Ciencias naturales I naturales I Fuera de SERIE - … · Este libro se terminó de imprimir en el...

Ciencias naturales I

María JoselevichMilena Rosenzvit

Sofía MartínezLaura Melchiorre

Marcela GleiserRodrigo Laje

Diego GalperinAna Sargodoroschi

“Nada del otro mundo”, una

inquietante novela gráfica

Cuaderno de ciencias

Notas marginales que

acompañan la lectura

Artículos periodísticos

y de divulgación científica

Experiencias históricas y actuales

NAP: 7.º AÑO Y 1.º

AÑO PBA: 1.º AÑO (7.º ESB)

CABA: 7.º GRADO

Diversidad, interacciones y cambios

Fuer

a de

SERI

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Fuera de

SERIE

Hallazgos inesperados alteran las vacaciones de un grupo de viejos amigos. Figuras extrañas en el cielo, campos marcados con círculos, piezas de naves espaciales... Varios enigmas, ¿una única respuesta? ¿Nos visitan los extraterrestres? ¿Pueden las ciencias naturales ayudarnos a responder a esta pregunta?

Una historieta que plantea situaciones intrigantes, varios hechos curiosos, algunos absurdos y muchas preguntas. En definitiva, una invitación a explorar los conceptos y los modos de conocer de las ciencias para construir las respuestas que resolverán el caso.

Ciencias Naturales Fuera de serie es un libro intervenido. Con sus notas marginales y recortes, el recorrido por los conceptos y los modos de conocer es acompañado por un lector cómplice.Se abordan los contenidos en contexto a través del enfoque de indagación escolar para alcanzar un verdadero aprendizaje significativo.

Ciencias Naturales Fuera de serie es además un libro expandido, que transciende los límites de sus páginas con reflexiones en torno a problemáticas reales y recursos audiovisuales para analizar resultados y repasar unidad a unidad los contenidos.

¿Se animan a recorrer el camino? ¡Prepárense para una experiencia Fuera de serie!

OBRA COMPLETA

Dirección editorialFlorencia N. Acher Lanzillotta

Coordinación editorialPablo Salomón

EdiciónAndrés AlbornozSofía MartínezSebastián Vargas

AutoríaDiego GalperinMarcela GleiserMaría JoselevichRodrigo LajeSofía MartínezLaura MelchiorreMilena RosenzvitAna Sargorodschi

CorrecciónCarolina Calabrese

Dirección de arteNatalia Fernández

Diseño de tapa Cecilia Aranda

Diseño de maquetaNatalia Fernández y Cecilia Aranda

DiagramaciónVerónica Trombetta y Silvia Prado [Estudio Golum]

Documentación fotográficaMariana Jubany

IlustracionesCamila Torre NotariFederico CombiDaniel Zilberberg

Preimpresión y producción gráficaFlorencia Schäfer

© 2014, Edelvives. Av. Callao 224, 2º piso. Ciudad Autónoma de Buenos Aires (C1022AAP), Argentina.

FotograFíaExperiencias: Paula BonacorsiPágina 50: Beatrice Murch/cc by 2.0; P 54: Martín Katz/Greenpeace; p55: Argmda/cc by-sa 3.0; p.111: ESO/S. Brunier; p.128: Nicolas Pérez/cc by 2.0; p.130: © Greenpeace / Martin Katz; p.169: Tangopaso/cc by-sa 3.0; p.170: Bengt Nyman/cc by 2.0; p. 175. Halley Pacheco de Oliveira/cc by-sa 3.0; p.178: KeresH/cc by-sa 3.0; p.186: Nathan Reading/cc by 2.0; p.186: MarkusHagenlocher/cc by-sa 3.0; p.199: © Greenpeace / Martin Katz; p.220: Bill Rhodes/cc by 2.0. NASA images.com Shutterstock: Yury Kosourov, Sergey Nivens, Sergio Stakhnyk, emin kuliyev, RomboStudio, Lena Lir, photopixel, Africa Studio, 2xSamara.com, Rueangrit Srisuk, relax_gap, Ivan Banchev, bibiphoto, Jultud, Marques, blackboard1965, SergeBertasiusPhotography, racorn, Giuseppe Parisi, Olaf Speier, matteo sani, meunierd, Bryan Pollard, Mykhaylo Palinchak, l i g h t p o e t, next143, zhangyang13576997233, pedrosala, Viacheslav Nikolaenko, Ulga, My Good Images, Henri et George, LIUSHENGFILM, D. Pimborough, Yermolov, M. Unal Ozmen, Arve Bettum, You Touch Pix of EuToch, BlueRingMedia, Slavo Valigursky, Aleksei Lazukov, Alberto Pérez Veiga, Gabriele Maltinti, Piotr Krzeslak, Tyler Olson, Yongyut Kumsri, arhip4, haveseen, FooTToo, peresanz, Richart777, TDway, khlongwangchao, Ksenia Ragozina, demarcomedia, mj007, David Steele, design56, Mariano N. Ruiz, Smileus, pedrosala, molekuul.be, Ian Grainger, Gary C. Tognoni, Jason X Pacheco, lzf, Giovanni Cancemi, bofotolux, aleksandr hunta, Robin Nieuwenkamp, kerstiny, Jarous, Madlen, vvvita, Ihar Palitanski, KPG Payless2, Ekachai Sathittaweechai, irisphoto1, Rostislav Glinsky, Marsan, nico99, zcw, c12, Dirk Ercken, areeya_ann, Tracy Starr, Matt Gibson, schankz, Amir Ridhwan, smereka, edography, SassyWitch-Studio, RnDmS, thatreec, ileana_bt, Eduard Kyslynskyy, francesco de marco, Filipe Frazao, Inge Jansen, Valentyna Chukhlyebova, UGREEN 3S, Alila Medical Media, Sebastian Kaulitzki, leonello calvetti, S K Chavan, Linda Bucklin, stihii, Designua, Kesu, Vankad, Puwadol Jaturawutthichai, Jakub Cejpek, sciencepics, Blamb, BlueRingMedia, stockshoppe, Alex Luengo, Arina P Habich, Cathy Keifer, Rido, design36, Tomislav Pinter, Galina Barskaya, Hayati Kayhan.

Este libro se terminó de imprimir en el mes de octubre de 2014,en FP Compañía Impresora, Buenos Aires, Argentina.

Reservados todos los derechos de la edición por la Fundación Edelvives. Queda rigurosamente prohibida, sin la autorización escrita de los titulares del copyright, bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de los ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo público. Queda hecho el depósito que dispone la ley 11.723.

Ciencias naturales 7-1 / Milena Rosenzvit... [et.al.]; coordinado por Pablo Salomón; dirigido por Florencia N. Acher Lanzillotta; edición a cargo de Sebastián Vargas, Sofía Martínez y Andrés Albornoz; ilustrado por Gerardo Baró. - 1ª ed. - Ciudad Autónoma de Buenos Aires: Edelvives, 2014. 240 p.; 27 x 21 cm.

ISBN 978-987-642-313-7

1. Ciencias Naturales. 2. Enseñanza Secundaria. I. Rosenzvit, Milena II. Salomón, Pablo A., coord. III. Acher Lanzillotta, Florencia N., dir. IV. Vargas, Sebastián, ed. V. Martínez, Sofía, ed. VI. Baró, Gerardo, ilus.

CDD 570.712

Fuera de

SERIE

Ciencias naturales IDiversidad, interacciones y cambios

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Bloque I. Los materiales

1. Los materiales y sus propiedades¿De qué material está hecho? ¿Cómo averiguarlo? ...........15Los materiales y sus propiedades...........................................16Mientras tanto... “La historia de la lamparita incandescente” .. 16Propiedades intensivas y extensivas ...................................17Medición de las propiedades extensivas .............................18Sistemas de unidades ..............................................................18Las propiedades intensivas .....................................................19Temperatura de fusión ............................................................19Temperatura de ebullición ......................................................19Mientras tanto… “La temperatura y sus escalas” ................19Conducción de la electricidad ................................................20Magnetismo ..............................................................................20Densidad ...................................................................................20Propiedades organolépticas ....................................................20Solubilidad ................................................................................21Notas de laboratorio N.º 1. ¿Cómo distinguir una sustancia por su solubilidad? ........................................21El modelo corpuscular de la materia ...................................22Los estados de agregación de la materia.............................23Mientras tanto… “Ríos de metano en Titán” ........................23Los materiales en la historia .................................................24Los metales ...............................................................................24El vidrio .....................................................................................24Los cerámicos ...........................................................................25Los plásticos .............................................................................25La “huella digital” de los materiales ....................................26Mientras tanto… “Materiales y naves espaciales” ...............26Actividades de repaso e integración ..................................27

2. Las mezclas ¿Existen los líquidos magnéticos?......................................29Sistemas materiales ................................................................30Fases de un sistema ................................................................31Sistemas homogéneos y heterogéneos ..................................31Sustancias puras y mezclas ..................................................32Notas N.º 2. ¿De qué están hechas las cosas? .....................32Clasificación de las mezclas ..................................................33Mezclas heterogéneas ..............................................................33Métodos de separación de fases ...........................................34Mezclas homogéneas o soluciones ........................................35Mientras tanto… “Se usará una nueva aleación...” .............35Métodos de separación de mezclas homogéneas ..............36Evaporación ..............................................................................36Destilación simple y fraccionada ...........................................36La separación de sustancias en la industria .........................37La solubilidad ..........................................................................38Solubilidad de sólidos en líquidos ..........................................38Las variaciones en la solubilidad ...........................................39Notas N.º 3. Al aumentar la temperatura, ¿cuánto aumentará la solubilidad? .......................................39Solubilidad de gases en líquidos.............................................40Solubilidad de líquidos en líquidos ........................................40Solubilidad de sólidos en sólidos ............................................41Métodos de purificación del oro .............................................41Mientras tanto… “El oro en la exploración del espacio” .......41Separación de fases en la industria alimenticia ................42Actividades de repaso e integración ....................................43

3. El agua¿En qué estados se encuentra el agua en la Tierra? ..........45Los estados de agregación del agua .....................................46Mientras tanto… “¿Cómo se forman las nubes?”.................46La presión y la temperatura de ebullición ..........................47Notas N.º 4. ¿Cómo cambia la temperatura de ebullición del agua según la presión atmosférica? ...............................47El agua como solvente ............................................................48El agua y los seres vivos ..........................................................48El agua en el espacio ..............................................................49El agua en la Tierra ..................................................................49Mientras tanto… “Diálogos en el espacio” ............................49El agua potable ........................................................................50Mientras tanto… “El Palacio de las Aguas Corrientes” ........50Obtención y potabilización .....................................................51Usos del agua en las actividades humanas ........................52Usos consuntivos y no consuntivos .......................................52Disposición de las aguas .........................................................53Depuración de efluentes..........................................................53Contaminación el agua ..........................................................54Mientras tanto… “La contaminación en el Riachuelo” ........54Actividades de repaso e integración ..................................55

Bloque 2. El mundo físico

4. Movimientos y fuerzas¿Por qué orbitan los satélites? ............................................61Descripción del movimiento ..................................................62Sistema de referencia ..............................................................62Magnitudes escalares y vectoriales ......................................63Trayectoria ................................................................................63Rapidez y velocidad .................................................................64Notas N.º 5. ¿Cuál es la rapidez de las hormigas con y sin carga? ........................................................................65Medir la rapidez de los cuerpos ..............................................65Causas del movimiento ..........................................................66Interacciones más generales ..................................................66La fuerza como medida de interacción .................................67Efecto de una fuerza: aceleración ..........................................67Superposición y balance de fuerzas .......................................68Aceleración de la gravedad .....................................................68Mientras tanto… “Aristóteles, Galileo y la caída...” .............69Inercia y masa ..........................................................................70Fuerzas de contacto .................................................................70Fuerzas a distancia ..................................................................71Diferencia entre masa y peso .................................................71La fuerza de rozamiento .........................................................72La Ley de Gravitación Universal .............................................72La atracción gravitatoria, una interacción mutua................73El peso como aproximación ....................................................73Caídas y órbitas ........................................................................74Actividades de repaso e integración ..................................75

5. La energía¿Qué formas de energía existen? .......................................77Cambios en un sistema ..........................................................78Cambios complementarios .....................................................78Sistemas aislado y no aislados ...............................................79Balance de cambios: la energía ..............................................79Formas de la energía ..............................................................80

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Energía cinética ........................................................................80Energía potencial o de interacción .........................................81Mientras tanto… “La combustión y los cohetes” .................83Energía térmica ........................................................................84Energía de radiación ................................................................84Mientras tanto… “Energía nuclear en la Argentina” ............84La “escalera” de energía ...........................................................85Trabajo, calor y energía ..........................................................86El calor como transferencia de energía térmica ...................86El trabajo como transferencia mecánica de energía ............86Máquinas simples ....................................................................87La palanca .................................................................................87El plano inclinado ....................................................................87La polea .....................................................................................87 Conservación de la energía ....................................................88Sistemas aislados, cerrados y abiertos ..................................88Actividades de repaso e integración ..................................89

6. Intercambios de energía¿Cómo comunicarse con extraterrestres? ..........................91Temperatura y calor ................................................................92La temperatura y el sentido del tacto ....................................92Notas N.º 6. ¿Hay una relación unívoca entre la temperatura real de un objeto y la temperatura que percibimos? ................. 92Mecanismos de transferencia de energía térmica .............92La temperatura y los termómetros ........................................93Equilibrio térmico, cambios de temperatura y calor ............93Calor o conducción ..................................................................94Convección ................................................................................94Radiación ..................................................................................95Aislamiento térmico, derroche y uso eficiente de la energía ...95Temperatura y materia ...........................................................96Cambios de tamaño por temperatura ...................................96Temperatura, calor y cambios de fase ...................................96El agua y el calor .....................................................................97Densidad máxima del agua líquida .......................................97Hielo menos denso que el agua líquida .................................97Ondas: perturbaciones que se propagan .............................98Ondas materiales, ondas electromagnéticas y energía .......98Frecuencia, longitud de onda, amplitud y velocidad ...........99Atenuación con la distancia ...................................................99El sonido ..................................................................................100Altura e intensidad de un tono .............................................100Velocidad del sonido ..............................................................100Ondas electromagnéticas ......................................................101El espectro electromagnético ................................................101Ultravioleta .............................................................................101Luz visible y colores ...............................................................102Infrarrojo y calor ....................................................................102Microondas .............................................................................102Ondas de radio .......................................................................102Actividades de repaso e integración ................................103

Bloque 3. La Tierra y el Universo

7. La Tierra y el Sistema Solar¿Cuál es nuestro lugar en el universo? ............................109La observación del cielo .......................................................110Las cosas “raras” del cielo nocturno ..................................111Figuras en el cielo ..................................................................112

Cambios y regularidades en el cielo ..................................113Notas N.º 7. ¿Cambia de posición la Luna con el correr de las horas? ...........................................................................113El cielo da vueltas ..................................................................114Un reloj en el cielo nocturno ...............................................115Notas N.º 8. ¿Se puede usar la Cruz como un calendario?....115Las fases lunares ...................................................................116Los planetas en el cielo ........................................................117Mientras tanto… “El desafío de los tres planetas” .............117Un orden posible para el Universo .....................................118Otro orden posible: el Sol en el centro ...............................119El Sol ya no es el centro ........................................................120Actividades de repaso e integración ................................121

8. La Tierra y sus recursos¿Los seres humanos son capaces de contaminar el espacio? .........................................................................123Los recursos de la Tierra ......................................................124Los subsistemas terrestres ....................................................124Los recursos y los materiales ..............................................127El uso de los materiales a través del tiempo .......................127Los recursos y la energía .....................................................128Mientras tanto... “La revolución de la energía” ..................128Recursos renovables y no renovables ................................129El uso de los recursos y la generación de residuos .........129La gestión de los residuos y las consecuencias ambientales ..130El problema de las bolsas de plástico ..................................130La basura fuera de la Tierra ..................................................131Mientras tanto… “Una enorme bola de basura” ................131Opciones para la gestión de residuos ..................................132Mientras tanto… “Programa de reciclado...” .......................132Las tres R: reducir, reusar, reciclar .....................................133Notas N.º 9. ¿Qué porcentaje de los materiales que desechamos puede recuperarse? ..................................133El cuidado de los recursos y las energías renovables .....134Actividades de repaso e integración ................................135

Bloque 4. Los seres vivos

9. Unidad y diversidad de la vida¿Cómo sería, si existiera, la vida extraterrestre? .............141La composición química de los seres vivos ......................142Los niveles de organización de los seres vivos ....................143Los seres vivos como sistemas abiertos ............................144Los seres vivos se relacionan con el ambiente ...................145Notas N.º 10. ¿Cómo reaccionan las lombrices ante los estímulos del ambiente? .................145La regulación del medio interno .........................................146Los seres vivos se reproducen.............................................147Los seres vivos se autoproducen ..........................................148Mientras tanto… “A 40 años de la autopoiesis...” ..............148Los seres vivos cambian y se diversifican .........................149Mientras tanto… “Diario de viaje de Darwin en el Beagle” ....149La evolución y la adaptación a los ambientes ....................150La biodiversidad .....................................................................151Mientras tanto… “Consumo, publicidad y seres vivos” .....151Clasificar la vida .....................................................................152Organizar la biodiversidad en el presente ...........................153Las características que comparten los seres vivos ..........154Actividades de repaso e integración ................................155

6

10. Los seres vivos autótrofos¿De qué se alimentan las plantas? ..................................157La nutrición de las plantas ..................................................158Notas N.º 11. ¿De qué se alimentan las plantas? ..............158La fotosíntesis ........................................................................159Diversidad de autótrofos ......................................................160Protistas fotoautótrofos .........................................................161Mientras tanto… “Recomendaciones acerca de la marea roja” ....................................................................161Bacterias fotosintetizadoras .................................................162Otros seres vivos autótrofos: las bacterias quimiosintéticas .....................................................................164Necesidades nutricionales de los autótrofos ....................165Notas N.º 12. ¿Las plantas crecen de la misma manera si no hay nutrientes en el suelo? ..........................................165La circulación de los nutrientes en las plantas ................166El cuerpo de las algas pluricelulares y unicelulares .......167Relación de las plantas con el medio .................................168Notas N.º 13. ¿Las plantas captan las señales del entorno? ..168Las plantas y los estímulos ...................................................169Nastias y tropismos ...............................................................169Fotoperiodicidad y latencia ...................................................170Actividades de repaso e integración ................................171

11. Los seres vivos heterótrofos¿Solo los animales se alimentan de otros seres vivos? ..174La nutrición de los animales ...............................................174La alimentación de los vertebrados .....................................175La alimentación en los vertebrados .....................................176Notas N.º 14. ¿Cómo se relaciona el aparato bucal de un insecto con su alimentación? ....................................176La digestión de los animales ...............................................177Mientras tanto… “Vacas mochileras...” ...............................177Diversidad de seres vivos heterótrofos ..............................178Los protistas heterótrofos .....................................................179Las bacterias heterótrofas .....................................................180Los hongos ..............................................................................181La organización del cuerpo de los heterótrofos ...............182Notas N.º 15. ¿Cómo puede diferenciarse el micelio de los hongos del plasmodio de los mixomicetes? ...............182Los mecanismos heterótrofos en el ambiente .................183Importancia de los microorganismos heterótrofos para el ser humano ...............................................................184Actividades de repaso e integración ................................185

12. Los ecosistemas¿Cómo se relacionan los seres vivos con el ambiente? ..187Los ambientes naturales ......................................................188Ecología: sistemas y ecosistemas .........................................188Los componentes de los ecosistemas ................................189Las interacciones en un ecosistema...................................190Las relaciones dentro de una comunidad .........................191Las relaciones alimentarias en una comunidad ..............192Cadenas tróficas .....................................................................192Notas N.º 16. ¿El tamaño de una población influye en el tamaño de las poblaciones de sus predadores? .............193Redes tróficas ..........................................................................193La materia en los ecosistemas ............................................194La materia se recicla ..............................................................194Los ciclos de la materia ........................................................195

Ciclo del carbono ....................................................................195Ciclo del nitrógeno .................................................................195Notas N.º 17. ¿Cómo influye la presencia de hongos descomponedores en el crecimiento de las plantas? ..............196Mientras tanto… “Los anillos de hadas” .............................196La energía fluye .....................................................................197El estudio de los ecosistemas ..............................................198Desequilibrios peligrosos .....................................................199Mientras tanto… “Los polizones de cola larga...” ...............200Acciones humanas responsables .......................................200Actividades de repaso e integración ................................201

13. El organismo humano como sistema¿Cómo se comunican los sistemas del cuerpo? ..............203Las funciones del cuerpo humano .....................................204La organización del cuerpo humano ...................................204La organización de los sistemas del cuerpo .....................205La función de sostén y movimiento: el sistema osteoartromuscular ...........................................206Mientras tanto… “Las prótesis y los deportes” ...................207La función de nutrición y los sistemas ..............................208La función de relación, control y regulación .....................209El sistema nervioso ................................................................209Notas N.º 18. ¿Cómo se modifican la frecuencia cardíaca y la respiratoria con la actividad física? ..............210Los estímulos y los sentidos .................................................211El sistema endocrino..............................................................212La función de defensa: el sistema inmunológico .............213Mientras tanto… “La enfermedad celíaca y la ley celíaca” .213La función de reproducción .................................................214El sistema reproductor masculino .......................................214El sistema reproductor femenino .........................................215Mientras tanto… “Casi con la precisión...” ..........................215El desarrollo y los cambios en la adolescencia ...................216La producción de las células sexuales masculinas y femeninas ............................................................................216Actividades de repaso e integración ................................217

14. Nutrición y alimentación en el ser humano¿Cómo se eliminan del cuerpo las sustancias de desecho? . 219Los nutrientes como materiales del cuerpo ......................220Mientras tanto… “La enfermedad de los marineros” ........220Notas N.º 19. ¿Influye la dieta en la enfermedad de los marineros? ...................................................................221La importancia de los nutrientes en la dieta ......................221La función de los nutrientes .................................................222Alimentación y nutrición: dos conceptos diferentes .......223La alimentación en los seres humanos .............................224La nutrición en los seres humanos ....................................225La digestión ............................................................................226La absorción de los nutrientes ..............................................227Las glándulas anexas .............................................................227Mientras tanto… “Experimentos del pasado” .....................227La circulación .........................................................................228El corazón ................................................................................229El movimiento del corazón ...................................................229La respiración ........................................................................230La excreción ...........................................................................231Mientras tanto… “Aprender a comer sano...” ....................232Actividades de repaso e integración ................................233

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Sobre el margen de las páginas encon-trarán anotaciones que acompañarán y guiarán la lectura.

Notas de laboratorio.Propuestas de trabajo para el desarrollo de competencias experimentales genuinas. Invita a reproducir experiencias históricas o actuales.

¿Quién dijo que solo se aprende a imaginar e interpretar experimentos en el laboratorio?

¿Cómo es este libro?

En lápiz van a encontrar preguntas y actividades que los ayudarán a comprender el tema.

En birome se incluyen aclaraciones sobre palabras desconocidas, propuestas para revisar otras partes del libro e ideas clave sobre los contenidos de la página.

Cada vez que encuentren una imagen como esta, preparen el celu, la tablet o la netbook. Estos códigos les permiten acceder a los contenidos audiovisuales con solo apuntar con la cámara de sus dispositivos.*

Al finalizar cada capítulo, van a encontrar variedad y riqueza de actividades de repaso e integración que desarrollan sus competencias cognitivo-científicas. ¡Ayudan a desarrollar el pensamiento científico!

Conclusiones que vinculan el enigma de la apertura con los contenidos del capítulo. De este modo, se aplican los aprendizajes en el análisis de casos concretos. ¡Buenísimo!

Mientras tanto, en otro lugarPorque no hay una única fuente de información que sea válida para comprender un tema, el libro incluye propuestas para el análisis de los contenidos científicos a través de la óptica de los medios masivos de comunicación, el cine, la literatura y otros productos culturales.

* Para tener más información sobre el uso de los códigos QR, visiten la siguiente dirección: http://bit.ly/EDVCN007

¡El libro está lleno de recortes de diarios, revistas, folletos y libros!

“Nada del otro mundo”Una novela gráfica que plantea varios enigmas en los que las ciencias tienen mucho para aportar... Hallazgos inesperados alteran las vacaciones de un grupo de viejos amigos. Figuras extrañas en el cielo, campos marcados con círculos, piezas de naves espaciales... Varios enigmas, ¿una única respuesta? ¿Nos visi-tan los extraterrestres? ¿Pueden las ciencias na-turales ayudarnos a responder a esta pregunta?¿Se animan a acompañar a los protagonistas para resolver el misterio?

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¿Cómo averiguar si el “moco” es producido por un ser vivo? ¡Ver capítulo 9!

9

¿Existen los extraterrestres? ¿Qué dice la ciencia al respecto? ¡Investigar!

10

¿Basta que varios sucesos hayan ocurrido al mismo tiempo para afirmar que fueron causados por el mismo fenómeno?

13

¿Se puede averiguar de qué material está hecho un objeto? ¿Cómo?¡Ver capítulo 1!

¿De qué material está hecho? ¿Cómo averiguarlo?

los materiales y sus propiedades

1

¿Qué métodos existen para identificar un material? ¿Cuáles son los elementos más comunes en el universo? ¿Y en la Tierra?Continuará en la página 29.

1Bloque I

Los materiales y sus propiedadesLa sociedad humana cambia en el tiempo, y también desarrolla los objetos

que utiliza, la utilidad que les da y su habilidad para modificarlos. Los vehí-culos modernos, por ejemplo, se construyen con materiales muy distintos de los que se usaban antiguamente. En la actualidad, es posible viajar a lugares muy distantes de manera rápida, cómoda y segura, en automóviles y aviones fabricados con materiales muy resistentes y, a la vez, relativamente livianos. Pero ¿cómo se elige el material adecuado para cada uso? ¿Se emplean los mismos materiales en un auto familiar que en una nave espacial?

Las características de los materiales, aquellas que se estudian para saber si son útiles para un propósito en particular, se llaman propiedades.

n la época de Edison, muchos investigadores buscaban mejorar

las formas de iluminación de las vi-viendas y de la vía pública. Por aquel entonces se empleaban para ello lám-paras de gas o de querosén, que ade-más de brindar una iluminación po-bre, implicaban un gasto muy grande. Los científicos e inventores sabían que algunos materiales se calientan cuan-do a través de ellos circula corriente eléctrica, y que, al calentarse, emiten luz. Se pensaba que aquel fenómeno podía aprovecharse para hallar una solución al problema de la luz arti-ficial; pero la posible solución debía superar un obstáculo importante: para que la generación de luz resulta-ra eficiente, el material elegido debía llevarse a una temperatura muy alta,

pero sin que el material se ablandara, se agrietara ni se fundiera.

Edison, mientras buscaba inven-tar una lámpara eléctrica, probó con muchísimos materiales. Patentó una de las primeras lamparitas incandes-centes usando filamentos de carbón, que obtenía quemando tiras de papel, filamentos de coco o hilos de algodón, entre otros materiales. Pero todos es-tos materiales duraban muy poco.

Antes de Edison, otros investiga-dores habían descubierto que el pla-tino era un buen material para cons-truir filamentos para una lamparita, porque soporta temperaturas de hasta 1.768 °C sin fundirse y, al ser un metal, conduce muy bien la corriente eléc-trica; pero el platino era demasiado caro. Edison probó con otros metales

más baratos, pero no consiguió lo que buscaba: el paladio se agrietaba y bur-bujeaba, el níquel se oxidaba con fa-cilidad; el rutenio, el iridio y el rodio tampoco funcionaron.

El problema fue resuelto en 1907 por los austríacos Alexander Just y Franz Hanaman, con la ayuda de Wi-lliam Coolidge, cuando desarrollaron la famosa lamparita de tungsteno, que es la que se usó hasta hace muy poco tiempo, cuando se reemplazó por las lámparas de bajo consumo que funcionan con gases fluorescen-tes. Aunque no fue Edison el que finalmente patentó la lámpara de tungsteno, su trabajo fue fundamen-tal para que otros pudieran llevar esas investigaciones a buen puerto.

TECNOLOGÍA EN LA HISTORIA

LA HISTORIA DE LA LAMPARITA INCANDESCENTEThomas Alva Edison (1847-1931) fue un exitoso inventor y empresario estadounidense. Patentó más de mil inventos, muchos de los cuales cambiaron para siempre la vida de las personas. Uno de los más conocidos es, sin dudas, la lamparita eléctrica.

E

¿Para qué se puede usar un material?

¡Analizar sus propiedades!

¿Qué condiciones debía reunir el material que los científicos buscaban para fabricar el filamento de la lámpara incandescente?

Los investigadores se basan en el trabajo de otros científicos que los precedieron, y así reúnen más información e ideas sobre un tema.

Thomas Alva Edison

16

los materialesBloque I

Propiedades intensivas y extensivasAl seleccionar qué material conviene utilizar para fabricar un objeto, hay

que analizar qué requisitos debe cumplir el material para resultar adecua-do para ese uso. Por ejemplo, se debe determinar si se quiere que el objeto que se elabore sea capaz de conducir la corriente eléctrica, de calentarse, de emitir luz, de resultar atraído por imanes, entre muchas otras posibilidades. En definitiva, hay que reconocer las propiedades que los materiales busca-dos deberían tener.

Muchas propiedades no dependen de la cantidad de material conside-rada. Por ejemplo, cualquier objeto de platino, sea cual sea su forma y su tamaño, es sólido a temperaturas menores a 1.768 °C y conduce la corriente eléctrica. De la misma manera, los cables de cobre conducen la electricidad, sin importar cuán largos y delgados sean.

Estas propiedades son intrínsecas para cada material y están relaciona-das con su estructura interna; se las llama propiedades intensivas o específi-cas. La temperatura a la que hierve una sustancia, la cantidad de ese mate-rial que cabe en un determinado volumen y si es atraído o no por un imán son también ejemplos de propiedades intensivas.

Hay otras propiedades de los materiales que sí tienen que ver con la can-tidad de materia considerada, es decir, con la extensión del objeto que se está estudiando. A estas propiedades se las llama extensivas o generales. Mediante el estudio de estas propiedades se puede responder a preguntas como: ¿cuán-to mide?, ¿cuánto pesa? o ¿cuánto lugar ocupa? Algunos ejemplos de propie-dades extensivas son la longitud, el volumen y la cantidad de masa.

Edison quería que el material de los

filamentos de las lámparas pudiera:

» conducir la corriente eléctrica,

» calentarse al pasar por él la corriente y

» emitir luz al calentarse.

¿Cómo está compuesta la materia? ¿Cuál es su estructura interna?

Si se mide con exactitud una propiedad intensiva, ¿se podrá saber qué material es?

La balanza mide el peso de los objetos (A); la probeta, el volumen de los líquidos (B); la regla, la longitud de cuerpos medianos (C). El calibre o calibrador es un instrumento utilizado para medir dimensiones de objetos relativamente pequeños (D).

El cobre es un material conductor de la corriente, por eso se lo emplea en la fabricación de cables y artefactos eléctricos.

Propiedades intensivas: tienen que ver con la estructura interna o “identidad” de cada sustancia o material. A

C

B

D

17

los materiales y sus propiedades Capítulo 1

Los instrumentos de medición se gradúan según medidas preestablecidas internacionalmente.

Medición de las propiedades extensivasPara saber cuánto se tiene de un material, se elige un instrumento de me-

dición, se mide la muestra que se quiere estudiar y se lee el valor indicado por el instrumento. Los valores que proporciona el instrumento de medición (como por ejemplo las marcas de milímetros y centímetros de una regla o las de gramos de una balanza) se incluyen por el fabricante en el instru-mento, a partir de las indicaciones de un organismo internacional que se ocupa de definir las unidades de medida. De este modo, se puede expresar la magnitud que se quiere medir en las unidades de medida correspondientes.

Las unidades en las que se expresa el volumen de un objeto, es decir, la cantidad de espacio que ocupa, son litros (l), mililitros (ml), centímetros cúbicos (cm3), entre otras. Si lo que se analiza es un líquido, para medirlo se pueden usar pipetas, probetas o jarras medidoras que estén graduadas en las uni-dades adecuadas.

La masa es una medida de la cantidad de materia que tiene un cuerpo. Se expresa en kilogramos (kg), gramos (g), toneladas (tn), entre otras unidades. Para medirla se utilizan balanzas.

Sistemas de unidadesA lo largo de la historia, todas las sociedades han ideado sistemas de me-

dida, para los cuales construyeron patrones que definen las unidades y las subunidades. Los patrones son modelos que se emplean como muestra para medir alguna magnitud o para replicarla. Los antiguos chinos, por ejemplo, usaban partes del cuerpo (brazo, pulgar, pie) como unidades de medida de longitud. Pero no todas las personas miden lo mismo, y en consecuencia, las mediciones variaban mucho. Los babilonios usaban una unidad de longitud, el cubit, que también era usada por los egipcios y los griegos. Cada cubit egip-cio estaba dividido en 12 dígitos (dedos); pero cada cubit griego estaba divi-dido en 24 dígitos. Para determinar cuánto medía un cubit, especialmente en el comercio, y evitar peleas, los egipcios tenían un patrón hecho de granito negro: todos los cubits debían medir lo mismo que el patrón.

En la actualidad, para evitar confusiones, casi todos los países usan el Sis-tema Internacional de Unidades. Así, todas las personas entienden a qué se refiere una longitud expresada en metros o una masa expresada en gramos.

¿Cómo se puede conocer el volumen de un objeto sólido?

Magnitud Nombre de la unidad Símbolo de la unidad

Longitud metro m

Masa gramo g

Tiempo segundo s

Corriente eléctrica ampere A

Temperatura termodinámica

grado Kelvin K

Cantidad de materia mol mol

Intensidad luminosa candela Cd

¿Se podrán usar los mismos patrones de medición en distintos planetas? ¿Pesa lo mismo un objeto en la Tierra que en la Luna?

Un patrón sirve como referencia para medir.

Cuando se mide, siempre se está comparando con “algo”.

Patrón de medida de la masa. Es la masa que tiene un cilindro de platino e iri-dio protegido dentro de dos cápsulas de vidrio y guarda-do en la Oficina Internacio-nal de Pesas y Medidas en Sèvres, Francia.

18


Las propiedades intensivas Las propiedades intensivas son numerosas y definen características y

comportamientos de la materia muy diferentes. El estudio de las propie-dades intensivas de una sustancia es útil para decidir qué material es más adecuado para construir un objeto; pero, además, también puede ayudar a identificar un material desconocido.

Algunas de las propiedades intensivas de los materiales son las tempera-turas de fusión y de ebullición, la conductividad eléctrica, el magnetismo, la densidad y la solubilidad.

Temperatura de fusiónUna de las magnitudes intensivas más fáciles de medir es la temperatura

de fusión: es aquella temperatura por encima de la cual una sustancia pasa de ser un sólido a transformarse en un líquido; y viceversa: es también la temperatura bajo la cual, si está en estado líquido, el material se solidifica.

Mientras que el agua se derrite a 0 °C, el tungsteno funde recién a 3.422 °C, y por eso se mantiene sólido a altísimas temperaturas, y se puede usar en las lámparas incandescentes. Lo notable es que cuando se tiene un sólido y este empieza a fundirse, su temperatura se mantiene hasta que toda la sustancia haya cambiado de estado. Por más calor que se le entregue, la temperatura no subirá hasta que todo el sólido se haya fundido.

Temperatura de ebulliciónAl igual que en el pasaje de estado sólido a líquido, cuando un líquido se

evapora, la temperatura del sistema no aumenta ni disminuye hasta que todo el líquido se haya convertido en vapor. Este punto, conocido como tem-peratura de ebullición, es otra propiedad intensiva que contribuye a la identi-ficación de un material.

¿Qué propiedades se podrá estudiar para identificar un material “misterioso”?

¿Se podrán cambiar las propiedades intensivas de una sustancia en condiciones determinadas?

Cada sustancia funde (“se derrite”) a una temperatura determinada.

¿Qué instrumento se usará para medir la temperatura de fusión?

Mientras buscaban formas de medir la temperatura de los objetos, muchos científicos de la antigüe-

dad ensayaron con distintos aparatos. Las primeras refe-rencias fijas en un termómetro fueron definidas por el médico italiano Santorio Santorio (1561-1636): su esca-la, que tenía diez puntos, iba desde la “temperatura de la nieve” a la de “la llama de una vela”.

En 1655, el holandés Christian Huygens (1629-1695) sugirió usar la temperatura de ebullición del agua como referencia.

Pero fue Anders Celsius (1701-1744) quien “dio en la tecla” al publicar en 1741 su propuesta de una escala

dividida en 100 partes, en la cual el punto de ebulli-ción del agua marcara el cero y el de fusión del hielo el 100. Al año siguiente, Jean-Pierre Christin propuso invertirla, y desde entonces la escala quedó como hoy la conocemos y usamos.

Actualmente, en la Argentina, como en muchos otros lugares del mundo, se emplea la escala Celsius o centígrada: cero grados es la temperatura en que se congela el agua y cien grados, la temperatura a la que hierve. En los Estados Unidos, en cambio, se emplea la escala Fahrenheit; en esta escala, el agua se congela a 32° y hierve a 212°.

LA TEMPERATURA Y SUS ESCALAS

Termómetro de alcohol con

escala en grados Celsius.

¿Qué ventajas tiene utilizar las temperaturas de fusión y de ebullición del agua para construir una escala? ¿Qué

pasaría si se utilizara tungsteno como referencia?

19


Conducción de la electricidadAlgunos materiales, como los metales y el carbón, tienen la propiedad

de conducir la electricidad. La magnitud de esa capacidad de conducción se puede determinar y se llama conductividad eléctrica.

Entre 1729 y 1736, Stephen Gray (1666-1736), un tintorero y astrónomo aficionado inglés, y Jean Desaguliers (1683-1744), un filósofo natural francés, realizaron en Inglaterra una serie de investigaciones sobre la capacidad de ciertos materiales de conducir la electricidad. Propusieron que la electrici-dad que se consigue al frotar un tubo de vidrio con una lana puede transmi-tirse a través de algunos materiales.

Uno de sus experimentos consistió en colocar una esfera de vidrio a unos 800 pies de distancia de un tubo de vidrio previamente electrificado. Bajo la esfera de vidrio se colocaron unas cuantas plumas pequeñas y livianas. Luego conectaron la esfera, sucesivamente, a cables de metal, cuerdas de cáñamo, hilos de seda y otros materiales. En los casos en que la electricidad del tubo se transmitía a la esfera, esta atraía las plumas. Si la electricidad no se conducía, las plumas permanecían inmóviles.

Descubrieron así que algunos de materiales, como los metales, conducían muy bien la electricidad, mientras que otros, como la seda, no la conducían.

MagnetismoAlgunos materiales tienen una propiedad muy particular: cuando se les

acerca un imán, adquieren propiedades magnéticas. Estos materiales son llamados ferromagnéticos. Entre ellos están el cobalto, el hierro y el níquel.

Densidad Si se compara el espacio que ocupa igual cantidad de masa de distintas

sustancias, se observa que ocupan distinto volumen: un kilo de plomo, por ejemplo, ocupa mucho menos espacio que un kilo de plumas. La densidad es la magnitud que indica cuánta materia cabe en un volumen determina-do; por ejemplo, de 1 cm3. La unidad de densidad es “gramos por centímetro cúbico” (g/cm3). Se dice que el plomo es más denso que las plumas porque, a igual volumen, habrá una masa mayor de plomo que de plumas.

Propiedades organolépticasHay algunas propiedades de los materiales que están relacionadas con lo

que percibimos con nuestros sentidos: son las llamadas propiedades organo-lépticas. Algunas de ellas son la textura, el sabor, el olor y el color.

Las mediciones de propiedades sensoriales son difíciles de hacer porque dependen de la interacción con nuestros sentidos, y las personas no somos todas iguales. Aquí no hay mediciones exactas, sino evaluaciones subjeti-vas: nosotros decimos “qué nos parece”.

Como los principales “aparatos” de medición de estas propiedades están en nosotros mismos, para armar escalas y poder agrupar objetos según, por ejemplo, la dulzura, se convoca a expertos. Estos expertos han “entrenado” y calibran sus sentidos para hacer evaluaciones sensoriales lo más ajustadas que sea posible.

Magnetización de clavos de hierro al acercarles un imán.

Experimento de conducción eléctrica de Gray y Desaguliers.

Los materiales ferromagnéticos se “contagian” el magnetismo de un imán.

¿Cuántos metros son 800 pies?

cable conductor tubo de vidrio electrificado

esfera de vidrio

plumitas

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NOTAS DE LABORATORIO

Hipótesis: Las sustancias tienen distinta solubilidad en agua.Predicción: La solubilidad en agua de algunas sustancias será mayor que la de otras.Materiales: 3 recipientes, agua, azúcar, bicarbonato de sodio.Procedimiento: Se toman tres recipientes iguales y se colocan 10 ml de agua en cada uno. En uno se agrega una porción de azúcar de 1 g y se revuelve la mezcla. Esto se repite, agregando cada vez 1 g de azúcar, hasta que el azúcar deja de disolverse. En otros dos recipientes se hace lo mismo con sal y con bicarbonato de sodio. Resultados: En los tres recipientes se pudieron disolver, respectivamente, 20 g de azúcar, 3 g de sal y 1 g de bicarbonato.

No olvidar responder en el informe:1. ¿Cuál sustancia es más soluble en agua: el azúcar, la sal o el bicarbonato?2. ¿Cuál es el valor de solubilidad que pueden calcular en cada caso?

experiencia n.º 1¿Cómo distinguir una sustancia por su solubilidad?

Soluto: material que se incorpora o disuelve en otro. Solvente: material que recibe o en el cual es incorporado el soluto.

Propiedades organolépticas: tienen que ver con los órganos de los sentidos.

Solvente + Soluto = Solución

SolubilidadLos materiales también se distinguen por la propiedad de combinarse

con otros, dando por resultado una mezcla en la que no se distinguen los materiales originales. Por ejemplo, al agregar azúcar a una taza de té, lo que se consigue es una infusión dulce, en la cual el azúcar se habrá incorporado al líquido. Pero si se agrega arena a la misma infusión, esta no “cambiará el sabor” del té, sino que simplemente, pasado un breve tiempo, se depositará en el fondo.

La diferencia de comportamiento frente a la disolución se puede medir, y es una propiedad intensiva: la solubilidad. La solubilidad se expresa en g/ml: gramos del material minoritario, también llamado soluto (el azúcar del ejemplo) que se disuelven por cada mililitro de solvente (el material mayo-ritario, que aquí sería la infusión). Su valor depende de las identidades del soluto y del solvente y de la temperatura a la cual se mida.

La solubilidad cambia con distintos solutos.¿Pasará algo si se cambia el solvente?

¿Todos percibimos las

propiedades organolépticas de la

misma manera?

Para repasar lo visto hasta acá: página 27, actividades 1 a 4.

Ver experiencia en:http://bit.ly/EDVCN021

sal bicarbonato de sodio

21


El modelo corpuscular de la materiaLos seres humanos se han preguntado, desde los comienzos de la his-

toria, de qué están hechas las cosas. Responder a esta inquietud ha pre-sentado varias dificultades en distintas épocas. Por ejemplo, no es posible observar de forma directa los componentes básicos de la materia dado que no hay instrumentos de observación adecuados para ver estructuras tan pequeñas. Por eso, para explicar y predecir el comportamiento de fenóme-nos naturales que resultan demasiado grandes o demasiado pequeños para ser percibidos por el ojo humano, los científicos imaginan diversas repre-sentaciones, llamadas modelos.

Los primeros modelos sobre la naturaleza de la materia nacieron en la antigua Grecia. El filósofo Demócrito (460-370 a. C.) y sus colegas, los ato-mistas, sostenían que la materia está compuesta por corpúsculos o partí-culas de distintas formas, muy pequeñas e indivisibles, a las que llamaron átomos. Y decían que el espacio entre los átomos está vacío: la materia, de acuerdo con esta idea, está formada por átomos y vacío.

Tiempo después, el filósofo griego Aristóteles (384-322 a. C.) y los conti-nuistas decían que no puede existir el vacío, y por lo tanto la materia es continua. Según ellos, toda la materia está formada por distintas combina-ciones de cuatro “elementos”: agua, aire, fuego y tierra; aunque agregaban a ellos la quintaescencia, un quinto elemento que llenaba los espacios vacíos.

Mucho tiempo ha pasado desde las ideas de Demócrito y Aristóteles has-ta hoy, y muchos fueron los modelos propuestos desde aquel entonces. Nu-merosos experimentos aportaron evidencias que apoyan la idea de que la materia está conformada por átomos, y esa es la teoría científica que se acepta en la actualidad.

A pesar de que la idea que los científicos actuales tienen sobre los áto-mos es muy diferente de la que tuvo Demócrito, todos coinciden en que las características de la materia se acercan más al pensamiento atomista de Demócrito que a la concepción aristotélica.

Distintos tipos de átomos presentan distintas características, y se clasifi-can en los llamados elementos. Al día de hoy, se conocen unos 200 elementos diferentes (oxígeno, mercurio, sodio, carbono, hidrógeno, etcétera) y se pos-tula que estos elementos componen la materia que forma todo el Universo.

Los átomos tienen distintas maneras de interactuar. A veces se unen tan fuertemente que forman pequeños grupos que es muy difícil separar: las moléculas. La sustancia agua, por ejemplo, está formada por moléculas que contienen átomos de los elementos hidrógeno y de oxígeno.

Las uniones entre los átomos de oxígeno y los de hidrógeno son tan fuer-tes que, para explicar algunas de las propiedades del agua, las partículas que se usan en el modelo no son los átomos, sino las moléculas completas.

Para estudiar ciertos fenómenos, no hace falta conocer en detalle las ca-racterísticas de los átomos y de las moléculas. En este caso, se los puede representar mediante un modelo simplificado que los describe como puntos o esferas. Esta simplificación, que resulta útil para estudiar muchas propie-dades de la materia, se conoce como modelo corpuscular o de partículas.

Los atomistas pensaban que la materia está formada por partículas y vacío. Los continuistas, en cambio, pensaban que había una continuidad ininterrumpida de materiales o esencias.

Las distintas sustancias están formadas por átomos que se agrupan de distintas maneras.

¿Existirán los mismos tipos de átomos en todos los planetas?

Muchas propiedades del agua se pueden explicar tomando las moléculas de agua como partículas. En la imagen, las esferas verdes representan las moléculas de agua.

Aristóteles Demócrito

22


Los estados de agregación de la materiaSi se emplea el modelo que propone que las sustancias están compuestas

por partículas, se puede explicar cómo se producen los cambios de estado de la materia. Para eso, se necesita, además de la presencia de átomos, considerar la existencia de fuerzas que los mantienen juntos y que son las responsables de los distintos estados de la materia.

En una sustancia sólida, las partículas que la forman están acomodadas muy ordenadamente, y como están unidas por fuerzas muy intensas, es difícil separarlas. Si se entrega al sólido la suficiente energía, por ejemplo, en forma de calor, este se funde. Entonces, las partículas toman esa energía y comienzan a separarse de sus vecinas: ahora pueden moverse unas sobre otras, fluyen, y decimos que el sólido se transformó en un líquido.

Si se entrega todavía más calor, se logra que el líquido se transforme en gas; se habrá entonces entregado tanta energía a la sustancia que cada partícu-la podrá “escaparse” de las demás, alejándose lo más posible entre sí. En este caso, la sustancia ocupará más volumen, hasta abarcar todo el recipiente en el cual se halla contenida. Si los átomos que integran una molécula son diferen-tes, las fuerzas que los unen también lo serán, y las temperaturas de fusión y ebullición serán particulares para cada sustancia.

Estados de la materia

sólido líquido gaseoso

Al calentar una sustancia, sus partículas toman energía para separarse y moverse.

as sondas Cassini y Huygens, que es-tán estudiando la luna Titán, el saté-

lite más grande de Saturno, han enviado a la Tierra una información impactante: en ese cuerpo celeste, con una temperatu-ra superficial de -179 °C, existen ríos de metano, y el agua se encuentra en estado sólido, como las rocas en la Tierra.

Los científicos se enfrentan al pro-blema de traer a la Tierra muestras de esos materiales para estudiarlos, pues al cambiar las condiciones de temperatura y presión, su estado de agregación cam-biará. En la Tierra, en los rangos de tem-peratura y presión normales de nuestro

medio ambiente, el metano es un gas (es el componente principal del gas natural que se usa en las cocinas).

Cuando pensamos en el agua, es muy probable que la imaginemos en esta-do líquido, como se encuentra en ríos y mares. También sabemos que es fácil hallarla en otros estados de agregación: sólido en las cumbres nevadas y en los glaciares, o gaseoso, como vapor de agua cuando la hervimos en una olla. En cam-bio, al metano, el hidrocarburo más sim-ple y principal componente del gas natu-ral, lo imaginamos por lo general como un gas. •

RÍOS DE METANO EN TITÁNL

Sonda Cassini, de la NASA.

Foto tomada por la sonda Cassini, donde se ven los ríos

de metano de Titán.


Las condiciones de distintos

planetas hacen que las

sustancias estén en distintos

estados de agregación.

En Titán… ¿podrá usarse el

metano para cocinar?

M I E N T R A S TA N TO, E N OT R O L U G A R

1. ¿A qué tipo de propiedades de la materia se hace refe-

rencia en el artículo? Den ejemplos.

2. ¿Qué dificultades concretas se presentarían al tomar

muestras de elementos de Titán y traerlos a la Tierra?

23


Técnica del soplado del vidrio.

Herramientas de la Edad de Piedra, talladas en roca.

Vasija metálica de la Edad del Bronce.

Los materiales en la historiaLas propiedades de los metales hacen que hayan sido usados para cons-

truir herramientas tan importantes para el avance de la cultura y la tecnolo-gía que su desarrollo marca distintas etapas de la historia de la humanidad.

Los metales Hace unos 8.000 años, las principales herramientas del ser humano es-

taban hechas de rocas: era la Edad de Piedra. Aunque alguna gente usaba materiales metálicos para construir pequeños objetos, en especial adornos, los metales alcanzaron su auge hace unos 6.000 años, cuando nuestros an-tepasados observaron que al poner a calentar mucho algunas piedras se obtenía un metal rojizo y relativamente blando, maleable; comenzó así la Edad del Cobre. Pero al ser el cobre tan blando, los utensilios hechos con él se deformaban y se rompían muy fácilmente.

Esto cambió cuando descubrieron que al mezclar cobre con otro metal, el estaño, se obtenía un material brillante y amarillento, más duro y resisten-te; ahí comenzó la Edad del Bronce, 5.000 años atrás. Hace unos 3.200 años, el hierro, un material mucho más duro y resistente, sucedió al bronce; esto fue posible porque se habían desarrollado hornos que llegaban a la muy alta temperatura (1.600 °C) que se requiere para producir hierro.

Hoy en día, el hierro se sigue utilizando, en especial en aleaciones (mez-clas de un metal con otro material) que le aportan mayor dureza o evitan que se oxide. El acero, por ejemplo, es una aleación de hierro con una pe-queña proporción de carbono.

El vidrio En la búsqueda de materiales para distintos usos, el vidrio fue uno de

los más impactantes descubrimientos del hombre: al calentar la arena, vie-ron que se formaba un material fluido y viscoso, que al enfriarse, quedaba rígido, duro y transparente (aunque frágil ante golpes). Las antiguas civili-zaciones de América utilizaron materiales vítreos de origen volcánico, que se hallan en la naturaleza, como el cristal de roca y la obsidiana, para crear puntas de flecha, joyas y espejos.

En Europa, los primeros objetos de vidrio fueron esculpidos a partir de bloques sólidos por artesanos de Mesopotamia, que enseñaron su arte a los egipcios. Posteriormente, los artesanos egipcios empezaron a trabajar con el vidrio fundido, vaciándolo en moldes con la forma que deseaban. Hacia el año 200 a. C., desarrollaron en Babilonia un método que consiste en soplar una bola hueca de vidrio fundido a través de un tubo de hierro, formando así una botella. Esta técnica ha permanecido casi intacta durante 2.000 años.

Los antiguos romanos adquirieron maestría en el manejo del vidrio. Ade-más de usarlo para elaborar obras artísticas, usaron el vidrio plano en las construcciones, aprovechando su transparencia.

El ingrediente principal para fabricar vidrio es la arena. Se han desarro-llado distintas mezclas de materiales y de técnicas que permiten construir vidrios con distintas propiedades.

El avance de la tecnología

(hornos más calientes) permitió

la producción de nuevos

materiales (hierro).

El vidrio se puede fundir y verter en un molde, para darle la forma deseada.

¿En qué estado (sólido, líquido,

gaseoso) está el vidrio cuando

se lo mete en el molde? ¿Y

cuando se lo saca?

24


Los cerámicos Los cerámicos son materiales con propiedades muy particulares. Se

construyen mezclando arcilla con agua y distintas sustancias, que pueden darle determinadas propiedades buscadas. Luego, se cocina la pasta resul-tante en hornos, a temperaturas que varían según el producto que se desee obtener. Se pueden diseñar para que sean frágiles y poco porosos, como los platos de cocina, o altamente resistentes, como las placas que recubren las naves espaciales.

Los cerámicos pueden conducir la electricidad de maneras muy particu-lares; por ejemplo, solo cuando se los calienta o cuando se los golpea. Sir-ven para hacer ladrillos, azulejos, herramientas y tuberías. Se los encuentra dentro de los filtros de agua y en implantes dentales u otros tipos de próte-sis médicas.

Son materiales altamente perdurables en el tiempo, pues resisten condi-ciones extremas. Por ejemplo, no se oxidan con el aire, como los metales, ni son degradados por bacterias. Por eso suelen encontrarse vasijas y otros ob-jetos hechos con cerámicos en sitios arqueológicos; estos objetos se utilizan para estudiar las culturas humanas más antiguas.

Los cerámicos tienen también usos muy importantes en el mundo mo-derno. Por ejemplo, son los componentes principales de las celdas solares que forman los paneles con los que se alimenta de energía a las estaciones espaciales.

Los plásticosLos plásticos son otro tipo de materiales cuyas propiedades particulares

hacen que tengan muchos usos diferentes. Se producen a partir de deriva-dos del petróleo. Por eso, surgieron recién después de 1960, cuando se empe-zó a producir petróleo en grandes cantidades a nivel mundial.

Los plásticos son elásticos y maleables; son resistentes y no se oxidan al aire, ni son atacados por microorganismos. Por eso, sus propiedades los hacen adecuados, por ejemplo, para fabricar recipientes para guardar ali-mentos u objetos con formas muy complejas y precisas, como el teclado de una computadora. Por otro lado, los plásticos no conducen la electricidad ni el calor, por lo que se utilizan, por ejemplo, para aislar los cables que con-ducen la electricidad.

La enorme resistencia de los plásticos hace que, en contrapartida, su uso masivo en la actualidad sea un gran problema a resolver. Cuando se desecha un objeto de papel o madera, con el tiempo es degradado y se incorpora a la tierra. Pero el plástico puede permanecer en el ambiente cientos de años sin sufrir casi ninguna transformación; no son degradados por bacterias, y si se los quema producen gases altamente tóxicos y contaminantes.

Muchos grupos de científicos y tecnólogos están investigando formas de hacer que el plástico pueda ser degradado por bacterias o por otros fac-tores naturales. De ahí surgen nuevos materiales: los plásticos biodegra-dables (que pueden ser procesados por bacterias), los fotodegradables (que son atacados por la luz del sol) y los oxodegradables (que se degradan con ayuda del oxígeno del aire).

Vasija cerámica de Grecia antigua, de unos 2.500 años de antigüedad.

El plástico se utiliza, hoy en día, para fabricar una enorme variedad de objetos.

Los plásticos no se degradan fácilmente, pues son muy resistentes a los microorganismos del ambiente.

25


La “huella digital” de los materialesSi se comparan los valores de algunas de las propiedades intensivas de

diversos materiales, pueden encontrarse coincidencias. Por ejemplo, los me-tales zinc y cobalto conducen la electricidad en magnitudes no idénticas, pero sí muy parecidas. En cambio, si se analiza la temperatura a la que el zinc y el cobalto pasan de estado sólido a líquido, se observa que el zinc se derrite a 420 °C, mientras que el cobalto lo hace a 1.495 °C. En ocasiones, entonces, no alcanza con analizar una sola propiedad intensiva para identi-ficar un material desconocido, sino que hace falta observar distintas propie-dades al mismo tiempo.

Al considerar el conjunto de propiedades de un material, se puede deter-minar la “huella digital” característica e irrepetible de cada material. Así, pese a que existan materiales que compartan índices de conductividad eléctrica, otros que tengan temperaturas de fusión o de ebullición similares, u otros cuya densidad resulte parecida, no encontraremos dos materiales que bajo las mismas condiciones tengan el mismo conjunto de propiedades intensivas.

Por ejemplo, si tenemos un material que es sólido a temperatura menor a 0 °C, líquido entre 0 °C y 100 °C, que no tiene color ni olor, y 1 kg de ese ma-terial ocupa un volumen de 1 litro (cuando está a 4 °C), podemos concluir, sin temor a equivocarnos, que estamos en presencia de... ¡agua!

M I E N T R A S TA N TO, E N OT R O L U G A R

MATERIALES Y NAVES ESPACIALES as condiciones a que deben someterse todos los objetos que se utilizan en las naves espaciales hacen que para

construirlas se deban desarrollar materiales especiales.Los aviones y las naves espaciales deben soportar con-

diciones de temperatura, presión y fricción extremas; por eso, el gran desafío de la industria aeroespacial es conseguir materiales más ligeros, fuertes y seguros. Por ejemplo, cuan-do una nave sale de la atmósfera terrestre o reingresa a ella, la fricción con el aire atmosférico hace que la superficie de la nave adquiera altísimas temperaturas. Por eso se han desarrollado cerámicos especiales para aislar térmicamente las cabinas y evitar que se calienten demasiado, o que se conge-len cuando estén en el espacio.

Además de resistencia térmica, la estruc-tura del vehículo debe tener una gran resis-tencia mecánica, para soportar las velocida-des, aceleraciones, impactos y esfuerzos a los que se verá sometido. También deben tomar-se en cuenta factores como las temperaturas

y presiones que encontrará en su recorrido, y el factor igual-mente importante del propio peso de la nave.

Los trajes de los astronautas también se construyen con materiales diseñados especialmente; deben ser ligeros, ais-lantes, resistentes, herméticos y cómodos.

Los aparatos y los accesorios que llevan las naves espa-ciales deben ocupar el menor lugar posible, pesar poco y ser extremadamente eficientes. Piensen que sería muy difícil re-pararlos si se rompieran o se descompusieran en el espacio.

Las propiedades especiales de los ma-teriales desarrollados para aviones y naves espaciales han hecho que se los utilice para desarrollar otros objetos de uso cotidiano. Por ejemplo, los cuadros de las bicicletas de alta competencia se construyen con grafito, un material extremadamente resistente, rígi-do y liviano que también se usa para fabricar la mina de los lápices, y que se desarrolló, por sus propiedades intensivas, para elaborar componentes de naves espaciales. •

L


¿Qué características tienen los materiales empleados en la construcción de equipamiento para misiones espaciales?

26


Actividades de repaso

Bloque 2

1. Respondan las siguientes preguntas: a. ¿Qué características buscaba Edison en el material

para la construcción de la bombilla eléctrica? b. ¿Por qué no se puede hacer un filamento de mercurio?

(Investiguen en Internet antes de responder.)c. ¿En qué propiedad se deben fijar para responder las

preguntas anteriores? ¿Se trata de una propiedad in-tensiva o extensiva?

2. Hagan una lista de las propiedades extensivas e inten-sivas que se mencionaron en este capítulo.

3. ¿Por qué les parece que a veces el contenido de los en-vases de ciertos productos viene expresado en dos uni-dades? (por ejemplo, en gramos y en centímetros cúbi-cos). Aporten ejemplos.

4. ¿Cuál será el valor de la solubilidad de la arena en agua?

5. Utilizando el modelo de partículas, expliquen por qué distintas sustancias tienen distintas densidades.

6. Imaginen que están en Ushuaia en invierno, la tempera-tura es de unos 2 grados. ¿En qué estado (sólido, líquido o gaseoso) se encontrarán el agua, el tungsteno y el me-tano? ¿En qué propiedad deben fijarse para averiguarlo?

7. ¿Qué pasa con la energía que se entrega a un sistema, mientras se produce un cambio de estado? ¿Por qué no aumenta la temperatura mientras se está fundiendo?

8. Basándose en el modelo de partículas, redacten en sus carpetas un texto que explique el fenómeno representado en el gráfico.

9. El agua se ha utilizado como patrón para determinar muchas propiedades, tanto extensivas como intensivas. Por ejemplo, en una época se definió el litro (o decíme-tro cúbico, es decir el volumen de un cubo de 10 cm de lado = 1 dm3) como “el volumen que ocupa un kilogra-mo de agua a 20 °C”. Y a partir de esta definición, es po-sible definir también las medidas de longitud. Busquen en el texto ejemplos de otras situaciones en las cuales se haya utilizado el agua como patrón.

10. Busquen en sus casas objetos que estén hechos con materiales cerámicos o con plásticos, y armen dos lis-tas (tengan en cuenta que pueden incluir los materia-les con que está hecha la misma casa: las paredes, los pisos, los techos, la pintura, etcétera).

11. Seleccionen tres elementos de cada lista que armaron para la actividad anterior, y expliquen, para los seis objetos seleccionados, qué propiedades se tuvieron en cuenta para seleccionar el material con que fue fabri-cado cada uno de ellos.

12. Llenen los espacios con las palabras que aparecen abajo (algunas palabras se repiten): a. Los son buenos conductores de la elec-

tricidad. Por eso se usan para construir . Estos objetos se pueden proteger con otro tipo de materiales, los , pues estos últimos son

de la electricidad. b. Los también son buenos conductores

del . Por eso se utilizan para fabricar de cocina. Los pueden

diseñarse para que sean duros o , po-rosos o , etc. Los y los

son muy resistentes a los microorga-nismos y no se oxidan ni se arruinan con el agua.

metales • plásticos • cables • aislantes • calor • utensilios • frágiles • duros • cerámicos • impermeables

Actividades de repaso

Cubo que contiene 1 kg de agua a 20 ºC.

hielo

+ agua

líquidaagua

líquida

vaporagua líquida + vapor

Aumento de energía

hielo

27

Actividades de integración

¿Qué características

deberían analizarse en

el objeto misterioso?

Cada material, a partir del conjunto de

sus características, tiene una “huella

digital “que lo diferencia de los demás

materiales.

Modelo corpuscular de la materia.

Estados de agregación:

sólido - líquido - gaseoso.

Ver síntesis del tema en:

http://bit.ly/EDVCN028

1. Supongan que tienen una cuchara de un material bri-llante y que es buen conductor de la electricidad y el calor. Sin embargo, hay un problema: este material se derrite cuando se lo mete en agua hirviendo. ¿De qué tipo de material les parece que se trata? ¿Qué otra pro-piedad podrían estudiar para identificar el material?

2. ¿Podrían usar una cuchara de tungsteno para tomar sopa caliente? ¿Y una de galio (es un metal que funde a 30 °C)?

3. La fritura de alimentos requiere que se los sumerja, du-rante un tiempo breve, en un líquido a una temperatura de unos 250 °C. ¿Les parece que se podrá usar agua para freír alimentos? ¿Por qué?

4. ¿Podrían calibrar un termómetro con agua, estan-do en la luna Titán? ¿Se les ocurre una sustancia más conveniente?

5. Miren la tabla de abajo y respondan las preguntas que están a continuación.a. ¿Por qué les parece que Edison no intentó hacer una

bombilla eléctrica con mercurio?b. ¿Edison podría haber ensayado con filamento de

mercurio, si hubiera vivido en Titán?c. De los materiales listados en la tabla, y utilizando

solo esa información, ¿cuál es el más conveniente para construir el filamento de una bombita eléctrica? ¿Por qué?

d. Si tuvieran que identificar dos materiales de la tabla, ¿cómo lo harían?

Propiedades de los materiales

Intensivas Longitud Volumen Cantidad de masa

Extensivas Temperatura de fusión

Temperatura de ebullición

Conducción de la electricidad

Magnetismo Solubilidad Densidad (entre muchas otras)

Material Carbón Hierro Mercurio Níquel Oro Paladio Platino Tungsteno

Temperatura de fusión (°C) 3.800 1.538 -39 1.455 1.455 1.555 1.768 3.422

Resistividad eléctrica

(10–8 Ω m; mide cuánto se calienta un material con el paso de corriente

eléctrica)

10.000 a 100.000

8,6 96,1 6,2 2,1 9,8 9,6 4,8

Aspecto del elemento en la Tierra (a 25 °C)

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