula, que es la partícula mas pequeña que conserva las propiedades de un compuesto.
La diferencia entre elemento y compuesto se aclarará en el tercer punto.
6. Clasificación de la materia
Debemos saber que la materia puede ser clasificada de dos formas.
I. Sustancias
- Son representadas por símbolos químicos en caso de elementos o de fórmulas químicas en caso de compuestos.
- Sus propiedades químicas son variables (ver explicaciones)
- Su composición química es invariable pues si recolectamos diferentes muestras todas serán iguales, otra forma de decir lo anterior es mediante el nombre de "MATERIA HOMOGÉNEA"
I.1. Elementos o sustancias simples
- Son el conjunto formado por los elementos químicos de la tabla periódica y sus alótropos (variantes)
- Cada variante tiene sus propiedades independientes del elemento base.
Un ejemplo de lo anterior es el oxigeno (O2) y el ozono (O3), el primero es necesario para nuestro cuerpo y el segundo es dañino para este.
I.2. Sustancias compuestas
- Son el producto de la combinación de dos o más átomos de diversos elementos.
- Al ser unidos por una reacción química, el compuesto resultante tiene propiedades diferentes a las de sus elementos base.
- El proceso de unión es REVERSIBLE a través de MÉTODOS QUÍMICOS (esto se abarca en futuros temas)
II. Mezclas - Características - Definición de "Fase"
- Una mezcla es la combinación de dos o mas sustancias, esta unión no es dada químicamente por lo que es un proceso REVERSIBLE a través de MÉTODOS FÍSICOS, esto último es la razón del porque no tienen fórmula química.
- Debido a lo anterior, cada una de las sustancias conserva sus propiedades y podrían ser reconocidas en la mezcla, esto último recibe el nombre de FASE.
Según la capacidad de reconocer las sustancias que la conforman, se clasifican en:
II.1. Mezclas homogéneas o soluciones
- Sus componentes son indistinguibles por lo que se dice que tienen solo 1 FASE y por esto se les dice "homogéneas".
- Junto con las sustancias entran en el grupo de la "materia homogénea".
- Generalmente se presentan en estado líquido o gaseoso, sólido en caso de aleaciones.
- Ejemplo: El aire (combinación de nitrógeno, oxigeno, argón, etc)
II.2. Mezcla (o materia) heterogénea
- Se pueden distinguir las sustancias que lo conforman, por ello se dice que poseen como mínimo 2 FASES (heterogéneas).
- Al poder distinguirse las fases, podemos imaginar ejemplos como una "ensalada de zanahoria, cebolla y lechuga" que tiene 3 fases o una mezcla de agua y aceite con dos.
Antes de continuar, me gustaría proponer la siguiente pregunta.
¿Existe alguna diferencia entre una mezcla homogénea y una "MUESTRA" de una mezcla homogénea?
La respuesta es SI.
Esto es algo que no es muy común de ser enseñado (creo).
Supongamos que tenemos agua de mar y una muestra de agua de mar, en un primer momento podemos decir que ambas son mezclas homogéneas pues no podemos diferenciar sus componentes.
Ahora, existen dos diferencias entre estas, la primera es la siguiente:
- Agua de mar = General
- Muestra de agua de mar = Particular
Es similar a la diferencia entre "materia" y "cuerpo".
La segunda diferencia es:
- Agua de mar -> Composición variable
- Muestra de agua de mar -> Composición uniforme
El agua de mar, en general, es una combinación de diferentes sales y agua por lo que su composición, en efecto, es variable.
No obstante, al decir específicamente "muestra" asumiremos que su composición será uniforme, como si fuera agua pura.
Ciertamente de momento no hay mucha utilidad para esta información mas que simplemente el no caer en algunas trampas de ciertas preguntas.
Con esto aclarado, prosigamos.
7. Métodos de separación de mezclas
En general, debemos recordar 7 métodos físicos para separar mezclas.
Para darles un orden los encontrarán divididos entre mezclas heterogéneas y homogéneas.
7.1. Separación de mezclas heterogéneas
a. Tamizado
- Se usa para separar MEZCLAS SÓLIDAS.
- Los componentes de la mezcla deben tener diferentes tamaños.
- Consiste en usar un filtro (parecido a una rejilla) para separar las sustancias de mayor tamaño de las mas pequeñas.
- Para recordar intuitivamente todo lo relacionado con este método recomiendo aprender la definición de "tamiz" pues es justamente lo que se usa de filtro.
b. Filtración
- Separa mezclas en las que se combine SÓLIDOS con LÍQUIDOS.
- Se usa papel filtro, el agua pasa a través de este y el sólido queda atrapado.
- Recordar la palabra "filtración" no debería ser un problema, solo habría que tener cuidado de no confundirlo con la definición de tamizado, para evitar errores recomiendo seguir la recomendación anterior.
c. Decantación
- Usado para separar sólidos de líquidos o líquidos que no se combinen (no miscibles), por ejemplo, el agua y el aceite.
- Para recordar esto podríamos imaginarnos la decantación del vino, exactamente el punto en el cual se va vertiendo el vino lentamente en un recipiente, esto es muy similar al hecho de que en la decantación obtenemos un líquido que cae gota a gota.
d. Centrifugación
- Se usa para separar líquidos de diferente densidad, el más denso irá al fondo del recipiente en que se encuentre y el menos denso estará en la parte superior.
- Podemos recordarlo si imaginamos el centrifugado de una lavadora que hace girar la ropa para secarla, en este caso gira recipientes con mezclas para separarlos.
7.2. Separación de mezclas homogéneas
a. Cristalización
- Separa sólidos disueltos en líquidos.
- Debido a que están disueltos, se busca recuperar el estado sólido a través de la formación de cristales, de ahí recibe su nombre la técnica.
b. Destilación
- Separa mezclas en estado líquido, sólidos de líquidos o gases.
- Un ejemplo clásico es la separación del agua y alcohol.
- Primero ocurre una evaporación y luego una condensación.
c. Evaporación
- Se usa para separar mezclas cuyos componentes tienen diferente punto de ebullición.
- Generalmente se busca evaporar el agua, por ejemplo, para separar la sal disuelta del agua se evapora esta última y queda la sal.
- La sustancia evaporada se pierde.
8. Preguntas para recordar el tema de "La materia"
Se recomienda usar los siguientes ejercicios al acabar de leer toda la teoría en esta entrada para medir que tanto podemos recordar, de ser posible, responder sin el uso de notas y en una hoja aparte o en la mente y solo consultar la teoría cuando estemos seguros de no saber la respuesta. Al terminar la práctica, recomiendo seguir la estrategia de la "Repetición espaciada" como parte de su método de estudio, si tienen interés pueden leer mi guía sobre ese tema.
Todas las preguntas y ejercicios pueden ser resueltos con la información aquí brindada.
- ¿Qué es la materia y cuáles son sus características principales?
- ¿Cuál es la relación entre la materia y un cuerpo?
- ¿Cómo explicarías la definición de los estados físicos de la materia?
- ¿Para qué sirve un diagrama de fases?
- Realiza el diagrama de fases del agua, identificando sus tres fases y los procesos para realizar un cambio de estado, luego explica las relaciones entre ellos.
- ¿Qué son las propiedades de la materia y cuál es su uso?
- ¿Cómo podemos agrupar las propiedades de la materia y en qué se diferencian?
- Explica las diferencias entre propiedades intensivas y extensivas.
- ¿Da la definición de "fenómenos" en la materia y cómo los agruparías usando ejemplos?
- Indica la diferencia principal entre "fenómeno" y "propiedad" química.
- Elige un "cuerpo" cualquiera y trata de recordar su división de forma intuitiva.
- ¿Qué diferencia existe entre una molécula y un átomo de un mismo cuerpo?
- Realiza la clasificación de la materia (divisiones de sustancias y mezclas)
- ¿Qué es una fase?
- Indica los procesos de separación de mezcla y en que consisten.
Nota:
- Por si el ejercicio 4 no esta lo suficientemente claro, con "procesos" se refiere a los nombres de los cambios de estado y sus "relaciones" viene a ser la imagen de cambios entre los tres estados comunes.
Comentario final
Esto ha sido todo respecto a este tema, espero que les sea de ayuda y pueden dejarme sus comentarios y recomendaciones para mejorar la presentación y forma de transmitir la información.
Pronto publicaré los problemas resueltos y explicados para quienes deseen un uso práctico de la teoría y esta entrada será actualizada con el respectivo enlace.
¡Muchas gracias por leer!
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