Tema 2. LA MATERIA Y SUS propiedades
1. Concepto de materia
La materia es lo que constituye todos los cuerpos del universo, todo lo que nos rodea: la silla en la que estamos sentados, la ropa que vestimos, el agua que bebemos e incluso el aire que respiramos. De forma general, se puede definir la materia como todo aquello que tiene masa y ocupa un volumen.
¿SABÍAS QUÉ?
La materia observable es solamente un 10% de toda la materia del universo. El resto de materia se denomina materia oscura porque no emite radiación y es difícil de detectar.
1.1 La masa
La masa (m) es la cantidad de materia que tiene un cuerpo. Su unidad en el Sistema Internacional (SI) es el kilogramo (kg) aunque también se puede utilizar sus múltiplos y submúltiplos.
Para medir la masa se usan las balanzas.
NO CONFUNDIR MASA Y PESO: el peso es una fuerza y varía según el planeta en que nos encontremos; mientras que la masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo y siempre es la misma independientemente de dónde se encuentre.
Actividad 2.1| Convierte todos estos valores de masa a su unidad correspondiente en el Sistema Internacional usando factores de conversión y expresa los resultados en notación científica: a) 28 g; b) 32450 mg; c) 3 Mg. DATOS: 1 Mg = 1 t = 103 kg.
▌¿Cómo se conoce la masa de la Tierra si no hay balanza para ello?
1.2 El volumen
El volumen (V) es la cantidad de espacio que ocupa un cuerpo. Su unidad en el S.I. es el metro cúbico (m3), pero también se suelen usar sus múltiplos y submúltiplos.
La capacidad indica cuánto puede contener un recipiente. Generalmente, se expresa en litros (L) o mililitros (mL).
Las equivalencias entre unidades de volumen y de capacidad son las siguientes:
1 L = 1 dm3 ; 1 mL = 1 cm3.
Actividad 2.2| Realiza las siguientes transformaciones de unidades usando factores de conversión y expresa el resultado en notación científica:
· Unidades de área (unidades cuadradas): a) 2,25 m2 → dm2; b) 0,35 km2 → dam2; c) 140 cm2 → km2.
·Unidades de volumen (unidades cúbicas): a) 3000 cm3 → m3; b) 40 km3 → dm3; c) 4,5 m3 → cm3.
· Unidades de capacidad: a) 33 cL → mL; b) 50 L → kL; c) 8500 mL → L.
· Unidades de volumen y capacidad: a) 3000 cm3 → L; b) 40 mL → dm3; c) 4,5 m3 → mL.
Para medir el volumen de los líquidos en el laboratorio se emplean probetas, pipetas o buretas.
Para medir el volumen de un sólido, primero hay que tener en cuenta su forma:
Cuando tiene forma regular (esfera, cilindro, cubo, etc.) se determina a partir de sus dimensiones y de la fórmula del volumen del cuerpo:
Actividad 2.3| Calcula los siguientes volúmenes y exprésalos en L y m3:
a) Aire contenido en un aula de 8 m x 6 m x 3 m.
b) Un balón de 15 cm de radio.
c) Un bote de tomate cilíndrico de 13 cm de alto y 9 cm de diámetro.
Un método directo, tanto para los cuerpos regulares como para los irregulares es sumergir el cuerpo en una probeta con agua. El aumento de volumen coincidirá con el volumen del cuerpo.
ݨEl aire es materia?
1.3 La densidad
La masa y el volumen son propiedades comunes a todos los cuerpos, son las denominadas propiedades generales de la materia. Estas propiedades sirven para definir la materia y distinguirla de lo que no lo es, pero no sirven para identificar las sustancias de las que están formadas los cuerpos.
Existen otras propiedades llamadas características que no dependen de la cantidad de materia y son específicas de cada sustancia y, por tanto, permiten identificar dicha sustancia. Una propiedad característica de la materia es la densidad.
Otras propiedades características de la materia son el punto de ebullición o el punto de fusión.
Toda la materia tiene masa y ocupa un volumen, pero la misma masa de diferentes sustancias no tiene por qué ocupar el mismo volumen. La relación entre la masa y el volumen de un cuerpo se llama densidad (d) y en el S.I. se mide en kg/m3.
Otras unidades de densidad de uso frecuente y sus equivalencias son:
1 g/mL = 1 g/cm3 = 1 kg/L = 1000 kg/m3
Actividad 2.4| Calcula la densidad de diferentes sustancias e identifícalas. Sigue el guion que aparece a continuación.
@JGilMunoz_2324_PRÁCTICA_Medida de masa, volumen y densidad.pdfActividad 2.5 | Realiza las siguientes transformaciones de unidades usando factores de conversión y expresa el resultado en notación científica: a) 0,004 g/mL → kg/m3; b) 550 kg/L → g/cm3.
Actividad 2.6 | Tenemos un anillo y queremos saber si es de oro puro. Introduciendo el anillo en una probeta con agua, medimos su volumen, que es de 6 mL. A continuación, medimos su masa en la balanza y obtenemos 116 g. ¿Está hecho el anillo de oro puro?
Actividad 2.7| Completa la siguiente tabla:
Actividad 2.8| A partir de la gráfica de abajo intenta identificar los tres materiales representados. La masa está en gramos y el volumen en mililitros.
▌La densidad de un objeto determina también si ese objeto flota: si la densidad media de un objeto es menor que la del fluido que lo rodea, flotará. Entonces, ¿por qué es capaz de flotar un barco de acero si el acero es más denso que el agua?
2. Estados de agregación de la materia y los cambios de estado
La materia se presenta en la naturaleza en tres estados de agregación: sólido, líquido y gaseoso. La mayoría de las sustancias pueden presentarse en los tres estados, dependiendo de las condiciones de presión y temperatura en las que se encuentren. Cada estado se caracteriza por unas propiedades que se resumen en la siguiente tabla:
Actividad 2.8 | Indica el estado al que corresponde cada una de estas propiedades: a) Tienen volumen constante y forma variable. b) Tienen volumen y forma constantes. c) Se comprimen fácilmente.
¿SABÍAS QUÉ?
Hay líquidos que no se comportan como tal en ciertas circunstancias. Un fluido no newtoniano es aquel cuya viscosidad varía con la tensión que se le aplica y se vuelven duros como una piedra cuando se le aplica la más mínima presión.
Actividad 2.9 | Investiga si hay más estados de agregación que los estudiados. En caso afirmativo explica brevemente cada uno de ellos.
Los cambios de estado son procesos físicos que se producen cuando una sustancia pasa de un estado de agregación a otro diferente.
A la temperatura a la que un sólido se transforma en líquido, o a la inversa, se la denomina punto de fusión. Cuando el cambio es de líquido a gas, o a la inversa, se llama punto de ebullición. Las dos temperaturas son características para cada sustancia y se pueden utilizar para identificarlas.
En la vaporización hay que diferenciar entre ebullición, que es el cambio de estado de líquido a gas que ocurre en toda la masa del líquido, y la evaporación, que se produce solo en la superficie del líquido y a cualquier temperatura (inferior a la ebullición). Esto explica por qué, al cabo de cierto tiempo, un vaso lleno de agua a temperatura ambiente disminuye de nivel.
3. La temperatura y la presión
La temperatura (T) es una medida de la energía interna del sistema. Se mide con un termómetro y en el S.I. su unidad es el Kelvin (K), que se puede relacionar con la escala centígrada de la siguiente forma:
T (K) = T (ºC) + 273
Actividad 2.10 | Expresa estas temperaturas en grados centígrados o kelvin: a) 25 ºC ; b) -100 ºC ; c) 375 K ; d) 225 K ; e) 0 ºC ; f) 100 K ; g) -20 ºC; h) -273 K.
Actividad 2.11 | Investiga sobre la temperatura más alta y más baja posible registradas en la Tierra. Expresa los resultados en ºC y K.
La presión (p) es la fuerza por unidad de superficie que ejerce un gas sobre las paredes del recipiente.
La presión se mide con el manómetro. Se puede expresar en atmósferas (atm), en bares (bar), en milímetros de mercurio (mmHg) o en pascales (Pa), siendo esta última la unidad en el S.I. Las equivalencias entre ellas son:
1 atm = 760 mmHg = 1,013 bar = 1,013·105 Pa
Actividad 2.12 | Transforma los siguientes valores de presión a atm o mmHg según corresponda: 780 mmHg, 2 atm, 700 mmHg y 0,5 atm.
4. La teoría cinético-molecular
La teoría cinético-molecular (TCM) está basada en los siguientes postulados:
La materia está formada por partículas muy pequeñas que se hallan más o menos unidas dependiendo del estado en que se encuentre. Al aumentar la distancia entre las partículas, disminuye la fuerza de atracción que las mantiene unidas. Entre las partículas existe el vacío; se dice, por tanto, que la materia es discontinua.
Las partículas se encuentran en continuo movimiento. Al aumentar la temperatura de la materia, aumenta la velocidad con la que se mueven las partículas. Esto sucede siempre, incluso en los objetos que están “en reposo”.
Con esta teoría se explican los estados de agregación y los cambios entre ellos.
4.1 La TCM y los estados de agregación
En los sólidos las partículas están fuertemente unidas, formando una estructura rígida. Solo tienen un pequeño movimiento de vibración, que aumenta cuando el cuerpo se calienta y disminuye cuando el cuerpo se enfría.
En los líquidos las partículas están unidas formando pequeños grupos que pueden deslizar unos sobre otros. Las partículas tienen un movimiento de vibración mayor que las de los sólidos, que aumenta cuando el cuerpo se calienta y disminuye cuando el cuerpo se enfría.
En los gases las fuerzas entre las partículas son tan débiles que se mueven con total libertad por todo el recipiente.
4.2 La TCM y la presión y temperatura
Las partículas de un gas se mueven aleatoriamente en todas direcciones con una velocidad determinada. Cualquier cuerpo o partícula que se mueva a cualquier velocidad posee energía cinética.
La temperatura de un gas es una medida de la energía cinética media de las partículas. Se define como el cero absoluto (0 K), la temperatura a la que las partículas no tendrían energía cinética, es decir, no se moverían en absoluto.
La presión es una magnitud física que mide la fuerza que ejercen las partículas por unidad de superficie. Según la teoría cinético-molecular, la presión de un gas es el resultado de las colisiones de sus partículas contra las paredes del recipiente que los contiene.
4.3 La TCM y los cambios de estado
La sustancia está en estado sólido. Las partículas tienen un movimiento de vibración muy limitado. El calor que se le comunica aumenta su vibración y, por lo tanto, aumenta la temperatura del sólido.
Se produce el cambio de sólido a líquido. Todo el calor que se comunica a la sustancia se invierte en vencer las fuerzas que unen las partículas del sólido y reducirlas a las fuerzas más débiles que se dan entre las partículas del líquido. Mientras se produce el cambio de estado, la temperatura permanece constante.
La sustancia está en estado líquido. El calor que se comunica al líquido se invierte en aumentar el movimiento de vibración de las partículas, lo que hace que se eleve la temperatura.
Se produce el cambio de líquido a gas. Todo el calor que se comunica a la sustancia se invierte en vencer las fuerzas que mantienen unidas las partículas en el líquido. Mientras se produce el cambio de estado, la temperatura permanece constante.
La sustancia está en estado gaseoso. Todas las partículas se mueven con total libertad. El calor comunicado al gas se invierte en elevar la velocidad de las partículas y, en consecuencia, aumenta la temperatura de la sustancia.
5. GRÁFICAS DE CALENTAMIENTO
Es una gráfica en la que se muestra el incremento de temperatura de una sustancia en función del tiempo que tarda en cambiar de estado.
A-B: Sólido
B-C: Fusión (S▶ L)
C-D: Líquido
D-E: Vaporización (L▶G)
E-F: Gaseoso
Actividad 2.13 | Representa la gráfica de calentamiento del agua.
Actividad 2.14 | La tabla siguiente recoge los puntos de fusión y de ebullición de algunas sustancias. Dibuja las gráficas de calentamiento correspondientes y explica en qué estado físico se encontrará cada sustancia en las temperaturas siguientes: a) 25 °C; b) 50 °C; c) 100 °C, d) 1200 °C; e) 2800 °C.
Actividad 2.15| Representa la gráfica de calentamiento del agua en el laboratorio. Sigue el guion que aparece a continuación.
@JGilMunoz_2324_PRÁCTICA_Gráfica de calentamiento del agua.pdf
Actividad 2.16| Representa la gráfica de calentamiento del alcohol y del benceno usando el siguiente simulador.
6. Las leyes de los gases
El volumen (V) de una determinada masa de gas contenida en un recipiente cerrado depende de la presión (p) y de la temperatura (T) a las que se encuentra. Estas tres variables están relacionadas entre sí y definen el estado de un gas; por ello, reciben el nombre de variables de estado.
4.1 Ley de Boyle-Mariotte
Cuando un gas permanece a temperatura constante, al aumentar el volumen disminuye la presión y viceversa.
La gráfica correspondiente a esta ley es hiperbólica.
Actividad 2.16 | A partir de la gráfica anterior:
a) ¿Cuánto volumen ocupa el gas cuando ejerce una presión de 3 atm? ¿Y cuando ejerce una presión de 1 atm?
b) ¿Cuánta presión ejerce el gas cuando ocupa 10 L? ¿Y cuando ocupa 25 L?
Actividad 2.17 | Representa la gráfica correspondiente a los datos de la tabla referidos a un gas a temperatura constante y responde a las siguientes cuestiones:
a) Comprueba que se cumple la ley de Boyle-Mariotte.
b) ¿Cuánto volumen ocupa el gas a estas presiones? 1 atm, 0,5 atm, 1,5 atm y 0,2 atm.
c) ¿Cuánta presión ejercerá el gas si ocupa 20 L? ¿Y si ocupa 50 L?
Actividad 2.18 | Llenamos un globo sonda con helio y medimos la presión (0,92 atm) y el volumen (1,2 L). Soltamos el globo para que suba en el aire, y asciende hasta que la presión es de 0,74 atm. ¿Qué volumen ocupará el globo a dicha altura suponiendo que la temperatura se mantiene constante?
4.2 Ley de Charles
Cuando un gas permanece a presión constante, al aumentar la temperatura aumenta el volumen y viceversa.
Actividad 2.19 | Doce litros de aire a 20 ºC se enfrían hasta 273 K. Si la presión permanece constante, ¿Cuál será su volumen final?
4.3 Ley de Gay-Lussac
Cuando un gas permanece a volumen constante, al aumentar la presión aumenta la temperatura y viceversa.
Las gráficas correspondientes a estas dos leyes son lineales:
Actividad 2.20 | Rellena la gráfica y elabora la gráfica T(K) frente a V(L). ¿Qué temperatura tendrá el gas cuando ocupa 12 L? ¿Y cuando ocupa 24 L? ¿Cuánto volumen ocupará cuando el gas está a 500 K? ¿Y cuando está a 300 K?
Actividad 2.21 | Rellena la gráfica y elabora la gráfica T(K) frente a P(atm). ¿Qué temperatura (en ºC) tendrá el gas cuando ocupa ejerce una presión de 10 atm? ¿Y cuando ejerce una presión de 13 atm? ¿Cuánta presión ejercerá el gas (en mmHg) cuando está a 470 K? ¿Y cuando está a 700 K?
Actividad 2.22 | La rueda de un coche contiene aire a una presión de 2,5 atm y la temperatura es de 20ºC. Después de un largo recorrido la temperatura del aire asciende hasta 50ºC. ¿Qué presión tendrá el aire de la rueda?
Actividad 2.23 | qué le ocurre a una botella de plástico vacía y cerrada tras varias horas en el congelador. ¿Qué ha ocurrido? ¿Podrías relacionarlo con alguna de las leyes de los gases?
Actividad 2.24 | sobre el fenómeno conocido como backdraft y relaciónalo con alguna de las leyes de los gases.
