Unidad 13. La materia, la base del universo 1 ¿Qué es la materia?

A nuestro alrededor existen muchos tipos diferentesde materia. El papel con el que está hecho este libro y el aire que respiramos es materia. Sin embargo, la luz de una lámpara o el fuego del Sol no es materia. Características comunes a todas las clases de materia: Están formadas por partículas muy pequeñas llamadas átomos. Estos átomos poseen masa y, por tanto, una característica de la ma-teria es la masa.

Los átomos ocupan un volumen en el espacio, por tanto, la materia posee volumen.

Materia es todo aquello que posee masa y ocupa volumen. Se denomina sustancia a un tipo concreto de materia que presenta unas propiedades específicas: color, temperatura de fusión o ebulli-ción, facilidad de oxidación, etc. Estas propiedades específicas permiten diferenciar entre sí a las distin-tas clases de sustancias. La materia no es eterna, se puede destruir transformándose en luz. Este proceso es el que ocurre en el Sol, donde el hidrógeno se trans-forma en helio y desprende una enorme cantidad de luz. En este pro-ceso, la masa del Sol va disminuyendo.

El aire es materia. Un globo contiene más de 1000 kilogramos de aire, que ocupan 1000

metros cúbicos de volumen.

2 Magn itud es físicas. Sistema Internacional de unidades

Algunas propiedades de la materia se pueden medir y se expresan mediante números. La longitud, la masa o el tiempo son ejemplos de estas propie-dades llamadas magnitudes físicas. Para obtener el valor de una magnitud física se realizan medidas que se comparan con la unidad. La unidad de cada magnitud física es una canti-dad arbitraria de la misma, que también recibe el nombre de patrón. El metro, el kilogramo o el segundo son las unidades de longitud, masa y tiempo, respectivamente. Las magnitudes físicas fundamentales se pueden combinar entre sí, dando lugar a nuevas magnitudes derivadas. Por ejemplo, si dividimos el espacio recorrido por un coche (magnitud fundamental) entre el tiempo em-pleado (magnitud también fundamental), obtenemos su velocidad media (magnitud derivada).

El velocímetro indica la velocidad, que es una magnitud derivada.

M A G N IT U D U N I D A D

S ÍM B O L O

F U N D A M E N T A L E N E L S I

Longitud Metro m

Masa Kilogramo kg

Tiempo Segundo s

Temperatura Grado kelvin K

Cantidad de M o l mol

sustancia

El Sistema Internacional de unidades (SI) define una serie de magnitudes fundamentales y determina los patrones que deben emplearse como unidad. Este sistema se creó para facilitar el intercambio de infor-mación científica y técnica entre países. En la tabla puedes ver algunas de las magnitudes funda-mentales y sus unidades en el Sistema Internacional.

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3 Cómo realizar una med ida. Erro res Una medida es la expresión por la que conocemos la cantidad de una magnitud física, como nuestra altura o nuestra masa, las dimensiones de una habitación o la temperatura del aire. Para ello, utilizamos instrumentos de medida. Las medidas de una magnitud pueden ser: Medidas directas. Son las obtenidas comparando directamente la magni-tud que queremos medir con un valor conocido, llamado unidad. Por ejem-plo, al situar una cinta métrica sobre la marca de una pared para conocer nuestra altura.

Medidas indirectas. Se basan en cálculos que hacemos a partir de las medidas de otras magnitudes. Por ejemplo, para medir la superficie de una habitación medimos largo y ancho, y después multiplicamos estas medidas.

El error es la diferencia entre el valor medido y el valor real de la magnitud que queremos medir. Siempre tratamos de que nuestra medida se aproxime al valor real, pero las causas de error son muchas. Por ejemplo: Los instrumentos de medida tienen un error asociado a la precisión del instrumento. Por ejemplo, si la cinta con la que medimos está graduada en centímetros, tendremos un error mínimo de 1 cm.

Los errores accidentales son debidos a descuidos, defectos del instru-mento o a las condiciones en que se realiza la medida.

Los errores sistemáticos se cometen por las condiciones de observación. Por ejemplo, se comete un error denominado de paralaje si no marcamos bien la altura sobre la pared.

La cinta métrica nos da un error de 1cm

Error debido a la precisión del instrumento y error de paralaje.

4 La masa y el volumen, dos magnitudes muy prácticas La masa de un cuerpo se puede definir como la cantidad de materia que tiene. Su valor solo depende del número de partículas del cuerpo. En el Sistema Internacional de unidades se expresa en kilogramos. La masa se mide empleando balanzas. En las antiguas balanzas de dos brazos se com-paraba directamente la masa de un objeto con las pesas. Actualmente, es preferible el uso de balanzas electrónicas por su exactitud y rapidez. El volumen de un cuerpo es el espacio que ocupa. Su valor depende de las condiciones de presión y temperatura. En el Sistema Internacional de unidades se mide en metros cú-bicos. Es frecuente medir la cantidad de los líquidos por su volumen. Esta no es una medida exacta, ya que, debido a la dilatación, el volumen de los líquidos puede cambiar sin que su masa varíe. No obstante, en la práctica hay poca diferencia y, además, para las envasa-doras es más fácil medir el volumen. Los gases poseen una masa muy pequeña en relación con un volumen igual de líquido o sólido. Además, su volumen varía mucho al comprimirlos o calentarlos. Mientras que un litro de agua posee una masa de 1000 g, un litro de aire apenas llega a 1,2 g.

TOMATE

1 KILO

LECHE

1Litro

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5 La densidad La densidad, d, es una magnitud derivada que se define como la relación que existe entre la masa, m, y el volu-men, V, de un cuerpo:

d= m

V La unidad de densidad en el SI es el kilogramo por metro cúbico (kg/m3). También es frecuente expresarla en gra-mos por centímetro cúbico (g/cm3). La densidad de los cuerpos varía con la temperatura. Cuando esta aumenta, los cuerpos sufren un proceso de dilatación por el que se incrementa su volumen, mientras que su masa permanece constante. La consecuencia es que la densidad disminuye. La densidad de un material es una medida que representa lo concentrada que está la materia en él. Cada material posee una densidad característica, cuyo valor puede servir para identificarlo. Los gases son muy poco densos, mientras que algunos sóli-dos –en especial, los metales– alcanzan densidades muy ele-vadas. En la construcción de vehículos se emplean materiales resistentes pero poco densos, como el aluminio o el titanio. La densidad no depende del tamaño de la muestra. Por ejem-plo, la densidad de una pepita de oro es igual que la densidad de un lingote de esta sustancia.

MATERIAL D E N S ID A D

(kg/m3)

Aire (a 20 °C 1,2

sin comprimir)

Agua (a 4 °C) 1 0 0 0

Acero 7 8 5 0

Aluminio 2 7 0 0

Titanio 4 5 0 7

6 La temperatura La temperatura es una magnitud que indica el estado térmico de un cuerpo. Las variaciones de temperatura suelen ir acompañadas de otros cambios en los cuer-pos. Todos aumentan de volumen al calentarse o cambian alguna propiedad como el color o cambian de estado. Algunas sustancias que sufren cambios medibles cuando aumenta su temperatura se emplean para construir termómetros. La medida de la temperatura se realiza con los termómetros. Al poner en contacto el termómetro con un cuerpo, se produce el paso de energía del cuerpo caliente al cuerpo frío hasta que se igualan sus temperaturas. Entonces, podemos leer la temperatura del termómetro, que será también la del cuerpo. Cada termómetro se gradúa en una escala termométrica determinada. La escala Celsius asigna el valor cero (0 ºC) al hielo fundiéndose y el valor cien (100 ºC) al agua hirviendo. Esta diferencia de 100 grados hace que dicha escala sea conocida también como “escala centígrada”.

En la escala Kelvin, también llamada escala de temperaturas absolutas, se asigna 273,16 K al hielo fundiéndose. También es una “escala centígrada”. Para pasar de la escala Celsius a la Kelvin, basta con sumar 273,16:

T (K) = T (°C) + 273,16

Escala Escala

Celsius Kelvin

Marca de

temperatura

Depósito de alcohol

El aumento de volumen del alcohol al calentarse hace que suba por el

tubo estrecho graduado.

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7 Materia homogénea y heterogénea Se puede establecer una clasificación de la materia según el aspecto que presenta. Si miras una macedonia de frutas, puedes observar partes diferenciadas en ella: melocotón, manzana, naranja, etc. Se dice que es materia heterogénea. Si, a continuación, pasas esa macedonia por una licuadora, el resultado es un “puré” en donde, a simple vista, no puedes encontrar partes diferenciadas. Se dice que el producto se ha homogeneizado. Sin embargo, si observas al microscopio ese puré, de nuevo podrás encontrar partes diferenciadas en él. Vuelve a presentar un aspecto heterogéneo. Como puedes comprobar, esta clasificación depende de la escala de observación. Algunas sustancias que parecen homogéneas revelan diferencias al observarlas al microscopio óptico.

Una ensalada de frutas, a simple vista, no presenta un aspecto uniforme. Es heterogénea.

Un zumo de frutas tiene un aspecto uniforme a simple vista. Es más homogéneo que la ensalada.

Materia homogénea es aquella que tiene un aspecto uniforme; en ella no se observan partes diferentes. Materia heterogénea es aquella que presenta un aspecto no uniforme; se observan diferencias entre sus partes.

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8 Mezclas. Método s de separación Una mezcla es un tipo de materia formada por la unión de varias sustancias diferentes. Casi todos los tipos de materia que observamos a nuestro alrededor son mezclas. Según el aspecto que presentan, existen dos tipos de mezclas: heterogéneas y homogéneas. Las mezclas heterogéneas. Para separar los componentes de estas mezclas se utilizan mé-todos que tiene que ver con las propiedades de las sustancias que las forman. – Filtración. Permite separar líquidos de sóli-

dos. Se hace pasar la mezcla por un filtro o tamiz, que permite el paso del líquido y re-tiene las partículas sólidas.

– Decantación. Permite separar líquidos in-miscibles como el agua y el aceite. Se deja reposar la mezcla en el embudo de decanta-ción para que sedimenten las partículas más densas.

Las mezclas homogéneas. Se denominan disoluciones. Al componente mayoritario de una disolución se le llama disolvente y al resto, soluto. La mayoría son líquidas, pero también las hay gaseosas y sólidas. La mayoría de las disoluciones líquidas se forman al mezclar agua pura como disolvente y una sustancia sólida como soluto. La atmósfera terrestre es una disolución ga-seosa que contiene nitrógeno, oxígeno y otros componentes minoritarios. El bronce es una disolución sólida formada por dos metales, el cobre y el estaño. Este tipo de disoluciones se denominan aleaciones. La concentración de una disolución indica la cantidad de soluto que se encuentra en la di-solución. Se expresa en gramos de soluto por litro de disolución (g/L).

FILTRACIÓN DECANTACIÓN

Mezcla inicial Embudo de

decantación

Filtro Líquidos d e d ife ren te densidad Partículas sólidas

Líquido más denso

Líquido filtrado

MODELO DE LOS COMPONENTES

DE UNA DISOLUCIÓN

Soluto Disolvente

Disolución

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9 Sustancias puras: simples y compuestas Las sustancias puras son sustancias que poseen propiedades específicas que sirven para separarlas e identificarlas. Entre ellas, destacan la densidad y las temperaturas de cambio de estado. Por ejemplo, el agua pura se congela a 0 ºC y hierve a 100 ºC; ninguna otra sustancia del universo posee esas temperaturas de cambio de estado. Las sustancias puras se clasifican en simples y compuestas. Las sustancias puras compuestas son aquellas que pueden transformarse en sustancias más sencillas mediante procedi-mientos especiales. Por ejemplo, el agua (H2O) puede des-componerse en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2) mediante la corriente eléctrica.

Las sustancias puras simples no pueden descomponerse en otras. Existen poco más de cien sustancias puras simples en el universo. Por ejemplo, el oxígeno y el nitrógeno de la atmósfera son sus-tancias simples; también lo son el hierro, el carbono o el cloro porque es imposible descomponerlos en otras sustancias.

El azúcar es una sustancia compuesta que contiene sustancias simples como carbono, oxígeno e hidrógeno. Al descomponerse, podemos observar cómo aparece el

carbono.

10 La crom ato grafía, un mét odo de separ ación de susta ncias Entre las técnicas utilizadas por los científicos para separar los componentes de una mezcla, se encuentra la cro-matografía. Esta técnica se basa en que las distintas sustancias de una mezcla se dejan arrastrar a diferente velo-cidad por los disolventes. Las tintas de los rotuladores son una mezcla compuesta por algún disolvente y diferentes pigmentos. Algunos co-lores, como el negro, suelen ser mezclas de dos o tres pigmentos diferentes. Para separarlos, se puede realizar una cromatografía siguiendo estos pasos: 1. Preparamos las tintas. Cortamos dos tiras de papel de filtro de 0,5 cm de ancho

por 8 cm de largo. Con un rotulador negro pintamos una pequeña man-cha a 1 cm del extremo de una tira. En la otra tira realizamos otra marca simi-lar con un rotulador negro distinto del anterior. En el extremo opuesto de cada tira identificamos con lápiz la marca de la tinta empleada (A y B).

2. Situamos las tiras dentro de un pequeño vaso que contenga alcohol, tal como

muestra la fotografía. (Debemos tener mucho cuidado con el alcohol, pues si moja directamente las manchas de tinta, disolverá los componentes y tendre-mos que empezar de nuevo.)

3. Separamos los pigmentos. Esperamos a que el alcohol vaya ascendiendo por

las tiras. Cuando alcanza las manchas, disuelve la tinta y sigue subiendo hasta provocar la separación de los pigmentos. Este hecho se debe a la dis-tinta velocidad con que se mueven por el papel.

Si comparamos tintas de diferentes marcas, com-probaremos que no todas emplean los mismos pig-mentos para fabricar el color negro. Este procedimiento de análisis se llama cromatogra-fía, debido a que inicialmente se empleaba para se-parar sustancias coloreadas.

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