Introducción a la Química:
Propiedades de la materia

20 noviembre, 2009 por rael Dejar una respuesta »

Propiedades de la materia

"Los Pilares de la Creación"

La Nebulosa del Águila (también conocida como Objeto Messier 16, M16 o NGC 6611) es un cúmulo estelar abierto en la constelación Serpens. Está asociado con una nebulosa de emisión difusa catalogada como IC 4703. Esta región donde se forman estrellas se encuentra a una distancia de 7.000 años luz.

La imagen del Hubble es una de las ilustraciones más populares del espacio, y con frecuencia aparece en películas de ciencia-ficción, como Contacto, de 1997, la cual está basada en la novela homónima del astrónomo Carl Sagan.

 

 

Se denomina química (del egipcio kēme (kem), que significa "tierra") a la ciencia que estudia la composición, estructura y propiedades de la materia, como los cambios que ésta experimenta durante las reacciones químicas y su relación con la energía.

De la Wikipedia, la enciclopedia libre.

De esta definición, podemos separar los 3 conceptos fundamentales a los que la química dedica sus energías:

> Materia

Se dice de todo aquello que ocupa espacio, tiene una propiedad que se conoce como masa y posee una resistencia a alterar su estado físico que denominamos inercia.

 

Nosotros somos materia, ocupamos un espacio y tenemos una masa que podemos calcular gracias a nuestro peso. Ademas, tenemos inercia y por ello necesitamos un esfuerzo para pasar del estado inmóvil al movimiento o para aumentar/disminuir nuestra temperatura.


> Composición

Partes de una muestra de materia y sus proporciones relativas.

 

El agua esta formada por dos sustancias mas simples que son hidrogeno y oxigeno. En concreto, la masa de una molécula de agua tiene esta formada por un 11,19 por ciento de oxigeno y un 88,81 por ciento de hidrogeno.


> Propiedades

Cualidades o atributos que caracterizan una muestra de materia y la diferencia del resto.

Por ejemplo, el color marrón rojizo del cobre lo diferencia del amarillo de azufre de manera rápida, pero existen muchísimos mas atributos que los agrupamos en dos categorías: las propiedades físicas y las propiedades químicas.

Las propiedades físicas son aquellas que tiene una muestra de materia siempre y cuando no cambie su composición.

 

Volviendo al ejemplo anterior, el cobre puede se aplastar hasta formar una fina lamina porque es un material maleable, sin embargo si al azufre le aplicamos la misma transformación, este se deshará en forma de polvo ya que es un materia frágil. Si transformamos físicamente la lamina de cobre hasta darle forma de alambre, descubriremos que podemos estirarlo bastante sin que se rompa, ya que es un material dúctil y que si le aplicamos calor o electricidad tendrá la capacidad de conducirla.

 

Todas estas transformaciones físicas pueden cambiar alguna de las propiedades físicas de la muestra, pero nunca cambiaran su composición química. El agua, si la congelamos, físicamente parece un material muy diferente del agua liquida pero sin embargo su composición química sigue siendo 11,19 por ciento de oxigeno y 88,81 por ciento de hidrogeno.

 

 

Las propiedades químicas vienen definidas por la capacidad que tiene la materia para experimentar un cambio en su composición bajo algunas condiciones. Cuando aplicamos una transformación química a una o varias muestras de materia, estas se convierten en nuevas muestras con composiciones diferentes a las original y este cambio de composición define la transformación.

 

El papel, formado básicamente por carbono, oxigeno y hidrogeno, cuando lo hacemos arder se transforma en dióxido de carbono (CO_{2} ) y en agua (H_{2}O ) en forma de vapor. Esta capacidad de arder que tiene el papelseria una propiedad química. Si introducimos un muestra de zinc (Zn) en una disolución de Acido Clorhídrico (HCl ) se producirá una reacción/transformación química: la muestra de zinc (Zn ) original reaccionará y cambiará su composición para pasar a formar, junto con el cloro del Ácido Clorhídrico, Cloruro de Zinc (ZnCl ) y el hidrogeno del Ácido Clorhídrico (HCl ) cambiará a gas hidrogeno (H_{2} ). Si embargo, el oro es incapaz de reaccionar con el Ácido Clorhídrico, y por lo tanto no se produciría ninguna transformación. La capacidade de sufrir una transformación que poseen las diferentes materias son sus propiedades químicas.

De izquierda a derecha, el sulfato de cobre reacciona con el hierro; el ácido clorhídrico no reacciona con el cobre, sin embargo, si lo hace reacciona con el hierro formando gas Hidrogeno y liberando iones de Cl^{-} y Fe^{+} en el medio; el hierro también reacciona con el ácido nitrico formando un gas de Dióxido Nitroso


 

Clasificación de la materia

 

La materia esta formada por unas unidades diminutas que conocemos con el nombre de átomos. En la actualidad sabemos que existen 115 tipos de átomos que combinados forman toda la materia en la que vivimos y que nos permite vivir, algo realmente increíble! Las muestras de materia formadas únicamente por un tipo de átomo las conocemos con el nombre de elementos químicos y en la naturaleza encontramos unos 90 de ellos, el resto solo podemos obtenerlo artificialmente. Relacionado con los conceptos antes definidos, por tradición también se pueden definir los elementos químicos como aquellas muestras de materia que no podemos descomponer mediante transformaciones químicas en otras más simples.

 

Siguiendo en esta linea, definimos como compuestos químicos a las muestras de materia formadas por la combinación de átomos de diferentes elementos en unas proporciones definidas. Definimos con el nombre de molécula, a la entidad más pequeña de un compuesto en la que se mantienen las mismas proporciones de los átomos constituyentes que en el compuesto químico.

 

Por ejemplo la molécula de agua esta formada por dos átomos de hidrogeno unidos a uno de oxigeno; si le añadimos un oxigeno más entre un hidrogeno y el oxigeno, obtenemos una molécula de Peróxido de hidrogeno. Si miramos en nosotros, una molécula del pigmento rojo que le da el color a la sangre, la hemoglobina, encontramos una combinación de 3032 átomos de carbono, 4816 átomos de hidrogeno, 870 átomos de oxigeno, 8 átomos de azufre y un átomo de hierro, escrita en forma estequimetrica:

C_{3032}H_{4816}O_{870}S_{8}Fe

Y del mismo modo que antes, si cambiamos la proporción obtendremos otra molécula que constituirá otro compuesto diferente.

Los elementos y compuestos químicos se denominan substancias, si mezclamos diferentes substancias podemos obtener dos tipos de mezclas:

 

Una mezcla es homogénea o disolución si la composición y propiedades son uniformes en cualquier parte de una muestra determinada. El aire es una mezcla homogénea de varios gases, principalmente nitrógeno y oxigeno), el agua del mar es una disolución de agua, cloruro de sodio entre otras muchas substancias.

 

Una mezcla es heterogénea si los componentes se separan en zonas diferenciadas, físicamente distintas y distribuidas de forma desigual. Por ejemplo, en aceite que flota si lo mezclamos con el agua, o la sal del mar que podemos ver mezclada con la arena de la playa.

 

Las mezclas, las podemos separar mediante transformaciones física, como por ejemplo aplicando la filtración separamos una mezcla de agua y arena en suspensión: la arena quedará en el filtro y el agua lo atravesará. Otra posible transformación que nos permite separar una mezcla es la destilación: si tenemos una mezcla homogénea de agua y sulfato de cobre (II) y la hacemos hervir, el agua pura la obtendremos del vapor liberado y el sulfato de cobre quedará en el recipiente.

Los compuestos, mantienen su identidad durante las transformaciones físicas, por lo que para descomponerlos necesitamos aplicarle transformaciones químicas. Por ejemplo, el dicromato de amonio (NH_{4})_{2}Cr_{2}O_{7} se descompone al calentarlo en óxido de cromo sólido Cr_{2}O_{2} , nitrógeno gaseoso N_{2} y agua liquida H_{2}O .

(NH_{4})_{2}Cr_{2}O_{7}  \longrightarrow{\Delta}   Cr_{2}O_{2} + N_{2} + H_{2}O


Estados de agregación de la materia

 

La materia se nos puede presentar en muchas fases o estados, cada uno con unas propiedades y características diferentes, entre ellos los más conocidos son: la fase solida, la fase liquida, la fase Gaseosa y la fase plasma; aunque existen muchos otros estados como por ejemplo la fase cristal liquido (propiedades del características de cristal y del liquido), la fase condensado Bose-Eintein, la fase débilmente simétrica...

A bajas temperaturas, las partículas (átomos, moléculas o iones) que forman la substancia se encuentran en contacto próximo unidos por una fuerza lo suficientemente fuerte para que no puedan moverse libremente, solamente pueden vibrar. Por eso, el resultado es un solido compacto y con un volumen definido, puesto que la distancia entre las partículas que lo forman no varia.

En los conocidos como sólidos cristalinos, estas partículas se organizan formando unas estructuras tridimensionales que conocemos con el nombre de estructuras cristalinas. En un sólido de estas características, las partículas que lo componen pueden organizarse formando diferentes tipos de estructuras según las condiciones a las que se encuentra la substancia, otorgando en cada caso unas propiedades concretas. Por ejemplo, el hierro tiene una estructura conocida como cubo centrado en el cuerpo a temperaturas por debajo de los 912C pero tiene una estructura de cubo centrado en las caras cuando se encuentra entre 912C y 1394C; o el hielo, que tiene unas 15 estructuras diferentes dependiendo de la temperatura y la presión.

Una substancia pasa de estado solido a liquido mediante la fusión, de estado liquido a solido mediante la solidificación, directamente a estado gaseoso sin pasar por el estado liquido mediante la sublimación y al revés mediante la sublimación regresiva. Estos cambios de estado, como ya veremos mas adelante, son posibles gracias a que al aumentar la temperatura de la substancia, las partículas que lo forman ganan energía cinética y pueden vibrar con mas fuerza y moverse. Cuando le suministramos la suficiente energía, las partículas de vibran con tal fuerza que logran escapar de la atracción de las otras partículas, rompiendo las estructuras en el caso de los sólidos cristalinos, adquiriendo una cierta movilidad entre ellas.

Esta capacidad de movimiento hace que las propiedades físicas de la materia cambien, las partículas siguen afectadas por las fuerzas intermoleculares (o interatomicas o interionicas, según el caso) pero ahora, al tener la suficiente energía para poder moverse en relación a las demas particular, la estructura adquiere una movilidad a diferencia del estado compacto del solido. Por ese motivo, una substancia en estado liquido no tiene una forma definida y se adapta al recipiente que lo contiene. A parte, exceptuando el caso del agua, al cambiar al estado liquido la substancia gana volumen. El volumen de un liquido se mantiene constante si no variamos ni la temperatura ni la presión a la que se encuentra debido a que las partículas de la substancia siguen estando bajo la influencia de la fuerza interatómica que impiden a las partículas alejarse libremente de las demás.

Del mismo modo el anterior cambio de estado, para hacer que un liquido alcance el estado gaseoso, podemos aumentar su temperatura a presión constante para darle a las partículas la energía cinética necesaria para reducir al mínimo la fuerza intermolecular o también podemos, a temperatura constante, reducirle la presión para que las partículas ganen la energía que perdían por los efectos de la presión. Las partículas de la substancia ganarán energía cinética hasta que lleguemos al punto crítico, donde tendrán tanta energía que las fuerzas intermoleculares tendrán muy poco efecto (o ninguna en los gases ideales) sobre ellas y podán podrán moverse con plena libertad las unas respecto a las otras. Por lo tanto, el volumen de la muestra como la forma se adaptarán al recipiente, se expanden hasta ocupar todo el contenedor.

Si seguimos aumentando la temperatura y dandole energía cinética a las partículas podemos llegar a hacer que los átomos de las partículas sean capaces de alejarse de alguno de sus electrones y quedarse en un estado ionico, por lo que tendríamos una substancia formada por partículas cargadas (iones) de materia y que conocemos como plasma. El caso mas vistoso del plasma es el sol y las estrellas.

A medida que una substancia cambia de estado, la relación entre la masa y el volumen que ocupa una materia sufre una serie de variaciones proporcional a la temperatura y la presión a la que esta sometida. Esta relación, cantidad de masa por unidad de volumen se conoce como densidad de la substancia, y es inversamente proporcional al volumen que ocupa. En los cambios de estado, la masa de la muestra siempre es la misma, ya que con las transformaciones físicas no hemos cambiado el numero de partículas que forman la substancia, por lo que cuanto más energía demos a las partículas, más se volumen ocuparán y menos densas serán.

 



Y hasta aquí el primer cápitulo de lo que creo que debería saber cualquier persona un poco interesada en la ciéncia sobre la Química.

Próximo artículo: El átomo

Esas substancias que llamamos elementos y que no se pueden descomponer, de qué estarán formadas? De dónde salen? Porqué no se pueden descomponer?

Aunque hace más de 200 años, la pregunta que todo el mundo tenía en la cabeza y que impulso la química moderna fue:

Qué le pasa a la materia cuando la quemamos? En la combustión se destruye materia?

Y de ahí pasamos a preguntarnos:

Qué hace que tan diferente al hidrogeno del azufre? Y al hierro del helio o al uranio del oxigeno?

Qué es un átomo y de que esta formado? Qué propiedades tiene?

Hablaremos con Mayow, Boyle, Becher, Stahl y sobre todo con Lavoiser, Proust y Dalton.

 

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9 comentarios

  1. Noxbru dice:

    Macho, se nota que te ha costado escribirlo porque bufff, algo larguito si que es... yo no conseguiría escribir algo tan largo ni de coña... bueno, principalmente porque quiero hacer las cosas lo más compactas y concretas posible, y si eso haría varios posts y listo.

  2. Rober dice:

    Increíble nota. No importa si es larga, es profunda y muy interesante. Gracias por compartir conocimiento y adentrarnos a un mundo tan desconocido. Felicitaciones. Quisiera dejaros un blog sobre apuntes y problemas de química que va a interesaros.

    Saludos y éxitos

  3. Gabi dice:

    es muy buena su pagina esta muy concreta

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